智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)。其特征在于由機器人本體和圖像處理系統(tǒng)兩部分組成，機器人本體和圖像處理系統(tǒng)之間通過無線網絡進行數(shù)據通訊；所述的機器人本體設有執(zhí)行模塊、控制模塊、壓力傳感器模塊、A/D轉換單元和電機驅動模塊；所述的圖像處理系統(tǒng)包括PC、校準模塊和雙目視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過圖像處理技術來實現(xiàn)術前穿刺的路徑規(guī)劃；通過機器人自動控制技術來實現(xiàn)術中穿刺動作的執(zhí)行；通過集成的壓力傳感器模塊來對穿刺中的穿刺針的軸向受力進行實時檢測和采集，實現(xiàn)穿刺過程的全程監(jiān)測，能夠有效避免手動穿刺可能會帶來的意外的發(fā)生；整個系統(tǒng)的結構、邏輯簡單，可信度高。
【專利說明】
智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)
技術領域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)?！颈尘凹夹g】
[0002]脊椎麻醉即為將局麻藥注入到硬膜外腔或蛛網膜下腔，阻滯脊神經根而使相應部位產生麻痹?，F(xiàn)有的脊椎麻醉操作一般采用徒手定位或者放射性監(jiān)控下來確定體表進針點和方向，但是不精準的進針常導致一些常見的并發(fā)癥，硬膜外腔穿刺時用力過大導致的硬膜外血管出血以及硬膜外導管誤置進入蛛網膜下腔，給診斷性監(jiān)測的數(shù)據分析帶來一定的干擾。誤置導管還存在將一些無效、有毒或可致死的其他物質(如麻醉劑、抗生素、化療試劑或其他診斷試劑等)引入機體。另外，脊椎穿刺后的并發(fā)癥脊椎性頭疼也會給患者生活帶來受到額外的困擾和痛苦。
【發(fā)明內容】

[0003]針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種可進行術前穿刺路徑的線性規(guī)劃、術中穿刺動作的執(zhí)行以及麻醉穿刺過程的安全性能監(jiān)控的智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過圖像處理技術來實現(xiàn)術前穿刺的路徑規(guī)劃;通過機器人自動控制技術來實現(xiàn)術中穿刺動作的執(zhí)行;通過集成的壓力傳感器模塊來對穿刺中的穿刺針的軸向受力進行實時檢測和采集，實現(xiàn)穿刺過程的全程監(jiān)測，能夠有效避免手動穿刺可能會帶來的意外的發(fā)生;整個系統(tǒng)的結構、邏輯簡單，可信度高。
[0004]所述的智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)，其特征在于由機器人本體和圖像處理系統(tǒng)兩部分組成，機器人本體和圖像處理系統(tǒng)之間通過無線網絡進行數(shù)據通訊；所述的機器人本體設有執(zhí)行模塊、控制模塊、壓力傳感器模塊、A/D轉換單元和電機驅動豐吳塊，所述的壓力傳感器模塊能實時檢測穿刺針受到的軸向力；所述的控制模塊會根據壓力傳感器模塊實時采集的壓力值對穿刺針的軸向受力進行分析，通過受力值的變化來判斷穿刺針穿透不同組織時的臨界點，實現(xiàn)穿刺過程的全程監(jiān)測;所述的控制模塊的信號輸入端通過A/D轉換單元與壓力傳感器模塊的輸出端連接，控制模塊的控制信號輸出端與電機驅動模塊的控制信號輸入端連接，控制模塊能夠通過通訊接口與圖像處理系統(tǒng)進行無線通訊；所述的執(zhí)行模塊是基于5軸關節(jié)臂的機器人模塊，包括機座以及設置于機座上方并與機座相連接的3軸關節(jié)定位機構，3軸關節(jié)定位機構與二自由度的旋轉臂串聯(lián)設置;所述的二自由度的旋轉臂能夠持握置針用的機械手，并在二自由度的旋轉臂末端安裝所述的壓力傳感器模塊；所述的圖像處理系統(tǒng)包括PC、校準模塊和雙目視覺系統(tǒng)，PC為高端個人電腦，作為圖像處理系統(tǒng)的硬件平臺；所述的校準模塊由三塊校準板所組成，包括上平面標志板、下平面標志板和矩陣校正板，上平面標志板、下平面標志板和矩陣校正板依次安裝在C形臂X光機的影像增強器上，其中上平面標志板和下平面標志板上分別嵌入三顆排布方式一致的直徑為2mm的鋼珠球，作為圖像匹配的標志點，利用C臂X光機的C型臂上的X光發(fā)射源的照射在成像平面上形成校準圖像，通過PC對圖像與校準模塊進行坐標統(tǒng)一;所述的矩陣校正板的正面均勻分布有15x15 的間距為l〇mm的直徑2mm鋼珠球，作為圖像畸變校正的標志點，利用C型臂上的X光發(fā)射源的照射在成像平面上形成校正圖像，通過PC對透視圖像進行畸變校正;所述的校準模塊的底部分布有3顆表示校準模塊坐標平面的直徑2mm鋼珠球；所述的雙目視覺系統(tǒng)包括1個高清攝像頭，通過移動固定距離來獲取不同時刻同一個標志點的不同角度的兩幅數(shù)字圖像，并基于雙目視覺原理而構建出的雙目視覺系統(tǒng)，用于統(tǒng)一校準模塊與機器人模塊的坐標系。
[0005]所述的智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)，其特征在于該智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)的操作步驟如下:(一)校準操作:1)將校準模塊安裝在C臂X光機的影像增強器上，先裝上矩陣校正板，通過C臂X光機獲取透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對畸變圖像的校正；2)取下矩陣校正板，然后裝上上平面標志板、下平面標志板，通過C臂X光機獲取透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像坐標與校準模塊坐標的統(tǒng)一；(二)進針操作:a)將患者放置于C臂X光機的影像增強器和X光發(fā)射源之間，通過C臂X光機獲取病灶的透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng);然后在圖像處理系統(tǒng)的人機交互界面上選取進針點，確認無誤后運行；圖像處理系統(tǒng)經過運算后，將計算結果通過無線網絡發(fā)送給機器人本體；b)機器人本體接收到計算結果后，其控制模塊將控制執(zhí)行模塊進行進針操作;在進針過程中，通過壓力傳感器模塊進行力學監(jiān)控，當穿透黃韌帶時，機器人會立即停止進針操作，并提示術中操作者可以進行輸麻藥操作；c)完成輸麻藥操作后，術中操作者可通過圖像處理系統(tǒng)的人機交互界面給機器人發(fā)送退針指令，當機器人接收到退針指令后，機器人會沿著進針路線退出麻醉針。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:1)本發(fā)明可以通過術中的2D的C臂X光機的透視圖像來進行線性定位，即利用2D的C臂X 光機的透視圖像計算出進針點及進針方向；而現(xiàn)有的脊椎麻醉操作一般采用徒手定位或者放射性監(jiān)控下來確定體表進針點和方向，若采用徒手定位法，則無法精準定位，導致操作過程中反復進行打針操作，增加了病人的痛苦及麻醉的風險;若采用放射性監(jiān)控進行定位的方式，如CT等，這樣雖然能夠提高定位的精度，但是又讓病人在麻醉過程中遭受到了射線的傷害;而本發(fā)明僅僅通過一張術中的2D的C臂X光機的透視圖像便能計算出進針點及進針方向，這樣便減少了病人的痛苦，大大降低了麻醉的風險；2)現(xiàn)有的脊椎麻醉操作除了無法精準定位外，還存在徒手操作時穩(wěn)定性差的問題;而本發(fā)明使用機器人模塊進行進針操作，具有高穩(wěn)定性、高精確性的優(yōu)勢；3)在脊椎麻醉操作中，由于麻醉針穿透某些組織，如黃韌帶時，進針阻力較大，造成操作者無法掌控好進針力度，最終導致硬膜外血管出血以及硬膜外導管誤置進入蛛網膜下腔等一系列的問題，因此哪怕是擁有了放射性監(jiān)控設備的輔助，現(xiàn)有的脊椎麻醉操作仍然存在很大的風險和失敗率;而本發(fā)明在執(zhí)行機器人模塊的末端加裝了壓力傳感器模塊，對穿刺針受到的軸向力進行實時監(jiān)測，通過控制模塊的分析，可以清楚的知道當前麻醉針有沒有穿透關鍵組織，當麻醉針穿透的瞬間能讓其立刻停下，有效避免了麻醉針的誤置?！靖綀D說明】
[0007]圖1為智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)結構框圖；圖2為智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)的結構示意圖；圖3為上平面標志板不意圖；圖4為下平面標志板示意圖；圖5為矩陣校正板示意圖；圖6為校準模塊坐標標志點示意圖；圖7為穿刺過程的受力曲線示意圖；圖中:1-C臂X光機;2-影像增強器;3-X光發(fā)射源;4-患者；5-麻醉針或者導管;6-機械手;二自由度的旋轉臂;8-3軸關節(jié)定位機構;9-機座；10-雙目視覺系統(tǒng)；11-攝像頭初始位；12-攝像頭結束位；13-上平面標志板；14-下平面標志板；15-矩陣校正板；16-校準模塊坐標標志點?！揪唧w實施方式】
[0008]下面結合說明書附圖對本發(fā)明作進一步說明:圖1為本發(fā)明智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)結構框圖，包括有機器人本體和圖像處理系統(tǒng)兩大核心模塊。機器人本體和圖像處理系統(tǒng)之間通過無線網絡進行數(shù)據通訊。機器人本體設有執(zhí)行模塊、控制模塊、A/D轉換單元、電機驅動模塊和壓力傳感器模塊，其中的壓力傳感器模塊能實時檢測穿刺針受到的軸向力。而壓力傳感器模塊又通過A/D轉換單元與控制模塊相連，控制模塊通過電機驅動模塊與執(zhí)行模塊連接。控制模塊會根據壓力傳感器模塊實時采集的壓力值對穿刺針的軸向受力進行分析，圖6為穿刺過程的受力曲線示意圖，如圖所示，當進針至tl時刻時，進針阻力達到最大，當突破某組織(如黃韌帶)時，S卩t2時刻時， 進針阻力急速下降?？刂颇K通過受力值的變化來判斷穿刺針穿透不同組織時的臨界點， 實現(xiàn)穿刺過程的全程監(jiān)測，同時控制執(zhí)行模塊的運動。圖1所述的圖像處理系統(tǒng)包括有PC、 校準模塊和雙目視覺系統(tǒng)10。
[0009]圖2為本發(fā)明智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)的結構示意圖，所述的校準模塊由上平面標志板13、下平面標志板14、矩陣校正板15所組成，可安裝在C臂X光機1的影像增強器2 上。其中的上平面標志板13和下平面標志板14上分別嵌入三顆排布方式一致的直接為2mm 鋼珠球，如圖3、圖4所示，作為圖像匹配的標志點，利用C臂X光機的C型臂上的X光發(fā)射源的照射在成像平面上形成校準圖像，通過PC對圖像與校準模塊進行坐標統(tǒng)一；另外矩陣校正板15的正面均勻分布有15x 15的間距為10mm的直徑2mm鋼珠球，如圖5所示，利用C型臂上的X 光發(fā)射源的照射在成像平面上形成校正圖像，通過PC對透視圖像進行畸變校正。雙目視覺系統(tǒng)10安裝在機器人本體的執(zhí)行模塊的機座9上，與機座9保持有固定的相對位置關系。雙目視覺系統(tǒng)10包括有1個高清攝像頭，它是通過在攝像頭初始位11處拍攝一張校準模塊坐標標識平面上的校準模塊坐標標志點16的數(shù)字圖像，然后移動固定距離至攝像頭結束位12 處再拍攝一張校準模塊坐標標識平面上的校準模塊坐標標志點16的數(shù)字圖像，并基于雙目視覺原理而推導出校準模塊的坐標系與機器人模塊的坐標系的轉換關系，最終將坐標統(tǒng)一到機器人坐標系上。[〇〇1〇]雙目視覺系統(tǒng)已經是成熟技術，本發(fā)明僅是對其應用，因此雙目視覺系統(tǒng)在此不再贅述。
[0011]圖2中的3軸關節(jié)定位機構8與機座9連接，3軸關節(jié)定位機構8又與二自由度的旋轉臂7串聯(lián)設置，機械手6安裝在二自由度的旋轉臂7上，麻醉針或者導管5通過機械手6來握持。
[0012]本發(fā)明的操作步驟如下:(一)校準操作:1)將校準模塊安裝在c臂X光機1的影像增強器2上，先裝上矩陣校正板15,通過C臂X光機1獲取透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對畸變圖像的校正；2)取下矩陣校正板15,然后裝上上平面標志板13、下平面標志板14,通過C臂X光機1獲取透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像坐標與校準模塊坐標的統(tǒng)一；(二)進針操作:a)將患者4放置于C臂X光機1的影像增強器2和X光發(fā)射源3之間，通過C臂X光機1獲取病灶的透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng);然后在圖像處理系統(tǒng)的人機交互界面上選取進針點，確認無誤后運行，圖像處理系統(tǒng)經過運算后，將計算結果通過無線網絡發(fā)送給機器人本體；b)機器人本體接收到計算結果后，其控制模塊將控制執(zhí)行模塊進行進針操作;在進針過程中，通過壓力傳感器模塊進行力學監(jiān)控;當穿透某特定組織(如黃韌帶)時，機器人會立即停止進針操作，并提示術中操作者可以進行輸麻藥操作；c)完成輸麻藥操作后，術中操作者可通過圖像處理系統(tǒng)的人機交互界面給機器人發(fā)送退針指令;當機器人接收到退針指令后，機器人會沿著進針路線退出麻醉針。[〇〇13]該系統(tǒng)通過圖像處理技術來實現(xiàn)術前穿刺的路徑規(guī)劃;通過機器人自動控制技術來實現(xiàn)術中穿刺動作的執(zhí)行;通過集成的壓力傳感器模塊來對穿刺中的穿刺針的軸向受力進行實時檢測和采集，實現(xiàn)穿刺過程的全程監(jiān)測，能夠有效避免手動穿刺可能會帶來的意外的發(fā)生;整個系統(tǒng)的結構、邏輯簡單，可信度高。
[0014]應當指出，以上所述【具體實施方式】可以使本領域的技術人員更全面地理解本發(fā)明創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發(fā)明創(chuàng)造己進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護范圍當中。
【主權項】
1.智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)，其特征在于由機器人本體和圖像處理系統(tǒng)兩部分組 成，機器人本體和圖像處理系統(tǒng)之間通過無線網絡進行數(shù)據通訊；所述的機器人本體設有執(zhí)行模塊、控制模塊、壓力傳感器模塊、A/D轉換單元和電機驅 動豐吳塊，所述的壓力傳感器模塊能實時檢測穿刺針受到的軸向力；所述的控制模塊會根據壓力傳感器模塊實時采集的壓力值對穿刺針的軸向受力進行 分析，通過受力值的變化來判斷穿刺針穿透不同組織時的臨界點，實現(xiàn)穿刺過程的全程監(jiān) 測;所述的控制模塊的信號輸入端通過A/D轉換單元與壓力傳感器模塊的輸出端連接，控制 模塊的控制信號輸出端與電機驅動模塊的控制信號輸入端連接，控制模塊能夠通過通訊接 口與圖像處理系統(tǒng)進行無線通訊；所述的執(zhí)行模塊是基于5軸關節(jié)臂的機器人模塊，包括機座以及設置于機座上方并與 機座相連接的3軸關節(jié)定位機構，3軸關節(jié)定位機構與二自由度的旋轉臂串聯(lián)設置;所述的 二自由度的旋轉臂能夠持握置針用的機械手，并在二自由度的旋轉臂末端安裝所述的壓力 傳感器模塊；所述的圖像處理系統(tǒng)包括PC、校準模塊和雙目視覺系統(tǒng)，PC為高端個人電腦，作為圖像 處理系統(tǒng)的硬件平臺；所述的校準模塊由三塊校準板所組成，包括上平面標志板、下平面標志板和矩陣校正 板，上平面標志板、下平面標志板和矩陣校正板依次安裝在C形臂X光機的影像增強器上，其 中上平面標志板和下平面標志板上分別嵌入三顆排布方式一致的直徑為2mm的鋼珠球，作 為圖像匹配的標志點，利用C臂X光機的C型臂上的X光發(fā)射源的照射在成像平面上形成校準 圖像，通過PC對圖像與校準模塊進行坐標統(tǒng)一;所述的矩陣校正板的正面均勻分布有15x15 的間距為l〇mm的直徑2mm鋼珠球，作為圖像畸變校正的標志點，利用C型臂上的X光發(fā)射源的 照射在成像平面上形成校正圖像，通過PC對透視圖像進行畸變校正;所述的校準模塊的底 部分布有3顆表示校準模塊坐標平面的直徑2mm鋼珠球；所述的雙目視覺系統(tǒng)包括1個高清攝像頭，通過移動固定距離來獲取不同時刻同一個 標志點的不同角度的兩幅數(shù)字圖像，并基于雙目視覺原理而構建出的雙目視覺系統(tǒng)，用于 統(tǒng)一校準模塊與機器人模塊的坐標系。2.根據權利要求1所述的智能脊椎麻醉穿刺機器人系統(tǒng)，其特征在于該智能脊椎麻醉 穿刺機器人系統(tǒng)的操作步驟如下:(一)校準操作:1)將校準模塊安裝在C臂X光機的影像增強器上，先裝上矩陣校正板，通過C臂X光機獲 取透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)對畸變圖像的校正；2)取下矩陣校正板，然后裝上上平面標志板、下平面標志板，通過C臂X光機獲取透視圖 像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng)，實現(xiàn)圖像坐標與校準模塊坐標的統(tǒng)一；(二)進針操作:a)將患者放置于C臂X光機的影像增強器和X光發(fā)射源之間，通過C臂X光機獲取病灶的 透視圖像，并將透視圖像輸入至圖像處理系統(tǒng);然后在圖像處理系統(tǒng)的人機交互界面上選 取進針點，確認無誤后運行；圖像處理系統(tǒng)經過運算后，將計算結果通過無線網絡發(fā)送給機 器人本體；b)機器人本體接收到計算結果后，其控制模塊將控制執(zhí)行模塊進行進針操作;在進針 過程中，通過壓力傳感器模塊進行力學監(jiān)控，當穿透黃韌帶時，機器人會立即停止進針操 作，并提示術中操作者可以進行輸麻藥操作；C)完成輸麻藥操作后，術中操作者可通過圖像處理系統(tǒng)的人機交互界面給機器人發(fā)送 退針指令，當機器人接收到退針指令后，機器人會沿著進針路線退出麻醉針。
【文檔編號】A61B17/34GK105963018SQ201610268405
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】何濱
【申請人】何濱