專利名稱：主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型是一種主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，屬于主從式微 創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著科技的發(fā)展，醫(yī)用機器人系統(tǒng)在機器人研究領(lǐng)域中成為了最活躍和投資最多 的方向之一，而微創(chuàng)外科手術(shù)(MIQ又是醫(yī)用機器人中最為熱點的一個應(yīng)用。微創(chuàng)手術(shù)機 器人系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)中的微創(chuàng)手術(shù)和機器人技術(shù)相結(jié)合的典型產(chǎn)物，它的成功應(yīng)用使得微創(chuàng) 手術(shù)在精確度、可靠性和操控性方面產(chǎn)生了質(zhì)的提高。比較成熟的應(yīng)該是美國Computer Motion公司研制的用于協(xié)助微創(chuàng)手術(shù)的內(nèi)窺鏡自動定位系統(tǒng)(伊索Aesop)和^US系統(tǒng)。 其中伊索Aesop采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，^US系統(tǒng)采用主從手搖操作技術(shù)，這兩者都可以模仿人手 臂的功能，可以更加精確和穩(wěn)定地控制手術(shù)。另外美國htuitive Surgical公司開發(fā)出 的達(dá)芬奇(Da Vinci)微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)已獲得歐洲CE和美國食品及藥物管理局 (FDA)認(rèn)證。該系統(tǒng)是采用主從手結(jié)構(gòu)，醫(yī)生在控制臺控制主操作手，由從操作手來具體實 現(xiàn)手術(shù)的過程，該系統(tǒng)中的主從操作手可以完成人手難以完成的極為精細(xì)的動作。整個手 術(shù)過程通過很小的手術(shù)切口就可以完成，減少了傷口感染的風(fēng)險，縮短了手術(shù)過程的時間 和患者術(shù)后的康復(fù)時間，提高了手術(shù)效果，減少了患者的痛苦。國內(nèi)在微創(chuàng)外科手術(shù)機器 人領(lǐng)域主要成果為由北京航空航天大學(xué)機器人所設(shè)計的神經(jīng)外科手術(shù)機器人。至今，已有 二十多家醫(yī)院采用了該手術(shù)機器人系統(tǒng)，并成功地完成了 5000多例手術(shù)，證明了改系統(tǒng)的 可靠性和優(yōu)點，取得了良好的臨床和社會效益。盡管微創(chuàng)手術(shù)在提高醫(yī)療手術(shù)質(zhì)量中發(fā)揮著很大的作用，在高精度和實時性能 方面MIS還有待提高。在一些需要手部直接介入、非遙感的微創(chuàng)手術(shù)中，由于人手部存在著 不同程度的震顫影響，手術(shù)過程中操作者手部的實際輸入信息與操作者所期望的輸入信息 存在一定的偏差，降低了像主從式MIS這種需要手部直接介入、非遙感的醫(yī)療手術(shù)的精度， 影響到了手術(shù)的質(zhì)量。這個手部震顫問題引起了很多學(xué)者的關(guān)注，也激發(fā)了我們對震顫研 究的興趣。震顫是一種疊加在期望信號上的隨機的類周期振蕩信號，主要表現(xiàn)在人的四肢和 頭部。震顫主要分為兩大類生理震顫和病理震顫。生理震顫是我們正常人與生俱來但并不 影響我們?nèi)粘Ｉ畹囊环N顫動。研究表明這種震顫是受人在日常生活中的壓力、神經(jīng)系統(tǒng) 還有一些其他因素所影響，具有很小的振幅，并且其能量譜主要分布在頻率為8Hz-12Hz的 范圍中。相反，病理震顫是由后天因素所造成的一種病態(tài)顫動，影響著很多人的正常生活， 甚至在某些場合下使得我們的正常操作無法實現(xiàn)。引起病理震顫的因素有很多，如小腦受 傷、腦麻痹、帕金森氏癥、多發(fā)性硬化癥和共濟(jì)失調(diào)等。病理震顫具有比較大的振幅，其能量 譜主要分布在2Hz-6Hz這樣的低頻范圍中。隨著機器人高新技術(shù)的發(fā)展，遙控機器人在醫(yī)療領(lǐng)域也得到了應(yīng)用。雖然遙控機 器人可以在一定程度上減少操作者手部震顫對手術(shù)的影響，但其實時性還有待提高。鑒于 需要手部直接介入。、非遙感的MIS可以使設(shè)備成本更低，并可提供更為實時的反饋信息，讓手術(shù)操作者感覺更加自然并能更好地發(fā)揮操作者的手術(shù)經(jīng)驗這些優(yōu)點，當(dāng)前在很多微創(chuàng) 手術(shù)中手術(shù)操作者比較青睞于需要手部直接介入的MIS，這也使得對手部震顫抑制的研究 顯得更加具有必要性。至今已有很多學(xué)者對震顫的抑制做了相關(guān)的研究并提出了許多可行的方法，其中 很多方法是通過低通、帶通濾波來實現(xiàn)的。這些方法主要有兩點不足，首先，在精確性方面， 由于這些濾波方法在濾波過程中頻帶寬度的設(shè)置很多就是一個確定的值，這在一定程度上 就會造成有用信息的丟失和震顫信息的保留，所以不能夠準(zhǔn)確地描述震顫信號。其次，在 實時性方面，由于濾波器的存在會在一定的程度上造成滯后效應(yīng)，使得操作者輸入的信號 得不到及時的處理，影響了手術(shù)的質(zhì)量。Jing ^iang和Fang Chu提出用三階AR模型可以 實現(xiàn)對震顫信號實時建模和預(yù)測。Riviere和Thakor所提出的自適應(yīng)陷波器在精確性和實 時性方面都有著很好的效果。該方法是從震顫信號的頻率、振幅和相位這三個方面采用基 于權(quán)值的線性傅里葉均衡器(WFLC)對震顫信號進(jìn)行建模，并產(chǎn)生與震顫信號的幅值和頻 率相同但相位相反的補償信號，再將此補償信號與操作者手部實際輸入的信號(含震顫) 相疊加就實現(xiàn)了對手部震顫的濾波。傅里葉分析法在一些方面所表現(xiàn)出的特性不如小波變換。比如在時頻特性方面， 由于傅里葉分析的權(quán)系數(shù)只是頻率的函數(shù)，而小波變換中的權(quán)系數(shù)是頻率和時間的二元函 數(shù)，這就使得小波變換的時頻特性要優(yōu)于傅里葉分析。傅里葉分析只能在頻域?qū)φ痤澬盘?分析，卻得不到其相對應(yīng)的時域信息，這勢必會影響到我們對震顫信號的分析。在局部化性 能方面，加窗傅里葉變換在時域中都取相同的窗寬，而小波變換的窗寬則是可調(diào)的，它在高 頻時使用短窗口，而在低頻時則使用寬窗口。小波變換所具有的自適應(yīng)的時頻窗，并可聚焦 分析信號的局部時域位置和局部頻段特性是傅里葉分析無法比擬的，這也是之所以人們把 小波變換稱之為“數(shù)學(xué)顯微鏡”。為了能夠精確地對震顫信號分析和建模我們需要采用一種 具有自適應(yīng)分辨特性的窗口，而小波變換中的自適應(yīng)窗口應(yīng)該值得我們?nèi)タ紤]。另外，傅里 葉分析適合于漸變信號和實時信號的處理，但不能敏感地反映信號的突變；而小波分析適 合于突變信號或具有孤立奇異性的函數(shù)的處理和自適應(yīng)信號的處理。由于操作者手部的震 顫隨著很多因素的影響的，比如手部運動軌跡、病理特征、心理因素和環(huán)境因素等，其中任 何一個因素的變化都可能導(dǎo)致手部震顫的突變，所以手部的震顫行為適合采用小波變換來 處理。鑒于傅里葉分析存在時域和頻域局部化的矛盾，缺乏空間局部性，而且操作者手部的 震顫是一種隨機的、不穩(wěn)定的、時變的信號。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于考慮上述問題而提供一種可達(dá)到很好的震顫濾除效果的 主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置。本實用新型方便實用。本實用新型的技術(shù)方案是本實用新型主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波 裝置，包括有震顫行為自適應(yīng)濾波裝置、主操作手、位置采集模塊、運動控制模塊、從操作手 驅(qū)動模塊、檢測模塊、從操作手、反饋模塊和計算機控制系統(tǒng)，操作者發(fā)出的操作信號經(jīng)由 震顫行為自適應(yīng)濾波裝置得到準(zhǔn)期望操作信號，并由準(zhǔn)期望信號驅(qū)動主操作手動作，與主 操作手相連的位置采集模塊采集主操作手空間位置信息，再將此位置信息傳送給運動控制 模塊，由計算機控制系統(tǒng)輔助運動控制模塊實現(xiàn)對主操作手空間位置信息的處理，并發(fā)出 從操作手的控制信號，該控制信號經(jīng)過從操作手驅(qū)動模塊放大后驅(qū)動從操作手動作，檢測模塊檢測從操作手驅(qū)動模塊中電機的電流、速度和位置信息，并反饋到運動控制模塊以實 現(xiàn)從操作手的閉環(huán)控制，計算機控制系統(tǒng)實現(xiàn)與震顫行為自適應(yīng)濾波裝置、運動控制模塊 和反饋模塊之間的通信和監(jiān)控。上述震顫行為自適應(yīng)濾波裝置包含慣性測量模塊、震顫濾波模塊、運算控制模塊 和主操作手驅(qū)動模塊；慣性測量模塊檢測操作者手部的空間位置加速度和關(guān)節(jié)角速度信 息，并將此傳輸給運算控制模塊，由運算控制模塊將位置加速度信號和關(guān)節(jié)角速度信號分 別轉(zhuǎn)換為空間位置信號和關(guān)節(jié)角度信號，并將此傳送給震顫濾波模塊，再由震顫濾波模塊 實現(xiàn)震顫的濾除，并得到準(zhǔn)期望操作信號，再將該準(zhǔn)期望操作信號輸入到運算控制模塊進(jìn) 行處理，并得到一個驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號經(jīng)由主操作手驅(qū)動模塊來驅(qū)動主操作手。上述慣性測量模塊包含一個三維加速度傳感模塊用于測量手術(shù)操作者手部在空
間的三維位置加速度即
權(quán)利要求1.一種主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于包括有震顫行為自 適應(yīng)濾波裝置(1)、主操作手( 、位置采集模塊( 、運動控制模塊(4)、從操作手驅(qū)動模塊 (5)、檢測模塊(6)、從操作手(7)、反饋模塊(8)和計算機控制系統(tǒng)(9)，操作者發(fā)出的操作 信號經(jīng)由震顫行為自適應(yīng)濾波裝置(1)得到準(zhǔn)期望操作信號，并由準(zhǔn)期望信號驅(qū)動主操作 手(2)動作，與主操作手(2)相連的位置采集模塊(3)采集主操作手空間位置信息，再將此 位置信息傳送給運動控制模塊G)，由計算機控制系統(tǒng)(9)輔助運動控制模塊(4)實現(xiàn)對 主操作手空間位置信息的處理，并發(fā)出從操作手(7)的控制信號，該控制信號經(jīng)過從操作 手驅(qū)動模塊( 放大后驅(qū)動從操作手(7)動作，檢測模塊(6)檢測從操作手驅(qū)動模塊(5) 中電機的電流、速度和位置信息，并反饋到運動控制模塊⑷以實現(xiàn)從操作手(7)的閉環(huán)控 制，計算機控制系統(tǒng)(9)實現(xiàn)與震顫行為自適應(yīng)濾波裝置(1)、運動控制模塊⑷和反饋模 塊(8)之間的通信和監(jiān)控。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于 上述震顫行為自適應(yīng)濾波裝置(1)包含慣性測量模塊(11)、震顫濾波模塊(12)、運算控制 模塊(1 和主操作手驅(qū)動模塊(14)；慣性測量模塊(11)檢測操作者手部的空間位置加速 度和關(guān)節(jié)角速度信息，并將此傳輸給運算控制模塊(13)，由運算控制模塊(1 將位置加速 度信號和關(guān)節(jié)角速度信號分別轉(zhuǎn)換為空間位置信號和關(guān)節(jié)角度信號，并將此傳送給震顫濾 波模塊(12)，再由震顫濾波模塊(12)實現(xiàn)震顫的濾除，并得到準(zhǔn)期望操作信號，再將該準(zhǔn) 期望操作信號輸入到運算控制模塊(1 進(jìn)行處理，并得到一個驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號經(jīng)由 主操作手驅(qū)動模塊(14)來驅(qū)動主操作手。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于 上述慣性測量模塊(11)包含一個三維加速度傳感模塊用于測量手術(shù)操作者手部在空間的三維位置加速度即Ι·,，，:，一個三維角速度傳感模塊用于測量手術(shù)操作者手部在空間的方位即JxJyJz。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于 上述震顫濾波模塊(1 采用模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FWNN)自適應(yīng)濾波器濾除操作者手部震顫 信號還原其期望信號；所述模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FWNN)自適應(yīng)濾波器基于模糊小波神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)對震顫信號的建模得到與震顫信號幅值和頻率相同但相位相反的補償信號χ' ,1'，ζ' 和θ' χ, θ ‘ y, θ ‘ 2;所述模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對震顫信號的建模過程包含輸入量的模糊 化、模糊規(guī)則匹配、模糊推理和逆模糊化；模糊小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含七層輸入層、模糊化層、 模糊規(guī)則層、小波網(wǎng)絡(luò)層、模糊推理層、重構(gòu)層和輸出層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于 上述運算控制模塊(1 包含模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(131)、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元(13 、帶寬濾波器(133)、 位姿采集單元(134)、逆運動學(xué)計算單元(13 和單關(guān)節(jié)控制單元(136)；該運算控制模塊 (13)與計算機控制系統(tǒng)(9)雙向通信，以實現(xiàn)運算和控制功能，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(131)將由 慣性測量模塊(11)采集的手部模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，再傳送給帶寬濾波器(133)，以 濾除慣性測量模塊(11)產(chǎn)生的時鐘噪聲信號，位姿采集單元(134)將經(jīng)帶寬濾波器(133)處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g位置信號和角度信號，并傳送給震顫濾波模塊(1 進(jìn)行濾 波處理，逆運動學(xué)計算單元(13 對震顫濾波模塊(1 輸出的準(zhǔn)期望信號進(jìn)行逆運動學(xué)計 算得到關(guān)節(jié)變量，由單關(guān)節(jié)控制單元(136)控制該關(guān)節(jié)變量，并輸出對主操作手的控制信 號，再由數(shù)模轉(zhuǎn)換單元(13 將此控制信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號直接傳送給主操作手驅(qū)動模塊 (14)以驅(qū)動主操作手。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于 上述主操作手驅(qū)動模塊(14)包含功率放大器(141)和壓電驅(qū)動裝置(142)，用以驅(qū)動主操 作手，使之按照手術(shù)操作者所期望的軌跡動作；從操作手驅(qū)動模塊(5)包含驅(qū)動器(51)、電 機(5 和傳動裝置(53)，實現(xiàn)DSP控制模塊和從操作手之間的驅(qū)動。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置， 其特征在于上述主操作手(2)直接與震顫行為自適應(yīng)濾波裝置(1)相連接，實現(xiàn)手術(shù)操作 者和微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)之間的人機對話；上述位置采集模塊( 實現(xiàn)對主操作手的位置 信息的采集，量化主操作手的運動軌跡，并把采集的位置信息直接傳入到運動控制模塊；上 述運動控制模塊(4)采用DSP控制器實現(xiàn)三閉環(huán)控制和PWM控制；所述三閉環(huán)控制的最外 環(huán)為位置控制環(huán)，最內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，中間一環(huán)為速度控制環(huán)，所述DSP控制器與計算機 控制系統(tǒng)實現(xiàn)雙向通信。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于 上述檢測模塊(6)實現(xiàn)檢測并提供三閉環(huán)控制的閉環(huán)反饋信號，包含A/D轉(zhuǎn)換器(61)、電流 傳感器(62)、光電編碼器(63)、QEP電路(64)和頻率測量電路(6 ；電機轉(zhuǎn)軸上的光電編 碼器(6 輸出的脈沖信號傳輸給QEP電路(64)和頻率測量電路(65)，脈沖信號經(jīng)QEP電 路(64)處理得到位置反饋信號，并傳送給運動控制模塊(4)中的位置控制環(huán)，脈沖信號經(jīng) 頻率測量電路處理，得到速度反饋信號，并傳送給運動控制模塊中的速度控制模塊，電 流傳感器(6 檢測電機繞組電流，并通過A/D轉(zhuǎn)換器(61)得到其數(shù)字電流信號，再將其傳 送給運動控制模塊(4)中的電流控制環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在于 上述從操作手(7)為微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)中最為關(guān)鍵與患者聯(lián)系最為密切的一個單 元，在其之上裝有手術(shù)器械，并由此完成主從式微創(chuàng)外科手術(shù)；上述反饋模塊(8)通過內(nèi)窺 鏡和監(jiān)視器以及計算機控制系統(tǒng)中的圖像處理單元實現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)過程的監(jiān)視和實時的信 息反饋，使整個主從式微創(chuàng)外科手術(shù)機器人系統(tǒng)為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置，其特征在 于上述計算機控制系統(tǒng)(9)包含通信單元(91)、運算控制單元(92)和圖像處理單元(93)； 所述運算控制單元(9 與自適應(yīng)濾波裝置(1)雙向通信，實現(xiàn)自適應(yīng)濾波裝置(1)中的數(shù) 模轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、逆運動學(xué)計算等運算，并對單關(guān)節(jié)控制器進(jìn)行監(jiān)控；運動控制模塊(4) 經(jīng)通信單元(91)與計算機控制系統(tǒng)(9)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸；圖像處理單元(93)接受反饋 模塊⑶中內(nèi)窺鏡(81)輸出的圖像信息，對此加以處理并傳送給反饋模塊⑶中的監(jiān)視 器(8 ；所述運算控制單元(9 和圖像處理單元(9 與其他模塊間的通信都由通信單元 (91)實現(xiàn)。
專利摘要本實用新型是一種主從式微創(chuàng)手術(shù)機器人系統(tǒng)的自適應(yīng)濾波裝置。包括震顫行為自適應(yīng)濾波裝置、主操作手、位置采集模塊、運動控制模塊、從操作手驅(qū)動模塊、檢測模塊、從操作手、反饋模塊和計算機控制系統(tǒng)組成；所述震顫行為濾波裝置實現(xiàn)濾除手術(shù)操作者手部震顫行為，最大限度地還原手術(shù)期望操作信號，所述濾波裝置中的主操作手驅(qū)動模塊用于驅(qū)動主操作手，通過位置采集模塊采集主操作手的位置信號，由所述運動控制模塊來處理采集的位置信號，并控制電機來驅(qū)動從操作手來完成手術(shù)的操作，最后通過反饋模塊提供實時的圖像反饋信息，形成一個閉環(huán)微創(chuàng)手術(shù)機器人控制系統(tǒng)。本實用新型可以有效地濾除手部震顫行為，保證了微創(chuàng)手術(shù)的高精度和可靠性。
文檔編號A61B19/00GK201814653SQ20102002684
公開日2011年5月4日 申請日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者劉治, 吳啟航, 章云 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)