CN110432989A - 结合虚拟技术和3d打印的5g远程骨科手术机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，包括操作端部分和控制端部分，所述操作端部分和控制端部分之间有线或无线连接，进行近场或远程通信；所述操作端部分为手术机器人；所述控制端部分包括术前建模部分和术中控制部分，术中控制部分包括混合现实装置和模拟操作装置，所述模拟操作装置与操作端部分的操作装置实时连接，操作装置与模拟操作装置联动实施手术。本发明的机器人系统分为操作端部分和控制端部分，控制端部分为医生在3D模型上进行模拟手术，操作端部分由机器人完成手术，两部分通过术前的扫描图像进行匹配，确保模拟手术和机器人完成的正式手术同步进行，整个手术过程由机器人独立完成。

Description

结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人
技术领域
本发明涉及医疗机器人领域，具体涉及一种远端进行操控手术的操作机器人系统。
背景技术
微创在脊柱外科中的应用越广泛，X-射线辐射问题越严重，仅脊柱微创手术量就已经超过80万例，随之而来引起的辐射问题也越来越严重。脊柱微创手术需要 X-射线（C-arm）实时定位，以确保置钉的准确性，通常 1 根螺钉的置入需要透视 40-80 次，一台手术的透视次数将超过 300 次，无论对患者还是医生都造成不可逆的损伤。有数据显示骨科微创医生的肿瘤发病率是常人的 4 倍，特别是甲状腺瘤和甲状腺癌发病率是常人的 20 倍。如何在确保手术效果的同时又能够减少医生和患者的 X-射线辐射损伤是临床上长期追求的目标。
随着脊柱微创手术应用的普及，微创手术的 X-射线辐射问题已经从心血管领域逐步拓展到骨科、普外科，对医生和患者造成的永久性伤害已经成为世界难题，探索低辐射、甚至是无辐射的手术方式是每一个骨科医生想要追寻的目标。
机器人辅助技术是未来手术的趋势，也会越来越普及，在骨科，目前以“天玑“为代表的机器人都是定位机器人，用于辅助医生精准定位植入物或手术器械。
2015 年 8 月至 10 月间，北京积水潭医院使用机器人辅助技术陆续完成了世界首例基于术中实时三维影像的机器人辅助脊柱胸腰段骨折的微创内固定手术、世界首例基于术中实时三维影像的机器人辅助寰枢椎经关节螺钉内固定术和世界首例基于术中实时三维影像的机器人辅助齿状突骨折内固定术。
外科手术机器人是对传统外科手术的进一步发展和挑战，它标志着外科医疗将进入一个崭新的时代。随着医疗科技的进一步发展，外科手术机器人必将为医疗事业带来更多的便利。但截至目前，外科手术机器人目前仍然只能进行辅助性工作，在术中大部分工作还是需要医生直接完成，依然不能避免上述医疗伤害的发生。
发明内容
发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种全自动式的骨科手术的操作机器人系统，全部手术过程均由机器人完成，同时手术中无需反复使用X-射线定位，让医生和患者都免受辐射困扰。
技术方案：本发明所述结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，包括操作端部分和控制端部分，所述操作端部分和控制端部分之间有线或无线连接，进行近场或远程通信；
所述操作端部分为手术机器人，包括定位装置和操作装置，其中定位装置对患者手术位置进行坐标采集和数据分析，并与控制端部分进行通信；操作装置接受所述控制端部分的控制实施手术；
所述控制端部分包括术前建模部分和术中控制部分，其中术前建模部分包括3D打印系统和混合现实成像系统，3D打印系统根据术前患者的三维CT扫描资料打印出手术位置3D模型，混合现实成像系统根据术前患者MR影像资料建立患者的手术位置虚拟图像，并在该图像上建立术中的穿刺通道；
术中控制部分包括混合现实装置和模拟操作装置，所述混合现实装置嵌入术前建模部分建立的手术位置虚拟图像，并与所述施术端部分的定位装置进行通信，根据定位装置采集的坐标和数据分析结果在手术位置虚拟图像上进行坐标建立，与患者手术位置进行坐标匹配；所述模拟操作装置根据混合现实装置建立的手术位置虚拟图像和穿刺通道在3D打印系统打印的患者手术位置3D模型上进行模拟手术，所述模拟操作装置与操作端部分的操作装置实时连接，操作装置与模拟操作装置联动实施手术。
本发明进一步优选地技术方案为，所述操作端部分的定位装置包括定位杆和坐标调节器，所述定位杆接收所述控制端部分的控制进行位移，所述坐标调节器对患者手术位置进行坐标采集和数据分析，并与控制端部分进行通信。
作为优选地，所述操作装置包括导航装置、机械臂和操作杆，导航装置与所述术中控制部分进行通信，接受所述术中控制部分指令，并控制所述机械臂和操作杆实施手术。
优选地，所述模拟操作装置包括操作端坐标调节器所述操作端坐标调节器对3D打印系统打印的患者手术位置3D模型进行坐标采集和数据分析，并与所述混合现实装置进行通信，根据混合现实装置建立的坐标与混合现实装置嵌入的图像进行坐标匹配。
优选地，所述模拟操作装置还包括模拟操作杆，所述模拟操作杆与所述操作装置的操作杆进行联动。
优选地，所述操作端部分和控制端部分之间采用网线或数据线进行有线连接。
优选地，所述操作端部分和控制端部分之间采用WIFI或5G网络进行远程通信连接。
有益效果：本发明的机器人系统分为操作端部分和控制端部分，控制端部分为医生在3D模型上进行模拟手术，操作端部分由机器人完成手术，两部分通过术前的扫描图像进行匹配，确保模拟手术和机器人完成的正式手术同步进行，整个手术过程由机器人独立完成，同时手术中医生是在3D模型上进行手术，手术更精准，减少并发症的发生，而且，手术中无需再次进行X-射线定位，让医生和患者都免受辐射困扰；本发明另一优势是可以进行远程手术，在医疗资源比较缺乏的地区，可以由经验丰富的医生远程进行实时手术，降低医院和患者的治疗费用；本发明充分利用机器人的优势，精简操作步骤，简化手术过程，可以大幅度缩短手术时间，间接也降低了患者的手术风险。
附图说明
图1为本发明所述操作机器人系统的结构框图；
图2为本发明所述术前建模部分的结构框图。
具体实施方式
下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：一种结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，包括操作端部分和控制端部分，操作端部分和控制端部分之间采用网线或数据线进行有线连接，也可以采用WIFI或5G网络进行远程通信连接。
操作端部分为手术机器人，包括定位装置和操作装置，定位装置包括定位杆和坐标调节器，定位杆接收控制端部分的控制进行位移，坐标调节器对患者手术位置进行坐标采集和数据分析，并与控制端部分进行通信。操作装置包括导航装置、机械臂和操作杆，导航装置与术中控制部分进行通信，接受术中控制部分指令，并控制机械臂和操作杆实施手术。
控制端部分包括术前建模部分和术中控制部分，其中术前建模部分包括3D打印系统和混合现实成像系统，3D打印系统根据术前患者的三维CT扫描资料打印出手术位置3D模型，混合现实成像系统根据术前患者MR影像资料建立患者的手术位置虚拟图像，并在该图像上建立术中的穿刺通道；
术中控制部分包括混合现实装置和模拟操作装置，混合现实装置嵌入术前建模部分建立的手术位置虚拟图像，并与施术端部分的定位装置进行通信，根据定位装置采集的坐标和数据分析结果在手术位置虚拟图像上进行坐标建立，与患者手术位置进行坐标匹配。
模拟操作装置包括模拟操作杆和操作端坐标调节器，操作端坐标调节器对3D打印系统打印的患者手术位置3D模型进行坐标采集和数据分析，并与混合现实装置进行通信，根据混合现实装置建立的坐标与混合现实装置嵌入的图像进行坐标匹配。模拟操作杆根据混合现实装置建立的手术位置虚拟图像和穿刺通道在3D打印系统打印的患者手术位置3D模型上进行模拟手术，模拟操作杆与操作端部分的操作杆实时连接，与操作杆进行联动。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (5)

1.一种结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，其特征在于，包括操作端部分和控制端部分，所述操作端部分和控制端部分之间通过5G网络进行远程通信连接；
所述操作端部分为手术机器人，包括定位装置和操作装置，其中定位装置对患者手术位置进行坐标采集和数据分析，并与控制端部分进行通信；操作装置接受所述控制端部分的控制实施手术；
所述控制端部分包括术前建模部分和术中控制部分，其中术前建模部分包括3D打印系统和混合现实成像系统，3D打印系统根据术前患者的三维CT扫描资料打印出手术位置3D模型，混合现实成像系统根据术前患者MR影像资料建立患者的手术位置虚拟图像，并在该图像上建立术中的穿刺通道；
术中控制部分包括混合现实装置和模拟操作装置，所述混合现实装置嵌入术前建模部分建立的手术位置虚拟图像，并与所述施术端部分的定位装置进行通信，根据定位装置采集的坐标和数据分析结果在手术位置虚拟图像上进行坐标建立，与患者手术位置进行坐标匹配；所述模拟操作装置根据混合现实装置建立的手术位置虚拟图像和穿刺通道在3D打印系统打印的患者手术位置3D模型上进行模拟手术，所述模拟操作装置与操作端部分的操作装置实时通信，操作装置与模拟操作装置联动实施手术。
2.根据权利要求1所述的结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，其特征在于，所述操作端部分的定位装置包括定位杆和坐标调节器，所述定位杆接收所述控制端部分的控制进行位移，所述坐标调节器对患者手术位置进行坐标采集和数据分析，并与控制端部分进行通信。
3.根据权利要求2所述的结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，其特征在于，所述操作装置包括导航装置、机械臂和操作杆，导航装置与所述术中控制部分进行通信，接受所述术中控制部分指令，并控制所述机械臂和操作杆实施手术。
4.根据权利要求3所述的结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，其特征在于，所述模拟操作装置包括操作端坐标调节器所述操作端坐标调节器对3D打印系统打印的患者手术位置3D模型进行坐标采集和数据分析，并与所述混合现实装置进行通信，根据混合现实装置建立的坐标与混合现实装置嵌入的图像进行坐标匹配。
5.根据权利要求4所述的结合虚拟技术和3D打印的5G远程骨科手术机器人，其特征在于，所述模拟操作装置还包括模拟操作杆，所述模拟操作杆与所述操作装置的操作杆进行联动。
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