CN105943161A - 基于医疗机器人的手术导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于医疗机器人的手术导航系统及方法，该方法包括步骤：控制第一机械手臂的超声波探头实时摄取目标组织器官的超声波图像；将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域；计算出病变区域的位置坐标；根据病变区域的位置坐标产生手术导航指令；控制超声波探头内的红外定位器产生红外导光点；根据手术导航指令驱动第一机械手臂移动方向使红外导光点照射在病变区域；控制第二机械手臂上的聚光灯发出聚光并照射在病变区域来消除背光阴影。本发明能够自动定位病变区域并指引医生手术，不仅方便医生手术而提高手术的效率，还提高了手术的准确性和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于医疗机器人的手术导航系统及方法。
背景技术
目前国内很多手术，诸如肾结石手术等，都是在手术前，拍摄X光片或核磁图片，医生根据医学这些影像寻找并记录结石或病变的具体位置，然后规划手术方案，最后在没有图像导引的情况下，由医生手持手术设备凭经验确定病变位置进行手术，这种手术操作存在风险极大，手术成功率低，手术创口多，手术时间长等诸多问题，亟待解决。就肾结石消石手术为例，目前国内医院的通用做法是：先进行核磁扫描，医生通过核磁图像计算出结石位置，由此确定穿刺的方向，穿刺的深度等信息。然而在手术过程中，由于病人的呼吸，人体的移动，结石位置会发生较大变化，医生只有凭经验估计结石位置，或者扩大穿刺孔通过肉眼观察结石，很容易造成穿刺过深，刺破血管，或者造成创面扩大，给病人造成较大的痛苦。
目前，手术导航系统不能自动识别出组织器官的病变区域，也不能自动指引医生找到病变区域，从而无法保证手术的准确性和安全性。此外，由于目标组织器官的结构复杂性，环境光线会对组织器官的病变区域产生背光阴影，从而在人手术过程中给医生带来视觉影响而不利于医生手术操作，进而影响到手术的准确性和安全性。再者，现有的手术导航系统需要医生手动调整超声波图像和病变区域的显示大小、显示角度以及显示方向，给医生手术过程带来不便而影响手术的效率。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于医疗机器人的手术导航系统及方法，旨在解决现有手术导航系统不能自动识别组织器官的病变区域，且由于环境光线会对病变区域产生背光阴影而影响手术的准确性和安全性的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于医疗机器人的手术导航系统，所述医疗机器人包括第一机械手臂、第二机械手臂以及机器人本体。所述基于医疗机器人的手术导航系统包括：影像获取模块，用于控制所述第一机械手臂的超声波探头实时摄取病人手术过程中目标组织器官的超声波图像；病理定位模块，用于将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域，以病人平躺的手术台为水平面并以所述超声波探头的位置和方向建立空间坐标系，以及基于所述空间坐标系计算出病变区域的位置坐标；手术导航模块，用于根据所述病变区域的位置坐标产生手术导航指令，控制所述超声波探头内的红外定位器产生红外导光点，以及根据所述手术导航指令驱动第一机械手臂移动方向使所述红外导光点照射在所述病变区域；照明聚光模块，用于控制所述第二机械手臂上的聚光灯发出聚光并照射在病变区域来消除环境光线对病变区域产生的背光阴影。
优选的，所述病理定位模块用于通过比较目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像确定两者的纹理分布差异，并根据两者的纹理分布差异定位出目标组织器官的病变区域，所述纹理分布差异包括人体组织器官发生病变的组织结构差异、尺寸大小差异以及外形轮廓差异。
优选的，所述手术导航指令包括所述第一机械手臂与目标组织器官的病变区域之间的距离与方向信息，所述红外导光点为一种用于在病人手术过程中指引医生找出组织器官病变位置的可视红外圆点。
优选的，所述基于医疗机器人的手术导航系统还包括导航显示模块，用于根据所述手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在设置所述机器人本体表面的显示屏上，以供医生在手术过程中作手术参考。
优选的，所述导航显示模块用于根据所述第一机械手臂与目标组织器官之间的距离大小自动调整超声波图像和病变区域的显示大小，并根据第一机械手臂与目标组织器官之间的方向自动调整超声波图像和病变区域在所述显示屏上的显示角度和显示方向。
为实现上述目的，本发明还提供了一种基于医疗机器人的手术导航方法，所述医疗机器人包括第一机械手臂、第二机械手臂以及机器人本体。所述基于医疗机器人的手术导航方法包括步骤：控制所述第一机械手臂的超声波探头实时摄取病人手术过程中目标组织器官的超声波图像；将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域；以病人平躺的手术台为水平面并以所述超声波探头的位置和方向建立空间坐标系；基于所述空间坐标系计算出病变区域的位置坐标；根据所述病变区域的位置坐标产生手术导航指令；控制所述超声波探头内的红外定位器产生红外导光点；根据所述手术导航指令驱动第一机械手臂移动方向使所述红外导光点照射在所述病变区域；控制所述第二机械手臂上的聚光灯发出聚光并照射在所述病变区域来消除环境光线对所述病变区域产生的背光阴影。
优选的，所述将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域的步骤包括如下步骤：比较目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像确定两者的纹理分布差异；根据所述纹理分布差异定位出目标组织器官的病变区域，所述纹理分布差异包括人体组织器官发生病变的组织结构差异、尺寸大小差异以及外形轮廓差异。
优选的，所述手术导航指令包括所述第一机械手臂与目标组织器官的病变区域之间的距离与方向信息，所述红外导光点为一种用于在病人手术过程中指引医生找出组织器官病变位置的可视红外圆点。
优选的，所述基于医疗机器人的手术导航方法还包括步骤：根据手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在设置所述机器人本体表面的显示屏上，以供医生在手术过程中作手术参考。
优选的，所述根据手术导航指令将超声波图像及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在设置所述机器人本体表面的显示屏上的步骤包括如下步骤：根据所述第一机械手臂与目标组织器官之间的距离大小自动调整超声波图像和病变区域的显示大小；根据第一机械手臂与目标组织器官之间的方向自动调整超声波图像和病变区域在所述显示屏上的显示角度和显示方向。
相较于现有技术，本发明所述基于医疗机器人的手术导航系统及方法采用上述技术方案，达到了如下技术效果：能够将手术过程中目标组织器官的超声波图像与手术前的参考图像相融合，自动识别出目标组织器官中病变区域并实时跟踪定位目标组织器官的病变区域，使病变区域的位置清晰可见并自动导航到病变区域指引医生手术，通过聚光灯发出的聚光照射消除了环境光线对病变区域产生的背光阴影，从而显著提高了手术的准确性和安全性。此外，本发明所述基于医疗机器人的手术导航系统及方法还能够将超声波图像和病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在所述显示屏上供医生在手术过程作手术参考，从而方便医生手术并提高了手术的效率。
附图说明
图1是本发明基于医疗机器人的手术导航系统优选实施例的应用环境示意图；
图2是图1中的医疗机器人的功能模块示意图。
图3是本发明基于医疗机器人的手术导航方法优选实施例的流程图。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成上述目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1所示，图1是本发明基于医疗机器人的手术导航系统优选实施例的应用环境示意图。在本实施例中，所述手术导航系统10安装并运行于医疗机器人01中，该医疗机器人01可以放置在手术室内，所述手术室内还放置有供病人平躺进行手术的手术台02。所述医疗机器人01包括，但不仅限于，第一机械手臂1、第二机械手臂2以及机器人本体3。所述第一机械手臂1上设置有超声波探头11，该超声波探头11用于在病人手术过程中通过超声波实时摄取病人组织器官的超声波图像，该超声波图像可以为组织器官的3D图像。所述超声波探头11内置有红外定位器12，用于在病人手术过程中产生一个指引医生找出组织器官病变位置的红外导光点。所述第二机械手臂2上设置有聚光灯13，该聚光灯13用于发出聚光并照射在病变区域来消除环境光线对病变区域产生的背光阴影。所述机器人本体3的外表面设置有显示屏14，该显示屏14用于显示病人手术过程中组织器官的超声波图像，以供医生在手术过程中作手术参考。
参照图2所示，图2是图1中的医疗机器人的功能模块示意图。在本实施例中，所述医疗机器人01包括，但不仅限于，手术导航系统10、超声波探头11、红外定位器12、聚光灯13、显示屏14、存储器15以及微处理器16。所述超声波探头11、红外定位器12、聚光灯13、显示屏14和存储器15均通过数据总线连接至微处理器16，并能通过所述微处理器16与所述手术导航系统10进行信息交互。所述存储器15可以为一种只读存储单元ROM，电可擦写存储单元EEPROM或快闪存储单元FLASH等存储单元，用于存储构成所述手术导航系统10的程序指令代码。所述微处理器16可以为一种微控制器(MCU)、数据处理芯片、或者具有数据处理功能的信息处理单元，用于执行所述手术导航系统10为病人手术过程中提供手术指引。
在本实施例中，所述手术导航系统10包括，但不局限于，影像获取模块101、病理定位模块102、手术导航模块103、照明聚光模块104以及导航显示模块105。本发明所称的模块是指一种能够被所述医疗机器人01的微处理器16执行并且能够完成固定功能的一系列计算机程序指令段，其存储在所述医疗机器人01的存储器15中。
所述影像获取模块101用于控制第一机械手臂1的超声波探头11实时摄取病人手术过程中目标组织器官的超声波图像。在本实施例中，所述超声波探头11可以采用三维超声波探头，其通过发射金字塔型容积超声束来实时获取目标组织器官的三维超声波图像。
所述病理定位模块102用于将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域。在本实施例中，所述正常组织器官的参考图像预先存在存储器15中，作为与超声波图像比较的参考依据。所述病理定位模块102通过比较目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像确定两者的纹理分布差异，并根据两者的纹理分布差异定位出目标组织器官的病变区域，所述纹理分布差异包括人体组织器官发生病变的组织结构差异、尺寸大小差异及外形轮廓差异。
所述病理定位模块102还用于以病人平躺的手术台02为水平面并以超声波探头11的位置和方向建立空间坐标系，以及基于该空间坐标系计算出病变区域的位置坐标。在本实施例中，所述病变区域的位置坐标包括病变区域相对于超声波探头11的位置和方向。参考图1所示，所述病理定位模块102根据病人平躺的手术台02为水平面并以超声波探头11的位置和方向建立空间坐标系XYZ，通过超声波探头11在空间坐标系XYZ下的位置和方向可以计算出超声波图像中任意一点在空间坐标系XYZ下的位置坐标，进而可以知道目标组织器官相对于超声波探头11的位置和方向。
所述手术导航模块103用于根据病变区域的位置坐标产生手术导航指令，控制超声波探头11内的红外定位器12产生红外导光点，以及根据手术导航指令驱动第一机械手臂1移动方向使红外导光点照射在病变区域。在本实施例中，所述手术导航指令包括第一机械手臂1与目标组织器官的病变区域之间的距离与方向信息，所述红外导光点为一种用于在病人手术过程中指引医生找出组织器官病变位置的可视红外圆点。所述手术导航模块103根据手术导航指令控制第一机械手臂1移动方向使红外导光点照射在目标组织器官的病变区域，进而辅助医生快速准确地找到目标组织器官的病变位置，有利于提高手术的准确性和安全性。
所述照明聚光模块104用于控制第二机械手臂2上的聚光灯13发出聚光并照射在目标组织器官的病变区域来消除环境光线对病变区域产生的背光阴影。由于目标组织器官的结构复杂性，环境光线会对组织器官的病变区域产生背光阴影，从而在人手术过程中给医生带来视觉影响而不利于医生手术操作，进而影响到手术的准确性和安全性。本实施例采用聚光灯13发出聚光并照射在目标组织器官的病变区域来消除环境光线对病变区域产生的背光阴影，从而提高手术照明度有利于医生手术操作的顺利完成，并提高了手术的准确性和安全性。
所述导航显示模块105用于根据所述手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在所述显示屏14上。在本实施例中，所述导航显示模块105根据第一机械手臂1与目标组织器官之间的距离大小来自动调整超声波图像和病变区域的显示大小，以及根据第一机械手臂1与目标组织器官之间的方向自动调整超声波图像以及病变区域在所述显示屏14上的显示角度和显示方向，以供医生在手术过程中作手术参考，从而进一步提高手术的准确性和安全性。
本发明还提供了一种基于医疗机器人的手术导航方法，应用于医疗机器人1中。参考图3所示，图3是本发明基于医疗机器人的手术导航方法优选实施例的流程图。在本实施例中，结合图1和图2所示，所述基于医疗机器人的手术导航方法包括如下步骤：
步骤S31，控制第一机械手臂的超声波探头实时摄取病人手术过程中组织器官的超声波图像；具体地，影像获取模块101控制第一机械手臂1的超声波探头11实时摄取病人手术过程中目标组织器官的超声波图像。在本实施例中，所述超声波探头11可以采用三维超声波探头，其通过发射金字塔型容积超声束，实时获取目标组织器官的三维超声波图像。
步骤S32，将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考图像作比较定位出目标组织器官的病变区域；具体地，病理定位模块102将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域。在本实施例中，所述病理定位模块102通过比较目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像确定两者的纹理分布差异，以根据两者的纹理分布差异定位出目标组织器官的病变区域，所述纹理分布差异包括人体组织器官发生病变的组织结构差异、尺寸大小差异及外形轮廓差异。
步骤S33，以患者平躺的手术台为水平面并以超声波探头的位置和方向建立空间坐标系；具体地，病理定位模块102以病人平躺的手术台02为水平面并以超声波探头11的位置和方向建立空间坐标系。在本实施例中，所述病变区域的位置坐标包括病变区域相对于超声波探头11的位置和方向。参考图1所示，所述病理定位模块102根据病人平躺的手术台02为水平面并以超声波探头11的位置和方向建立空间坐标系XYZ。
步骤S34，基于空间坐标系计算出病变区域的位置坐标；具体地，病理定位模块102通过超声波探头11在空间坐标系XYZ下的位置和方向计算出超声波图像中任意一点在空间坐标系XYZ下的位置坐标，进而可以知道目标组织器官相对于超声波探头11的位置和方向。
步骤S35，根据病变区域的位置坐标产生手术导航指令；具体地，手术导航模块103根据所述病变区域的位置坐标产生手术导航指令。在本实施例中，所述手术导航指令包括第一机械手臂1与目标组织器官的病变区域之间的距离与方向信息。
步骤S36，控制超声波探头内的红外定位器产生红外导光点；具体地，手术导航模块103控制超声波探头11内的红外定位器12产生红外导光点。在本实施例中，所述红外导光点为一种用于在病人手术过程中指引医生找出组织器官病变位置的可视红外圆点。
步骤S37，根据手术导航指令驱动第一机械手臂移动方向使红外导光点照射在病变区域；具体地，手术导航模块103根据所述手术导航指令控制第一机械手臂1移动方向使红外导光点照射在目标组织器官的病变区域，进而能够辅助医生快速准确地找到目标组织器官的病变位置，有利于提高手术的准确性和安全性。
步骤S38，控制第二机械手臂上的聚光灯发出聚光并照射在病变区域来消除环境光线对病变区域产生的背光阴影；具体地，照明聚光模块104控制第二机械手臂2上的聚光灯13发出聚光并照射在目标组织器官的病变区域来消除环境光线对病变区域产生的背光阴影。由于目标组织器官的结构复杂性，环境光线会对组织器官的病变区域产生背光阴影，从而在人手术过程中给医生带来视觉影响而不利于医生手术操作，进而影响到手术的准确性和安全性。本实施例采用聚光灯13发出聚光并照射在目标组织器官的病变区域来消除环境光线对病变区域产生的背光阴影，从而提高手术照明度有利于医生手术操作的顺利完成，并提高了手术的准确性和安全性。
步骤S39，根据手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在显示屏上；具体地，导航显示模块105根据所述手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在所述显示屏14上。在本实施例中，所述导航显示模块105根据第一机械手臂1与目标组织器官之间的距离大小来自动调整超声波图像和病变区域的显示大小，以及根据第一机械手臂1与目标组织器官之间的方向自动调整超声波图像以及病变区域在所述显示屏14上的显示角度和显示方向，以供医生在手术过程中作手术参考，从而进一步提高手术的准确性和安全性。
本发明所述基于医疗机器人的手术导航系统及方法能够将手术过程中目标组织器官的超声波图像与手术前的参考图像相融合，自动识别出目标组织器官中病变区域并实时跟踪定位目标组织器官的病变区域，使病变区域的位置清晰可见并自动导航到病变区域指引医生手术，通过聚光灯发出的聚光照射消除了环境光线对病变区域产生的背光阴影，从而显著提高了手术的准确性和安全性。此外，本发明所述基于医疗机器人的手术导航系统及方法还能够将超声波图像和病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在所述显示屏上供医生在手术过程作手术参考，从而方便医生手术并提高了手术的效率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效功能变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于医疗机器人的手术导航系统，所述医疗机器人包括第一机械手臂、第二机械手臂以及机器人本体，其特征在于，所述基于医疗机器人的手术导航系统包括：
影像获取模块，用于控制所述第一机械手臂的超声波探头实时摄取病人手术过程中目标组织器官的超声波图像；
病理定位模块，用于将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域，以病人平躺的手术台为水平面并以所述超声波探头的位置和方向建立空间坐标系，以及基于所述空间坐标系计算出病变区域的位置坐标；
手术导航模块，用于根据所述病变区域的位置坐标产生手术导航指令，控制所述超声波探头内的红外定位器产生红外导光点，以及根据所述手术导航指令驱动第一机械手臂移动方向使所述红外导光点照射在所述病变区域；
照明聚光模块，用于控制所述第二机械手臂上的聚光灯发出聚光并照射在所述病变区域来消除环境光线对所述病变区域产生的背光阴影。
2.如权利要求1所述的基于医疗机器人的手术导航系统，其特征在于，所述病理定位模块用于通过比较目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像确定两者的纹理分布差异，并根据两者的纹理分布差异定位出目标组织器官的病变区域，所述纹理分布差异包括人体组织器官发生病变的组织结构差异、尺寸大小差异以及外形轮廓差异。
3.如权利要求1所述的基于医疗机器人的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航指令包括所述第一机械手臂与目标组织器官的病变区域之间的距离与方向信息，所述红外导光点为一种用于在病人手术过程中指引医生找出组织器官病变位置的可视红外圆点。
4.如权利要求1至3任一项所述的基于医疗机器人的手术导航系统，其特征在于，该手术导航系统还包括导航显示模块，用于根据所述手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在设置所述机器人本体表面的显示屏上，以供医生在手术过程中作手术参考。
5.如权利要求4所述的基于医疗机器人的手术导航系统，其特征在于，所述导航显示模块用于根据所述第一机械手臂与目标组织器官之间的距离大小自动调整超声波图像和病变区域的显示大小，以及根据第一机械手臂与目标组织器官之间的方向自动调整超声波图像和病变区域在所述显示屏上的显示角度和显示方向。
6.一种基于医疗机器人的手术导航方法，所述医疗机器人包括第一机械手臂、第二机械手臂以及机器人本体，其特征在于，所述基于医疗机器人的手术导航方法包括步骤：
控制所述第一机械手臂的超声波探头实时摄取病人手术过程中目标组织器官的超声波图像；
将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域；
以病人平躺的手术台为水平面并以所述超声波探头的位置和方向建立空间坐标系；
基于所述空间坐标系计算出病变区域的位置坐标；
根据所述病变区域的位置坐标产生手术导航指令；
控制所述超声波探头内的红外定位器产生红外导光点；
根据所述手术导航指令驱动第一机械手臂移动方向使所述红外导光点照射在所述病变区域；
控制所述第二机械手臂上的聚光灯发出聚光并照射在所述病变区域来消除环境光线对所述病变区域产生的背光阴影。
7.如权利要求6所述的基于医疗机器人的手术导航方法，其特征在于，所述将目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像作比较定位出目标组织器官的病变区域的步骤包括如下步骤：
比较目标组织器官的超声波图像与正常组织器官的参考影像确定两者的纹理分布差异；
根据所述纹理分布差异定位出目标组织器官的病变区域，所述纹理分布差异包括人体组织器官发生病变的组织结构差异、尺寸大小差异以及外形轮廓差异。
8.如权利要求6所述的基于医疗机器人的手术导航方法，其特征在于，所述手术导航指令包括所述第一机械手臂与目标组织器官的病变区域之间的距离与方向信息，所述红外导光点为一种用于在病人手术过程中指引医生找出组织器官病变位置的可视红外圆点。
9.如权利要求6至8任一项所述的基于医疗机器人的手术导航方法，其特征在于，该方法还包括步骤：
根据手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在设置所述机器人本体表面的显示屏上，以供医生在手术过程中作手术参考。
10.如权利要求9所述的基于医疗机器人的手术导航方法，其特征在于，所述根据手术导航指令将超声波图像以及病变区域进行放大并按照不同角度实时显示在设置所述机器人本体表面的显示屏上的步骤包括如下步骤：
根据所述第一机械手臂与目标组织器官之间的距离大小自动调整超声波图像和病变区域的显示大小；
根据第一机械手臂与目标组织器官之间的方向自动调整超声波图像和病变区域在所述显示屏上的显示角度和显示方向。
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