CN109549705B - 一种手术机器人系统及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种手术机器人系统，所述手术机器人系统包括工作站，机械臂，扫描模块，引导模块等，其中借助扫描模块可完成快速配准。该系统提高了配准的速度和精度，缩短了手术时间。

Description

一种手术机器人系统及其使用方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其是涉及手术机器人系统及其使用方法。
背景技术
手术机器人系统是近年来发展的将机械臂主动控精确制结合到立体定位方法中的医疗仪器，适用于脑组织活检术，射频/激光毁损术、深部脑刺激植入术、癫痫病灶定位的立体定向脑电电极植入、需要导航的开颅手术(肿瘤，癫痫病灶切除)神经内窥镜手术(错构瘤，脑囊肿，垂体瘤的切除等)；主要使用步骤包括术前规划、配准注册等。现有手术机器人系统采用探针进行配准。探针配准过程中，需要手动将探针引导至待匹配位点，速度慢耗时长且有意外碰触造成损伤的潜在危险。因此需要能够解决这些问题的方案和系统。
发明内容
为解决或改善以上现有问题的至少一个，本发明提供了一种手术机器人系统，其包含：
工作站，工作站包含壳体、计算控制中心、显示装置和输入设备；
机械臂，机械臂包含多个臂段，臂段之间通过关节连接；
扫描模块，用于对目标空间进行信息采集；目标空间是指待手术的患者部位，例如头部；
引导模块，用于引导手术器械按照预期的轨迹运动；
其中，所述扫描模块采集的信息通过所述工作站的处理得到目标空间的三维信息。
本发明手术机器人系统的扫描模块可以包含不同的组成结构：
第一种方案中，扫描模块包含图像获取装置，图像获取装置与机械臂的相对位置关系是已知的，即可以不经测量直接获得图像获取装置在机械臂的坐标系中的坐标；图像获取装置可以为摄像机，例如单目摄像机、双目摄像机等，机械臂带动图像获取装置在不同位置获取图像，经过计算重建即可获得目标空间的三维信息；
第二种方案中，扫描模块包含光发射组件和图像获取装置，光发射组件可以发射光线，例如红外线，到目标空间，图像获取装置采集图像，当采集到足够数量的点云后，计算控制中心根据获得的信息对目标空间的坐标进行标定；
第三种方案中，扫描模块包含投影组件和图像获取装置，所述投影组件可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构，然后进行配准。投影组件发射特定编码图案的方案，相比于激光单点采集数据仅采集有限范围内的数千个点，大大提高了采集效率，在相同的注册时间内，对数十厘米边长的正方形范围内可以进行全面覆盖的数据采集，采集数据的范围大大增加，获得百万量级的数据点，大大增加了点云的数量，从而提高三维结构的精度。投影组件不仅可发射特定的编码图案，还可投影图像到目标空间，例如将患者的重要生理信息：心跳、血压、血型等信息投影到患者皮肤表面，从而以一种无接触的安全方式展示信息，并可以进行畸变校正。扫描模块的投影组件和所述图像获取装置具有预先确定的相对空间位置关系。一个实施方案中，本发明手术机器人系统的投影组件包含光源、透镜组、数字微镜元件(Digital Micromirror Device)和控制模块，图像获取装置为摄像机。
本发明手术机器人系统的扫描模块可以基于已知相对于机械臂末端的固定位置通过机械臂移动到指定位置，或者通过追踪模块确定扫描模块的空间位置。
本发明手术机器人系统的扫描模块可以是单独的模块，单独使用或者作为可拆卸的部件通过法兰与机械臂连接，也可以是集成的模块，即集成在机械臂末端。当扫描模块是单独模块时，例如可以手持使用，但需要包含标志物(可追踪的结构)并且与追踪模块配合使用；当扫描模块是可拆卸的模块时，使用时将扫描模块与机械臂连接，扫描模块在机械臂的世界坐标系中就具有了已知坐标，例如，在一个实施方案中，扫描模块投影特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构，图像采集可以有多种方式，例如，计算控制中心中预先加载的软件按照程序设定，调节机械臂的位置，重新获取目标空间的图像数据，结合之前的数据一起生成三维结构，此步骤可以多次进行，直至三维图像满足需求为止。然后将三维结构与术前生成的三维模型进行匹配，从而将手术区域与三维模型的坐标系统一。然后用导向模块替换扫描模块，继续进行手术步骤。当扫描模块集成在机械臂末端时，使用其进行三维结构获取时与可拆卸的扫描模块相同，但是不占用法兰，从而可以直接继续安装导向结构从而进行后续手术操作。
标志物可以装配在刚性结构上形成可追踪的结构，其中标志物设置成独特的空间分布，能够确定唯一的坐标系。
扫描模块由机械臂控制运动或作为独立结构使用，相比于只能在患者处于仰卧位时采集面部特征点进行配准的现有技术，减少了对扫描模块的空间位置的束缚，增加了采集图像的角度和位置，能够采集到现有技术难以获得的全头数据，而且不受患者姿势的影响，扩大了扫描图像的范围，从而提高了三维图像和配准的精度。
本发明的手术机器人系统还可包含位置追踪模块，以追踪扫描模块的位置，追踪到扫描模块获取图像时的空间位置，就可以将图像的坐标系进行转换，从而构建三维结构，包含追踪模块的情况下，扫描模块的组成与前述相同。位置追踪模块可以通过多种方式实现：
第一种情况，位置追踪模块为具有追踪能力的图像获取装置，例如双目摄像机，根据双目成像原理，通过获得与扫描模块具有固定空间位置关系的双目摄像机可追踪的标志物(例如可自发光的标志物、角点等)的空间位置，获得所追踪的扫描模块的位置，继而可以通过扫描模块的位置确定所获得的图像信息的空间位置；
第二种情况，位置追踪模块为光学追踪装置，光学追踪装置通常包括光可追踪的标志物、摄像单元和光发射单元，光优选为红外线，将光可追踪的标志物固定到扫描模块上，光发射单元将红外线投射到标志物上，反射的红外线被摄像单元接收，即可通过光学追踪装置实时监测扫描模块的位置，光可追踪的标志物可以为多种形式，例如具有特殊空间位置关系的反光球，以及由反光球组成参考标记。
第三种情况，位置追踪模块为电磁追踪装置，电磁追踪装置通过标志物在磁场中对电磁场产生的影响来确定标志物的位置，通过将电磁标志物与扫描模块固定，即可通过标志物来确定扫描模块所处的空间位置。
本发明的手术机器人系统的机械臂具有至少6个自由度，并且机械臂能够感测受到的力。在一个实施方案中，本发明的手术机器人系统的机械臂具有6个关节且机械臂末端设置有力传感器，能够实现6个自由度的运动，力传感器可以感知机械臂末端所受到的外力。在另一个实施方案中，本发明的手术机器人系统的机械臂具有7个关节且每个关节各自具有扭矩传感器，能够实现在7个自由度上的运动，在机械臂末端(末端臂节)位置不变或在一个方向上进行受限运动时，关节和其他臂节可以进行姿态调整从而方便使用者。又一个实施方案中，机械臂仅在关节处含有电机，通过电机的电流变化，即可计算出关节的受力情况，从而进行适应性调节。本发明的手术机器人系统的机械臂还可以具有多于6个的关节、例如7个、8个、9个、10个关节等，从而拥有更多的自由度。
本发明的另一方面还提供了本发明手术机器人系统的使用方法，该方法包括以下主要步骤：
a)使用手术机器人系统接收影像数据并进行可视化显示，在影像中可进行手术方案规划；
b)使用扫描模块对目标空间进行扫描，通过工作站将扫描的数据生成三维结构，与步骤a中的影像进行配准；
c)在机械臂的末端安装引导模块，按照预先的手术规划执行。
进一步地，在一个实施方案中，步骤b中使用扫描模块对目标空间进行结构扫描是这样进行的：使用者手动拖拽机械臂，使得扫描模块到达所需位置，获取扫描信息，并且可进行多次扫描，以获得完整的目标空间图像。在另一个实施方案中，步骤b中使用扫描模块对目标空间进行结构扫描是这样进行的：首先使用扫描模块对目标空间进行初次扫描，获得目标空间在坐标系中的大致位置，例如患者的卧位和面部朝向；然后工作站根据扫描模块的参数，计算出扫描模块进行扫描的合适位置并规划出合适的机械臂运动轨迹，然后自动执行扫描步骤，控制机械臂运动并带动扫描模块按照预定顺序到达预定位置，从多个角度对目标空间进行数据采集，从而能够通过解码和拼接获得目标空间的完整三维结构。投影组件将特定的编码图像投射到目标空间的过程中，由于投射角度有限，场景还存在互相遮挡的情况，所以需要多角度采集，从而得到完整的三维图像。
本发明的系统通过追踪模块实现了对扫描模块的精确位置判定，保证了能够获得理想的三维结构，而且相比于传统的点配准，在生成三维图像的速度上具有明显的优势，缩短了手术时间，降低了手术风险。
优选地，在另一个实施方案中，在扫描模块和连接引导模块可拆卸的连接所述机械臂的情况下，在步骤b中，配准之前将扫描模块通过法兰安装到机械臂；配准之后，使用引导模块替换扫描模块。
导向装置一般设置成含有通孔，为手术器械在一定的方向上进行运动提供辅助，必要时导向装置可进行消毒，以满足手术要求，本领域技术人员理解能够实现该功能的其他形式也可以。手术器械在引导模块的辅助下沿预定轨迹运动的含义是，手术器械，例如导丝、电极、探针等在导引模块的通孔中沿通孔的轴向进行方向受限的运动，从而实现了手术器械在三维空间中的精准立体定向。
本发明的手术机器人系统可以满足手术室的使用需求，引导模块在使用前可进行灭菌处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本发明手术机器人系统的一个实施方案的结构示意图；
图2为本发明手术机器人系统的另一个实施方案的结构示意图；
图3为本发明手术机器人系统的一个实施例的示意图，其中展示了机械臂末端连接了扫描模块的状态。
图4示出了根据本发明的另一个实施例，示出的手术机器人系统还包含追踪模块；
图5示出了根据本发明的又一个实施例，示出的手术机器人系统包含追踪模块和作为独立配件的扫描模块；
图6示出了根据本发明的另一个实施例，示出的手术机器人系统包含追踪模块和作为独立配件的扫描模块；
图7示出了根据本发明的一个实施例，示出的手术机器人系统包含具有七个自由度的机械臂；
图8是图7中机械臂连接扫描模块的放大图；
图9示出了根据本发明的又一个实施例，示出的手术机器人系统包含追踪模块和具有七个自由度的机械臂；
图10示出了根据本发明的另一个实施例，示出的手术机器人系统包含追踪模块、独立的扫描模块、和具有七个自由度的机械臂；
图11示出了本发明的又一个实施方案的示意图，其中扫描模块集成在机械臂中。
图标：
100-工作站，101-壳体、102-计算控制中心、103-显示装置、104-输入设备，1011-轮子、1012-固定装置；200-机械臂；300-扫描模块；400-引导模块；500-追踪模块；201-基座、202-第一关节、203-第一臂节、204-第二关节、205-第二臂节、206-第三关节、207-第三臂节、208-第四关节、209-第四臂节、210-第五关节、211-第五臂节、212-第六关节、213-第六臂节、214-第七关节、215-第七臂节(机械臂末端)；301-投影组件、302-图像获取装置、303-可追踪的结构、3031-可追踪的标志物(球型标志物或角点)；501-摄像头或投影组件、502-摄像头、503-红外线发射装置。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明所公开的手术机器人系统进行详细介绍。
参照图1，本发明的手术机器人系统的一个方案的示意图，包括：工作站100，机械臂200，扫描模块300，引导模块400，其中：
工作站100包含壳体101、计算控制中心102、显示装置103、输入设备104；计算控制中心102与显示装置103、输入设备104、以及其他医院设备，例如磁共振(MRI)设备或X线计算机断层摄影(CT)设备，或数据库通讯连接。显示装置103用于显示计算控制中心102生成的三维图像和软件控制界面，显示装置可以不止一个，还可以是其他现有设备，例如，可以是液晶显示器、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，在一个实施方案中，可以使用触摸屏，同时具有显示和输入的功能；在另一个实施方式中，显示装置103可以是带有投影显示功能的眼镜或者带有投影显示屏的头盔，以方便使用者。输入设备104为任意输入配件，例如脚踏开关、触摸板、触摸笔、触摸屏、操纵杆、轨迹球、无线鼠标、鼠标、键盘、语音输入端口或其组合，允许使用者将命令输入到计算控制中心102；在显示装置103具有输入功能的情况下，输入设备104可以省略。壳体101含有轮子、固定装置和把手，确保使用者容易地移动工作站100；壳体101还可以具有连接装置将工作站100与手术台/头架等固定连接。机械臂200是具有至少6个自由度的任何机械臂，例如具有7个、8个、9个或10个自由度的机械臂，其一端固定连接到工作站100。
扫描模块300，扫描模块可以有多种组成，一种情况下仅包含图像获取装置，例如双目摄像机等；第二种情况下包含光发射组件和图像获取装置，光发射组件发射红外线到目标空间，图像获取装置采集图像，当采集到足够的数据后，计算控制中心根据获得的信息对目标空间的坐标进行标定；第三种方案中，扫描模块包含投影组件和图像获取装置，扫描模块的投影组件和所述图像获取装置具有预先确定的相对空间位置关系，投影组件不仅可发射特定的编码图案，还可投影图像到目标空间，例如将患者的重要生理信息：心跳、血压、血型等信息投影到患者皮肤表面，从而以一种无接触的安全方式展示信息，并可以进行畸变校正。扫描模块300可以是独立的，也可以是可拆卸连接机械臂200的，还可以是集成在机械臂200中的，图1中示出了扫描模块300可拆卸连接机械臂200的情况。
引导模块400，其可通过法兰连接机械臂末端215，引导模块400含有通孔，其他手术器械，例如导丝、钻头、电极等可以通过该通孔进行导向定位；在导向模块运动到指定位置并保持的情况下，按照事先规划的路径和长度，使得手术器械通过导向模块的通孔，到达指定位置。
扫描模块300与机械臂200连接，其与机械臂200的相对位置确定，继而可以通过机械臂200确定其空间位置，扫描模块获得扫描数据，传输到工作站100进行处理，建立三维结构后进行配准，然后通过引导模块400进行后续操作。
参照图2，本发明的手术机器人系统的另一个方案的示意图，包括：工作站100，机械臂200，扫描模块300，引导模块400，追踪模块500，其中：
工作站100包含壳体101、计算控制中心102、显示装置103、输入设备104；计算控制中心102与显示装置103、输入设备104、以及其他医院设备，例如MRI设备或CT设备，或数据库通讯连接。显示装置103用于显示计算控制中心102生成的三维图像和软件控制界面，显示装置可以不止一个，还可以是其他现有设备，例如，可以是液晶显示器、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，在一个实施方案中，可以使用触摸屏，同时具有显示和输入的功能；在另一个实施方式中，显示装置103可以是带有投影显示功能的眼镜或者带有投影显示屏的头盔，以方便使用者。输入设备104为任意输入配件，例如脚踏开关、触摸板、触摸笔、触摸屏、操纵杆、轨迹球、无线鼠标、鼠标、键盘、语音输入端口或其组合，允许使用者将命令输入到计算控制中心102；在显示装置103具有输入功能的情况下，输入设备104可以省略。壳体101含有轮子、固定装置和把手，确保使用者容易地移动工作站100；壳体101还可以具有连接装置将工作站100与手术台/头架等固定连接。机械臂200是具有至少6个自由度的任何机械臂，例如具有7个、8个、9个或10个自由度的机械臂，其一端固定连接到工作站100。
扫描模块300，扫描模块可以有多种组成，一种情况下仅包含图像获取装置，例如双目摄像机等；第二种情况下包含光发射组件和图像获取装置，光发射组件发射红外线到目标空间，图像获取装置采集图像，当采集到足够的数据后，计算控制中心根据获得的信息对目标空间的坐标进行标定；第三种方案中，扫描模块包含投影组件和图像获取装置，扫描模块的投影组件和所述图像获取装置具有预先确定的相对空间位置关系，投影组件不仅可发射特定的编码图案，还可投影图像到目标空间，例如将患者的重要生理信息：心跳、血压、血型等信息投影到患者皮肤表面，从而以一种无接触的安全方式展示信息，并可以进行畸变校正。扫描模块300可以是独立的，也可以是可拆卸连接机械臂200的，还可以是集成在机械臂200中的，图2中示出了扫描模块300可拆卸连接机械臂200的情况。
引导模块400，其可通过法兰连接机械臂末端215，引导模块400含有通孔，其他手术器械，例如导丝、钻头、电极等可以通过该通孔进行导向定位；在导向模块运动到指定位置并保持的情况下，按照事先规划的路径和长度，使得手术器械通过导向模块的通孔，到达指定位置。
追踪模块500，可以通过不同的装置实现，只要能够追踪扫描模块300的空间位置即可，例如：第一种情况，位置追踪模块为具有追踪能力的摄像装置，例如双目摄像机，扫描模块含有按特殊结构摆放的角点或可自发光的标志物，根据双目成像原理，即获得所追踪的扫描模块的位置，继而可以通过扫描模块的位置确定所获得的图像信息的空间位置；第二种情况，位置追踪模块为光学追踪装置，光学追踪装置通常包括可被光追踪的标志物、摄像单元和光发射单元，光优选为红外线，将标志物固定到扫描模块上，即可通过光学追踪装置实时监测扫描模块的位置，标志物可以为多种形式，例如球状物等。第三种情况，位置追踪模块为电磁追踪装置，电磁追踪装置通过电磁标志物在磁场中对电磁场产生的影响来确定电磁标志物的位置，通过将电磁标志物与扫描模块固定，即可通过电磁标志物来确定扫描模块所处的空间位置。追踪模块500与工作站100或机械臂200具有确定的位置关系。
实施例1
参见图3，示出了本发明手术机器人系统的一个实例的结构图，其具有工作站100，机械臂200，扫描模块300、引导模块400(未示出)；其中工作站100包含壳体101、计算控制中心102(未示出)、触摸屏103，脚踏未示出，壳体101含有四个轮子1011、三个固定装置1012和把手；机械臂200为含有6个关节的机械臂，能够实现在6个自由度上的运动，在机械臂末端安装有力传感器，能够感测各个维度上的受力；扫描模块300包含投影组件301和图像获取装置302，投影组件301和图像获取装置302具有预先确定的相对空间位置关系；投影组件301可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置302进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构，然后进行配准。投影组件301包含光源、透镜组、数字微镜元件和控制模块，图像获取装置302为摄像机，投影组件301不仅可发射特定的编码图案，还可投影图像到目标空间，例如将患者的重要生理信息：心跳、血压、血型等信息投影到患者皮肤表面，从而以一种无接触的安全方式展示信息，并可以进行畸变校正。轮子1011可以是万向轮，方便移动，当移动到适当位置后，通过将三个固定装置1012升降，替代轮子1011起到支撑作用，从而将手术机器人系统固定在适当位置。机械臂200末端的位置可以在机械臂坐标系中实时确定，扫描模块300相对于机械臂200末端的位置固定，从而可以获取扫描模块300在空间中的位置。使用过程中，扫描模块300完成配准步骤后，使用导向模块替换扫描模块300。
实施例2
参见图4，示出了本发明手术机器人系统的另一个实例的结构图，其具有工作站100，机械臂200，扫描模块300、引导模块400(未示出)、追踪模块500；其中工作站100包含壳体101、计算控制中心102(未示出)、触摸屏103，脚踏未示出，壳体101含有四个轮子1011、三个固定装置1012和把手；机械臂200为含有6个关节的机械臂，能够实现在6个自由度上的运动，在机械臂末端加装有力传感器，能够感测各个维度上的受力；扫描模块300包含投影组件301和图像获取装置302，投影组件301和图像获取装置302具有预先确定的相对空间位置关系；投影组件301可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置302进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构，然后进行配准。投影组件301包含光源、透镜组、数字微镜元件和控制模块，图像获取装置302为摄像机，投影组件301不仅可发射特定的编码图案，还可投影图像到目标空间，例如将患者的重要生理信息：心跳、血压、血型等信息投影到患者皮肤表面，从而以一种无接触的安全方式展示信息，并可以进行畸变校正。轮子1011可以是万向轮，方便移动，当移动到适当位置后，通过将三个固定装置1012升降，替代轮子1011起到支撑作用，从而将手术机器人系统固定在适当位置。追踪模块500可以追踪扫描模块300的位置，扫描模块300包含可追踪的结构(图4中未示出，参考图5)，例如主动发光的球型标志物或角点图案组成的特殊结构，追踪模块可以是双目摄像机，即501和502均为摄像头，追踪模块500也可以是双目摄像机加红外光发射装置的结构，此时扫描模块300包含由可反射红外光的球型标志物组成的光可追踪结构。可追踪的结构也可以连接在机械臂末端，从而对机械臂末端的进行定位或位置校正。
实施例3
参见图5，示出了本发明手术机器人系统的又一个实例的结构图，其具有工作站100，机械臂200，扫描模块300、引导模块400、追踪模块500；其中工作站100包含壳体101、计算控制中心102(未示出)、触摸屏103，脚踏未示出，壳体101含有四个轮子1011、三个固定装置1012和把手，轮子1011可以是万向轮，方便移动，当移动到适当位置后，通过将三个固定装置1012升降，替代轮子1011起到支撑作用，从而将手术机器人系统固定在适当位置；机械臂200为含有6个关节的机械臂，能够实现在6个自由度上的运动，在机械臂末端加装有力传感器，能够感测各个维度上的受力；扫描模块300为独立部件，包含投影组件301、图像获取装置302和可追踪的结构303，可追踪的结构303包含4个可被追踪的角点3031。引导模块400，其可通过法兰连接机械臂末端，引导模块400含有通孔，其他手术器械，例如导丝、钻头、电极等可以通过该通孔进行导向定位。追踪模块500是双目摄像机(501和502)。扫描模块300可以手持使用对目标空间进行扫描，追踪模块500实时追踪扫描模块的位置，从而可以将扫描的图像统一在机械臂的坐标系中，完成配准，继而通过工作站100控制机械臂200按照预设路径运动；追踪模块500还可以追踪引导模块400的位置，在引导模块400上加装303类似的可追踪的结构，作为确定引导模块400位置的校正参考或者独立的定位方法。
实施例4
参见图6，示出了本发明手术机器人系统的另一个实例的结构图，其具有工作站100，机械臂200，扫描模块300、引导模块400、追踪模块500；其中工作站100包含壳体101、计算控制中心102(未示出)、触摸屏103，脚踏未示出，壳体101含有四个轮子1011、三个固定装置1012和把手，轮子1011可以是万向轮，方便移动，当移动到适当位置后，通过将三个固定装置1012升降，替代轮子1011起到支撑作用，从而将手术机器人系统固定在适当位置；机械臂200为含有6个关节的机械臂，能够实现在6个自由度上的运动，在机械臂末端加装有力传感器，能够感测各个维度上的受力；扫描模块300为独立部件，包含投影组件301、图像获取装置302和光可追踪的结构303，光可追踪的结构303包含4个可被光追踪的球型标志物3031。引导模块400，其可通过法兰连接机械臂末端，引导模块400含有通孔，其他手术器械，例如导丝、钻头、电极等可以通过该通孔进行导向定位。追踪模块500是双目摄像机(501和502)加红外线发射装置503的结构，红外线发射装置503发出红外线，照射到可反射红外线的球型标志物3031，球型标志物3031反射的光被双目摄像机获取，可计算得到扫描模块300的空间坐标。扫描模块300可以手持使用对目标空间进行扫描，追踪模块500实时追踪扫描模块的位置，从而可以将扫描的图像转换到机械臂的坐标系中，继而通过工作站100控制机械臂200按照预设路径运动；追踪模块500还可以追踪引导模块400和机械臂200的位置，即在引导模块400和机械臂200上加装303类似的可追踪的结构，作为校正参考或者独立的定位方法。
实施例5
参照图7，示出了本发明手术机器人系统的又一个实例，其与实施例1基本相同，不同之处在于机械臂200具有7个自由度，机械臂200连接扫描装置300的放大图在图8中示出，其中，机械臂200包括基座201、第一关节202、第一臂节203、第二关节204、第二臂节205、第三关节206、第三臂节207、第四关节208、第四臂节209、第五关节210、第五臂节211、第六关节212、第六臂节213、第七关节214、第七臂节215(机械臂末端)；每个关节都配有扭矩传感器；机械臂200通过基座201安装到工作站100。扫描模块300包含投影组件301和图像获取装置302。
实施例6：
参见图9，示出了本发明手术机器人系统的另一个实例，其与实施例2基本相同，不同之处在于机械臂200具有7个自由度，机械臂的关节处有电机，通过电机中电流的大小可以计算机械臂200受到的力，某些情况下，关节处还可以具有扭矩传感器，从而感测受到的力。
实施例7：
参见图10，示出了本发明手术机器人系统的另一个实例，其与实施例4基本相同，不同之处在于机械臂200具有7个自由度。该实例也可以采用与实施例3中相同的扫描模块和追踪模块，即采用角点作为可追踪的标志物，使用双目摄像机采集图像。
本发明的手术机器人系统可用于多种手术场景，具有不同的使用方法，下文仅示出部分实例。
实施例8：
实施例1的手术机器人系统的使用方法的一个实例，包括以下步骤：
A)手术机器人系统的工作站100通过接口接收医学影像数据，例如磁共振图像数据，功能磁共振图像数据、CT图像数据、相位对比磁共振血管成像(PC-MRA)数据等，优选地手术数据进行格式统一，之后，工作站100中预先加载的软件“神外机器人规划软件”构建目标空间的三维立体模型，其中三维立体模型中显示血管，使用者根据软件配套的规划指南规划出手术方案，确定手术器械行进路径；
B)将工作站100固定到合适位置，使用者通过输入设备104，例如鼠标或键盘发出指令，使得机械臂200调控法兰上连接的扫描装置300，投影组件投射出结构光到目标空间，摄像机采集图像，根据编码图像的解码，计算出目标空间的三维结构，优选地，工作站100的软件可以控制机械臂200根据采集图像的范围进行位置调整，多次采集数据后，获得达到需求的三维结构为止，然后将手术区域的三维结构与步骤A中的三维立体模型进行配准；
C)配准完成后，进行手术操作，在放置深部电极的手术中如下操作，使用者将扫描模块300替换为引导模块400，工作站100按照步骤A中规划的手术计划，向机械臂200发出指令，机械臂200运动到指定位置，使用者将手术钻的钻头通过引导模块400确定方向和位置，按照神外机器人规划软件提供的参数，安装限位器等手术配件，然后在手术部位，例如头部开孔，之后使用其他手术器械，例如导丝或者电极替换钻头，沿着定向装置的通道前进，到达指定位置。如果为多步骤手术，可按照预先的手术规划，将机械臂拖拽到所需位置完成此步骤的的手术，重复多次，直至完成所有规划步骤。
实施例9
参照图11，本发明的另一个实例，其中的数字编号和指代内容与图1相同，不同之处在于，扫描模块300整合到机械臂200中，优选地，整合到机械臂末端中，保证了扫描模块具有足够的自由度，方便调节角度。手术机器人在使用过程中，根据需要，引导模块400是经消毒的，扫描模块300因具有电子器件，一般不宜进行高温消毒，而在本实施例中，因为扫描模块300整合到机械臂200中，所以与图1的描述不同，在安装引导模块400时无需将扫描模块300从法兰上拆下，将带有法兰和扫描模块300的机械臂200使用无菌围布包裹，然后将经灭菌的引导模块400安装到法兰上，使用经灭菌的手术工具继续操作即可。
实施例10
实施例9的手术机器人系统的使用方法的一个实例，其与实施例7中的方法基本相同，不同之处在于，扫描模块集成在机械臂末端中，因此区别在于不占用法兰，在完成配准之后，直接将引导装置通过法兰连接到机械臂上。
在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (23)

1.一种手术机器人系统，其特征在于，包含：
工作站，所述工作站包含壳体、计算控制中心、显示装置和输入设备；
机械臂，所述机械臂包含多个臂段，臂段之间通过关节连接，所述机械臂具有至少6个自由度；
扫描模块，用于对目标空间进行信息采集，所述扫描模块包含以下任一：图像获取装置，光发射组件和图像获取装置，投影组件和图像获取装置，所述扫描模块可拆卸的连接所述机械臂或者所述扫描模块整合在所述机械臂中；
引导模块，用于引导手术器械按照预期的轨迹运动；
所述扫描模块采集的信息通过所述工作站的处理得到目标空间的三维信息；
所述系统可以执行包括以下步骤的方法：
a）接收影像数据，规划手术方案；
b）使用者手动拖拽所述机械臂，使得所述扫描模块到达所需位置，获取扫描信息，或者所述工作站计算出所述扫描模块进行扫描的合适位置并规划出合适的机械臂运动轨迹，然后自动执行扫描步骤，控制所述机械臂运动并带动所述扫描模块按照预定顺序到达预定位置，从多个角度对目标空间进行扫描，从而获得目标空间的扫描信息，所述工作站将所述扫描信息与步骤a中的影像数据进行配准；
c)使用所述机械臂末端安装的所述引导模块，执行所述手术方案。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述投影组件可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述投影组件还可以投射图案到目标空间。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述投影组件和所述图像获取装置具有预先确定的相对空间位置关系。
5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述投影组件包含光源、透镜组、数字微镜元件和控制模块。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述机械臂能够通过电机电流计算所受到的力。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述机械臂设置有至少1个力传感器。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其特征在于，所述机械臂的每个关节各自设置有力传感器。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂具有6个、7个、8个、9个、或10个自由度。
10.一种手术机器人系统，其特征在于，包含：
工作站，所述工作站包含壳体、计算控制中心、显示装置和输入设备；
机械臂，所述机械臂包含多个臂段，臂段之间通过关节连接，所述机械臂具有至少6个自由度；
扫描模块，用于对目标空间进行信息采集，所述扫描模块包含可追踪的结构和以下任一：图像获取装置，光发射组件和图像获取装置，投影组件和图像获取装置；
引导模块，用于引导手术器械按照预期的轨迹运动；
位置追踪模块，所述位置追踪模块能够追踪所述扫描模块的位置；
所述扫描模块采集的信息通过所述工作站的处理得到目标空间的三维信息；
所述系统可以执行包括以下步骤的方法：
a）接收影像数据，在影像中进行手术方案规划；
b）使用者手动拖拽机械臂，使得所述扫描模块到达所需位置，获取扫描信息，或者所述工作站计算出所述扫描模块进行扫描的合适位置并规划出合适的机械臂运动轨迹，然后自动执行扫描步骤，控制所述机械臂运动并带动所述扫描模块按照预定顺序到达预定位置，从多个角度对目标空间进行扫描，从而获得目标空间的扫描信息，所述工作站将所述扫描信息与步骤a中的影像数据进行配准；
c)使用所述机械臂末端安装的所述引导模块，执行所述手术方案。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述位置追踪模块为光学追踪装置，所述光学追踪装置包含摄像单元和光发射单元。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述位置追踪模块为电磁追踪装置。
13.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述扫描模块独立存在。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的系统，其特征在于，所述机械臂能够通过电机电流计算所受到的力。
15.根据权利要求10至13中任一项所述的系统，其特征在于，所述机械臂设置有至少1个力传感器。
16.根据权利要求10至13中任一项所述的系统，其特征在于，所述机械臂的每个关节各自设置有力传感器。
17.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述机械臂具有6个、7个、8个、9个、或10个自由度。
18.一种扫描装置，其特征在于，包含可追踪的结构、投影组件和图像获取结构，所述图像获取结构为单目摄像机、双目摄像机、或多目摄像机；所述投影组件可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构；所述扫描装置能够通过所述可追踪的结构和追踪设备确定其自身的空间位置，所述扫描装置与权利要求1-17任一项所述的手术机器人联合使用。
19.根据权利要求18所述的扫描装置，所述可追踪的结构为可见光可识别的标志物，所述追踪设备为双目摄像机、或多目摄像机。
20.根据权利要求19所述的扫描装置，其特征在于，所述追踪设备为红外追踪设备，所述红外追踪设备包含红外发射结构和图像获取结构，所述可追踪的结构能够反射红外线。
21.根据权利要求18所述的扫描装置，其特征在于，所述追踪设备为电磁追踪设备，所述可追踪的结构为可被电磁追踪的结构。
22.根据权利要求18所述的扫描装置，其特征在于，所述投影组件还可以投射图案到目标空间。
23.一种手术导航系统，其特征在于，包含权利要求18至22中任一项所述的扫描装置。
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