CN107440748B - 一种手术野智能化自动跟踪腔镜系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手术野智能化自动跟踪腔镜系统，包括全自动云台、控制手柄、摄像照明单元、视频处理器及显示器；全自动云台的一端固定于控制手柄上，摄像照明单元固定于全自动云台的另一端上，摄像照明单元包括固定框架以及设置于固定框架内的光源及摄像头，视频处理器与显示器、全自动云台及摄像头相连接，该系统能够实现手术视野的自动跟踪。

Description

一种手术野智能化自动跟踪腔镜系统
技术领域
本发明属于医用设备外科手术腔镜系统技术领域，涉及一种手术野智能化自动跟踪腔镜系统。
背景技术
近年来，外科手术腔镜化已经越来越深入人心，微创手术已经成为外科医生和患者的共识。腔镜系统能够提供高清放大的手术野画面，能清楚显示体内组织的细微结构，与传统开放手术相比，视野更清晰，因此手术更加准确、精细，有效避免了手术部位以外脏器受到不必要的干扰，且术中出血少，手术更安全。
但由于腔镜摄像头的特点，其视角及视野范围有限，只能显示其前方一个圆形手术野，术中需不断调整镜头，因此需要扶镜手这个重要的手术助手，扶镜是一项非常艰苦和单调的工作，需要长时间注意力集中和保持手臂抬起的固定姿势，费脑、费眼、费力。
在手术过程中，随着游离层次的进展及脏器反复翻转游离，扶镜手需要不断变换镜身位置、旋转镜头、更换角度，同时不停地调节镜头远近及焦距，并在最短的时间内稳定图像，特别是在查看镜孔下方或后方视野时，扶镜手需要双臂高举镜头寻找角度，对扶镜手的体力、耐力、技巧有很高的要求。一个不熟练的扶镜手往往会增加手术意外的发生率、造成手术时间的延长、甚至中转为开放手术。而在实际工作中，扶镜手恰恰是低年资医师担任，例如实习医师、低年资住院医师等等，这客观上增加了腔镜手术的风险，因此亟需开发出一种能够实现手术视野自动跟踪的系统。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种手术野智能化自动跟踪腔镜系统，该系统能够实现手术视野的自动跟踪。
为达到上述目的，本发明所述的手术野智能化自动跟踪腔镜系统包括全自动云台、控制手柄、摄像照明单元、视频处理器及显示器；全自动云台的一端固定于控制手柄上，摄像照明单元固定于全自动云台的另一端上，摄像照明单元包括固定框架以及设置于固定框架内的光源及摄像头，视频处理器与显示器、全自动云台及摄像头相连接。
所述视频处理器包括数字解分模块及腔镜手术多场景切换选择模块，其中，摄像头的输出端与数字解分模块的输入端相连接，数字解分模块与显示器及腔镜手术多场景切换选择模块相连接，腔镜手术多场景切换选择模块与全自动云台的控制端及摄像头的控制端相连接。
所述腔镜手术多场景切换选择模块包括术野追踪模块、巡航探查模块、追踪目标消失处置模块、喷射血流紧急避让模块及脏器接触避让模块，术野追踪模块的输入端、巡航探查模块的输入端、追踪目标消失处置模块的输入端、喷射血流紧急避让模块的输入端及脏器接触避让模块的输入端均与数字解分模块的输出端相连接，术野追踪模块的输出端、巡航探查模块的输出端、追踪目标消失处置模块的输出端、喷射血流紧急避让模块的输出端及脏器接触避让模块的输出端均与全自动云台的控制端及摄像头的控制端相连接。
控制手柄上设置有启动按键、停止按键、手动模式切换键、复位按键、紧急制动按键、巡航探查按键、云台手动旋转按键、白平衡按键、调焦旋钮及视野远近调节旋钮，手动模式切换键用于手动控制模式及术野自动跟踪状态模式之间的切换，启动按键用于开启全自动云台，停止按键用于使全自动云台停止工作；复位按键用于使全自动云台及摄像头恢复到初始状态；紧急制动按键用于使摄像头及全自动云台停止工作，并维持在当前状态；巡航探查按键用于控制全自动云台使摄像头按设定轨迹进行转动；云台手动旋转按键用于手动调节全自动云台；白平衡按键用于调节摄像头的白平衡；调焦旋钮用于手动对摄像头进行调焦；视野远近调节旋钮用于调节摄像头视野的远近。
所述光源为LED光源或疝气冷光源。
固定框架为圆柱形结构或球形结构。
视频处理器通过数据线与显示器、全自动云台及摄像头相连接。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的手术野智能化自动跟踪腔镜系统在具体操作时，通过摄像头实时采集手术环境的图像信息，并将手术环境的图像信息发送至视频处理器中，视频处理器根据手术环境的图像信息控制全自动云台实现对跟踪目标的自动跟踪，从而实现手术视野的全自动跟踪，操作简单、方便，具有较为广阔的应用前景。需要说明的是，本发明通过摄像头与全自动云台相结合，实现摄像头视野的自动调整，避免扶镜手随着术野变换不断调整镜身位置、旋转镜头及更换角度的问题，改善镜孔下方或后方的视野；并且将医生的操作目标始终置于显示器中央，为医生提供了一个稳定、清晰的手术视野。另外，本发明可以通过全自动云台镜头的平稳、快速移动，避免人为因素造成的晃动、抖动，大大降低扶镜手水平的差异对手术过程的影响，帮助术者安全流畅的完成腔镜手术。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的原理图。
其中，1为摄像照明单元、2为全自动云台、3为控制手柄、4为启动按键、5为停止按键、6为手动模式切换键、7为复位按键、8为紧急制动按键、9为巡航探查按键、10为云台手动旋转按键、11为白平衡按键、12为调焦旋钮、13为视野远近调节旋钮、14为视频处理器、15为数字解分模块、16为腔镜手术多场景切换选择模块、17为术野追踪模块、18为巡航探查模块、19为追踪目标消失处置模块、20为喷射血流紧急避让模块、21为脏器接触避让模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的手术野智能化自动跟踪腔镜系统包括全自动云台2、控制手柄3、摄像照明单元1、视频处理器14及显示器；全自动云台2的一端固定于控制手柄3上，摄像照明单元1固定于全自动云台2的另一端上，摄像照明单元1包括固定框架以及设置于固定框架内的光源及摄像头，视频处理器14与显示器、全自动云台2及摄像头相连接。摄像照明单元1与全自动云台2作为一个整体，可以从控制手柄3连接端拆卸后消毒。
所述视频处理器14包括数字解分模块15及腔镜手术多场景切换选择模块16，其中，摄像头的输出端与数字解分模块15的输入端相连接，数字解分模块15与显示器及腔镜手术多场景切换选择模块16相连接，腔镜手术多场景切换选择模块16与全自动云台2的控制端及摄像头的控制端相连接。所述腔镜手术多场景切换选择模块16包括术野追踪模块17、巡航探查模块18、追踪目标消失处置模块19、喷射血流紧急避让模块20及脏器接触避让模块21，术野追踪模块17的输入端、巡航探查模块18的输入端、追踪目标消失处置模块19的输入端、喷射血流紧急避让模块20的输入端及脏器接触避让模块21的输入端均与数字解分模块15的输出端相连接，术野追踪模块17的输出端、巡航探查模块18的输出端、追踪目标消失处置模块19的输出端、喷射血流紧急避让模块20的输出端及脏器接触避让模块21的输出端均与全自动云台2的控制端及摄像头的控制端相连接。
控制手柄3上设置有启动按键4、停止按键5、手动模式切换键6、复位按键7、紧急制动按键8、巡航探查按键9、云台手动旋转按键10、白平衡按键11、调焦旋钮12及视野远近调节旋钮13，手动模式切换键6能够实现手动控制模式及术野自动跟踪状态模式的一键切换，启动按键4用于开启全自动云台2，停止按键5用于使全自动云台2停止工作；复位按键7用于使全自动云台2及摄像头恢复到初始状态；紧急制动按键8用于使摄像头及全自动云台2停止工作，并维持在当前状态；巡航探查按键9用于控制全自动云台2使摄像头按设定轨迹进行转动；云台手动旋转按键10用于手动调节全自动云台2；白平衡按键11用于调节摄像头的白平衡；调焦旋钮12用于手动对摄像头进行调焦；视野远近调节旋钮13用于调节摄像头视野的远近。
在术中需要将镜头复位，以人工扶镜代替自动跟踪，或者镜头进出戳卡时，通过复位模块可以一键切换到开机初始位置，与传统腔镜的镜头方向位置一致；即镜头位于垂直方向90°，镜头位于水平方向0°，其中，所述0°位于垂直于手柄长轴的切线位上方。
腔镜手术遇到出血等手术意外时，往往需要的操作器械较多，则会造成图像识别判断跟踪目标不准确，或是术者要求切换为手动模式，但情况紧急不允许镜头复位，此时启动紧急制动模块8，通过紧急制动模块8在当前术野即刻停止自动跟踪模式，维持当前镜头角度、焦距等参数，扶镜手可以立即接手扶镜工作。
手动模式切换按键6能够实现手动控制模式与术野自动跟踪状态模式之间的切换，手柄上设置有云台垂直转动按键及水平转动按键，同时设置有手动变焦按键及调焦按键，切换到人工扶镜时，既可以像现有腔镜系统一样调节镜头，也可以利用云台全方位旋转的优势，通过按键控制镜头垂直或水平旋转，避免像传统扶镜过程中需要不断的调整手柄及双臂方位。
所述光源为LED光源或疝气冷光源；固定框架为圆柱形结构或球形结构；视频处理器14通过数据线与显示器、全自动云台2及摄像头相连接。
所述摄像头能够实现自动调焦及变焦；通过全自动云台2带动摄像照明单元1实现水平方向的360°转动及垂直方向的180°转动；视频处理器14内置有数字解分模块15及腔镜手术多场景切换选择模块16；所述数字解分模块15及全自动跟踪控制模块基于图像识别(或轮廓识别、3D模型识别等)分析跟踪技术识别手术野中的操作器械，控制摄像头快速、准确的自动跟踪及任意定位。
所述腔镜手术多场景切换选择模块16包括：术野追踪模块17、巡航探查模块18、追踪目标消失处置模块19、喷射血流紧急避让模块20及脏器接触避让模块21，其中，
1)术野追踪模块17的工作原理是：腔镜手术器械均为带手柄的长杆状结构，操作区域位于器械末端，在操作时，通过摄像头采集操作器械的图像信息，并将操作器械的图像信息发送至数字解分模块15，数字解分模块15识别出所述操作器械，术野追踪模块17设定操作器械的末端为跟踪目标，然后控制摄像头持续以跟踪目标为中心进行远近调节、调焦聚焦，当数字解分模块15识别出多个操作器械时，则以所有操作器械末端的几何中心为跟踪目标；
2)巡航探查模块18的工作原理是：在手术开始前，必须进行胸腔或腹腔内的全面探查，以排除可能的伴随疾病或肿瘤转移灶，确定具体手术方式，此时需要对胸腔或腹腔全方位视察，对所有脏器检查后才可以进行目标部位的游离切除。巡航探查模块18控制全自动云台2，使摄像头在垂直方向固定于45°、在水平方向以小于等于20°/s的速度进行旋转，实现对胸腔或腹腔内的全面探查，同时在检查过程中，如需对某个视野详细探查，则通过控制手柄3上的停止按键5使全自动云台2停止运动，详细检查后再通过按压控制手柄3上的启动按键4使全自动云台2继续巡航探查。
3)追踪目标消失处置模块19的工作原理是：手术过程中更换或擦拭操作器械时，表现为操作器械突然离开术野，当数字解分模块15根据摄像头采集的图像信息没有解分出操作器械时，追踪目标消失处置模块19则通过全自动云台2使摄像头设定当前视野，并等待操作器械重新出现，然后再通过全自动云台2使摄像头重新定位跟踪目标。
4)喷射血流紧急避让模块20的工作原理是：腔镜手术中血管意外出血时，血液有一定几率喷射到摄像头上，使视野遮挡，术者不能定位出血点，不能及时阻断出血而造成严重后果；当数字解分模块15根据摄像头采集的图像信息获知血管意外出血时，则告知喷射血流紧急避让模块20，喷射血流紧急避让模块20通过全自动云台2，使摄像头在0.3s内向内侧方向转动30°-60°，从而躲避可能喷射出来的血流，然后等待预设时间后，再向外侧方向转动30°-60°回到手术视野，从而不影响术者进一步的操作。
5)脏器接触避让模块21的工作原理是：在手术过程中，影响术野暴露及手术操作的非目标脏器一般由抓钳(或自动拉钩)牵拉远离术野(如行腹腔镜胃部手术，需排除肝脏、结肠、大网膜、脾脏等的影响)，但某些非目标脏器随着手术进行会移动甚至脱落，摄像头如果接触到脏器时，则会沾染组织液致图像模糊，因此本发明设置有脏器接触避让模块21，当数字解分模块15根据摄像头采集的图像信息获知摄像头与脏器之间的距离小于等于预设值时，则告知脏器接触避让模块21，脏器接触避让模块21控制全自动云台2，停止术野追踪模块17，使摄像头反向转动避免接触脏器，当脏器与摄像头之间的间距重新大于预设值时，脏器接触避让模块21控制全自动云台2，重新开始术野追踪模块17。

Claims (1)

1.一种手术野智能化自动跟踪腔镜系统，其特征在于，包括全自动云台(2)、控制手柄(3)、摄像照明单元(1)、视频处理器(14)及显示器；全自动云台(2)的一端固定于控制手柄(3)上，摄像照明单元(1)固定于全自动云台(2)的另一端上，摄像照明单元(1)包括固定框架以及设置于固定框架内的光源及摄像头，视频处理器(14)与显示器、全自动云台(2)及摄像头相连接；
所述视频处理器(14)包括数字解分模块(15)及腔镜手术多场景切换选择模块(16)，其中，摄像头的输出端与数字解分模块(15)的输入端相连接，数字解分模块(15)与显示器及腔镜手术多场景切换选择模块(16)相连接，腔镜手术多场景切换选择模块(16)与全自动云台(2)的控制端及摄像头的控制端相连接；
所述腔镜手术多场景切换选择模块(16)包括术野追踪模块(17)、巡航探查模块(18)、追踪目标消失处置模块(19)、喷射血流紧急避让模块(20)及脏器接触避让模块(21)，术野追踪模块(17)的输入端、巡航探查模块(18)的输入端、追踪目标消失处置模块(19)的输入端、喷射血流紧急避让模块(20)的输入端及脏器接触避让模块(21)的输入端均与数字解分模块(15)的输出端相连接，术野追踪模块(17)的输出端、巡航探查模块(18)的输出端、追踪目标消失处置模块(19)的输出端、喷射血流紧急避让模块(20)的输出端及脏器接触避让模块(21)的输出端均与全自动云台(2)的控制端及摄像头的控制端相连接；
控制手柄(3)上设置有启动按键(4)、停止按键(5)、手动模式切换键(6)、复位按键(7)、紧急制动按键(8)、巡航探查按键(9)、云台手动旋转按键(10)、白平衡按键(11)、调焦旋钮(12)及视野远近调节旋钮(13)，手动模式切换键(6)用于手动控制模式与术野自动跟踪状态模式之间的切换，启动按键(4)用于开启全自动云台(2)，停止按键(5)用于使全自动云台(2)停止工作；复位按键(7)用于使全自动云台(2)及摄像头恢复到初始状态；紧急制动按键(8)用于使摄像头及全自动云台(2)停止工作，并维持在当前状态；巡航探查按键(9)用于控制全自动云台(2)使摄像头按设定轨迹进行转动；云台手动旋转按键(10)用于手动调节全自动云台(2)；白平衡按键(11)用于调节摄像头的白平衡；调焦旋钮(12)用于手动对摄像头进行调焦；视野远近调节旋钮(13)用于调节摄像头视野的远近；
所述光源为LED光源或疝气冷光源；
固定框架为圆柱形结构或球形结构；
视频处理器(14)通过数据线与显示器、全自动云台(2)及摄像头相连接；
术野追踪模块(17)的工作原理为：腔镜手术器械均为带手柄的长杆状结构，操作区域位于器械末端，在操作时，通过摄像头采集操作器械的图像信息，并将操作器械的图像信息发送至数字解分模块(15)，数字解分模块(15)识别出所述操作器械，术野追踪模块(17)设定操作器械的末端为跟踪目标，然后控制摄像头持续以跟踪目标为中心进行远近调节、调焦聚焦，当数字解分模块(15)识别出多个操作器械时，则以所有操作器械末端的几何中心为跟踪目标；
巡航探查模块(18)的工作原理为：在手术开始前，必须进行胸腔或腹腔内的全面探查，以排除可能的伴随疾病或肿瘤转移灶，确定具体手术方式，此时需要对胸腔或腹腔全方位视察，对所有脏器检查后才可以进行目标部位的游离切除，巡航探查模块(18)控制全自动云台(2)，使摄像头在垂直方向固定于45°、在水平方向以小于等于20°/s的速度进行旋转，实现对胸腔或腹腔内的全面探查，同时在检查过程中，如需对某个视野详细探查，则通过控制手柄(3)上的停止按键(5)使全自动云台(2)停止运动，详细检查后再通过按压控制手柄(3)上的启动按键(4)使全自动云台(2)继续巡航探查；
追踪目标消失处置模块(19)的工作原理为：手术过程中更换或擦拭操作器械时，表现为操作器械突然离开术野，当数字解分模块(15)根据摄像头采集的图像信息没有解分出操作器械时，追踪目标消失处置模块(19)则通过全自动云台(2)使摄像头设定当前视野，并等待操作器械重新出现，然后再通过全自动云台(2)使摄像头重新定位跟踪目标；
喷射血流紧急避让模块(20)的工作原理为：当数字解分模块(15)根据摄像头采集的图像信息获知血管意外出血时，则告知喷射血流紧急避让模块(20)，喷射血流紧急避让模块(20)通过全自动云台(2)，使摄像头在0.3s内向内侧方向转动30°-60°，从而躲避可能喷射出来的血流，然后等待预设时间后，再向外侧方向转动30°-60°回到手术视野，从而不影响术者进一步的操作；
脏器接触避让模块(21)的工作原理为：当数字解分模块(15)根据摄像头采集的图像信息获知摄像头与脏器之间的距离小于等于预设值时，则告知脏器接触避让模块(21)，脏器接触避让模块(21)控制全自动云台(2)，停止术野追踪模块(17)，使摄像头反向转动避免接触脏器，当脏器与摄像头之间的间距重新大于预设值时，脏器接触避让模块(21)控制全自动云台(2)，重新开始术野追踪模块(17)。
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