面向高强度聚焦超声治疗的串并联治疗床设计

� 22� �机器人技术与应用� 2003年第 4期 面向高强度聚焦超声治疗的 串并联治疗床 [作者简介] 范良志: 1976年 9月, 华中科技大学机械学院自动化所博士研究生, 主要从事机器人技术研究 � 范良志 喻道远 谢敬华 郭 伟 华中科技大学机械学院工业系 [摘 要] 本文介绍了一种用于高强度聚焦超声治疗床的设计, 研究明, 该设计结构简单, 实现方便, 绝对定位精度 较高, 能够很大程度上降低整机的设计和制造成本。目前, 样机开发工作大部分已经完成, 机械构件已经安装完毕, 控制软件框架和基本功能都已经完成, 实现了简单的超声波焦点摆动治疗运动。样机的精度标定将在随后的工作中继 续展开。 [关键词] HIFU 高强度聚焦超声 串并联机器人 医疗机器人 治疗机器人 前 言 常见的放射治疗机, 例如�刀、X刀、钴60治疗 机、中子治疗机、质子治疗机、正电子治疗机等, 与传统数控机床类似, 在结构设计上大都采用纯串 联的结构形式, 比较笨重, 体积庞大。上世纪 90年 代以来, 随着机构学的发展, 并联机构开始为人们 所广泛重视, 并将其迅速应用到了工业加工领域。 在医疗领域, 并联机构或串并联机构在数控机床类 的辅助手术设备或者肿瘤治疗设备等方面也得到了 广泛应用。英国帝国大学 1997年开始的一项研究项 目 � 超声图像导引的微创脑神经手术辅助系统 � , 提出了一种基于 Hexa Robot的串并联机构的 6自由 度操作手。考虑到纯并联机构的工作空间有限, 而 脑肿瘤治疗要求治疗机构能够实现180 �的旋转和90 � 的偏摆, 所以, 最后采用了串并联的结构形式, 并且 在 2000年推出了一台原型机。欧洲 DGXI委员会和 Friedrich - Flick基金共同支助的研究项目 � 图像引 导的整形手术机器人 � CRIGOS ( Compact Robot for Image Guided Orthopedic Surgery ) , 采用了 Stewart平 台作为执行机构。美国伯克利大学将并联机构用于 缝合机器手的研制。该机器手有两级机构, 初级为 Stewart类并联机构, 提供四个操作自由度; 次级为 两个自由度的手腕和一个液压马达驱动的手爪等等。 国内将并联机构用于医疗机器人方面的研究, 目前 尚未发现报道。 并联机构具有结构轻, 刚度大, 精度高的特点, 机 构反解求解简单, 但是工作空间较小, 机构正解十 分困难。从性能和结构上来看, 串联机构的缺点恰 好是并联机构的优点, 两者之间满足一种对偶和互 补的关系。国家 863 � 高强度聚焦超声立体定 向治疗并联机器人 � (编号: 2002AA420100 - 3)将 3 PRS空间并联机构结合的串联十字工作台, 用 于高强度聚焦超声肿瘤治疗床的开发, 很大程度上 简化了治疗床的结构设计, 降低了治疗床的设计与 制造成本。 � 23� �机器人技术与应用� 2003年第4期 治疗机器人 1. 基于 3RPS并联机构的串并联治疗床 串并联治疗床的结构如图 1所示, 十字工作台 位于 3PRS并联机构的正上方, 治疗床床面位于十字工 作台之上, 随十字工作台运动。 3PRS机构从下往上分 别为移动副 (Prismatic Joint) , 转动副 ( Rotary Joint)和球 副 ( Spherical Joint) , 具有三个空间运动自由度, 因此 也被称为 3PRS机构。 高强度聚焦超声探头安装在 3PRS 机构的动平 台之上, 在控制指令的命令下, 能够沿 Z轴作上下移 动, 同时也可以绕 X轴和Y轴转动。高强度聚焦超声 波焦点在动平台发生转动的过程之中, 会分别产生沿 X轴和 Y轴的附加偏移, 这个偏移量由串联十字工作 台来补偿。同时, 十字工作台也能提供 3PRS机构所缺 少的沿 X轴和 Y轴的移动自由度。因此, 整个串并联 机构一共具有 5个自由度, 能够满足高强度聚焦超声 治疗对于运动方式的需求。超声波焦点具有较大的三 维运动工作空间, 同时还能够很方便的实现较大角 度的偏转, 结构很简单, 所有关键部件几乎都可以 直接从市场上选购现成的直线导轨标准件来实现, 并保证其工作精度, 极大的方便了整机的设计加工 与制造。 图 1 3PRS超声治疗串并联空间平台机构简图 2. 串并联治疗床位置控制模型 参考 1988年 Kok - Meng Lee等人对 3RPS机构的 研究方法, 利用欧拉角代换方法, 容易得到 3PRS机构 的名义机构反解。对应的正解只能通过求解非线性方 程组的方法来得到。正解没有被直接利用到位置控制 模型之中。 设动平台法矢为, 动平台随动坐标系三个坐标轴 的单位方向矢量分别为 i , j, k , 则有 ( 1) 动平台三个顶点的坐标分别为: ( 2) 三个驱动滑块的高度为: ( 3) ( 3)式既是运动控制器实现中所需要的实时位置控 制算法的基础。 3. 插补处理与轨迹规划 3. 1 插补处理 由于包含了并联机构, 除了考虑串联十字工作台 的插补方式以外, 串并联治疗床的插补处理必须同 时考虑并联机构的非线性特性对插补误差的影响。 传统的插补方式一般可以分为逐点比较法和时间 分割法两种。其中, 逐点比较法比较适合与三坐标以 下的插补处理, 对于三坐标以上的插补, 一般都是采 用时间分割法来实现。串并联治疗床的实现也采用 了时间分割法。既给定一个微小的时间片段, 通常 为 5ms到 8ms , 最多不能超过 20ms , 按照编程的运动 速度, 计算出对应各控制电机应当运动的距离, 然后 控制电机按照给定的运动模式完成这一微小时间片的 运动。 可以采用 PVT电机运动插补模式 ( 位置- 速度- � 24� �机器人技术与应用� 2003年第 4期 时间插补 ) , 也可以采用样条插补。对于 PVT插补而 言, 在每个分段点上, 其位置- 速度两个变量均等于 指令的位置- 速度, 每个分段的运动时间在 PVT运动 指令开始的时候用指令指定。这样得到的插补轨迹, 属于艾尔米特三次样条曲线, 轮廓跟踪性能比较好, 变程操作简单。 3. 2 轨迹规划 高强度聚焦超声治疗中, 为了提高焦点能量密度 与超声波进入人体皮肤处的能量密度之比( 焦皮比) , 尽可能地采用了摆动适形治疗的模式。既通过超声波 换能器的圆锥形摆动, 尽可能的将治疗过程之中, 通 过病人皮肤的超声能量分布在尽可能大的皮肤表面积 上, 从而大大地降低了病人皮肤灼伤的几率, 减少病 人痛苦。超声波焦点在换能器不断摆动的过程之中, 按照控制指令的要求, 对肿瘤边缘区域进行扫描, 类 似于模具的铣削加工, 连续或者按照医生的要求断续 工作, 从而使得肿瘤边缘特别活跃的供血区域整体破 坏, 肿瘤内部组织由于缺血坏死, 在病人自身的免疫 作用下完全吸收, 达到肿瘤切除的目的。 按照上述思路, 结合串并联治疗床本身的特点, 实际的运动轨迹规划采用了下述方式: 步骤一, 指定超声波焦点在空间中的位置, 该位 置由诊疗计划系统根据探测得到的肿瘤三维空间形状 和治疗点的坐标给出; 通常采用逐层切除的办法, 确 定这一运动轨迹控制点; 步骤二, 根据病人病灶的实际位置, 在诊疗计划 系统的辅助下, 给出超声波必须避让的骨骼组织或者 空腔, 确定换能器的最大摆动锥角和零锥角下换能器 的姿态; 步骤三, 根据焦点高度与换能器姿态确定 3PRS并 联机构的输入高度参数; 步骤四, 计算 3PRS机构由于姿态引起的超声波焦 点在 X轴和 Y轴方向上引起的偏移量, 控制串联十字 工作台对这一偏移量进行补偿, 并执行诊疗规划系统 给出的 X和 Y方向上的位移。 下图为控制器的软件设计结构图 4. 治疗床位置精度的标定 对于肿瘤治疗设备而言, 定位精度是其正常工作 的基本保证。对于串并联机构而言, 最为困难的是其 并联部分的标定。事实上, 阻碍并联机构在机加工和 机器人领域中广泛应用的一个主要问题就是其精度标 定。其难点, 主要在于终端构件的位置和姿态测量。 通常的做法是采用经纬仪, 用光学的办法直接测量其 终端构件在三维空间中的位置和姿态。但是对于一台需 治疗机器人 � 25� �机器人技术与应用� 2003年第4期 治疗机器人 要在现场中长期工作的设备来说, 这种方法显然不 合时宜。 考虑到串并联机构本身的特性, 在给定的运动 轨迹和方式下, 串联十字工作台必须要同时补偿 3 PRS并联机构由于姿态变化引起的 X轴和 Y轴方向 上的偏移量, 两者之间要求满足某种耦合关系。我 们可以通过这一偏移量的变化, 反求出 3PRS机构的 运动学参数。首先, 测量动平台在零度锥角下, 串联 十字工作台的当前位置作为参考零点 O ; 然后, 随机给定一个 3PRS动平台姿态, 移动十字 工作台, 保证超声波焦点与十字工作台之间的相对位 置保持不变, 记录下十字工作台当前位置与参考零点 O之间的偏移; 得到了一系列的偏移量数据之后, 就可以按照偏 差平方和最小的原则 ( Least Square Method ) , 对给定 的 3PRS机构运动学参数进行参数估计。 实际操作过程之中, 超声波焦点被圆形小球所代 替, 在动平台上开有与之配合的小孔, 保证十字工作台 在运动过程之中, 小球相对于十字工作台不发生移动。 在仿真计算中发现, 假设不考虑测量误差的影 响, 20个以上随机测量位置的偏移量数据就可以计算 得到误差参数的精确值。在考虑测量误差存在的情况 下, 测量位置的数目必须增加到一倍以上, 才能得到 较为明显的结果。标定后的 3PRS机构定位精度完全能 够满足高强度聚焦超声治疗所要求的 0. 2mm以上的绝 对定位精度。 5. 总结 本文介绍了一种用于高强度聚焦超声治疗床的设 计, 研究表明, 该设计结构简单, 实现方便, 绝对定 位精度较高, 能够很大程度上降低整机的设计和制造 成本。目前, 样机开发工作大部分已经完成, 机械构 件已经安装完毕, 控制软件框架和基本功能都已经完 成, 实现了简单的超声波焦点摆动治疗运动。样机的 精度标定将在随后的工作中继续展开。