CN107970060A - 手术机器人系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种手术机器人系统，包括图像融合处理设备、静态成像设备、动态成像设备、机械臂设备与视觉成像设备；静态成像设备将3D影像信息传输给图像融合处理设备；视觉成像设备将视觉空间信息传输给图像融合处理设备；图像融合处理设备对信息融合提取；动态成像设备将动态信息传输至图像融合处理设备，图像融合处理设备将动态信息融合入3D影像信息；机械控制设备带动手术器械运动执行穿刺介入手术，动态成像设备还能实时采集手术器械在患者体内的运动轨迹。这样待扫描对象的位置能够被准确的定位，使得手术器械一次穿刺即可到达靶区；同时，还能避免手术器械的轨迹发生偏离。本发明还提供一种手术机器人系统的控制方法。

Description

手术机器人系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医用设备技术领域，特别是涉及一种手术机器人系统及其控制方法。

背景技术

介入放射学不断发展，影像引导经皮穿刺介入手术已经成为一种常用的微创治疗方法。临床通常采用CT、超声、C臂(DSA)以及MRI等影像设备采集人体影像数据，在工作站上进行手术穿刺路径规划，并引导医生操作，完成穿刺操作。对于作为介入导航的影像设备而言，每种设备都各有优点，也各有缺点，例如单用CT或CBCT引导时虽然可以获得高清人体3D影像数据，但往往无法继续动态采集3D数据，不能实时监控穿刺路径与穿刺针轨迹，而且多次定位重复扫描产生的辐射剂量较大；单用超声进行引导时，虽然可以灵活动态采集人体影像数据，但定位精度相对较低，且扫描范围较窄，难以评估靶区在较大人体范围中的精确状况。上述的影像设备都会存在医生在穿刺手术时定位不精确的问题，需要多次试探性穿刺，才能到达靶区，患者所受到的机械损伤较大，甚至可能会导致意外(如气胸、内出血、脏器破损等)，引起医疗事故。

发明内容

基于此，有必要针对目前穿刺手术定位不精确导致的多次穿刺才到达靶区的问题，提供一种能够准确定位且保证穿刺运动轨迹准确的手术机器人系统，同时还提供一种应用上述手术机器人系统的控制方法。

上述目的通过下述技术方案实现：

一种手术机器人系统，包括图像融合处理设备、静态成像设备、动态成像设备、机械臂设备与视觉成像设备；

所述静态成像设备用于成像待扫描对象的3D影像信息，并将所述3D影像信息传输给所述图像融合处理设备；

所述视觉成像设备用于获取病床设备上的患者及手术区的视觉空间信息，并将所述视觉空间信息传输给所述图像融合处理设备；

所述图像融合处理设备将所述3D影像信息与所述视觉空间信息融合，并提取所述动态成像设备的规划扫描位置以及手术器械的穿刺规划路径；

所述动态成像设备用于在所述规划扫描位置实时成像所述待扫描对象的动态信息并传输至所述图像融合处理设备，所述图像融合处理设备将所述动态信息融合入所述3D影像信息；

所述机械控制设备用于承载所述手术器械，并根据所述手术器械的穿刺规划路径带动所述手术器械运动执行穿刺介入手术。

在其中一个实施例中，所述静态成像设备包括具有扫描腔的静态成像装置及静态成像工作站，所述静态成像装置用于成像所述待扫描对象的3D影像信息，并反馈给所述静态成像工作站，所述静态成像工作站将所述3D影像信息传输给所述图像融合处理设备。

在其中一个实施例中，所述动态成像设备包括超声成像装置及动态成像工作站，所述超声成像装置在所述规划扫描位置成像所述待扫描对象的动态信息，并反馈给所述动态成像工作站，所述动态成像工作站将所述动态信息传输给所述图像融合处理设备。

在其中一个实施例中，所述机械臂设备包括第一机械臂及机械臂工作站，所述第一机械臂承载所述手术器械，所述机械臂工作站接收所述图像融合处理设备传输的所述穿刺规划路径，并根据所述穿刺规划路径控制所述第一机械臂运动并执行穿刺介入手术操作。

在其中一个实施例中，所述机械臂设备还包括第二机械臂，所述第二机械臂承载所述超声成像装置的超声探头，所述机械臂工作站接收所述图像融合处理设备传输的所述规划扫描位置，并控制所述第二机械臂运动至所述规划扫描位置，以实时采集所述待扫描对象的动态信息。

在其中一个实施例中，所述图像融合处理设备包括图像融合显示器及图像融合处理工作站，所述图像融合处理工作站分别接收所述3D影像信息、所述动态信息、所述视觉空间信息进行融合并通过所述图像融合显示器显示，所述图像融合处理工作站将所述规划扫描位置与所述穿刺规划路径传输给所述机械臂工作站。

在其中一个实施例中，所述机械臂设备还包括穿刺位姿检测件及超声位姿检测件；

所述穿刺位姿检测件用于检测所述手术器械的位置和/或倾角，并将所述位置和/或倾角信息传输给所述机械臂工作站，所述图像融合处理工作站将所述位置和/或倾角信息与所述视觉空间信息中的手术器械信息进行融合；

所述超声位姿检测件用于检测所述超声探头的位置和/或倾角，并将所述位置和/或倾角信息传输给所述机械臂工作站，所述图像融合处理工作站将所述超声探头的位置和/或角度信息分别与所述3D影像信息及所述视觉空间信息中的超声探头信息进行融合。

在其中一个实施例中，所述手术机器人系统还包括测距设备，所述测距设备采集的信息用于计算所述手术器械与所述超声探头的位置信息以及采集所述患者的体表信息；

所述测距设备与所述视觉成像设备集成一体；或者，

所述测距设备设置于所述第一机械臂上或所述第二机械臂上。

在其中一个实施例中，所述机械臂控制设备还包括控制台，所述控制台与所述机械臂工作站传输连接，所述控制台能够通过所述机械臂工作站控制所述第一机械臂及所述第二机械臂运动；

和/或，所述手术机器人系统还集成远程通信模块，所述远程通信模块用于接收远程控制信息，以控制所述第一机械臂及所述第二机械臂运动。

一种手术机器人系统的控制方法，应用于如上述任一技术特征所述的手术机器人系统，所述控制方法包括如下步骤：

获取患者及手术区的视觉空间信息；

获取所述患者的待扫描对象的3D影像信息；

将所述视觉空间信息与所述3D影像信息融合，并提取所述待扫描对象的位置信息；

根据所述待扫描对象的位置信息规划手术路径，并提取规划扫描位置以及穿刺规划路径；

在所述规划扫描位置实时成像所述待扫描对象的动态信息；

将所述动态信息融合到所述3D影像信息中，并显示动态仿真融合图像；

控制手术器械沿所述穿刺规划路径运动，并进行穿刺介入手术；

实时采集所述手术器械在所述患者体内的运动轨迹，并与所述穿刺规划路径对比；

完成穿刺手术后，控制所述手术器械按原路径返回。

采用上述技术方案后，本发明的有益效果为：

本发明的手术机器人系统及其控制方法，静态成像设备扫描患者的待扫描对象的3D影像信息并将3D影像信息传输给图像融合处理设备，视觉成像设备采集手术区中各个设备及患者的视觉空间信息，并将视觉空间信息传输给图像融合处理设备，图像融合处理设备将3D影像信息与视觉空间融合以提取待扫描对象的位置，并生成手术器械进行穿刺介入手术运动的穿刺规划路径以及动态成像设备的规划扫描位置，动态成像设备在规划扫描位置实时扫描患者待扫描对象的动态信息并将动态信息传输给图像融合处理设备，图像融合处理设备将动态信息融合到3D影像信息中，这样，机械臂设备根据穿刺规划路径控制手术器械运动，并采用动态成像设备实时监控手术器械在患者体内的运动轨迹；有效的解决目前穿刺手术定位不精确导致的多次穿刺才到达靶区的问题；这样待扫描对象的位置能够被准确的定位，使得手术器械一次穿刺即可到达靶区，避免手术器械的多次穿刺引起患者的机械损伤大；同时，由于动态成像设备能够实时对待扫描对象成像，当手术器械进入患者体内时，动态成像设备还能监控穿刺规划路径与手术器械的实际运动轨迹，避免手术器械的轨迹发生偏离，提高手术的准确性，降低风险。

附图说明

图1为本发明一实施例的手术机器人系统的主视结构示意图；

图2为图1所示的手术机器人系统的俯视结构示意图；

图3为图1所示的手术机器人系统中控制部分的结构图；

图4为本发明另一实施例的手术机器人系统的主视结构示意图；

其中：

100-手术机器人系统；

120-图像融合处理设备；

121-图像融合处理工作站；

122-图像融合显示器；

130-静态成像设备；

131-静态成像装置；

132-静态成像工作站；

133-静态图像显示器；

140-视觉成像设备；

150-动态成像设备；

151-动态成像工作站；

152-超声探头；

153-动态图像显示器；

160-机械臂设备；

161-机械臂工作站；

162-第一机械臂；

163-第二机械臂；

164-机械臂图像显示器；

165-控制台；

200-患者；

300-手术器械；

400-病床设备。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的手术机器人系统及其控制方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

参见图1，本发明一种手术机器人系统100，该手术机器人系统100用于对患者200进行穿刺介入手术。本发明的手术机器人系统100能够将手术区中的视觉空间信息与静态信息融合以及将患者200待扫描对象的动态信息与静态信息融合，对穿刺介入手术进行引导，实现精确定位与精准穿刺，提高穿刺介入手术的成功路，降低意外损伤导致的医疗事故风险。可以理解的是，待扫描对象包括但不限于病灶区域，也可包括非病灶区域。

参见图1至图3，在本发明的一实施例中，手术机器人系统100包括图像融合处理设备120、静态成像设备130、动态成像设备150、机械臂设备160与视觉成像设备140，图像融合处理设备120分别与静态成像设备130、动态成像设备150、视觉成像设备140及机械臂设备160传输连接。这里的传输连接包括通信连接和/或电连接，而且，通信连接可以为有线连接，也可为无线连接，传输连接的类型原则上不受限制，只要能够各个设备之间进行信息传输即可。本发明的手术机器人系统100配合病床设备400使用，病床设备400可以是手术机器人系统100的一部分，也可独立于手术机器人系统100。病床设备400起承载支撑作用，用于承载患者200，以对患者200进行检查与穿刺介入手术等操作。静态成像设备130用于成像待扫描对象的3D影像信息，并将3D影像信息传输给图像融合处理设备120。视觉成像设备140用于获取病床设备400上的患者200及手术区的视觉空间信息，并将视觉空间信息传输给图像融合处理设备120。图像融合处理设备120将3D影像信息与视觉空间信息融合，并提取动态成像设备150的规划扫描位置以及手术器械300的穿刺规划路径。动态成像设备150用于在规划扫描位置实时成像待扫描对象的动态信息并传输至图像融合处理设备120，图像融合处理设备120将动态信息融合入3D影像信息。机械控制设备用于承载手术器械300，并根据手术器械300的穿刺规划路径带动手术器械300运动执行穿刺介入手术，动态成像设备150还能实时采集手术器械300在患者200体内的运动轨迹。

静态成像设备130对患者200的待扫描对象进行三维成像扫描，以获取患者200待扫描对象的3D影像信息即体内的3D影像信息，并传输给图像融合处理设备120。视觉成像设备140对病床设备400上的患者200进行扫描，还对手术区内的各个设备(指图像融合处理设备120、静态成像设备130、动态成像设备150、机械臂设备160与视觉成像设备140等)进行扫描，以确定手术区内各个设备与患者200之间的位置关系，以生成体外的视觉空间信息，并传输给图像融合处理设备120。图像融合处理设备120能够将体外的视觉空间信息与体内的3D影像信息融合形成多模态影像，以确定待扫描对象在手术区内的位置坐标信息，进而实现手术导航的精准定位；图像融合处理设备120还能够根据待扫描对象的位置坐标信息自动或手动规划穿刺介入手术路径，以提取动态成像设备150的预先设定的规划扫描位置以及机械臂设备160上手术器械300的穿刺规划路径。动态成像设备150运动至规划扫描位置并实时对待扫描对象进行动态成像扫描，以获取待扫描对象的动态信息，并将该动态信息传输给图像融合处理设备120。在3D影像信息中，图像融合处理设备120能够根据动态信息及其对应的动态成像设备150的位置及角度，将动态信息融入到3D影像信息，以在3D影像信息中显示动态仿真融合图像(各断面及整体位置)，形成动态融合影像。动态融合影像能够提高待扫描对象的清晰度，并且将动态成像设备150的2D影像的动态信息融入3D影像信息，增加了立体感，有助于手术时医生对病人体内空间位置的判断，方便医护人员观察待扫描对象的情况。

同时，动态成像设备150还能实时对待扫描对象进行实时成像，并实时将待扫描对象传输给图像融合处理设备120，通过图像融合处理设备120进行实时融合处理。机械臂设备160带动手术器械300运动至穿刺规划路径所在的患者200体表上方的安全区域。当机械臂设备160带动手术器械300根据穿刺规划路径对待扫描对象进行穿刺介入手术时，动态成像设备150对待扫描对象进行实时成像还能实时采集手术器械300进入患者200体内的运动轨迹，并将该轨迹反馈给图像融合处理设备120进行实时融合，而且，图像融合处理设备120还将手术器械300的运动轨迹与穿刺规划路径进行比对，以判断手术器械300的运动轨迹是否为预先设定的穿刺规划路径。

若手术器械300的运动轨迹与穿刺规划路径相符，机械臂设备160继续带动手术器械300进行穿刺介入手术；若手术器械300的运动轨迹偏离穿刺规划路径，且偏离角度较小，则图像融合处理设备120将偏离角度信息传输给机械臂设备160，机械臂设备160微调手术器械300的角度，以保证手术器械300的运动轨迹在预先设定的穿刺规划路径上；若手术器械300的运动轨迹偏离穿刺规划路径的角度较大，此时，图像融合处理设备120将偏离角度信息传输给机械臂设备160，机械臂设备160将手术器械300从患者200体内拔出，重新进行穿刺介入手术操作，或者，暂停手术器械300的运动，并输出提示或警报，由医护人员选择后续方案。

需要说明的是，将手术器械300从患者200体内拔出会对患者200造成一定的损伤，本发明的手术机器人系统100通过图像融合处理设备120、动态成像设备150与静态成像设备130，对动态信息中的手术器械300实时运行轨迹提取与静态的3D影像信息进行仿真融合，可实现在动态融合影像上实时显示手术器械300的穿刺规划路径，避免手术器械300的运动轨迹发生偏离。而且，本实施例中，手术器械300采用机械臂设备160能够进一步保证手术器械300按照穿刺规划路径运动，避免手术器械300的运动轨迹发生偏离。当医护人员手持手术器械300进行穿刺介入手术时，通过动态融合影像上实时显示手术器械300的穿刺规划路径也能够保证穿刺介入手术的精准度，降低手术器械300的运动轨迹发生偏离风险，保证穿刺介入手术的准确性。

可选地，静态成像设备130、动态成像设备150、机械臂设备160、视觉成像设备140可以运动至病床设备400的附近，以对病床设备400上患者200及其待扫描对象进行成像、穿刺介入手术操作等等。当然，在本发明的其他实施方式中，也可采用病床设备400运动至静态成像设备130、动态成像设备150、机械臂设备160、视觉成像设备140附近方式，还可采用病床设备400与静态成像设备130、动态成像设备150、机械臂设备160、视觉成像设备140相互运动的方式，只要保证静态成像设备130、动态成像设备150、机械臂设备160、视觉成像设备140能够对病床设备400上患者200及其待扫描对象进行成像、穿刺介入手术操作等处理即可。

可选地，视觉成像设备140还具有录像功能，视觉成像设备140对手术区内各个设备的运行状况进行实时记录，尤其是机械臂设备160执行手术操作状况。视觉成像设备140将录像资料传输给图像融合处理设备120进行存储，手术完成后可以从图像融合处理设备120读取出来，可用于后期的临床教学实践等等。

本发明的手术机器人系统100通过图像融合处理设备120对静态成像设备130、视觉成像设备140进行仿真融合形成动态融合影像，以对手术器械300的穿刺介入手术进行精确导航定位；通过图像融合处理设备120对将动态成像设备150的动态信息融合到静态成像设备130的3D影像信息中，使得动态信息中的手术器械300实时运行轨迹提取与静态的3D影像信息进行仿真融合，形成动态融合影像，可实现在动态融合影像上实时显示手术器械300的穿刺规划路径，以监测穿刺规划路径与手术器械300的运动轨迹，避免手术器械300的运动轨迹发生偏离；有效的解决目前穿刺手术定位不精确导致的多次穿刺才到达靶区的问题，使得待扫描对象的位置能够被准确的定位，使得手术器械300一次穿刺即可到达靶区，避免手术器械300的多次穿刺引起患者200的机械损伤大。而且，采用静态成像设备130与动态成像设备150联合扫描成像进行导航手术，可以兼顾不同设备的优点，提高动态融合影像的精度，降低静态成像设备130多次扫描的辐射剂量。

作为一种可实施方式，静态成像设备130包括具有扫描腔的静态成像装置131及静态成像工作站132，静态成像装置131与静态成像工作站132传输连接，静态成像装置131用于成像待扫描对象的3D影像信息，并反馈给静态成像工作站132，静态成像工作站132将3D影像信息传输给图像融合处理设备120。静态成像装置131对患者200的待扫描对象进行三维静态成像，以获取待扫描对象的3D影像信息。静态成像工作站132能够对3D影像信息进行处理，并将3D影像信息传输给图像融合处理设备120。同时，静态成像工作站132还能控制静态成像装置131对待扫描对象进行三维静态成像操作。

进一步地，静态成像装置131可运动地设置于病床设备400附近，成像时，静态成像装置131运动至病床设备400处，并使扫描腔对准待扫描对象。可以理解的是，静态成像装置131在对待扫描对象进行三维静态成像时，静态成像装置131可运动至病床设备400附近，通过静态成像装置131的扫描腔对待扫描对象进行三维静态成像，获取待扫描对象的3D影像信息。当三维静态成像完成后，需要将静态成像装置131移走，即远离患者200，这样能够使得动态成像设备150及机械臂设备160对待扫描对象进行处理，避免动态成像设备150及机械臂设备160与静态成像装置131发生干涉，保证穿刺介入手术的准确性。

示例的，可以在手术区的地面上布置导轨，导轨位于病床设备400附近，静态成像装置131可滑动地设置于导轨上。成像时，静态成像装置131沿导轨滑动到病床设备400附近；成像完成后，静态成像装置131沿导轨滑动并远离病床设备400。也可采用在静态成像装置131的底部设置滚轮，通过滚轮的滚动也可实现静态成像装置131靠近或远离病床设备400。当然，也可采用其他能够实现静态成像装置131运动的结构。示例的，静态成像装置131可为CT(计算机断层成像设备，Computed Tomography)。可选地，静态成像装置131也可为CBCT(Cone Beam CT，锥形束CT)。成像时，CBCT运动至病床设备400附近，转动CBCT的C臂，使得C臂的扫描腔对准患者200的待扫描对象；成像完成后，再转动CBCT的C臂，使得C臂的扫描腔远离患者200，此时，可以将CBCT移走。当然，在本发明的其他实施方式中，静态成像装置131还可为MR(Magnetic Resonance，磁共振成像设备)。

可选地，静态成像设备130还包括静态图像显示器133，静态图像显示器133与静态成像工作站132传输连接，静态成像装置131获取待扫描对象的3D影像信息可以通过静态成像工作站132传输给静态图像显示器133，通过静态图像显示器133显示出来，方便医护人员查看待扫描对象的3D影像信息。

作为一种可实施方式，动态成像设备150包括超声成像装置及动态成像工作站151，超声成像装置与动态成像工作站151传输连接，超声成像装置在规划扫描位置成像待扫描对象的动态信息，并反馈给动态成像工作站151，动态成像工作站151将动态信息传输给图像融合处理设备120。超声成像装置对患者200的待扫描对象进行动态成像，以获取待扫描对象的动态信息。动态成像工作站151能够对动态信息进行处理，并将动态信息传输给图像融合处理设备120。同时，动态成像工作站151还能控制动态成像装置对待扫描对象进行动态成像操作。

而且，超声成像装置在穿刺介入手术之前与之后，都在规划扫描位置对患者200的待扫描对象进行实时成像，以实现手术器械300的精准定位与精准穿刺，提高穿刺介入手术的成功率。可以理解的是，超声成像装置包括超声探头152，通过超声探头152对患者200的待扫描对象进行动态成像，以获取待扫描对象的二维动态信息。图像融合处理设备120能够将动态信息融入到3D影像信息形成动态融合影像，动态融合影像能够提高待扫描对象的清晰度，并且将超声探头采集的二维动态信息融入3D影像信息，增加了立体感，有助于手术时医生对病人体内空间位置的判断，方便医护人员观察待扫描对象的情况

可选地，动态成像设备150还包括动态图像显示器153，动态图像显示器153与动态成像工作站151传输连接，动态成像装置获取待扫描对象的动态信息可以通过动态成像工作站151传输给动态图像显示器153，通过动态图像显示器153显示出来，方便医护人员查看待扫描对象的动态信息。

作为一种可实施方式，机械臂设备160包括第一机械臂162及机械臂工作站161，第一机械臂162可相对病床设备400运动，第一机械臂162承载手术器械300，机械臂工作站161与第一机械臂162传输连接，机械臂工作站161接收图像融合处理设备120传输的穿刺规划路径，并根据穿刺规划路径控制第一机械臂162运动并执行穿刺介入手术操作。第一机械臂162具有多个自由度，能够带动手术器械300运动至任一所需位置，以满足穿刺介入手术的需求。机械臂工作站161用于控制第一机械臂162的运动，包括但不限于控制第一机械臂162带动手术器械300运动至穿刺规划路径所在的患者200体表上方的安全区域，以及控制第一机械臂162带动手术器械300执行穿刺介入手术等等。机械臂工作站161接收图像融合处理设备120传输的穿刺规划路径后，机械臂工作站161控制第一机械臂162带动手术器械300运动至穿刺规划路径所在的患者200体表上方的安全区域；然后，机械臂工作站161根据穿刺规划路径控制手术器械300带动手术器械300沿着穿刺规划路径运动，并执行穿刺介入手术。需要说明的是，本发明中的手术器械300包括但不限于穿刺针、活检针、消融针或浅层手术用手术刀等等。示例的，手术器械300可以安装于第一机械臂162上的任意位置，较佳地，手术器械300安装于第一机械臂162的末端上。

进一步地，机械臂设备160还包括第二机械臂163，第二机械臂163可相对病床设备400运动，第二机械臂163承载超声成像装置的超声探头152，第二机械臂163与机械臂工作站161传输连接，机械臂工作站161接收图像融合处理设备120传输的规划扫描位置，并控制第二机械臂163运动至规划扫描位置，以实时采集待扫描对象的动态信息。第二机械臂163具有多个自由度，能够带动超声探头152运动至任一所需位置，以使超声探头152在规划扫描位置对待扫描对象进行扫描。机械臂工作站161能够控制第二机械臂163运动，包括但不限于控制第二机械臂163带动超声探头152运动至患者200体表的规划扫描位置，以及控制第二机械臂163带动超声探头152执行动态扫描操作等。示例的，超声探头152可以安装于第二机械臂163上的任意位置，较佳地，超声探头152安装于第二机械臂163的末端上。

第一机械臂162带动手术器械300执行穿刺介入手术，第二机械臂163带动超声探头152执行动态成像操作，第一机械臂162与第二机械臂163可同时运动，可最大限度模拟实际医护人员双手操作手术时的场景，容易学习使用。而且，采用第一机械臂162实现穿刺介入手术与第二机械臂163实现超声探头152的成像能够使得穿刺介入手术全自动化进行，减少因手动操作带来的误差，提高穿刺介入手术的成功率。示例的，第一机械臂162与第二机械臂163可以分别安装在可运动的底座上，方便第一机械臂162与第二机械臂163移动到病床设备400附近；当然，第一机械臂162与第二机械臂163也可安装在同一可运动的底座上。

可选地，机械臂设备160还包括机械臂图像显示器164，机械臂图像显示器164与机械臂工作站161传输连接，机械臂工作站161可以将第一机械臂162与第二机械臂163的运动情况传输给机械臂图像显示器164，通过机械臂图像显示器164显示出来，方便医护人员查看待第一机械臂162与第二机械臂163的运动情况。

可选地，机械臂设备160还包括控制台165，控制台165与机械臂工作站161传输连接，控制台165能够通过机械臂工作站161控制第一机械臂162及第二机械臂163运动。控制台165具有用于实现第一机械臂162与第二机械臂163的控制，以控制第一机械臂162及第二机械臂163的运动。控制台165具有自动、半自动及手动操作模式，可以适用不同的临床应用场景，如传染隔离病人的手术等。

又可选地，手术机器人系统100还集成远程通信模块，远程通信模块用于接收远程控制信息，以控制第一机械臂162及第二机械臂163运动。远程通信模块能够接收远程控制信息，并通过机械臂工作站161控制第一机械臂162与第二机械臂163运动，执行穿刺介入手术。可以使用不同的临床应用场景，如传染隔离病人的手术、边远地域远程手术，战场环境远程手术、航天器远程手术等。远程通信模块可集成在机械臂工作站161上，可集成在控制台165上，也可集成在图像融合处理设备120上，也可集成在其他设备中。

作为一种可实施方式，视觉成像设备140通过支撑柱可运动地设置于病床设备400附近，并独立于机械臂设备160设置。视觉成像设备140可运动地设置在手术区中，以对手术区中的各个设备的位置进行采集，方便图像融合处理设备120进行仿真融合。支撑柱的底部可以设置滚轮等方式实现支撑柱的运动；当然，也可采用滑轨的方式实现支撑柱的运动；可选地，支撑柱也可为多自由度机械臂。当然，在本发明的另一实施方式中，机械臂设备160还包括支撑部及第三机械臂，第三机械臂与机械臂工作站161传输连接，视觉成像设备140安装于第三机械臂上，且第一机械臂162、第二机械臂163及第三机械臂均安装于支撑部上。第三机械臂带动视觉成像设备140运动至所需位置，以对手术区中的各个设备的位置进行采集，方便图像融合处理设备120进行仿真融合。可以理解的是，支撑部可为可运动的底座，当然，支撑部还可包括多自由度机械臂，通过多自由度机械臂带动第一机械臂162、第二机械臂163及第三机械臂运动至所需位置。

作为一种可实施方式，图像融合处理设备120包括图像融合显示器122及图像融合处理工作站121，图像融合显示器122与图像融合处理工作站121传输连接，且图像融合处理工作站121还分别与静态成像工作站132、动态成像工作站151及机械臂工作站161传输连接，图像融合处理工作站121分别接收3D影像信息、动态信息、视觉空间信息进行融合并通过图像融合显示器122显示，图像融合处理工作站121将规划扫描位置与穿刺规划路径传输给机械臂工作站161。

图像融合处理工作站121将视觉空间信息与3D影像信息进行融合形成多模态影像，以对手术进行精确导航定位，图像融合处理工作站121还将动态信息融合到3D影像信息中，并将动态信息中手术器械300实际运行轨迹提取与3D影像信息进行仿真融合，形成动态融合影像，以实时检测穿刺规划路径与手术器械300的运动路径，实现精准定位与精准穿刺，提高穿刺介入手术的成功率。而且，图像融合处理工作站121能够将多模态影像与动态融合影像分别以及融合显示在图像融合显示器122上，并且，图像融合显示器122的动态融合影像上还能精确实时地显示穿刺规划路径，避免手术器械300的运动轨迹发生偏离。

进一步地，图像融合处理工作站121根据待扫描对象的3D影像信息与视觉空间信息，规划超声探头152的规划扫描位置以及手术器械300的穿刺规划路径。也就是说，图像融合处理工作站121根据各个设备采集的信息可以自动规划超声探头152的规划扫描位置以及手术器械300的穿刺规划路径。当然，在本发明的其他实施方式中，也可医护人员手动规划超声探头152的规划扫描位置以及手术器械300的穿刺规划路径。

进一步地，手术机器人系统还包括测距设备，测距设备与图像融合处理工作站121传输连接，测距设备采集的信息用于计算手术器械300与超声探头152的位置信息以及采集患者200的体表信息。测距设备能够测量手术区中各个设备的位置，并将各个设备的位置信息传输给图像融合处理工作站121，保证3D影像信息与视觉空间信息能够精准融合，还能保证动态信息准确的融合到3D影像信息中，以实现精确定位与精准穿刺，提高穿刺介入手术的成功率，降低意外损伤导致医疗事故的风险。示例的，测距设备与视觉成像设备140集成一体。当然，在本发明的其他实施方式中，测距设备设置于第一机械臂162上或第二机械臂163上。

可选地，机械臂设备160还包括穿刺位姿检测件及超声位姿检测件。穿刺位姿检测件用于检测手术器械300的位置和/或倾角，穿刺位姿检测件与机械臂工作站161传输连接，穿刺位姿检测件将位置和/或倾角信息传输给机械臂工作站161，并通过图像融合处理工作站121将位置和/或倾角信息与视觉空间信息中的手术器械300信息进行融合。穿刺位姿检测件能够实时检测手术器械300的位置和/或角度，并将该位置和/或角度通过机械臂工作站161传输给图像融合处理工作站121。图像融合处理工作站121能够将手术器械300的位置和/或角度信息与视觉成像设备140采集的视觉空间信息中手术器械300的信息融合，以形成患者体外手术器械300的姿态，该手术器械300在患者体外的姿态还能与超声探头152采集的患者体内手术器械300的姿态结合，以在图像融合显示器122上显示手术器械300的完整姿态，方便医护人员观察手术器械300的运动轨迹。

又可选地，机械臂设备160还包括超声位姿检测件。超声位姿检测件用于检测超声探头152的位置和/或倾角，超声位姿检测件与机械臂工作站161传输连接，超声位姿检测件将位置和/或倾角信息传输给机械臂工作站161，并通过图像融合处理工作站121将位置和/或倾角信息分别与3D影像信息及视觉空间信息中的超声探头152信息进行融合。超声位姿检测件能够实时检测超声探头152的位置和/或角度，并将该位置和/或角度通过机械臂工作站161传输给图像融合处理工作站121。图像融合处理工作站121能够将超声探头152的位置和/或角度信息和该位置和/或角度信息对应的动态信息与3D影像信息进行融合，形成动态融合影像并在图像融合显示器122上进行显示，以实时显示病灶位置的情况以及手术器械300的运动轨迹，还能监测穿刺规划路径与手术器械300的运动轨迹，避免手术器械300发生偏离。并且，图像融合处理工作站121将超声探头152的位置和/或角度信息与视觉成像设备140采集的视觉空间信息中超声探头152的信息融合，以在图像融合显示器122上进行显示，方便医护人员观看。

本发明的手术机器人系统100通过穿刺位姿检测件与超声位姿检测件实时采集手术器械300与超声探头152的位姿，并传输到图像融合处理工作站121中，以实现动态精准融合。示例的，穿刺位姿检测件可以设置于手术器械300上，也可设置于第一机械臂162上；穿刺位姿检测件可以为传感器等能够检测超声探头152位置和/或倾角的部件。超声位姿检测件可以设置于超声探头152上，也可设置于第二机械臂163上；超声位姿检测件可以为传感器等能够检测超声探头152位置和/或倾角的部件。

在本发明的另一实施例中，手术机器人系统100包括图像融合处理设备120、静态成像设备130、动态成像设备150与视觉成像设备140，图像融合处理设备120分别与静态成像设备130、动态成像设备150及视觉成像设备140传输连接。静态成像设备130用于成像待扫描对象的3D影像信息，并将3D影像信息传输给图像融合处理设备120。视觉成像设备140用于获取病床设备400上的患者200及手术区的视觉空间信息，并将视觉空间信息传输给图像融合处理设备120。图像融合处理设备120将3D影像信息与视觉空间信息融合，并提取动态成像设备150的规划扫描位置以及手术器械300的穿刺规划路径。动态成像设备150用于在规划扫描位置实时成像待扫描对象的动态信息并传输至图像融合处理设备120，图像融合处理设备120将动态信息融合入3D影像信息；动态成像设备150还能实时采集手术器械300在患者200体内的运动轨迹。本实施例的手术机器人系统100不包括机械臂设备160，此时，医护人员需手持超声探头152进行动态扫描以及手持手术器械300进行穿刺介入手术。本实施例的手术机器人系统100的其他结构与上述实施例中的手术机器人系统100的结构完全相同，在此不一一赘述。

本发明还提供一种手术机器人系统100的控制方法，应用于上述任一实施例中的手术机器人系统100，控制方法包括如下步骤：

获取患者200及手术区的视觉空间信息；

获取患者200的待扫描对象的3D影像信息；

将视觉空间信息与3D影像信息融合，并提取待扫描对象的位置信息；

根据待扫描对象的位置信息规划手术路径，并提取规划扫描位置以及穿刺规划路径；

在规划扫描位置实时成像待扫描对象的动态信息；

将动态信息融合到3D影像信息中，并显示动态仿真融合图像；

控制手术器械300沿穿刺规划路径运动，并进行穿刺介入手术；

实时采集手术器械300在患者200体内的运动轨迹，并与穿刺规划路径对比；

完成穿刺手术后，控制手术器械300按原路径返回。

本发明手术机器人系统100在运行时，视觉成像系统实时获得患者200及手术区的体外视觉空间信息，并将该视觉空间信息传输给图像融合处理工作站121。静态成装置扫描患者200的待扫描对象，以获得体内的3D影像信息，并将该3D影像信息传输给图像融合处理工作站121。图像融合处理工作站121对视觉空间信息及3D影像信息进行融合，并提取待扫描对象的位置坐标信息。图像融合处理工作站121自动或手动规划手术器械300的穿刺手术路径，提取超声探头152的规划扫描位置坐标系及手术器械300起始及终点(运动轨迹)坐标系。在手动或自动操作方式下，机械臂工作站161引导第二机械臂163带动超声探头152运行至患者200体表规划扫描位置。动态成像工作站151控制超声探头152对患者200的待扫描对象进行动态扫描获取动态信息，并实时传至动态成像工作站151及图像融合处理工作站121。通过超声位姿检测件将超声探头152的位姿信息实时传至图像融合导航工作站。融合导航工作站中，在3D影像信息中，按照实时接收的超声探头152位姿，将动态信息扫描范围融入3D影像信息，并在图像融合显示器122上显示动态融合影像(各断面及整体位置)。在自动或半自动模式下，机械臂工作站161将第一机械臂162带动手术器械300运行至穿刺规划路径所在的患者200体表位置上方安全区。医护人员可选择机器全自动、远程控制半自动或手动方法执行穿刺操作过程。超声探头152实时采集手术器械300穿入体内的动态信息，传至动态成像工作站151与图像融合处理工作站121。图像融合处理工作站121通过图像融合显示器122实时显示3D影像信息上的融合进针位置的动态轨迹，并与穿刺规划路径对比。完成穿刺取材、引流或消融治疗后，第一机械臂162及第二机械臂163分别带动手术器械300与超声探头152按照原路径返回退至安全区。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书的记载范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种手术机器人系统，其特征在于，包括图像融合处理设备、静态成像设备、动态成像设备、机械臂设备与视觉成像设备；

所述静态成像设备用于成像待扫描对象的3D影像信息，并将所述3D影像信息传输给所述图像融合处理设备；

所述视觉成像设备用于获取病床设备上的患者及手术区的视觉空间信息，并将所述视觉空间信息传输给所述图像融合处理设备；

所述图像融合处理设备将所述3D影像信息与所述视觉空间信息融合，并提取所述动态成像设备的规划扫描位置以及手术器械的穿刺规划路径；

所述动态成像设备用于在所述规划扫描位置实时成像所述待扫描对象的动态信息并传输至所述图像融合处理设备，所述图像融合处理设备将所述动态信息融合入所述3D影像信息；

所述机械控制设备用于承载所述手术器械，并根据所述手术器械的穿刺规划路径带动所述手术器械运动执行穿刺介入手术。

2.根据权利要求1所述的手术机器人系统，其特征在于，所述静态成像设备包括具有扫描腔的静态成像装置及静态成像工作站，所述静态成像装置用于成像所述待扫描对象的3D影像信息，并反馈给所述静态成像工作站，所述静态成像工作站将所述3D影像信息传输给所述图像融合处理设备。

3.根据权利要求2所述的手术机器人系统，其特征在于，所述动态成像设备包括超声成像装置及动态成像工作站，所述超声成像装置在所述规划扫描位置成像所述待扫描对象的动态信息，并反馈给所述动态成像工作站，所述动态成像工作站将所述动态信息传输给所述图像融合处理设备。

4.根据权利要求3所述的手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂设备包括第一机械臂及机械臂工作站，所述第一机械臂承载所述手术器械，所述机械臂工作站接收所述图像融合处理设备传输的所述穿刺规划路径，并根据所述穿刺规划路径控制所述第一机械臂运动并执行穿刺介入手术操作。

5.根据权利要求4所述的手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂设备还包括第二机械臂，所述第二机械臂承载所述超声成像装置的超声探头，所述机械臂工作站接收所述图像融合处理设备传输的所述规划扫描位置，并控制所述第二机械臂运动至所述规划扫描位置，以实时采集所述待扫描对象的动态信息。

6.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，所述图像融合处理设备包括图像融合显示器及图像融合处理工作站，所述图像融合处理工作站分别接收所述3D影像信息、所述动态信息、所述视觉空间信息进行融合并通过所述图像融合显示器显示，所述图像融合处理工作站将所述规划扫描位置与所述穿刺规划路径传输给所述机械臂工作站。

7.根据权利要求6所述的手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂设备还包括穿刺位姿检测件及超声位姿检测件；

所述穿刺位姿检测件用于检测所述手术器械的位置和/或倾角，并将所述位置和/或倾角信息传输给所述机械臂工作站，所述图像融合处理工作站将所述位置和/或倾角信息与所述视觉空间信息中的手术器械信息进行融合；

所述超声位姿检测件用于检测所述超声探头的位置和/或倾角，并将所述位置和/或倾角信息传输给所述机械臂工作站，所述图像融合处理工作站将所述超声探头的位置和/或角度信息分别与所述3D影像信息及所述视觉空间信息中的超声探头信息进行融合。

8.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统还包括测距设备，所述测距设备采集的信息用于计算所述手术器械与所述超声探头的位置信息以及采集所述患者的体表信息；

所述测距设备与所述视觉成像设备集成一体；或者，

所述测距设备设置于所述第一机械臂上或所述第二机械臂上。

9.根据权利要求5所述的手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂控制设备还包括控制台，所述控制台与所述机械臂工作站传输连接，所述控制台能够通过所述机械臂工作站控制所述第一机械臂及所述第二机械臂运动；

和/或，所述手术机器人系统还集成远程通信模块，所述远程通信模块用于接收远程控制信息，以控制所述第一机械臂及所述第二机械臂运动。

10.一种手术机器人系统的控制方法，应用于如权利要求1至9任一项所述的手术机器人系统，其特征在于，所述控制方法包括如下步骤：

获取患者及手术区的视觉空间信息；

获取所述患者的待扫描对象的3D影像信息；

将所述视觉空间信息与所述3D影像信息融合，并提取所述待扫描对象的位置信息；

根据所述待扫描对象的位置信息规划手术路径，并提取规划扫描位置以及穿刺规划路径；

在所述规划扫描位置实时成像所述待扫描对象的动态信息；

将所述动态信息融合到所述3D影像信息中，并显示动态仿真融合图像；

控制手术器械沿所述穿刺规划路径运动，并进行穿刺介入手术；

实时采集所述手术器械在所述患者体内的运动轨迹，并与所述穿刺规划路径对比；

完成穿刺手术后，控制所述手术器械按原路径返回。