基于MRI引导的脑瘤穿刺手术机器人及穿刺针定位

本发明涉及一种脑瘤穿刺手术设备，具体是涉及一种基于mri引导的脑瘤穿刺手术机器人及穿刺针定位方法。背景技术：1、为了确定脑瘤的性质（良性或者恶性），以确定下一步治疗方案，需要对脑瘤组织进行穿刺活检手术，根据活检结果再进行后期的微创治疗。由于核磁共振成像（magneticresonance imaging, mri）独特的软组织分辨能力，其介入下经皮穿刺手术变得越来越流行，目前，一般先进行核磁共振扫描成像，然后根据核磁共振扫描成像，工作人员确定入针位置和入针路径，根据入针位置对头部进行钻孔，然后工作人员进行手工穿刺，穿刺深度完全由工作人员来操控，这种穿刺方式不仅操作精度低，因此一次穿刺一般都无法成功，两次以上的穿刺不仅会对患者脑部造成损伤，而且手术时间长，劳动强度大。2、随着机器人技术在医疗领域的快速发展，基于图像引导的微创脑部手术机器人已成为神经外科领域的研究热点。与计算机断层扫描（ct）相比，mri 有更好的软组织对比和无电离辐射，这使得它非常适合神经外科手术，提高手术的精确性和安全性。然而，目前在mri 引导下的脑部穿刺手术机器人方面的研究仍处于早期阶段。受约束的钻孔和 mri 环境的强磁场仍然对实施机器人辅助手术提出了挑战。3、近年来，随着 mri 技术的发展，核磁图像引导下的穿刺手术机器人收到广泛关注。凭借其精度高，效率高的优点，多个国家已经开始针对 mri 导航下的穿刺手术系统的研究。对于人体不同部位的手术所使用的机械结构会有较大的差别。目前世界上的穿刺机器人系统主要集中于胸部，腹部，前列腺和乳腺。4、wenxuan liu等人研制了一款核磁兼容的乳腺穿刺手术机器人，通过乳腺夹具将经纬线于肿瘤的相对位置结合，从而确定最佳穿刺路径。使用套丝传动方式以及传动丝变形误差补偿来提高机器人系统精度。5、美国的 jin seob kim等人则研发了一种用于核磁共振引导的新型 4-dof 经皮穿刺机器人。用于小儿肩颈部的穿刺。同样来自美国的 christopher j nycz等人则研发了一款核磁兼容的机器人手术平台，通过放置在机器人基座下方的基准 z 轴进行 mri 配准，并加入无菌入针模块和间质超声消融以此及逆行治疗。目前诸多核磁兼容手术机器人大部分都仍停留在研发阶段，还未完成结构设计和临床实验验证。6、与此同时，mri 导航下的手术机器人仍存在改进空间：7、（1）机器人结构设计不够紧凑，空间利用率不高。8、（2）在核磁环境下，传统方式的电磁电机直驱无法应用，因此机器人的控制精度较低。目前处于实验阶段的手术机器人，一般采用气体传动和线传动，二者运用在mri环境中均有部分缺点并且精度只能保证在2—4mm，传动误差较大。气压传动延迟性较高，并且在气泵的作用下，移动过快，在穿刺手术中存在一定的危险性；而通过链珠机构进行线传动，则需要保证驱动端与从动部分之前的线程恒定不变，并且线传动模块整体较为繁琐，空间利用率低。9、（3）机器人的使用材料选择较为困难，金属材料的导电性会在不同程度上对核磁图像的质量产生较大影响。10、综上所述，研发一种有较为精确的驱动控制方式和能保证精度，刚度及符合使用环境的机器人结构是提高该类手术机器人临床应用的必然趋势。目前在 mri 引导下的脑部穿刺手术机器人方面的研究仍处于早期阶段。在 mri 引导下，如何对穿刺针进行精准定位是目前需要解决的问题。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种定位精度高、智能化程度高的基于mri引导的脑瘤穿刺手术机器人。2、本发明的另一目的在于提供一种基于mri引导的脑瘤穿刺手术机器人的穿刺针定位方法。3、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：4、一种基于mri脑瘤穿刺手术机器人，包括主控制单元、核磁共振扫描仪、穿刺针粗定位支架、穿刺针精定位装置和入针抽送液装置和穿刺针，所述穿刺针设在入针抽送液装置上，入针抽送液装置设在穿刺针精定位装置上，穿刺针精定位装置设在穿刺针粗定位支架上，所述入针抽送液装置和穿刺针精定位装置，是由非金属材料制成，且位于核磁共振扫描仪的扫描仓内；所述主控制单元根据核磁共振扫描仪的扫描信息对穿刺针粗定位支架和穿刺针精定位装置进行驱动控制，将穿刺针移动到入针位置，并控制入针抽送液装置的入针和抽送液操作。5、进一步地，所述入针抽送液装置，包括液压缸c、活塞式针筒、密封圈和动力单元，所述动力单元设在扫描仓外的驱动箱内，所述动力单元包括变频气泵、电机、丝杠、滑块、滑轨、液压调节缸c1和液压调节缸c2,电机与丝杠的一端连接，滑块设在滑轨上并且滑块的传动螺纹孔与所述的丝杠螺纹连接，液压调节缸c1和液压调节缸c2位于丝杠的一侧，液压调节缸c1活塞杆的端部和液压调节缸c2活塞杆的端部通过连接件a与滑块连接，液压调节缸c1的液压输送管和液压调节缸c2的液压输送管分别与液压缸c上的左液压孔和右液压孔连通，所述活塞式针筒位于液压缸c内且位于左液压孔和右液压孔之间的区域，密封圈设在活塞式针筒筒壁和液压缸c的内壁之间，所述穿刺针的一端与活塞式针筒的一端连通，所述穿刺针的一端从液压缸c端面的穿越孔穿出，所述穿越孔处设有密封；所述变频气泵通过抽液外管与液压缸c端面上的管状接头的一端连接，管状接头的另一端与液压缸c内的抽液内管的一端连通，抽液内管的另一端与活塞式针筒端面上的抽吸孔连通，活塞式针筒内设有抽送液活塞。6、进一步地，所述穿刺针精定位装置，包括上球链、下球链、上部xy移动模块、下部xy移动模块、上驱动装置和下驱动装置，所述的液压缸c安装在上球链和下球链上，上驱动装置和下驱动装置分别驱动上部xy移动模块和下部xy移动模块，上部xy移动模块和下部xy移动模块分别驱动上球链和下球链移动，上球链和下球链带动液压缸c移动。7、进一步地，还包括机架，所述机架包括上平板和下平板，上部xy移动模块、上驱动装置安装在上平板上，下部xy移动模块和下驱动装置安装在下平板上，上平板和下平板相互平行；所述上部xy移动模块和下部xy移动模块的结构相同。8、进一步地，所述上部xy移动模块，包括x向前导轨、x向前滑块、x向前滑套、x向前滑杆、x向后导轨、x向后滑块、x向后滑套、x向后滑杆、y向左导轨、y向左滑块、y向左滑套、y向左滑杆、y向右导轨、y向右滑块、y向右滑套、y向右滑杆，所述x向前滑杆、x向后滑杆、y向左滑杆和y向右滑杆，一端与上球链固定连接且呈十字，另一端分别伸入到x向前滑套、x向后滑套、y向左滑套、y向右滑套中且能相对滑动，x向前滑套、x向后滑套、y向左滑套、y向右滑套分别固定在x向前滑块、x向后滑块、y向左滑块、y向右滑块上；9、所述上部xy移动模块上设有滑块位移检测装置，所述滑块位移检测装置包括4个光栅尺和4个激光发射头，4个激光发射头安装在x向前滑套、x向后滑套、y向左滑套、y向右滑套的套壁底部，4个光栅尺分别位于4个激光发射头的下方，激光向下照射到光栅尺上，光栅尺通过光纤将光信号传送给光传感器，光传感器将位置信息传送给主控制单元；还包括设在驱动箱内的激光生成器，激光生成器为上部xy移动模块中的4个激光发射头和下部xy移动模块中的4个激光发射头通过光纤提供激光源。10、进一步地，所述下驱动装置和上驱动装置结构相同，所述上驱动装置包括x向前驱动装置、x向后驱动装置、y向左驱动装置和y向右驱动装置，所述x向前驱动装置、x向后驱动装置、y向左驱动装置和y向右驱动装置分别驱动x向前滑块、x向后滑块、y向左滑块、y向右滑块分别沿着x向前导轨、x向后导轨、y向左导轨、y向右导轨滑动；11、所述x向前驱动装置、x向后驱动装置、y向左驱动装置和y向右驱动装置的结构相同；所述x向后驱动装置包括液压缸a和液压缸b，液压缸a上的活塞杆a和液压缸b上的活塞杆b与所述x向后滑块的两侧壁固定连接且与x向后导轨平行，液压缸a的活塞杆a给x向后滑块施加推力时，液压缸b上的活塞杆b给x向后滑块施加拉力；12、所述x向后驱动装置还包括液压调节电机驱动单元b，所述液压调节电机驱动单元b设在扫描仓外的驱动箱内；所述液压调节电机驱动单元b，包括步进电机、步进丝杠、步进滑块、步进滑轨、液压调节缸a1、液压调节缸a2、液压调节缸b1和液压调节缸b2,步进电机与步进丝杠的一端连接，步进滑块设在步进滑轨上并且步进滑块的传动螺纹孔与所述的步进丝杠螺纹连接，液压调节缸a1和液压调节缸a2位于步进丝杠的一侧，液压调节缸a1活塞杆的端部和液压调节缸a2活塞杆的端部通过连接件与步进滑块连接，液压调节缸a1的液压输送管和液压调节缸a2的液压输送管与液压缸a的缸体连通且连通点位于活塞的两侧；液压调节缸b1和液压调节缸b2位于步进丝杠的另一侧，液压调节缸b1活塞杆的端部和液压调节缸b2活塞杆的端部通过连接件与步进滑块连接，液压调节缸b1的液压输送管和液压调节缸b2的液压输送管与液压缸b的缸体连通且连通点位于活塞的两侧。13、进一步地，所述穿刺针粗定位支架包括底座、由电机驱动的丝杠滑块式前后滑移机构、电动推杆式升降机构、电机驱动式旋转机构和支撑横梁，所述穿刺针精定位装置的机架通过连接件b固定在支撑横梁的一端，支撑横梁的另一端与电机驱动式旋转机构的竖轴固定连接，电机驱动式旋转机构设在电动推杆式升降机构的升降杆上，所述电动推杆式升降机构设在丝杠滑块式前后滑移机构上，所述丝杠滑块式前后滑移机构设在底座上，所述底座设在扫描仓外且位于驱动箱的一侧；所述丝杠滑块式前后滑移机构用以调整穿刺针精定位装置在扫描仓内前后方向上的位置，电动推杆式升降机构用以调整穿刺针精定位装置在扫描仓内的高度，电机驱动式旋转机构用以调整穿刺针精定位装置在扫描仓内的倾斜度。14、进一步地，所述主控制单元包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序运行在以下软件系统的单元中：15、患者头部3d检测图像获取单元，用于获取患者头部3d检测图像；16、钻孔图像和颅内疑似脑瘤图像识别单元，用于识别患者头部检测图像中的颅体表面钻孔图像和颅内疑似脑瘤图像；17、穿刺针粗定位单元，用于根据核磁共振扫描仪扫描得到的钻孔图像信息，对穿刺针精定位装置进行升降、前后移动和旋转，将穿刺针精定位装置靠近钻孔位，使钻孔位在穿刺针移动的区域范围内。18、穿刺针精定位单元，根据颅体表面钻孔图像和颅内疑似脑瘤图像，计算获得入针直线路径；并根据入针直线路径，驱动穿刺针精定位装置对穿刺针进行移动定位。19、基于mri引导的脑瘤穿刺手术机器人的穿刺针定位方法，包括以下步骤：20、s1、利用核磁共振扫描仪获取患者头部3d检测图像；21、s2、识别患者头部检测图像中的颅体表面钻孔图像和颅内疑似脑瘤图像；22、s3、粗定位穿刺针：根据核磁共振扫描仪扫描得到的钻孔图像信息，对穿刺针精定位装置进行升降、前后移动和旋转，将穿刺针精定位装置靠近钻孔位，使钻孔位在穿刺针移动的区域范围内；23、s4、精定位穿刺针：根据颅体表面钻孔图像和颅内疑似脑瘤图像，计算获得入针直线路径；根据入针直线路径，驱动穿刺针精定位装置对穿刺针进行移动定位。24、进一步地，s4中，驱动穿刺针精定位装置对穿刺针进行移动定位的方法如下：25、s41、创建xyz三维坐标系：以粗定位后的穿刺针精定位装置的上平板所在平面为xy轴所在平面；26、s42、确定入针直线路径：根据颅体表面钻孔图像找到钻孔圆心点a(x1,y1,z1),根据颅内疑似脑瘤图像找到疑似脑瘤的中心点b(x2,y2,z2),将点a和点b所在的直线作为入针直线路径；27、s43、调整穿刺针状态：穿刺针粗定位完成后，驱动穿刺针精定位装置的上部xy移动模块和下部xy移动模块，通过调整上球链和下球链的位置来调整穿刺针状态，使穿刺针与入针直线路径平行；28、s44、穿刺针移动定位：驱动穿刺针精定位装置的上部xy移动模块、下部xy移动模块，同步移动上球链和下球链，将上球链的中心点和下球链的中心点移动到入针直线路径上，以使穿刺针与入针直线路径相重合，完成穿刺针的移动定位。29、本发明的有益效果在于：30、本发明将穿刺部件和核磁共振扫描仪进行结合，在结构上更加紧凑，能使穿刺部件在核磁共振扫描仪的扫描仓内进行穿刺工作，利用本发明进行穿刺手术，能在医学影像引导下进行脑瘤前期的组织穿刺活检以及后期的肿瘤消融等微创治疗。本发明代替了手工操作，具有智能化程度高、精准度高、手术更安全的特点，能一次性穿刺成功，不仅减少了对患者脑部的损伤，而且还大大节省了医疗人力成本，节约了手术时间，提升了手术成功率。31、本技术机器人的穿刺针精定位装置能对穿刺针筒进行精确的位移调节，实现对穿刺针的精确定位和入针角度调节。32、本技术机器人的穿刺针粗定位支架采用了核磁扫描辅助下的自动化粗定位，能根据核磁共振扫描仪扫描得到的钻孔图像信息，自动对穿刺针精定位装置进行升降、前后移动和旋转，将穿刺针精定位装置靠近钻孔位，使钻孔位在穿刺针移动的区域范围内，从而实现穿刺针的粗定位，可以在核磁现场无人值守的情况下，进行核磁场外的穿刺手术操作。33、本发明入针抽送液装置的动力单元和穿刺针精定位装置的驱动装置，均以步进电机为动力源，并将步进电机的动力通过液压调节缸转换成液压驱动，并且在液压缸内活塞一侧的传动液提供推力，另一侧提供拉力，不仅使液压缸具有足够的驱动力，而且传动液还具有缓冲的功能，使活塞或活塞式针筒的移动更加平稳和精准；并且将步进电机设在了扫描仓外，这样设计解决了步进电机无法在核磁环境下使用的问题。