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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 核磁共振環(huán)境下近距離粒子治療手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品以核磁共振環(huán)境下近距離粒子放射治療手術(shù)機(jī)器人為對(duì)象，涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，屬于機(jī)械控制與醫(yī)學(xué)交叉的前沿學(xué)科。研究了機(jī)器人材料和驅(qū)動(dòng)方式的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與驗(yàn)證、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、視覺采集系統(tǒng)搭建等方面內(nèi)容，輔助針刺軌跡優(yōu)化及軟組織動(dòng)態(tài)仿真等相關(guān)項(xiàng)目的研究，并成功運(yùn)用于仿生軟組織針刺試驗(yàn)驗(yàn)證。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品為核磁共振環(huán)境下近距離粒子治療手術(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)，系本科生作品；在作品設(shè)計(jì)制作過程中，參賽作者共申請(qǐng)專利3項(xiàng)，其中發(fā)明專利2項(xiàng)，實(shí)用新型1項(xiàng)，發(fā)表論文3篇，均為核心期刊，其中一篇為SCI檢索，兩篇為EI檢索；本作品先后與市腫瘤醫(yī)院、市人民醫(yī)院合作，并得到有關(guān)部門的大力支持。本作品同時(shí)得到了醫(yī)療手術(shù)機(jī)器人領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家的指導(dǎo)和肯定。 本作品以核磁共振環(huán)境下近距離粒子放射治療手術(shù)機(jī)器人為對(duì)象，涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，屬于機(jī)械控制與醫(yī)學(xué)交叉的前沿學(xué)科。研究了機(jī)器人材料和驅(qū)動(dòng)方式的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與驗(yàn)證、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、視覺采集系統(tǒng)搭建等方面內(nèi)容，輔助針刺軌跡優(yōu)化及軟組織動(dòng)態(tài)仿真等相關(guān)項(xiàng)目的研究，并成功運(yùn)用于仿生軟組織針刺試驗(yàn)驗(yàn)證。 為了滿足核磁兼容性的要求，整套機(jī)構(gòu)采用高強(qiáng)度工程塑料聚甲醛（POM）制造。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)思想，兩套Scott-Russell機(jī)構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)一個(gè)動(dòng)平臺(tái)，即可實(shí)現(xiàn)平臺(tái)平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。針刺手術(shù)的五個(gè)自由度被分配在平動(dòng)層、抬升層和針刺層中執(zhí)行。將所設(shè)計(jì)模塊同時(shí)運(yùn)用于機(jī)構(gòu)的平動(dòng)層和抬升層，便可順利實(shí)現(xiàn)機(jī)器人預(yù)定方向的運(yùn)動(dòng)。其中，平動(dòng)層由兩個(gè)滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，每個(gè)滑塊擺桿機(jī)構(gòu)由一個(gè)核磁兼容氣缸控制，可以實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的平動(dòng)和擺動(dòng)；抬升層由四個(gè)滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，前后兩套相對(duì)獨(dú)立，每套由兩個(gè)滑塊擺桿機(jī)構(gòu)組成，共用一個(gè)氣缸控制，實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)動(dòng)，而前后兩套分別由不同氣缸控制，實(shí)現(xiàn)異步運(yùn)動(dòng)；針刺運(yùn)動(dòng)，由絲杠滑軌機(jī)構(gòu)，通過超聲波電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)針體在水平方向的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 平動(dòng)層和抬升層的共同運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的上下、左右、傾斜、搖擺四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)針體空間位姿的調(diào)整；針刺層通過超聲波電機(jī)的低速轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)最終的針刺作業(yè)。 在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，分別采用氣缸驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)相對(duì)高速重載的運(yùn)動(dòng)；超聲波電機(jī)實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩低速均勻的針刺運(yùn)動(dòng)。針對(duì)氣缸驅(qū)動(dòng)，本控制系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥來維持氣缸兩端氣壓的穩(wěn)定。PC將程序傳入PLC中來控制高速開關(guān)閥，從而調(diào)節(jié)各氣閥開關(guān)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)針體空間位姿調(diào)整。同時(shí)，為了保證氣缸運(yùn)動(dòng)的精度，在機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸位置安裝光學(xué)編碼器，將其所測(cè)轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為氣缸運(yùn)動(dòng)位置反饋給PLC，構(gòu)成閉環(huán)控制。針對(duì)超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用專門控制器來控制超聲波電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、行程，同時(shí)配合氣缸的調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)精確控制針刺軌跡的目的。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 磁共振成像(MRI)可以提供多方位，多參數(shù)信息，并具有較高軟組織分辨率特點(diǎn)。MRI引導(dǎo)下的微創(chuàng)放療手術(shù)，能實(shí)時(shí)顯示待手術(shù)軟組織和手術(shù)器械的三維空間位置，醫(yī)生借助圖像信息進(jìn)行手術(shù)操作，避免長(zhǎng)期接觸放射藥物產(chǎn)生對(duì)身體健康的影響。本作品擬設(shè)計(jì)一種核磁兼容的近距離粒子放射治療手術(shù)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)MRI導(dǎo)向的微創(chuàng)放射治療，使醫(yī)生遠(yuǎn)離核磁共振環(huán)境和放射性粒子，同時(shí)提高手術(shù)的精確度。 創(chuàng)新點(diǎn)：1. 系統(tǒng)自身創(chuàng)新性。系統(tǒng)在MRI導(dǎo)向下進(jìn)行機(jī)器人輔助的微創(chuàng)手術(shù)，開辟全新的手術(shù)系統(tǒng)；2. 機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新性。本課題組所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)具有空間、材料、驅(qū)動(dòng)等多方面的核磁兼容性并在較小空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)5個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)；3.控制系統(tǒng)創(chuàng)新性。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在超聲波電機(jī)和氣缸的輕載、重載混合驅(qū)動(dòng)控制。實(shí)現(xiàn)軟組織變形條件下的避障軌跡規(guī)劃；4. 具有仿生軟組織材料特性的實(shí)驗(yàn)材料制備；5.基于圖像的精度測(cè)試系統(tǒng)。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)：1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)空間核磁兼容性。機(jī)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)要滿足現(xiàn)有核磁儀工作空間要求，并具有良好的位姿調(diào)節(jié)及保持穩(wěn)定性；2.材料核磁兼容性。制造材料不應(yīng)具有鐵磁性，以保證核磁圖像的質(zhì)量；3.驅(qū)動(dòng)和控制的核磁兼容性。確定局部驅(qū)動(dòng)方式和遠(yuǎn)距離大負(fù)載下核磁兼容性的驅(qū)動(dòng)方法，根據(jù)手術(shù)環(huán)境確定遠(yuǎn)距離、快速響應(yīng)的控制算法；4.基于圖像的機(jī)器人精度檢測(cè)系統(tǒng)搭建。實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室條件下機(jī)構(gòu)精度測(cè)試；5.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本作品擬采用自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和仿生物組織材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品在于研究基于封閉式核磁共振環(huán)境下近距離粒子放射治療手術(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制問題。其中，主要針對(duì)機(jī)器人核磁兼容性，手術(shù)器械的蔽障和路徑規(guī)劃，高精度氣動(dòng)控制系統(tǒng)以及混合控制方法，仿生物軟組織的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等問題進(jìn)行研究，具有很高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和良好的應(yīng)用前景。 當(dāng)前，國(guó)際上多學(xué)科專家已經(jīng)在該領(lǐng)域開展大量的研究工作，而國(guó)內(nèi)起步較晚，進(jìn)展緩慢。相對(duì)于國(guó)內(nèi)外同領(lǐng)域其他作品，本作品在滿足核磁兼容要求的基礎(chǔ)上，能夠在核磁儀有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)5自由度運(yùn)動(dòng)，在核磁兼容氣缸和超聲波電機(jī)混合控制下，機(jī)器人能夠?qū)⒎派湫粤Ｗ訙?zhǔn)確的植入實(shí)驗(yàn)材料內(nèi)部的指定位置。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品是一種核磁兼容的近距離粒子放射治療微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人，主要針對(duì)腹腔和盆腔的實(shí)質(zhì)性腫瘤的近距離放射治療。將患者置于核磁共振儀中，醫(yī)生遠(yuǎn)程控制機(jī)器人在核磁共振圖像導(dǎo)向下實(shí)時(shí)進(jìn)行微創(chuàng)放療手術(shù)，從而達(dá)到高精度、低創(chuàng)傷、減少術(shù)后并發(fā)癥和后遺癥的效果。 封閉核磁共振環(huán)境下機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)醫(yī)用機(jī)器人領(lǐng)域的又一次擴(kuò)展，它既符合醫(yī)用機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)、滿足人民生活的需要，又促進(jìn)了該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。開展核磁兼容的機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的研究，將會(huì)在手術(shù)精確定位、手術(shù)最小創(chuàng)傷、手術(shù)質(zhì)量等方面帶來一系列的技術(shù)變革，同時(shí)還會(huì)對(duì)介入放射影像學(xué)、智能機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)、遠(yuǎn)程遙控、微機(jī)械電子學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論與技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。 目前，國(guó)內(nèi)外研究核磁兼容的近距離粒子微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人處于實(shí)驗(yàn)階段，臨床試驗(yàn)鮮有報(bào)道。一旦這種手術(shù)機(jī)器人投入生產(chǎn)應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)外將會(huì)有廣闊的市場(chǎng)前景，不僅會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且會(huì)引起強(qiáng)烈的社會(huì)反響。
同類課題研究水平概述
- 近年來，機(jī)器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的研究取得了較大進(jìn)展。其中已經(jīng)在臨床上獲得廣泛應(yīng)用的是Da Vinci系統(tǒng)和ZEUS系統(tǒng)等。這兩個(gè)系統(tǒng)都是主從操作機(jī)構(gòu)，可以實(shí)施多種精確手術(shù)。然而，當(dāng)機(jī)器人工作需要工作在有強(qiáng)磁場(chǎng)和高能射頻波的MR環(huán)境下，以這兩個(gè)系統(tǒng)為代表的多個(gè)MIS機(jī)器人系統(tǒng)就都不適用了。 Fujio等人研制了一種用于心臟病診斷和治療的與MR相容的外科手術(shù)操縱機(jī)器人系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用單柱C型水平開放式MRI掃描機(jī)。系統(tǒng)集成了來自光學(xué)內(nèi)窺鏡、開放式MRI和超聲掃描機(jī)的圖像信息。在手術(shù)時(shí)，集成后的圖像信息定時(shí)更新，更新周期從幾十毫秒到十幾秒，圖像信息幫助和指引外科醫(yī)生做出正確決定。 東京大學(xué)研制了一種與MRI相容的6自由度外科手術(shù)操縱機(jī)器人。因?yàn)镸RI掃描機(jī)有空間位置的限制，所以機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)手術(shù)器械應(yīng)可以從水平方向插入腹腔或從垂直方向進(jìn)入肝臟。在此系統(tǒng)，鉗子的彎曲動(dòng)作用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作用凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。 Gregory等于2006年設(shè)計(jì)了一臺(tái)核磁共振兼容操作臂機(jī)構(gòu)，它是針對(duì)閉式高場(chǎng)強(qiáng)的核磁成像設(shè)備設(shè)計(jì)的,可在受限的空間里進(jìn)行前列腺的活檢和粒子植入操作。系統(tǒng)采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng),利用特殊的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)垂直和水平方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。研究者對(duì)所選的材料和傳感器進(jìn)行了核磁共振兼容測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示它們與高場(chǎng)強(qiáng)的核磁共振成像設(shè)備是兼容的。 Chinzei等人開發(fā)了磁共振兼容的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，它可用于激光點(diǎn)和導(dǎo)管的定位。Koseki設(shè)計(jì)了磁共振兼容的遠(yuǎn)程操作機(jī)構(gòu)，并介紹了實(shí)現(xiàn)磁共振兼容設(shè)計(jì)的思想。Fischer和Muntener開發(fā)了用于閉式高場(chǎng)強(qiáng)MRI引導(dǎo)的前列腺治療機(jī)器人系統(tǒng)，已處于臨床試驗(yàn)階段。 國(guó)內(nèi)目前對(duì)核磁環(huán)境下的手術(shù)輔助機(jī)器人研究較少，還沒有成套系統(tǒng)出現(xiàn)。但也有學(xué)者對(duì)相關(guān)的技術(shù)進(jìn)行了研究，邵兵等對(duì)核磁共振導(dǎo)航的輔助機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并分析了核磁兼容輔助微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)等相關(guān)技術(shù)。洪在地等從功能和核磁共振兼容性等方面詳細(xì)的介紹了核磁兼容手術(shù)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀，并分析和對(duì)比了核磁兼容手術(shù)機(jī)器人研發(fā)特有的關(guān)鍵技術(shù)。洪在地等探討了核磁成像導(dǎo)航機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的核磁兼容測(cè)試方法。由此可見，國(guó)內(nèi)對(duì)核磁兼容手術(shù)機(jī)器人的研究還處于初步階段。
