專利名稱：用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的領域大體涉及用于借助于關節(jié)式機械結構來協(xié)助操縱器械或工具的裝置。例如在成像中，在乳房層析X光照相組合法中檢測乳房回波描記檢查的范圍內(nèi)的異常
背景技術：
層析X光照相組合法是ー種X光成像方法，能夠用這種方法來獲得所關注的對象的呈一系列連續(xù)的斷面形式的三維圖(3D)。根據(jù)所關注的對象在各種角度下的投影來重建這些斷面。為了這樣做，一般將所關注的對象置于發(fā)射X光的源和X光檢測器之間。源和/或檢測器是可移動的，使得對象在檢測器上的投影的方向可改變(典型地在30°的角范圍內(nèi))。因此獲得所關注的對象在不同的角度下的若干投影，一般能夠通過本領域技術人員熟知的反投影方法來根據(jù)這些投影重建所關注的對象的三維圖。層析X光照相組合法特別用于普查和診斷乳癌。在這種情況下，這稱為乳房層析X光照相組合法或3D乳房X光照相木。圖I示意性地示出了用于獲得器官B的ニ維(2D)投影圖像和用于通過層析X光照相組合法來重建這個器官的3D圖像的成像裝置I。根據(jù)不同的角度來朝器官B發(fā)射來自源4的X光。在穿過器官B之后，它們被檢測器3檢測到，從而形成ー組投影圖像。通過本領域技術人員熟知的X光斷層攝影重建方法來重建器官B的典型地呈平行于檢測器3的X光斷層攝影斷面(圖像)的三維圖。如在傳統(tǒng)3D乳房X光照相術中，在層析X光照相組合檢查的期間，患者的乳房特別地在檢測器3和擠壓板2之間受到擠壓。醫(yī)師將分析X光斷層攝影斷面，以便檢測可能的損傷?？赡馨l(fā)生的情況是醫(yī)師想要例如借助于回波描記探頭來在他/她將已經(jīng)確認的區(qū)上進行額外的檢查。通常，在患者仰躺或略微側臥時進行乳房回波描記檢查。乳房未被擠壓。為了定位待用回波描記探頭評估的損傷，放射科醫(yī)師必須在想象中將3D層析X光照相組合圖像“疊置”在患者的乳房上方。這個疊置是很難的，因為在層析光照相組合法中患者站(坐)著而乳房被擠壓，而在回波描記術中患者仰躺而乳房未被擠壓。這個問題的解決方法是在患者在同一位置上的情況下，在層析X光照相組合檢查之后立即執(zhí)行回波描記檢查。在層析X光照相組合檢查之前，患者的乳房被擠壓，并且在回波描記檢查一結束就解除擠壓。層析X光照相組合系統(tǒng)應當配備有與回波描記檢查相兼容的擠壓板(板對于回波描記探頭發(fā)射的聲波應當是“可穿透的”)。在那種情況下，回波描記探頭所獲得的圖像和X光斷層攝影斷面對應于患者的乳房的同一位置。
但是，為了使探頭到達可能的損傷的水平，醫(yī)師必須使用X光斷層攝影圖像作為參照，以定位損傷。這不是沒有難度的，因為醫(yī)師必須根據(jù)X光斷層攝影圖像在想象中重建可能的損傷的空間的位置。已經(jīng)在機器人技術中知道了在器械或工具的操縱期間對使用者提供協(xié)助的裝置。為了這樣做，協(xié)助裝置會提供對器械或工具施加運動學約束的可能性，以便將器械或工具定位成使得使用者可執(zhí)行任務。規(guī)定了任務的意思的是根據(jù)使用者想要用器械或工具來施加的某個自由度數(shù)量而限定的動作。考慮到如今的這些裝置需要許多馬達驅動器，這些裝置是復雜、龐大且昂貴的。此外，知道這樣的協(xié)助裝置對于它們來說，根據(jù)小于關節(jié)式機械結構提供給器械或工具的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量來促動關節(jié)式機械結構。例如，在手術中，關節(jié)臂已經(jīng)是已知的，關節(jié)臂將預先定位工具所連結的臂的端部。一旦臂因此而被預先定位好，則使用者可使他的/她的工具執(zhí)行特定的平移或旋轉運動，而臂仍然被約束在這個位置上。但是，在他/她使器械或工具運動時，這樣的關節(jié)臂不能為使用者提供引導。在上面提到的特定的情況下，這些已知的裝置不會在定位回波描記探頭時提供引導。實際上，馬達驅動器的數(shù)量不僅小于工具的自由度數(shù)量，而且還小于完成任務所需的自由度數(shù)量。因此，存在對用于借助于關節(jié)式機械結構來協(xié)助操縱工具或器械的裝置的需要，該裝置簡單、廉價，具有減少數(shù)量的馬達驅動器，但是允許在實際上引導工具或器械的運動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標在于借助于允許掃描包括可能的損傷的區(qū)的器械或工具來協(xié)助醫(yī)師瞄準和分析所關注的區(qū)域中的損傷。根據(jù)ー個實施例，本發(fā)明涉及ー種用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置，其包括在支承件上的關節(jié)式機械結構，器械或工具可附連在該關節(jié)式機械結構上；馬達驅動器，其根據(jù)小于所述關節(jié)式機械結構提供給器械或工具的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量來促動關節(jié)式機械結構；這些馬達驅動器件的自動控制器。根據(jù)本發(fā)明的第一方面的用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置的特征在于，所述控制器驅動馬達驅動器，以便促進滿足對器械或工具的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)的約束，在不依賴于操作員的操縱的情況下，所述馬達驅動器本身不能夠完全滿足所述約束。該裝置的其它方面如下-器械或工具的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)對應于大于馬達驅動器起作用的自由度 數(shù)量的自由度數(shù)量；-控制器驅動馬達驅動器，使得機械結構對工具提供力，這取決于器械或工具的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)；
-關節(jié)式機械結構是包括承載或適于承載工具的關節(jié)的臂，力在這個關節(jié)處被傳遞給器械或工具；-工具是回波描記探頭。根據(jù)第二個實施例，本發(fā)明涉及ー種組件，其包括包括X光源、檢測器和擠壓板的3D乳房X光照相成像裝置；以及根據(jù)本發(fā)明的第一方面的用于協(xié)助操縱的裝置，其中，エ具是回波描記探頭。相應的組件的其它方面如下-當探頭的圖像平面包含損傷時，カ為零，并且在探頭運動遠離目標時，力増大；-カ是彈性的，并且由#ニ 0限定，其中k是剛性常數(shù)，以及其中J是探頭和損傷之 間的距離；-沿著垂直于包含板的平面的軸的カ的豎直分量為零。


根據(jù)以下描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得進ー步顯而易見，描述僅是說明性的，并且應當參照附圖來閱讀，其中，除了已經(jīng)顯示的圖I之外圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的瞄準和分析組件。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的協(xié)助裝置的詳細視圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的、用于協(xié)助操縱器械或工具的原理。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的對操縱器械或工具的協(xié)助。部件列表圖II醫(yī)學成像裝置2擠壓板3檢測器4X 光源B 器官圖210協(xié)助裝置20采集和處理單元30存儲單元40顯示單元圖311馬達驅動器12馬達驅動器13馬達驅動器14關節(jié)式機械結構100的與支承件15相対的端部15支承件16自動馬達驅動器控制器100關節(jié)式機械結構
S回波描記探頭圖4S將標記為I的可能的損傷或目標連接到其在圖像平面U上的投影IU上的矢量I 目標
P回波描記探頭S與擠壓板2的接觸點U圖像平面圖5O參照系的原點T在探頭和關節(jié)式機械結構之間的交接部
具體實施例方式瞄準和分析組件圖2示出了用于瞄準和分析患者的乳房損傷的組件。瞄準和分析組件包括圖I的醫(yī)學成像裝置I的類型的醫(yī)學成像裝置I以及用于協(xié)助操縱工具或器械(例如回波描記探頭S)的裝置10。當然，工具或器械可為醫(yī)師可用來執(zhí)行檢查或繼續(xù)進行外科手術的任何醫(yī)療裝置。在瞄準和分析乳房的損傷的情況下，回波描記探頭允許沿著與包含擠壓板2的平面成正割的圖像平面U來采集患者的乳房的2D圖像。圖4示出了這種構造。瞄準和分析組件包括用于獲得和處理醫(yī)學成像裝置I所獲得的圖像的単元20。當然，這些功能中兩者可應用于兩個單獨的単元中。在應用處理方法之后，對這個采集和處理單元20進行編程(例如為了根據(jù)2D投影圖像來重建3D圖像)。例如這可為計算機、處理器、微控制器、微型計算機、可編程的自動機器、一個或多個專用集成電路、其它可編程的電路或包括計算機(例如工作站)的其它裝置。另外，有利地將采集和處理單元20編程成用于計算所關注的對象(例如患者的乳房的可能的損傷)的位置，以及計算協(xié)助裝置10必須對探頭S施加的應力。備選地，可事先用另ー個裝置來進行應力的計算。仍然備選地，使用者可基于他/她通過顯示單元40所觀察到的圖像來確定所關注的對象(例如患者的乳房的可能的損傷)的位置。采集和處理單元20與存儲單元8聯(lián)接，存儲單元8可與采集和處理單元25集成在一起，或者與其分開。存儲單元30可形成有硬盤或任何其它可移動的存儲裝置(例如⑶-ROM、磁盤等)。這可為處理和采集單元20的R0M/RAM存儲器、CD-ROM、USB鑰匙、中央服務器的存儲器。采集和處理單元20可包括讀取器裝置(未顯示)例如磁盤讀取器或⑶-ROM讀取器，以從指令的介質(zhì)(未顯示)(例如磁盤或CD-ROM)中讀取處理方法的指令。備選地，它可執(zhí)行存儲在固件(未顯示)中的處理方法的指令。最后，為了顯示或者來自醫(yī)學成像裝置I或者來自回波描記探頭S的圖像，瞄準和分析組件包括顯示單元40。
顯示單元40例如是計算機屏幕、監(jiān)視器、平面屏幕、等離子屏幕或任何類型的商業(yè)上已知的顯示裝置。顯示單元40允許放射科醫(yī)師控制乳房的3D圖(對斷面的體積、定向等采樣)和/或獲得的2D圖像的顯示，以及借助于回波描記探頭S來瞄準和分析損傷。用于協(xié)助操縱回波描記探頭S的裝置圖3示意性地示出了用于協(xié)助操縱器械或工具(例如回波描記探頭S)的裝置10。協(xié)助裝置包括在支承件15上的關節(jié)式機械結構100。在其與支承件15相対的端部14處，結構100承載回波描記探頭S。這種結構100例如是由馬薩諸塞州沃本市的SensAble Technologies公司經(jīng)銷的PHANTOM Omni機器人類型的關節(jié)臂。 這個結構100為回波描記探頭S提供某個數(shù)量的自由度，在這種情況下是六個。其進ー步具有某個數(shù)量(這里是三個)的馬達驅動器11、12、13，它們根據(jù)某個數(shù)量(在這種情況下是三個)的自由度來促動探頭S。大體上，結構100具有根據(jù)小于結構100所提供的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量來促動探頭S的許多馬達驅動器。協(xié)助裝置進ー步包括根據(jù)對器械的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)的約束來驅動馬達驅動器的自動馬達驅動器控制器16。這個驅動促進滿足對器械的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)的約束。具體而言，器械或工具S的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)對應于大于馬達驅動器11、
12、13起作用的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量。實際上，在不依賴于使用者操縱的情況下，馬達驅動器本身無法完全滿足約束。這樣，對于協(xié)助裝置，能夠在協(xié)助工具的同時滿足對應于大于馬達驅動器11、12、13起作用的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量的約束。在協(xié)助操縱回波描記探頭S來瞄準和分析患者的可能的乳房損傷的情況下，如這在圖4中示出的那樣，控制器16對馬達驅動器11、12、13提供趨向于將回波描記探頭S定位在醫(yī)學成像裝置I的擠壓板2的平面π上或定位在擠壓板2的平面π附近的設定值，使得能夠借助于回波描記探頭S看見可能的損傷。因而，控制器通過設定三個馬達驅動器的約束來驅動三個馬達驅動器11、12、13，使得回波描記探頭S能夠根據(jù)回波描記探頭S的四個自由度(在圖4中由雙向箭頭示出)而移動-在擠壓板2上的兩個平移，-沿著垂直于擠壓板2的矢量的旋轉，-在擠壓板2和回波描記探頭S的圖像平面U之間的交會部的周圍的旋轉。例如，關節(jié)式機械結構100所提供的協(xié)助在物理上由傳遞給回波描記探頭S的力表示，該カ取決于回波描記探頭S在擠壓板2上的位置。雖然這個單個力不足以引導回波描記探頭以觀測任意約束，但是注意，這被使用者在直覺上理解為如何操作回波描記探頭S的指示，并且由此實現(xiàn)的部分引導得出了良好的結果。對乳房層析X光照相組合法應用的實例如已經(jīng)提到的那樣，用于協(xié)助操縱的裝置提供了幫助醫(yī)師將回波描記探頭S定位到來自醫(yī)學成像裝置I的斷面中檢測到可能的損傷的水平處或附近的可能性。為了這樣做，回波描記探頭S接觸擠壓板2，P為接觸點。醫(yī)師進ー步將回波描記探頭S保持在其在機械結構100上的關節(jié)的上方。根據(jù)可能的損傷相對于探頭S的位置，馬達驅動器被協(xié)助裝置的控制器16驅動。結構100包括運動傳感器，用該運動傳感器能夠知道探頭S在參照系中的位置和定向。取決于這個位置和定向，處理單元20計算將可能的損傷或目標(標記為I)連接到其在圖像平面U上的投影IU的矢量^的坐標?？刂破?6接收這個矢量^作為輸入，并且驅動馬達驅動器11、12、13。
值得注意，控制器16驅動這些馬達驅動器，使得結構100在其關節(jié)14處對探頭S傳遞カP。根據(jù)這樣的情況下，這種カF取決于若干參數(shù)。為了闡明力F的產(chǎn)生，對圖5進行參照。限定了兩個直接正交的參照系-Fp =(P,xp,yP,zP),jM.點P的參照系，原點P為探頭的點，這可為例如在探頭和包含擠壓板2的平面π之間的接觸點，參照系用垂直于回波描記探頭S的圖像平面U的矢量ら和超聲束的對稱軸線的方向矢量Λ連到回波描記探頭S ；-ち=(0，“も)，原點O的參照系，其連到對應于擠壓板2的這樣面的平面π上在該面上，回波描記探頭S被用垂直于平面π的矢量ら來進行操縱?；夭栌浱筋^S被醫(yī)師保持在點H處，使得m = -PH yp。機械結構100在點T處
對探頭施加力-使得PT = - PT Pp這個點τ對應于探頭和關節(jié)式機械結構之間的交接 F,。
部。這是結構的端部14。當探頭S的圖像平面U包含可能的損傷時，カ為零，以便讓醫(yī)師根據(jù)自由度來操縱回波描記探頭S，使得可能的損傷仍然在回波描記圖像上可見。另外，該カ使得當回波描記探頭S運動遠離目標I時，力増大。可特別地選擇カF，以便如果カ是由P = W限定的話，產(chǎn)生弾性回復，其中，K是剛性常數(shù)。力包括限定連到平面π的參照系ら中的三個分量。備選地，為了避免在回波描記探頭S和擠壓板2之間的接觸部處有波動，沿著軸ち的力的豎直分量為零。在這種情況下，力&由戶=j表不。出于穩(wěn)定性的原因，減小臂的端部處的振蕩是合乎需要的。為了限制振蕩，可通過
Ρ =來計算カ^;其中，C是恒定的阻尼系數(shù)。仍然備選地，力可將在機械結構100的端部14處的速度W考慮在內(nèi)。在這種情況下，力_由F = A:も"I +c·^· +Cj· W表不，其中，Ct是另ー個阻尼常數(shù)。
最后，力#可使醫(yī)師在回波描記探頭S的重量方面得到解脫。在這種情況下，力F由
權利要求
1.ー種用于協(xié)助操縱器械或工具(S)的裝置，包括 -在支承件(15)上的關節(jié)式機械結構(100)，器械或工具(S)能夠附連在所述關節(jié)式機械結構(100)上； -馬達驅動器(11，12，13)，其根據(jù)小于所述結構(100)提供給所述器械或工具(S)的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量來促動所述關節(jié)式機械結構(100)； -這些馬達驅動器件的自動控制器(16)； 其中，所述控制器(16)驅動所述馬達驅動器(11，12，13)，以便促進滿足對所述器械或工具(S)的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)的約束，在不依賴于操作員的操縱的情況下，所述馬達驅動器(11，12，13)本身無法完全滿足所述約束。
2.根據(jù)權利要求I所述的用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置，其特征在于，所述器械或工具(S)的所述位置參數(shù)和/或所述速度參數(shù)對應于大于所述馬達驅動器(11，12，13)起作用的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量。
3.根據(jù)權利要求I至2中的任一項所述的用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置，其特征在于，所述控制器(16)驅動所述馬達驅動器，使得所述機械結構(100)為所述工具提供力(P)，這取決于所述器械或工具的所述位置參數(shù)和/或所述速度參數(shù)。
4.根據(jù)權利要求I至3中的任一項所述的用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置，其特征在于，所述關節(jié)式機械結構是包括承載或適于承載所述工具的關節(jié)的臂，所述力(盧)在這個關節(jié)處被傳遞給所述器械或工具。
5.根據(jù)權利要求I至4中的任一項所述的用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置，其特征在于，所述工具是回波描記探頭(S)。
6.—種成像組件,包括 -包括X光源(4)、檢測器(3)和擠壓板(2)的乳房X光照相成像裝置；以及-根據(jù)權利要求I至4中的任一項的用于協(xié)助操縱的裝置，其中，所述工具是回波描記探頭⑶。
7.根據(jù)權利要求6所述的組件，其特征在于，當所述探頭(S)的圖像平面(U)包含損傷(1)時，所述カ(P)為零，并且在所述探頭(S)逐漸運動遠離目標(I)時，所述カ(#)増大。
8.根據(jù)權利要求6至7中的任ー項所述的組件，其特征在于，所述カ是彈性的，并且由F = W限定，其中，k是剛性常數(shù)，以及其中，J是所述探頭⑶和所述損傷⑴之間的距離。
9.根據(jù)權利要求6至8中的任ー項所述的組件，其特征在于，沿著垂直于包含所述板(2)的平面(π)的軸(ら)的所述カ的豎直分量為零。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于協(xié)助操縱器械或工具的裝置，其包括在支承件(15)上的關節(jié)式機械結構(100)，器械或工具(S)可附連在關節(jié)式機械結構(100)上；馬達驅動器(11，12，13)，其根據(jù)小于所述結構(100)提供給器械或工具(S)的自由度數(shù)量的自由度數(shù)量來促動關節(jié)式機械結構(100)；這些馬達驅動器件的自動控制器(16)；該裝置的特征在于，所述控制器(16)驅動馬達驅動器(11，12，13)，以便促進滿足對器械或工具(S)的位置參數(shù)和/或速度參數(shù)的約束，在不依賴于操作員的操縱的情況下，所述馬達驅動器(11，12，13)本身無法完全滿足所述約束。
文檔編號A61B6/03GK102652675SQ20121006375
公開日2012年9月5日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權日2011年3月2日
發(fā)明者A·馬克斯, G·莫雷爾, M-A·維特拉尼, R·G·約爾達歇, S·L·W·馬勒 申請人:通用電氣公司