一种自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统

1.本发明涉及磁控医疗机器人领域，具体涉及一种自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统。


背景技术：

2.软体机器人具有灵活、自由度高等特点，使得其非常适合在人体相对封闭的狭窄空间或腔道进行治疗工作，尤其适于人体膝关节疾病的治疗。
3.软体机器人的磁控技术，具有控制精准、响应快、鲁棒性好等特点。通过控制空间内磁场的梯度大小和磁场方向，可以灵活地控制微机器人的运动方向和姿态。且由于通过外部磁场控制机器人，意味着微机器人内部无需集成电源或其他电路元件，不但有益于缩小微机器人尺寸，也提高了微机器人的生物相容性，降低了对人体的毒性。除此之外，磁场对人体的损伤较小且穿透性良好，使磁驱动微机器人能在更多的医疗场景下得到应用。
4.然而目前的磁控系统大多由多个固定的电磁线圈组成，其固有的刚性结构使得磁控系统的工作空间一经设计，就难以改变。且由于临床治疗上患者的膝关节尺寸，以及接受治疗时膝关节的弯曲形态各不相同，使得磁控系统的应用场景受到限制，阻碍了磁控微机器人系统迈向临床治疗的步伐。
5.因此，如何克服磁控系统的工作空间限制，实现动态的工作空间调节以及线圈空间分布的优化，是磁控软体机器人技术应用于临床的关键之一。


技术实现要素：

6.针对现有技术不足，本发明提供了一种自适应式膝关节治疗磁控系统。
7.为实现上述目的，本发明的技术方案为：本发明提供了一种自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，包括：
8.上位机，用于根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并将其转换为电机运动量；
9.电磁线圈自适应调节模块，获取上位机发送的电机运动量，驱动电机使电磁铁运动至最优电磁线圈空间分布位置；
10.电磁线圈模块，获取上位机发送的使能信号，向各电磁线圈通流，产生耦合空间磁场；
11.软体机器人，基于电磁线圈模块产生的耦合空间磁场在膝关节腔内进行运动。
12.进一步地，上位机根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并将其转换为电机运动量包括：
13.上位机获取患者的膝关节尺寸形态数据，通过粒子群优化算法将线圈磁场控制矩阵的最小奇异值作为优化目标，获得最佳电磁线圈空间分布；将计算得到的最佳电磁线圈空间分布转化为电机的运动量，并发送至电磁线圈自适应调节模块。
14.进一步地，上位机根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布包括：
15.设不可动电磁线圈的位姿固定，将可动电磁线圈之间的距离和空间姿态作为边界条件带入粒子群优化算法中；
16.记电磁线圈的位姿可表示为(λisinθicosψi,λisinθisinψi,λisinθi,0,θi,ψi)，其中，i＝1,2,
……
,5；可动电磁线圈的编号为i＝1～4，不可动电磁线圈的编号为i＝5；(λisinθicosψi,λisinθisinψi,λisinθi)为电磁线圈的中心位置坐标，(0,θi,ψi)为电磁线圈的空间姿态；θi，ψi，λi分别为各电磁线圈的章动角、进动角和自身进给量；
17.以坐标原点以及其附近领域内n个点为优化点，设其中某一优化点坐标为(x
op
,y
op
,z
op
)，可求得在电磁线圈局部坐标系下目标点的坐标(x
i,l
,y
i,l
,z
i,l
)，表达式如下：
18.(x
i,l
,y
i,l
,z
i,l
)＝(x
op-λisinθicosψi,y
op-λisinθisinψi,z
op-λisinθi)
·
tri(0,θi,ψi),
19.计算单个电磁线圈在目标点的磁场强度矩阵：
20.bi＝f
coil
(x
i,l
,y
i,l
,z
i,l
)
·
tr
i-1
(0,θi,ψi)
21.其中，f
coil
为电磁线圈数学模型，tri(0,θi,ψi)为坐标变换矩阵；
22.得到磁场强度控制矩阵a3×5,对其进行奇异值分解可得(σ1,σ2,σ3)；
23.对各个优化点进行重复计算，得到所有优化点对应的磁场强度控制矩阵的奇异值σ3；
24.记σ
3min
为所有奇异值σ3中的最小值，以最小奇异值σ
3min
作为优化目标，将可动线圈的位姿作为变量，通过粒子群优化算法求得最优电磁线圈布局。
25.进一步地，电磁线圈自适应调节模块基于电磁线圈装置实现，所述电磁线圈装置包括：机架，机架的上部中心位置处设置有第一导向柱，第一导向柱上安装有不可动电磁线圈；机架的下部中心位置处设置有第二导向柱；在第一导向柱和第二导向柱间按圆周均匀分布有四个可动电磁线圈组件。
26.进一步地，可动电磁线圈组件包括：
27.第一电机，所述第一电机的输出轴与第二齿轮连接，第二齿轮与第一齿轮啮合，将第一齿轮的转动量变换转化为可动电磁线圈的进动角变化；
28.安装于第一导向柱上的上部l型连接杆；
29.安装于第二导向柱上的下部l型连接杆；
30.安装于上部l型连接杆与下部l型连接杆间的齿轮滑轨；
31.第二电机，所述第二电机的输出轴与第三齿轮连接，第三齿轮与齿轮滑轨上的外圈齿轮啮合，将齿轮滑轨上的外圈齿轮的转动量变换转化为可动电磁线圈的章动角变化；
32.电机滑轨，所述电机滑轨与可动电磁线圈相连，控制可动电磁线圈的进给量变化。
33.进一步地，所述第一齿轮通过四个按圆周均匀分布的支撑柱与机架连接。
34.进一步地，所述第二电机通过电机支架安装于连接板上，所述连接板上安装有电机滑轨。
35.进一步地，所述连接板和齿轮滑轨间还安装有若干个滚动轴承。
36.进一步地，所述电磁线圈模块具体包括：
37.将上位机发送的使能信号传输至可编程电源模组，可编程电源模组将使能信号转化为相应的电流通入各电磁线圈，产生耦合空间磁场，以控制软体机器人的运动。
38.进一步地，所述软体机器人上还安装有注射泵。
39.本发明的有益效果为：本发明提供了一种自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，通过上位机根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并将其转换为电机运动量，设置了一种电磁线圈装置以驱动电机运动将电机运动量转换为可动电磁线圈的章动角、进动角和自身进给量，使电磁铁运动至最优电磁线圈空间分布位置，实现磁控装置的自适应调节，解决了目前磁控系统受限于工作空间，造成其应用场景的限制，使得磁控系统能根据患者的实际膝关节尺寸与弯曲形态，进行动态的自适应调节。
附图说明
40.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
41.图1为自适应式膝关节治疗磁控系统示意图；
42.图2为单个可动电磁线圈的活动示意图；
43.图3为齿轮滑轨外齿轮与第三齿轮啮合图；
44.图4为第一齿轮与单个第二齿轮啮合图；
45.图5为线圈分布优化的流程图；
46.图中，1-上位机；2-单片机；3-电机驱动器；4-机架；5-支撑柱；6-第一齿轮；7-第二齿轮；8-第一电机；9-第一导向柱；10-第二导向柱；11-上部l型连接杆；12-下部l型连接杆；13-不可动电磁线圈；14-齿轮滑轨；15-第三齿轮；16-第二电机；17-连接板；18-电机滑轨；19-可动电磁线圈；20-软体机器人；21-注射泵。
具体实施方式
47.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
48.在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
49.应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
50.下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
51.如图1所示，本发明提供了一种自适应式膝关节治疗磁控系统，包括：
52.上位机1，用于根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并将其转换为电机运动量。
53.电磁线圈自适应调节模块，获取上位机1发送的电机运动量，驱动电机使电磁铁运动至最优电磁线圈空间分布位置。
54.电磁线圈模块，获取上位机发送的使能信号，通过可编程电流源模组22向各电磁线圈通流，产生耦合空间磁场。
55.软体机器人，基于电磁线圈模块产生的耦合空间磁场在膝关节腔内进行运动。
56.如图5所示，上位机1根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并转换为电机运动量包括：
57.上位机1获取患者的膝关节尺寸形态数据，通过粒子群优化算法，将线圈磁场控制矩阵的最小奇异值作为优化目标，获得最佳的电磁线圈空间分布。将计算得到的最佳的电磁线圈空间分布转化为电机的运动量，并发送至电磁线圈自适应调节模块。
58.进一步地，上位机1获取患者的膝关节尺寸以及手术时弯曲形态，然而患者的膝关节尺寸以及弯曲角度限制了可动电磁线圈19之间的距离和空间姿态，将可动电磁线圈19之间的距离和空间姿态作为边界条件带入粒子群优化算法中,表达式如下：
59.θi∈[θ
i,min
,θ
i,max
],
[0060]
ψi∈[ψ
i,min
,ψ
i,max
]
[0061]
λi∈[λ
i,min
,λ
i,max
]
[0062]
其中，i为电磁线圈的编号，θi，ψi，λi分别为各电磁线圈的章动角、进动角和自身进给量。除此之外，设不可动电磁线圈13的位姿固定，即θ5＝0.5π，ψ5＝0，λ5＝0.15，则各电磁线圈的位姿可表示为(λisinθicosψi,λisinθisinψi,λisinθi,0,θi,ψi)，i＝1,2,
……
,5。(λisinθicosψi,λisinθisinψi,λisinθi)为可动电磁线圈以及不可动电磁线圈13的中心位置坐标，(0,θi,vi
)
为四个可动电磁线圈以及一个不可动电磁线圈13的空间姿态。
[0063]
以坐标原点以及其附近领域内26个点为优化点，设其中某一优化点坐标为(x
op
,y
op
,z
op
)，可求得在电磁线圈局部坐标系下目标点的坐标(x
i,l
,y
i,l
,z
i,l
)：
[0064]
(x
i,l
,y
i,l
,z
i,l
)＝(x
op-λisinθicosψi,y
op-λisinθisinψi,z
op-λisinθi)
·
tri(0,θi,ψi),
[0065]
最终可求得单个电磁线圈在目标点的磁场强度矩阵：
[0066]bi
＝f
coil
(x
i,l
,y
i,l
,z
i,l
)
·
tr
i-1
(0,θi,ψi)
[0067]
其中，f
coil
为电磁线圈数学模型，tri(0,θi,ψi)为坐标变换矩阵，i＝1,2,
……
,5；所述坐标变换矩阵tri(0,θi,ψi）的表达式如下：
[0068][0069]
最终可求得磁场强度控制矩阵a3×5,对其进行奇异值分解可得（σ1,σ2,σ3)。对27个优化点进行重复计算，获取各点上磁场强度控制矩阵的奇异值σ3，取27个点中最小的σ3值，为σ
3min
。将各分布下由线圈模型求得的磁场控制矩阵的最小奇异值σ
3min
作为优化目标，将四个可动线圈的位姿作为变量，通过粒子群优化算法求得其σ
3min
最大时电磁线圈的空间分布，将其作为最佳的电磁线圈布局。
[0070]
电磁线圈自适应调节模块，基于电磁线圈装置实现，所述电磁线圈驱动装置包括：机架4，在竖直方向上，机架4的上部中心位置处安装有第一导向柱9，下部中心位置处安装有第二导向柱10。在第一导向柱9和第二导向柱10间按圆周均匀分布有四个可动电磁线圈组件。
[0071]
在本实例中，以其中一组为例，对可动电磁线圈组件的具体结构进行展开描述。
[0072]
具体地，如图2所示，所述可动电磁线圈组件包括：
[0073]
第一电机8，所述第一电机8的输出轴与第二齿轮7连接，第二齿轮7与第一齿轮6啮合，将第一齿轮6的转动量变换转化为可动电磁线圈的进动角变化。
[0074]
安装于第一导向柱9上的上部l型连接杆11；
[0075]
安装于第二导向柱10上的下部l型连接杆12；
[0076]
安装于上部l型连接杆11与下部l型连接杆12间的齿轮滑轨14；
[0077]
第二电机16，所述第二电机16的输出轴与第三齿轮15连接，第三齿轮15与齿轮滑轨14上的外圈齿轮啮合，将齿轮滑轨14上的外圈齿轮的转动量变换转化为可动电磁线圈的章动角变化；
[0078]
电机滑轨18，所述电机滑轨18与可动电磁线圈19相连，控制可动电磁线圈19的进给量变化。
[0079]
需要说明的是，如图4所示，机架4通过4个按圆周均匀分布的支撑柱5与第一齿轮6连接。第一齿轮6分别与四个第二齿轮7啮合，四个第二齿轮7分别与四个第一电机8的输出轴通过键连接。
[0080]
进一步地，由于在第一导向柱9和第二导向柱10间按圆周均匀分布有四个可动电磁线圈组件，第一导向柱9上安装有四个上部l型连接杆11(第一上部l型连接杆、第二上部l型连接杆、第三上部l型连接杆、第四上部l型连接杆)，第二导向柱10上安装有四个下部l型连接杆12(第一下部l型连接杆、第二下部l型连接杆、第三下部l型连接杆、第四下部l型连接杆)。其中，四个上部l型连接杆11与四个下部l型连接杆12一一对应设置。
[0081]
进一步地，第二电机16通过电机支架安装于连接板17上，连接板17上安装有电机滑轨18，电机滑轨18与可动电磁线圈19相连。进一步地，如图3所示，连接板17和齿轮滑轨14间还安装有若干个滚动轴承，以保证齿轮滑轨14平稳转动。
[0082]
当电磁线圈系统自适应调节完成后，上位机1发送控制信号至可编程电源模组22，可编程电源模组22将控制信号转化为相应电流，通入各电磁线圈中，最终产生耦合的空间磁场，以控制软体机器人20的运动。所述软体机器人20上还安装有注射泵21，当软体机器人20运动至指定位置后，注射泵21将治疗药物通过软体机器人20进行注射，完成治疗。
[0083]
实施例1
[0084]
作为本发明的具体实施例，如图5所示，首先根据患者mri图像以及手术需求，确定可动电磁线圈姿态优化的边界条件，此处设置：
[0085]
θ1∈[0.125π,0.375π]，θ2∈[0.625π,0.875π]，θ3∈[1.125π,1.375π]，
[0086]
θ4∈[1.625π,1.875π]，ψ
1,,,
∈[-0.25π,0.25π]，λ
1,,,
∈[0.15,0.18，将边界条件输入粒子群优化算法中。取坐标原点，以及均匀分布在以原点为球心，半径为5mm的球面上的26个点为优化点，最终得到优化结果θ1、θ2、θ3、θ4分别为0.26π、0.74π、1.26π、1.74π，ψ
1,,,
＝0.09π，λ
1,,,
＝0.15，σ
3min
＝1.88
×
10-46
。上位机1将电磁线圈的空间分布转化为步进电机的
转动量，将其传至单片机2，再由单片机将其转化为脉冲信号，传至电机驱动器3，电机驱动器3最终控制每组电机转动，使四个可动线圈调整为指定姿态，获得最佳的软体机器人控制能力。
[0087]
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的。
[0088]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。

技术特征：
1.一种自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，包括：上位机，用于根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并将其转换为电机运动量；电磁线圈自适应调节模块，获取上位机发送的电机运动量，驱动电机使电磁铁运动至最优电磁线圈空间分布位置；电磁线圈模块，获取上位机发送的使能信号，向各电磁线圈通流，产生耦合空间磁场；软体机器人，基于电磁线圈模块产生的耦合空间磁场在膝关节腔内进行运动。2.根据权利要求1所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，上位机根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并将其转换为电机运动量包括：上位机获取患者的膝关节尺寸形态数据，通过粒子群优化算法将线圈磁场控制矩阵的最小奇异值作为优化目标，获得最佳电磁线圈空间分布；将计算得到的最佳电磁线圈空间分布转化为电机的运动量，并发送至电磁线圈自适应调节模块。3.根据权利要求2所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，上位机根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布包括：设不可动电磁线圈的位姿固定，将可动电磁线圈之间的距离和空间姿态作为边界条件带入粒子群优化算法中；记电磁线圈的位姿可表示为(λ
i sinθ
i cosψ
i
，λ
i sinθ
i sinψ
i
，λ
i sinθ
i
，0，θ
i
，ψ
i
)，其中，i＝1，2，
……
，5；可动电磁线圈的编号为i＝1～4，不可动电磁线圈的编号为i＝5；(λ
i sinθ
i cosψ
i
，λ
i sinθ
i sinψ
i
，λ
i sinθ
i
)为电磁线圈的中心位置坐标，(0，θ
i
，ψ
i
)为电磁线圈的空间姿态；θ
i
，ψ
i
，λ
i
分别为各电磁线圈的章动角、进动角和自身进给量；以坐标原点以及其附近领域内n个点为优化点，设其中某一优化点坐标为(x
op
，y
op
，z
op
)，可求得在电磁线圈局部坐标系下目标点的坐标(x
i，l
，y
i，l
，z
i，l
)，表达式如下：(x
i，l
，y
i，l
，z
i，l
)＝(x
op-λ
i sinθ
i cosψ
i
，y
op-λ
i sinθ
i sinψ
i
，z
op-λ
i sinθ
i
)
·
tr
i
(0，θ
i
，ψ
i
)，计算单个电磁线圈在目标点的磁场强度矩阵：b
i
＝f
coil
(x
i，l
，y
i，l
，z
i，l
)
·
tr
i-1
(0，θ
i
，ψ
i
)其中，f
coil
为电磁线圈数学模型，tr
i
(0，θ
i
，ψ
i
)为坐标变换矩阵；得到磁场强度控制矩阵a3×5，对其进行奇异值分解可得(σ1，σ2，σ3)；对各个优化点进行重复计算，得到所有优化点对应的磁场强度控制矩阵的奇异值σ3；记σ
3min
为所有奇异值σ3中的最小值，以最小奇异值σ
3min
作为优化目标，将可动线圈的位姿作为变量，通过粒子群优化算法求得最优电磁线圈布局。4.根据权利要求1所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，电磁线圈自适应调节模块基于电磁线圈装置实现，所述电磁线圈装置包括：机架(4)，机架(4)的上部中心位置处设置有第一导向柱(9)，第一导向柱(9)上安装有不可动电磁线圈(13)；机架(4)的下部中心位置处设置有第二导向柱(10)；在第一导向柱(9)和第二导向柱(10)间按圆周均匀分布有四个可动电磁线圈组件。5.根据权利要求4所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，可动电磁线圈组件包括：第一电机(8)，所述第一电机(8)的输出轴与第二齿轮(7)连接，第二齿轮(7)与第一齿
轮(6)啮合，将第一齿轮(6)的转动量变换转化为可动电磁线圈的进动角变化；安装于第一导向柱(9)上的上部l型连接杆(11)；安装于第二导向柱(10)上的下部l型连接杆(12)；安装于上部l型连接杆(11)与下部l型连接杆(12)间的齿轮滑轨(14)；第二电机(16)，所述第二电机(16)的输出轴与第三齿轮(15)连接，第三齿轮(15)与齿轮滑轨(14)上的外圈齿轮啮合，将齿轮滑轨(14)上的外圈齿轮的转动量变换转化为可动电磁线圈的章动角变化；电机滑轨(18)，所述电机滑轨(18)与可动电磁线圈(19)相连，控制可动电磁线圈(19)的进给量变化。6.根据权利要求5所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，所述第一齿轮(6)通过四个按圆周均匀分布的支撑柱(5)与机架(4)连接。7.根据权利要求5所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，所述第二电机(16)通过电机支架安装于连接板(17)上，所述连接板(17)上安装有电机滑轨(18)。8.根据权利要求7所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，所述连接板(17)和齿轮滑轨(14)间还安装有若干个滚动轴承。9.根据权利要求1所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，所述电磁线圈模块具体包括：将上位机发送的使能信号传输至可编程电源模组(22)，可编程电源模组(22)将使能信号转化为相应的电流通入各电磁线圈，产生耦合空间磁场，以控制软体机器人(20)的运动。10.根据权利要求1所述的自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，其特征在于，所述软体机器人(20)上还安装有注射泵(21)。

技术总结
本发明公开了一种自适应式膝关节治疗软体机器人磁控系统，包括：上位机，用于根据膝关节尺寸形态数据得到最优电磁线圈空间分布，并将其转换为电机运动量；电磁线圈自适应调节模块，获取上位机发送的电机运动量，驱动电机使电磁铁运动至最优电磁线圈空间分布位置；电磁线圈模块，获取上位机发送的使能信号，向各电磁线圈通流，产生耦合空间磁场；软体机器人，基于电磁线圈模块产生的耦合空间磁场在膝关节腔内进行运动。腔内进行运动。腔内进行运动。


技术研发人员：胡松钰 胡家荣 崔武世 刘安 贺永 傅建中
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/1