[发明专利]机器人辅助柔性针穿刺软组织实验中软组织变形量实时测量方法

摘要

一种软组织变形量实时测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，该方法包含一个软组织变形量实时测量装置和一个软组织变形量实时测量算法，属于微创外科手术医疗器械技术领域。所述装置的核心部件是一个六轴力/力矩传感器，其余附件包括一个矩形组织支撑板、一个与传感器顶端相联的圆形组织托盘、一个与传感器底面连接的用于固定传感器的矩形底板以及数据采集卡和计算机，该计算机含有信号处理软件。该测量装置固定于组织容器底部。信号处理软件包含一个组织挤压力计算算法和一个组织形变量计算算法。这两个算法共同实现了组织挤压力的实时读取与调用以及组织形变量的实时记录与显示，从而实现了在针穿刺软组织实验中组织变形量的实时显示。

主权项

1.一种软组织变形量实时测量方法，该方法用于机器人辅助柔性针穿刺软组织实验，该方法包含一个软组织变形量实时测量装置，其由中心开孔的矩形组织支撑板(1)、圆形组织托盘(2)、矩形底板(3)、六轴力学传感器(4)、组织容器盒(5)、数据采集卡(6)及计算机(7)组成，其中六轴力学传感器(4)顶端与圆形组织托盘(2)通过螺钉连接，六轴力学传感器(4)底面与矩形底板(3)通过螺钉连接；矩形底板(3)通过卡槽方式固定在组织容器盒(5)底部；中心开孔的矩形组织支撑板(1)与圆形组织托盘(2)处同一圆心并同一平面上，中心开孔的矩形组织支撑板(1)固定于组织容器盒(5)中下部，中心开孔的矩形组织支撑板(1)的中心孔半径大于圆形组织托盘(2)的半径以保证圆形组织托盘(2)在水平面上不受约束；该装置用于实时测量针穿刺软组织过程中软组织的变形量，测得的数据通过数据采集卡(6)传递到计算机(7)，然后通过计算机(7)内的信号处理软件再结合软组织变形量实时测量算法，直接读出软组织变形量，并让变形量实时显示；该测量方法有如下步骤：1)由于软组织是黏弹性的材料，所以针对组织的挤压力向底部传递的时候会由于组织内部的消耗能而减小，那么组织实际上受到的挤压力F_N就可以通过底部的传感器间接测得其实际挤压力公式为F_N＝KF_N0(K＞1) (1)K是一个大于1的系数，与针的直径以及针刺入的位置有关；2)步骤1中的式(1)即为组织挤压力的计算算法，将其编成到信号处理软件中，以供软组织变形量测量算法调用；3)根据软组织的黏弹性特性，结合开尔文黏弹性模型公式，得到如下公式；其中：k、b分别是软组织的弹性系数和粘滞系数；x为软组织的变形量；对式(2)进行拉普拉斯变换得到下式F_N(s)＝k·x(s)+b·s·x(s) (3)结合式(3)和式(4)得对式(5)进行反拉氏变换，可得软组织变形量x与软组织挤压力F_N的关系式如式(6)所示式(6)即为软组织变形量的算法公式，式中：k、b分别是软组织的弹性系数和粘滞系数；x为软组织的变形量；F_N为软组织挤压力，可通过步骤1得到；4)根据步骤3中的软组织变形量计算算法，结合软组织变形量实时测量装置即可在针穿刺软组织实验中实时得到软组织的变形量。