運(yùn)用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)用于癌癥治療的機(jī)器人

The Challenge:

開發(fā)自動(dòng)化操作機(jī)器人，為癌癥病人進(jìn)行光動(dòng)力療法 (PDT)治療。

The Solution:

使用圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出動(dòng)作精準(zhǔn)又能正確執(zhí)行 PDT 療法的機(jī)器人。

"使用LabVIEW讓機(jī)器人動(dòng)作更加平穩(wěn)，減少突然的移轉(zhuǎn)動(dòng)作，節(jié)省了時(shí)間，并能做到更好的治療效果。"



使用NI LabVIEW精確控制用于光動(dòng)力療法癌癥病人的機(jī)器手臂。

治療癌癥時(shí)，腫瘤科醫(yī)師會(huì)根據(jù)腫瘤的類型與早晚期，從幾種療法中挑選適合的。目前最常見的療法是光動(dòng)力療法、手術(shù)、放射治療、化學(xué)療法、荷爾蒙療法及免疫療法。

PDT 是一種特殊的光線療法，“光線療法”一詞泛指所有運(yùn)用光線對(duì)病人的身體產(chǎn)生幫助的療法。PDT 這種新技術(shù)能夠在不傷害正常組織的情況下殺死有問題的組織。

進(jìn)行 PDT 療法時(shí)，將一種稱作光敏感劑的藥物注射入病人體內(nèi)。光敏感劑本身是無害的，對(duì)健康或不正常的組織都不會(huì)造成影響。但是，如果用激光照射涂有光敏感劑的組織時(shí)，光敏感劑就會(huì)被活化，只要受到光照射的組織就會(huì)很快地被殺死。因此這項(xiàng)技術(shù)要求光束精確地會(huì)聚到不正常組織，以發(fā)揮更好的療效。

機(jī)器人

在黎巴嫩大學(xué)，我們開發(fā)了一種自動(dòng)化操作機(jī)器人，其主要功能包括在執(zhí)行 PDT 療法時(shí)快速掃過病人的皮膚。機(jī)器人會(huì)以圓形或橢圓形等幾何圖形的方式移動(dòng)激光頭，將其對(duì)準(zhǔn)病人的患處以摧毀腫瘤。

要在病人的身體上畫出幾何圖形需要5種動(dòng)作：

* 3 種平移操作

* 其中Z方向用于垂直控制用于治療的激光頭

* 兩種旋轉(zhuǎn)動(dòng)作

為了做到這 五種動(dòng)作，指令系統(tǒng)必須產(chǎn)生指令信號(hào)，通過電路連接電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，從而控制五個(gè)相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)。
指揮系統(tǒng)

National Instruments LabVIEW直接控制四個(gè)步進(jìn)電機(jī) (X、Y、θ 與 Φ)；第五個(gè)電機(jī) (Z) 則由 Microchip Technology PICmicro 微控制器來控制。NI PCI-7334運(yùn)動(dòng)控制器使用雙控制器架構(gòu)，由一個(gè)中央處理器 (CPU) 和一個(gè)DSP組成運(yùn)動(dòng)控制器的骨干。

在運(yùn)動(dòng)控制器的驅(qū)動(dòng)軟件方面，PCI-7334 使用 NI LabVIEW 編程與 Measurement & Automation Explorer (MAX)中的設(shè)置相結(jié)合，產(chǎn)生指令信號(hào)以轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。在MAX設(shè)置中，我們使用CW/CCW脈沖步進(jìn)輸出設(shè)置；第一個(gè)輸出在順時(shí)鐘移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生CW脈沖，第二個(gè)輸出在逆時(shí)針移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生CCW脈沖。

電路連接

機(jī)器頭上有八個(gè)光學(xué)開關(guān)傳感器，可以監(jiān)測出前方一厘米之內(nèi)的物品，從而得知傳感器與下方表面的距離。

為了保護(hù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不受其他物體損壞，也為了檢測軌跡限制，每個(gè)軸都使用了 兩 個(gè)實(shí)體限位開關(guān)，一個(gè)向前，另一個(gè)向后。所有的傳感器、限位開關(guān)、以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都通過可以通過NI UMI-7764運(yùn)動(dòng)接口模塊直接連接到 PCI-7334上。

X、Y、θ 與 Φ 軸的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與限位開關(guān)連接到 UMI-7764 的四個(gè)運(yùn)動(dòng)I/O接線端。為了確保五個(gè)軸同步移動(dòng)，第一和第三個(gè)UMI-7764斷點(diǎn)(breakpoints)作為輸入端與第五個(gè)電機(jī)(Z軸)的微控制器相連。四個(gè)傳感器連到UMI-7764的模擬輸入接線端，其它的傳感器則連到觸發(fā)/斷點(diǎn)接線端。此外，一個(gè)控制桿使系統(tǒng)使用起來更便利。參數(shù)隨時(shí)可以修改，系統(tǒng)隨時(shí)可以被暫停，激光頭的位置也可以調(diào)整。一條SH68‑C68‑S 連接線將電機(jī)控制器與UMI-7764相連。

軟件開發(fā)

我們將機(jī)器人配置簡化成 2D 應(yīng)用，并使用LabVIEW仿真動(dòng)作，作為開發(fā)軟件的第一步。然后用同樣的方法將其推廣運(yùn)用到 3D 問題上。最終操作機(jī)器人軟件的核心就是3D仿真的程序，只不過增加了讀取實(shí)際的傳感器信號(hào)并控制實(shí)際的電機(jī)。

這些程序的主要任務(wù)就是先讀取傳感器的狀態(tài)（開或關(guān)），然后定義機(jī)器頭的動(dòng)作。

NI產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)

與基于文本的編程語言不同的是，LabVIEW使用圖標(biāo)代替文字，大大簡化了軟件開發(fā)的過程。此外，LabVIEW 擁有大量函數(shù)庫，包含了多種用途的子VI(例如 FlexMotion)，這類子VI已經(jīng)在我們的軟件中廣泛使用了。

PCI-7334 運(yùn)動(dòng)控制器提供了最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用中所需的性能與執(zhí)行確定性，可以做到完成指令、同步、I/O、以及系統(tǒng)監(jiān)督。使用LabVIEW讓機(jī)器人動(dòng)作更加平穩(wěn)，減少突然的移轉(zhuǎn)動(dòng)作，節(jié)省了時(shí)間，并能做到更好的治療效果。