基于图形化系统癌症治疗的机器人设计开发

　　癌症（cancer），医学术语亦称恶性肿瘤（malignant neoplasm），中医学中称岩，为由控制细胞生长增殖机制失常而引起的疾病。癌细胞除了生长失控外，还会局部侵入周遭正常组织甚至经由体内循环系统或淋巴系统转移到身体其他部分。癌细胞的特点是：无限制、无止境地增生，使患者体内的营养物质被大量消耗；癌细胞释放出多种毒素，使人体产生一系列症状；癌细胞还可转移到全身各处生长繁殖，导致人体消瘦、无力、贫血、食欲不振、发热以及严重的脏器功能受损等等。与之相对的有良性肿瘤，良性肿瘤则容易清除干净，一般不转移、不复发，对器官、组织只有挤压和阻塞作用，但癌症（恶性肿瘤）还可破坏组织、器官的结构和功能，引起坏死出血合并感染，患者终由于器官功能衰竭而死亡。

　　治疗癌症时，肿瘤科医师会根据肿瘤的类型与早晚期，从几种疗法中挑选适合的。目前常见的疗法是光动力疗法、手术、放射治疗、化学疗法、荷尔蒙疗法及免疫疗法。

　　PDT 是一种特殊的光线疗法，“光线疗法”一词泛指所有运用光线对病人的身体产生帮助的疗法。PDT 这种新技术能够在不伤害正常组织的情况下杀死有问题的组织。

　　进行 PDT 疗法时，将一种称作光敏感剂的药物注射入病人体内。光敏感剂本身是无害的，对健康或不正常的组织都不会造成影响。但是，如果用激光照射涂有光敏感剂的组织时，光敏感剂就会被活化，只要受到光照射的组织就会很快地被杀死。创伤很小 借助光纤、内窥镜和其他介入技术，可将激光引导到体内深部进行治疗，避免了开胸、开腹等手术造成的创伤和痛苦。毒性低微 进入组织的光动力药物，只有达到一定浓度并受到足量光辐照，才会引发光毒反应杀伤肿瘤细胞，是一种局部治疗的方法。人体未受到光辐照的部分，并不产生这种反应，人体其他部位的器官和组织都不受损伤，也不影响造血功能，因此光动力疗法的毒副作用是很低微的。选择性好 光动力疗法的主要攻击目标是光照区的病变组织，对病灶周边的正常组织损伤轻微，这种选择性的杀伤作用是许多其他治疗手段难以实现的。适用性好 光动力疗法对不同细胞类型的癌组织都有效，适用范围宽；而不同细胞类型的癌组织对放疗、化疗的敏感性可有较大的差异，应用受到限制。可重复治疗　癌细胞对光敏药物无耐药性，病人也不会因多次光动力治疗而增加毒性反应，所以可以重复治疗。可姑息治疗　对晚期肿瘤患者，或因高龄、心肺肝肾功能不全、血友病而不能接受手术治疗的肿瘤患者，光动力疗法是一种能有效减轻痛苦、提高生活质量、延长生命的姑息性治疗手段。可协同手术提高疗效 对某些肿瘤，先进行外科切除，再施以光动力治疗，可进一步消灭残留的癌细胞，减少复发机会，提高手术的彻底性；对另一些肿瘤，有可能先做光动力治疗，使肿瘤缩小后再切除，扩大手术的适应证，提高手术的成功率。 因此这项技术要求光束地会聚到不正常组织，以发挥更好的疗效。

　　机器人

　　在黎巴嫩大学，我们开发了一种自动化操作机器人，其主要功能包括在执行 PDT 疗法时快速扫过病人的皮肤。机器人会以圆形或椭圆形等几何图形的方式移动激光头，将其对准病人的患处以摧毁肿瘤。

　　要在病人的身体上画出几何图形需要5种动作：

　　3 种平移操作

　　其中Z方向用于垂直控制用于治疗的激光头

　　两种旋转动作

　　为了做到这 五种动作，指令系统必须产生指令信号，通过电路连接电机驱动器，从而控制五个相应的步进电机。

　　指挥系统

　　ni.com/labview/zhs">National Instruments LabVIEW直接控制四个步进电机 （X、Y、θ 与 Φ）；第五个电机 （Z） 则由 Microchip Technology PICmicro 微控制器来控制。NI PCI-7334运动控制器使用双控制器架构，由一个中央处理器 （CPU） 和一个DSP组成运动控制器的骨干。

　　在运动控制器的驱动软件方面，PCI-7334 使用 NI LabVIEW 编程与 Measurement & Automation Explorer （MAX）中的设置相结合，产生指令信号以转动电机。在MAX设置中，我们使用CW/CCW脉冲步进输出设置；个输出在顺时钟移动时产生CW脉冲，第二个输出在逆时针移动时产生CCW脉冲。

　　电路连接

　　机器头上有八个光学开关传感器，可以监测出前方一厘米之内的物品，从而得知传感器与下方表面的距离。

　　为了保护运动系统不受其他物体损坏，也为了检测轨迹限制，每个轴都使用了 两 个实体限位开关，一个向前，另一个向后。所有的传感器、限位开关、以及电机驱动器都通过可以通过NI UMI-7764运动接口模块直接连接到 PCI-7334上。

　　X、Y、θ 与 Φ 轴的电机驱动器与限位开关连接到 UMI-7764 的四个运动I/O接线端。为了确保五个轴同步移动，和第三个UMI-7764断点（breakpoints）作为输入端与第五个电机（Z轴）的微控制器相连。四个传感器连到UMI-7764的模拟输入接线端，其它的传感器则连到触发/断点接线端。此外，一个控制杆使系统使用起来更便利。参数随时可以修改，系统随时可以被暂停，激光头的位置也可以调整。一条SH68?C68?S 连接线将电机控制器与UMI-7764相连。

　　软件开发

　　我们将机器人配置简化成 2D 应用，并使用LabVIEW仿真动作，作为开发软件的步。然后用同样的方法将其推广运用到 3D 问题上。终操作机器人软件的就是3D仿真的程序，只不过增加了读取实际的传感器信号并控制实际的电机。

　　这些程序的主要任务就是先读取传感器的状态（开或关），然后定义机器头的动作。

　　NI产品的优点

　　与基于文本的编程语言不同的是，LabVIEW使用图标代替文字，大大简化了软件开发的过程。此外，LabVIEW 拥有大量函数库，包含了多种用途的子VI（例如 FlexMotion）

　　PCI-7334 运动控制器就是控制电动机的运行方式：比如电动机在由行程开关控制交流接触器而实现电动机拖动物体向上运行达到指定位置后又向下运行，或者用时间继电器控制电动机正反转或转一会停一会再转一会再停。运动控制（MC）是自动化的一个分支，它使用通称为伺服机构的一些设备如液压泵，线性执行机或者是电机来控制机器的位置和/或速度。运动控制在机器人和数控机床的领域内的应用要比在专用机器中的应用更复杂，因为后者运动形式更简单，通常被称为通用运动控制（GMC）。提供了复杂的运动控制应用中所需的性能与执行确定性，可以做到完成指令、同步、I/O、以及系统监督。使用LabVIEW让机器人动作更加平稳，减少突然的移转动作，节省了时间，并能做到更好的治疗效果。

  

参考文献:

[1]. 2D  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/2D+_2205093.html.