一種圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及醫(yī)療機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人工智能的發(fā)展，智能手術(shù)機(jī)器人已經(jīng)逐漸成為國際研究熱點(diǎn)，如何輔助醫(yī)生精確、快速、安全地完成手術(shù)成為醫(yī)療機(jī)器人研究的核心問題。通常，開放式外科手術(shù)受限于醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)、技能，手術(shù)具有不確定性，而手術(shù)機(jī)器人的高精度操作能夠大大提高手術(shù)效率，降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，避免傷口感染，使病人傷口愈合更快。
[0003]1996年初，美國的Computer Mot1n公司推出了功能強(qiáng)大的ZEUS機(jī)器人外科手術(shù)系統(tǒng)，并用于微創(chuàng)傷手術(shù)，它突破了傳統(tǒng)微創(chuàng)傷手術(shù)的界限，減輕了醫(yī)生的工作強(qiáng)度，同時(shí)也大大降低了病人的痛苦。ZEUS系統(tǒng)的從操作系統(tǒng)的每個(gè)機(jī)械臂具有6+1個(gè)自由度，其中6個(gè)用于位姿調(diào)整，另外一個(gè)用于位置優(yōu)化。通過ZEUS系統(tǒng)，醫(yī)生可以在舒適的工作環(huán)境下操縱主手動(dòng)作，并通過監(jiān)視器實(shí)時(shí)監(jiān)視手術(shù)的過程；在手術(shù)地點(diǎn)，從手忠實(shí)地模擬并按比例縮放醫(yī)生用主手操作的動(dòng)作，完成手術(shù)。
[0004]2000年，美國Intuitive Surgical公司成功開發(fā)了 Da Vinci系統(tǒng)，并于2001年獲得美國FDA認(rèn)證開始實(shí)施腹腔微創(chuàng)外科手術(shù)。Da Vinci機(jī)械臂輔助微創(chuàng)傷手術(shù)系統(tǒng)包含一個(gè)主控制臺(tái)和一個(gè)手術(shù)操作器人。醫(yī)生通過主控制臺(tái)上雙目視孔可以觀察到手術(shù)區(qū)域的三維圖像。該系統(tǒng)的從動(dòng)操做車上有三條機(jī)械手臂，其中中間的手臂上裝有由雙目攝像頭而組成的可視化系統(tǒng)，兩個(gè)獨(dú)立的視覺信號(hào)傳到雙目視孔處合成來獲取真實(shí)的手術(shù)區(qū)域的三維圖像。
[0005]國內(nèi)最早由北京航天航空大學(xué)與海軍總醫(yī)院聯(lián)合研發(fā)的腦立體定向手術(shù)機(jī)械臂系統(tǒng)，在臨床成功實(shí)施無框架定位腦部手術(shù)40例(其中包括10例遠(yuǎn)程遙控操作手術(shù))，取得較為滿意效果。2010年，由天津大學(xué)、南開大學(xué)和天津醫(yī)科大學(xué)總醫(yī)院等聯(lián)合研制的“妙手A”系統(tǒng)被鑒定為國內(nèi)首次研制成功的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的手術(shù)機(jī)械臂，主要用于腹腔微創(chuàng)手術(shù)，在機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)、主從控制、立體圖像與系統(tǒng)集成等微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)上都有所突破。但是，現(xiàn)有的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)僅被應(yīng)用于外科手術(shù)，還未被應(yīng)用于人體表面；并且，它們沒有自主行動(dòng)的能力，必須由醫(yī)生進(jìn)行操作。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]針對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人系統(tǒng)尚未用于人體表面，并且沒有自主行動(dòng)能力的現(xiàn)狀，本實(shí)用新型提供了一種作用于人體表面的，可應(yīng)用于色素沉著病變激光微創(chuàng)手術(shù)中的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)，裝備有視覺伺服系統(tǒng)及六自由度輕量級(jí)機(jī)械臂，具有自主性，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化。
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。
[0008]本實(shí)用新型的圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)包括:機(jī)械臂、掃描儀、攝像頭、激光器、導(dǎo)光臂、末端夾持器、機(jī)架、病人活動(dòng)床和信息處理及控制終端；其中，導(dǎo)光臂連接激光器，將激光器發(fā)出的激光引導(dǎo)出；機(jī)械臂連接至信息處理及控制終端；機(jī)械臂通過末端夾持器與導(dǎo)光臂物理連接；掃描儀和攝像頭分別固定在同一個(gè)機(jī)架上，共同組成視覺伺服系統(tǒng)，視野為病人活動(dòng)床上的色素病變區(qū)域；掃描儀和攝像頭分別連接至信息處理及控制終端。
[0009]機(jī)械臂采用六自由度機(jī)械臂。
[0010]掃描儀為三維掃描儀，對(duì)色素病變區(qū)域進(jìn)行掃描，然后將三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口傳送至信息處理及控制終端，獲取位置的三維信息。
[0011]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn):
[0012]本實(shí)用新型基于三維圖像信息的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)，能夠精確識(shí)別色素病變區(qū)域，嚴(yán)格控制激光劑量，激光輻照在色素性病變區(qū)域，使激光微創(chuàng)手術(shù)更加高效、精確、安全，在獲得足夠病人信息后，系統(tǒng)自動(dòng)完成手術(shù)；作用于人體表面，可應(yīng)用于色素沉著病變激光微創(chuàng)手術(shù)中，裝備有視覺伺服系統(tǒng)及六自由度輕量級(jí)機(jī)械臂，具有自主性，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化；另外，智能化微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)拓展性強(qiáng)，可以應(yīng)用于多種基于體表的微創(chuàng)手術(shù)，如高強(qiáng)度聚焦超聲HIFU拉皮去皺手術(shù)。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實(shí)用新型的圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖；
[0014]圖2為本實(shí)用新型的圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0015]圖3為本實(shí)用新型的圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的控制方法的流程圖；
[0016]圖4為本實(shí)用新型的圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的自主激光輻照的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明。
[0018]如圖1所示，本實(shí)施例的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)包括:機(jī)械臂1、掃描儀2、攝像頭3、激光器4、導(dǎo)光臂5、病人活動(dòng)床6以及信息處理及控制終端7 ;其中，導(dǎo)光臂5連接激光器4，將激光器4發(fā)出的激光引導(dǎo)出；機(jī)械臂1連接至信息處理及控制終端7 ;機(jī)械臂通過末端夾持器與導(dǎo)光臂5物理連接，控制導(dǎo)光臂5的位置和方向，從而控制激光的輸出對(duì)準(zhǔn)病人活動(dòng)床6上的色素病變區(qū)域；掃描儀2和攝像頭3分別固定在同一個(gè)機(jī)架上，共同組成視覺伺服系統(tǒng)，視野均為病人活動(dòng)床6上的色素病變區(qū)域；掃描儀2和攝像頭3分別連接至信息處理及控制終端7。機(jī)械臂采用六自由度機(jī)械臂，掃描儀采用三維掃描儀；機(jī)械臂與激光器和導(dǎo)光臂分別位于病人活動(dòng)床6的兩側(cè)，活動(dòng)范圍覆蓋病人活動(dòng)床6的頭部區(qū)域。
[0019]圖2為本本實(shí)用新型的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0020]如圖3所示，本實(shí)用新型的圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)的控制方法，包括以下步驟:
[0021]1)對(duì)掃描儀和機(jī)械臂進(jìn)行聯(lián)合標(biāo)定，使二者工作在同一坐標(biāo)系；
[0022]2)將機(jī)械臂與導(dǎo)光臂連接，對(duì)機(jī)械臂末端進(jìn)行校正，使激光聚焦處設(shè)置為機(jī)械臂末端；
[0023]3)初始化標(biāo)定攝像頭，進(jìn)行圖像校準(zhǔn)；
[0024]4)將色素病變區(qū)域暴露在掃描儀和攝像頭的視野內(nèi)，掃描儀對(duì)色素病變區(qū)域進(jìn)行掃描，將數(shù)據(jù)傳輸至信息處理及控制終端，獲取色素病變區(qū)域的位置信息；
[0025]5)攝像頭對(duì)色素病變區(qū)域進(jìn)行成像，將色素病變區(qū)域的實(shí)時(shí)圖像傳輸至信息處理及控制終端，獲取色素病變區(qū)域的顏色特征；
[0026]6)信息處理及控制終端自動(dòng)分析色素病變區(qū)域的幾何特征和顏色特征，通過與預(yù)先設(shè)定好的專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)檢索對(duì)比，提取色素病變區(qū)域的紅R、綠G和藍(lán)B三種顏色的信息；
[0027]7)信息處理及控制終端中的專家系統(tǒng)根據(jù)提取的顏色特征信息確定輻照使用的激光的波長、強(qiáng)度及輻照時(shí)間；
[0028]8)根據(jù)攝像頭提供的實(shí)時(shí)圖像，精確定位色素病變區(qū)域的每個(gè)點(diǎn)的三位坐標(biāo)(X，1，z)，信息處理及控制終端根據(jù)采集到的圖像預(yù)先生成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)路徑；
[0029]9)信息處理及控制終端按照運(yùn)動(dòng)路徑控制機(jī)械臂的移動(dòng)，從而控制導(dǎo)光臂引導(dǎo)激光輻照于色素病變區(qū)域，進(jìn)行完全自主的激光輻照，直至機(jī)械臂按照預(yù)先生成的運(yùn)動(dòng)路徑完成全部操作，激光輻照自動(dòng)停止。
[0030]如圖4所示，自主激光輻照，具體包括以下步驟:
[0031]a)啟動(dòng)輻照程序:打開激光器，激光通過導(dǎo)光臂輻照在色素病變區(qū)域；
[0032]b)掃描儀實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)位置檢測(cè)，信息處理及控制終端判斷色素病變區(qū)域的位置是否發(fā)生位移，如果否，繼續(xù)進(jìn)行激光輻照，如果是，進(jìn)入步驟c);
[0033]c)判斷位移是否超過限定值，如果否，進(jìn)入步驟d)，如果是，則激光輻照停止；
[0034]d)信息處理及控制終端進(jìn)行位置校準(zhǔn)，判斷位置校準(zhǔn)是否成功，如果是，激光輻照繼續(xù)進(jìn)行，如果否，則激光輻照停止，避免發(fā)生危險(xiǎn)。
[0035]最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本實(shí)用新型，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本實(shí)用新型及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本實(shí)用新型不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本實(shí)用新型要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)，其特征在于，所述智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)包括:機(jī)械臂、掃描儀、攝像頭、激光器、導(dǎo)光臂、末端夾持器、機(jī)架、病人活動(dòng)床和信息處理及控制終端；其中，所述導(dǎo)光臂連接激光器，將激光器發(fā)出的激光引導(dǎo)出；所述機(jī)械臂連接至信息處理及控制終端；所述機(jī)械臂通過末端夾持器與導(dǎo)光臂物理連接；所述掃描儀和攝像頭分別固定在同一個(gè)機(jī)架上，共同組成視覺伺服系統(tǒng)，視野為病人活動(dòng)床上的色素病變區(qū)域；所述掃描儀和攝像頭分別連接至信息處理及控制終端。2.如權(quán)利要求1所述的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)，其特征在于，所述機(jī)械臂采用六自由度機(jī)械臂。3.如權(quán)利要求1所述的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)，其特征在于，所述掃描儀為三維掃描儀。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種圖像引導(dǎo)下的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)。本實(shí)用新型的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)包括：機(jī)械臂、掃描儀、攝像頭、激光器、導(dǎo)光臂、末端夾持器、機(jī)架、病人活動(dòng)床和信息處理及控制終端；本實(shí)用新型基于三維圖像信息的智能化激光微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)，能夠精確識(shí)別色素病變區(qū)域，嚴(yán)格控制激光劑量，激光輻照在色素性病變區(qū)域，使激光微創(chuàng)手術(shù)更加高效、精確、安全，在獲得足夠病人信息后，系統(tǒng)自動(dòng)完成手術(shù)；裝備有視覺伺服系統(tǒng)及六自由度輕量級(jí)機(jī)械臂，具有自主性，實(shí)現(xiàn)了完全自動(dòng)化；另外，智能化微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)拓展性強(qiáng)，可以應(yīng)用于多種基于體表的微創(chuàng)手術(shù)，如高強(qiáng)度聚焦超聲HIFU拉皮去皺手術(shù)。
【IPC分類】A61B5/00, A61N5/067
【公開號(hào)】CN205031756
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520747593
【發(fā)明人】任秋實(shí), 劉曦, 于澤寬, 楊昆, 李文昭, 江曉蕓, 王國鶴
【申請(qǐng)人】北京大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年9月24日