MRI兼容的具有校准人造模型和人造模型的机器人
阅读：513发布：2022-01-09
专利汇可以提供MRI兼容的具有校准人造模型和人造模型的机器人专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于 磁共振成像 器内部的医用 机器人 包括 水 平运动组件、竖向运动组件和 控制器 。所述水平运动组件包括运动关节、可操作地联接于所述运动关节的 超 声波 马 达以及可操作地联接于所述 超声波 马达的 编码器 。所述马达和编码器 定位 成紧邻所述水平运动组件的关节。所述竖向运动组件可操作地联接于所述水平运动组件，所述竖向运动组件包括运动关节、可操作地联接于所述运动关节的超声波马达以及可操作地联接于所述超声波马达的编码器。所述马达和编码器定位成紧邻所述竖向运动组件的关节。所述控制器可操作地联接于其上，并且当正在使用所述磁共振成像仪采集图像时，所述控制器适于切断电源。所述医用器械组件可连接到所述医用机器人。，下面是MRI兼容的具有校准人造模型和人造模型的机器人专利的具体信息内容。
1.一种用于磁共振成像器内部，且可安装医用器械组件的医用机器人，所述磁共振成像器具有竖向轴线限定的轴向平面和横向轴线限定的径向平面，并且用于扫描以采集成像，所述医用机器人包括：
水平运动组件，其包括水平运动关节、可操作地联接于所述水平运动关节的超声波马达和可操作地联接于该超声波马达的编码器，可操作地联接于所述超声波马达的水平导向螺杆，和一对直齿轮，所述一对直齿轮可操作地联接到所述水平导向螺杆和水平板，其中，所述超声波马达和编码器定位成紧邻所述运动关节；
竖向运动组件，其可操作地联接于所述水平运动组件，所述竖向运动组件包括竖向运动关节、可操作地联接于所述竖向运动关节的超声波马达、以及可操作地联接于所述超声波马达的编码器，可操作地联接于所述竖向运动组件的所述超声波马达的竖向导向螺杆，一个同步皮带和可操作地联接在所述竖向导向螺杆和竖向板之间的一对皮带轮，其中，所述竖向运动组件的所述超声波马达和所述竖向运动组件的编码器定位成紧邻所述竖向运动关节，并且所述医用器械组件可操作地联接到所述竖向运动组件和水平运动组件中的一个上；以及
控制器，其可操作地连接到所述水平运动关节和竖向运动关节，当所述磁共振成像器扫描时，适于切断所述控制器的电源；
其中，所述水平运动组件的所述超声波马达和所述竖向运动组件的所述超声波马达的每一个的横截面定位于选自包括径向平面和轴向平面的组中的平面上。
2.如权利要求1所述的医用机器人，其特征在于，所述机器人还包括可操作地联接到所述竖向运动组件和水平运动组件中的一个上的绕竖直轴回转组件，并且所述医用器械组件可操作地联接于所述绕竖直轴回转组件、竖向运动组件和水平运动组件中的一个，所述绕竖直轴回转组件包括绕竖直轴回转关节、可操作地联接于所述绕竖直轴回转关节的绕竖直轴回转马达以及可操作地联接于所述绕竖直轴回转马达的绕竖直轴回转编码器，所述绕竖直轴回转马达和绕竖直轴回转编码器定位成紧邻所述绕竖直轴回转关节，并且所述绕竖直轴回转组件可操作地连接到所述控制器。
3.如权利要求2所述的医用机器人，其特征在于，所述绕竖直轴回转组件还包括可操作地联接到所述绕竖直轴回转马达的绕竖直轴回转轴组件、同步皮带和同时可操作地联接于所述绕竖直轴回转轴组件以及可操作地联接于所述医用器械组件的皮带轮。
4.如权利要求2所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括可操作地联接于所述绕竖直轴回转组件，竖向运动组件和水平运动组件中的一个的绕横轴回转组件，并且所述医用器械组件可操作地联接到所述绕横轴回转组件、绕竖直轴回转组件、竖向运动组件和水平运动组件中的一个，所述绕横轴回转组件包括绕横轴回转关节、可操作地联接到所述绕横轴回转关节的绕横轴回转马达和可操作地联接到所述绕横轴回转马达的绕横轴回转编码器，所述绕横轴回转马达和绕横轴回转编码器定位成紧邻所述绕横轴回转关节，并且所述绕横轴回转组件可操作地连接到所述控制器。
5.如权利要求4所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括绕纵轴回转组件，其可操作地联接于所述绕横轴回转组件，绕竖直轴回转组件，竖向运动组件和水平运动组件中的一个，并且所述医用器械组件可操作地联接到所述绕纵轴回转组件、绕横轴回转组件、绕竖直轴回转组件、竖向运动组件和水平运动组件中的一个，所述绕纵轴回转组件包括绕纵轴回转关节和可操作地联接于所述绕纵轴回转关节的绕纵轴回转马达以及可操作地联接于所述绕纵轴回转马达的绕纵轴回转编码器，所述绕纵轴回转马达和绕纵轴回转编码器定位成紧邻所述绕纵轴回转关节，并且所述绕纵轴回转组件可操作地连接到所述控制器。
6.如权利要求5所述的医用机器人，其特征在于，所述绕横轴回转组件和绕纵轴回转组件是组合式绕横轴回转和绕纵轴回转组件。
7.如权利要求6所述的医用机器人，其特征在于，所述组合式绕横轴回转和绕纵轴回转组件还包括可操作地联接到所述绕横轴回转马达和所述绕纵轴回转马达的锥齿轮差速机构，并且所述锥齿轮差速机构可操作地连接所述医用器械组件。
8.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用器械组件是套针，并且所述套针可操作地连接到所述控制器。
9.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用器械组件包括一个推拉机构，所述推拉机构可操作地联接到定位成紧邻其的超声波马达，从而所述推拉机构提供直线运动。
10.如权利要求9所述的医用机器人，其特征在于，所述推拉机构包括可操作地联接到所述联接到所述推拉机构的超声波马达的一个导向螺杆、可操作地联接到所述一个导向螺杆的夹持架，其用于夹持一个激光治疗器，以及联接所述一个导向螺杆的锁紧器。
11.如权利要求10所述的医用机器人，其特征在于，所述医用器械组件还包括具有钛护套的激光扩散器。
12.如权利要求9所述的医用机器人，其特征在于，所述医用器械组件还包括气压驱动的冲击块，其联接到所述推拉机构上。
13.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括可联接于所述控制器的控制系统，所述控制系统远程控制所述控制器，且与所述控制器相隔离。
14.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用器械组件是可拆卸和可消毒的。
15.如权利要求5所述的医用机器人，其特征在于，所述水平运动组件的超声波马达、所述竖向运动组件的超声波马达、所述绕横轴回转组件的马达和所述绕竖直轴回转组件的马达都分别安装与所述磁共振成像器中所使用的局部线圈特定的距离，从而其的定位能够降低其与所述磁共振成像器的电磁感应。
16.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括可操作地联接到所述马达的至少一个的齿轮系，从而所述齿轮系适于减低所述马达的速度。
17.如权利要求5所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括联接于所述水平运动组件的所述超声波马达、所述竖向运动组件的所述超声波马达、所述绕横轴回转组件的所述马达和所述绕竖直轴回转组件的所述马达上的多个齿轮系，从而所述齿轮系适于减低所联接的所述马达的速度。
18.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，在所述磁共振成像器实时成像和停止所述磁共振成像器成像之间可交替地快速关闭和打开所述控制器，从而使成像与运动交替进行。
19.如权利要求18所述的医用机器人，其特征在于，所述成像包括成像序列，所述成像序列是具有短回波时间的梯度回波脉冲序列和具有短回波时间的快速自旋回波脉冲序列中的一种。
20.如权利要求17所述的医用机器人，其特征在于，所述成像包括成像序列，所述成像序列包括3种不同的脉冲序列，其包括长回波时间的快速自旋回波、T1-加权快速自旋回波和短重复时间梯度回波。
21.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括安装于所述医用器械组件的定位模型。
22.如权利要求21所述的医用机器人，其特征在于，所述定位模型包括安装于所述医用器械组件上预定位置的壳体，在所述壳体上至少有一个通道能在磁共振图像中可视，至少一个所述通道位于所述医用器械组件上的感兴趣的预定位置处。
23.如权利要求22所述的医用机器人，其特征在于，至少一个所述通道是多个通道。
24.如权利要求23所述的医用机器人，其特征在于，存在四个通道。
25.如权利要求22所述的医用机器人，其特征在于，至少一个所述通道是环形圈。
26.如权利要求22所述的医用机器人，其特征在于，每个通道充满了水和磁共振成像器可视流体的混合物。
27.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用器械组件包括具有环绕通道的激光光纤，所述环绕通道充满了水和磁共振成像器可视流体的混合物。
28.如权利要求1到7中的任何一项所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括一个平台，所述平台具有适于引入医用机器人的机器人导向器和适于调整其上病人位置的病人支撑部分。
29.如权利要求28所述的医用机器人，其特征在于，所述平台包括基座，所述病人支撑部分包括以铰链铰接的附着于所述基座的臀部支承和以铰链铰接的附着于所述臀部支承的腿部支承。
30.如权利要求29所述的医用机器人，其特征在于，所述病人支撑部分还包括可操作地联接接于所述腿部支承的可调整机械组件，从而所述可调整机械组件的移动使所述臀部支承相对于所述腿部支承重新定位。
31.如权利要求30所述的医用机器人，其特征在于，所述医用机器人还包括位于所述基座两侧的每侧的导向槽，所述可调整机械组件与所述导向槽接合且可沿所述导向槽移动。
32.如权利要求31所述的医用机器人，其特征在于，所述机器人沿所述导向槽是可移动的。
MRI兼容的具有校准人造模型和人造模型的机器人
技术领域
背景技术
[0002] 医用共振成像(MRI)设备是众所周知的医用工具，并且广泛应用于医疗诊断目的。最近研究表明提供一种能够在闭孔(close-bore)MRI内通过远程控制来进行外科手术的设备将具有极大的优势。一些医用机器人已经研制出来了，但是每个都有一些显著的缺陷。特别地，已经提议一些医用机器人使用定位在离MRI的等中心点1到2米的位置(事实上在孔的外面)的马达并且通过机械连杆致动。也有人提议远程手动致动；MR兼容的区域控制：在距离等中心点100cm以内没有磁和电元件；具有屏蔽电缆的马达驱动器和控制器在7米之外；
马达的电子设备和电源屏蔽在法拉第罩内；在扫描期间切断供给马达驱动器的电力；以及全气动的使用导致机器人变大。这些机器人中没有一个提供这样的解决方案，即使用能够定位在MRI等中心点附近的孔内的超声波马达。
马达的电子设备和电源屏蔽在法拉第罩内；在扫描期间切断供给马达驱动器的电力；以及全气动的使用导致机器人变大。这些机器人中没有一个提供这样的解决方案，即使用能够定位在MRI等中心点附近的孔内的超声波马达。
[0003] 本领域技术人员应当理解的是，存在对能够在MRI中使用的可靠的机器人的需求。进一步地，提供一种具有容易使用的校准方法的医用机器人将会有很大的优势。进一步地，提供如下的一种能够模仿某种解剖学特征的模型是有优势的，即能够用于校准机器人，培训外科医生和与MRI中机器人的使用相联合的其他任务。提供其一部分能够在MR图像中可见的设备将会是有优势的。提供一种用来确定针的最佳轨迹的方法也将是有优势的。另外，提供一种包括病人容纳部分和适于附着于其上的医用机器人的用于MRI的平台将是有用的。
发明内容
[0004] 在本发明的一个方面中，存在一种用于磁共振成像器内的医用机器人，所述磁共振成像器具有由竖向轴线限定的轴向平面和横向轴线限定的径向平面。所述医用机器人可与医用器械组件相联接。所述医用机器人包括水平运动组件，竖向运动组件和控制器。所述水平运动组件包括运动关节、可与所述运动关节可操作地相联接的超声波马达以及与超声波马达可操作性地相联的编码器。所述超声波马达和编码器定位成紧邻所述关节。所述马达的横截面可定位于轴向平面或径向平面中。所述竖向运动部件可与水平运动组件可操作性地相联接。所述竖向运动组件包括运动关节、与运动关节可操作性地相联接的超声波马达以及与超声波马达可操作性地相联的编码器。所述超声波马达和编码器定位成紧邻所述关节。所述医用器械组件可与竖向运动组件或水平运动组件可操作性地相联接。所述马达的横截面可定位于轴向平面或径向平面中。所述控制器可操作地连接到所述水平运动关节和竖向运动关节。当磁共振成像器用于采集图像时，适于关闭所述控制器电源。
[0005] 在本发明的另一方面中，存在一种与磁共振成像器联合使用的人造模型。所述人造模型包括由第一预定材料制成的试验人造模型器官；人造模型治疗区域，其由与所述第一预定材料不同并且在磁共振成像中与第一预定材料可区分的第二预定材料制成；人造模型环绕结构，其由第三预定材料制成，其中所述第三预定材料与所述第一、第二预定材料不同，并且在磁共振成像中与所述第一、第二预定材料可区分。
[0006] 在本发明的进一步方面中，存在一种与医用器械联合使用的定位模型。所述定位模型包括外壳，其安装在该医用器械上的预定位置，以及能在磁共振成像中可见的至少一个通道，所述通道位于所述医用器械上预定的兴趣点位置。
[0007] 在本发明的进一步方面中，存在一种与医用机器人联合使用的手术平台，所述平台具有引入医用机器人的机器人导向装置；以及支承病人并可调整其上病人位置的装置。
[0008] 在本发明的另一方面中，提供了一种医用器械，该医用器械包括激光光纤，并将其置于充满水和磁共振成像器可见流体的混合物通道中。
[0009] 在本发明的另一方面中，提供了一种确定针轨迹的方法，包括如下步 骤：提供预定区域的图像；确定所述图像上不正常区域的位置；根据所述不正常区域的位置计算规划目标体积；计算治疗区域，其覆盖所述规划目标体积；在预定范围内确定针的起始位置；以及计算从该起始位置到规划目标区域的针轨迹。
[0011] 参照附图，将仅通过实例描述本发明。在附图中：
[0012] 图1是具有医用器械组件的本发明医用机器人的透视图；
[0013] 图2是图1的医用机器人和医用器械组件的分离式透视图；
[0014] 图3是医用机器人的水平和竖向直线运动组件的透视图；
[0015] 图4是医用机器人三个方向旋转组件的侧视图；
[0016] 图5是医用机器人三个方向旋转组件的透视图；
[0017] 图6是可安装到本发明的医用机器人的医用器械组件或套针的透视图；
[0018] 图7是图6的医用器械组件的俯视图；
[0019] 图8是图6和7的医用器械组件的侧视图。
[0020] 图9是本发明的医用机器人和将插入于本发明的医用机器人的医用器械组件的透视图。
[0021] 图10是医用机器人和插入的医用器械组件的主视图；
[0022] 图11是医用机器人和插入的医用器械组件的侧视图；
[0023] 图12是示于人两腿之间的医用机器人和插入的医用器械组件的透视图；
[0024] 图13是显示了医用机器人和插入的医用器械组件的透视图，显示位置紧邻侧卧的人；
[0025] 图14是本发明的医用机器人替代实施方式的透视图，其中，本发明的机器人具有置于其上的医用器械组件；
[0026] 图15是图14的医用机器人和医用器械组件的分离式透视图；
[0027] 图16是图14的医用机器人的水平和竖向直线运动组件的透视图；
[0028] 图17是图14的医用机器人和医用仪器组件的医用机器人的三个方向 旋转组件的侧视图；
[0029] 图18是图14的医用机器人和医用仪器组件的医用机器人的三个方向旋转组件的透视图；
[0030] 图19是可装于本发明的医用机器人的医用仪器组件或套针的替代实施方式的透视图；
[0031] 图20是图19的医用器械组件的俯视图。
[0032] 图21是图19的医用器械组件的侧视图。
[0033] 图22是图14的医用机器人的医用机器人和将插入其上的医用器械组件的透视图；
[0034] 图23是安装了图14的医用机器人和医用器械组件的医用器械组件的医用机器人的正视图；
[0035] 图24是安装了图14的医用机器人和医用器械组件的医用器械组件的医用机器人的侧视图；
[0036] 图25是为支承病人并安装本发明医用机器人的平台的透视图；
[0037] 图26是图25的平台和安装其上的本发明医用机器人的侧视图。
[0038] 图27是类似于图25所示的透视图，但是显示了定位于其上的人的下部分；
[0039] 图28是本发明的医用机器人的控制系统的示意图；
[0041] 图30是运动控制系统的电路图；
[0042] 图31是另一个运动控制系统的电路图；和
[0043] 图32是医用机器人和医用器械组件的每个关节的运动控制的框图；
[0044] 图33是与医用器械组件联合使用的定位模型的示意图，其中a)是正视图，b)是侧视图，c)是后视图；
[0045] 图34是图33的定位模型的具体实施方式的透视图；
[0046] 图35是图34的定位模型的正视图；
[0047] 图36是图34的定位模型的侧视图；
[0048] 图37是图34的定位模型的后视图；
[0049] 图38是类似于图33a)所示的示意图，但显示了计算时的虚线；
[0050] 图39是图34所示的定位模型的磁共振图像；
[0051] 图40是与医用器械组件结合使用的定位模型替代实施方式正视图的示意图；
[0052] 图41是用于磁共振成像器中的前列腺模型的正视图；
[0053] 图42是图41的前列腺模型的透视图；
[0054] 图43是图41的前列腺模型的磁共振图像；
[0055] 图44是描述优化针轨迹所需要治疗参数的示意图；
[0056] 图45是针轨迹的限制示意图；
[0057] 图46是限制针轨迹的替代示意图，并且显示了两个干扰区域；
[0058] 图47是显示优化针轨迹和治疗区域位置的示意图；
[0059] 图48是显示对不同权重因子的针位置优化曲线图；
[0060] 图49是医用器械组件的具体实施方式激光器放大截面图。
具体实施方式
[0061] 本发明涉及在磁共振成像(MRI)的引导下使用远程控制机器人的医疗过程。机器人的一个功能是将一件或更多件医疗器械送到根据人体磁共振(MR)图像选定的人体内位置。MR图像也可以用于实时监测插入和治疗。机器人设备与MRI兼容并且位于MRI扫描器内[0062] 在一种应用中，机器人设备用于组织切除。在本应用中，目的是通过加热或冷却破坏可能含有某种尺寸和类型的癌变肿瘤组织的特定区域。在目前情况下，机器人将加热或冷却设备送到MRI指定的位置。加热或冷却则将破坏目标区域的组织。在此应用中，当传输加热或冷却时，监测组织的温度变化。监测温度变化以确定达到了破坏目标组织的足够温度，同时确保不会在非目标(即健康的)组织发生超温度变化(和由此产生损害)。下面将详细描述一种监测温度变化的方法。
[0063] 参考图1，本发明的医用机器人概括地表示为10。医用机器人10具有附着于其上的医用器械组件或套针12。组合的医用机器人10和医用器械组件12是一个6自由度的机器人，用来在手动控制穿孔之前在患者附近所选择的位置对套针的针头14进行自动定位(方向和位置)。举例说明，当医用机器人10用于前列腺外科手术时，套针14的针头在手动控制穿孔之前定位在会阴附近。应当理解的是，穿孔也是自动进行的。组合的医用机器 人10和医用器械组件12具有3个直线运动关节和3个转动关节，下面将对其进行详细描述。如图1中箭头所示，3个线性关节影响水平平动16，竖向平动18和针的穿刺或插入20；3个转动关节影响绕竖直轴回转22，绕横轴回转24和绕纵轴回转26。
[0064] 医用机器人10具有两个独立的直线运动关节以分别实施水平平动16和竖向平动18。图3显示了由水平和竖向运动关节组成的机器人基座28。水平运动关节包括具有水平编码器32的水平超声波马达30(优选USER30-E3N)，一对直齿轮34，一个水平梯形螺杆和螺母
36，一对水平导轨36及一个水平移动板(如图2所示)31。导向螺杆35组合件装有陶瓷转动轴承。驱动器是具有保持力的超声波马达，其能够锁住关节位置而不需要其它马达制动器。从图中可以看出，水平超声波马达30和水平编码器32定位成紧邻包括直齿轮34、水平梯形螺杆和螺母35及水平直线导轨36等组成的水平运动组件。
36，一对水平导轨36及一个水平移动板(如图2所示)31。导向螺杆35组合件装有陶瓷转动轴承。驱动器是具有保持力的超声波马达，其能够锁住关节位置而不需要其它马达制动器。从图中可以看出，水平超声波马达30和水平编码器32定位成紧邻包括直齿轮34、水平梯形螺杆和螺母35及水平直线导轨36等组成的水平运动组件。
[0065] 竖向运动关节包括具有竖向编码器41的竖向超声波马达40(优选USR60-E3N)，一个同步皮带和一对皮带轮(未图示)，一对竖向直线导轨37，竖向梯形螺纹导向螺杆和螺母38，以及竖向移动板39。从图中可以看出，竖向超声波马达40和竖向编码器41定位成紧邻包括同步皮带、皮带轮、竖向直线导轨37以及竖向梯形螺杆和螺母38的竖向运动组件。由水平运动关节和竖向运动关节组成基座28上的所有零件是由铝或塑料制成的。它们都具有适当的磁敏感性。
[0066] 如图4和5最佳所示，医用机器人10具有三个转动关节：绕竖直轴回转(pan)(在水平平面上转动)，绕横轴回转(在竖向平面上倾斜升降)和绕纵轴回转(旋转)。绕竖直轴回转关节组件包括绕竖直轴回转轴组件42，一对直齿轮43，同步皮带44和皮带轮46，以及具有绕竖直轴回转编码器50的绕竖直轴回转超声波马达48(优选USR60-E3N)。绕竖直轴回转超声波马达48和绕竖直轴回转编码器50定位成紧邻包括绕竖直轴回转轴组件42、一对直齿轮、同步皮带44和皮带轮46的绕竖直轴回转组件。绕横轴回转和绕纵轴回转关节包括两个具有绕横轴回转和绕纵轴回转编码器54的绕横轴回转和绕纵轴回转超声波马达52(优选USR60-E3N)以及锥齿轮差速机构56。传动从马达52至较小的驱动锥齿轮，然后传输到较大的驱动锥 齿轮。当所述两个驱动锥齿轮以相同的速度，沿相同的方向转动时，实现绕横轴回转移动；当两个驱动锥齿轮以相同的速度，沿相反的方向转动时，实现绕纵轴回转移动。由于所述两个马达一起工作，实现了较大的输出扭矩。
[0067] 与医用机器人10一起使用的医用器械组件12可以有多种功能。在此处所示的构造中，医用器械组件移动端点以便插入或穿刺。参照图6，7和8，此处所示的医用器械组件或套针模块12用于激光切除。医用器械组件12的主要部件包括一个“治疗针”(或“套针”)器械；推拉机构62；冲击块64，冲击气缸65，具有编码器68的超声波马达66(优选USR60-E3N)(如图
11所示)，齿轮70，导向块72和导向轴74。推拉机构提供直线运动。
11所示)，齿轮70，导向块72和导向轴74。推拉机构提供直线运动。
[0068] 医用器械组件12包括钛护套75和用于保护或冷却激光扩散头的水冷功率激光器76。推拉机构62包括导向螺杆82，具有螺母的推杆84，水冷功率激光器76和护套锁紧器78的夹持架86。推拉机构62将治疗针器械推动到目标和缩回护套以显露激光扩散头。推拉机构
62还适用于在外科手术做完后将所述治疗针器械拉回。因此，推拉机构提供直线运动，是医用机器人10的第六自由度。导向螺杆82装配有一对陶瓷转动轴承。为了使治疗针器械获得高插入速度，增加了一个气动驱动的冲击块64。本领域技术人员应当理解的是，激光治疗器械可由具有可收缩的钛护套、活体组织检查器械和短距离放射治疗器械来替换。
62还适用于在外科手术做完后将所述治疗针器械拉回。因此，推拉机构提供直线运动，是医用机器人10的第六自由度。导向螺杆82装配有一对陶瓷转动轴承。为了使治疗针器械获得高插入速度，增加了一个气动驱动的冲击块64。本领域技术人员应当理解的是，激光治疗器械可由具有可收缩的钛护套、活体组织检查器械和短距离放射治疗器械来替换。
[0069] 图10和图11显示了装有医用器械组件12的医用机器人10，图9显示了医用器械组件12尚未插入医用机器人10。所述组合设备具有六个自由度，其中五个自由度在医用机器人10中和一个自由度在医用器械组件12中。在此处所示的实施方式中，医用器械组件12是用于激光切除的套针设备。然而，所述医学器械也能够是用来获取活体组织的器械或短距离放射治疗器械。本领域技术人员应当理解的是，医用器械组件也能够设计成任何或者所有的云台和转动功能是医用器械组件的部分，而不是医用机器人。
[0070] 为了使操作员容易且快速地替换医用器械组件12而不必调整医用机器人10，在医用机器人10和医用器械组件12之间提供了简单的接口。具有2个销的定位块90被附着到每个医用器械组件12的外壳92的下面。医用器械组件12的外壳92插入到支承块94中，支承块94与医用机器人10 上的一个大中空锥齿轮56接合。定位块90定位成靠着支承块94的后侧，然后用指旋螺栓96锁紧在适当位置。这样，医用器械组件12能够快速地安装在基座组合件或医用机器人10上。类似地，通过用指旋螺栓96解锁并且将医用器械组件12从支承块94中拉出来，从而能够快速且容易地移除医用器械组件12。
[0071] 当人如图12所示的那样躺着时，组合的医用机器人10和医用器械组件12能够置放在人腿之间，或者在人如图13所示的那样，可放在他的侧下部。
[0072] 图14到22示出了具有变异的医用器械组件的变异医用机器人。
[0073] 医用机器人100的6自由度用来自动定位(方向和位置)医用器械组件12或套针124。机器人具有3个直线运动关节(水平的，竖向的和针穿刺方向)和3个转动关节(绕竖直轴回转，绕横轴回转和绕纵轴回转)。图14的箭头显示了水平平动102，竖向平动104，针穿刺
106，绕竖直轴回转108，绕横轴回转110和绕纵轴回转112。此外，机器人100可以包括定位模型114。驱动器是具有保持力的超声波马达，其能将针锁定而不需要马达制动器。图14提供了机器人100的示意图，图15提供了机器人100的分解图。
106，绕竖直轴回转108，绕横轴回转110和绕纵轴回转112。此外，机器人100可以包括定位模型114。驱动器是具有保持力的超声波马达，其能将针锁定而不需要马达制动器。图14提供了机器人100的示意图，图15提供了机器人100的分解图。
[0074] 如图15最佳所示，机器人100包括一个水平平动组合件116，一个竖向平动组合件118，绕竖直轴回转组合件120，绕横轴回转和绕纵轴回转组合件122，针穿刺组合件124和定位模型114。
[0075] 机器人具有两个独立的直线运动关节以分别实施水平和竖向平动。图16显示了机器人实施水平和竖向平动的机器人基座的结构。水平运动组合件116包括一个具有编码器128的超声波马达126和线性滑动台130。竖向运动组合件118包括一个具有编码器134的超声波马达132和线性滑动台136。竖向运动组合件118可安装于水平运动组合件116上。超声波马达126和132优选USR60-E3N马达。水平运动组合件116和竖向运动组合件118上的零件是用与磁共振(MR)相兼容的材料制造的。水平运动组合件116可安装在基座137上。基座137形状为容纳与磁共振扫描仪配合使用的线圈。特别地，基座137有一个弓形端以容纳直肠内线圈(未图示)。
[0076] 如图17、18和20所示，机器人具有三个转动关节：绕竖直轴回转108 (水平面内转动)，绕横轴回转110(竖向平面内升降)和绕纵轴回转112(旋转)。绕竖直轴回转组合件120包括具有编码器140的超声波马达138(优选USR60-E3N)、同步皮带142、皮带轮144和146、绕竖直轴回转轴组件148和一对齿轮150。绕横轴回转和绕纵轴回转组合件122包括具有编码器154的两个超声波马达152(优选USR30-E3N)、两个蜗杆齿轮减速器156和锥齿轮差速机构158。传动从马达152传输到蜗杆齿轮减速器156，再传输到较小的驱动锥齿轮(未图示)和然后再传输到较大的驱动锥齿轮160。当两个驱动锥齿轮以相同速度沿相同方向转动时，实现绕横轴回转移动；当两个驱动锥齿轮以相同速度沿相反方向转动时，实现绕纵轴回转移动。
由于两个马达一起工作，因此获得较大的输出扭矩。
由于两个马达一起工作，因此获得较大的输出扭矩。
[0077] 图19到图21显示了用于激光切除的穿刺组合件或套针模块124。穿刺组合件124包括主要零件：“针”(或“套针”)工具；推拉机构164；具有编码器168的超声波马达166(优选USR60-E3N)，齿轮170，导向轴172和定位模型114。
[0078] “针”工具包括钛(或镍钛合金(nitilon))针174和用来保护或冷却激光扩散头的水冷却功率激光器176。推拉机构164包括导向螺杆178，插入组合件180，用于水冷功率激光器的保持架组合件182，以及针锁紧器184。推拉机构164适于将针和激光器推动到目标，然后缩回针以显露激光扩散头尖端。推拉机构164还适于在完成外科手术后将“针”工具拉回。因此，推拉机构提供线性运动，其为医用机器人100的第六自由度。导向螺杆178装配有一对陶瓷转动轴承。穿刺组合件具有一个护罩186。
[0079] 图22提供了具有套针模块的医用机器人100的概观，该机器人可分成了两个组合件，具体地讲，五个主自由度的基座组合件188；和用于激光切除的套针模块124。也可以使用其他套针模块。例如也可使用用于活体组织检查和短距离放射治疗的套针。
[0080] 为了使操作员在不需要调整基座的情况下容易且快速地替换套针模块，在基座组合件188和套针模块124之间设置了简单的接口。如图22所示，具有2个销的定位块190附着在每个套针模块124的壳体192的下面。通过将套针模块124的壳体192插入到支承块194的中空中，支承块194与基座组合件188上的大中空锥齿轮160接合，并且定位块190设置成靠 着支承块194的后侧，然后用指旋螺栓96锁定套针模块124，就能快速地安装到基座组合件上。当在用指旋螺栓96解锁并从支承块中拉出后，套针模块124能够快速且容易地从基座组合件188上移除。
[0081] 为病人提供支承并且适于安装医用机器人100的手术平台在图25中概括地表示为300。平台300具有支承病人装置和适于引入医用机器人的导向器308，其中，支承病人装置包括基座板302，臀部支承304和双腿支承306。
[0082] 臀部支承304以靠铰链铰接的方式附着于基座板302的一端。臀部支承304呈C形，其形状适于联接一对腿部支承306的两个端部。一对腿部支承以靠铰链铰接的方式联接于可调整的机构组件310上。可调整的机构310沿着位于其两侧的导向槽312滑动。双向扳手314使可调整机构组件沿着基座板302前后移动。使用时，臀部支承304和腿部支承都能够调整，从而病人的骨盆以恰当的角度定位。
[0083] 医用机器人100的基座137安装到机器人导向器308上方。机器人导向器308通常是楔形的。旋钮318将机器人100保持在适当位置。
[0084] 平台300适于与病人运输设备(未图示)一起使用。多个的定位器320设置在平台100的下侧，适于与病人运输设备接合。
[0085] 本领域技术人员应当理解的是，此处所述的平台仅用于举例说明，其提供了可适于其他类型的外科手术的特征。特别地，所述平台提供了可调整病人的方位，并且可移动医用机器人固定位置。所述设备设计成手动调整的。所述平台由与磁共振成像(MRI)兼容的材料制造。
[0086] 如上所述，机器人的主要功能是将医用器械运送到指定位置。进一步地，重要的是，机器人在MRI中发挥良好的功能。已经确定的是，机器人的转动速度能够影响到置于MRI内部的机器人运动精确性。根据麦克斯韦公式，机器人转动移动得越快，机器人和MRI扫描仪的主磁场之间的电磁感应越大。因此，减少转动机器人运动以降低机器人-MRI电磁感应。医用机器人100使用齿轮机构来减少转动机器人运动。然而，其他达到同样目的的方法也是可能的。
[0087] 机器人和MRI环境之间的电磁感应的另一个潜在表现是产生了涡流。涡流是时变磁场在导电结构中产生的电流。涡流的出现能显著地降低MR 图像的质量。因此，导电表面和结构优选降低到最小，理想情况下，减少到零。目前存在涡流源的装备是马达，以及在较小的程度上，编码器。然而，应当理解的是，随着减少或消除传导涡流的超声波马达和编码器的研发，将会使用这种超声波马达和编码器。在MRI环境中，因射频(简称RF)波和时变线性磁场梯度而出现时变磁场。为了很好地近似，射频和梯度处理发生在垂直方向上。这表明如果可能将机器人的马达沿优选方向进行定向，由射频或梯度引起的涡电流能够降低到最小。特别地，如果马达位于轴向平面上，射频感应的涡流能够达到最小，同时如果马达位于径向平面上，梯度感应的涡流能达到最小。MR成像器的x，y和z平面在图14中用101概括地显示。轴向平面由竖向或y轴限定，径向平面由侧向或z轴限定。从图14可以看到，医用机器人100具有沿轴向平面和径向平面定向的马达的横截面。
[0088] 在MRI环境中，存在与所述机器人产生电磁感应的可能的多个电磁感应源。其中一个主要的潜在源是采集用来形成MR图像的数据的局部线圈。典型地，这些局部线圈构建成创建一个具有正在成像的解剖构造的封闭空间结构。例如，当对大脑成像时，典型地使用类似于头盔的局部线圈。一种使与机器人与局部线圈的电磁感应降低到最小的方法是从物理上将机器人的导电结构与局部线圈隔离开。在本发明中，机器人马达定位成与所述局部线圈具有特定距离(或更远)。例如，在头部线圈的情况下，机器人马达能放置成与胸部齐平。在此处的实施方式中用作举例说明，美国马达(USR60-E3N)应放置成距离机器人的前部约
30cm或者更远，且优选沿轴线方向定向。当较小的马达(USR60-E3N)沿轴线方向定向放置时，它可以放置成小于30cm。
30cm或者更远，且优选沿轴线方向定向。当较小的马达(USR60-E3N)沿轴线方向定向放置时，它可以放置成小于30cm。
[0089] MRI扫描操作产生影响编码器的EMI(电磁感应)噪声，且这些噪声引起不精确的位置反馈读数。关联地，超声波马达(U/S)操作产生影响MR图像清晰度的EMI噪声。已经确定的是，处理器(控制器)产生后者效果，同时使得前者更容易。
[0090] 测试过几种用来避免这些影响的方法后，已经确定“电源开/关”解决方案是最佳的解决方案。具体地，已经确定的是，接通和关闭控制器电源(3.3V)，同时保持U/S电源(24V)和编码器电源(12V)接通，足以不 产生显著的EMI，这样就生成可以接受的MR图像和无噪声的编码器读数。表1显示了不同电源对MR图像的影响。因此，具有最低功率的设备引起图像变形是不期望的结果。
[0091] 表1
[0092]
[0093] *电源：直流24V，12V和3.3V
[0094] **距离：最接近MR扫描仪等中心点的机器人上的马达与扫描仪等中心点之间的距离
[0095] ***考虑所有在50厘米内的马达
[0096] 当控制器电源断开时，为了存储机器人当前位置的数据，控制器使用备份电池来将当前位置数据保存在处理器SRAM(静态随机存储读取器)中。包括具有A/D(模拟/数字)数字I/O(输入/输出)功能的USB设备和一些继电器以非常迅速地切换电源的接通和断开。
[0097] MRI-P的控制系统结构是主-从结构(分散结构)的。这有助于精确地控制马达的位置和速度控制。
[0098] 相反地，在许多关于基于MRI的U/S马达控制应用的现有技术中，采用的都是集中结构。这里使用的是分散结构，采用一个微处理器(Rabbit processor)RCM3410(如图28)控制一个电机。主控制器接收用户的指令，并且通过RS485总线和自定义协议将指令发送给从控制器。
[0099] 有时候用户可能想立即停止运动。但是，在正常控制模式中，控制器忙于同步地检查位置信息反馈，不能接收指令。包括与主控制器通信的一个独立的RCM3410板以向用户提供这种能力。当独立的控制器从RS485总线接收停止命令，它向目标关节控制器发送数字信号以立即停止运动。
[0100] 通信协议提供主从控制器之间的通信。在协议中有两种类型的帧：短帧和长帧。长帧是13个字节长：它从主控制器向从控制器传输运动参数，例如期望的速度和目标位置，还从控制器向主控制器传输当前位置的反馈信息。短帧是6个字节长；为了快速通信，它传输不带参数的短指令。这些协议的主要目的是加速处理以便提高机器人操作的速度。
[0101] 机器人操作的速度是一个决定其能否被医学界接受的至关重要的问题。控制器需要打开和关闭，这减慢了操作速度。需要优化过程。需要指出的是，当套针在体外时，由于机器人的其他关节在插入之前已经定位，因而这仅与套针马达(线性运动)有关。
[0102] 马达开/关周期分成下面几个阶段：
[0103] -上：在关闭以后，重置和初始化控制器所需要的时间；
[0104] -开：马达运行时间(控制器是打开的)；
[0105] -下：关闭控制器所需要的时间；
[0106] -扫描：扫描所需要的时间，扫描期间控制器是关闭的。
[0107] 这里所考虑的时间值是：上-.3s；开-取决于整个周期所需要的平均速度；下-.01s；扫描-.3s。线性马达的最大速度是15.885mm/s。这样，例如，如果开是.39s(周期＝1s)，整个周期的平均速度是6.19mm/s。
[0109] 提高平均速度的另一种方法是更换机械零件，例如穿刺关节的导向螺杆。螺纹导程可以增加2或4倍。这样最大速度将增加2到4倍。但这也使穿刺力减少2到4倍，这是不可取的。
[0110] 由马达制造商制造的驱动器USR60 E3N提供了精确的速度控制。驱动器从编码器获得速度反馈，调整马达输出电流以控制运动速度。速度控制精度是由制造商保证的。驱动器上的速度环是关闭的。唯一问题是USR60的驱动器需要模拟信号，但是RCM只能输出数字信号。图29中示出了为驱动器将RCM的PWM输出转换成模拟信号的电路图。
[0111] 每个关节的复位过程需要使用传感器。传感器在复位过程中提供一个参考位置。这个信号是具有高重复性的。当产生一个复位指令时，马达沿预定方向移动，同时检查传感器的信号。当检测到信号时，它表明马达已经接触到参考位置，马达立即停止操作。然后马达被驱动到预定位置，这就是“复位”。
[0112] 至于绕竖直轴回转和绕横轴回转关节，它们由两个耦合的控制器驱动，其中只有一个控制器可以从传感器接收信号，这个接收信号的控制器将向其他控制器同步提供数字信号。
[0113] 优选地，这里的控制系统是位于每个U/S的从控制器上的闭环位置控制。图30和31显示了此运动控制系统的结构。控制器为驱动器设定速度和运动方向。这种类型的超声波马达的最小速度是15rpm(由于关节1使用不同类型的马达，关节1的最小速度是30rpm)。这意味着即使速度设定为零，马达也会以15rmp的速度移动。这一特性限制了常规控制算法的使用，例如PID。
[0114] U/S马达设计成尽可能地接近于立即准确地停止。运动传感器是500线正交编码器。这表明对于每个关节，误差(1个计数)是0.18度。图32示出了运动控制块图。
[0115] 当接收到运动指令时，控制器将向驱动器发送运动速度和方向。然后控制器将会连续地检查马达位置。当马达接近指令的位置(在300个计数以内)，控制器将减速。当马达移动到正确位置时，控制器立即使马达停止。
[0116] 为了使用MRI扫描仪所生成的图像将机器人引导到特定的位置，必须使MR扫描仪和机器人的坐标系同步。在我们的系统里，这一点是通过在当机器人位于特定的，已知的位置时获取MR图像实现的。机器人在MR图像中的位置受到标识。由于已经确定了得自MR的位置和机器人在自身坐标系的已知位置，机器人和MRI坐标系能够实现同步。为了使用这一方 法，必须提出的一个主要挑战是如何最好地标识机器人在MR图像中的位置。在本发明中，下面给出三个可替换的完成这一任务的方法：
[0117] ●针由机器人提前送到MR可视目标内的某个已知位置。MR可视目标可以是人体，或一些外部的测试目标(例如，凝胶模型)。当放置到MR可视目标中时，所述针将呈现暗色。用这种方法，针尖的位置能够在MR图像中可视。
[0118] ●使用能够间接提供MR图像中针尖位置的定位模型。定位模型包括4条水通道(如图33所示)。所述针位于4个通道的正中间。所述针的位置确定如下：第一，确定每个充满水的通道在MR图像中的位置。第二，从这些位置来计算4个针的中心点(如图38所示)。这个过程在两个平面中对针尖的位置进行定位。在垂直面中执行类似的过程以第三维上对针尖的位置进行定位。图39是一个定位模型原型的MR图像。在将来的机器人设计中，定位模型可以直接集成到机器人本身中。
[0119] ●所述针可以充满水和/或用水环绕(或者对比-剂-滴的水)。用这种方法，所述针能够在MR图像中可视。
[0120] 更具体地，图33示出了校准人造模型114的一个实施方式，包括示意性地表示主视图的a)，表示侧视图的b)，表示后视图的c)。定位模型114也显示在图34到图37中。定位模型114包括4个充满水的通道200和一个注水口202。针夹持器204位于4个通道的中央。定位模型包括附着于医学器械的外壳201。本领域技术人员应当理解的是，定位模型114显示为附着于特定的套针上。然而，定位模型114适于用来定位任何类型的医学器械，其中，所述通道预先设置于特定医学器械的感兴趣的点上。此处显示的实例中，感兴趣的点是针尖202。
[0121] 定位模型114包括充水管200，其中充水管200定向成使得两个充水管200之间的连线通过针尖202(如果38所示)。
[0122] 在计算针尖202的位置时，假定在充水管的“正确”的位置上实际上不存在错误。在MR图像里，针尖的位置计算如下：
[0123] 1)测量充水管的(x，y)位置，连同位于相反侧的相应管子的(x，y)位置。这两个管子之间的连线的中点对应针尖：
[0124]
[0125] 所有测量点(xa1，xb1，ya1，yb1)的位置不确定性将是图像分辨率(δ)。这种不确定性能够认为是关于每个点的真实位置分布的标准偏差(这种偏差不考虑特定形式的分布，不过如果必须可以安全地假设成高斯分布)。假设一种测量的位置不确定性与任何其他的测量值不相关(这种假设的合理性将在后面讨论)。在这些假设条件下，毫无疑义地遵循基本1 1
统计学，xtip和ytip的标准偏差是
统计学，xtip和ytip的标准偏差是
[0126] 2)对所有剩余的n/2对管子重复步骤1。根据所有这些测量值中每一个估计针尖位置的不确定性为：
[0127] 是 如步骤1。
[0128] 3)取针尖位置的所有估计量的平均值：
[0129]
[0130] 因为每个位置(xtipi，ytipi)的标准偏差是 并且假设所有位置(xtipi，ytipi)是不相关的，因此，(xtipav，ytipav)的标准偏差是：
[0131]
[0132] 根据所有位置的测量值都是不相关的来预计该偏差。这可能是真的，除了在充水管排列成0度或90度的退化情况外的所有情形外。在这种情况下，管子位置和成像栅格将会彼此对齐，并且对于x位置或y位置而言，测量值将是相关的。这种情况的解决方案就是简单地避免将充水管放置在0度或90度的位置。
[0133] 替代地，定位模型114可以包括一个环形的水圈206，并且针尖208计算在如图40所示的圆的中央。
[0134] 参考图49，激光器概括地显示为600。激光器600可以与图1中示出、图6到图8详细地示出的医用器械12或者图14中示出、图19到21详细地示出的医用器械124联合使用。激光器600包括由内部导管604和外部导管606环绕的激光光纤602。内部导管604和外部导管606流动连通。外 部导管606具有输出口608，内部导管604具有输入口610。导管604和606具有循环流动的水和MRI可视流体混合物。优选地，MRI可视流体是钆，并且流体中钆的含量在10％到1％之间。
[0135] 在一些应用中，可能希望机器人和MR扫描仪之间相互交换信息和/或数据。本发明推荐实现这种通信的几种方法：
[0136] ●机器人和MR扫描仪之间可以通过FTP(文件传输协议)传输图像和/或数据。
[0137] ●机器人和MR扫描仪之间可以通过DICOM推/拉协议传输图像。
[0138] ●机器人和MR扫描仪之间可以通过扫描仪内置实时协议(RTP)传输图像和/或数据。
[0139] ●机器人和MR扫描仪之间可以通过一个BiT3设备传输图像和/或数据。
[0140] 机器人/MRI通信可以是必需的一个特殊应用是实时机器人可视化。在这种应用中，MR数据获取和机器人使用同时发生。然而，在电磁耦合不能充分抑制的情况下，MR扫描仪和机器人之间的起动则可以是交替的。在这种情景中，机器人使用和MR数据获取在打开和关闭状态之间快速连续地切换以便模拟实时功能，并且MR扫描仪和机器人的打开/关闭状态是协调的。这种协调能够通过在MR扫描仪和机器人之间使用其中一种前述数据交互机制来回地发送信号来实现。另外一种实现这种通信的方法可以是通过TTL信号。
[0141] 在MRI成像测试中，可以使用多种不同的脉冲序列和脉冲序列参数来影响成像目标的可视化效果。典型地，针对特定的应用选择使用特定的脉冲序列和参数以便对目标的可视化进行优化。这种优化可以包括(但不限于)使信噪比(简称SNR)最大，使对比度与噪声的比率(简称CNR)最大，同时使伪迹最小。对机器人应用来说，已经确定具有短回波时间(TE)的梯度回波脉冲序列提供了好的针可视化效果。当针和/或光纤充满钆对比剂，已经确定具有短回波时间的高速旋转回波(简称FSE)脉冲序列提供好的可视化效果。对于可视化凝胶，使用三种不同的脉冲序列：长回波时间的快速自旋回波，T1加权高速旋转回波和短重复时间的梯度回波。
[0142] 为了监测MRI的实时温度，必须得研发几种方法。第一，已经实现将 MRI数据转化为温度立面图的技术。这种技术使用了MRI图像的相位。第二，已经研发了实时访问数据的技术。在当前实施中，数据是通过FTP访问的。然而，更一般地，包括上面概述的其他方法都是可能的。
[0143] 解剖构造正确的MR兼容模型适于局灶性干涉，它对MRI中使用的医用机器人的设计、研发、测试和培训是非常有用的。
[0144] 在此处图41到图43中显示的模型400设计成解剖结构正确，与MR兼容并且包括允许局灶性消融的部分。模型400包括可治疗部分402，解剖结构正确的“前列腺”404和具有“直肠”408的会阴类似结构406，在此示例中可治疗部分大约是5立方厘米。
[0145] 可治疗部分402根据局灶性干涉类型的不同而不同。它是由具有不同性能的不同支架凝胶(shelf gels)制成的。凝胶可以染成绿色，并且包括一些可使用激光能量变化以使之凝结的类脂化合物的脂肪和蛋白质。替代地，可以使用一种能够用高强度聚焦超声(简称HIFU)热能变更的不同的凝胶。例如可以使用ATS LAbratories Inc.的材料。
[0146] 在此处的具体实施方式中，“前列腺”404是用模具制造的。所述模具是一种简单的模具并且能够制造任何尺寸的前列腺。所述“前列腺”是用明胶做成的，这种明胶是在任何超市均可购买到，并且钆添加到了这种混合物中。前列腺的“尿道”410是用佛利阶(Foley)导尿管制成的。
[0147] 会阴类似结构406是用具有顶端开口的立方体模具制成的。“直肠”408是通过使用位于适当位置的管子且充满模具而创建的。“会阴”的材料是市场上可以买到的牙组织材料(dental histomer)。一旦创建出“会阴”下部部分，所述“前列腺”放置在顶部并且充满模具以围绕所述前列腺。以CavexCA37为例，Cavex CA37普通装和CavexCA 37速成装是由Haarlem CAVEX HOLLAND B.V制造的，并且是牙科所使用的海藻酸盐包衬材料，可以用来制作会阴类似结构404。
[0148] 本领域技术人员应当理解的是，此处的模型400是标准材料的组合，但是它考虑了预定体积的局灶性消融。所使用的不同材料给出不同的MR信号，最终营造一个内部具有癌瘤的接近类似人体前列腺。此处所述的前列腺的MR图像如图43所示。
[0149] 目前治疗前列腺癌的实践使用腹腔内针插入物，例如短距离放射治疗， PDT，光热法等等，通过将针插入点固定到间隔5毫米、方向垂直于所述板的栅格上。在局灶性治疗中，这对于治疗整个器官是工作得相当好的，但这种方法的定位精度很差。进一步地，计划的目标体积(即，肿瘤加上边缘)的形状和位置可能需要多针插入，即使计划的目标体积(PTV)可能很小并且如果对针的位置和角度的限制是非常宽松的，只需单针就可以完全覆盖。这种类型的手术可以使用具有用来指示针的轨迹和位置的感应器的手动倾斜角度针插入设备。
[0150] 为了充分实现功能，基于全面治疗肿瘤(或PTV)且避免其他关键结构，提供一种优化针的轨迹及其起始位置的方法。因此，这种方法的要求是：
[0151] ●全面治疗肿瘤
[0153] 所以，方法的局限性：
[0154] ●轨迹角的范围受限于设备。
[0155] ●轨迹角的范围受限于内部骨骼，例如趾骨弓。
[0156] 上述标准以2D表示的方式显示在图44中的500处，下面将对此进行详细讨论。
[0157] 轨迹优化需要确定针的起始位置、x’和轨迹角、θ。为了覆盖治疗区域，需要知道方向、θ和治疗区域中心(xc，yc)。图中显示了上面指出的几个要求。第一，治疗区域502完全覆盖PTV 504。第二，治疗区域502与处于风险中的器官506具有最小的重叠，但是仍然具有重叠。第三，没有趾骨弓508，针的运动受到设备宽度(xo到xend)的限制。所有这些限制和目标的深度都约束轨迹角、θ。如果有趾骨弓508，则轨迹角还会进一步受到约束。下面给出解决这一问题的细节。
[0158] 在图44中，作为光纤的治疗区域502是一个椭圆形，光纤轴线沿着治疗区域的长轴。PTV(或肿瘤)504完全被光传导纤维的治疗区域覆盖，这是希望的结果。处于风险中的器官(简称OAR)506也被治疗区域部分地覆盖，这是不希望的效果。轨迹优化要求使治疗区域最大化地覆盖PTV 504，最小化地与OAR 506重叠。为了优化计算，需要考虑传输给病人的光热剂量，DP和由此引起的组织反应。作为第一近似值，组织反应被认为是简单的阈值效果。在这种情况下，治疗反应定义为关于体素K的Ek，能够描述如 下：
[0159]
[0160] 这里D阈值是产生凝结反应所需要的最小光热剂量。这里能够使用包括全热剂量的更复杂的模型，但是我们目前的观察确实表明存在阈值效果。在这些公式中，假设阈值剂量对于所有的组织都是相同的。
[0161] 为了优化治疗传输，PTV的治疗效果应该最大化，其他组织的影响应该最小化。在这种情况下只需要考虑单个OAR。这可以通过优化/最小化下述通用代价函数来概括：
[0162]
[0163] 这里，PTV和OAR分别具有体素为M和N的体积。前两项描述了PTV和治疗效果的重叠。随着更多的PTV接受阈值剂量以上的治疗，和项增加，与总的体素数之间的差接近于0。第三项表示OAR与治疗区域的重叠，随着更多的OAR接受阈值剂量以上的治疗，这一项在数值上增大。
[0164] 在上述公式中，传输到每个位置的剂量的效果，j，使用“重要因子”Wj进行加权。在OAR的实例中，该数值对损伤的临床影响是成比例的。如果临床结果无论在功能还是美容上没有受到影响，OAR的治疗是“不重要的”，而且对优化治疗计划是没有效果的，使用到OAR上的剂量能够高于阈值剂量。相反，如果存在临床影响，临床医生可能需要权衡可能对PTV治疗不足(DP＜DT)与可能对OAR过度治疗(DO＞DT)的重要性。重要因子的相对数值指导这一平衡。
[0165] 考虑具有3个OAR，前列腺，直肠和能勃起的神经的实施例。正常的前列腺治疗具有最小的临床效果，因此对于局灶性疗法，权重项设定为0。直肠的治疗会导致显著的临床发病率，因此权重项设定得很高。能勃起的神经的治疗可能取决于病人。如果对病人而言保持能勃起功能是很重要的，则权重可设定得很高。如果勃起功能对病人是比较不重要的(可能由于目前状况限制了他的性功能)，则权重可以设定得比较低。
[0166] 优化治疗要求使用治疗区域的中心(xc，yc)和方向，θ作为可调整参数 来使代价函数最小化。然而，这些参数将会受到针插入位置的物理限制的限制，即，使用具有几何限制的机械设备进行的穿过腹腔的针插入。
[0167] 短距离放射治疗设备具有10厘米的运动距离限制，因此约束了针夹持器的运动距离，并因而约束了进入前列腺的轨迹。图45显示了基于设备的物理限制的针轨迹的2D界限。同样的情况也应用于z坐标。θmin和θmax表示最小和最大插入角，而θ是优化轨迹角。这些角度不仅受到设备的运动限制的限定，而且受到PTV的位置的限定。在这个实例中，因为它将接近治疗区域的中心，PTV的中心认为是目标位置。基于此，优化轨迹由下面式子给出：
[0168] θmin＝tan-1((xc-x′)/yc)， 3.
[0169] 对轨迹方向的限制是：
[0170] θmin＝tan-1((xc-x0)/yc)， 3a.
[0171] θmax＝tan-1((xc-xend)/yc)， 3b.
[0172] 如果趾骨弓干涉优化轨迹，上述给出的类似方法能够用来对该限制进行限定。然而，该限制需要基于趾骨弓所施加的限制而进行重新限定。
[0173] 趾骨弓可以认为是如图46所示的2个单独的左和右干涉区。对于每个区域，需要找到趾骨弓沿x坐标的适当范围从而针轨迹不会与趾骨弓重叠。
[0174] 为了发现这些界限，必须首先沿x坐标测量中心(xpc)和每个区域的界限(xpm，xpn)。可以从团状物的PTV中心到趾骨弓的外部界限(xpm，ypm)画一条线，然后进一步延长到针的起始位置。这条线将确定外部界限x0和xend。对其他侧重复同样的程序。使用下面的算法来找到界限：
[0175] xpc＝mean(xp)；％沿X坐标的趾骨弓的中心
[0176] [xpm，imxp]＝max(xp)；[xpn，inxp]＝min(xp)；％最大和最小值
[0177] ％匹配设备限制的起始条件
[0178] x_0＝0；x_end＝40；
[0179] if xpm＞xpc
[0180] xp_t＝xpm+1；％在轨迹上提供一些缓冲
[0181] yp_t＝ypm；％匹配y坐标
[0182] x_0＝(xp_t-xc)*yc/(yc-yp_t)+xc；％三角形的比率
[0183] else
[0184] xp_t＝xpn-1；
[0185] yp_t＝ypn；
[0186] x_end＝(xp_t-xc)*yc/(yc-yp_t)+xc；
[0187] end
[0188] 对其他趾骨区使用新界限x0和xend重复该算法。
[0189] 优化程序的初始测试是使用MatLAB执行的，使用(xc，yc)和θ作为调整参数。然而，MatLAB的优化例行程序对方向很不敏感，因而在寻找优化解决方案方面比较差。使用了一种基于针起始位置和PTV的中心的不同方法。由于i)机械设备具有有限的分辨率，并且ii)要求的分辨率是近似±1毫米，代价函数能够计算初始起始点的全部范围。由于趾骨弓或其他解剖构造特征，起始位置的范围能够根据上述讨论的界限进行设定。
[0190] 接着进行迭代程序。
[0191] ●计算PTV的(xc，yc)，基于质量中心
[0192] ●对于x’＝xo到xend
[0193] ○对使用x’，(xc，yc)计算的治疗区域计算F
[0194] ○保持θ值不变，使用不同的(xc，yc)使F达到最小
[0195] ○如果Fk＜Fk-1返回，否则保存(xc，yc)并且继续
[0196] ●利用最小F找到x’，然后基于x’和(xc，yc)计算轨迹
[0197] 另一种方法将使用标准优化例行程序，并通过同时调整(xc，yc)和θ，以及利用趾骨弓所确定的界限，使代价函数达到最小。
[0198] 图47示出了针轨迹优化的2D实例。在这里，计划目标体积不垂直于针模板平面(由x轴定义的)。处于风险中的器官紧邻PTV。图的右侧显示了针对OAR(WOAR在公式2中)使用不同权值的代价函数值。当WOAR＝0时，如果目标区域与PTV完全重叠，代价函数只能达到0。这种情况只发生在起始针位置是在16-17毫米，并且针瞄准PTV的中心。给OAR添加一些权值增大代价函数，并且稍稍改变优化针轨迹。然而，在 这种情况下，由于一些OAR落入治疗区域内，代价函数值根本不能彻底达到0。
[0199] 上述实例说明2维过程。扩展到3维需要优化的不仅仅是x’和θ，而是(x’，y’)和(θ，φ)。
[0200] 已经研制出针跟踪优化方法，包括使计划目标体积的总剂量达到最大同时使任何周围关键器官的剂量达到最小并且避开在针路径上潜在的任何对象。目前模型使用简单的方法说明治疗反应。也能应用吸收热剂量的更复杂的模型。更进一步地，关键结构的避开也能并入剂量模型，该剂量模型说明由于在器官内创建热点而产生临床病变。例如，为了避开直肠，计划可能导致整体上器官中的小剂量，但是如果整个剂量传输到单个热点，则能导致有害后果。
[0201] 本领域技术人员应当理解的是，上述讨论可以总结为一个确定针轨迹的方法，该方法包括的步骤：提供预定区域的图像；确定图像上不正常区域的位置；根据不正常区域的位置计算计划目标体积；计算治疗区域，其中，治疗区域覆盖了计划目标体积；在预定范围内确定起始针位置；以及计算从起始针位置到计划目标区域的针轨迹。这可通过包括下述步骤来增强，即确定图像上至少一个处于风险中的区域的位置；以及根据图像确定至少一个避开区域的位置，其中，计算针轨迹包括避开所述避开区域的因子。在大多数实例中，处于风险中的区域是一个器官，不正常的区域是肿瘤，每个避开区域是骨骼。优选地，所述图像是磁共振图像。而且，所述方法可以包括这样的步骤，即根据图像确定温度估值图像，并且根据温度估值图像确定实际治疗区域是否等于计划治疗区域。
[0202] 一般来说，这里所描述的系统是针对医用机器人和医用器械组件的。按照要求，这里阐述了本发明的具体实施方式。然而，所揭示的具体实施方式仅仅是示例性的，并且应当理解为本发明可以有多种具体实施方式和替代方式。图示不是按比例绘制的，一些特征可能进行了放大或缩小以显示特定元件的细节，同时可能忽略了有关元件以防止使新颖性的方面模糊。因此，这里所揭示的具体结构和功能细节不应解释为限制而是仅仅作为要求保护以及作为教导本领域技术人员实施本发明的典型基础。出于教导而非限制目的，所例示的具体实施方式是针对医用机器人和医用器械组件的。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种梯度线圈组件以及产生梯度磁场的方法 | 2020-05-13 | 377 |
| 声阻尼梯度线圈 | 2020-05-11 | 385 |
| 声学阻尼梯度线圈 | 2020-05-12 | 528 |
| 制造梯度线圈的方法、梯度线圈单元、梯度线圈和磁共振成像装置 | 2020-05-13 | 856 |
| 一种专用MRI梯度线圈 | 2020-05-11 | 594 |
| 分离式梯度线圈及使用该梯度线圈的PET/MRI混合系统 | 2020-05-13 | 402 |
| 一种非平面梯度线圈 | 2020-05-12 | 735 |
| 加强的梯度线圈 | 2020-05-11 | 586 |
| 一种平面MRI梯度线圈 | 2020-05-12 | 639 |
| 梯度线圈 | 2020-05-11 | 65 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈