CN111887992A - 基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，该系统包括成像系统，用于对手术区域进行二维显微成像和光学相干层析三维成像；控制系统，控制机械臂组进行手术；终止系统，用于即时控制机器人系统停止工作；监测系统，用于实时监测机器人系统的工作状况；报警系统，用于实时接收各监测信息，在监测信息不符合预设安全条件时报警。本发明将光学相干层析技术与机器人技术相结合，能够对人眼进行断层成像，精准定位病灶位置，实现对眼科手术的实时导航，同时多个机械臂末端安装不同手术器械，可自行规划手术路径，相互配合实现更复杂的手术，在获得更准确、直观的手术导航信息和减少医生工作量的同时，提高了手术的精准度和可操作性。

Description

基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统
技术领域
本发明涉及光学相干层析成像、智能机器人技术等领域，特别涉及一种基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统。
背景技术
目前，在神经外科手术、眼科手术等临床诊疗中，光学相干层析成像技术已经有了广泛的应用，其具有非接触、非侵入、实时动态成像、探测灵敏度高等特点，在手术中凭借优异的断层成像能够更加准确的定位手术靶点部位，为手术的进行精确导航。随着第三代扫频光源光学相干层析成像(swept-source optical coherence tomography，SS-OCT)技术的发展，使得OCT实时成像成为可能，为手术导航提供了技术基础。尽管随着技术的提高手术难度已经大大下降，但手术中医生仍需要承担绝大部分操作，且医生操作的准确度是有限的，这仍是手术急需解决的问题，因此，如何更好的减少医生手术工作量也成为了现代医学手术中研究的一个重要方向。
另一方面，在工业生产中，为了减轻人类工作强度以及避免一些危险操作，工业机器人应运而生。近些年来，机器人技术愈发完善，已经不仅仅存在于工业领域，在医疗系统中也已经得到了推广应用。目前，机器人在医疗界的应用主要集中在外科手术机器人、康复机器人和护理机器人，手术机器人的应用可以使医生远离手术台操纵机器进行手术，极大减轻了手术过程中医生的工作量，能够更加精准的进行定位和手术操作以及进行人手不能触及的狭小空间的精细手术，克服了传统手术中的精度差、手术时间过长导致的医生疲劳以及三维精度视野等问题。
在眼科手术方面，各种成像技术已较为成熟，但与手术机器人结合方面的应用相对较少，各种眼科手术仍主要依赖于医生的操作。中瑞福宁研发的Ophthorobotics眼科手术机器人仅用于自动眼内药物注射，但其无法对眼睛进行成像，因此不能对其他眼科手术进行辅助，局限性较大；牛津大学研发的Preceyes眼科手术系统通过两条机械臂来同步医生的双手动作完成微操，可进行较为复杂的眼科手术，但其成像系统仅包含二维显微成像功能，医生手术过程中无法感知深度信息，且手术全程仍依赖于医生的双手，并未减轻医生的工作量。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种能获得更加准确、直观的手术导航信息，减少医生工作量，大大提高手术精准度和可操作性的机器人系统。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，所述手术机器人系统包括成像系统、控制系统和末端可加持手术工具的机械臂组；
所述成像系统，用于对手术区域进行二维显微成像和光学相干层析三维成像；
所述控制系统，用于基于成像结果，控制机械臂组运动进行手术。
进一步地，所述控制系统的控制方式包括两种：自动控制和手动控制。
进一步地，针对所述自动控制，所述手术机器人系统还包括规划系统，用于基于所述三维成像结果规划手术路径。
进一步地，所述手术机器人系统还包括切换系统，该系统包括：
第一切换单元，用于接收第一切换指令，切换机械臂；
第二切换单元，用于接收第二切换指令，切换机械臂末端的手术工具。
进一步地，所述成像系统包括：
照明单元，用于为手术区域提供光照；
手术显微单元，用于采集手术区域的二维显微图像；
光学相干层析单元，用于采集手术区域的OCT三维图像；
处理控制单元，用于对所述二维显微图像和OCT三维图像进行配准、融合；
显示单元，用于输出并显示所述处理控制单元处理后的图像。
进一步地，所述控制系统还用于调节所述照明单元的亮度。
进一步地，所述手术机器人系统包括支架结构，该结构包括立柱和横梁，所述立柱支撑横梁置于手术区域上方，所述成像系统、控制系统和机械臂组设置于横梁上，且机械臂组围绕成像系统设置。
进一步地，所述成像系统、控制系统和机械臂组设置于位于横梁上的导轨上，可沿导轨移动；所述导轨上设置锁紧装置，在所述成像系统、控制系统和机械臂组移动到目标位置时，将三者锁紧。
进一步地，所述控制系统还用于控制所述成像系统、控制系统和机械臂组沿所述导轨运动。
进一步地，所述机械臂组中的每个机械臂均包括至少三个转动副，以及设置于机械臂末端的至少一个移动副，该移动副可进行伸缩运动以及旋转运动；每个移动副上均夹持至少一个手术器械。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)将光学相干层析技术与机器人技术相结合，在实现人眼断层成像，为眼科手术进行实时导航的同时，能够在一定程度上解放医生双手，提高手术的安全性与准确性；2)所述成像系统实现了传统显微镜与OCT技术的集成，使医生在手术中不仅能获得二维显微图像，同时能够得到手术部位深度方向上的信息，为手术进行提供更多的信息参考；3)系统包含的机械臂可根据手术需要切换不同的手术器械，部分手术可根据手术情况自行规划手术路径，大大提高了手术的精准度和可操作性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统结构框图。
图2为一个实施例中基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统的安装结构简图。
图3为一个实施例中机械臂结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，所述手术机器人系统包括成像系统、控制系统和末端可加持手术工具的机械臂组；
所述成像系统，用于对手术区域进行二维显微成像和光学相干层析三维成像；
所述控制系统，用于基于成像结果，控制机械臂组运动进行手术。
这里，所述控制系统的控制方式包括两种：自动控制和手动控制。
这里，手动控制可以为操作杆、脚踏板或者操作按钮，手术人员可以通过操作杆、脚踏板或操作按钮控制机械臂运动。
进一步地，在其中一个实施例中，针对所述自动控制，所述手术机器人系统还包括规划系统，用于基于所述三维成像结果规划手术路径。
这里，规划系统可以采用现有的任何路径规划方法。
采用本实施例的方案，能够真正意义上降低医护工作人员的工作量。
进一步地，在其中一个实施例中，所述手术机器人系统还包括切换系统，该系统包括：
第一切换单元，用于接收第一切换指令，切换机械臂；
第二切换单元，用于接收第二切换指令，切换机械臂末端的手术工具。
采用本实施例的方案，能够实现多机械臂配合协作，由此可以完成更加复杂的手术。
进一步地，在其中一个实施例中，所述成像系统包括：
照明单元，用于为手术区域提供光照；
手术显微单元，用于采集手术区域的二维显微图像；
光学相干层析单元，用于采集手术区域的OCT三维图像；
处理控制单元，用于对所述二维显微图像和OCT三维图像进行配准、融合；
显示单元，用于输出并显示所述处理控制单元处理后的图像。
进一步地，在其中一个实施例中，所述控制系统还用于调节所述照明单元的亮度。
采用本实施例的方案，能够为手术区域提供一个最优的照明环境，提高成像的效果，进一步提高路径规划的精度以及手术操作的精确度。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图2，所述手术机器人系统包括支架结构，该结构包括立柱1和横梁2，所述立柱1支撑横梁2置于手术区域上方，所述成像系统5、控制系统和机械臂组设置于横梁2上，且机械臂组围绕成像系统5设置。
这里，立柱支撑横梁可以置于手术室地面上，也可以置于手术台面上，且支架周围预留有医务人员的站位凹槽，医务人员可以采取站姿或坐姿实施、监控手术。
这里，立柱支撑也可选用其他支撑方式替代，支架结构可以根据手术室情况选用吊架结构等等。
进一步地，在其中一个实施例中，所述成像系统5、控制系统和机械臂组设置在位于横梁2上的滑动机构上，该滑动机构可带动所述成像系统5、控制系统和机械臂组沿横梁2移动；所述横梁2上设置锁紧装置，在所述成像系统5、控制系统和机械臂组移动到目标位置时，将三者锁紧。
示例性优选地，在其中一个实施例中，所述滑动机构采用导轨，所述成像系统5、控制系统和机械臂组可沿导轨移动；所述导轨上设置锁紧装置，在所述成像系统5、控制系统和机械臂组移动到目标位置时，将三者锁紧。
采用本实施例的方案，使得整个系统能够适用较大的手术区域，提高系统的适用性。
进一步地，在其中一个实施例中，所述控制系统还用于控制所述滑动机构带动成像系统5、控制系统和机械臂组沿横梁2移动。
进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，所述机械臂组中的每个机械臂3、4均包括至少三个转动副，以及设置于机械臂末端的至少一个移动滑块，滑块上夹持至少一个手术器械，该滑块可沿机械臂的轴向进行伸缩运动以及绕机械臂末端进行旋转运动。其中至少三个转动副以及一个移动滑块，能保证末端手术器械可实现三维空间内的任意运动。
示例性地，每个机械臂包括主动臂8、第一从动臂9和第二从动臂10，第二从动臂10末端设置滑块11，该滑块11上固连手术机械12，主动臂8通过连接件7连接横梁2。
进一步地，在其中一个实施例中，所述智能手术机器人系统还包括终止系统，用于即时控制整个智能手术机器人系统停止工作。
这里，可以为手动控制，也可以为自动控制，其中自动控制为接收到外部停止信号指令时自动控制整个智能手术机器人系统停止工作。
进一步地，在其中一个实施例中，所述智能手术机器人系统还包括监测系统，用于实时监测机器人系统的信息，包括当前工作的机械臂和该机械臂对应的手术工具信息，以及各手术工具的状态，还用于监测手术进行的状态。
这里，手术进行的状态包括当前的手术环节以及当前手术环节的完成度等等。
这里，各手术工具的状态包括机械臂末端对手术工具的夹持度，以及手术工具的使用状态(例如药物注射管中药物的剩余量)等等。
进一步地，在其中一个实施例中，所述智能手术机器人系统还包括报警系统，用于实时接收所述监测系统监测到的信息，在监测到的信息不符合对应的预设安全条件时进行报警，并产生触发信号至所述终止系统。
这里例如，在监测到手术工具夹持度低于设定阈值时进行报警，表示手术工具夹持度不够，存在随时可能滑落的风险；在监测到当前工作的机械臂以及对应的手术工具不是控制系统调用的机械臂以及对应的手术工具时进行报警，表示当前手术工具不正确。
本发明将光学相干层析技术与机器人技术相结合，不仅能够实现对眼睛的三维成像，精准定位病灶位置，完成对手术的实时导航，同时在机械臂组的配合下，可对手术进行规划路径，自动或人工辅助完成眼内药物注射以及其他更加复杂的手术，在获得更加准确、直观的手术导航信息和减少医生工作量的同时，大大提高了手术的精准度和可操作性。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括成像系统、控制系统和末端可加持手术工具的机械臂组；
所述成像系统，用于对手术区域进行二维显微成像和光学相干层析三维成像；
所述控制系统，用于基于成像结果，控制机械臂组运动进行手术。
2.根据权利要求1所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述控制系统的控制方式包括两种：自动控制和手动控制。
3.根据权利要求2所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，针对所述自动控制，所述手术机器人系统还包括规划系统，用于基于所述三维成像结果规划手术路径。
4.根据权利要求1所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统还包括切换系统，该系统包括：
第一切换单元，用于接收第一切换指令，切换机械臂；
第二切换单元，用于接收第二切换指令，切换机械臂末端的手术工具。
5.根据权利要求1所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述成像系统包括：
照明单元，用于为手术区域提供光照；
手术显微单元，用于采集手术区域的二维显微图像；
光学相干层析单元，用于采集手术区域的OCT三维图像；
处理控制单元，用于对所述二维显微图像和OCT三维图像进行配准、融合；
显示单元，用于输出并显示所述处理控制单元处理后的图像。
6.根据权利要求1或5所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述控制系统还用于调节所述照明单元的亮度。
7.根据权利要求1所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述手术机器人系统包括支架结构，该结构包括立柱和横梁，所述立柱支撑横梁置于手术区域上方，所述成像系统、控制系统和机械臂组设置于横梁上，且机械臂组围绕成像系统设置。
8.根据权利要求7所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述成像系统、控制系统和机械臂组设置在位于横梁上的滑动机构上，该滑动机构可带动所述成像系统、控制系统和机械臂组沿横梁移动；所述横梁上设置锁紧装置，在所述成像系统、控制系统和机械臂组移动到目标位置时，将三者锁紧。
9.根据权利要求8所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述控制系统还用于控制所述滑动机构带动成像系统、控制系统和机械臂组沿横梁移动。
10.根据权利要求1所述的基于光学相干层析成像的智能手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂组中的每个机械臂均包括至少三个转动副，以及设置于机械臂末端的至少一个移动副，该移动副可进行伸缩运动以及旋转运动；每个移动副上均夹持至少一个手术器械。
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