CN107049497B - 穿刺导航机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿刺导航机器人系统，包括：影像设备，其拍摄术前病变区域图像；主机，其包括本地主机和远程主机，所述主机接收所述影像设备拍摄的图像，并处理生成3D图像，以使医生根据所述3D图像确定穿刺轨迹，并在所述主机上形成穿刺轨迹数据；机器人，其接收所述主机发送的穿刺轨迹数据，并根据所述数据进行穿刺手术；视频设备，其实时拍摄所述穿刺轨迹的影像并传送至主机，以使医生根据所述影像对手术轨迹进行实时改进和更新。其采用主机控制机器人进行穿刺手术操作，提高了定位精度和穿刺的稳定性，可以大大降低对手术医生的要求，减轻手术的难度，提高手术的成功率和诊疗的效果。

Description

穿刺导航机器人系统

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种穿刺导航机器人系统。

背景技术

CT导向下穿刺是当今介入诊疗中常用的手段，是CT导向下介入诊疗技术的基础，发展迅速，普及程度高，广泛应用于穿刺活检、囊肿及脓肿引流、肿瘤消融术(微波、射频、激光、氩氦刀、不可逆电穿孔、化学药物注射)、放射性粒子植入等。目前采用的经皮穿刺方法、尤其是一些难度较大的穿刺对手术医生的经验、技术水平要求非常高，同时由于采用CT引导，对手术医生造成一定程度的辐射损伤。虽然医疗机器人已经在国内外取得一些进展，但在介入手术应用依然存在许多问题，机器人功能相对简单，能够执行的手术种类少，例如，影像和机器人的结合、精确定位、多针操作等均不能实现。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种穿刺导航机器人系统，采用主机控制机器人进行穿刺手术操作，提高了定位精度和穿刺的稳定性，可以大大降低对手术医生的要求，减轻手术的难度，提高手术的成功率和诊疗的效果。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种穿刺导航机器人系统，包括：

机器人；

主机，其向所述机器人发送指令，以使所述机器人根据接收的指令进行动作；

视频设备，其实时拍摄所述机器人的动作影像，并将所述动作影像传送给主机，以使用户根据所述影像对指令进行实时改进和更新。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，还包括：

影像设备，其拍摄病变区域图像，并将所述图像传送给所述主机，所述主机接收所述影像设备拍摄的图像，并处理生成3D图像，以使用户根据所述3D图像在主机中输入指令；

传感器，其与所述主机和机器人分别连接，以将所述机器人与人体接触信息反馈至主机；

位置跟踪器，其与所述主机和机器人分别连接，以对所述机器人的动作定位。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述主机包括本地主机和远程主机，所述远程主机与所述本地主机无线连接，以在所述远程主机开启时，所述本地主机和远程主机的信息同步。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述主机可同时设置多个指令，并对多个指令进行检索，以避免指令间相互冲突。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述机器人上设置有呼吸门控，以减少所述指令执行时的呼吸位移。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述主机内设有虚拟现实技术，以实现远程和现场的实时互动。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述主机内设置有综合数据库，所述综合数据库内保存预定的指令数据和实际执行的指令数据。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述主机上设置有报警器，以在主机与机器人，主机与视频设备间信号中断时发出警报。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述主机根据预定指令预测所述指令执行后的效果，并在所述指令执行后记录实际产生的效果，以及将预测的指令执行后的效果和实际产生的效果合成对比图。

优选的是，所述的穿刺导航机器人系统中，所述穿刺导航机器人系统与放射性粒子植入治疗计划系统相兼容。

本发明至少包括以下有益效果：

本发明通过视频设备拍摄图像，使医生利用主机根据图像控制并指导机器人进行穿刺手术，使所述穿刺导航机器人系统能够利用机器人的准确性和不知疲倦的特点，提高手术的稳定性、安全性和准确性。

通过在手术中设置视频设备实施拍摄穿刺轨迹的影像，使得医生可以实时了解现场手术进行情况，以便对手术进行实时的指导改进和更新，便于提高手术的成功率。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的穿刺导航机器人系统的框架图；

图2为本发明所述的穿刺导航机器人系统的系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1和图2所示，本发明提供一种穿刺导航机器人系统，包括：机器人；主机，其向所述机器人发送指令，以使所述机器人根据接收的指令进行动作；视频设备，其实时拍摄所述机器人的动作影像，并将所述动作影像传送给主机，以使用户根据所述影像对指令进行实时改进和更新。

在上述方案中，所述穿刺导航机器人系统的具体工作流程为：医生在主机内输入指令，即预定的穿刺轨迹，主机根据穿刺轨迹进行模拟穿刺，并将穿刺轨迹数据传输给机器人，机器人根据数据进行穿刺手术，手术中，视频设备实时拍摄手术进程，并将视频信息传送至主机进行显示，医生根据视频信息对穿刺手术的轨迹进行实时的改进和更新，以提高了手术的成功率和准确性。

一个优选方案中，还包括：影像设备，其拍摄病变区域图像，并将所述图像传送给所述主机，所述主机接收所述影像设备拍摄的图像，并处理生成3D图像，以使用户根据所述3D图像在主机中输入指令；传感器，其与所述主机和机器人分别连接，以将所述机器人与人体接触信息反馈至主机；位置跟踪器，其与所述主机和机器人分别连接，以对所述机器人的动作定位。

在上述方案中，影像设备启动拍摄患者病变区域的图像，然后将图像信息传送给主机，主机将图像处理后形成3D图像，以此图像指导医生确定穿刺轨迹，使得医生了解病变区域更加直观具体，便于医生更便捷的做出手术规划。通过设置与主机和机器人分别连接的传感器，可以利用传感器将机器人与患者接触的信息反馈到主机上，从而可以根据反馈的信息对机器人的动作进行调整，可以为机器人提供触觉和远程医生的感觉，以便于机器人更好的融合到工作环境中去。通过设置与主机和机器人分别连接的位置跟踪器，使得影像设备和视频设备获得的图像和视频的坐标能够与机器人的坐标相匹配，即使得机器人的相对位置与患者位置相匹配，使得机器人的运动可以做到参数化，从而能够准确的定位到空间位置。位置跟踪器的种类有很多，不同的位置跟踪器的原理不同，使用的形式也不尽相同。例如：可在机器人每个自由度位置安装编码器，读出每一个自由度运动范围，经主机进行转换得到穿刺针位置；或者使用物理标记(marker)匹配，在手术床的相应位置安装多个marker，图像扫描以marker为基准。机器人执行手术前操作机器人末端穿刺针依次穿过marker；或者采用电磁定位，可以在病床或图像扫描仪器和穿刺针末端安装小块铁磁性材料，通过接收电磁信息确定机器人位置。位置跟踪器可以是光学的、磁性的、机械的或超声的均可。

一个优选方案中，所述主机包括本地主机和远程主机，所述远程主机与所述本地主机无线连接，以在所述远程主机开启时，所述本地主机和远程主机的信息同步。

在上述方案中，通过将主机设置为包括本地主机和远程主机，可以实现对机器人的远程操作，使得上级医生可足不出户亲自进行异地手术或者指导多地、多人进行影像设备和视频设备引导下的经皮穿刺手术。

一个优选方案中，所述主机可同时设置多个指令，并对多个指令进行检索，以避免指令间相互冲突。

在上述方案中，所述指令为穿刺轨迹，即主机上可以同时设置多条穿刺轨迹，并对多条穿刺轨迹进行相交轨迹检索，可以有效的防止穿刺轨迹在实际手术时发生碰撞，且便于医生根据模拟穿刺轨迹进行调整，简化了医生的工作，大大提高了工作效率和手术成功率。同时，本发明所述穿刺导航机器人系统可以同时设置最多60条穿刺轨迹，且机器人能够一次同时进行6个穿刺针的刺入，并通过多次重复实现60根穿刺针的刺入，能够满足大多数穿刺手术的需求，大大提高了手术效率。

一个优选方案中，所述机器人上设置有呼吸门控，以减少所述指令执行时的呼吸位移。

在上述方案中，通过在机器人上设置呼吸门控，使得所述穿刺导航机器人系统可以根据患者的呼吸情况，产生器官和组织的呼吸运动图像，医生可以依照呼吸运动图像对穿刺轨迹进行规划，从而有效的减少了穿刺轨迹的呼吸位移。

一个优选方案中，所述主机内设有虚拟现实技术，以实现远程和现场的实时互动。

在上述方案中，通过在主机内设置虚拟现实技术，实现了人机交互，即将手术现场场景仿真到远程医生，使医生有身临其境的手术效果，便于医生跟踪整个手术过程，并在需要人工干预时及时修正手术，并可远程人工控制机器人实施手术，实现远程医生的虚拟手术直接控制现场手术，即保证远程场景和现场场景的一致性。

一个优选方案中，所述主机内设置有综合数据库，所述综合数据库内保存预定的指令数据和实际执行的指令数据。

在上述方案中，通过在主机内设置综合数据库，可对手术的预定穿刺轨迹数据和实际手术时的穿刺轨迹数据进行记录和保存，以便于后续医生根据数据内容进行手术的改进，利于后续为患者提供更好的治疗方案。

一个优选方案中，所述主机上设置有报警器，以在主机与机器人，主机与视频设备间信号中断时发出警报。

在上述方案中，通过设置报警器，可在系统故障时及时报警，以利于医护人员及时采取相应措施。

一个优选方案中，所述主机根据预定指令预测所述指令执行后的效果，并在所述指令执行后记录实际产生的效果，以及将预测的指令执行后的效果和实际产生的效果合成对比图。

在上述方案中，通过将预测术后效果和实际产生的术后效果合成对比图，以便医生进行总结指定最佳手术方案，减少病人的痛苦，提高治疗效果。

一个优选方案中，所述穿刺导航机器人系统与放射性粒子植入治疗计划系统相兼容。

在上述方案中，所述穿刺导航机器人系统与放射粒子植入治疗计划系统(TPS)相兼容，使得所述穿刺导航机器人系统可导航TPS设计的穿刺路径，最多可同时指引6条穿刺路径，分批次可设定60条穿刺路径。

穿刺导航机器人系统采用新颖的影像技术、网络和智能机器人等高技术手段设计的远程控制CT导向下穿刺导航机器人系统，提供了一种CT导向下进行穿刺导航的机器人和远程设计手术方案及控制进行穿刺手术操作(含活检、消融、放射性粒子植入)的方法。机器人系统在患者旁边，通过机械臂完成各种导航或手术操作，助手医生在机器人系统边工作，更换器械和辅助操作，协助主刀医生完成远程手术操作，可以解决当前由人工进行手术存在的问题以及解决专家异地辅助进行手术的问题，解决手术中的准确定位稳定穿刺等技术难题，提高多支穿刺针进入人体的精度，可以大大降低对手术医生的要求，减轻手术的难度，提高手术的成功率和诊疗的效果。同时主治医生可以远程辅助操作手术机器人进行手术，极大提高手术的效率。

穿刺导航机器人系统用于辅助CT引导下经皮穿刺操作(含活检、消融、放射性粒子植入等)，经CT定位扫描、输入DICOM图像，设定三维穿刺路径，以激光引导穿刺方向，辅以呼吸门控最大限度减少呼吸位移。

传统的穿刺手术设备，仅需要成像设备，操作由医生完成。机器人系统由机器人、主机、位置位置跟踪器、传感器、通讯链路等，使机器人辅助穿刺手术系统能够利用机器人的准确性和不知疲倦的特点，提高手术的稳定性、安全性和准确性，机器人系统核心部分为辅助手术操作的机器人，为了保证机器人与医疗系统正确的融合，可以使用传感器，获得机器人与病变区域相互作用关系；使用位置位置跟踪器，比如电磁定位仪(EM)，将机器人相对位置与人体位置相匹配；使用主机机处理图像，进行手术规划，处理控制信号，并提供人机交互界面。

穿刺手术的过程可以分为轨迹规划与实际操作两部分，所以机器人系统辅助手术是以这两部分为基础提出改进的。轨迹规划是指医生根据病变区域图像信息，确定穿刺点与穿刺路径，实现是将通过影像设备获取的图像，传输给主机机后进行处理，得到器官及组织的3D图像，并根据病人的呼吸情况，产生器官和组织的呼吸运动图像，手术医生以此图像为基础进行术前规划；手术中继续实时获取影像，结合术前得到3D模型，可以对手术轨迹进行改进和更新。实际操作部分在原有医疗系统中完全由医生完成，新发明系统可以由机器人按照主机已确定的轨迹执行运动，提供准确可靠的穿刺动作或激光导航路径。

位置跟踪器是机器人的指南针，图像扫描得到的空间和机器人是两个独立的不同的坐标系，借助于位置跟踪器将两个坐标系匹配，这样使得机器人的运动可以做到参数化，能够准确地定位到医疗系统的空间位置。穿刺手术中，应用的穿刺导航机器人系统应该考虑到人体解剖学特点。安装传感器，将机器人与人体接触信息反馈到主机，从而调整机器人的运动，使机器人与环境的接触是柔性或者半柔性的。

机器人接收来自主机的命令，辅助医生执行手术操作，机器人要代替医生或给医生指引穿刺位置及方向完成穿刺的操作。穿刺针的穿刺过程包含三个阶段：(1)选择穿刺点，这部分工作是指移动穿刺末端到皮肤表面的穿刺点。(2)选择穿刺路径，穿刺针绕皮肤上的穿刺针进入点进行三维度旋转。(3)沿直线轨迹穿刺，直到针末端到达目标点。对于机器人而言，这三项任务可以分成不同的机械运动执行，一方面可以保证穿刺过程中针体方向不会突然变动，另一方面使手术对病人组织伤害达到最小。

系统操作过程：

(1)现场CT定位扫描。

(2)生成DICOM图像。

(3)数据传输至主机。

(4)远程或本地设置三维穿刺路径，最多产生60条穿刺路径，并自动进行相交路径检索，回避穿刺过程中的碰撞。

(5)实现呼吸门控，减少呼吸位移。

(6)穿刺路径通过互联网传输到机器人。

(7)远程或本地控制机器人机械臂和导航爪移动。

(8)远程或本地控制调整导航爪上激光头的方向和角度，产生激光穿刺路径和穿刺深度。

(9)一次控制6个激光头，产生6条穿刺路径。

(10)最多可分10批次设置穿刺路径，一次最多6条穿刺路径，产生最多60条的导航路径。

(11)由机器人根据手术方案自动实现将机械臂移动到手术位置，并实现将手术针插入病患部位，插入的位置、角度和深度由手术预案决定，一次最多可插入6根针，通过多次移动实现最多60根针的自动插入，同时可以通过实时影像系统判断是否和预案一致，如果不一致可实时调整。

(12)远程、现场数据通过互联网实时交互，出现故障产生紧急报警信号。

(13)实时现场视频图像和远程视频图像可以实时传输，实现互动。

(14)视频设备自动检测针刺位置是否和手术预案一致，如有位移，立即通知医生进行修正。

(15)手术完成后实现机器人自动归位。

(16)与放射性粒子植入治疗计划系统(TPS)兼容。

(17)操作过程中由本系统的虚拟现实的机器人系统，实现将现场场景仿真到远程医生，实现远程医生的虚拟手术直接控制现场手术，实现远程场景和现场场景的一致性。

穿刺导航机器人系统主要包括物理平台和软件平台两部分，物理平台包括远程端的数据检测系统，医疗影像系统、自动穿刺定位机器人及机器人控制平台(即主机，包括本地及远程)。软件平台包括视频传输、影像传输、数据传输、操作指导、自动控制等部分。系统通过医疗影像系统将病人的CT影像资料和病历传送到远端的医疗平台，远端的主治医生通过影像资料和病历作出手术方案，并可在电脑上模拟穿刺过程，将方案下传到手术室，远程穿刺定位机器人根据手术方案自动实现将机械臂移动到手术位置，并实现将手术针插入病患部位，插入的位置、角度和深度由手术预案决定，一次最多可插入6根针，通过多次移动实现最多60根针的自动插入，同时可以通过实时影像系统判断是否和预案一致，如果不一致可实时调整，远程的主治医生可以通过视频传输系统实时跟踪手术的全程情况，需要人工干预时及时修正手术，并可远程人工控制诊疗机器人实施手术。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种穿刺导航机器人系统，其中，包括：

机器人；

主机，其向所述机器人发送指令，以使所述机器人根据接收的指令进行动作；

视频设备，其实时拍摄所述机器人的动作影像，并将所述动作影像传送给主机，以使用户根据所述影像对指令进行实时改进和更新；

其中，所述主机可同时设置多个指令，并对多个指令进行检索，以避免指令间相互冲突；所述指令为穿刺轨迹，所述主机上同时设置多条穿刺轨迹，并对多条穿刺轨迹进行相交轨迹检索；所述主机内最多设置60条所述穿刺轨迹，所述机器人一次同时进行6个穿刺针的刺入，并通过多次重复实现60根穿刺针的刺入；所述主机内设置有综合数据库，所述综合数据库内保存预定的指令数据和实际执行的指令数据；所述主机根据预定指令预测所述指令执行后的效果，并在所述指令执行后记录实际产生的效果，以及将预测的指令执行后的效果和实际产生的效果合成对比图。

2.如权利要求1所述的穿刺导航机器人系统，其中，还包括：

影像设备，其拍摄病变区域图像，并将所述图像传送给所述主机，所述主机接收所述影像设备拍摄的图像，并处理生成3D图像，以使用户根据所述3D图像在主机中输入指令；

传感器，其与所述主机和机器人分别连接，以将所述机器人与人体接触信息反馈至主机；

位置跟踪器，其与所述主机和机器人分别连接，以对所述机器人的动作定位。

3.如权利要求1所述的穿刺导航机器人系统，其中，所述主机包括本地主机和远程主机，所述远程主机与所述本地主机无线连接，以在所述远程主机开启时，所述本地主机和远程主机的信息同步。

4.如权利要求1所述的穿刺导航机器人系统，其中，所述机器人上设置有呼吸门控，以减少所述指令执行时的呼吸位移。

5.如权利要求1所述的穿刺导航机器人系统，其中，所述主机内设有虚拟现实技术，以实现远程和现场的实时互动。

6.如权利要求1所述的穿刺导航机器人系统，其中，所述主机上设置有报警器，以在主机与机器人，主机与视频设备间信号中断时发出警报。

7.如权利要求1所述的穿刺导航机器人系统，其中，所述穿刺导航机器人系统与放射性粒子植入治疗计划系统相兼容。

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