CN1522671A - 机械臂式自动立体定位系统 - Google Patents
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Abstract
一种机械臂式全自动立体定位系统，通过三维影像重建软件，重建CT或MRI三维立体影像，在CT和MRI实时引导下，多方向，多方位，组合式机械臂通过自动控制，调整定位激光束瞄准病灶，实施无创伤，无框架，多部位，高精度的立体定位，由直线电机自动控制的持针器按照预先设计的方案，选择损伤人体组织最小的途径将穿刺针送入人体组织深部，进行介入放射学的诊断或治疗，或者在金属模拟探针引导下实施其他需立体定位完成的外科微创手术或其他物理治疗。可广泛应用于各类医学临床介入放射学的诊断和治疗程序。
Description
技术领域：本发明涉及一种三维影像导引，无框架，无创伤，机械臂式全自动立体定位系统，属于一种新型医疗仪器，更具体的说是一种介入性放射诊断和(或)治疗的立体定位系统，它是开展介入性放射学的重要工具。该系统可以与各种型号的电子计算机X线断层摄像仪(CT)和核磁共振成像仪(MRI)联合使用。在使用过程中，即可以在CT室，MRI室，也可以在手术室或其他洁净场所进行操作。
背景技术：立体定向术是近20年才发展起来的一种新型技术。最初应用于神经外科，后来逐渐扩展到全身。自从电子计算机断层X线摄像术(CT)和核磁共振成像仪(MRI)应用于临床以来，为传统的立体定向技术的应用开辟了崭新的领域和广阔前景。
CT和MRI能够清楚显示人体各个部位的解剖结构，病变位置，形态，以及相互之间的关系，并精确提供三维数据，立体定向术与新型影像技术相结合，使立体定向方法更加准确，有效，安全，迅速，不仅成功率大幅提高，应用范围也随之扩大。
立体定向术的一个重要应用领域是在CT或MRI导引下，经皮穿刺进入人体深部病灶，采取标本进行活检；定向微型手术切除病灶；病灶内注射药物；或组织间植入放射源进行局部放疗等。
上述程序，需要对人体内部病灶准确定位，明确病灶的位置，方向，深度，大小，及其与周围血管，神经及各种重要器官相互的关系。
目前应用于上述立体定向术的器械，大多数都是采用框架式定位方式。首先，在CT或MRI检查前，给病人戴上框架。然后病人在佩戴框架下，进行CT或MRI检查。检查完毕，病人被送进手术室，重新建立坐标位置，参考CT和MRI胶片上的图像进行间接定位。根据定位结果进行穿刺或者手术。
这些立体定向仪或立体定位系统，分别采用直角坐标，圆球坐标，球坐标原理，其结构复杂笨重，数据计算繁琐，多数采用人工计算，误差在所难免，由于要求定位精确，对定位仪精度要求极高，多数需要昂贵设备，而且需要采用创伤性方式固定框架，给病人带来极大的不适和痛苦。同时由于是间接定位，需要人工转换影像上的数据，容易造成误差，而导致定位不准确。
此外，由于这种方法定位是采用的二维影像资料，对病灶与周围血管，神经，及重要器官之间的关系辨别不清，容易伤害周围组织。另外，由于采用框架进行定位，必然在不同的身体部位仅能采用特殊的框架，限制了临床应用范围，提高了费用和成本。大多数采用这种方法穿刺操作，不适合在CT室或MRI室定位同时进行，需要转移病人至不同场所，并且需要转移影像数据，重新摆位，定位，这种间接定位方式，必然造成了数据的误差。
即使少数采用专门CT室或MRI室开展立体定向术的大型医院，由于是人工定位，人工计算，人工操作，因此，医务人员和技术人员暴露在电离辐射下，造成对医务人员身体的伤害，长时间的操作同时也会使病人受到不必要的电离辐射伤害。
中国专利(申请号：91101365.2)公布的一种“颅脑CT立体定向系统”是一种用于脑立体定位穿刺的装置；中国专利(申请号：88105432.1)公布的一种用于肺部小病灶穿刺活检的“双相立体定位仪”；中国专利(申请号：90108972.9)公布的“万向多功能脑立体定向仪”：中国专利(申请号：94222459.0)公布的“胸腹部介入CT立体定向仪”；中国专利(申请号：90203722.6)公布的“多功能小型立体定向仪”；中国专利(申请号：92203166.5)公布的“高精度脑立体定向仪”。这些立体定向仪均属上述描述的传统方法的立体定位框架类型，其特征为有框架，间接定位，二维影像引导，手动操作，局限性部位使用的立体定位装置。
发明内容：本发明的任务是，提出一种新型的，CT或MRI导引下立体定位系统，这种系统应该克服上述系统的缺陷，带有下列特征：
●三维影像导引：在立体三维影像导引下实施立体定位术，使定位更精确，避免二维影像由于解剖关系不清而导致的穿刺失败，或穿刺造成的副作用。
●无框架定位：去除笨重，复杂的框架，减少病人痛苦及操作不便和时间浪费，减少定位时对病人创伤的外科程序，减少术后病发症。
●直接定位：在三维影像成像同时和直接监控下进行实时立体定向穿刺，减少因间接定位而引起的位置移动及其误差，提高准确性，提高成功率。
●适用于全身各个部位的使用：扩大临床应用范围，减少不必要的装置浪费，采用一个系统能够适合多种定位需要。
●自动化操作：减少医务人员和病人暴露在电离辐射下的时间，减少不必要副作用，以及电离辐射下对人体健康的伤害，减少手工操作而带来的误差和失误，减少对特殊训练下高素质人员的要求。
解决上述发明任务的技术方案是采用三维影像重建技术以及平台软件，重建CT或MRI的三维影像，将CT或MRI完整的螺旋扫描获得的数据作为素材，通过高速通讯接口，传输至装有三维CT影像重建或三维MRI影像重建软件的计算机。在三维CT软件或三维MRI软件支持下重建出直观的立体图形。三维图形可在荧屏上显示出伪彩图影，可360°的实时旋转，以便医生在不同角度观察病灶。可选择性去除某一遮掩病灶的器官和骨骼，方便模拟手术过程，同时可以三维立体显示病灶与人体其他器官的关系，从而准确的选择穿刺路径，方向，角度，深度等。采用三维重建方法替代原来技术中的二维影像导引，有不可比拟的优越性。
采用自动控制的多维方向运动机械臂取代原来技术中的定位框架，实现无框架定位。在三维影像导引下，自动控制的多维机械臂，按照机械臂上激光定位灯的导引，沿着已经确定的方向，路径，角度，深度进行穿刺。
在CT或MRI实时影像导引下，观察穿刺针在体内的实际状态，根据即时图像调整穿刺针在体内的方向，角度，深度，避免对机体或组织的损伤。
穿刺针固定安装在自动化，智能化控制的持针器上，预先在三维影像重建时确定穿刺的方向，角度，路径，深度。医生在CT室外遥控数字化控制步进电机驱动的持针器，自动化完成经皮穿刺的程序。在术中用CT或MRI监测穿刺针在体内状态，即时调整。
上述机械臂运动可以通过任何传动装置，驱动装置，包括电动机，电磁铁，液动装置或气动装置连接，也可以采用机械传动装置包括轴承，蜗轮，蜗杆等方式，用手工来移动，调节。多功能设计保证可以在全身各个部位，在CT或MRI导引下开展立体定位诊断和治疗。
本发明的技术特征在于，通过采用计算机“表面投影显示”(shaded surdace display，SSD)和“最大密度投影”(maximum intensity projection，MIP)的成像技术，实时重建CT和MRI的三维立体影像，从而显示人体靶目标或靶器官复杂结构完整立体图形。据此，设计最佳穿刺或手术路径，决定穿刺的方向，角度，深度，避开人体重要器官及重要的血管，神经，避免损伤这些重要组织而导致饼发症，并能准确引导穿刺针或其他手术器械进入病灶部位。本发明中两个高分辨率，大屏幕的液晶显示屏(103，104)，同时显示CT和MRI的二维影像，以及三维重建后的三维立体影像，以利于医生更清楚观察病灶部位的解剖关系。
本发明的技术特征在于，直线步进电机(141)控制的X轴连杆(112)在遥控控制器控制下，可以在X轴自由移动，旋转步进电机(142)控制的Y轴连杆(114)，可以在遥控控制器或电动控制器控制下，在Y轴自由移动。在旋转电机(124)驱动下，定位器(118)可以沿Z轴方向，360°方向自由旋转。定位架底杆(127)末端的激光定位管(130)，以病人身体表面的金属标记物为定位点，由医生在电脑立体三维影像导引下，选择最佳穿刺路径，确定穿刺最佳位置，角度，方向，深度后经过X轴，Y轴，Z轴移动，确定穿刺位置，模拟穿刺针的方向，角度，确定穿刺路径，而定位架底杆末端的金属定位头(133)，指引激光光束的位置，作为CT和MRI定位时的金属定位标记。
本发明的技术特征在于，持针器可以固定模拟定位杆或穿刺针(132)，模拟定位杆或穿刺针(132)与激光定位管(130)的光束一致。持针器(131)由直线电机(126)驱动，由遥控控制器或电动控制器控制。在确定穿刺位置，路径，角度，深度后，可以自动实施穿刺过程。
本发现的技术特征在于，上述所有功能性配件或子系统整合在一个以万向轮(109)驱动的可移动的立式装置(101)中。医生在操作时可以观察二维，三维影像同时，自动控制操作机械臂，移动机械臂到达靶位置实施诊断或治疗过程，其中两个高分辨率液晶屏与立式装置纵轴方向一致，而机械臂则位于立式装置(101)右侧。
本发现的技术特征在于，整个系统是一个由电脑管理，控制的自动化，数字化控制装置，各个功能部件通过电脑数字化显示及数字化控制，可以通过网络技术或遥控技术实施远程控制。从而实现全自动化过程。
附图说明：现在结合附图对本发明进行说明：
图1 全自动立体定位系统示意图
图2 定位器结构图
图3 旋转步进电机示意图
图4 持针器示意图
图5 直线电机及持针器连接图
图6 X轴直线电机示意图
图7 机械臂活动关节示意图
101-底座；102-控制面板；103-影像显示器；104-立体影像显示器；105-影像显示器支架；106-立体影像显示器支架；107-控制台；108-底座机箱；109-运动万向轮；110-移动滑槽；111-移动滑块；112-移动滑块连杆(X轴连杆)；113-第二关节；114-Y轴连杆；115-第三关节；116-Z轴连杆；117-旋转关节；118-定位器；119-旋转步进电机轴套孔；120-旋转步进电机轴套；121-旋转步进电机轴套连接杆(定位架连接杆)；122-定位架上斜连杆；123-定位架下斜连杆；124-旋转步进电机；125-直线电机连接杆；126-直线电机；127-定位架顶杆；128-定位架底杆；129-激光管固定器；130-激光发射管；131-持针器；132-定位针(或穿刺针)；133-定位头；134-直线电机滑槽；135-直线电机滑杆；136-持针器固定螺丝；137-持针器连杆；138-持针器开口；139-持针器固定螺孔；140-持针器持针空间；141-X轴直线电机；142-旋转步进电机；143-电机轴套；144-轴套连杆；145-轴连杆。
具体实施方式：图1显示的实施例是本发明的三维影像导引，无框架，无创伤，机械臂式全自动立体定位系统，主要由底座(101)，二维影像显示器(103)，三维影像显示器(104)，机械臂(112)，(104)，(106)，定位器(118)及其相连接的机械臂关节，驱动电机等部分组成。
底座(101)由底座机箱(108)，箱内电脑及其电源，控制部件(图中未标出)，控制台(107)及其表面的控制面板组成。底座基底部4个万向轮(109)可以使底座多方向自由移动。底座构成系统的基底及支撑部分，底座顶面的后面分别固定装置左侧的二维影像显示器支架(105)及右侧的三维影像显示器支架(106)，分别支撑固定二维影像显示器(103)和三维影像显示器(104)。
底座(101)外壳由薄金属板，经板金工艺制作，表面涂塑或表面喷塑工艺，外观美观。箱内电脑是采用高速度，大容量的电脑工作站，可以采用Sun Micro Computer station(美国升阳公司电脑工作站)，采用Unix操作系统或window操作系统。电脑工作站的串行口232与CT或MRI电脑主机之间通过网卡，采用光纤连接，可以即时迅速接受来自CT或MRI实时的扫描信息。电脑采用不间断电源供电，保持电脑内数据不会因电源断电而丧失。机箱内同时放置控制各个机械臂传动部分的控制电路板，继电器，模数转换装置及其他自动控制部件或组件。
控制台(107)呈45°斜面，方便操作者。控制面板(102)由电脑操作键盘，机械臂控制器构成，用来操作电脑及控制机械臂运动。
二维影像显示器支架(105)，三维显示器支架(106)，由金属材料制作，可以是不锈钢材料或钢制材料表面电镀，固定在底座顶层，支撑显示器。二维影像显示器(103)和三维立体影像显示器(104)采用高清晰度，高分辨率的液晶显示器，尺寸从12英寸到19英寸均可，分别显示CT或MRI直接传输过来的实时二维图像以及经三维重建软件处理过，而重新构建的三维影像。图1，图6显示的实施例中，底座(101)顶层右侧固定X轴直线电机(141)，电机用套环及螺丝固定在底座右侧壁(未标示)，电机轴带动移动滑块(111)，在移动滑块(110)内作X轴方向移动。从而带动与其相连接的X轴连轴(112)作X轴方向移动。
图1，图3显示的实施例中，X轴连杆末端为第二关节(113)，由旋转步进电机(124)，旋转步进电机轴套(120)以及固定在旋转步进电机轴套孔(119)内的Y轴连杆(114)下端偏心轴组成，可以在Y轴方向自由转动。Y轴连杆(114)上端偏心轴和Z轴连杆(116)上端偏心孔共同固定在旋转步进电机轴套孔(119)内，与旋转步进电机(124)，旋转步进电机轴套(120)以同样结构和方向构成第三关节(115)，可以驱动Z轴连杆(116)在Z轴方向移动。
图1，图2，图7显示的实施例中，Z轴连杆下端偏心轴与旋转步进电机(144)联接，固定电机。旋转步进电机(144)，旋转步进电机轴套(143)，旋转步进电机轴套连杆(144)，轴连杆(145)，共同构成旋转关节(117)，带动定位架(118)在360°方位上旋转。
上述的直线步进电机或旋转步进电机，均为可以数字化显示及数字化控制的精密电机，通常用于机器人及其他高精密度自动化控制产品中。
各种机械臂连杆均采用高强度，重量轻的铝合金材料制作。也可以用其他金属材料或高强度塑料材料或高分子材料制造。上述各个机械臂的传动和运动也可以由人工或其他驱动装置来驱动，包括液动，气动，电磁方式传动或采用蜗轮，蜗杆，轴杆，轴套，螺杆，杠杆方式传动。
定位器(118)由定位架连杆(121)，定位架上斜连杆(122)，定位架下斜连杆(123)，定位架顶杆(127)和定位架底杆(128)构成支架。定位架连杆(121)的末端连接直线电机(126)，直线电机(126)的轴联接直线电机滑杆(135)在直线电机滑槽(134)内滑动，从而驱动持针器(131)沿定位器(118)的纵轴方向移动。
定位架顶杆(127)的末端装有激光管固定器(129)及激光发射管(130)，发射的激光光束可用于定位。定位架底杆(128)末端装有定位头(133)，用于CT和MRI定位时标记，由金属不透X线材料制造。
激光发射管发出的激光光束与定位头位置重合。
图2，图4，图5显示的实施例，持针器(131)，可以夹持，固定各类模拟探针或各类穿刺针在持针器持针空间(140)。持针器开口(138)可以方便的置入各类穿刺针或模拟探针，持针器固定螺丝(136)在固定螺孔(139)拧紧后可以固定针。也可以通过调节三个螺丝的不同高度，而调节针的方向。持针器连杆(137)连接直线电机(126)和持针器(131)。持针器(131)可以通过直线电机驱动，也可以通过任何其他驱动方式包括液压传动，气压传动，电磁铁装置驱动。持针器还可以采用其他机械方式，包括蜗轮，蜗杆方式，螺丝传动方式，杠杆方式用手工驱动。
下面是本发明的另一个最佳实施例，在CT导引下进行经皮肺穿刺活检。
病人仰卧在CT扫描床上，做CT扫描和增强扫描，了解病变靶点位置，病灶与相邻器官和血管的空间关系。根据病变位置，用一个带10mm直径圆形铅块的胶布贴置在病变区域上方的表皮上。将自动立体系统移至CT扫描床右侧，操作医生控制操纵杆移动X轴连杆(112)，Y轴连杆(114)，Z轴连杆(116)和旋转定位器(118)，将定位器(118)的定位头(133)对准金属标记物，将激光放射管发射的激光光束瞄准金属标记的圆心，去除金属标记物胶布。开始进行CT扫描，采用单层扫描或螺旋扫描方式，扫描层数为6～10层，采集层数较多，可以为三维影像重建提供更多的信息。扫描完毕后，将CT扫描资料通过计算机串行接口232传输至电脑工作站。这时电脑工作站将从CT接受的二维影像直接显示在二维影像显示器(103)，同时将输入的CT扫描信息，输入三维立体影像重建软件(该软件平台可以应用广泛采用的成像技术，表面投影显示方法或最大密度投影方法自我开发，或者直接购买已经商品化的三维重建影像软件，例如美国“3DDoctorc”立体三维影像重建软件)。重新构建的三维立体影像在三维立体影像显示器(104)上显示。医生观察三维立体影像，确定病灶位置，深度，角度，方向及与周围重要器官，血管，神经的关系，确定最佳手术路径，角度，方向，深度，制作穿刺计划。根据上述计划，医生以定位器(133)的位置为基点(即病灶的位置)，移动机械臂，带动定位器移动至穿刺计划中理想的穿刺方向，位置，角度。这时定位点(133)定位在病灶位置，持针器上金属模拟探针(132)尖端对准病灶方向，激光发射灯(130)发射的定位激光束确认位置(只有金属探针与激光束方向完全平行才能确定位置)医生操纵直线电机，驱动金属模拟探针(132)固定在病人病灶上方的表皮上。
重新再做一次CT断层扫描，观察图像上，模拟金属探针(132)尖端方向的延伸线与病灶吻合，从而确定位置，方向，并确定穿刺深度。对病人穿刺表面皮肤消毒，铺巾，取出无菌消毒穿刺针(132)替代金属模拟探针，安装的穿刺针点与定位头(133)吻合，并与激光束完全一致。
将穿刺深度信息输入电脑，固定在持针器上的穿刺针在直线电机(125)驱动下，按穿刺方案穿刺入肺部病灶，医生旋转穿刺针或抽吸穿刺针取得标本。驱动直线电机反方向运动拔出穿刺针。
三维影像导引，无框架，无创伤，机械臂式全自动立体定位系统，可以广泛应用在全身各个部位经皮穿刺活检，各种介入性深部病灶内注射，经皮微创手术，例如经皮椎间盘介入性微创手术等，以及可以用在组织间质放射治疗中，立体定位植入放疗，还可以为各种手术进行立体定位确定手术路程，减少创伤，减少饼发症，包括可用于全身各部位(包括头颅)的经皮穿刺活检，获得标本用于病理诊断；经皮穿刺病灶内注射治疗(包括肝癌立体定向无水酒精注射)；立体定向介入性激光治疗(包括立体定位经皮穿刺肝癌激光消融术)；立体定向介入性热疗(包括经皮穿刺肝癌射频消融术)；立体定向肿瘤热疗(包括各种微波热疗，超声热疗，射频热疗)；立体定向放射治疗；立体定向经皮椎间盘吸除术；立体定向组织间质放射术；立体定向引导下的其他多种微创手术等。
Claims (9)
1)一种属于新型医疗仪器的三维影像导引，无框架，无创伤，机械臂式的全自动立体定位系统，它包括电脑工作站，三维立体影像重建软件，二维影像和三维影像显示器，装有万向轮可移动的底座，固定在底座上可以多方向，多角度活动的机械臂，驱动这些机械臂运动的多个高精度步进电机，可360°移动，装有激光定位管和定位头，可夹持和更换金属模拟探针和穿刺针的持针器，控制传动及运动的计算机控制电路及控制面板组成，通过上述组合可以实现无创伤，无框架，多部位，自动化立体定位可广泛应用于多项医学临床诊断和治疗程序。
2)按权利要求(1)所述的全自动立体定位系统，其特征在于采用三维立体影像作为立体定位的根据和基础，以三维立体影像定位来替代传统的二维影像定位，其具体实现方式是将CT和MRI扫描的二维影像，通过三维立体影像软件处理，重新构建三维立体影像，三维图形可在荧屏上显示出伪彩图形，可360°实时旋转，三维影像重建是由电脑及软件完成的，电脑可以是电脑工作站或个人电脑，软件可以是购买的三维影像重建软件或自我开发的三维重建软件。
3)按权利要求(1)所述的全自动立体定位系统，其特征在于采用自动控制的多维方向运动机械臂取代传统技术中的定位框架，实现多部位，多方向的无创伤，无框架定位。
4)按权利要求(1)所述的全自动立体定位系统，其特征在于，X轴连杆(112)在X轴直线电机(141)驱动下移动滑块(111)在移动滑槽(110)内作X轴方向移动，Y轴连杆(114)在步进电机(124)驱动下沿Y轴方向移动，Z轴连杆(116)在旋转步进电机驱动下作Z轴方向移动，定位器(118)在旋转步进电机(144)驱动下作360°方向的移动，上述X轴连杆(112)，Y轴连杆(114)，Z轴连杆(116)，定位器(118)的多方向运动可以最终调节定位器(118)的定位头(133)和激光发射管(130)放射的激光定位光束趋向于病灶定位点，上述机械臂的运动可以通过各种传动装置，驱动装置，包括电动机，液动，气动，电磁铁等，由操作者自行通过控制器控制，或预设程序自动控制，或手工调节控制，或采用遥控方式控制，上述机械臂连杆最好是采用高强度铝合金材料制造，也可以是其他金属材料或塑料材料制造。
5)按权利要求(1)所述的全自动立体定位系统，其特征在于，X轴连杆(112)，Y轴连杆(114)，Z轴连杆(116)，定位器(118)也可以通过任何已知的机械传导装置，采用手工调节的方式移动上述机械臂到达指定的定位位置，这些已知的机械传导装置包括轴承，蜗轮，蜗杆，轴套装置，球状关节装置等。
6)按权利要求(1)所述的全自动立体定位系统，其技术特征在于，定位器(118)底杆(128)末端金属定位头(133)，与顶杆(127)末端激光发射管(130)射出的激光定位束始终在同一方位，代表定位器(118)纵轴垂直方向并始终在同一位置，始终与金属模拟探针或穿刺针(132)处于同一位置，激光定位束引导，校正金属定位头(133)和金属模拟探针或穿刺针(132)的位置和方向。
7)按权利要求(1)所述的全自动立体定位系统，其技术特征在于，持针器(131)，可以夹持，固定各种类型模拟探针或各类穿刺针，持针器三个固定螺丝(136)位置的调节可以调节金属探针和穿刺针位置和方向，持针器(131)可以采用直线电机(126)驱动，也可以采用任何传动装置或驱动装置驱动，这些装置可以是电动机，电磁铁，液压传动或气压传动，也可以采用任何已知的机械传导装置，包括蜗轮，蜗杆，螺旋传动装置，杠杆传动装置等方式手工驱动，持针器(131)最好采用高强度工程塑料材料或非金属高分子材料制作，也可以采用其他各种金属材料，塑料材料制造。
8)按权利要求(1)所述，全自动立体定位系统的技术特征在于，二维影像显示器(102)和三维影像显示器(103)并列装置在底座(101)顶层固定机械臂，底座内装有个人电脑或电脑工作站和控制部件及电源，底座基底部位的4个方向轮(109)可以驱动整个装置自由移动。
9)按权利要求(1)所述的全自动立体定位系统，其技术特征在于，能应用于进行各种介入放射学的诊断或治疗程序，以及各种采用立体定位方法进行诊断和治疗的程序和方式，方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |