乳腺穿刺活檢手術(shù)機(jī)器人研究

袁小航，楊志永，姚貴英

(1.河北工程大學(xué)機(jī)械與裝備學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072)

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)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(jī)器人進(jìn)行近距離穿刺手術(shù)將放射性粒子植入腫瘤靶區(qū)部位殺死癌細(xì)胞[1-2]。乳腺癌近距離粒子植入是基于圖像導(dǎo)航進(jìn)行手術(shù)的，由于腫瘤部位為軟組織，相對(duì)于CT等成像技術(shù)，核磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)更為精確[3-4]，更適合用于導(dǎo)航乳腺穿刺的手術(shù)。基于MRI導(dǎo)航的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)，比如Pfleiderer等[5]設(shè)計(jì)了一臺(tái)核磁兼容的乳腺癌針刺活檢手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，患者在手術(shù)過(guò)程中俯趴在核磁床上，執(zhí)行手術(shù)機(jī)構(gòu)通過(guò)X-Y方向的移動(dòng)對(duì)準(zhǔn)乳腺腫瘤部位實(shí)施手術(shù)。該機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)采用核磁兼容的壓電式電機(jī)，確保手術(shù)精度。Larson等[6]研究并設(shè)計(jì)了基于MRI導(dǎo)航的乳腺微創(chuàng)介入手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)。機(jī)器人在核磁圖像導(dǎo)航下對(duì)乳腺腫瘤進(jìn)行活檢及近距離粒子植入治療。機(jī)器人具有5個(gè)自由度，由軟軸遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)腫瘤的定位以及穿刺過(guò)程。該系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)放置于核磁儀床體上，機(jī)構(gòu)內(nèi)有可以將乳房穩(wěn)固的固定裝置，防止在手術(shù)過(guò)程中胸部軟組織變形而產(chǎn)生誤差。該機(jī)器人系統(tǒng)在高場(chǎng)強(qiáng)環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果滿足核磁兼容性要求。李玉琴[7]設(shè)計(jì)了一套核磁圖像導(dǎo)航的乳腺穿刺手術(shù)機(jī)器人樣機(jī)?；诤舜偶嫒菪砸螅瑱C(jī)器人系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置在距離核磁儀相對(duì)較遠(yuǎn)的位置，通過(guò)軟軸傳動(dòng)進(jìn)行力的傳遞。機(jī)器人機(jī)構(gòu)的6個(gè)電機(jī)軸扭矩通過(guò)軟軸傳遞，軟軸最大的優(yōu)點(diǎn)是可以改變電機(jī)軸和驅(qū)動(dòng)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(dòng)等特性，使用柔性軸傳遞扭矩，電機(jī)的安放位置自由性變大，并且明顯提高了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的緊湊度，為機(jī)器人的構(gòu)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(jī)器人插入式干預(yù)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。該機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成具有旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和彎曲滑動(dòng)關(guān)節(jié)的球形機(jī)構(gòu)，其連桿總是在球體表面上移動(dòng)，與為插入針頭而開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)末端執(zhí)行器不同，機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程運(yùn)動(dòng)中心(RCM)放置在機(jī)構(gòu)底部的下方，以避免與患者身體接觸。

綜上可知，目前國(guó)際上對(duì)乳腺癌微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的研究已經(jīng)取得突破，尤其是在核磁圖像導(dǎo)航下的微創(chuàng)腫瘤消融手術(shù)方面，已經(jīng)出現(xiàn)了不少成套系統(tǒng)，但距離臨床標(biāo)準(zhǔn)仍然存在差距。由于核磁儀內(nèi)存在強(qiáng)磁場(chǎng)[9]，且患者和機(jī)器人必須都置于空間有限的核磁儀內(nèi)，因此，機(jī)器人系統(tǒng)必須滿足核磁兼容性的要求[10]。針對(duì)乳腺癌手術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種基于絲傳動(dòng)的核磁圖像導(dǎo)航的機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離動(dòng)力傳遞，將驅(qū)動(dòng)裝置放置在遠(yuǎn)離核磁儀的位置，減小對(duì)核磁儀的影響，并采用D-H方法建立了機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，得到其工作空間，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人滿足設(shè)計(jì)要求。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于研究對(duì)象是女性胸部，在進(jìn)行成像時(shí)，患者必須趴在核磁儀內(nèi)，機(jī)器人須放置于患者胸部與核磁床之間的位置，因此機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)空間十分有限，其活動(dòng)范圍在180 mm×600 mm較小的空間內(nèi)，見(jiàn)圖1。

由于腫瘤分布在整個(gè)乳腺的各個(gè)部位，但醫(yī)生進(jìn)行穿刺的最佳手術(shù)位置是在手術(shù)床兩側(cè)，因此穿刺針轉(zhuǎn)動(dòng)角度限制在手術(shù)床的兩側(cè)位置，并能夠在一定高度范圍內(nèi)進(jìn)行上下調(diào)節(jié)。機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，機(jī)器人具有3個(gè)自由度，包括2個(gè)驅(qū)動(dòng)穿刺針的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和1個(gè)驅(qū)動(dòng)穿刺針上下移動(dòng)的自由度。機(jī)器人系統(tǒng)具有3個(gè)自由度不僅滿足手術(shù)功能而且簡(jiǎn)化了整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并采用絲傳動(dòng)傳遞動(dòng)力的方式，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)力傳遞到末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。

圖1 機(jī)器人工作范圍

圖2 機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)原理圖

2.2 絲傳動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)核磁兼容性要求，機(jī)器人系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)影響核磁儀正常成像起著至關(guān)重要的作用，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者研究認(rèn)為絲傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)是一種較好的遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)方式[11-13]，它能夠很好地解決核磁儀空間限制的問(wèn)題。絲傳動(dòng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，如響應(yīng)速度快，傳動(dòng)精度高，重量輕，噪聲低，傳動(dòng)平穩(wěn)，允許把驅(qū)動(dòng)裝置放在和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)相距較遠(yuǎn)的位置，即在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)距離的運(yùn)動(dòng)和力的傳遞，可以大大減小機(jī)器人的整體尺寸。此外，機(jī)器人系統(tǒng)采用絲在套索中相對(duì)張緊的傳動(dòng)方式[14]，見(jiàn)圖3，在傳動(dòng)過(guò)程中，套索是可以彎曲的，絲相對(duì)套索是張緊狀態(tài)，從而使機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)更為靈活。

圖3 絲傳動(dòng)

絲傳動(dòng)主要解決的問(wèn)題：(1)傳動(dòng)絲的繞絲問(wèn)題；(2)傳動(dòng)絲的打滑、脫絲問(wèn)題。其他有關(guān)絲傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)。在本研究中，由于傳動(dòng)絲的兩個(gè)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(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中絲脫離絲槽，從而產(chǎn)生繞絲錯(cuò)亂、脫絲，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有噪音，運(yùn)行不穩(wěn)定等現(xiàn)象。見(jiàn)圖4，(a)位于初始位置，(b)為轉(zhuǎn)過(guò)一定角度。

圖4 絲槽結(jié)構(gòu)

一般情況下絲傳動(dòng)與帶傳動(dòng)一樣，靠絲與輪之間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，但運(yùn)動(dòng)過(guò)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(yán)重，大大縮短傳動(dòng)絲的使用壽命。采用將絲與輪固定在一起的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。見(jiàn)圖5大轉(zhuǎn)盤的繞絲結(jié)構(gòu)，絲先在絲槽中正繞一圈，然后經(jīng)過(guò)絲固定1處，使用螺釘將絲與大轉(zhuǎn)盤固定在一起，最后再正繞一圈。既解決了脫絲問(wèn)題，又能防止打滑現(xiàn)象。同理見(jiàn)圖6小轉(zhuǎn)盤繞絲結(jié)構(gòu)，絲先在絲槽中正繞一圈，然后先后經(jīng)過(guò)穿絲孔a和b從對(duì)稱側(cè)的穿絲孔(圖中未畫出)中出來(lái)，最后再正繞一圈。

圖5 大轉(zhuǎn)盤的繞絲結(jié)構(gòu)

圖6 小轉(zhuǎn)盤的繞絲結(jié)構(gòu)

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人具有3個(gè)自由度，見(jiàn)圖7機(jī)構(gòu)俯視圖，大轉(zhuǎn)盤在右側(cè)的旋轉(zhuǎn)范圍為±45°(豎線陰影部分)，小轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)范圍為±55°(橫線陰影部分)，穿刺針可以到達(dá)右半個(gè)乳腺的所有位置，若腫瘤在乳腺左側(cè)，將大轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)180°則穿刺針可以到達(dá)左半個(gè)乳腺的所有位置。

圖7 大轉(zhuǎn)盤與小轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)范圍(機(jī)構(gòu)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(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，見(jiàn)圖8，并依照表1中的D-H參數(shù)構(gòu)建D-H矩陣，表中l(wèi)1、l2是各個(gè)桿件的幾何尺寸，α、β、h為各個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)范圍。

圖8 桿件坐標(biāo)系與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

l1：OA和OC之間的距離；l2：升降平臺(tái)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(tái)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(zhuǎn)換矩陣：

根據(jù)D-H計(jì)算方法，計(jì)算出機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解表達(dá)式：

其中，XP，YP，ZP是針尖點(diǎn)P在基坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)，θx, θy, θz是穿刺針的方向余弦，表示穿刺針刺入腫瘤時(shí)的角度。由近距離粒子植入手術(shù)的臨床要求可知機(jī)器人的工作空間大于實(shí)際乳房體積，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)(見(jiàn)表2)使用MATLAB對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行仿真，其結(jié)果見(jiàn)圖9，機(jī)器人的工作空間呈圓柱形，直徑160 mm,高90 mm，中國(guó)女性的乳房平均大小是140 mm,仿真結(jié)果表明機(jī)器人工作空間完全滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖9機(jī)器人工作空間

Fig9Robotworkingspace

4 驗(yàn)證

搭建如圖10所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用與乳腺組織十分接近的PVA水凝膠進(jìn)行穿刺實(shí)驗(yàn)，選取上述建立坐標(biāo)系中目標(biāo)靶區(qū)P(55,65,44)，根據(jù)得到運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，見(jiàn)表3，結(jié)果驗(yàn)證機(jī)器人結(jié)構(gòu)的有效性。

圖10 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

12345平均x55.0354.9955.8455.4854.9655.26y65.3264.9065.4363.9164.8964.89z44.8943.6044.3844.0144.3144.24

5 結(jié)論

(1)介紹了機(jī)器人機(jī)構(gòu)原理、工作環(huán)境、設(shè)計(jì)要求，機(jī)器人具有3個(gè)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(shè)計(jì)了一種新型的絲傳動(dòng)繞絲方式，解決了在絲傳動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)脫絲、繞絲錯(cuò)亂現(xiàn)象；

(3)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)正解分析，運(yùn)用MATLAB軟件分析得出了機(jī)器人的工作空間，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明該機(jī)器人能夠滿足手術(shù)中的工作要求。