CN111840777B - 基于协作机器人的前列腺粒子植入系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及前列腺微创医疗设备领域，公开了一种基于协作机器人的前列腺粒子植入系统及方法，系统包括工控机、工控机I/O设备、超声探头模组、超声探头传感器、粒子植入模组、粒子植入传感器和控制柜。工控机用于接收、处理、存储和发送控制指令；工控机I/O设备为医生与工控机提供交互通道；控制柜根据控制指令，通过控制总线驱动各执行端的电机运转；超声探头模组提供导航功能；超声探头传感器用于辅助系统完成术前定位初始化；粒子植入模组完成术中具体的植入粒子操作；粒子植入传感器用于检测协作机器人各关节上的受力变化。本发明能减轻医生劳动强度和人力资源压力、保证手术效果，系统中安装的传感器还保证了患者与医生的人身安全。

Description

基于协作机器人的前列腺粒子植入系统

技术领域

本发明涉及前列腺微创医疗设备领域，具体涉及一种基于协作机器人的前列腺粒子植入系统及方法。

背景技术

根据我国癌症中心的相关资料，近年来我国前列腺癌患者的数量在迅速增加，因此，针对前列腺癌的有效治疗研究面临着日益紧张的压迫感。除了前列腺切除术外，前列腺近距离放射性治疗术是当前临床治疗中另一种较为常用的治疗方法，在手术过程中，医生根据经直肠超声探头所获取的实时图像，手动操控放射性粒子植入器，并将放射性粒子植入到病人的病灶靶点中，最后利用放射线灭杀癌细胞，进而达到治疗前列腺癌患者的目的。但是，在进行手术时，医生需要一边手动调整超声探头的位置获取实时图像，一边完成放射性粒子的植入，这就意味着前列腺近距离放射性治疗术需要多名医生配合完成，在这一过程中，医生的体力消耗严重，而且容易造成人员浪费。此外，医生在手术过程中极度依赖个人经验和想象力，难以保证手术效果。

针对以上问题，现有技术中有通过连接计算机控制系统与传统的电机驱动装置来操控手术器械，进而辅助医生完成前列腺近距离放射性治疗术。但是，这种方法会影响手术器械的灵活性，而且控制系统的智能程度和控制精度也会受限于电机驱动装置的选择。此外，现有技术中还有设计专用的前列腺粒子植入机器人来辅助医生完成手术，但是这种方式需要前期投入较多的资金来研究和设计机器人，通用性差，经济效益低下。

发明内容

为了克服上述所指的现有技术中的不足之处，本发明提供一种基于协作机器人的前列腺粒子植入系统及方法，不仅提高了操作控制系统的协作性和灵活性，还保证了系统设备的通用性与经济性，而且减轻了医生劳动强度、减少了人力资源压力、保证了手术效果，此外，前列腺粒子植入系统中安装的传感器还保证了患者与医生的人身安全。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的。

基于协作机器人的前列腺粒子植入系统，由工控机、工控机I/O设备、控制柜、超声探头模组、超声探头传感器、粒子植入模组和粒子植入传感器组成，其特征在于包括：

所述工控机用于接收、处理、存储和发送控制指令；

所述工控机I/O设备为医生与工控机提供交互通道；

所述控制柜根据控制指令，通过控制总线驱动各执行端的电机；

所述超声探头模组提供导航功能；；

所述超声探头传感器用于辅助系统完成术前定位初始化；

所述粒子植入模组完成术中具体的植入粒子操作；

所述粒子植入传感器用于检测协作机器人各关节上的受力变化。

优选地，所述工控机，包括：

所述工控机由工控机中央处理器、工控机存储模块、工控机I/O模块和工控机电源模块组成；

所述工控机存储模块必须在术前就存储好以下信息：语音控制指令的语音特征模型、病床和导向板在不同角度下的图片、安全保护响应程序、控制指令响应程序；

所述工控机I/O模块除了能满足传统的输入输出交互模式外，还搭载有声音采集器和蓝牙传输器，用以辅助实现所述前列腺粒子植入系统的语音控制和蓝牙无线传输功能；

优选地，所述控制柜，包括：

所述控制柜由控制柜中央处理器、控制柜I/O模块、控制柜电源模块、外部传感器控制模块和四组伺服电机驱动器组成；

所述控制柜I/O模块与工控机I/O模块之间的连接方式可以是有线连接、局域网连接或蓝牙连接；

所述外部传感器控制模块，用于控制所述前列腺粒子植入系统中所有外部传感器的启动和关闭；

所述四组伺服电机驱动器分别用于驱动控制机器人、植入机构、超声探头和承载车；

优选地，所述超声探头模组，包括：

所述超声探头模组由超声探头和超声探头运动机构组成；

所述超声探头运动机构则用于承载所述超声探头，此外，在所述超声探头运动机构上还安装了五个伺服电机，所述五个伺服电机分别为所述超声探头提供上升下降、前进后退、上仰下俯、左右旋转和左右偏航五种在不同自由度上的运动。

优选地，所述超声探头传感器，包括：

所述超声探头传感器属于外部传感器模块的一部分，由超声波传感器和摄像头组成；

所述超声波传感器安装在所述超声探头运动机构上，为前列腺粒子植入系统定位初始化提供测距功能；

摄像机，属于一种广角摄像机，安装在所述超声探头运动机构上，为前列腺粒子植入系统定位初始化提供标志对象寻找定位功能，其中，所述标志对象是病床和导向板。

优选地，所述粒子植入模组，包括：

所述粒子植入模组由机器人和植入机构组成；

所述机器人属于一种协作机器人，此外所述机器人共有六个旋转关节，所述每个旋转关节都由一个伺服电机进行驱动；

所述植入机构则由植入机构辅助模块和粒子植入器组成，并且安装在所述机器人的末端，其中，所述植入机构辅助模块可以操控着所述粒子植入器完成粒子植入外针前进与后退、粒子植入内针前进与后退、粒子植入外针更换和弹匣更换四种操作，并且操控过程中负责驱动的伺服电机、装置更换时需要的粒子植入外针和弹匣设备都安装在所述植入机构辅助模块上。

优选地，所述粒子植入传感器，包括：

所述粒子植入传感器属于外部传感器模块的一部分，由六个力传感器组成，所述六个力传感器分别安装在所述机器人的六个旋转关节中，为所述前列腺粒子植入系统提供误触判断、安全检测的功能。

本发明还公开了一种基于协作机器人的前列腺粒子植入方法，其特征在于，包括：

S1，设定粒子植入靶点坐标；

S2，安装植入机构；

S3，前列腺粒子植入系统初始化；

S4，判断是否有弹匣，若否则跳转到S5，若是则跳转到S6；

S5，安装弹匣，然后跳转到S6；

S6，判断是否有外针，若否则跳转到S7，若是则跳转到S8；

S7，安装外针，然后跳转到S8；

S8，植入粒子；

S9，判断是否完成手术，若否则跳转到S8，若是则结束。

优选地，所述系统初始化，包括：

所述系统初始化由两部分组成，分别是粗略定位初始化和精准定位初始化；

所述粗略定位初始化属于半自动操作，在医生发出“系统初始化”的控制指令后，由所述前列腺粒子植入系统完成后续的粗略定位初始化操作；

所述精准定位初始化则是在所述前列腺粒子植入系统完成所述粗略定位初始化后，由医生根据病人的实际体位和术前规划方案，手动操作完成。

优选地，所述植入粒子，包括：

植入粒子可以由所述机器人根据所述工控机中设定好的程序全自动完成，也可以由医生通过所述工控机I/O设备逐步操控所述机器人半自动完成粒子植入，且植入粒子的过程中，所述前列腺粒子植入系统进入安全保护模式，从而保证手术过程的安全性。

本发明提供的一种基于协作机器人的前列腺粒子植入系统及方法，其中系统包括了用于接收、处理、存储和发送控制指令的工控机，用于为医生与工控机提供交互通道的工控机I/O设备，用于通过控制总线和控制指令来驱动各执行端的电机运转的控制柜，用于提供术中导航功能的超声探头模组，用于辅助前列腺粒子植入系统完成术前定位初始化的超声探头传感器，用于完成前列腺粒子植入的粒子植入模组，以及用于检测协作机器人各关节上的受力变化的粒子植入传感器。因此，在前列腺粒子植入手术中使用基于协作机器人的前列腺粒子植入系统，不仅提高了操作控制系统的协作性和灵活性，还保证了设备的通用性与经济性，而且减轻了医生劳动强度、减少了人力资源压力、保证了手术效果，此外，前列腺粒子植入系统中安装的传感器还保证了患者与医生的人身安全。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是本发明的前列腺粒子植入协作系统模块图。

图2是本发明的前列腺粒子植入系统构造图。

图3是本发明的超声导航装置构造图。

图4是本发明的工控机模块示意图。

图5是本发明的控制柜模块示意图。

图6是本发明的前列腺粒子植入关键步骤流程图。

图7是本发明的前列腺粒子植入系统粗略定位初始化流程图。

图8是本发明的导向板正面结构图。

图9是本发明的植入粒子流程图。

具体实施方式

为使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地说明。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作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，是本发明的前列腺粒子植入协作系统模块图，具体包括：

工控机I/O设备1，用于为医生与工控机3提供交互通道；

粒子植入传感器2，用于检测协作机器人各关节上的受力变化；

工控机3，用于接收、处理、存储和发送控制指令；

超声探头传感器4，用于辅助系统完成术前定位初始化；

粒子植入模组5，用于完成手术中具体的植入粒子操作；

控制柜6，用于结合控制指令，通过控制总线驱动各执行端的电机；

超声探头模组7，用于提供术中导航功能。

本发明实施例中，工控机I/O设备1与工控机3双向连接，为医生提供交互通道；工控机3与控制柜 6双向连接，用于传递控制指令给控制柜6和接收控制柜6反馈的脉冲信号；粒子植入模组5与超声探头模组7都使用了伺服电机，所以控制柜6与粒子植入模组5、超声探头模组7都是双向连接；粒子植入传感器2用于检测粒子植入模组5的受力变化信息，所以粒子植入传感器2与粒子植入模组单向连接；超声探头传感器4安装在超声探头模组7上，超声探头模组7的位姿调整将直接影响到超声探头传感器4的检测结果，所以超声探头传感器4与超声探头模组7是单向连接；粒子植入传感器2与超声探头传感器4检测到的信息，都需要传递给工控机3进行信息处理，所以粒子植入传感器2、超声探头传感器4都与工控机单向连接。

优选地，在图1所示的前列腺粒子植入协作系统模块的基础上，如图2所示，是本发明的前列腺粒子植入系统构造图，其中在图1中已经介绍过的系统模块，兹不赘述，除此之外，还包括：

显示屏101，用于为医生提供人机交互界面，显示输入输出信息，其中人机交互界面分为两部分，分别用于显示前列腺粒子植入信息和实时超声图像；

鼠标102，用于在人机交互界面中完成各种命令按钮的点击操作，此外还可以调整前列腺粒子植入靶点的植入路径顺序，选定超声图像并进行放大、缩小、旋转等操作；

键盘103，用于设置前列腺粒子植入靶点的坐标信息；

机器人501，属于一种协作机器人，能在一定范围内与医生一起完成安全可靠的协作任务，所述机器人共有六个旋转关节，每个关节都由一个伺服电机进行驱动，每个伺服电机上配套的编码器以脉冲信号的形式反馈所述伺服电机在工作中的实际旋转角度；

植入机构辅助模块502，安装在所述机器人51的末端，其中，负责驱动粒子植入器503的伺服电机、装置更换时需要的粒子植入外针和弹匣都安装在植入机构辅助模块502上；

粒子植入器503，安装在植入机构辅助模块502的末端，由粒子植入内针、支撑结构和导向结构组成，在手术过程中，由植入机构辅助模块502操控着，一起完成完成粒子植入外针前进与后退、粒子植入内针前进与后退、粒子植入外针更换和弹匣更换四种操作；

超声探头运动机构701，用于承载超声探头，同时在机构上安装了五个伺服电机，所述五个伺服电机分别为超声探头702提供上升下降、前进后退、上仰下俯、左右旋转和左右偏航五种在不同自由度上的运动；

超声探头702，用于在前列腺粒子植入手术中，经直肠进入病人体内探测扫描前列腺、粒子植入针与放射性粒子三者间的位置关系；

承载车8，用于承载粒子植入传感器2、超声探头传感器4、粒子植入模组5、控制柜6和超声探头模组7，且承载车8也是由伺服电机驱动，可以实现各方向的移动和旋转；

超声波传感器9，属于外部传感器的一部分，一共包含了两个，分别安装在承载车8的左右两侧，用于在手术过程中，检测是否有人或物靠近承载车8，进而起到安全防护的作用；

病床10，其上安装有辅助固定支架，用于在术中辅助病人以截石位的姿势躺着；

导向板11，安装在病床10上，用于辅助系统完成术前的定位初始化和术中的外针导向支撑。

本发明实施例中，显示屏101、鼠标102和键盘103都属于工控机I/O设备1的组成部分，但应当理解的是，工控机I/O设备1的组成部分并不局限于此。工控机I/O设备1的输入设备还可以是移动设备、语音控制器、手势控制器、眼球控制器和主从手机器人等，而工控机I/O设备1的输出设备还可以是投影仪、移动设备和喇叭等。

进一步地，机器人501、植入机构辅助模块502和粒子植入器503都属于粒子植入模组5的组成部分，而粒子植入模组5安装在承载车8的承载平面上的后半部分。此外，植入机构辅助模块502和粒子植入器 503统称为植入机构。在手术过程中，将由机器人501带动所述植入机构到达每一条预设植入路径的初始点。

具体地，在机器人501中，还安装有粒子植入传感器2。其中，粒子植入传感器2一共是六个力传感器，被分别安装在机器人501的六个旋转关节中，在医生手动操控机器人501完成精准定位初始化操作时，所述六个力传感器将量化检测医生对机器人501旋转关节施加的力量，辅助工控机3判定医生的操作是属于精准初始化定位操作抑或是属于误触。此外，在术中植入粒子时，所述力传感器将检测是否有人或物触碰到机器人501的主体，进而起到安全防护的作用。

进一步地，超声探头运动机构701和超声探头702组成了超声探头模组7，所述超声探头模组7被安装在承载车8的承载平面上的前半部分中。所述前半部分是一个较大的凹槽，相对于承载车8的承载平面上的后半部分降低了一定高度，通过这种安置方法，可以在一定程度上错开超声探头模组7与粒子植入模组5在承载车中的空间位置，减少医疗器械工作空间干涉情况的发生。

具体地，在图2所示的前列腺粒子植入系统构造的基础上，如图3所示，是本发明的超声导航装置构造图，由图3可以看出，超声探头传感器4由超声波传感器401和摄像机402组成。其中，超声波传感器 401安装在超声探头运动机构701上，并处于超声探头702的正下方，超声波传感器401用于在所述前列腺粒子植入系统定位初始化时，辅助测定超声探头702与病床10、超声探头702与导向板11之间的距离。而摄像机402属于一种广角摄像机，安装在超声探头运动机构701上，并处于超声探头702的正上方，用于所述前列腺粒子植入系统定位初始化时，拍摄实时场景，辅助所述前列腺粒子植入系统完成对标志对象的寻找定位功能，其中所述标志对象是病床10和导向板11。

优选地，在图2所示的前列腺粒子植入系统构造的基础上，如图4所示，是本发明的工控机模块示意图，具体包括：

工控机电源模块301，用于为工控机3和工控机I/O设备1提供电能，此外还具有断电保护功能；

工控机存储模块302，用以存储工控机3在术前、术中和术后期间接收和产生的数据信息；

工控机中央处理器303，用于处理前列腺粒子植入系统接收到的各种信号，并将根据术前设定的控制指令响应程序输出处理后的信号；

工控机I/O模块304，用于与工控机I/O设备1相连、接收外界控制指令和输出交互信息；

本发明实施例中，工控机存储模块302必须在术前就存储好以下信息：语音控制指令的语音特征模型、病床10和导向板11在不同角度下的图片、安全保护响应程序、控制指令响应程序。而在术中，所述工控机存储模块32还要存储医生实时输入的控制指令、工控机中央处理器33的数据处理结果。应当理解的是，这些术前存储的信息并不代表所有的存储信息。

具体地，所述语音控制指令的语音特征模型必须包含有“系统初始化”这个语音控制指令的语音特征模型，而且所述语音特征模型属于非特定人声语音特征模型。

进一步地，所述病床10和导向板11在不同角度下的图片，主要是分为两部分：病床10图片和导向板11图片，所述病床10图片是围绕着病床10、360度拍摄获得的，而且所述病床10的图片包含了平视图、俯视图和仰视图。所述导向板11图片是围绕着导向板11、360拍摄获得的，而且所述导向板11图片包含了平视图、俯视图和仰视图。

进一步地，当超声波传感器9或粒子植入传感器2传回警告信息时，安全保护响应程序将立刻自动响应，停止手术并将机器人51末端固定的植入机构从病人体内退出。

进一步地，所述所述工控机I/O模块34除了能满足传统的输入输出交互模式外，还搭载有声音采集器和蓝牙传输器，用以辅助实现所述前列腺粒子植入系统的语音控制和蓝牙无线传输功能。

优选地，在图2所示的前列腺粒子植入系统构造的基础上，如图5所示，是本发明的控制柜模块示意图，具体包括：

外部传感器控制模块601，用于控制所述前列腺粒子植入系统中的粒子植入传感器2、超声探头传感器4和超声波传感器9的启动和关闭；

控制柜电源模块602，用于为控制柜6提供电能，此外还具有断电保护功能；

控制柜中央处理器603，用于读取识别工控机3传递过来的控制指令，并将所述控制指令通过控制总线传递给对应的执行端；

控制柜I/O模块604，用于接收工控机3发送过来的控制信号、反馈控制柜6的执行结果给工控机3；

机器人电机驱动器605，用于驱动控制机器人501中安装的六个伺服电机、接收所述伺服电机中编码器的反馈信息，并根据所述反馈信息调整对所述伺服电机的驱动控制；

植入机构电机驱动器606，用于驱动植入机构辅助模块502中安装的四个伺服电机、接收所述伺服电机中编码器的反馈信息，并根据所述反馈信息调整对所述伺服电机的驱动控制；

超声探头电机驱动器607，用于超声探头运动机构701中安装的五个伺服电机、接收所述伺服电机中编码器的反馈信息，并根据所述反馈信息调整对所述伺服电机的驱动控制；

承载车电机驱动器608，用于驱动控制承载车8中安装的四个伺服电机、接收所述伺服电机中编码器的反馈信息，并根据所述反馈信息调整对所述伺服电机的驱动控制。

本发明实施例中，所述控制柜I/O模块604与工控机I/O模块304的连接方式可以是有线连接、局域网连接或蓝牙连接；

进一步地，所述控制柜6中的所有编码器获取的有关伺服电机的角位移信息，都将传递给各自对应的驱动器中，由所述驱动器根据接收到的所述角位移信息，对所述伺服电机的运动进行调整；

具体地，所述角位移信息也将由所述驱动器反馈传递给控制柜中央处理器63，中央处理器603在接收到所述角位移信息后，会调用控制柜I/O模块604，并将所述角位移信息传递给工控机3，由此形成一个闭环系统。

如图6所示，是本发明的前列腺粒子植入关键步骤流程图，具体包括：

S1，设定粒子植入靶点坐标；

S2，安装植入机构；

S3，前列腺粒子植入系统初始化；

S4，判断是否有弹匣，若否则跳转到S5，若是则跳转到S6；

S5，安装弹匣，然后跳转到S6；

S6，判断是否有外针，若否则跳转到S7，若是则跳转到S8；

S7，安装外针，然后跳转到S8；

S8，植入粒子；

S9，判断是否完成手术，若否则跳转到S8，若是则结束。

本发明实施例中，在步骤S1中，粒子植入靶点坐标需要医生在术前规划时根据医学影像资料进行确定。医生将对一系列确定好的粒子植入靶点坐标进行分类，然后根据分类结果进一步确定粒子植入路径，再通过工控机I/O设备1在显示屏11的人机交互界面中设置前列腺粒子植入靶点的坐标信息和前列腺粒子植入路径、调整前列腺粒子植入顺序并将所述植入路径和植入顺序保存在工控机存储模块302中。

进一步地，步骤S2中所述安装植入机构，主要是分为三部分：首先是医生手动操作植入机构辅助模块502，将其安装在所述机器人501的末端；然后医生根据术前规划得知的粒子植入路径数量和粒子数量，确定粒子植入外针更换时所需的粒子植入外针数量和弹匣更换时所需的弹匣数量，并将所需的粒子植入外针和弹匣统一安装在植入机构辅助模块502中，其中，每个弹匣中装填的粒子都由医生手动装填，且装填数量固定为十个粒子；最后，医生将粒子植入器503安装在植入机构辅助模块502上。

进一步地，步骤S4将判断所述前列腺粒子植入系统是否安装有弹匣；具体的判断方法，就是根据安装弹匣前后，机器人501整体受力会发生变化，然后利用机器人501各关节上所安装粒子植入传感器2去检测该受力的变化从而进行判断。

进一步地，步骤S6将判断所述前列腺粒子植入系统是否安装有粒子植入外针；具体的判断方法，就是根据安装粒子植入外针前后，机器人501整体受力会发生变化，然后利用机器人501各关节上所安装粒子植入传感器2去检测该受力的变化从而进行判断。

优选地，在图6所示的前列腺粒子植入关键步骤流程的基础上，如图7所示，是本发明的前列腺粒子植入系统粗略定位初始化流程图，具体还包括：

S31，系统初始化启动；

S32，超声探头模组和粒子植入模组复位；

S33，承载车自转，摄像机获取实时场景；

S34，根据场景图像确定病床位置；

S35，超声测距，承载车面向病床移动到指定距离；

S36，承载车绕病床旋转，摄像机获取实时场景；

S37，根据场景图像确定导向板位置；

S38，超声测距，承载车面向导向板移动到指定距离；

S39，初始化超声探头模组和粒子植入模组位姿；

本发明实施例中，在开始步骤S31前，承载车8应该距离病床10有一定的距离，所述距离应当满足摄像机402可以使用广角技术拍摄到完整的病床10，否则，承载车8如果离病床10过近，则不利于后续工控机3对标志对象病床10的识别。

进一步地，步骤S31中系统初始化可以是由医生使用鼠标102点击显示屏101中人机交互界面的初始化按钮来启动，也可以是由医生发出“系统初始化”语音控制指令来启动。当工控机3接收到系统初始化指令时，将会调用执行控制指令响应程序，并将所述控制指令响应程序发送给控制柜6，控制柜6将根据控制指令响应程序中的内容，通过控制总线将所述控制指令响应程序中的执行指令传递给对应的执行端，至此，所述前列腺粒子植入系统开始进行粗略定位初始化。此外，所述粗略定位初始化中使用到的控制指令都在术前就保存在工控机存储模块302的控制指令响应程序中，通过调用并执行所述控制指令响应程序，即可完成相关的操作。

进一步地，在步骤S32中将把超声探头模组7和粒子植入模组5进行复位操作，防止超声探头模组7 和粒子植入模组5的位姿对所述粗略定位初始化产生影响。所述超声探头模组7和粒子植入模组5的复位指令在术前已经保存在工控机存储模块32的控制指令响应程序中，此外，在超声探头模组7复位的同时，超声探头模组7上搭载的超声探头传感器4也随之复位。

进一步地，在完成步骤S32后，在步骤S33中，承载车8由工控机3和控制柜6一起驱动控制着自转，与此同时，摄像机402由工控机3和控制柜6驱动控制着拍摄承载车8周围的实时场景。

进一步地，在步骤S34中，摄像机402将获取的承载车8周围的实时场景传递给工控机3，工控机3 将结合存储的病床10图片，判定所述实时场景图片中的标志对象病床10，并进一步地推断病床10相对于承载车8的空间位置。此外，所述前列腺粒子植入系统将把超声探头传感器4的朝向定为承载车8的正面，工控机3与控制柜6将根据所述实时场景图片调整承载车8相对于病床10的位姿，直到承载车8的正面对着病床10为止。

进一步地，步骤S35将使用超声探头传感器4上搭载的超声波传感器401去测定承载车8与病床10 之间的距离。工控机3与控制柜6将结合所述距离和控制指令响应程序，驱动控制承载车8移动到与病床 10的指定距离处。其中，所述指定距离由医生在控制指令响应程序中设定，但应当注意的是，所述指定距离应当满足摄像机402可以拍摄到包含病床10的三分之一主体结构这一要求。此外，考虑到超声波传感器401的测量误差，所述指定距离应当是一个范围。

进一步地，在步骤S36中，工控机3和控制柜6一起驱动控制着承载车8绕病床10旋转，旋转过程中承载车8相对病床10的距离不变，与此同时，摄像机402由工控机3和控制柜6控制着拍摄标志对象病床10的实时场景。

进一步地，在步骤S37中，摄像头402将获取的标志对象病床10的实时场景传送给工控机3，工控机 3将结合存储的导向板11图片，判定所述实时场景图片中的标志对象导向板11在病床10中的位置，及其相对于承载车8的空间位置；此外，工控机3与控制柜6将根据所述实时场景图片调整承载车8相对于导向板11的位姿，直到承载车8的正面对着导向板11为止。

进一步地，步骤S38将启动使用超声探头传感器4上搭载的超声波传感器401去测定承载车8与导向板11之间的距离。工控机3和控制柜6将结合所述距离和控制指令响应程序，驱动控制承载车8移动到导向板11的指定距离之外，其中，所述指定距离由医生在控制指令响应程序中设定，但应当注意的是，所述指定距离应当满足摄像机402可以拍摄到完整的导向板11的要求，并且，考虑到超声波传感器401 的测量误差，所述指定距离应当是一个范围。

进一步地，在步骤S39中，工控机3和控制柜6将驱动承载车8靠近导向板11，与此同时，工控机3 和控制柜6还将控制着超声探头运动机构701的运动，使得搭载在超声探头运动机构701上的摄像机402 可以获取到导向板11的正面结构图的平视图。其中，所述导向板11的正面结构图如图8所示。通过对比工控机存储模块302中存储的导向板11图片，当工控机3得知摄像机402获取的导向板11正面结构图的平视图刚好填充满摄像机402的视野时，工控机3和控制柜6同时停止承载车8与超声探头运动机构的运动。此时，摄像机402的光心与导向板11在导向方向上的轴线905处于同一水平轴上。

具体地，在如图9所示的导向板正面结构图中，导向板11添加了标识线901、标识线902和标识线 903，当所述摄像机402的光心与导向板11在导向方向上的轴线905处于同一水平轴上时，工控机3将从获取的实时场景图片中识别标识线901、标识线902和标识线903，并在所述标识线901、标识线902和标识线903围成的最小矩形面积中识别出矩形中心904。然后，工控机3与控制柜6将根据所述矩形中心904 与导线板在导向方向上的轴线905之间的直线距离、摄像机402光心与超声探头702水平长轴线之间的直线距离，调整超声探头702的位姿，使得超声探头702水平长轴线与所述矩形中心904处于同一水平轴上。与此同时，工控机3与控制柜6还将调整粒子植入模组5的位姿，使得粒子植入器503上的粒子植入内针的水平长轴线与导向板11在导向方向上的轴线905处于同一水平轴上。其中，粒子植入模组5的位姿调整主要是通过调整机器人501各关节间的相对位置来完成的，在粒子植入模组5的位姿调整过程中，只需要保证粒子植入器503上的粒子植入内针的水平长轴线与导向板11在导向方向上的轴线905处于同一水平轴上、并且粒子植入模组5不与外界发生碰撞干涉即可，其粒子植入模组5的位姿调整控制程序，也将由医生根据术前规划方案编写并保存在工控机存储模块302的控制指令响应程序中。

进一步地，当步骤S39结束后，所述前列腺粒子植入系统的粗略定位初始化就完成了，但是所述前列腺粒子植入系统将立马自动进入精准定位初始化阶段，用以补偿病人位移造成的定位偏差。

具体地，当所述前列腺粒子植入系统进入精准定位初始化阶段时，粒子植入传感器2将被启动，所述粒子植入模组5和超声探头模组7进入示教模式。在示教模式中，医生可以手动调整粒子植入模组5和超声探头模组7的位姿，将超声探头702放在病人的直肠口处，再把粒子植入器503上的粒子植入内针调整到第一粒子植入路径的初始点位置。在医生手动调整过程中，粒子植入模组5和超声探头模组7相对于粗略定位初始化时发生的位置变化将被工控机3视为定位误差，并依据所述定位误差修正控制指令响应程序中设定的粒子植入靶点和粒子植入路径。

优选地，在图6所示的前列腺粒子植入关键步骤流程的基础上，如图9所示，是本发明的植入粒子流程图，具体还包括：

S801，外针沿着粒子植入路径进入患者病灶；

S802，判断弹匣内是否有粒子，若判断结果为是，则执行步骤S804，反之执行步骤S803；

S803，更换弹匣，然后执行步骤S804；

S804，内针推动粒子进入病灶靶点；

S805，内针退出患者体内；

S806，判断同一植入路径中粒子植入是否完成，若判断结果为是，则执行步骤S808，反之执行步骤 S807；

S807，外针在患者体内后退指定的距离，然后返回步骤S802；

S808，外针退出患者体内；

S809，判断是否完成粒子植入，若判断结果为是，则结束粒子植入，反之执行步骤S810；

S810，更换外针，然后执行步骤S811；

S811，末端执行机构移到下一植入路径起点，然后执行步骤S801。

本发明实施例中，在开始植入粒子前，医生可以通过工控机工控机I/O设备1设定所述前列腺粒子植入系统的工作模式，可以由机器人501根据设定好的程序全自动完成，也可以由医生通过所述工控机I/O 设备1逐步操控机器人501半自动完成粒子植入。

进一步地，在步骤S804中，植入第一颗放射性粒子时，系统默认弹匣内有粒子，因为所述弹匣的安装与弹匣内粒子的装填都是由医生在术前手动完成的。但是，在植入了第一颗放射性粒子后，工控机3将统计植入过程中消耗的粒子数，由于每个弹匣中所装填的粒子只有十个，所以当工控机3统计到术中已经完成十次粒子植入时，将会在显示屏11的人机交互界面中发出提示，并结合控制柜6自动完成所述弹匣的更换。

进一步地，在步骤S806中，判断同一植入路径中粒子植入是否完成，需要工控机3根据规划的粒子植入靶点和植入路径进行自主判断。

进一步地，步骤S807中，外针在患者体内后退指定的距离，所述指定的距离就是所述同一植入路径上，依次排列的前后两颗粒子间的间距。

进一步地，在整个粒子植入过程中，粒子植入模组5的驱动控制将由工控机3根据设定的控制指令来完成，而超声探头模组7将由工控机3根据粒子植入模组5的实际运动状况进随动控制。

进一步地，在整个植入粒子过程中，所述前列腺粒子植入系统将进入安全警告状态。此时，当外界有人或物靠近承载车8时，安装在承载车8两侧的超声波传感器9将测定承载车8与医生之间的距离，当所述距离超过安全保护响应程序中设定的安全距离时，工控机3将发出警报信息，且粒子植入模组5和超声探头模组7将停止工作，并退出病人体内。此外，当外界有人或物触碰到机器人51时，粒子植入传感器量化检测机器人51各关节的受力变化，当机器人51各关节的受力变化超出安全保护响应程序中设定的安全值时，工控机3也将发出警报信息，粒子植入模组5和超声探头模组7也将停止工作，并退出病人体内。

综上所述，通过本发明所提供的一种基于协作机器人的前列腺粒子植入系统及方法，医生可以与协作机器人一起完成前列腺粒子植入手术，手术过程简单方便、手术效果稳定可靠，一个医生即可同时完成前列腺粒子植入手术，减轻了医生的工作负担，减少了人力资源的压力，而且前列腺粒子植入系统中定位初始化方法的加入，使得系统的定位过程简单快捷，无需医生搬动手术器械，只需辅助系统完成一定程度上的定位误差修正即可，系统中额外添加的传感器，则保证了手术过程中病人与医生的人身安全，此外，协作机器人还提高了操作控制系统的协作性和灵活性、保证了系统设备的通用性与经济性。

以上内容是结合具体地实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不应认定本发明的具体实施只局限于以上说明。对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明构思的前提下，所作出的若干不具有创造性劳动的变形或替换，均应视为由本发明所提交的权利要求确定的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于协作机器人的前列腺粒子植入系统，由工控机、工控机I/O设备、控制柜、超声探头模组、超声探头传感器、粒子植入模组和粒子植入传感器组成，其特征在于包括：

所述工控机用于接收、处理、存储和发送控制指令，所述工控机由工控机中央处理器、工控机存储模块、工控机I/O模块和工控机电源模块组成；

所述工控机I/O设备为医生与工控机提供交互通道；

所述控制柜根据控制指令，通过控制总线驱动各执行端的电机；

所述超声探头模组提供导航功能，所述超声探头模组由超声探头和超声探头运动机构组成；

所述超声探头传感器用于辅助系统完成术前定位初始化；

所述粒子植入模组完成术中具体的植入粒子操作，所述粒子植入模组由机器人和植入机构组成；

所述粒子植入传感器用于检测协作机器人各关节上的受力变化；

所述控制柜，包括：

所述控制柜由控制柜中央处理器、控制柜I/O模块、控制柜电源模块、外部传感器控制模块和四组伺服电机驱动器组成；

所述控制柜I/O模块与工控机I/O模块之间的连接方式可以是有线连接、局域网连接或蓝牙连接；

所述外部传感器控制模块，用于控制所述前列腺粒子植入系统中所有外部传感器的启动和关闭；

所述四组伺服电机驱动器分别用于驱动控制所述机器人、所述植入机构、超声探头和承载车；

所述超声探头传感器，包括：

所述超声探头传感器属于外部传感器模块的一部分，由超声波传感器和摄像头组成；

所述超声波传感器安装在所述超声探头运动机构上，为前列腺粒子植入系统定位初始化提供测距功能；

摄像机，属于一种广角摄像机，安装在所述超声探头运动机构上，为前列腺粒子植入系统定位初始化提供标志对象寻找定位功能，其中，所述标志对象是病床和导向板；

所述导向板安装在所述病床上，用于辅助系统完成术前的定位初始化和术中的外针导向支撑。

2.根据权利要求1所述的基于协作机器人的前列腺粒子植入系统，其特征在于，所述工控机，包括：

所述工控机存储模块必须在术前就存储好以下信息：语音控制指令的语音特征模型、病床和导向板在不同角度下的图片、安全保护响应程序、控制指令响应程序；

所述工控机I/O模块除了能满足传统的输入输出交互模式外，还搭载有声音采集器和蓝牙传输器，用以辅助实现所述前列腺粒子植入系统的语音控制和蓝牙无线传输功能。

3.根据权利要求1所述的基于协作机器人的前列腺粒子植入系统，其特征在于，所述超声探头模组，包括：

所述超声探头运动机构则用于承载所述超声探头，此外，在所述超声探头运动机构上还安装了五个伺服电机，所述五个伺服电机分别为所述超声探头提供上升下降、前进后退、上仰下俯、左右旋转和左右偏航五种在不同自由度上的运动。

4.根据权利要求1所述的基于协作机器人的前列腺粒子植入系统，其特征在于，所述粒子植入模组，包括：

所述机器人属于一种协作机器人，此外所述机器人共有六个旋转关节，每个所述旋转关节都由一个伺服电机进行驱动；

所述植入机构则由植入机构辅助模块和粒子植入器组成，并且安装在所述机器人的末端，其中，所述植入机构辅助模块可以操控着所述粒子植入器完成粒子植入外针前进与后退、粒子植入内针前进与后退、粒子植入外针更换和弹匣更换四种操作，并且操控过程中负责驱动的伺服电机、装置更换时需要的粒子植入外针和弹匣设备都安装在所述植入机构辅助模块上。

5.根据权利要求1所述的基于协作机器人的前列腺粒子植入系统，其特征在于，所述粒子植入传感器，包括：

所述粒子植入传感器属于外部传感器模块的一部分，由六个力传感器组成，所述六个力传感器分别安装在所述机器人的六个旋转关节中，为所述前列腺粒子植入系统提供误触判断、安全检测的功能。

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