（机械电子工程专业论文）hifu手术机器人系统及术前规划的研究.pdf

擅j 川f u 手术机器人系统及术前规划的研究摘要高强度聚焦超声( h i g hr n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d h i f u )是近年兴起的无创肿瘤治疗手段，但传统的h i f u 治疗设备效率不高，定位和治疗精度差，一直制约着h i f l j 技术在肿瘤治疗领域的发展。所以如何提高h i f u 技术的效率和精度是目前的研究重点。本文将机器人技术和h i f u 技术结合起来，提出了一种新的h i f u 手术机器人系统，并以此机器人为平台进行了深入的术前规划研究，使i t i f u技术在机器人学理论的指导下更加准确和高效的治疗肿瘤。本文主要研究了以下几个方面的内容：1 h i f u 手术机器人系统的研制。本文提出一种适合于治疗人体躯干与四肢部位肿瘤的h i f u 手术机器人系统。通过分析h i f u 机器人治疗过程，确定了h i f u 机器人的两大基本功能一定位与治疗。结合人体躯干和四肢部位的特征，分析了实现不同功能时机器人所必须具备的自由度和机构形式，提出了h i f u 机器人的结构。根据h i f u 机器人的使用环境，确定了h i f u 机器人的执行器( h i f u 生成装置) 以及相关的b 超监测机构的形式。2 1 t l f u 机器人参数合理性的研究。根据i t l f u 机器入的结构特征，使用松协调多机器人系统理论对其运动学建模，求解得到h if l i 手术机器人系统的工作空间。通过对工作空间的分析，得出h i f u 手术机器人系统的参数合理性结论，并确定了在治疗不同部位肿瘤时病人的姿态。3 h i f u 手术机器人系统术前定位规划的研究。本文通过对h i f u 机器人系统工作空间特点的分析，提出一种在工作空间中使用定位区域球简化表示肿瘤的基本位置和姿态的方法。并且通过该定位区域球中心与第i 页曩量人体表面点的最近邻近查询，确定了在定位过程中h i f u 焦点必须顺序通过的起始位姿、中间位姿和终了位姿。根据工作空间的特点和连续路径的要求，本文提出艇( 3 ) 空间的d ec a s t e l j a u 算法，根据不同连续性特征方程，对三个基本位姿进行插值，生成在衔接点具有不同连续性的组合b e z i e r 曲线路径，并最终确定了在定位过程中使用c 2连续组合b e z i e r 定位路径。4 h i f u 手术机器人系统术前肿瘤治疗路径规划。本文根据生物组织的h i f u 致热原理，由焦平面和轴平面的温度场分布推导出一个简化的椭球焦点模型。根据肿瘤在工作空间中的表示方法，使用基于定位位姿的肿瘤分解方法，将肿瘤分成不同段。对每段肿瘤层根据最小正三角形圆填充方法，以焦点模型作为基本治疗单元，对分段肿瘤实体进行离散分割与填充，确定肿瘤被分割和填充后各个焦点的形心位置，以这些形心点坐标作为治疗规划的路径点。根据已经求得的路径点，使用基于t s p 的路径点序列化方法，得到最后的路径点序列，通过扫描这一序列实现肿瘤烧蚀治疗。5 h i f u 手术机器人系统的定位轨迹控制。本文通过确保超声通道畅通作为轨迹规划过程的约束条件之一，结合机器人的最优能量目标函数，得到一个轨迹规划优化模型。采用h o p f i e l d 网络来求解优化模型，得到h i f u 机器人系统各个关节的轨迹。在得到轨迹规划结果后，本文采用模糊控制的方法来确认关节电机力矩。关键词：高强度聚焦超声，定位区域球，定位规划，治疗烧蚀规划，神经网络，约束优化第i i 页a b s t r a c tr e s e a r c h0 nh i f us u r g e r yr o b o t i cs y s t e m &p r e o p e r a t i 、，ep l a n n i n ga b s t r a c th i g hi n t e n s 咐f 0 c u s e du i t r a s o u n d ( h i f u ) i san e wn o n i n v a s i v et h e r a p ym e t h o df o rt u m o r , b u tb a d i t i o n a ih i f ud e v i c ei si n e f f i c i e n t p r e c i s ep o s i t i o n i n ga n dt h e r a p ym o t i o nc a rn o tb er e a l i z e db yt h i st y p eo fe q u i p m e n t , t h e s ed i s a d v a n t a g e sh a v ei m p a c to nt h ea p p l i c a t i o no fh i f ut ot u m o rt h e r a p y s o ti sar e s e a r c hf o c u st h a th o wt oi m p r o v eh i f ua p p l i c a t i o ne f f i c i e n c yi nr e c e n ty e a r s b yt h i sd i s s e r t a u o n t h er o b o t i c sa n dh i f ut e c h n o l o g yi sc o m b i n e dt od e s i g nan e wt y d eh l f ur o b o ts y s t e m 。t h ep r e - o p e r a t i v ep l a n n i n gb a s e do nt h i sn e wr o b o ts y s t e mi si n v e s t i g a t e db yd e t a i l ，n e wh i f ur o b o ta n dp r e o p e r a t i v ep l a n n i n gr e s u l ta r ew a yt or e a l i z em o r ea c c u r a t ea n de f f i c i e n tt u m o rt h e r a p yc o n t r o l l e db yr o b o t i c s s c o p eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sf o i l o w i n gi t o m s ：1 t h e p r o p o s e l o f t h e n e w h l f ur o b o t s y s t e m a n e w t y p e h i f ur o b o t w h i c hi su s e dt ot r e a tt u m o ro nt o r s oa n dl i m b si sp r o p o s e d b ya n a l y s i so ft h et u m o rt h e r a p yc o u r s e i ti sc o n c l u d e dt h a tt h e r ea r et w of u n d a m e n t a lf u n c t i o n sf o rt h eh i f ur o b o t - p o s i t i o n i n ga n dt h e r a p y o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fb a s i ch i f ur o b a tf u n c t i o na n di o c a ih u m a nb o d yf e a t u r e t h ed o fp a r a m e t e ra n dm e c h a n i s mr e q u i r e db vh i f ur o b o tt or e a l i z ep o s i t i o n i n gf u n c t i o na n dt h e r a p yf u n c t i o na r ea n a l y z e d 。t h ec o n f i g u r a t i o no fh i f ur o b e ti sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ot h eh i f ur o b o ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o n an e wh i f ug e n e r a t o ra n dm o n i t o r i n gs y s t e mf o rr o b o ts y s t e r na r es e t t l e d 2 r e s e a m ho nr e a s o n a b i l 时0 ft h ei o i n tp a r a m e t e r b a s e do nm e c h a n i s mo fh i f ur o b o t 1 0 0 s ec 0 0 r d i n a t e dm u l t i p l er o b o t st h e e r yi si n t r e d u c e dt og e tt h ek i n e m i a t i c sm o d e lo ft h eh i f ur o b o ts y s t e m 。b ya n a l y s i so ft h ek i n e m a t i c a lm o d e l t h eh i f ur o b o tw o r k s p a c ei ss o l v e d b yw o r k s p a c ea n a l y s i s 。t h er o b o ts y s t e mr e a s o n a b i l i t yc o n c l u s i o ni sr e a c h e d a n ds o m et h e r a p yb o s ea fp a t i e n tf o rd i f f e r e n t t u m o ri o c a t i o ni sd e t e r m i n e d 3 r e s e a r c ho nt h ep r o o p e r a t i v ep o s i t i o n i n gp l a n n i n go ft h eh i f ur o b o ts y s t e m b ya n a l y s i so ft h eh i f ur o b o tw o r k s p a c a ap o s i t i o n i n ga t e ae l l i p s o i di sp r o p o s e dt or e p r e s e n tt h et u m o r sp o s ea n dl o c a t i o ni nt h ew e r k s p a c e b yn e a r e s tn e i g h b o ri n q u i r vo ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ee l l i p s o i dc e n t e ra n dt h ep a t i e n t sb o d ys u r f a c e 。t h eo r i g i n a lc o n f i g u r a t i o n ，第i i i 页a b s r r a c tt h em i d d l ec o n f i g u r a t i o na n dt h eg o a lc o n f i g u r a t i o no ft h eh i f ur o b o ts y s t e mp o s i t i o n i n gp a t hi sf o u n d ，d ec a s t e l j a ua l g o r i t h mi n 跖( 3 ) i sp r o p o s e d - b a s e do l lt h er e q u i r e m e n to ft h ep o s i t i o n i n gp a t hi nt h ew o r k s p a c e a n dc o n t i n u i t ya n a l y s i so ft h ec o m b i n e dc u r v el nt h ew o r k s p a c e 。ac o u p l eo ft h ec o m b i n e db e z i e rc u r v ep o s i t i o n i n gp a t hw h i c hh a v ed i f f e r e n tc o n t i n u 脚a tt h el i n ki o c a t i o na r es o l v e db yd ec a s t e l i a ua i g o d t h mt oi n t e r p o l a t et h r e ec o n f i g u r a t i o n s a c o n t i n u i t yc o m b i n e dp o s m o n i n gp a t hj sd e t e r m i n e dt ou s ea st h eh i f ur o b o tp o s i t i o n i n gp a t h 4 t h et h e r a p ym o t i o n i n gp l a n n i n go ft h eh i f ur o b o ts y s t e m w 阶a n a l y s i so ft h eh e a t i n gp r i n c i p l eo ft h eh i f ua p p l i e dt oo s s u e 。as i m p l i f i e de l l i p s o i dh i f uf o c u $ m o d e l i sd e t e r m i n e db yf o c a lp l a n et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n da x i a ip l a n et e m p e r a t u r ed i s t r l b u t i o no fh i f uh e a t i n g a c c o r d i n gt ot h er e p r e s e n t a t i o no ft h et u m o ri nt h ew o r k s p a c e ，ap o s i t i o n i n gc o n f i g u r a t i o no r i e n t e dd e c o m p o s i t i o nm e t h o d sp r o p o s e dt od i v i d et u m o rm o d e ij n t os e p a r a t e ds c a ns e c t i o n f o re a c ht u m o rs e c t i o nh i f uf o c u sm o d e i i sf u n c t i o n e da sa ne l e m e n tt om e s ht u m o rs e c t i o n am i n l m a i r r i a n g l ea r r a n g e m e n tp a t t e mo ft h ee l e m e n ti su s e dt od e t e r m i n et h ec e n t e ro ff u n c t i o ne l l i p s o i d a l it h es o l v e dc e n t e ri sa c ta st h e r a p ym o t i o np a t hp o i n ti nt u m o rs c a ns e c t i o n w ms o l v e dp a t hp o i n t at s pb a s e dm e t h e dj su s e dt od e t e r m i n et h ep a t hp o i n ts e q u e n c e t h ep a t hp o i n ts e q u e n c ec a nb e u s e dt os c a nt u m o rt ot r e a tt u m o r 5 t h ep 0 s i t i o n i n gt 吲e c t o r yc o n t r o lo ft h eh i f ur o b o ts y s t e m a so n eo ft h ec o n s t r a i n t p e r m a n e n ls p r e a dc h a n n e lo ft h eh i f u f r o mh i f ug e n e r a t o rt ot u m o r , a n dw i t h o u ta n yb l o c ki sc o m b i n e dw i t ho p t i m a ie n e r g yf u n c t i o n t os e tu pao p t i m i z a t i o nm o d e lt or e p r e s e n tp o s i t i o n i n gt r a i e c t o r yp l a n n i n gp r o b l e m a n dah o p f i e l dn e u r a ln e t w o r km e t h o di su s e dt os o l v et h ep o s i t i o n i n gt r a j e c t o r y , af u z z yp dc e n t r o lm e t h o di sp r o p o s e dt od e t e r m i n eo ft h em o t o rt o r q u eo u t p u tk e yw o r d ：h i g hi n t e n s 咐f o c u s e du l t r a s o u n d 。p o s i t i o n i n ga r e ae l l i p s o i d ，p o s i t i o n i n gp a t hp l a n n i n g ，t h e r a p ym o t i o np l a n n i n g ，n e u r a ln e t w o r k ，c o n s t r a i n to p t i m i z a t i o n第i v 孤d wqsb ka c m *尺hp ( a ，0 ，妒)a4一只己jj 。o )尸蛐， ，4 20 一( b ，岛，。峨)病人的身体边界机器人任务空间坐标系机器人任务空间固定平面，参考坐标系机器人任务空问的肿瘤球形表示半椭圆柱体，在人物空间表示病人。h i f u 焦点肿瘤c 形臂半径病人身高超声阵元产生的声压观察点与阵列凹球面顶点闻距离观察点与阵元中心间距离a 与凹球面中心轴线( z 方向) 夹角与阵元法线闻的夹角阵元单盥距离上发射声压幅度声强一阶b e s s e l 函数阵元发射的总声压机器人自由度数目关节变量第i 页m p aw c m 2一m坳mm量，岛，点r蟊( o )g 。( 口)pef ( x ) ，曰( 1 ，) ，e ( z )s e ( 3 )”( 3 )关节数对应关节的运动旋量工具坐标系h 1 f u 机器人的参考位形h i f u 机器人的位形h i f u 机器人的工作空间h i f u 机器人的定位路径肿瘤点集定位区域球x y ，z 坐标的数学期望协变矩阵定位区域球中心定位区域球中心口的最近邻近点特殊欧几里德空间李代数m 曲，毋h i f u 机器人定位过程中三个位姿，五，)一系列不同的点集w ( f )昭e p )伯恩斯坦多项式李群空间中无穷小算子李群空间中b e z i e r 曲线方程第页，0 ) ，( v x ，( w )h i f u 机器人定位路径规划时间参数h i f o 机器人两段b e z i e r 曲线路径匀速运动的速度生热率载荷与分割平面平行，且过定位区域球中心c 的平面h i f u 机器人治疗路径参考坐标系s 中肿瘤三角面片表示h 1 f o 机器人治疗路径点分布平面二维平面肿瘤点集虽小包容矩形的长度最小包容矩形的宽度取整运算符机器人末端执行器的工作空间速度机器人的j a c o b i a n 矩阵n n 对称正定权值矩阵优化问题的l a g r a n g c 函数神经元激活函数第i i i 页讹2 l；疋k巩帆洲删矿w上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名删，一日期：腑7 月厶日上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密口。( 请在以上方框内打“4 ”)学位论文作者签名：捌指导教师签名：日期：刃彩年夕月乇驰参日期：枷k 7 月f ( 7 自第一章绪论1 0 课题研究目的及意义肿瘤是目前威胁人类生存的杀手i l i 【2 】1 3 j ，所以采取先进方法治疗肿瘤是国内外生物医学工程领域的热点。在诸多先进方法中，高强度聚焦超声p 】口h q ( h i 曲i n t e n s i t yf o c u s e du l t r a s o u n d - - - h i f u ) 采用3 0 0 2 0 0 ( o c m 2 的高强度超声波与病变组织作用，在0 1 1 0 s 的时间内，温度可以达到7 0 - 9 0 6 c ，使病变组织产生不可逆转的坏死，达到治疗目的。h i f u i ”i 利用超声波特有的深穿透能力、强方向性，可聚焦性的特点，产生的焦点可以深入人体，对人体内深部病变部位进行治疗。而且h i f u 和组织作用产生的焦斑较小，便于实施高精度治疗从而最大限度减少对正常组织的损伤，而且h i f u 在人体内产生的焦斑特征明显，有利于定位和治疗过程控制。h i f u 使聚焦区域能量迅速积累，短时间内使组织产生急性热损伤，整个治疗过程时间短，效率较高。正是由于高强度聚焦超声具有如此多的优点，使得人们对h i f u 在肿瘤治疗过程中的应用越来越深入，但目前大部分的研究者都是从超声与人体组织间的相互作用机理方面入手进行研究，这些研究大部分都已经形成比较成熟的理论。随着h i f u 技术的只益成熟，人们对治疗设备的研究也越来越深入。h i f u 手术早期的设备大多比较笨重1 6 ) ，而且当时成像技术也比较低，难以保证精确地将焦点定位于病变区域和进行实时监测治疗，从而限制了h i f u 技术的推广应用。在研究高效准确的治疗系统过程中，机器人技术的引入使h i f u 设各的研究进入一个新的时代。现代机器人具有高效和准确等特点，且机器人技术在工业领域内的应用已经很广泛，理论和应用研究都比较深入，所以人们一直在探索机器人在医疗领域的应用，特别是与h i f u 技术结合，在肿瘤治疗过程中的使用具有现实意义。本文研究内容源于上海市科技发展基金项目( n o 9 9 4 4 1 9 0 2 7 ) 平面阵列相控聚焦超声治疗系统，目的在于将成熟的机器人理论和h i f u 技术结合起来，在h i f u 手术机器人肿瘤治疗领域进行探索和研究，使h 1 f u 技术在机器人学理论的指导下获得更加准确和高效的治疗效果。1 1 医疗机器人和肿瘤治疗机器人的概况第1 页舅一章自 争1 1 1 医疗机器人发展概况”“”医疗机器人系统作为工程技术和医学应用领域相互融合的产物”1 ，在近年来得到迅猛的发展。医用机器人犬体可分成两大类：服务机器人和手术机器人。服务机器人能利用微型摄像机、定位装置，定时、定点将饭菜或药品送至病房，或者清扫地面，可以替代护士或减轻护工的工作强度，此外机器人化轮椅、操作臂等在医疗康复过程中也能起到很大作用。手术机器人是自动机械设备和计算机辅助手术系统相结合的产物“”，手术机器人系统可以在手术前帮助医生进行手术的规划和模拟操作，并且在手术中协助甚至代替外科医生进行相关的手术操作。1 1 2 肿瘤治疗方法及肿瘤治疗机器人的发展1 1 2 i 肿瘤治疗方法概述“目前用于肿瘤治疗的主要手段有手术、放疗、化疗等，下面分别予以介绍：l 、肿瘤的手术治疗手术治疗是许多早、中期实体肿瘤最主要的有效治疗方法，约6 0 的实体瘤以手术作为主要治疗手段。但对已有扩散的肿瘤，手术治疗往往只能作为姑息治疗手段。2 、肿瘤的化学治疗肿瘤化学治疗是应用一种或数种化学药物，通过口服或注射达到治疗肿瘤的方法。不同肿瘤的化疗效果差别很大，对于某些特定的肿瘤治愈率可达5 0 以上。而另一些肿瘤通过化疗治愈率低，但可延长生存，还有一些只能起到姑息作用，减轻症状和痛苦。总的来说手术前后的合理化疗，有助于提高疗效。3 、肿瘤的放疗治疗恶性肿瘤对放射线最为敏感，放射线( 主要是x 射线和r 射线) 对恶性肿瘤的抑制和损伤也最强。有的肿瘤经过放疗甚至可以治愈或代替手术治疗，如鼻咽癌、食管癌、淋巴瘤等。上述传统肿瘤治疗过程都为有创治疗手段【1 l ，其中外科手术通过将肿瘤组织及其相连接的器官从人体中切除的方法达到肿瘤治疗目的，而传统放射性手术和化疗在技术上既不能保证病灶部位的放射线剂量和药物剂量，又不能保证目标部位的准确性，因而一般不能完全杀死肿瘤，并有可能伤害健康组织。正因为传统治疗手段有比较明显的局限性，所以人们一直在寻找微创或无创肿瘤治疗方法，在肿瘤治疗过程中使用机器人技术既是达到微创或无创肿瘤治疗的手段。第2 页1 1 2 2 肿瘤治疗机器人的发展”1在肿瘤治疗过程中使用机器人通常是通过机器人把治疗介质准确作用到人体内肿瘤发生部位，从而达到杀死肿瘤组织的目的；机器人肿瘤治疗过程中常用治疗介质为物理射线，包括工射线和r 射线，高能质子射线等。治疗的肿瘤分布在人体各个部位，包括脑部肿瘤，乳腺肿瘤，肝脏肿瘤和前列腺肿瘤等，下面介绍几种典型的手术机器图卜l ：c y b e t k i f es y s t e m 实物图人：f i g 1 - 1 ：t h ed i a g r a mo ft h e1 c y b e r - k n i f es t e r e o 协c i i er o b o t i cr a d i oc y h r k n i f es y 8 l c ms u r g e r ys y s t e m1 1 3 i t q ：c y t m r - k n i f es y s t e m 由a c c u r a c yi n c 在s t a n f o r dm e d i c a lc e n t e r 开发，主要由下列四部分组成：1 1 线性放射源( l i n a c ) 以及安装放射源的六自由度机械臂，2 ) 立体x 射线成像系统，3 ) 病床，4 ) 治疗规划系统和相关的发射传送控制软件，总体上该机器人系统采用一个常规六自由度机械臂作为基本框架，线性放射治疗源安装在机械臂末端。由于机械臂具有六个自由度，所以放射源发出的射线柱可以达到空间任意姿态和位置，因而可以对人体各个部位肿瘤进行全方位放射治疗。治疗时肿瘤各个部分受到的照射剂量可以杀死肿瘤细胞，但周围正常组织受到的照射剂量在安全范围内。该机器人系统于2 0 0 1 年8 月获得美国f d a 肿瘤治疗使用许可证，目自i i 8 5 的应用领域都是在治疗脑部和脊椎部分发生的肿瘤，其他的应用领域包括肝脏，肺部的肿瘤治疗等等。图t - 2 9 眦m c “：霉b a t 竺苎者定位系统与n 座式2 n p t cm e d i c a - r o n “：该h ：篙篙竺忌铀时机器人由m a s s a c h u s e t t sg e n e r a lh o s p i t a l 的n o r t h e a s tp r o t o nt h e r a p yc e n t e r 开发。该系统使用的治疗介质为高能质子。其主要组成部分为一个可以旋转龙门架咀及安装在龙门架上的2 3 0薷3 页第一章确恃固l - 3 ：n f r cm e d i c a lr o b o t 的患者定位系统示意圉f i g 1 - 3 t h e s e h c n m t i c d i a g r a m o f t h e r o b o t i cp o s i t i o n i n gs y s t e ma ln p t cm e d i e a lr o b o tm e v 回旋高能质子加速器，和一个机器人患者定位系统( r o b o t i cp a t i e n tp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 组成，门座可以旋转3 6 0 。，患者定位系统是一个六自由度操作臂，该操作臂可达工作空问半径大于4 m ，可以承受的患者重量大于1 3 6 k g ( 3 0 0 r b s ) 。定位过程中患者四肢固定在床上不动，床安装在患者定位系统的末端执行器上，患者定位系统与门座式高能质子发射器协同作用，可以使高能质子射线从任何一个方向进入人体内。治疗时通过患者定位系统的精确定位，把肿瘤发生部位准确定位到高能质子柱可以照射的位姿，进行各种方位的治疗。整个定位系统的运动精度为o 5 m m ，该精度足以保证肿瘤周围的正常组织不受到高能质子柱的伤害。使用该系统既可以治疗发生在脑部及颈椎部位的肿瘤又可以治疗前列腺、肺部、直肠和肝脏等部位发生的肿瘤。3 t h ei n t r a - o p e r a t i v er a d i ot h e r a p y- n o v a c 7s y s t e m l l 7 1 1 ”i ，这是由意大利h i t e s y sc o 公司丌发的一种手术过程中采用放疗技术( i n t r ao p e r a t i v er a d i a t i o nt h e r a p yo o r t ) ) 的机器人系统。该机器人用于人体内肿瘤已经被切除后的部位进行进一步放疗。n o v a c 7s y s t e m 由一图l 一4 ：n o v a c 7s y s t e m 实物囤个移动机器人平台和一个在末端安装有f i 鲁1 _ 4 0 ”。r v e w0 f h c n o v a c 7 s y s 忙me l e c t r o nb e a m 发射器的机械臂组成，机械臂由四个旋转关节组成，使用过程中通过机械臂移动e l e c t r o nb e a m 发射器对肿瘤组织进行照射，整个机械臂安装在移动平台上，由移动平台带动在室内移动，使机器人在手术室内有更大的工作空闯可以在人体周围任何一个合适的位置操纵机械臂，带动e l e c t r o nb e a m 发射器进入照射区域，实现对人体内组织的照射治疗。该系统从1 9 9 7 2 0 0 0 年间已对2 0 0 个以上的各类肿瘤患者进行过治疗，治疗效果比较明显。n o v a c 7 系统后来发展到第4 页i r o t - 1 和i r o t - 2 等更加完善的系统。4 国内北京航空航天大学和海军总医院i “ 2 6 1 1 2 7 1 也开展了机器人物理放射治疗设备的研究，他们提出了一种立体定位脑部肿瘤治疗机器人c r a s b h 。机器人系统主要由影像引导装置、三维定位软件和智能机械臂等部分组成。手术时。机器人系统通过识别贴附于患者头部的标志点建立相应的三维坐标体系，智能机械臂按照手术规划自动地锁定为手术者准确导航并提供操作平台。他们在大量的实验测试和实并一直在进行临床使用试验。t u f f l o r、w a 图0 1 卜5高强度聚焦超声治疗原理f i 9 1 - 5h i f ut r e a t m c n tt h e o r y际手术模拟实验的基础上，已经将系统成功地应用于临床脑肿瘤内放疗手术。上述各种物理治疗手段在机器人系统开发以前已经在肿瘤治疗领域有比较多的应用，当这些传统的治疗手段和机器人技术相结合，通过机器人高精度，高重复性的动作，各种治疗手段在治疗过程中对正常细胞的损害减小到尽可能低。同时通过把机器入学、计算机图形学引入肿瘤治疗领域，整个肿瘤治疗过程向高度自动化方向发展。科研人员已经根据不同治疗机器人系统开发出不同种类的治疗规划过程，规划治疗过程中功率源应采取的照射位置和照射姿态，照射剂量和照射持续时间，以及照射功率源的运动路径和运动路径实现过程。所有这些功能都是以机器人为载体，以成熟的机器人学理论为指导实现的，而且都取得了比传统方法好得多的治疗效果。1 2 高强度聚焦超声( h i f u ) 与h i f u 治疗系统1 2 1 f u 治疗原理眦f u 属于超声医学中治疗超声范畴，起源于二十世纪四十年代，由l y n n ”等于1 9 4 2 年提出，并应用于神经外科手术研究。从五十年代起，对该项技术的研究有了极大的发展，从声场到热场研究以及超声与组织作用的物理机制等方面做了大量的工作，在应用研究方面也有许多探讨和报道。1 9 6 1 年h i c k e y 等首次用h i f u 对5 例晚期乳腺癌患者进行脑垂体的破坏术，作为晚期乳腺癌的辅助治疗。当时由于受技术的限制，超声能量较低且定位困难，为此h i f u 并未得以广泛的应用。直至近年，经多次改进，h i f u 功率加大，并配以现代图像与图形技术，机器人技术，自动化技第5 页，n | r 月p *术，h i f u 逐渐得以发展并尝试用于肿瘤的治疗中。h i f u 治疗的基本原理1 4 胴是：通过一定聚焦方式( 换能器曲面聚焦、透镜聚焦或阵列聚焦) 。将超声源发出的超声波聚焦于人体病变组织内，经过一定时间( o 1 1 0 s ) 细胞与超声相互作用，在组织内形成一个声强较高的区域超声焦域( a f r ，a c o u s t i cf o c a lr e g c o n ) 。位于焦域内的病变组织细胞因发生不可逆转的凝固被破坏杀死，而焦区外组织细胞由于超声强度低而基本不受损伤。h i f u 治疗的基本原理可用图l 一5 表示，m 、n 表示未受损伤的区域。h i f u 治疗肿瘤主要有以下几方面的机理：1 高热效应：声波在介质中传播时会产生介质之间的粘滞、热传导和弛豫等声波吸收过程，吸收的声波能量转换成介质的温升。聚焦后声波的能量相对集中，转化为组织中的能量可在1 秒左右时间使组织发热，使聚焦斑区域内的组织温度迅速达到7 0 c 以上，而通常肿瘤细胞致死温度的临界点在4 2 5 4 3 o 。所以通过聚焦超声由点到线，由线到面，由面到体的逐一扫描，使整个肿瘤组织超过临界温度而固化坏死，被杀死的组织会被人体吸收并经自然过程排除。高热效应是聚焦超声用于肿瘤治疗的主要机理。2 空化效应：空化效应是指生物组织及其液体中的微小气泡在强超声的作用下被激活而产生的物理效应，它表现为泡核的振荡、生长、收缩与崩溃等一系列动力学过程。当声波声强足够大时声压幅值很大，而且正负压交替出现，在负压期间作用于物质微元之问的拉力会把组织撕破，造成空化泡；在声波正压期间有时刚形成的空化泡被压缩而崩溃。在空化泡崩溃的瞬间会迅速产生高温、高压、促使周围的组织受到严重损伤。空化效应是引起细胞损伤的主要机制之一。3 机械效应：超声波是一种机械渡，因此当超声波在人体内传插时，不论其强度大小都产生机械振动。治疗用的超声频率一般为兆赫级。这就意味着人体受到超声作用处的组织质点要产生兆赫级的往复振动，人体细胞及组织在如此强烈变化的力学环境中振动，其功能和状态都会受到很大的影响，尤其在强超声的作用下，会产生辐射压力，辐射扭力和声流等非线性现象，他们可以使血液中的红细胞产生平动和转动，有时使细胞溶解，细胞功能发生改变，d n a 大分子降解及酶变性等等。1 2 2 f u 治疗设备1 2 2 1 川f u 治疗设备组成第6 页，f f f t p自从高强度聚焦超声技术出现，人们就开始了对治疗设备的研究，h i f u 治疗设备一般由四部分组成，组成结构如图1 - 6 所示，其基本组成部分如下描述：1 h i f u 发生系统h i f u 发生系统主要由单个或多个超声抉能器组成。聚焦超声换能器有两大类：一类是体内超声换能器，主要用于治疗泌尿系统疾病，特别是治疗前列腺增生的h i f u 设备均用此类换能器，因为该类换能器的特点是体积小、焦距短另一类是体外聚焦换能器，体外用聚焦换能器种类较多，常见的有单元聚焦换圉1 - 6l t i f i j 设备的基本结构f i g , l - 6 t h e $ t r u c t u r e d i a g r a m o f t h e h i f u d c v i c e能器、球面聚焦换能器和电子扫描或相控阵列聚焦换能器等几种，一般体外聚焦换能器的体积都比较大，而且如果要求聚焦的焦距越深，换能器的口径越大，否则难以达到要求。2 定位系统定位系统包括h i f u 发生系统位置变换机构、患者固定与运送机构等几部分，每个机构都由若干电机与传动机构组成。通过电机与传动系统的动作，h i f u发生系统可以运动到合适的位置开始聚焦治疗过程。患者固定与运送机构的动作可以使患者的患病部位与h i f u 发生系统的空间位置对齐，从而使h i f u 可以第7 页，一l | r 镕顺利聚焦到患病部位。精确的定位系统和定位过程是实现准确治疗的关键，随着科学技术的不断发展，机器人定位系统已经在临床试验中出现，此类系统利用机器人进行精确定位，来实现h i f u 的准确定位与传输。3 计算机控制与监测系统计算机控制与监测系系统是控制h i f u 设备运作的核心。该系统主要进行整个治疗过程中图像截取、图像处理和治疗计划制定，以及在治疗过程中的温度监测，治疗效果确认等工作。该系统通过基于医学图像( c t ，j 4 r i ，b 超等设备生成的医学影像) 的规划和控制算法来实现治疗规划和实时治疗控制与监测。4 水处理系统水处理系统的功能是在设定的工作条件下，对皮肤、j 下常组织进行保护，防止灼伤，并提供超声进入人体的耦合通道。h i f u 系统使用的水为去汽水，并且由水泵提供循环和冷却过程。1 2 2 2 典型h i f u 治疗系统自2 0 世纪8 0 年代以来，随着i t l f u理论与应用中的许多相关问题逐步得到解决，为使h i f u 在医疗上的应用逐重1 7h i f u n i t9 。型起声聚焦肿瘤消靛札步进入临床试验甚至商用阶段，国内外f i g , l - 7 h i f u n i t 9 0 0 0h i f u t h e r a p y e q u i p m e m许多研究机构和生产商已经开发出不少商用或者在临床上进行试验的h i f u 治疗设备，下面介绍几个典型的h i f u 治疗设备。i h l f u n i t 9 0 0 0 型超声聚焦肿瘤消融机【冽( 图l - 7 )h i f u n i t 9 0 0 0 型超声聚焦肿瘤消融机是由上海爱申科技有限公司开发的大型肿瘤治疗h i f u 设备。该产品定位系统由龙门架治疗床以及h i f u 系统移动机构组成，分别使用9 个电机驱动不同运动机构运动，通过不同机构的共同动作实现准确定位。h i f u 发生系统包括多元超声换能器、功率驱动器，工作时采用体外聚焦。计算机控制与监测系统由计算机与底层控制电路、b 超成像系统和手控操作台组成，整个系统通过b 超成像对病灶进行监控，由计算机根据监测b 超图像处理结果发出操作指令，底层控制电路控制设备动作，必要时由医生直接手动干预。治疗时，以扫描的方式对病灶逐点进行加热，达到完全消融肿瘤的目的。该产品主要用于人体体表、肢体、肝脏和盆腔的良、恶性肿瘤的诊断与治疗。第8 页第一章睫国外研发的设备大多数都是小型设备，治疗领域主要集中在前列腺疾病的治疗过程中，下面也介绍几种比较成熟的治疗设备。图1 - 8s o na b l a t oh i f u 前列腺治疗仅f i g 1 - 8s o na b l a t eh i f up r o a t a t ed e v i c ei s o n a b l a t e 。系列设备1 2 9 1 ( 图1 - - 8 )图1 9a b l a t h e r mh i f u 前列腺治疗仪f i g 1 - 9a b l a t h e r mh i f up r o s t a t ed e v i c es o n a b l a t e 系列设备是由f o c u ss u r g e r y 公司开发的用于前列腺增生治疗的小型h i f u 设备。该设备把超卢成像检测和聚焦治疗合成在一起，通过直肠进入人体治疗前列腺增生。整个治疗系统由计算机控制台和治疗探头组成，治疗探头内部既有h i f u 发生阵元又有b 超监测设备，通过b 超图像来定位和监测治疗效果。为适应经由直肠进行治疗的要求，其h i f u 发生单元具有多个焦距，使得焦点的位置可以在一定的范围内变化。在使用s o n a b l a t e 治疗时探头进入直肠后先进行机械式横向和纵向成像探测，确定治疗区域后，才使用h i f u 发生阵元聚焦，进行焦点扫描治疗。i i a b l a t h c r m t e e h n o m e dm e d i c a ls y s t e m s p o ( 图1 9 )a