[發明專利]用于柔性針操縱的超聲引導機器人

有效

• 申請號: 201410637274.1
• 申請日: 2009-05-31
• 公開（公告）號: CN104382650B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: Z·諾伊巴赫;M·肖哈姆
• 申請（專利權）人: 泰克尼恩研究和發展基金有限公司
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 陳松濤,王英

本申請為分案申請，其原申請的申請日是2011年1月27日，申請號為200980129480.9，發明名稱為“用于柔性針操縱的超聲引導機器人”。

技術領域

本發明涉及向組織中插入柔性針的控制領域，尤其是在通過超聲成像觀察針插入時，向組織中插入柔性針的控制領域。

背景技術

大量臨床流程涉及到出于診斷和治療目的的針插入。這樣的流程包括活組織檢查、區域麻醉、施藥、采血、前列腺近距治療和燒蝕。這些流程需要在器官、血管或病灶處對針尖端進行導航和精確放置。診斷是否正確或治療處置是否成功高度取決于針插入的精度。例如，在用針向腫瘤中放置放射性種子的近距治療中，治療的有效性直接與針放置的精確度相關。在活組織檢查中顯然也是同樣情況，在活組織檢查中針的誤置可能會導致誤診。

醫師常常徒手執行針插入流程，根據從工具反饋的力和他們對解剖結構的3D感知向前推進針。這種流程的性能是受到限制的，依賴于醫師的訓練和技巧。盡管成像技術能夠改善靶可見度和針的放置，但仍然有導致針誤置的原因，例如由于組織變形導致的靶移動和針偏斜。此外，軌跡可能包含需要避開的障礙，從而需要重復插入過程。軟組織性質的變化可能導致規劃流程階段和治療階段之間不可預知的偏差。估計在進行CT引導的針刺活組織檢查的患者中，由于針的誤置有14％的測試是沒有價值的。因此，有時會重復活檢流程以確保采樣充分，這使患者承受更大風險并可能發生并發癥。

使用柔性針而非剛性針，可以在很大程度上克服以上限制，因為通過操控針的基部，能夠將柔性針尖端操縱到靶，即使沿著彎曲軌跡。題為“Controlled?Steering?of?a?Flexible?Needle”的PCT專利申請No.PCT/IL2007/000682(被公開為WO2007/141784)以及D.Glozman和M.Shoham在IEEE?Transactions?on?Robotics?2007年6月第23卷第3期發表的題為“Image-guided?Robot?for?Flexible?Needle?Steering”的文章描述了用于在實時X射線熒光檢查引導下在軟組織中操縱柔性針的機器人系統，通過引用將這兩篇文獻都全文并入本文。

這種用于閉環針插入的方法利用了一種算法，用于基于虛擬彈簧模型由機器人操控針基部，進行路徑規劃，針尖端和輪廓檢測，以及通過分析由針對組織施加的力導致的組織沿針長度的位移來迭代地估計組織硬度。

在上述WO2007/141784中已經介紹了基于虛擬彈簧模型在軟組織中操縱柔性針的理論模型。在這種模型中，如圖1的示意圖所示，針把持在機器人基部中，機器人基部向針施加橫向力F_b和力矩M_b。將針本身看做圖1中分成段的線性束，標識為要素1......i....n，其中每者都受到與虛擬彈簧系數和位移成正比的橫向彈簧力。假設橫向針位移很小，將組織響應視為線性的并通過沿針分布的橫向虛擬彈簧對組織的力建模。因此，每段i都受到點力F_i的作用，其取決于從初始位置w_oi的局部位移w_i以及由虛擬彈簧系數k_i描述的組織硬度。

從基部處的邊界條件和二階連續性條件和要素間施加的彈簧力，可以導出由以下矩陣表達式描述的4×n方程：

KN＝Q?????(1)

其中

n是要素的數量，

K是N_ij的矩陣系數，

N是在每個要素N_ij的邊緣處的平移和斜率矢量，其中i是要素編號，而j是要素i處的自由度。

Q是包括在針刺穿其時節點的硬度系數和初始位置的組合的矢量。

然后可以解方程(1)，以計算針基部的所需取向和平移，從而針尖端將按期望路徑行進。這是逆向運動學問題的解。在所有避開障礙并確實能到達靶的可能路徑中，要使用的最佳一個是對組織施加最小橫向壓力的路徑，其一般與最小針曲率相關。這是通過選擇使虛擬彈簧位移和斜率的平方和最小化的尖端傾斜來實現的。

然而，現有技術中描述的X射線熒光檢查跟蹤涉及對受檢者的X輻射劑量以及執行流程的醫務人員受到的偶然散射輻射。此外，可用于執行成像的X射線系統可能是有限的，且這樣的設備昂貴，從而可能期望有一種備選的跟蹤針的方法。

在說明書這一節和其他節中提到的每種出版物的公開都通過引用、全文地并入本文。

發明內容