乳腺穿刺活检手术机器人研究

2018-10-18袁小航杨志永姚贵英

生物医学工程研究 2018年3期

袁小航，杨志永，姚贵英

(1.河北工程大学机械与装备学院，河北邯郸 056038；2.天津大学机械工程学院，天津 300072)

1 引言

随着科学技术的飞速发展，国内外许多学者研究发现粒子植入成为治疗乳腺癌疾病的一种有效方法，它采用机器人进行近距离穿刺手术将放射性粒子植入肿瘤靶区部位杀死癌细胞[1-2]。乳腺癌近距离粒子植入是基于图像导航进行手术的，由于肿瘤部位为软组织，相对于CT等成像技术，核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)更为精确[3-4]，更适合用于导航乳腺穿刺的手术。基于MRI导航的微创手术机器人是目前国内外学者的研究热点，比如Pfleiderer等[5]设计了一台核磁兼容的乳腺癌针刺活检手术机器人系统，患者在手术过程中俯趴在核磁床上，执行手术机构通过X-Y方向的移动对准乳腺肿瘤部位实施手术。该机构的驱动采用核磁兼容的压电式电机，确保手术精度。Larson等[6]研究并设计了基于MRI导航的乳腺微创介入手术机器人系统。机器人在核磁图像导航下对乳腺肿瘤进行活检及近距离粒子植入治疗。机器人具有5个自由度，由软轴远距离驱动电机，实现肿瘤的定位以及穿刺过程。该系统主体结构放置于核磁仪床体上，机构内有可以将乳房稳固的固定装置，防止在手术过程中胸部软组织变形而产生误差。该机器人系统在高场强环境下进行了试验，结果满足核磁兼容性要求。李玉琴[7]设计了一套核磁图像导航的乳腺穿刺手术机器人样机。基于核磁兼容性要求，机器人系统的驱动装置在距离核磁仪相对较远的位置，通过软轴传动进行力的传递。机器人机构的6个电机轴扭矩通过软轴传递，软轴最大的优点是可以改变电机轴和驱动轴之间的距离和力偶失的方向，并且软轴具有柔韧、高弹性和低振动等特性，使用柔性轴传递扭矩，电机的安放位置自由性变大，并且明显提高了机器人机构的紧凑度，为机器人的构型及控制提供了较多的便利。Moon Y[8]等人提出了一种新型的末端执行器作为机器人插入式干预系统的关键部件。该机构被设计成具有旋转关节和弯曲滑动关节的球形机构，其连杆总是在球体表面上移动，与为插入针头而开发的传统末端执行器不同，机构的远程运动中心(RCM)放置在机构底部的下方，以避免与患者身体接触。

综上可知，目前国际上对乳腺癌微创手术机器人的研究已经取得突破，尤其是在核磁图像导航下的微创肿瘤消融手术方面，已经出现了不少成套系统，但距离临床标准仍然存在差距。由于核磁仪内存在强磁场[9]，且患者和机器人必须都置于空间有限的核磁仪内，因此，机器人系统必须满足核磁兼容性的要求[10]。针对乳腺癌手术要求，设计了一种基于丝传动的核磁图像导航的机器人系统，实现了远距离动力传递，将驱动装置放置在远离核磁仪的位置，减小对核磁仪的影响，并采用D-H方法建立了机器人系统的运动数学模型，得到其工作空间，通过实验验证了机器人满足设计要求。

2 机器人结构设计

2.1 机器人整体结构设计

由于研究对象是女性胸部，在进行成像时，患者必须趴在核磁仪内，机器人须放置于患者胸部与核磁床之间的位置，因此机器人整体结构空间十分有限，其活动范围在180 mm×600 mm较小的空间内，见图1。

由于肿瘤分布在整个乳腺的各个部位，但医生进行穿刺的最佳手术位置是在手术床两侧，因此穿刺针转动角度限制在手术床的两侧位置，并能够在一定高度范围内进行上下调节。机器人的整体结构见图2，机器人具有3个自由度，包括2个驱动穿刺针的转动自由度和1个驱动穿刺针上下移动的自由度。机器人系统具有3个自由度不仅满足手术功能而且简化了整体结构的设计，并采用丝传动传递动力的方式，将电机驱动力传递到末端执行机构上。

图1 机器人工作范围

图2 机器人整体机构原理图

2.2 丝传动设计

根据核磁兼容性要求，机器人系统中驱动系统对影响核磁仪正常成像起着至关重要的作用，国内外专家和学者研究认为丝传动驱动是一种较好的远程驱动方式[11-13]，它能够很好地解决核磁仪空间限制的问题。丝传动具有很多优点，如响应速度快，传动精度高，重量轻，噪声低，传动平稳，允许把驱动装置放在和末端执行机构相距较远的位置，即在狭小的空间内进行远距离的运动和力的传递，可以大大减小机器人的整体尺寸。此外，机器人系统采用丝在套索中相对张紧的传动方式[14]，见图3，在传动过程中，套索是可以弯曲的，丝相对套索是张紧状态，从而使机器人机构设计更为灵活。

图3 丝传动

丝传动主要解决的问题：(1)传动丝的绕丝问题；(2)传动丝的打滑、脱丝问题。其他有关丝传动的机构中丝都是要绕在螺旋状的丝槽里，保证丝与轮能够较好的转动。在本研究中，由于传动丝的两个出丝孔是固定的，所以将丝绕在光轴上而非丝槽里，目的是防止轮在转动的过程中丝脱离丝槽，从而产生绕丝错乱、脱丝，转动过程中有噪音，运行不稳定等现象。见图4，(a)位于初始位置，(b)为转过一定角度。

图4 丝槽结构

一般情况下丝传动与带传动一样，靠丝与轮之间的摩擦力来驱动轮的转动，但运动过程中，丝与轮之间的摩擦力太小容易发生打滑现象，摩擦力太大则丝的磨损比较严重，大大缩短传动丝的使用寿命。采用将丝与轮固定在一起的方法来解决这个问题。见图5大转盘的绕丝结构，丝先在丝槽中正绕一圈，然后经过丝固定1处，使用螺钉将丝与大转盘固定在一起，最后再正绕一圈。既解决了脱丝问题，又能防止打滑现象。同理见图6小转盘绕丝结构，丝先在丝槽中正绕一圈，然后先后经过穿丝孔a和b从对称侧的穿丝孔(图中未画出)中出来，最后再正绕一圈。

图5 大转盘的绕丝结构

图6 小转盘的绕丝结构

3 运动学分析

机器人具有3个自由度，见图7机构俯视图，大转盘在右侧的旋转范围为±45°(竖线阴影部分)，小转盘的旋转范围为±55°(横线阴影部分)，穿刺针可以到达右半个乳腺的所有位置，若肿瘤在乳腺左侧，将大转盘旋转180°则穿刺针可以到达左半个乳腺的所有位置。

图7 大转盘与小转盘的旋转范围(机构俯视图)

Fig7Turntablerotationrangeandsmallturntable(institutionalview)

为了得到穿刺针的空间位置和方向余弦，选用D-H法[15](denavit-hartenberg矩阵)建立了机器人系统的运动数学模型，见图8，并依照表1中的D-H参数构建D-H矩阵，表中l1、l2是各个杆件的几何尺寸，α、β、h为各个自由度的运动范围。

图8 杆件坐标系与运动学建模

l1：OA和OC之间的距离；l2：升降平台的上表面与针体之间距离；α：X0轴与X1轴之间的夹角；β：X1轴和X3轴之间的夹角；h：抬升模块中平台被提升的高度行程。

根据D-H方法写出杆件i(i=1,2,3)与杆件i-1之间的空间转换矩阵：

根据D-H计算方法，计算出机器人的运动学正解表达式：

其中，XP，YP，ZP是针尖点P在基坐标系中的位置坐标，θx, θy, θz是穿刺针的方向余弦，表示穿刺针刺入肿瘤时的角度。由近距离粒子植入手术的临床要求可知机器人的工作空间大于实际乳房体积，根据设计参数(见表2)使用MATLAB对机器人运动空间进行仿真，其结果见图9，机器人的工作空间呈圆柱形，直径160 mm,高90 mm，中国女性的乳房平均大小是140 mm,仿真结果表明机器人工作空间完全满足设计要求。