CN110227008B - 一种白内障无缝合角膜切口控制与路径设置的机械操作臂 - Google Patents

一种白内障无缝合角膜切口控制与路径设置的机械操作臂 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种白内障无缝合角膜切口控制策略与路径设置方法，基于机器操作臂和安装于机器操作臂上的手术刀，拍摄眼部的图像用于计算虹膜、手术刀的位置和相对深度，定义切口路径，计算微型机器操作臂的线性马达运动轨迹公式，进而控制手术刀沿着切口路径进行切口手术。实现自动完成手术，保证每次手术的精度,避免伤口扩张，也可以让医生更集中于其他手术步骤。

Description

一种白内障无缝合角膜切口控制与路径设置的机械操作臂
技术领域
本发明涉自动化手术领域，更具体地，涉及一种白内障无缝合角膜切口控制策略与路径设置方法。
背景技术
角膜无缝合主切口是白内障手术中常用的一种切口，即使对于经验丰富的医师来说，角膜主切口也是非常困难得一步。完美的无缝合角膜主切口需要极高的操作精度。一旦角膜主切口做的不够好，伤口可能意外扩大，造成无法自动愈合的后果。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，提供一种白内障无缝合角膜切口控制策略与路径设置方法，基于机械操作臂，自动完成角膜切口，精度高且不会造成损伤。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种白内障无缝合角膜切口控制策略与路径设置方法，基于机器操作臂和安装于所述机器操作臂上的手术刀，所述机器操作臂包括夹持手术刀的夹持装置和驱动所述夹持装置摆动的驱动臂；所述驱动臂上设置有第一线性马达和第二线性马达，所述夹持装置装有第三线性马达，包括以下步骤：
步骤一：使用显微镜摄像系统拍摄眼部的图像；
步骤二：步骤一中的图像用来计算虹膜、手术刀的位置和相对深度，切口位置定位在虹膜边缘上距离瞳孔中心最近的一个点；
步骤三：标准的无缝合角膜主切口定义为一个松散的“Z”字形，将所述机器操作臂控制手术刀运动的切口路径定义如下：
S1：手术刀进入角膜层；
S2：手术刀抬起40-50度，在第一个远程中心点执行RCM(Remote centre mode，远程中心点模式)运动；
S3：手术刀按照S2中的角度前进直到抵达第二个远程中心点；
S4：执行RCM运动，手术刀下降40-50度；
S5：手术刀按照S4的角度继续前进直至穿过角膜层。
优选的，在所述步骤三中，手术刀执行RCM运动，RCM点的位置固定，RCM 点的控制策略公式如下：
Figure BDA0002117401900000021
Figure BDA0002117401900000022
其中，xR为RCM点的X轴坐标位置；yR为RCM点的Y轴坐标位置；L1为第一线性马达的线性位移；L2为第二线性马达的线性位移；Ltool为夹持装置与手术刀刀尖的距离；L3为第三线性马达的线性位移；
Figure BDA0002117401900000023
为手术刀刀面与夹持装置连接端的夹角；θ为手术刀刀面与水平面的夹角；Lo为刀面长度；dm为L3到L1或L2水平轴的垂直距离。
优选的，手术刀围绕RCM点旋转，且
Figure BDA0002117401900000024
θ的角度变化轨迹为θ＝f(t)，第一线性马达、第二线性马达和第三线性马达的设定轨迹公式如下：
Figure BDA0002117401900000025
Figure BDA0002117401900000026
Figure BDA0002117401900000031
其中，h为第一线性马达和第二线性马达的直线距离。
手术刀在移动和旋转的时候，根据RCM点的坐标控制策略计算第一线性马达、第二线性马达和第三线性马达的移动轨迹。同时在移动的时候，也是根据公式计算第一线性马达、第二线性马达和第三线性马达的移动轨迹，达到控制手术刀运动的效果。
优选的，所述机器操作臂的控制方法为，所述第一线性马达、所述第二线性马达和第三线性马达通过使用线性插值的方法定义从上一个目标位置到下一个目标位置之间的位置，并设定两个目标位置之间的步长。
优选的，每一步目标位置通过计算所述切口路径来获得每一毫秒的位置。
优选的，在进行步骤一前，对显微镜系统和机器操作臂进行初始化，在初始化过程中，机器操作臂和显微镜摄像系统的X轴和Y轴坐标保持一致。机器操作臂和显微镜系统的坐标保持一致，机器操作臂的执行运动的坐标和计算的坐标保持一致，保证机器操作臂运动的准确性。
优选的，所述切口的宽度不大于所述手术刀刀面的宽度。机器操作臂控制手术刀只沿着切口路径运动，不进行其他方向的位移，保证切口的宽度不大于所述手术刀刀面的宽度，避免切口的扩大。
与现有技术相比，有益效果是：通过显微镜系统定位眼球和手术刀后，通过设定切口路径和通过计算机器操作臂线性马达的运动的公式，引导机器操作臂带动手术刀沿着设定的切口路径到达手术的位置和执行无缝合角膜主切口手术，实现自动完成手术，保证每次手术的精度而不对切口造成损伤，也可以让医生更集中于其他手术步骤。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是机器操作臂的结构示意图；
图3是本发明的切口路径示意图。
其中，1、手术刀；2、夹持装置；3、第一线性马达；4、第二线性马达；5、第三线性马达；6、角膜层；7、第一个远程中心点；8、第二个远程中心点。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”“长”“短”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体描述：
实施例
一种白内障无缝合角膜切口控制策略与路径设置方法，基于机器操作臂和安装于机器操作臂上的手术刀1，机器操作臂包括夹持手术刀1的夹持装置2 和驱动所述夹持装置2摆动的驱动臂；驱动臂上设置有第一线性马达3和第二线性马达4，夹持装置2装有第三线性马达5，包括以下步骤：
步骤一：使用显微镜摄像系统拍摄眼部图像；
步骤二：步骤一中的图像用来计算虹膜、手术刀的位置和相对深度，切口位置定位在虹膜边缘上距离瞳孔中心最近的一个点；
步骤三：标准的无缝合角膜主切口定义为一个松散的“Z”字形，将机器操作臂控制手术刀1运动的切口路径定义如下：
S1：手术刀1前进0.5mm进入角膜层6；
S2：手术刀1抬起45度，在第一个远程中心点7执行RCM(Remote centre mode,远程中心点模式)运动；
S3：手术刀1按照S2的角度前进1.5-2mm直到抵达第二个远程中心点8；
S4：执行RCM运动，手术刀下降45度；
S5：手术刀1按照S4的角度继续前进2mm穿过角膜层6。
手术刀1执行RCM运动，RCM点的位置固定，RCM点的控制策略公式如下：
Figure BDA0002117401900000051
Figure BDA0002117401900000052
其中，xR为RCM点的X轴坐标位置；yR为RCM点的Y轴坐标位置；L1为第一线性马达的线性位移；L2为第二线性马达的线性位移；Ltool为夹持装置与手术刀刀尖的距离；L3为第三线性马达的线性位移；
Figure BDA0002117401900000053
为手术刀刀面与夹持装置连接端的夹角；θ为手术刀刀面与水平面的夹角；Lo为刀面长度；dm为L3到L1或 L2水平轴的垂直距离。
具体的，手术刀的运动由机器操作臂的第一线性马达、第二线性马达和第三线性马达控制，第一线性马达、第二线性马达和第三线性马达的设定轨迹公式如下：
Figure BDA0002117401900000054
Figure BDA0002117401900000055
Figure BDA0002117401900000056
其中，h为第一线性马达和第二线性马达的直线距离；手术刀围绕RCM点旋转，且
Figure BDA0002117401900000061
θ的角度变化轨迹为θ＝f(t)。
另外的，机器操作臂的控制方法为，第一线性马达3、第二线性马达4和第三线性马达5通过使用线性插值的方法定义从上一个目标位置到下一个目标位置之间的位置，并设定两个目标位置之间的步长。每一步目标位置通过计算所述切口路径来获得每一毫秒的位置。
另外的，在进行步骤一前，对显微镜系统和机器操作臂进行初始化，在初始化过程中，机器操作臂和显微镜摄像系统的X轴和Y轴坐标保持一致。机器操作臂和显微镜系统的坐标保持一致，机器操作臂的执行运动的坐标和计算的坐标保持一致，保证机器操作臂运动的准确性。
另外的，切口的宽度不大于手术刀1刀面的宽度。机器操作臂控制手术刀只沿着切口路径运动，不进行其他方向的位移，保证切口的宽度不大于所述手术刀刀面的宽度，避免切口的扩大。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于白内障无缝合角膜切口的机械操作臂，包括机器操作臂和安装于所述机器操作臂上的手术刀(1)，所述机器操作臂包括夹持所述手术刀(1)的夹持装置(2)和驱动所述夹持装置(2)摆动的驱动臂；所述驱动臂上设置有第一线性马达(3)和第二线性马达(4)，所述夹持装置(2)装有第三线性马达(5)，其特征在于，还包括显微镜摄像系统，所述机械操作臂通过以下步骤运行：
步骤一：使用显微镜摄像系统拍摄眼部图像；
步骤二：步骤一中的图像用于计算虹膜、手术刀的位置和相对深度，切口位置定位在虹膜边缘上距离瞳孔中心最近的一个点；
步骤三：将所述机器操作臂控制手术刀(1)沿设定的切口路径运动 ；
切口路径定义如下：
S1：手术刀(1)进入角膜层(6)；
S2：手术刀(1)抬起40-50度，在第一个远程中心点(7)执行RCM运动；
S3：手术刀(1)按照S2中的角度前进直到抵达第二个远程中心点(8)；
S4：执行RCM运动，手术刀(1)下降40-50度；
S5：手术刀(1)按照S4的角度继续前进直至穿过角膜层(6)；
手术刀(1)执行RCM运动，RCM点的位置固定，RCM点的控制策略公式如下：
Figure FDA0003455336440000011
Figure FDA0003455336440000012
其中，xR为RCM点的X轴坐标位置；yR为RCM点的Y轴坐标位置；L1为第一线性马达的线性位移；L2为第二线性马达的线性位移；Ltool为夹持装置与手术刀刀尖的距离；L3为第三线性马达的线性位移；
Figure FDA0003455336440000013
为手术刀刀面与夹持装置连接端的夹角；θ为手术刀刀面与水平面的夹角；Lo为刀面长度；dm为L3到L1或L2水平轴的垂直距离；
手术刀(1)围绕RCM点旋转，且
Figure FDA0003455336440000014
θ的角度变化轨迹为θ＝f(t)，第一线性马达、第二线性马达和第三线性马达的设定轨迹公式如下：
Figure FDA0003455336440000015
Figure FDA0003455336440000016
Figure FDA0003455336440000017
其中，h为第一线性马达和第二线性马达的直线距离。
2.根据权利要求1所述的用于白内障无缝合角膜切口的机械操作臂，其特征在于，所述机器操作臂的控制方法为，所述第一线性马达(3)、所述第二线性马达(4)和第三线性马达(5)通过使用线性插值的方法定义从上一个目标位置到下一个目标位置之间的位置，并设定两个目标位置之间的步长。
3.根据权利要求2所述的用于白内障无缝合角膜切口的机械操作臂，其特征在于，每一步目标位置通过计算所述切口路径运动来获得每一毫秒的位置。
4.根据权利要求1所述的用于白内障无缝合角膜切口的机械操作臂，其特征在于，在进行步骤一前，对显微镜摄像系统和机器操作臂进行初始化，在初始化过程中，机器操作臂和显微镜摄像系统的X轴和Y轴坐标保持一致。
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