CN109758233A - 一种诊疗一体化手术机器人系统及其导航定位方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种诊疗一体化手术机器人系统及其导航定位方法，包括：第一采集模块、第二采集模块、超声支架、执行模块、显示模块、控制模块、主机模块和输入模块，其中，所述控制模块分别与第一采集模块、第二采集模块、执行模块、主机模块、显示模块以及输入模块相连接。第一采集模块和第二采集模块安装在超声支架上，分别对扫查区域进行扫查，将采集到的超声波数据通过控制模块传输至主机模块。主机模块根据接收到的超声波数据生成超声波图像；对超声波图像进行坐标定位；建立扫查区域三维模型数据，并生成三维模型图像，穿刺路径和路径通道。控制模块根据输入模块选择的路径通道控制执行模块执行动作。
Description
技术领域
本申请涉及超声影像技术领域，尤其涉及一种诊疗一体化手术机器人系统及其导航定位方法。
背景技术
近年来，胸腹腔内各器官癌症及恶性肿瘤的发病率逐年上升，穿刺活检技术作为病理学确诊的金标准得到了广泛的应用。而传统的手动穿刺活检手术过程中需要对患者进行多次的CT或MRI扫查定位，不能实时的监控手术中穿刺活检针的空间位置，且手术操作精度低，对同一器官疑似病灶需要多次CT或MRI扫查定位，才能获取到软组织样品，对医生的技能及临床经验依赖性较高，手术时间较长，导致医生易疲劳等不足，而且多次的CT或MRI扫查对医生和患者的健康有一定的辐射危害。
超声影像技术具有安全可靠，实时性强，操作便捷等特点，在临床医学影像领域得到了广泛的应用。因此，超声影像技术在穿刺活检手术中具有重要的理论意义和实际应用价值。
发明内容
为解决以上问题，本申请提出了一种诊疗一体化手术机器人系统及其导航定位方法。
一方面，本申请提出一种诊疗一体化手术机器人系统，包括：第一采集模块、第二采集模块、执行模块、显示模块、控制模块、主机模块和输入模块，其中，所述控制模块分别与第一采集模块、第二采集模块、执行模块、主机模块、显示模块以及输入模块相连接；
所述第一采集模块和第二采集模块，用于分别对扫查区域进行扫查，采集超声波数据，所述超声波数据通过控制模块被传输至主机模块；
所述主机模块，用于根据接收到的超声波数据生成超声波图像、三维模型图像和路径通道；向显示模块输出图像数据；
所述控制模块，用于控制第一采集模块和第二采集模块进行超声波数据采集；控制所述执行模块执行动作；
所述输入模块，用于选择路径通道；
所述执行模块，用于根据输入模块所选择的路径通道执行动作；
所述显示模块，用于显示图像。
优选地，所述主机模块包括:定位单元，图像处理单元和导航单元；其中，
定位单元用于对所述超声波数据进行计算，生成待穿刺组织的坐标、人体位置坐标，并建立扫查区域三维模型数据和穿刺路径数据；所述人体位置坐标包括人体组织器官位置坐标、血管位置坐标、骨骼位置坐标和待穿刺组织坐标；
图像处理单元用于对所述超声波数据进行处理，生成超声波图像；根据定位单元建立的所述三维模型数据和穿刺路径数据，生成三维模型图像；
导航单元用于根据定位单元计算出的坐标，引导执行模块按照选择的路径通道执行动作。
优选地，所述三维模型图像包括人体组织器官模型、骨骼模型、血管模型、待穿刺组织模型和穿刺路径。
优选地，所述执行模块包括传动装置和穿刺设备；
所述传动装置包括精密机电传动装置，用于调整穿刺设备的姿态，进行穿刺；所述精密机电传动装置包括机械臂；
所述穿刺设备包括穿刺针和/或穿刺枪，用于穿刺取样。
优选地，所述显示模块用于显示：所述超声波图像、所述三维模型图像和所述路径通道。
优选地，该系统还包括超声支架，所述支架包括第一扫查通道杆和第二扫查通道杆；所述第一采集模块包括第一超声探头；所述第二采集模块包括第二超声探头，所述第一超声探头安装在第一扫查通道杆上，可以沿着第一扫查通道杆移动，所述第二超声探头安装在第二扫查通道杆上，可以沿着第二扫查通道杆移动，对扫查区域进行扫查。
优选地，所述第一采集模块和所述第二采集模块所采集的数据构建成三维模型上的各平面，所述各平面相交形成多个相交线，所述多个相交线形成多个穿刺路径，通过输入模块对所述穿刺路径进行选择，得到路径通道。
优选地，所述第一采集模块和第二采集模块还用于，在执行模块用于在执行穿刺时，对穿刺区域进行扫描，获取穿刺设备所在位置。
第二方面，本申请提出一种诊疗一体化手术机器人系统的导航定位方法，包括：
对扫查区域进行扫查，采集超声波数据；
根据超声波数据生成超声波图像；
根据超声波数据对超声波图像进行坐标定位；
所扫查的各平面相交形成多个相交线，所述多个相交线形成多个路径；
根据所述坐标定位和多个路径生成扫查区域的三维模型图像。
优选地，还包括：
根据所述三维模型图像，从多个路径中确定路径通道；
根据所述路径通道调整传动装置姿态；
根据路径通道执行穿刺；
对穿刺区域进行实时扫查，采集超声波数据；
根据超声波数据生成实时超声波图像，确定穿刺设备所在位置。
本申请的优点在于：
本申请的系统采用超声波实时扫查和执行模块代替传统手动操作，具有精度高，稳定性好，重复定位精度高等特点；使用实时三维超声，可实现在手术过程中实时对组织器官上的疑似病灶空间分布扫查，利用扫查数据建立器官及疑似病灶的三维建模，选择确定穿刺活检的进针手术路径通道，避开主要动脉血管，静脉血管，骨骼，其他组织器官等；在手术过程中根据穿刺活检针与疑似病灶的位置，实时引导穿刺活检针，快速准确地取得疑似病灶部位的软组织样品，降低医生操作的出错率，提高初次手术的成功率，减少对同一器官疑似病灶点的穿刺次数，减轻患者痛苦，降低手术对患者的创面损伤，减少手术出血量，缩短手术时间，减轻医生的手术疲劳度，保护医生和患者的健康和安全。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选事实方案的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用同样的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本申请提供的一种诊疗一体化手术机器人系统的结构示意图；
图2是本申请提供的一种诊疗一体化手术机器人系统的超声数据采集示意图；
图3是本申请提供的一种诊疗一体化手术机器人系统的图像显示示意图；
图4是本申请提供的一种诊疗一体化手术机器人系统的整体结构示意图；
图5是本申请提供的一种诊疗一体化手术机器人系统的导航定位方法的步骤示意图。
附图标记说明
1第一超声探头 2第二超声探头
3穿刺设备 4传动装置
5显示设备(多显示器屏结构) 6操作平台
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
根据本申请的实施方式，提出一种诊疗一体化手术机器人系统，如图1所示，包括：第一采集模块、第二采集模块、执行模块、显示模块、控制模块、主机模块和输入模块，其中，所述控制模块分别与第一采集模块、第二采集模块、执行模块、主机模块、显示模块以及输入模块相连接；
所述第一采集模块和第二采集模块，用于分别对扫查区域进行扫查，采集超声波数据，所述超声波数据通过控制模块被传输至主机模块；
所述主机模块，用于根据接收到的超声波数据生成超声波图像、三维模型图像和路径通道；向显示模块输出图像数据；
所述控制模块，用于控制第一采集模块和第二采集模块进行超声波数据采集；控制所述执行模块执行动作；
所述输入模块，用于选择路径通道；
所述执行模块，用于根据输入模块所选择的路径通道执行动作；
所述显示模块，用于显示图像。
所述主机模块包括:定位单元，图像处理单元和导航单元；其中，
定位单元用于对第一采集模块和第二采集模块采集到的超声波数据进行计算，生成待穿刺组织的坐标、人体位置坐标，并建立扫查区域三维模型数据和穿刺路径数据；所述人体位置坐标包括人体组织器官位置坐标、血管位置坐标、骨骼位置坐标和待穿刺组织坐标；
图像处理单元用于对所述超声波数据进行处理，生成超声波图像；根据定位单元建立的所述三维模型数据和穿刺路径数据，生成三维模型图像；
导航单元用于根据定位单元计算出的坐标，引导执行模块按照选择的路径通道执行动作。
所述三维模型图像包括人体组织器官模型、骨骼模型、血管模型、待穿刺组织模型和穿刺路径。
所述待穿刺组织包括各疑似病灶点。
所述执行模块包括传动装置(4)和穿刺设备(3)；
所述传动装置(4)包括多自由度的精密机电传动装置，用于调整传动装置(4)自身的姿态和穿刺设备(3)的姿态，进行穿刺；所述多自由度的精密机电传动装置优选机械臂；
所述穿刺设备(3)包括穿刺针和/或穿刺枪，用于穿刺取样。
所述显示模块用于显示：所述超声波图像、所述三维模型图像和所述路径通道。
如图2所示，该系统还包括超声支架，所述支架包括第一扫查通道杆和第二扫查通道杆；所述第一采集模块包括第一超声探头(1)；所述第二采集模块包括第二超声探头(2)，所述第一超声探头(1)安装在第一扫查通道杆上，可以沿着第一扫查通道杆移动，所述第二超声探头(2)安装在第二扫查通道杆上，可以沿着第二扫查通道杆移动，对扫查区域进行扫查。
所述超声支架安装在医用病床上；所述超声支架与医用病床的夹角可以调整；所述超声支架上的第一扫查通道杆和第二扫查通道杆之间的夹角可以调整。所述超声支架的形状包括：平直支架和弧形支架。
所述第一采集模块和所述第二采集模块所采集的数据构建成三维模型上的各平面，所述各平面相交形成多个相交线，所述多个相交线形成多个穿刺路径，通过输入模块对所述穿刺路径进行选择，得到路径通道。
所述第一采集模块和第二采集模块还用于，在执行模块用于在执行穿刺时，对穿刺区域进行扫描，获取穿刺设备(3)所在位置。
所述各超声波图像包括：第一采集模块所扫查的区域的XZ面实时超声影像，第二采集模块所扫查的区域的YZ面实时超声影像，XZ平面和YZ平面相交线的穿刺路径(以相交线Oo为手术路径通道的中心轴)的实时超声影像，最终选定的路径通道的实时超声影像。
所述XZ平面和YZ平面的两个平面的夹角范围为0°至180°。
如图3所示，所述显示模块包括显示设备(5)，所述显示设备(5)能够同时显示的影像包括：XZ面实时超声影像，YZ面实时超声影像，XZ平面和YZ平面相交线的穿刺路径(以相交线Oo为手术路径通道的中心轴)的实时超声影像，和三维模型图像(包括穿刺路径)。
所述控制模块和执行模块安装在操作平台(6)上。所述控制模块与主机模块及显示模块电连接。
如图4所示，传动装置(4)安装和/或加持穿刺设备(3)，安装在操作平台(6)上；第一超声探头(1)和第二超声探头(2)分别与操作平台(6)相连接；显示设备(5)安装在操作平台(6)上。
以对胸腹腔进行三维实时超声的导航定位为例，将第一采集模块中的第一超声探头(1)和第二采集模块中的第二超声探头(2)分别安装在超声支架的第一超声扫查通道杆和第二超声扫查通道杆上，通过控制装置控制第一超声探头(1)和第二超声探头(2)分别沿第一超声扫查通道杆和第二超声扫查通道杆做往复运动，对胸腹腔组织器官扫查区域(疑似病灶区域)进行扫查。
所述第一超声探头(1)和第二超声探头(2)在进行扫查时，与人体(患者)皮肤垂直。随着呼吸，胸腹腔部分的表面会进行收缩和扩张，导致皮肤的曲线的变化。分别沿着超声扫查通道杆做往复扫查的第一超声探头(1)和第二超声探头(2)所扫查到的平面就会随着皮肤曲线的变化而出现变化，得到各垂直于皮肤表面，但与医用病床夹角不同的扫查平面的实时超声波数据。
所述实时超声波数据通过控制模块传输至主机模块生成超声波图像。通过主机模块中的定位单元对所述实时超声波数据进行计算，生成待穿刺组织的坐标、人体位置坐标，并建立扫查区域三维模型数据和穿刺路径数据；所述人体位置坐标包括人体组织器官位置坐标、血管位置坐标、骨骼位置坐标和待穿刺组织坐标；图像处理单元用于对所述超声波数据进行处理，生成超声波图像；根据定位单元建立的所述三维模型数据和穿刺路径数据，生成三维模型图像通过显示模块进行显示。
所述第一超声探头(1)所扫查的平面为XZ平面，所述第二超声探头(2)所扫查的平面为YZ平面。
如图2所示，由于所述第一超声探头(1)和第二超声探头(2)的运动方向之间有夹角(第一超声扫查通道杆和第二超声扫查通道杆之间的夹角)，此夹角的范围为0°至180°，所述第一超声探头(1)所扫查的XZ平面与第二超声探头(2)所扫查的YZ平面相交，两平面的相交线为Oo线，此Oo线为穿刺路径的中心轴。由于所述第一超声探头(1)和第二超声探头(2)分别沿超声支架上的超声扫查通道杆做往复运动，获取实时扫查数据，所以通过获得的实时扫查数据可以得到一系列的通过器官疑似病灶的相交线(Oo线)，对Oo线进行选择，使疑似病灶位于平面XZ和平面YZ的Oo线上，并且确定此Oo线避开主要动脉血管，静脉血管，骨骼(如肋骨)，其他组织器官等，选择的此Oo线即为组织器官上疑似病灶的穿刺活检的路径通道(手术路径)。
所有的相交线以及这些相交线与主要动脉血管、静脉血管、骨骼以及其他组织器官之间的位置都能够根据坐标，直观的呈现在生成的三维模型图像中，并通过显示设备(5)显示。
所述平面XZ和平面YZ的相交线图像也会通过显示模块进行实时显示。
根据显示的图像，通过所述输入模块选择路径通道。
确定路径通道后，导航单元用于根据定位单元计算出的坐标以及所述路径通道的坐标，确定穿刺活检的路径通道在患者外表皮上的路径通道的起始点，穿刺手术路径的空间角度和穿刺深度等手术参数。通过控制模块控制执行模块执行动作，所述动作包括：调整传动装置(4)的姿态，将穿刺设备(3)调整到与规划的进针路径轴Oo延长线相一致的姿态，控制穿刺设备(3)沿手术路径通道(以相交线Oo为手术路径通道的中心轴)匀速精准的穿刺到胸腹腔组织器官的疑似病灶位置，取得疑似病灶的软组织样品。
在穿刺过程中，第一超声探头(1)和第二超声探头(2)在第一超声扫查通道杆和第二超声扫查通道杆的监测位置对穿刺设备(3)所在位置进行实时监测。如图3所示，所述实时超声波监测图像(XZ平面图像和YZ平面图像)、三维模型图像、路径通道图像都能够通过显示设备(5)进行显示。此系统能够对胸腹腔中的多处病灶同时进行扫查，并在生成的三维模型图像中的对应位置同时显示。操作人员(医生)能够根据各病灶点所在位置，依次选择各路径通道，所述执行模块根据各病灶所在位置，依次执行动作。在每次穿刺完成后，更换了新的穿刺设备(3)后，对下一个病灶点执行动作。
根据本申请的实施方式，还提出一种上述一种诊疗一体化手术机器人系统的导航定位方法，如图5所示，包括：
对扫查区域进行扫查，采集超声波数据；
根据超声波数据生成超声波图像；
根据超声波数据对超声波图像进行坐标定位；
所扫查的各平面相交形成多个相交线，所述多个相交线形成多个路径；
根据所述坐标定位和多个路径生成扫查区域的三维模型图像。
所述方法还包括：
根据所述三维模型图像，从多个路径中确定路径通道；
根据所述路径通道调整传动装置姿态；
根据路径通道执行穿刺；
对穿刺区域进行实时扫查，采集超声波数据；
根据超声波数据生成实时超声波图像，确定穿刺设备所在位置。
所述根据所述三维模型图像，从多个路径中确定路径通道，具体包括：通过观察三维模型图像中针对某一待穿刺组织的各路径与扫查区域中的血管、骨骼以及其他组织器官之间的位置关系；从所述多个路径中选择能够避开主要动脉血管，静脉血管，骨骼(如肋骨)，其他组织器官等的路径作为针对此待穿刺组织的路径通道。
本申请的系统中，通过使用三维实时超声对胸腹腔组织器官及疑似病灶进行超声扫查，利用扫查数据构建组织器官及疑似病灶空间位置的三维模型图像，准确且直观地识别，确定疑似病灶的位置及空间分布，使得疑似病灶定位更佳精准；在两个超声扫查平面的相交线上构建穿刺活检的手术路径通道，并可选择该手术路径不通过主要动脉血管，主要静脉血管，骨骼，其他组织器官等，减轻患者的痛苦；通过三维超声扫查数据的引导，以及采用多自由度的精密机电传动装置作为穿刺活检手术的执行装置，将穿刺设备沿手术路径以任意角度达到组织器官的疑似病灶，对患者胸腹腔内组织器官上的任意位置上的疑似病灶进行精准的穿刺活检手术，精准的取得病灶的软组织样品，提高手术精度，提高初次穿刺活检手术成功率，降低医生手术操作的出错率；缩短手术时间，减轻医生的手术疲劳度；降低对患者的器官的创面损伤，减少手术出血量，术后恢复时间短，术后并发症少，且生活质量不受影响；采用实时超声技术，系统无任何辐射，安全可靠，降低了手术过程中对医生及患者辐射危害，保护了医生和患者的健康安全。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，包括：第一采集模块、第二采集模块、执行模块、显示模块、控制模块、主机模块和输入模块，其中，所述控制模块分别与第一采集模块、第二采集模块、执行模块、主机模块、显示模块以及输入模块相连接；
所述第一采集模块和第二采集模块，用于分别对扫查区域进行扫查，采集超声波数据，所述超声波数据通过控制模块被传输至主机模块；
所述主机模块，用于根据接收到的超声波数据生成超声波图像、三维模型图像和路径通道；向显示模块输出图像数据；
所述控制模块，用于控制第一采集模块和第二采集模块进行超声波数据采集；控制所述执行模块执行动作；
所述输入模块，用于选择路径通道；
所述执行模块，用于根据输入模块所选择的路径通道执行动作；
所述显示模块，用于显示图像。
2.如权利要求1所述的一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，所述主机模块包括:定位单元，图像处理单元和导航单元；其中，
定位单元用于对所述超声波数据进行计算，生成待穿刺组织的坐标、人体位置坐标，并建立扫查区域三维模型数据和穿刺路径数据；所述人体位置坐标包括人体组织器官位置坐标、血管位置坐标、骨骼位置坐标和待穿刺组织坐标；
图像处理单元用于对所述超声波数据进行处理，生成超声波图像；根据定位单元建立的所述三维模型数据和穿刺路径数据，生成三维模型图像；
导航单元用于根据定位单元计算出的坐标，引导执行模块按照选择的路径通道执行动作。
3.如权利要求2所述的一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，所述三维模型图像包括人体组织器官模型、骨骼模型、血管模型、待穿刺组织模型和穿刺路径。
4.如权利要求1所述的一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，所述执行模块包括传动装置和穿刺设备；
所述传动装置包括精密机电传动装置，用于调整穿刺设备的姿态，进行穿刺；所述精密机电传动装置包括机械臂；
所述穿刺设备包括穿刺针和/或穿刺枪，用于穿刺取样。
5.如权利要求1所述的一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，所述显示模块用于显示：所述超声波图像、所述三维模型图像和所述路径通道。
6.如权利要求1所述的一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，该系统还包括超声支架，所述支架包括第一扫查通道杆和第二扫查通道杆；所述第一采集模块包括第一超声探头；所述第二采集模块包括第二超声探头，所述第一超声探头安装在第一扫查通道杆上，可以沿着第一扫查通道杆移动，所述第二超声探头安装在第二扫查通道杆上，可以沿着第二扫查通道杆移动，对扫查区域进行扫查。
7.如权利要求6所述的一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，所述第一采集模块和所述第二采集模块所采集的数据构建成三维模型上的各平面，所述各平面相交形成多个相交线，所述多个相交线形成多个穿刺路径，通过输入模块对所述穿刺路径进行选择，得到路径通道。
8.如权利要求6所述的一种诊疗一体化手术机器人系统，其特征在于，所述第一采集模块和第二采集模块还用于，在执行模块用于在执行穿刺时，对穿刺区域进行扫描，获取穿刺设备所在位置。
9.一种诊疗一体化手术机器人系统的导航定位方法，其特征在于，包括：
对扫查区域进行扫查，采集超声波数据；
根据超声波数据生成超声波图像；
根据超声波数据对超声波图像进行坐标定位；
所扫查的各平面相交形成多个相交线，所述多个相交线形成多个路径；
根据所述坐标定位和多个路径生成扫查区域的三维模型图像。
10.如权利要求9所述的一种诊疗一体化手术机器人系统的导航定位方法，其特征在于，还包括：
根据所述三维模型图像，从多个路径中确定路径通道；
根据所述路径通道调整传动装置姿态；
根据路径通道执行穿刺；
对穿刺区域进行实时扫查，采集超声波数据；
根据超声波数据生成实时超声波图像，确定穿刺设备所在位置。
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