乳腺穿刺活檢手術機器人研究

袁小航，楊志永，姚貴英

(1.河北工程大學機械與裝備學院，河北 邯鄲 056038；2.天津大學機械工程學院，天津 300072)

1 引 言

隨著科學技術的飛速發(fā)展，國內(nèi)外許多學者研究發(fā)現(xiàn)粒子植入成為治療乳腺癌疾病的一種有效方法，它采用機器人進行近距離穿刺手術將放射性粒子植入腫瘤靶區(qū)部位殺死癌細胞[1-2]。乳腺癌近距離粒子植入是基于圖像導航進行手術的，由于腫瘤部位為軟組織，相對于CT等成像技術，核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)更為精確[3-4]，更適合用于導航乳腺穿刺的手術?；贛RI導航的微創(chuàng)手術機器人是目前國內(nèi)外學者的研究熱點，比如Pfleiderer等[5]設計了一臺核磁兼容的乳腺癌針刺活檢手術機器人系統(tǒng)，患者在手術過程中俯趴在核磁床上，執(zhí)行手術機構通過X-Y方向的移動對準乳腺腫瘤部位實施手術。該機構的驅動采用核磁兼容的壓電式電機，確保手術精度。Larson等[6]研究并設計了基于MRI導航的乳腺微創(chuàng)介入手術機器人系統(tǒng)。機器人在核磁圖像導航下對乳腺腫瘤進行活檢及近距離粒子植入治療。機器人具有5個自由度，由軟軸遠距離驅動電機，實現(xiàn)腫瘤的定位以及穿刺過程。該系統(tǒng)主體結構放置于核磁儀床體上，機構內(nèi)有可以將乳房穩(wěn)固的固定裝置，防止在手術過程中胸部軟組織變形而產(chǎn)生誤差。該機器人系統(tǒng)在高場強環(huán)境下進行了試驗，結果滿足核磁兼容性要求。李玉琴[7]設計了一套核磁圖像導航的乳腺穿刺手術機器人樣機?；诤舜偶嫒菪砸?，機器人系統(tǒng)的驅動裝置在距離核磁儀相對較遠的位置，通過軟軸傳動進行力的傳遞。機器人機構的6個電機軸扭矩通過軟軸傳遞，軟軸最大的優(yōu)點是可以改變電機軸和驅動軸之間的距離和力偶失的方向，并且軟軸具有柔韌、高彈性和低振動等特性，使用柔性軸傳遞扭矩，電機的安放位置自由性變大，并且明顯提高了機器人機構的緊湊度，為機器人的構型及控制提供了較多的便利。Moon Y[8]等人提出了一種新型的末端執(zhí)行器作為機器人插入式干預系統(tǒng)的關鍵部件。該機構被設計成具有旋轉關節(jié)和彎曲滑動關節(jié)的球形機構，其連桿總是在球體表面上移動，與為插入針頭而開發(fā)的傳統(tǒng)末端執(zhí)行器不同，機構的遠程運動中心(RCM)放置在機構底部的下方，以避免與患者身體接觸。

綜上可知，目前國際上對乳腺癌微創(chuàng)手術機器人的研究已經(jīng)取得突破，尤其是在核磁圖像導航下的微創(chuàng)腫瘤消融手術方面，已經(jīng)出現(xiàn)了不少成套系統(tǒng)，但距離臨床標準仍然存在差距。由于核磁儀內(nèi)存在強磁場[9]，且患者和機器人必須都置于空間有限的核磁儀內(nèi)，因此，機器人系統(tǒng)必須滿足核磁兼容性的要求[10]。針對乳腺癌手術要求，設計了一種基于絲傳動的核磁圖像導航的機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠距離動力傳遞，將驅動裝置放置在遠離核磁儀的位置，減小對核磁儀的影響，并采用D-H方法建立了機器人系統(tǒng)的運動數(shù)學模型，得到其工作空間，通過實驗驗證了機器人滿足設計要求。

2 機器人結構設計

2.1 機器人整體結構設計

由于研究對象是女性胸部，在進行成像時，患者必須趴在核磁儀內(nèi)，機器人須放置于患者胸部與核磁床之間的位置，因此機器人整體結構空間十分有限，其活動范圍在180 mm×600 mm較小的空間內(nèi)，見圖1。

由于腫瘤分布在整個乳腺的各個部位，但醫(yī)生進行穿刺的最佳手術位置是在手術床兩側，因此穿刺針轉動角度限制在手術床的兩側位置，并能夠在一定高度范圍內(nèi)進行上下調(diào)節(jié)。機器人的整體結構見圖2，機器人具有3個自由度，包括2個驅動穿刺針的轉動自由度和1個驅動穿刺針上下移動的自由度。機器人系統(tǒng)具有3個自由度不僅滿足手術功能而且簡化了整體結構的設計，并采用絲傳動傳遞動力的方式，將電機驅動力傳遞到末端執(zhí)行機構上。

圖1 機器人工作范圍

圖2 機器人整體機構原理圖

2.2 絲傳動設計

根據(jù)核磁兼容性要求，機器人系統(tǒng)中驅動系統(tǒng)對影響核磁儀正常成像起著至關重要的作用，國內(nèi)外專家和學者研究認為絲傳動驅動是一種較好的遠程驅動方式[11-13]，它能夠很好地解決核磁儀空間限制的問題。絲傳動具有很多優(yōu)點，如響應速度快，傳動精度高，重量輕，噪聲低，傳動平穩(wěn)，允許把驅動裝置放在和末端執(zhí)行機構相距較遠的位置，即在狹小的空間內(nèi)進行遠距離的運動和力的傳遞，可以大大減小機器人的整體尺寸。此外，機器人系統(tǒng)采用絲在套索中相對張緊的傳動方式[14]，見圖3，在傳動過程中，套索是可以彎曲的，絲相對套索是張緊狀態(tài)，從而使機器人機構設計更為靈活。

圖3 絲傳動

絲傳動主要解決的問題：(1)傳動絲的繞絲問題；(2)傳動絲的打滑、脫絲問題。其他有關絲傳動的機構中絲都是要繞在螺旋狀的絲槽里，保證絲與輪能夠較好的轉動。在本研究中，由于傳動絲的兩個出絲孔是固定的，所以將絲繞在光軸上而非絲槽里，目的是防止輪在轉動的過程中絲脫離絲槽，從而產(chǎn)生繞絲錯亂、脫絲，轉動過程中有噪音，運行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。見圖4，(a)位于初始位置，(b)為轉過一定角度。

圖4 絲槽結構

一般情況下絲傳動與帶傳動一樣，靠絲與輪之間的摩擦力來驅動輪的轉動，但運動過程中，絲與輪之間的摩擦力太小容易發(fā)生打滑現(xiàn)象，摩擦力太大則絲的磨損比較嚴重，大大縮短傳動絲的使用壽命。采用將絲與輪固定在一起的方法來解決這個問題。見圖5大轉盤的繞絲結構，絲先在絲槽中正繞一圈，然后經(jīng)過絲固定1處，使用螺釘將絲與大轉盤固定在一起，最后再正繞一圈。既解決了脫絲問題，又能防止打滑現(xiàn)象。同理見圖6小轉盤繞絲結構，絲先在絲槽中正繞一圈，然后先后經(jīng)過穿絲孔a和b從對稱側的穿絲孔(圖中未畫出)中出來，最后再正繞一圈。

圖5 大轉盤的繞絲結構

圖6 小轉盤的繞絲結構

3 運動學分析

機器人具有3個自由度，見圖7機構俯視圖，大轉盤在右側的旋轉范圍為±45°(豎線陰影部分)，小轉盤的旋轉范圍為±55°(橫線陰影部分)，穿刺針可以到達右半個乳腺的所有位置，若腫瘤在乳腺左側，將大轉盤旋轉180°則穿刺針可以到達左半個乳腺的所有位置。

圖7 大轉盤與小轉盤的旋轉范圍(機構俯視圖)

Fig7Turntablerotationrangeandsmallturntable(institutionalview)

為了得到穿刺針的空間位置和方向余弦，選用D-H法[15](denavit-hartenberg矩陣)建立了機器人系統(tǒng)的運動數(shù)學模型，見圖8，并依照表1中的D-H參數(shù)構建D-H矩陣，表中l(wèi)1、l2是各個桿件的幾何尺寸，α、β、h為各個自由度的運動范圍。

圖8 桿件坐標系與運動學建模

l1：OA和OC之間的距離；l2：升降平臺的上表面與針體之間距離；α：X0軸與X1軸之間的夾角；β：X1軸和X3軸之間的夾角；h：抬升模塊中平臺被提升的高度行程。

根據(jù)D-H方法寫出桿件i(i=1,2,3)與桿件i-1之間的空間轉換矩陣：

根據(jù)D-H計算方法，計算出機器人的運動學正解表達式：

其中，XP，YP，ZP是針尖點P在基坐標系中的位置坐標，θx, θy, θz是穿刺針的方向余弦，表示穿刺針刺入腫瘤時的角度。由近距離粒子植入手術的臨床要求可知機器人的工作空間大于實際乳房體積，根據(jù)設計參數(shù)(見表2)使用MATLAB對機器人運動空間進行仿真，其結果見圖9，機器人的工作空間呈圓柱形，直徑160 mm,高90 mm，中國女性的乳房平均大小是140 mm,仿真結果表明機器人工作空間完全滿足設計要求。

表2 設計參數(shù)表

圖9機器人工作空間

Fig9Robotworkingspace

4 驗證

搭建如圖10所示的實驗平臺，使用與乳腺組織十分接近的PVA水凝膠進行穿刺實驗，選取上述建立坐標系中目標靶區(qū)P(55,65,44)，根據(jù)得到運動學公式，進行多次重復實驗，見表3，結果驗證機器人結構的有效性。

圖10 實驗平臺

12345平均x55.0354.9955.8455.4854.9655.26y65.3264.9065.4363.9164.8964.89z44.8943.6044.3844.0144.3144.24

5 結論

(1)介紹了機器人機構原理、工作環(huán)境、設計要求，機器人具有3個自由度在外形尺寸上較為精巧，滿足核磁儀內(nèi)的空間要求；

(2)設計了一種新型的絲傳動繞絲方式，解決了在絲傳動過程中出現(xiàn)脫絲、繞絲錯亂現(xiàn)象；

(3)對機器人系統(tǒng)進行了運動學正解分析，運用MATLAB軟件分析得出了機器人的工作空間，并通過實驗驗證，證明該機器人能夠滿足手術中的工作要求。