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基本信息
- 項目名稱：
- 核磁共振環(huán)境下近距離粒子治療手術(shù)機器人設(shè)計
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品以核磁共振環(huán)境下近距離粒子放射治療手術(shù)機器人為對象，涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，屬于機械控制與醫(yī)學(xué)交叉的前沿學(xué)科。研究了機器人材料和驅(qū)動方式的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)分析與驗證、控制系統(tǒng)設(shè)計、視覺采集系統(tǒng)搭建等方面內(nèi)容，輔助針刺軌跡優(yōu)化及軟組織動態(tài)仿真等相關(guān)項目的研究，并成功運用于仿生軟組織針刺試驗驗證。
- 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)機器人設(shè)計，系本科生作品；在作品設(shè)計制作過程中，參賽作者共申請專利3項，其中發(fā)明專利2項，實用新型1項，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。本作品同時得到了醫(yī)療手術(shù)機器人領(lǐng)域的國內(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)機器人為對象，涉及醫(yī)療器械領(lǐng)域，屬于機械控制與醫(yī)學(xué)交叉的前沿學(xué)科。研究了機器人材料和驅(qū)動方式的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計、運動學(xué)分析與驗證、控制系統(tǒng)設(shè)計、視覺采集系統(tǒng)搭建等方面內(nèi)容，輔助針刺軌跡優(yōu)化及軟組織動態(tài)仿真等相關(guān)項目的研究，并成功運用于仿生軟組織針刺試驗驗證。 為了滿足核磁兼容性的要求，整套機構(gòu)采用高強度工程塑料聚甲醛（POM）制造。機器人采用模塊化設(shè)計思想，兩套Scott-Russell機構(gòu)并聯(lián)驅(qū)動一個動平臺，即可實現(xiàn)平臺平動和轉(zhuǎn)動的兩個自由度。針刺手術(shù)的五個自由度被分配在平動層、抬升層和針刺層中執(zhí)行。將所設(shè)計模塊同時運用于機構(gòu)的平動層和抬升層，便可順利實現(xiàn)機器人預(yù)定方向的運動。其中，平動層由兩個滑塊擺桿機構(gòu)組成，每個滑塊擺桿機構(gòu)由一個核磁兼容氣缸控制，可以實現(xiàn)水平面內(nèi)的平動和擺動；抬升層由四個滑塊擺桿機構(gòu)組成，前后兩套相對獨立，每套由兩個滑塊擺桿機構(gòu)組成，共用一個氣缸控制，實現(xiàn)同步運動，而前后兩套分別由不同氣缸控制，實現(xiàn)異步運動；針刺運動，由絲杠滑軌機構(gòu)，通過超聲波電機的轉(zhuǎn)動實現(xiàn)針體在水平方向的直線進給運動。 平動層和抬升層的共同運動可實現(xiàn)機構(gòu)的上下、左右、傾斜、搖擺四個自由度的運動，從而實現(xiàn)針體空間位姿的調(diào)整；針刺層通過超聲波電機的低速轉(zhuǎn)動實現(xiàn)最終的針刺作業(yè)。 在控制系統(tǒng)設(shè)計階段，分別采用氣缸驅(qū)動來實現(xiàn)相對高速重載的運動；超聲波電機實現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩低速均勻的針刺運動。針對氣缸驅(qū)動，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)，實現(xiàn)針體空間位姿調(diào)整。同時，為了保證氣缸運動的精度，在機構(gòu)轉(zhuǎn)軸位置安裝光學(xué)編碼器，將其所測轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為氣缸運動位置反饋給PLC，構(gòu)成閉環(huán)控制。針對超聲波電機驅(qū)動，采用專門控制器來控制超聲波電機的旋轉(zhuǎn)速度、行程，同時配合氣缸的調(diào)整，以實現(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、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、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。MRI引導(dǎo)下的微創(chuàng)放療手術(shù)，能實時顯示待手術(shù)軟組織和手術(shù)器械的三維空間位置，醫(yī)生借助圖像信息進行手術(shù)操作，避免長期接觸放射藥物產(chǎn)生對身體健康的影響。本作品擬設(shè)計一種核磁兼容的近距離粒子放射治療手術(shù)機器人，實現(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，同時提高手術(shù)的精確度。 創(chuàng)新點：1. 系統(tǒng)自身創(chuàng)新性。系統(tǒng)在MRI導(dǎo)向下進行機器人輔助的微創(chuàng)手術(shù)，開辟全新的手術(shù)系統(tǒng)；2. 機構(gòu)的創(chuàng)新性。本課題組所設(shè)計的機構(gòu)具有空間、材料、驅(qū)動等多方面的核磁兼容性并在較小空間內(nèi)實現(xiàn)5個自由度運動；3.控制系統(tǒng)創(chuàng)新性。實現(xiàn)機器人在超聲波電機和氣缸的輕載、重載混合驅(qū)動控制。實現(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驗材料制備；5.基于圖像的精度測試系統(tǒng)。 技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)：1.執(zhí)行機構(gòu)空間核磁兼容性。機構(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)動和控制的核磁兼容性。確定局部驅(qū)動方式和遠(yuǎn)距離大負(fù)載下核磁兼容性的驅(qū)動方法，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.基于圖像的機器人精度檢測系統(tǒng)搭建。實現(xiàn)實驗室條件下機構(gòu)精度測試；5.實驗驗證。本作品擬采用自動控制執(zhí)行機構(gòu)和仿生物組織材料進行實驗驗證。
科學(xué)性、先進性
- 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)機器人的設(shè)計和控制問題。其中，主要針對機器人核磁兼容性，手術(shù)器械的蔽障和路徑規(guī)劃，高精度氣動控制系統(tǒng)以及混合控制方法，仿生物軟組織的實驗驗證等問題進行研究，具有很高的科學(xué)研究價值和良好的應(yīng)用前景。 當(dāng)前，國際上多學(xué)科專家已經(jīng)在該領(lǐng)域開展大量的研究工作，而國內(nèi)起步較晚，進展緩慢。相對于國內(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)實現(xiàn)5自由度運動，在核磁兼容氣缸和超聲波電機混合控制下，機器人能夠?qū)⒎派湫粤Ｗ訙?zhǔn)確的植入實驗材料內(nèi)部的指定位置。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 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)機器人，主要針對腹腔和盆腔的實質(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)程控制機器人在核磁共振圖像導(dǎo)向下實時進行微創(chuàng)放療手術(shù)，從而達到高精度、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)境下機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)是對傳統(tǒng)醫(yī)用機器人領(lǐng)域的又一次擴展，它既符合醫(yī)用機器人的發(fā)展趨勢、滿足人民生活的需要，又促進了該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，具有良好的應(yīng)用前景。開展核磁兼容的機器人輔助微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)的研究，將會在手術(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，同時還會對介入放射影像學(xué)、智能機器人、虛擬現(xiàn)實、遠(yuǎn)程遙控、微機械電子學(xué)等相關(guān)學(xué)科的理論與技術(shù)發(fā)展產(chǎn)生積極的推動作用。 目前，國內(nèi)外研究核磁兼容的近距離粒子微創(chuàng)手術(shù)機器人處于實驗階段，臨床試驗鮮有報道。一旦這種手術(shù)機器人投入生產(chǎn)應(yīng)用，在國內(nèi)外將會有廣闊的市場前景，不僅會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益，而且會引起強烈的社會反響。
同類課題研究水平概述
- 近年來，機器人輔助手術(shù)系統(tǒng)的研究取得了較大進展。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。這兩個系統(tǒng)都是主從操作機構(gòu)，可以實施多種精確手術(shù)。然而，當(dāng)機器人工作需要工作在有強磁場和高能射頻波的MR環(huán)境下，以這兩個系統(tǒng)為代表的多個MIS機器人系統(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)操縱機器人系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用單柱C型水平開放式MRI掃描機。系統(tǒng)集成了來自光學(xué)內(nèi)窺鏡、開放式MRI和超聲掃描機的圖像信息。在手術(shù)時，集成后的圖像信息定時更新，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)操縱機器人。因為MRI掃描機有空間位置的限制，所以機構(gòu)設(shè)計時手術(shù)器械應(yīng)可以從水平方向插入腹腔或從垂直方向進入肝臟。在此系統(tǒng)，鉗子的彎曲動作用連桿機構(gòu)實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)動作用凸輪機構(gòu)實現(xiàn)。 Gregory等于2006年設(shè)計了一臺核磁共振兼容操作臂機構(gòu)，它是針對閉式高場強的核磁成像設(shè)備設(shè)計的,可在受限的空間里進行前列腺的活檢和粒子植入操作。系統(tǒng)采用氣動驅(qū)動,利用特殊的機構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)垂直和水平方向的平動和轉(zhuǎn)動。研究者對所選的材料和傳感器進行了核磁共振兼容測試,測試結(jié)果顯示它們與高場強的核磁共振成像設(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)機器人系統(tǒng)，它可用于激光點和導(dǎo)管的定位。Koseki設(shè)計了磁共振兼容的遠(yuǎn)程操作機構(gòu)，并介紹了實現(xiàn)磁共振兼容設(shè)計的思想。Fischer和Muntener開發(fā)了用于閉式高場強MRI引導(dǎo)的前列腺治療機器人系統(tǒng)，已處于臨床試驗階段。 國內(nèi)目前對核磁環(huán)境下的手術(shù)輔助機器人研究較少，還沒有成套系統(tǒng)出現(xiàn)。但也有學(xué)者對相關(guān)的技術(shù)進行了研究，邵兵等對核磁共振導(dǎo)航的輔助機器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了介紹，并分析了核磁兼容輔助微創(chuàng)手術(shù)機器人的系統(tǒng)設(shè)計等相關(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)機器人的研究現(xiàn)狀，并分析和對比了核磁兼容手術(shù)機器人研發(fā)特有的關(guān)鍵技術(shù)。洪在地等探討了核磁成像導(dǎo)航機器人的構(gòu)型設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計問題，并設(shè)計了相應(yīng)的核磁兼容測試方法。由此可見，國內(nèi)對核磁兼容手術(shù)機器人的研究還處于初步階段。
