CN108742877A - 一种手术工具定位装置及手术工具定位方法 - Google Patents

一种手术工具定位装置及手术工具定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种手术工具定位装置及手术工具定位方法。手术工具定位装置包括医学影像设备，用于拍摄得到病人的医学图像；支撑系统，用于支撑病人并带动病人平移；机械臂，用于装载手术工具并带动手术工具运动及调整手术工具的姿态；控制器，其与医学影像设备、支撑系统和机械臂通讯连接，并控制支撑系统和机械臂；控制器根据医学图像计算得到手术工具相对于病人的定位数据，控制器根据定位数据分别控制支撑系统和机械臂运动，以使手术工具相对于病人定位；在支撑系统和机械臂这两者中，其中一者能够沿第一方向平移，另一者能够沿第二方向和第三方向平移，第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。

Description

一种手术工具定位装置及手术工具定位方法
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种手术工具定位装置及该种手术工具定位方法。
背景技术
目前，在临床上，特别是肿瘤治疗的临床上，为了能够精准地对手术工具进行定位，越来越广泛地使用基于医学图像结合机械臂的定位方法。定位时，先基于医学图像的结果做计算，然后结合计算结果使用机械臂对手术工具进行定位，从而把手术工具定位到最佳位置，以达到减少病人创面，加速病人康复速度的目的。
以手术器材为穿刺针为例，使用上述的定位方法进行时，把穿刺针定位到最佳的穿刺点和入针角度是手术得以顺利进行的关键所在，而由于人体架构复杂，在人体上的不同入针点上，穿刺针具有不同的最佳入针角度，这就需要机械臂具有较多的自由度，以能够多角度多方向调节穿刺针的位置。为此，现有技术中所采用的机械臂一般为6自由度或者7自由度的复杂系统，如Intuitive Surgical的达芬奇系统和CMR的Versius系统等，这些机械臂能够对穿刺针进行精准定位，但是由于其系统结构复杂，因此成本昂贵，对患者而言经济承担过重；同时，在机械臂运动计算时计算的复杂程度也高；再有，由于机械系统庞大，其占用手术室内的空间也多。
为此，需要针对现有技术中存在的问题提出改进。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种手术工具定位装置，该种手术工具定位装置结构简单，制造成本低，在运行时计算的复杂程度低，同时占用手术室内的空间也少；本发明还提供了一种手术工具定位方法。
(二)技术方案
为了达到上述的目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种手术工具定位装置，其包括医学影像设备，用于拍摄得到病人的医学图像；支撑系统，用于支撑病人并带动病人平移；机械臂，用于装载手术工具并带动手术工具运动及调整手术工具的姿态；控制器，其与所述医学影像设备、支撑系统和机械臂通讯连接，并控制所述支撑系统和机械臂；所述控制器根据所述医学图像计算得到手术工具相对于病人的定位数据，所述控制器根据所述定位数据分别控制所述支撑系统和所述机械臂运动，以使手术工具相对于病人定位；在所述支撑系统和机械臂这两者中，其中一者能够沿第一方向平移，另一者能够沿第二方向和第三方向平移，所述第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。
进一步的，所述支撑系统包括用于带动病人沿所述第一方向平移的第一平移机构，所述机械臂包括用于带动手术工具沿所述第二方向平移的第二平移机构和带动手术工具沿所述第三方向平移的第三平移机构，所述机械臂还包括用于调整手术工具的姿态的姿态调整机构。
进一步的，所述支撑系统包括用于带动病人沿所述第一方向平移的第一平移机构和带动病人沿所述第二方向平移的第二平移机构，所述机械臂包括用于带动手术工具沿所述第三方向平移的第三平移机构，所述机械臂还包括用于调整手术工具的姿态的姿态调整机构。
进一步的，所述医学影像设备为CT、PET-CT或MRI设备中的扫描器，所述支撑系统为CT、PET-CT或MRI设备中的床。
进一步的，所述床能够带动病人沿所述第一方向进出所述CT、PET-CT或MRI设备的扫描器，所述床能够带动病人沿所述第二方向升降。
进一步的，所述机械臂包括基座，所述基座相对于所述医学影像设备固定，所述第三平移机构设置在所述基座与所述姿态调整机构之间以带动所述姿态调整机构相对于所述基座沿所述第三方向平移。
本发明还提供了一种手术工具定位方法：在病人支撑系统和手术工具这两者中，使其中一者沿第一方向平移，使另一者沿第二方向和第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合，以及旋转手工工具使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合，其中，所述第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。
进一步的，所述旋转手术工具使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合，包括使手术工具围绕手术工具的旋转中心旋转一定角度，使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合。
进一步的，使病人支撑系统沿第一方向和第二方向平移，以及使手术工具沿第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合。
进一步的，所述使病人支撑系统沿第一方向和第二方向平移，以及使手术工具沿第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合，包括基于病人的医学图像，确定病人的手术点的初始坐标A0(X1,Y1,Z1,θ1)，所述病人支撑系统的初始坐标D0(0,Y2,Z2,0)，手术工具的旋转中心的初始坐标C0(X3,Y3,Z3,θ1)，以及当手术工具在理想手术姿态下，手术工具的工作点相对于手术工具的旋转中心在所述第一方向、第二方向和第三方向的偏移量LZ、LY和LX，其中θ1代表手术工具的理想手术姿态；沿第一方向和第二方向平移所述病人支撑系统，使所述病人支撑系统的坐标平移至D1(0,Y2+Y3+LY-Y1,Z2+Z3+LZ-Z1,0)；沿第三方向平移手术工具，使手术工具的旋转中心的坐标平移至C1(X1-LX,Y3,Z3,θ1)。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：相对于现有技术，本发明的手术工具的定位装置，其设置的用于支撑病人的支撑系统能够运动，并且通过支撑系统的平移来使病人相对于手术工具平移，来替换掉传统的通过机械臂平移来使手术工具相对于病人平移的动作，即把原来需要机械臂提供的至少部分平移自由度转移到由支撑系统提供，以减少机械臂的自由度要求，从而降低机械臂的复杂程度，降低机械臂的制造成本，而由于实现支撑系统的平移为较为成熟且容易实现的技术，因此综合起来能够降低整套定位装置的制造成本；
减少了自由度要求后的机械臂运动时计算难度降低，同时支撑系统的平移的计算难度原本就比较低，因此综合起来能够降低整套定位装置的计算要求；
当机械臂的结构简化后，其所占用的空间也减少，节约了手术室内空间的使用。
本发明所提供的手术工具定位方法能够降低机械臂的制造成本低，减少定位装置占用手术室内的空间，降低定位装置在运行时的复杂程度。
附图说明
图1为本发明的手术工具定位装置的结构示意简图；
图2为本发明的手术工具定位装置在手术工具定位前病人和某些物体的坐标点的示意图；
图3为本发明的手术工具定位装置在手术工具定位后病人和某些物体的坐标点的示意图。
【附图标记说明】
01-病人、02-手术工具；
1-医学影像设备；
2-支撑系统；
3-机械臂、31-基座、32-第三平移机构、33-姿态调整机构；
41-第一方向、42-第二方向、43-第三方向。
具体实施例
为了更好地解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施例，对本发明作详细描述。
本发明提供了一种手术工具定位装置，如图1所示，其包括医学影像设备1，用于拍摄得到病人01的医学图像；支撑系统2，用于支撑病人01并带动病人01平移；机械臂3，用于装载手术工具02并带动手术工具02运动及调整手术工具02的姿态；控制器(图中未示出)，其与医学影像设备1、支撑系统2和机械臂3通讯连接，并控制支撑系统2和机械臂3。需要对手术工具02进行定位时，控制器根据医学图像计算得到手术工具02相对于病人01的定位数据，控制器根据定位数据分别控制支撑系统2和机械臂3运动，以使手术工具02相对于病人01定位。
在支撑系统和机械臂这两者中，其中一者能够沿第一方向平移，另一者能够沿第二方向和第三方向平移，第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直，包括以下两种方案：
第一种方案：支撑系统包括用于带动病人沿第一方向平移的第一平移机构，机械臂包括用于带动手术工具沿第二方向平移的第二平移机构和带动手术工具沿第三方向平移的第三平移机构。
第二种方案：支撑系统包括用于带动病人沿第一方向平移的第一平移机构和带动病人沿第二方向平移的第二平移机构，机械臂包括用于带动手术工具沿第三方向平移的第三平移机构。
上述两种方案都是基于“把原来需要机械臂提供的至少部分平移自由度转移到由支撑系统提供”的同一个发明构思，上述两种方案均落入本发明的保护范围之内、
基于上述原理，在该手术工具定位装置中，用于支撑病人的支撑系统能够运动，并且通过支撑系统的平移来使病人相对于手术工具平移，即把原来需要机械臂提供的至少部分平移自由度转移到由支撑系统提供，以减少机械臂的自由度要求，从而降低机械臂的复杂程度，降低机械臂的制造成本；而由于实现支撑系统的平移为较为成熟且容易实现的技术，因此综合起来能够降低整套定位装置的制造成本。
同时，减少了自由度要求后的机械臂运动时的计算难度降低。如现有技术中的6自由度或7自由度的机械臂，其具有多个关节，每个关节不但需要控制平移的自由度，而且需要控制旋转的自由度，并且计算时需要协同计算平移动作和旋转动作，因此6自由度或7自由度的机械臂在运动计算时计算难度高；而当把其中的部分平移自由度转移到由支撑系统提供后，机械臂的关节的数量减少，关节的复杂程度也降低，极大地降低了机械臂运动的计算难度，同时支撑系统的平移运动的计算难度原本就比较低，因此综合起来能够降低整套定位装置的计算难度。
再有，传统的6自由度或7自由度的机械臂为了实现各个方向的平移及旋转，需要为机械臂中的每条臂提供较大的运动范围，使得整个机械臂占用较多的空间。在本发明中，当机械臂的结构简化后，特别是当把两个平移自由度都转移到支撑系统上后，机械臂只需提供一个平移自由度和绕某一中心点旋转即可，占用的空间也大大减少，节约了手术室内的空间的使用。
优选地，本发明中的支撑系统2优选采用CT、PET-CT或MRI设备上的床，而CT、PET-CT或MRI设备上的床一般能够提供两个平移自由度(一个为床进出CT、PET-CT或MRI设备的扫描器的方向上的平移自由度，另一个为床升降方向上的平移自由度)，因此本发明中优选支撑系统2提供两个平移自由度，并在下文中采用支撑系统2提供两个平移自由度的示例对本发明作进一步说明。当然，其他类似的能够提供平移自由度的支撑装置也落入本发明的保护范围之内。同样地，医学影像设备1除了采用CT、PET-CT或MRI设备中的扫描器以外，采用其他医学成像设备也是可以的，也落入本发明的保护范围之内。同样地，手术工具02除了本文中所提及的穿刺针以外，也可以是其他类型的需要精准定位的手术工具，如消融针等。
在实际使用时，可以是单独设置控制器和机械臂，之后把控制器与现有的CT设备连接，控制器具有记录CT设备上的床的实时位置和控制床的运动的程序，并且能够与CT设备交换数据，即在现有的CT设备上加上本发明所提出的机械臂和控制器，从而组成本发明的手术工具定位装置；也可以是医学影像设备、支撑系统、机械臂和控制器集成在一套成套的装置内，成套销售使用。
下面，就以支撑系统2为CT设备上的床，医学影像设备1为CT设备上的扫描器为例进一步解释本发明。
在本实施例中，在空间三维坐标的三个相互垂直的方向上，支撑系统2能够带动病人01沿第一方向41和第二方向42平移，基于CT设备上的床的结构，CT上的床能够提供床进出CT设备的扫描器的方向(即第一方向41)上的平移自由度和床升降方向(即第二方向42)上的平移自由度；机械臂3能够带动手术工具02沿第三方向43平移和调整手术工具02的姿态，第三方向43垂直于第一方向41和第二方向42所构成的平面，即第一方向41、第二方向42和第三方向43两两相互垂直，从而能够构成一个空间三维坐标系。
优选地，CT设备上的床包括用于带动病人01沿第一方向41平移的第一平移机构和带动病人01沿第二方向42平移的第二平移机构，第一平移机构和第二平移机构集成在CT设备内，现有技术中的CT设备已具有该功能，因此在本发明中不再详述，第一平移机构和第二平移机构的具体结构可参照现有技术中的CT设备。机械臂3包括用于带动手术工具02沿第三方向43平移的第三平移机构32和带动手术工具02旋转的姿态调整机构33。
优选地，机械臂3包括基座31，基座31相对于医学影像设备1固定，基座31可以是固定在地面上，也可以固定在医学影像设备1的外壳，如医学影像设备1为CT设备时，基座31可以固定在CT设备的底座，这样，CT设备的床相对于CT设备的底座平移时，也即相对于机械臂3平移。
基于上述的结构，机械臂3只包括基座31、第三平移机构32和姿态调整机构33，机械臂3的设计得到极大的简化，占用手术室内的空间也大大减小。
进一步优选地，第三平移机构32设置在基座31与姿态调整机构33之间以带动姿态调整机构33相对于基座31沿第三方向43平移。第三平移机构32包括与姿态调整机构33连接的输出端。在一种优选方式中，姿态调整机构33包括万向连接的壳体和球体，壳体与输出端固定连接，球体与手术工具固定连接，球体能够在壳体中万向转动，壳体与球体之间设置有传动装置，传动装置能够控制球体相对于壳体转动，使手术工具旋转，并能够使球体相对于壳体固定，使手术工具角度固定。在另一种优选方式中，姿态调整机构33包括具有双自由度的平行四边形结构，该双自由度的平行四边形结构控制调整手术工具的姿态。当然，除了上述两种优选方式以外，在机械领域内还具有众多的能够带动手术工具旋转以调整手术工具的姿态的姿态调整机构，不在此一一列举，但类似的替换也落入本发明的保护范围之内
当支撑系统2不采用CT设备上的床而采用其他形式时，本发明中所提及的第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构可采用如直线电机、链传动机构、丝杆螺母机构、伸缩缸等能够实现平移的机构，第一平移机构、第二平移机构和第三平移机构均受控于控制器，类似的替换也落入本发明的保护范围之内。
本发明还提供了一种手术工具定位方法：
在病人支撑系统和手术工具这两者中，使其中一者沿第一方向平移，使另一者沿第二方向和第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合，以及旋转手工工具使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合，其中，第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。。
在本实施例中，旋转手术工具使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合：包括使手术工具围绕手术工具的旋转中心旋转一定角度，使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合。由于病人各不相同，身体各部位的形状、大小及分布皆各异，且病灶的位置不一，因此手术工具的旋转的角度一般是由医生根据医学图像确定，当然，也可是计算机内部程序算出手术工具的理想手术姿态。
在第一种优选方式中：使病人支撑系统沿第一方向和第二方向平移，以及使手术工具沿第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合。当然，也有第二种优选方式：使病人支撑系统沿第一方向平移，手术工具沿第二方向和第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合。该两种优选方式均落入本发明的保护范围之内。
下面，以手术工具为穿刺针，在CT设备引导下进行穿刺手术为例，进一步说明上述的第一种优选方式。
为了更清楚地说明本发明，如图2和图3所示，下文采用Z方向来表示上文中所提及的第一方向，采用Y方向来表示上文中所提及的第二方向，采用X方向来表示上文中所提及的第三方向；因此，以CT设备上的床进出CT设备的扫描器的方向为Z方向，CT设备上的床升降的方向为Y方向，X方向垂直于Z方向和Z方向所构成的平面。同时，可得出CT设备的床的床面平行于Z方向和X方向所构成的平面。
假设CT设备的扫描器的入口的中心点为三维坐标系原点，在该坐标系中，如图2所示，病人进入扫描器进行扫描，扫描器得到医学图像后把医学图像传送给控制器。之后根据医学图像把穿刺针调整到最佳入针角度(即手术工具的理想手术姿态)，控制器计算得出当病人在扫描时病人的入针点(即病人的手术点)的初始坐标为A0(X1,Y1,Z1,θ1)，其中θ1代表穿刺针的最佳入针角度。同时，得出当病人在扫描时床(即病人支撑系统)的初始坐标为D0(0,Y2,Z2,0)；得出机械臂的姿态调整机构(即手术工具的旋转中心)的初始坐标为C0(X3,Y3,Z3,θ1)。
由于穿刺针需要旋转，其具有不同的旋转姿态，但是穿刺针是绕某一旋转中心进行旋转的，该旋转中心就是机械臂上的姿态调整机构，而且机械臂的姿态调整机构是相对于机械臂的基座平移的，因此为了确定穿刺针的穿刺点(即手术工具的工作点)的坐标，一种较好的方式为先确定姿态调整机构的坐标，再计算出穿刺针调整到最佳入针角度后其穿刺点相对于姿态调整机构的偏移量，把姿态调整机构的坐标与偏移量相加便可得到穿刺点的坐标。由此可计算的出当穿刺针在调整到最佳入针角度后，且当机械臂的姿态调整机构的初始坐标为C0(X3,Y3,Z3,θ1)时，穿刺针的穿刺点的初始坐标为B0(X3+LX,Y3+LY,Z3+LZ,θ1)，其中的LZ、LY、和LX为穿刺针的穿刺点相对于姿态调整机构在第一方向、第二方向和第三方向的偏移量。
基于本发明所提出的原理，当支撑系统采用CT设备上的床时，为了完成穿刺针相对于病人的定位，需要对病人的进行平移，把病人的入针点从A0平移到A1，还要对穿刺针进行平移，把穿刺针的穿刺点从B0平移到B1，只要平移到使B1与A1重合，即手术工具的工作点与病人的手术点重合，即可完成穿刺针相对于病人的定位。而由于病人的入针点的坐标A是跟随床的坐标D同步平移，对于病人则调整床的Z方向和Y方向的坐标；穿刺针的穿刺点的坐标B是跟随机械臂的姿态调整机构的坐标C同步平移，对于穿刺针则调整机械臂的X方向的坐标即可；因此，想要使B1与A1重合，可通过调整床的坐标D和机械臂的姿态调整机构的坐标C来间接实现。
为了调整B1与A1重合，通过推算：床的Z方向的坐标从Z2调整到Z2+Z3+LZ-Z1，床的Y方向的坐标从Y2调整到Y2+Y3+LY-Y1，即床从图2所示的D0(0,Y2,Z2,0)调整到图3所示的D1(0,Y2+Y3+LY-Y1,Z2+Z3+LZ-Z1,0)。由于穿刺点的最终坐标可直接得出，穿刺点的最终为B1(X1,Y3+LY,Z3+LZ,θ1)，反推可得出机械臂的姿态调整机构的X方向坐标从X3调整到X1-LX，即机械臂的姿态调整机构从图2所示的C0(X3,Y3,Z3,θ1)调整到图3所示的C1(X1-LX,Y3,Z3,θ1)。
通过上述的调整，B1与A1重合，穿刺针的穿刺点与病人的入针点重合，即手术工具的工作点与病人的手术点重合，完成手术工具相对于病人的定位。
在不冲突的情况下，上述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施例。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种手术工具定位装置，其特征在于：包括
医学影像设备，用于拍摄得到病人的医学图像；
支撑系统，用于支撑病人并带动病人平移；
机械臂，用于装载手术工具并带动手术工具运动及调整手术工具的姿态；
控制器，其与所述医学影像设备、支撑系统和机械臂通讯连接，并控制所述支撑系统和机械臂；
所述控制器根据所述医学图像计算得到手术工具相对于病人的定位数据，所述控制器根据所述定位数据分别控制所述支撑系统和所述机械臂运动，以使手术工具相对于病人定位；
在所述支撑系统和机械臂这两者中，其中一者能够沿第一方向平移，另一者能够沿第二方向和第三方向平移，所述第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。
2.根据权利要求1所述的手术工具定位装置，其特征在于：
所述支撑系统包括用于带动病人沿所述第一方向平移的第一平移机构，所述机械臂包括用于带动手术工具沿所述第二方向平移的第二平移机构和带动手术工具沿所述第三方向平移的第三平移机构，所述机械臂还包括用于调整手术工具的姿态的姿态调整机构。
3.根据权利要求1所述的手术工具定位装置，其特征在于：
所述支撑系统包括用于带动病人沿所述第一方向平移的第一平移机构和带动病人沿所述第二方向平移的第二平移机构，所述机械臂包括用于带动手术工具沿所述第三方向平移的第三平移机构，所述机械臂还包括用于调整手术工具的姿态的姿态调整机构。
4.根据权利要求3所述的手术工具定位装置，其特征在于：
所述医学影像设备为CT、PET-CT或MRI设备中的扫描器，所述支撑系统为CT、PET-CT或MRI设备中的床。
5.根据权利要求4所述的手术工具定位装置，其特征在于：
所述床能够带动病人沿所述第一方向进出所述CT、PET-CT或MRI设备的扫描器，所述床能够带动病人沿所述第二方向升降。
6.根据权利要求3所述的手术工具定位装置，其特征在于：
所述机械臂包括基座，所述基座相对于所述医学影像设备固定，所述第三平移机构设置在所述基座与所述姿态调整机构之间以带动所述姿态调整机构相对于所述基座沿所述第三方向平移。
7.一种手术工具定位方法，其特征在于：
在病人支撑系统和手术工具这两者中，使其中一者沿第一方向平移，使另一者沿第二方向和第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合，以及旋转手工工具使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合，其中，
所述第一方向、第二方向和第三方向两两相互垂直。
8.根据权利要求7所述的手术工具定位方法，其特征在于：
所述旋转手术工具使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合，包括使手术工具围绕手术工具的旋转中心旋转一定角度，使其姿态与手术工具的理想手术姿态重合。
9.根据权利要求7所述的手术工具定位方法，其特征在于：
使病人支撑系统沿第一方向和第二方向平移，以及使手术工具沿第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合。
10.根据权利要求9所述的手术工具定位方法，其特征在于：
所述使病人支撑系统沿第一方向和第二方向平移，以及使手术工具沿第三方向平移，直到手术工具的工作点与病人的手术点重合，包括
基于病人的医学图像，确定病人的手术点的初始坐标A0(X1,Y1,Z1,θ1)，所述病人支撑系统的初始坐标D0(0,Y2,Z2,0)，手术工具的旋转中心的初始坐标C0(X3,Y3,Z3,θ1)，以及当手术工具在理想手术姿态下，手术工具的工作点相对于手术工具的旋转中心在所述第一方向、第二方向和第三方向的偏移量LZ、LY和LX，其中θ1代表手术工具的理想手术姿态；
沿第一方向和第二方向平移所述病人支撑系统，使所述病人支撑系统的坐标平移至D1(0,Y2+Y3+LY-Y1,Z2+Z3+LZ-Z1,0)；
沿第三方向平移手术工具，使手术工具的旋转中心的坐标平移至C1(X1-LX,Y3,Z3,θ1)。
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