CN102652675A

CN102652675A - 用于协助操纵器械或工具的装置

Info

Publication number: CN102652675A
Application number: CN2012100637519A
Authority: CN
Inventors: A·马克斯; R·G·约尔达歇; S·L·W·马勒; M-A·维特拉尼; G·莫雷尔
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2012-09-05
Also published as: JP2012179361A; FR2972132B1; US9795361B2; JP5975676B2; FR2972132A1; US20130231561A1

Abstract

本发明涉及用于协助操纵器械或工具的装置，其包括：在支承件(15)上的关节式机械结构(100)，器械或工具(S)可附连在关节式机械结构(100)上；马达驱动器(11，12，13)，其根据小于所述结构(100)提供给器械或工具(S)的自由度数量的自由度数量来促动关节式机械结构(100)；这些马达驱动器件的自动控制器(16)；该装置的特征在于，所述控制器(16)驱动马达驱动器(11，12，13)，以便促进满足对器械或工具(S)的位置参数和/或速度参数的约束，在不依赖于操作员的操纵的情况下，所述马达驱动器(11，12，13)本身无法完全满足所述约束。

Description

用于协助操纵器械或工具的装置

技术领域

本发明的领域大体涉及用于借助于关节式机械结构来协助操纵器械或工具的装置。例如在成像中，在乳房层析X光照相组合法中检测乳房回波描记检查的范围内的异常。

背景技术

层析X光照相组合法是一种X光成像方法，能够用这种方法来获得所关注的对象的呈一系列连续的断面形式的三维图(3D)。

根据所关注的对象在各种角度下的投影来重建这些断面。

为了这样做，一般将所关注的对象置于发射X光的源和X光检测器之间。源和/或检测器是可移动的，使得对象在检测器上的投影的方向可改变(典型地在30°的角范围内)。

因此获得所关注的对象在不同的角度下的若干投影，一般能够通过本领域技术人员熟知的反投影方法来根据这些投影重建所关注的对象的三维图。

层析X光照相组合法特别用于普查和诊断乳癌。在这种情况下，这称为乳房层析X光照相组合法或3D乳房X光照相术。

图1示意性地示出了用于获得器官B的二维(2D)投影图像和用于通过层析X光照相组合法来重建这个器官的3D图像的成像装置1。

根据不同的角度来朝器官B发射来自源4的X光。在穿过器官B之后，它们被检测器3检测到，从而形成一组投影图像。

通过本领域技术人员熟知的X光断层摄影重建方法来重建器官B的典型地呈平行于检测器3的X光断层摄影断面(图像)的三维图。

如在传统3D乳房X光照相术中，在层析X光照相组合检查的期间，患者的乳房特别地在检测器3和挤压板2之间受到挤压。

医师将分析X光断层摄影断面，以便检测可能的损伤。

可能发生的情况是：医师想要例如借助于回波描记探头来在他/她将已经确认的区上进行额外的检查。

通常，在患者仰躺或略微侧卧时进行乳房回波描记检查。乳房未被挤压。

为了定位待用回波描记探头评估的损伤，放射科医师必须在想象中将3D层析X光照相组合图像“叠置”在患者的乳房上方。这个叠置是很难的，因为在层析光照相组合法中患者站(坐)着而乳房被挤压，而在回波描记术中患者仰躺而乳房未被挤压。

这个问题的解决方法是在患者在同一位置上的情况下，在层析X光照相组合检查之后立即执行回波描记检查。在层析X光照相组合检查之前，患者的乳房被挤压，并且在回波描记检查一结束就解除挤压。层析X光照相组合系统应当配备有与回波描记检查相兼容的挤压板(板对于回波描记探头发射的声波应当是“可穿透的”)。

在那种情况下，回波描记探头所获得的图像和X光断层摄影断面对应于患者的乳房的同一位置。

但是，为了使探头到达可能的损伤的水平，医师必须使用X光断层摄影图像作为参照，以定位损伤。

这不是没有难度的，因为医师必须根据X光断层摄影图像在想象中重建可能的损伤的空间的位置。

已经在机器人技术中知道了在器械或工具的操纵期间对使用者提供协助的装置。

为了这样做，协助装置会提供对器械或工具施加运动学约束的可能性，以便将器械或工具定位成使得使用者可执行任务。

规定了任务的意思的是根据使用者想要用器械或工具来施加的某个自由度数量而限定的动作。

考虑到如今的这些装置需要许多马达驱动器，这些装置是复杂、庞大且昂贵的。

此外，知道这样的协助装置：对于它们来说，根据小于关节式机械结构提供给器械或工具的自由度数量的自由度数量来促动关节式机械结构。

例如，在手术中，关节臂已经是已知的，关节臂将预先定位工具所连结的臂的端部。一旦臂因此而被预先定位好，则使用者可使他的/她的工具执行特定的平移或旋转运动，而臂仍然被约束在这个位置上。

但是，在他/她使器械或工具运动时，这样的关节臂不能为使用者提供引导。

在上面提到的特定的情况下，这些已知的装置不会在定位回波描记探头时提供引导。

实际上，马达驱动器的数量不仅小于工具的自由度数量，而且还小于完成任务所需的自由度数量。

因此，存在对用于借助于关节式机械结构来协助操纵工具或器械的装置的需要，该装置简单、廉价，具有减少数量的马达驱动器，但是允许在实际上引导工具或器械的运动。

发明内容

本发明的目标在于借助于允许扫描包括可能的损伤的区的器械或工具来协助医师瞄准和分析所关注的区域中的损伤。

根据一个实施例，本发明涉及一种用于协助操纵器械或工具的装置，其包括：在支承件上的关节式机械结构，器械或工具可附连在该关节式机械结构上；马达驱动器，其根据小于所述关节式机械结构提供给器械或工具的自由度数量的自由度数量来促动关节式机械结构；这些马达驱动器件的自动控制器。

根据本发明的第一方面的用于协助操纵器械或工具的装置的特征在于，所述控制器驱动马达驱动器，以便促进满足对器械或工具的位置参数和/或速度参数的约束，在不依赖于操作员的操纵的情况下，所述马达驱动器本身不能够完全满足所述约束。

该装置的其它方面如下：

-器械或工具的位置参数和/或速度参数对应于大于马达驱动器起作用的自由度数量的自由度数量；

-控制器驱动马达驱动器，使得机械结构对工具提供力，这取决于器械或工具的位置参数和/或速度参数；

-关节式机械结构是包括承载或适于承载工具的关节的臂，力在这个关节处被传递给器械或工具；

-工具是回波描记探头。

根据第二个实施例，本发明涉及一种组件，其包括：包括X光源、检测器和挤压板的3D乳房X光照相成像装置；以及根据本发明的第一方面的用于协助操纵的装置，其中，工具是回波描记探头。

相应的组件的其它方面如下：

-当探头的图像平面包含损伤时，力为零，并且在探头运动远离目标时，力增大；

-力是弹性的，并且由限定，其中k是刚性常数，以及其中，

是探头和损伤之间的距离；

-沿着垂直于包含板的平面的轴的力的竖直分量为零。

附图说明

根据以下描述，本发明的其它特征和优点将变得进一步显而易见，描述仅是说明性的，并且应当参照附图来阅读，其中，除了已经显示的图1之外：

图2示出了根据本发明的一个实施例的瞄准和分析组件。

图3示出了根据本发明的一个实施例的协助装置的详细视图。

图4示出了根据本发明的一个实施例的、用于协助操纵器械或工具的原理。

图5示出了根据本发明的一个实施例的对操纵器械或工具的协助。

部件列表

图1

1医学成像装置

2挤压板

3检测器

4X光源

B器官

图2

10协助装置

20采集和处理单元

30存储单元

40显示单元

图3

11马达驱动器

12马达驱动器

13马达驱动器

14关节式机械结构100的与支承件15相对的端部

15支承件

16自动马达驱动器控制器

100关节式机械结构

S回波描记探头

图4

将标记为I的可能的损伤或目标连接到其在图像平面U上的投影IU上的矢量

I目标

P回波描记探头S与挤压板2的接触点

U图像平面

图5

O参照系的原点

T在探头和关节式机械结构之间的交接部

具体实施方式

瞄准和分析组件

图2示出了用于瞄准和分析患者的乳房损伤的组件。

瞄准和分析组件包括图1的医学成像装置1的类型的医学成像装置1以及用于协助操纵工具或器械(例如回波描记探头S)的装置10。

当然，工具或器械可为医师可用来执行检查或继续进行外科手术的任何医疗装置。

在瞄准和分析乳房的损伤的情况下，回波描记探头允许沿着与包含挤压板2的平面成正割的图像平面U来采集患者的乳房的2D图像。图4示出了这种构造。

瞄准和分析组件包括用于获得和处理医学成像装置1所获得的图像的单元20。当然，这些功能中两者可应用于两个单独的单元中。

在应用处理方法之后，对这个采集和处理单元20进行编程(例如为了根据2D投影图像来重建3D图像)。例如这可为计算机、处理器、微控制器、微型计算机、可编程的自动机器、一个或多个专用集成电路、其它可编程的电路或包括计算机(例如工作站)的其它装置。

另外，有利地将采集和处理单元20编程成用于计算所关注的对象(例如患者的乳房的可能的损伤)的位置，以及计算协助装置10必须对探头S施加的应力。备选地，可事先用另一个装置来进行应力的计算。仍然备选地，使用者可基于他/她通过显示单元40所观察到的图像来确定所关注的对象(例如患者的乳房的可能的损伤)的位置。

采集和处理单元20与存储单元8联接，存储单元8可与采集和处理单元25集成在一起，或者与其分开。

存储单元30可形成有硬盘或任何其它可移动的存储装置(例如CD-ROM、磁盘等)。这可为处理和采集单元20的ROM/RAM存储器、CD-ROM、USB钥匙、中央服务器的存储器。

采集和处理单元20可包括读取器装置(未显示)例如磁盘读取器或CD-ROM读取器，以从指令的介质(未显示)(例如磁盘或CD-ROM)中读取处理方法的指令。备选地，它可执行存储在固件(未显示)中的处理方法的指令。

最后，为了显示或者来自医学成像装置1或者来自回波描记探头S的图像，瞄准和分析组件包括显示单元40。

显示单元40例如是计算机屏幕、监视器、平面屏幕、等离子屏幕或任何类型的商业上已知的显示装置。显示单元40允许放射科医师控制乳房的3D图(对断面的体积、定向等采样)和/或获得的2D图像的显示，以及借助于回波描记探头S来瞄准和分析损伤。

用于协助操纵回波描记探头S的装置

图3示意性地示出了用于协助操纵器械或工具(例如回波描记探头S)的装置10。

协助装置包括在支承件15上的关节式机械结构100。

在其与支承件15相对的端部14处，结构100承载回波描记探头S。

这种结构100例如是由马萨诸塞州沃本市的SensAbleTechnologies公司经销的PHANTOM Omni机器人类型的关节臂。

这个结构100为回波描记探头S提供某个数量的自由度，在这种情况下是六个。

其进一步具有某个数量(这里是三个)的马达驱动器11、12、13，它们根据某个数量(在这种情况下是三个)的自由度来促动探头S。

大体上，结构100具有根据小于结构100所提供的自由度数量的自由度数量来促动探头S的许多马达驱动器。

协助装置进一步包括根据对器械的位置参数和/或速度参数的约束来驱动马达驱动器的自动马达驱动器控制器16。

这个驱动促进满足对器械的位置参数和/或速度参数的约束。

具体而言，器械或工具S的位置参数和/或速度参数对应于大于马达驱动器11、12、13起作用的自由度数量的自由度数量。

实际上，在不依赖于使用者操纵的情况下，马达驱动器本身无法完全满足约束。

这样，对于协助装置，能够在协助工具的同时满足对应于大于马达驱动器11、12、13起作用的自由度数量的自由度数量的约束。

在协助操纵回波描记探头S来瞄准和分析患者的可能的乳房损伤的情况下，如这在图4中示出的那样，控制器16对马达驱动器11、12、13提供趋向于将回波描记探头S定位在医学成像装置1的挤压板2的平面π上或定位在挤压板2的平面π附近的设定值，使得能够借助于回波描记探头S看见可能的损伤。

因而，控制器通过设定三个马达驱动器的约束来驱动三个马达驱动器11、12、13，使得回波描记探头S能够根据回波描记探头S的四个自由度(在图4中由双向箭头示出)而移动：

-在挤压板2上的两个平移，

-沿着垂直于挤压板2的矢量的旋转，

-在挤压板2和回波描记探头S的图像平面U之间的交会部的周围的旋转。

例如，关节式机械结构100所提供的协助在物理上由传递给回波描记探头S的力表示，该力取决于回波描记探头S在挤压板2上的位置。

虽然这个单个力不足以引导回波描记探头以观测任意约束，但是注意，这被使用者在直觉上理解为如何操作回波描记探头S的指示，并且由此实现的部分引导得出了良好的结果。

对乳房层析X光照相组合法应用的实例

如已经提到的那样，用于协助操纵的装置提供了帮助医师将回波描记探头S定位到来自医学成像装置1的断面中检测到可能的损伤的水平处或附近的可能性。

为了这样做，回波描记探头S接触挤压板2，P为接触点。医师进一步将回波描记探头S保持在其在机械结构100上的关节的上方。

根据可能的损伤相对于探头S的位置，马达驱动器被协助装置的控制器16驱动。

结构100包括运动传感器，用该运动传感器能够知道探头S在参照系中的位置和定向。

取决于这个位置和定向，处理单元20计算将可能的损伤或目标(标记为I)连接到其在图像平面U上的投影IU的矢量

的坐标。

控制器16接收这个矢量

作为输入，并且驱动马达驱动器11、12、13。

值得注意，控制器16驱动这些马达驱动器，使得结构100在其关节14处对探头S传递力

根据这样的情况下，这种力

取决于若干参数。为了阐明力

的产生，对图5进行参照。

限定了两个直接正交的参照系：

原点P的参照系，原点P为探头的点，这可为例如在探头和包含挤压板2的平面π之间的接触点，参照系用垂直于回波描记探头S的图像平面U的矢量

和超声束的对称轴线的方向矢量

连到回波描记探头S；

原点O的参照系，其连到对应于挤压板2的这样面的平面π上：在该面上，回波描记探头S被用垂直于平面π的矢量

来进行操纵。

回波描记探头S被医师保持在点H处，使得

机械结构100在点T处对探头施加力

使得

这个点T对应于探头和关节式机械结构之间的交接部。这是结构的端部14。

当探头S的图像平面U包含可能的损伤时，力为零，以便让医师根据自由度来操纵回波描记探头S，使得可能的损伤仍然在回波描记图像上可见。

另外，该力使得当回波描记探头S运动远离目标I时，力增大。

可特别地选择力以便如果力是由

限定的话，产生弹性回复，其中，K是刚性常数。

力包括限定连到平面π的参照系F_O中的三个分量。

备选地，为了避免在回波描记探头S和挤压板2之间的接触部处有波动，沿着轴

的力的竖直分量为零。在这种情况下，力由表示。

出于稳定性的原因，减小臂的端部处的振荡是合乎需要的。为了限制振荡，可通过

来计算力

其中，c是恒定的阻尼系数。

仍然备选地，力可将在机械结构100的端部14处的速度考虑在内。在这种情况下，力

由

表示，其中，c_T是另一个阻尼常数。

最后，力

可使医师在回波描记探头S的重量方面得到解脱。在这种情况下，力

由

\overset{&RightArrow;}{F} = k [\overset{&RightArrow;}{d} - (\overset{&RightArrow;}{d} . {\overset{&RightArrow;}{z}}_{O}) {\overset{&RightArrow;}{z}}_{O}] + c \frac{Δ \overset{&RightArrow;}{d}}{Δt} + {\overset{&RightArrow;}{c}}_{T} {\overset{&RightArrow;}{v}}_{T} + mg {\overset{&RightArrow;}{z}}_{0}

表示，其中m是回波描记探头S的质量，而g是标准的重力常量。

结果

用使用者的第一面板来实验性地测试了装置，这显示了在姿势的精确性和持续时间方面有改进。实际上，回波描记探头S的图像平面U和目标I之间的平均距离和最大距离借助于装置而被减小，并且减少了执行时间。

Claims

1.一种用于协助操纵器械或工具(S)的装置，包括：

-在支承件(15)上的关节式机械结构(100)，器械或工具(S)能够附连在所述关节式机械结构(100)上；

-马达驱动器(11，12，13)，其根据小于所述结构(100)提供给所述器械或工具(S)的自由度数量的自由度数量来促动所述关节式机械结构(100)；

-这些马达驱动器件的自动控制器(16)；

其中，所述控制器(16)驱动所述马达驱动器(11，12，13)，以便促进满足对所述器械或工具(S)的位置参数和/或速度参数的约束，在不依赖于操作员的操纵的情况下，所述马达驱动器(11，12，13)本身无法完全满足所述约束。

2.根据权利要求1所述的用于协助操纵器械或工具的装置，其特征在于，所述器械或工具(S)的所述位置参数和/或所述速度参数对应于大于所述马达驱动器(11，12，13)起作用的自由度数量的自由度数量。

3.根据权利要求1至2中的任一项所述的用于协助操纵器械或工具的装置，其特征在于，所述控制器(16)驱动所述马达驱动器，使得所述机械结构(100)为所述工具提供力

这取决于所述器械或工具的所述位置参数和/或所述速度参数。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于协助操纵器械或工具的装置，其特征在于，所述关节式机械结构是包括承载或适于承载所述工具的关节的臂，所述力

在这个关节处被传递给所述器械或工具。

5.根据权利要求1至4中的任一项所述的用于协助操纵器械或工具的装置，其特征在于，所述工具是回波描记探头(S)。

6.一种成像组件，包括：

-包括X光源(4)、检测器(3)和挤压板(2)的乳房X光照相成像装置；以及

-根据权利要求1至4中的任一项的用于协助操纵的装置，其中，所述工具是回波描记探头(S)。

7.根据权利要求6所述的组件，其特征在于，当所述探头(S)的图像平面(U)包含损伤(I)时，所述力

为零，并且在所述探头(S)逐渐运动远离目标(I)时，所述力增大。

8.根据权利要求6至7中的任一项所述的组件，其特征在于，所述力是弹性的，并且由

限定，其中，k是刚性常数，以及其中，

是所述探头(S)和所述损伤(I)之间的距离。

9.根据权利要求6至8中的任一项所述的组件，其特征在于，沿着垂直于包含所述板(2)的平面(π)的轴

的所述力的竖直分量为零。