CN109662779A - 一种经尿道电切镜手术机器人系统 - Google Patents

一种经尿道电切镜手术机器人系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种经尿道电切镜手术机器人系统，包括：显示设备、用于获取用户输入的操作指令的人机交互设备、电切镜、电切镜夹持机构、用于带动所述电切镜夹持机构沿所述电切镜轴向进退、绕所述电切镜中心轴线旋转和绕所述电切镜中心轴线上预设定点转动的六自由度串联机械臂和作为控制核心的工作站。本发明实施例的技术方案，通过经尿道电切镜手术机器人系统使得手术医生在远端执行手术操作，实现远程手术以及精准操作，增加手术安全性的同时节省手术医生的体力的效果。

Description

一种经尿道电切镜手术机器人系统
技术领域
本发明实施例涉及机器人技术，尤其涉及一种经尿道电切镜手术机器人系统。
背景技术
经尿道电切镜手术是一种微创/无创外科手术，主要用于前列腺增生及膀胱肿瘤的切除。
现阶段在电切镜手术中，患者以截石位躺在手术床上。手术医生坐在患者会阴部正前方，操作电切镜进行手术操作。
在手术过程中，医生需要频繁调节电切镜的位置和姿态从而切割不同方位上的病变组织，容易残留病变组织，切除面不规则，前列腺大者，经验不足的术者还会迷失方向，损伤临近组织脏器，造成风险。同时，整个手术过程也十分耗费体力，并且由于医生位置紧邻患者，还容易受到患者体液的污染。
发明内容
本发明实施例提供一种经尿道电切镜手术机器人系统，以实现手术医生可在远端执行操作，以实现远程手术以及精准操作，增加手术安全性的同时节省手术医生的体力。
本发明实施例提供了一种经尿道电切镜手术机器人系统，包括：
显示设备，与工作站信号连接，用于接收所述工作站发送的显示数据，根据所述显示数据向用户展示图像；
人机交互设备，与所述工作站信号连接，用于获取用户输入的操作指令，并传输至所述工作站；
电切镜，包括电切环，与所述工作站信号连接，用于将获取到的图像信息传输至所述工作站，根据从所述工作站接收到的第一控制信号控制所述电切环的电流强度；
电切镜夹持机构，与所述工作站信号连接，用于夹持所述电切镜，根据从所述工作站接收到的第二控制信号，带动所述电切环沿所述电切镜轴向进退；
六自由度串联机械臂，与所述工作站信号连接，与所述电切镜夹持机构固定连接，用于根据从所述工作站接收到的第三控制信号，带动所述电切镜夹持机构沿所述电切镜轴向进退、绕所述电切镜中心轴线旋转和绕所述电切镜中心轴线上预设定点转动；
所述工作站，用于根据从所述电切镜获取到的所述图像信息，生成所述显示数据，发送至所述显示设备；根据从所述人机交互设备获取到的所述操作指令，生成所述第一控制信号，发送至所述电切镜，和/或生成所述第二控制信号，发送至所述电切镜夹持机构，和/或生成所述第三控制信号，发送至所述六自由度串联机械臂。
本发明实施例通过经尿道电切镜手术机器人系统使得手术医生在远端执行手术操作，实现远程手术并提高操作的精准性，解决医生需近距离执行手术的问题，同时增加手术安全性，并实现节省手术医生的体力的效果。
附图说明
图1是本发明实施例中的一种经尿道电切镜手术机器人系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中的另一种经尿道电切镜手术机器人系统的结构示意图；
图3是本发明实施例中的电切镜夹持机构的结构示意图；
图4是本发明实施例中的又一种经尿道电切镜手术机器人系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
本发明实施例提供的经尿道电切镜手术机器人系统，本实施例可适用于通过经尿道电切镜手术机器人系统执行手术操作的情况，如图1所示，该系统包括：
显示设备1，与工作站3信号连接，用于接收工作站3发送的显示数据，根据显示数据向用户展示图像；其中，显示设备1可以为液晶显示屏，手术医生在操作经尿道电切镜手术机器人系统进行手术时，电切镜4会插入到患者的患处，获取患处的图像，然后传输给工作站3，由工作站3将从电切镜4获取到的图像信息转换为显示设备1可识别的显示数据，从而将患处图像展示给手术医生。
人机交互设备2，与工作站3信号连接，用于获取用户输入的操作指令，并传输至工作站3；其中，人机交互设备2获取用户控制电切环41电流强度的操作，和/或获取用户控制电切环41进退的操作，和/或获取用户控制电切镜4空间运动的操作，比如电切镜4沿电切镜轴向进退、电切镜4绕电切镜中心轴线旋转和电切镜4绕电切镜中心轴线上预设定点转动。
电切镜4，包括电切环41，与工作站3信号连接，用于将获取到的图像信息传输至工作站3，根据从工作站3接收到的第一控制信号控制电切环41的电流强度。其中，手术医生通过控制电切环41的电流强度，来控制切除的速度和止血的效能。
电切镜夹持机构5，与工作站3信号连接，用于夹持电切镜4，根据从工作站3接收到的第二控制信号，带动电切环41沿电切镜轴向进退；其中，电切镜夹持机构5将电切镜4夹持固定，并可以带动电切环41沿电切镜轴向做进退动作，以便电切环41准确达到指定位置，实施切除或止血操作。
六自由度串联机械臂6，与工作站3信号连接，与电切镜夹持机构5固定连接，用于根据从工作站3接收到的第三控制信号，带动电切镜夹持机构5沿电切镜轴向进退、绕电切镜中心轴线旋转和绕电切镜中心轴线上预设定点转动；其中，六自由度串联机械臂6设置有六个关节，以便实现带动电切镜夹持机构5沿电切镜轴向进退、绕电切镜中心轴线旋转和绕电切镜中心轴线上预设定点转动，保证手术中各项动作的灵活性。
工作站3，用于根据从电切镜4获取到的图像信息，生成显示数据，发送至显示设备1；根据从人机交互设备2获取到的操作指令，生成第一控制信号，发送至电切镜4，和/或生成第二控制信号，发送至电切镜夹持机构5，和/或生成第三控制信号，发送至六自由度串联机械臂6。
其中，工作站3为该经尿道电切镜手术机器人系统的核心控制设备，一般为具备数据处理功能的计算机设备。可以理解的是，该经尿道电切镜手术机器人系统的各组成模块之间可以有线连接或无线连接，图1中未示出电切镜夹持机构5与工作站3的连接线，也未示出六自由度串联机械臂6与工作站3的连接线。
本发明实施例通过经尿道电切镜手术机器人系统使得手术医生在远端执行手术操作，实现远程手术并提高操作的精准性，解决医生需近距离执行手术的问题，同时增加手术安全性，并实现节省手术医生的体力的效果。
在上述技术方案的基础上，如图2所示，该经尿道电切镜手术机器人系统，还可包括：
AR显示设备7，与工作站3信号连接，用于根据从工作站3获取的AR显示数据，向用户展示3D图像；
工作站3还用于根据从电切镜4获取到的图像信息，生成AR显示数据，发送至AR显示设备。
其中，经过AR显示设备7的处理后，手术医生可观察到呈现患者体内状况的3D图像，有利于对患处的观察以提高手术动作的准确性。
可选的，人机交互设备2包括三自由度操作杆或三自由度鼠标，还包括六个第一功能按键和一个第二功能按键。
其中，六个第一功能按键与六自由度串联机械臂的六个关节一一对应，用于根据用户的输入操作，进入或退出与预设功能按键对应的关节的控制模式；也就是当用户按下其中一个第一功能按键，如果当前未处于对该第一功能按键对应的关节的控制模式中，则进入对该关节的控制模式，此时用户对三自由度操作杆在饶预设轴进行转动操作，将会对应调节该关节的动作。当用户按下其中一个第一功能按键，如果当前已处于对该第一功能按键对应的关节的控制模式中，则退出对该关节的控制模式。
第二功能按键，用于获取用户按压第二功能按键的键程信号，以便工作站3根据键程信号生成第一控制信号。其中，第二功能按键为具备预设键程的按键，用户按下键程的深度不同，将产生不同的键程信号，该键程信号被发送至工作站3，工作站3根据键程信号生成对应的第一控制信号，以控制电切环41的电流强度。示例的，随着用户按压第二功能按键的深度加大，则电切环41的电流强度也相应加大。工作站3可以通过USB端口读取人机交互设备2的操纵杆和按键的状态，经处理后得到控制数据用于控制六自由度串联机械臂6和电切镜夹持机构5。同时，工作站3可以接收六自由度串联机械臂6各关节的位置数据和电切镜夹持机构5中带动电切环41移动的组件的位置数据，用于后续处理。
可选的，在上述技术方案的基础上，经尿道电切镜手术机器人系统，还可包括：
力传感器，与工作站3信号连接，设置在电切镜夹持机构5和六自由度串联机械臂6连接处，用于测量电切镜5与接触体之间的接触力，将接触力信号传输至工作站3。
相应的，工作站3还用于，当从力传感器获取到的接触力信号大于预设值时，控制电切镜4、电切镜夹持机构5和六自由度串联机械臂6停止工作。整个手术过程中，可以通过力传感器获取电切镜4和患者的接触力。当接触力过大时，医生可急停机器人，然后调整机器人到合适的手术姿态。
如图3所示，可选的，电切镜夹持机构5通过支撑板55，以螺钉紧固的方式与六自由度串联机械臂6的末端关节上的法兰连接。
可选的，电切镜夹持机构5包括推块51、滑块52、电机53和同步带54；
推块51与电切环41固定连接，滑块52与推块51固定连接，同步带54与滑块52固定连接，电机53转动时带动同步带54移动，以便电机53驱动电切环41沿电切镜轴向进退运动。其中，电机53可以为直流伺服电机。工作站3实时采集直流伺服电机的编码器脉冲，用于计算实时位置。
可选的，在所述技术方案的基础上，如图4所示，经尿道电切镜手术机器人系统，还可包括：
移动平台8，与六自由度串联机械臂6的底座固定连接，用于承托六自由度串联机械臂6，并带动六自由度串联机械臂6在地面上移动。
示例的，移动平台8可以配置4个万向轮，并在至少2个万向轮上设置锁定机构，这样可以方便移动六自由度串联机械臂6及其上连接的电切镜夹持机构5和电切镜夹持机构5上夹持的电切镜4，并在达到指定位置后锁定万向轮。
优选的，经尿道电切镜手术机器人系统中，除了通过人机交互设备2实现对六自由度串联机械臂6的控制外，本发明实施例的技术方案还可结合电切镜图像实现对病灶点的自动定位。手术医生在电切镜图像中区选某一点P所表示的区域作为切除区域，工作站3进行运算后，控制六自由度串联机械臂6绕空间某一轴线转动。最终的效果是实现电切环41最低点运动到P处。上述操作过程中，不需要手术医生逐个调整六自由度串联机械臂6的各个关节，仅需选择指定位置即可实现。六自由度串联机械臂6所需要的运动命令均由工作站3采集数据并计算后，经由通信端口(如TCP/IP以太接口)发送给六自由度串联机械臂6的控制器执行。
一般的，手术开始时，手术医生按照上述方式使电切环对准手术区域。之后手术医生通过人机交互设备上的功能按键选择控制对象为上的直流伺服电机。手术医生只需要沿第一预设轴方向前推/退回操纵杆即可控制直流伺服电机正/反转。实现过程如下：由工作站3读取操纵杆的数据，经处理后转换为电切环位置信息，经通信端口(如USB等)发送给电切镜夹持机构5的微处理器(如单片机等)。由微处理器处理后生成PWM波，经由驱动器转换为电压，控制直流伺服电机转动。同时，微处理器实时采集直流伺服电机的编码器脉冲，用于计算实时位置。并与工作站3发动过来的目标位置比较，差值用于生成PWM，形成闭环控制。电切镜夹持机构5上控制电切环41伸缩的推块与滑块固连。直流伺服电机带动同步带转动，从而带动和同步带固连的滑块平移，最终实现电切环41的伸缩运动。术中，医生沿第一预设轴方向前推操纵杆，电切环41伸出，与病变组织接触。然后医生沿第一预设轴负方向回退操纵杆，电切环41退回的过程中，通过能量平台控制电切环41上的电流强度从而对病变组织进行切除。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，包括：
显示设备，与工作站信号连接，用于接收所述工作站发送的显示数据，根据所述显示数据向用户展示图像；
人机交互设备，与所述工作站信号连接，用于获取用户输入的操作指令，并传输至所述工作站；
电切镜，包括电切环，与所述工作站信号连接，用于将获取到的图像信息传输至所述工作站，根据从所述工作站接收到的第一控制信号控制所述电切环的电流强度；
电切镜夹持机构，与所述工作站信号连接，用于夹持所述电切镜，根据从所述工作站接收到的第二控制信号，带动所述电切环沿所述电切镜轴向进退；
六自由度串联机械臂，与所述工作站信号连接，与所述电切镜夹持机构固定连接，用于根据从所述工作站接收到的第三控制信号，带动所述电切镜夹持机构沿所述电切镜轴向进退、绕所述电切镜中心轴线旋转和绕所述电切镜中心轴线上预设定点转动；
所述工作站，用于根据从所述电切镜获取到的所述图像信息，生成所述显示数据，发送至所述显示设备；根据从所述人机交互设备获取到的所述操作指令，生成所述第一控制信号，发送至所述电切镜，和/或生成所述第二控制信号，发送至所述电切镜夹持机构，和/或生成所述第三控制信号，发送至所述六自由度串联机械臂。
2.根据权利要求1所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，还包括：
AR显示设备，与所述工作站信号连接，用于根据从所述工作站获取的AR显示数据，向用户展示3D图像；
所述工作站还用于根据从所述电切镜获取到的所述图像信息，生成所述AR显示数据，发送至所述AR显示设备。
3.根据权利要求1所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，所述人机交互设备包括三自由度操作杆或三自由度鼠标，还包括六个第一功能按键和一个第二功能按键。
4.根据权利要求3所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，六个所述第一功能按键与所述六自由度串联机械臂的六个关节一一对应，用于根据用户的输入操作，进入或退出与所述预设功能按键对应的所述关节的控制模式；所述第二功能按键，用于获取用户按压所述第二功能按键的键程信号，以便所述工作站根据所述键程信号生成所述第一控制信号。
5.根据权利要求1所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，还包括：
力传感器，与所述工作站信号连接，设置在所述电切镜夹持机构和所述六自由度串联机械臂连接处，用于测量所述电切镜与接触体之间的接触力，将接触力信号传输至所述工作站。
6.根据权利要求5所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，所述工作站还用于，当从所述力传感器获取到的所述接触力信号大于预设值时，控制所述电切镜、所述电切镜夹持机构和所述六自由度串联机械臂停止工作。
7.根据权利要求1所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，所述电切镜夹持机构通过支撑板，以螺钉紧固的方式与所述六自由度串联机械臂的末端关节上的法兰连接。
8.根据权利要求7所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，所述电切镜夹持机构包括推块、滑块、电机和同步带；
所述推块与所述电切环固定连接，所述滑块与所述推块固定连接，所述同步带与所述滑块固定连接，所述电机转动时带动所述同步带移动，以便所述电机驱动所述电切环沿所述电切镜轴向进退运动。
9.根据权利要求8所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，所述电机为直流伺服电机。
10.根据权利要求1-9任一项所述的经尿道电切镜手术机器人系统，其特征在于，还包括：
移动平台，与所述六自由度串联机械臂的底座固定连接，用于承托所述六自由度串联机械臂，并带动所述六自由度串联机械臂在地面上移动。
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Date of cancellation: 20230823

EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20190423

Assignee: Beijing Kepeng Medical Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Beijing Kemai Qiyuan Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023990000772

Denomination of invention: A Robot System for Transurethral Resection Mirror Surgery

Granted publication date: 20210618

License type: Common License

Record date: 20230823

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract

Assignee: Beijing Kepeng Medical Equipment Co.,Ltd.

Assignor: Beijing Kemai Qiyuan Technology Co.,Ltd.

Contract record no.: X2023990000772

Date of cancellation: 20231007

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