CN112006780A - 一种微创手术机器人系统及人工耳蜗微创植入手术装置 - Google Patents

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CN112006780A CN202010928537.XA CN202010928537A CN112006780A CN 112006780 A CN112006780 A CN 112006780A CN 202010928537 A CN202010928537 A CN 202010928537A CN 112006780 A CN112006780 A CN 112006780A
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Abstract

本发明提供了一种微创手术机器人系统及人工耳蜗微创植入手术装置，涉及微创手术技术领域。包括机器人本体；三维影像模块设置于机器人本体前端，三维影像模块用于扫描病人患处的三维数据并生成三维模型；手术规划模块用于依据三维模型而制定手术路径；机械臂设置于机器人本体上，机械臂用于进行手术操作；控制模块与机器人本体、三维影像模块、手术规划模块、机械臂和人机交互显示器通信连接，用于根据三维影像模块和手术规划模块提供的信息控制机械臂进行手术操作；其中，机械臂与三维影像模块以及机器人本体为一体式结构，机械臂和三维影像模块固联安装。相较于现有技术，省去了导航配准的过程，提高了手术效率。

Description

一种微创手术机器人系统及人工耳蜗微创植入手术装置
技术领域
本发明涉及微创手术技术领域，具体而言，涉及一种微创手术机器人系统及人工耳蜗微创植入手术装置。
背景技术
我国听力残疾人数近2800万，重度耳聋患者超过300万，人工耳蜗植入是治疗重度、极重度感音神经性聋最确切的手段，传统植入方式为使术野暴露充分，需行耳后大切口且切除较大范围的乳突，因此传统植入方式不仅创伤大且耗时，并且耳蜗电极的植入由医生操作，植入效果主要取决于医生。随着计算机和视觉等技术的发展，逐渐摒弃了传统的植入方式，导航下的微创手术逐渐推广，不仅减小了手术创伤，还提高了手术精度。
但是现有的微创手术机器人系统，不仅是对耳部进行微创手术时，而且在对鼻、咽喉等进行手术时，都是先对待病人的待手术区域进行CT扫描，在机器人末端安装标定靶，并把标定靶扫描到CT影像中，通过对该CT影像中若干标定靶点的坐标与标定靶点在机器人下坐标的关系，求解CT坐标与机器人坐标的转换矩阵，然后将两者坐标进行导航配准，最后机器人才能进行手术操作，导致过程繁琐，浪费大量时间，完成一次手术的效率低下。
发明内容
本发明旨在一定程度上解决现有的微创手术机器人系统在进行微创手术时由于每次都需要导航配准而导致手术过程繁琐，浪费大量时间，效率低下问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种微创手术机器人系统，包括：
机器人本体；
三维影像模块，其设置于所述机器人本体的前端，所述三维影像模块用于扫描病人患处的三维数据并生成三维模型；
手术规划模块，用于依据所述三维模型而制定手术路径；
人机交互显示器，其设置于所述机器人本体的后端；
机械臂，其设置于所述机器人本体上，所述机械臂的前端适于安装手术器械，所述机械臂用于进行手术操作；以及
控制模块，与所述机器人本体、所述三维影像模块、所述手术规划模块、所述机械臂和所述人机交互显示器通信连接，用于根据所述三维影像模块和所述手术规划模块提供的信息控制所述机械臂进行手术操作；
其中，所述机械臂与所述三维影像模块以及所述机器人本体为一体式结构，所述机械臂和所述三维影像模块固联安装。
进一步地，所述微创手术机器人系统还包括：配准模块，用于对所述三维影像模块的坐标系和所述机械臂的坐标系进行坐标系配准。
进一步地，所述三维影像模块为CBCT影像系统。
进一步地，所述三维影像模块包括回转关节、俯仰关节和CBCT扫描臂，所述回转关节与所述机器人本体的前端铰接，两个所述俯仰关节分别与所述回转关节的左侧和右侧铰接，所述CBCT扫描臂与所述俯仰关节的前端连接。
进一步地，所述微创手术机器人系统还包括手术导航系统，所述手术导航系统用于实时监测所述病人患处的位置以及所述手术器械的位置。
进一步地，所述手术导航系统包括双目摄像头、示踪器和标记点，所述双目摄像头设置在所述机械臂上，所述示踪器适于安装在所述病人患处附近，所述标记点适于设置在所述手术器械上，所述双目摄像头用于监测所述示踪器与所述标记点的位置。
进一步地，所述机械臂包括基座、第一关节臂、第二关节臂、第三关节臂、第四关节臂和第五关节臂，所述基座与所述机器人本体连接，所述第一关节臂与所述基座连接并且所述第一关节臂适于绕第一轴线转动，所述第二关节臂与所述第一关节臂连接并且所述第二关节臂适于绕第二轴线转动，所述第三关节臂与所述第二关节臂连接并且所述第三关节臂适于绕第三轴线转动，所述第四关节臂与所述第三关节臂连接并且所述第四关节臂适于绕第四轴线转动，所述第五关节臂与所述第四关节臂连接并且所述第五关节臂适于绕第五轴线转动，所述第五关节臂上设置有滑块，所述滑块适于沿第六轴线移动，所述滑块适于与所述手术器械连接；
其中，所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线相互平行，所述第四轴线与所述第三轴线垂直，所述第五轴线与所述第四轴线垂直，且所述第五轴线与所述第三轴线垂直，所述第六轴线为所述第五关节臂的长度方向。
进一步地，所述机器人本体包括机器人车和支撑座，所述支撑座设置在所述机器人车的上方，所述支撑座与所述机器人车之间设置有升降机构；
其中，所述三维影像模块、所述人机交互显示器与所述机械臂分别与所述支撑座连接。
另外，本发明还提供一种人工耳蜗微创植入手术装置，包括所述的微创手术机器人系统。
由于所述人工耳蜗微创植入手术装置的技术改进以及取得的技术效果与所述的微创手术机器人系统相同，因此不对所述人工耳蜗微创植入手术装置的技术效果进行详细说明。
进一步地，所述人工耳蜗微创植入手术装置还包括头部固定装置，所述头部固定装置包括头拖、固定气囊和连接杆，所述头拖适于通过所述连接杆与手术床连接，所述固定气囊设置于所述头拖上，所述固定气囊适于将病人头部固定在所述头拖中。
与现有技术相比，本发明提供的一种微创手术机器人系统，具有但不局限于以下技术效果：
通过三维影像模块对病人患处区域进行扫描获取病人患处区域的三维数据，然后重建生成为三维模型并传输给手术规划模块，手术规划模块根据三维模型对病人患处进行一个手术规划，即制定手术路径，之后可以通过人机交互显示器进行三维模型的查看、手术路径的调整、确认操作，确认操作后，手术规划模块控制机械臂带动手术器械沿着手术路径进行手术操作。通过将三维影像模块和手术规划模块都集成在微创手术机器人系统中，机械臂与三维影像模块以及机器人本体为一体式结构,三维影像模块的坐标系和机械臂的坐标系已经完成配准，每次对病人进行微创手术时，都可以省去配准的时间，提高手术效率。解决现有的微创手术机器人系统在进行微创手术时由于每次都需要导航配准而导致手术过程繁琐，浪费大量时间，效率低下问题。
附图说明
图1为本发明的具体实施方式的微创手术机器人系统进行人工耳蜗微创植入手术时的示意性结构图；
图2为本发明的具体实施方式的微创手术机器人系统的示意性结构图；
图3为本发明的具体实施方式的机械臂的内部的示意性结构图；
图4为本发明的具体实施方式的三维影像模块的示意性结构图；
图5为本发明的具体实施方式的手术导航系统的示意性结构图；
图6为本发明的具体实施方式的头部固定装置的示意性结构图。
标记说明：
1-机器人本体，11-机器人车，111-驱动轮，112-转向轮，12-支撑座，121-手柄，13-升降机构，2-三维影像模块，21-回转关节，22-俯仰关节，23-CBCT扫描臂，3-人机交互显示器，4-机械臂，41-第一关节臂，42-第二关节臂，43-第三关节臂，44-第四关节臂，45-第五关节臂，46-基座，5-手术器械，6-手术导航系统，61-双目摄像头，62-示踪器，7-手术床，81-头拖，82-固定气囊，83-连接杆，84-螺丝。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”“后”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，因此不能理解为对本发明的限制。
而且，附图中Z轴表示竖向，也就是上下位置，并且Z轴的正向(也就是Z轴的箭头指向)表示上，Z轴的负向(也就是与Z轴的正向相反的方向)表示下；附图中X轴表示水平面的纵向，与Z轴垂直，并且X轴的正向(也就是X轴的箭头指向)表示前侧，X轴的负向(也就是与X轴的正向相反的方向)表示后侧；附图中Y中表示水平面的横向，同时与Z轴和X轴垂直，并且Y轴的正向(也就是Y轴的箭头指向)表示左侧，Y轴的负向(也就是与Y轴的正向相反的方向)表示右侧；X轴和Z轴形成的平面为竖直平面。
同时需要说明的是，前述Z轴、Y轴及X轴的表示含义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，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
参见图1和图2，本实施例提供了一种微创手术机器人系统，包括机器人本体1、三维影像模块2、手术规划模块、人机交互显示器3、机械臂4、控制模块和配准模块。
三维影像模块2设置于机器人本体1的前端，三维影像模块2用于扫描病人患处的三维数据并重建为三维模型。手术规划模块适于依据三维模型而制定手术路径。人机交互显示器3设置于机器人本体1的后端，人机交互显示器3可以显示三维模型和手术路径。机械臂4设置于机器人本体1上，机械臂4与三维影像模块2以及机器人本体1为一体式结构，机械臂4和三维影像模块2固联安装。机械臂4的前端适于安装手术器械5，机械臂4用于进行手术操作。控制模块与机器人本体1、三维影像模块2、手术规划模块、机械臂4和人机交互显示器3通信连接，用于根据三维影像模块2和手术规划模块提供的信息控制机械臂4进行手术操作。
配准模块用于将实体的病人患处的与虚拟的三维模型配准，即用于对三维影像模块2的坐标系和机械臂4的坐标系进行坐标系配准。
这里，通过三维影像模块2对病人患处区域进行扫描获取病人患处区域的三维数据，然后重建生成为三维模型并传输给手术规划模块，手术规划模块根据三维模型对病人患处进行一个手术规划，即制定手术路径，之后可以通过人机交互显示器3进行三维模型的查看、手术路径的调整、确认操作，确认操作后，手术规划模块控制机械臂4带动手术器械5沿着手术路径进行手术操作。本实施例中，机械臂4与三维影像模块2以及机器人本体1为一体式结构，也就是机械臂4和三维影像模块2已经集成在机器人本体1上，三维影像模块2与机器人本体1的连接点记为第一连接点，以及机械臂4与机器人本体1的连接点记为第二连接点，第一连接点和第二连接点在机器人本体1上的位置是固定的，即“机械臂4与三维影像模块2以及机器人本体1为一体式结构”，机械臂4与三维影像模块2之间的关系也即固联安装，在完成第一次配准后，第一连接点处的三维影像模块2的坐标系和第二连接点处的机械臂4的坐标系统一在一个坐标系下，即使机械臂4、三维影像模块2在运动的过程中，也是可检测的，保证在同一的空间坐标系下，每次对病人进行微创手术时，不用再次进行配准，提高手术效率。
需要说明的是，传统的微创手术机器人系统都是先对待病人的待手术区域进行CT扫描，在机器人末端安装标定靶，并把标定靶扫描到CT影像中，通过对该CT影像中若干标定靶点的坐标与标定靶点在机器人下坐标的关系，求解CT坐标与机器人坐标的转换矩阵，然后将两者坐标进行导航配准，最后机器人才能进行手术操作，这种传统的微创手术机器人系统至少存在以下缺点：1、每次手术中都需要进行标靶安装、拆卸、坐标配准及求解，复杂手术过程，增加时间。2、标靶本身精度要求高，标靶本身会引入误差(标靶加工误差、安装误差)，使手术过程误差增加。
而本实施例中前述的“三维影像模块2的坐标系与机械臂4的坐标系配准”是事先配准好的一种离线配准方式，即：在本实施例中的微创手术机器人系统制造时，三维影像模块与机器人本体连接后，通过标定设备已经完成与机械臂坐标系的配准，仅需最开始的这一次配准即可，一次配准后不需要再重复配准，离线配准过程中还可以引入更高精度的标定设备，提高标定精度，并可以多次标定，操作时间不受限、操作环境可控，最终完成三维影像模块集成在微创手术机器人系统中，简化了手术过程，缩短了手术时间，手术精度高。当然配准的方式也可以是在线配准的方式，即在手术时，进行标定配准。
优选地，三维影像模块2为CBCT影像系统。
这里，本实施例中的三维影像模块2是CBCT影像系统，即是一种锥束计算机断层扫描X射线设备。相较于传统的CT扫描设备，CBCT扫描采用三维扫描技术、低功耗球管、动态平板探测器和智能剂量控制管理系统，使图像精准度得到明显提升，同时降低患者的辐射剂量。
参见图1、图2和图4，优选地，三维影像模块2包括回转关节21、俯仰关节22和CBCT扫描臂23，回转关节21与机器人本体1的前端铰接，两个俯仰关节22分别与回转关节21的左侧和右侧铰接，CBCT扫描臂23与俯仰关节22的前端连接。
这里，本实施例中，通过回转关节21和俯仰关节22的配合，可以实现CBCT扫描臂23对病人头部的完全扫描，使用时，俯仰关节22带动CBCT扫描臂23伸出(如附图2所示)，扫描完成后，俯仰关节22带动CBCT扫描臂23向后收起(如附图1所示)，同时减小了三维影像模块2的结构设计，减小了三维影像模块2的空间占用率。
参见图1和图2，优选地，还包括手术导航系统6，手术导航系统6用于实时监测病人患处的位置以及手术器械5的位置。手术导航系统6可以是光学导航系统。
参见图5，优选地，手术导航系统6包括双目摄像头61、示踪器62和标记点，双目摄像头61可以设置在机械臂4上，视野开阔，示踪器62适于安装在病人患处附近，标记点适于设置在手术器械5上，双目摄像头61用于监测示踪器62与标记点的位置。
这里，本实施例中，在手术过程中，双目摄像头61通过实施监测示踪器62和手术器械上5的标记点，进而实施监测病人患处的空间位置和手术器械5的空间位置，如果因头部发生运动而导致患处发生移动，或手术器械5位置出现误差，即可发出警报。
参见图3，优选地，机械臂4包括基座46、第一关节臂41、第二关节臂42、第三关节臂43、第四关节臂44和第五关节臂45，基座46与机器人本体1连接，第一关节臂41与基座46连接并适于绕第一轴线转动，第二关节臂42与第一关节臂41连接并适于绕第二轴线转动，第三关节臂43与第二关节臂42连接并适于绕第三轴线转动，第四关节臂44与第三关节臂43连接并适于绕第四轴线转动，第五关节臂45与第四关节臂44连接并适于绕第五轴线转动，第五关节臂45上设置有滑块，滑块适于沿第六轴线移动，滑块适于与手术器械5连接。
其中，第一轴线、第二轴线和第三轴线相互平行，第四轴线与第三轴线垂直，第五轴线与第四轴线垂直，且第五轴线与第三轴线垂直，第六轴线为第五关节臂的长度方向。
其中，第一轴线位于第一关节臂41与基座46的连接处，第二轴线位于第二关节42臂与第一关节臂41的连接处，第三轴线位于第三关节臂43与第二关节臂42的连接处，第四轴线位于第四关节臂44与第三关节臂43的连接处，第五轴线位于第五关节臂45与第四关节臂44的连接处，第一轴线、第二轴线和第三轴线均为竖直方向的轴线，第四轴线位水平方向的轴线。
这里，本实施例中，通过第一关节臂41与基座46之间的一个自由度，第二关节臂42与第一关节臂41之间的一个自由度，第三关节臂43与第二关节臂42之间的一个自由度，第四关节臂44与第三关节臂43之间的一个自由度，第五关节臂45与第四关节臂44之间的一个自由度，以上五个自由度加上滑块沿着第六轴线的移动，一共六个自由度，通过这些自由度保证手术器械5可以在复杂的手术路径上运动，进而完成手术操作。
参见图2，优选地，机器人本体1包括机器人车11和支撑座12，支撑座12设置在机器人车11的上方，支撑座12与机器人车11之间设置有升降机构13。
其中，三维影像模块2、人机交互显示器3与机械臂4分别与支撑座12连接。
这里，本实施例中，通过设置升级机构13，可以确保两机械臂4以及三维影像模块2调整到合适的高度。
参见图2，优选地，支撑座12的后端设置手柄121，方便机器人车11的移动，另外，由于机械臂4和三维影像模块2是在机器人车11的前方位置工作，因此可以将机器人车11的前半部分空出一个减重空间，以此实现微创手术机器人系统的重量平衡。机器人车11的后端还设置有两个驱动轮111，前端设置有两个转向轮112。
参见图1和图6，优选地，微创手术机器人系统用于人工耳蜗微创植入手术，除此之外，还可以用于鼻、咽喉等头部位置的微创手术。微创手术机器人系统还包括头部固定装置，头部固定装置包括头拖81、固定气囊82和连接杆83，头拖81适于通过连接杆83与手术床7连接，固定气囊82设置于头拖81上，固定气囊82适于将病人头部固定在头拖81中，其中连接杆83可以通过螺丝84固定在手术床7上。用于人工耳蜗微创植入手术时，手术器械5分为钻孔工具和电极自动植入工具，钻孔工具和电极自动植入工具可以分别安装在滑块这个进给机构上。钻孔工具在手术路径进行钻孔，钻好孔后更换电极自动植入工具，将耳蜗电极自动植入。植入后机械臂4收回，可以再次用CBCT扫描臂23人头部进行扫描，检查植入效果。机械臂4上还可以设置有感知元件，通过感知元件可以检测钻孔过程中的力大小，防止出现损伤神经等危险。
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微创手术机器人系统，其特征在于，包括：
机器人本体(1)；
三维影像模块(2)，其设置于所述机器人本体(1)的前端，所述三维影像模块(2)用于扫描病人患处的三维数据并生成三维模型；
手术规划模块，用于依据所述三维模型而制定手术路径；
人机交互显示器(3)，其设置于所述机器人本体(1)的后端；
机械臂(4)，其设置于所述机器人本体(1)上，所述机械臂(4)的前端适于安装手术器械(5)，所述机械臂(4)用于进行手术操作；以及
控制模块，与所述机器人本体(1)、所述三维影像模块(2)、所述手术规划模块、所述机械臂(4)和所述人机交互显示器(3)通信连接，用于根据所述三维影像模块(2)和所述手术规划模块提供的信息控制所述机械臂(4)进行手术操作；
其中，所述机械臂(4)与所述三维影像模块(2)以及所述机器人本体(1)为一体式结构，所述机械臂(4)和所述三维影像模块(2)固联安装。
2.根据权利要求1所述的微创手术机器人系统，其特征在于，还包括：
配准模块，用于对所述三维影像模块(2)的坐标系和所述机械臂(4)的坐标系进行坐标系配准。
3.根据权利要求1所述的微创手术机器人系统，其特征在于，所述三维影像模块(2)为CBCT影像系统。
4.根据权利要求3所述的微创手术机器人系统，其特征在于，所述三维影像模块(2)包括回转关节(21)、俯仰关节(22)和CBCT扫描臂(23)，所述回转关节(21)与所述机器人本体(1)的前端铰接，两个所述俯仰关节(22)分别与所述回转关节(21)的左侧和右侧铰接，所述CBCT扫描臂(23)与所述俯仰关节(22)的前端连接。
5.根据权利要求1所述的微创手术机器人系统，其特征在于，所述微创手术机器人系统还包括手术导航系统(6)，所述手术导航系统(6)用于实时监测所述病人患处的位置以及所述手术器械(5)的位置。
6.根据权利要求5所述的微创手术机器人系统，其特征在于，所述手术导航系统(6)包括双目摄像头(61)、示踪器(62)和标记点，所述双目摄像头(61)设置在所述机械臂(4)上，所述示踪器(62)适于安装在所述病人患处附近，所述标记点适于设置在所述手术器械(5)上，所述双目摄像头(61)用于监测所述示踪器(62)与所述标记点的位置。
7.根据权利要求1所述的微创手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂(4)包括基座(46)、第一关节臂(41)、第二关节臂(42)、第三关节臂(43)、第四关节臂(44)和第五关节臂(45)，所述基座(46)与所述机器人本体(1)连接，所述第一关节臂(41)与所述基座(46)连接并且所述第一关节臂(41)适于绕第一轴线转动，所述第二关节臂(42)与所述第一关节臂(41)连接并且所述第二关节臂(42)适于绕第二轴线转动，所述第三关节臂(43)与所述第二关节臂(42)连接并且所述第三关节臂(43)适于绕第三轴线转动，所述第四关节臂(44)与所述第三关节臂(43)连接并且所述第四关节臂(44)适于绕第四轴线转动，所述第五关节臂(45)与所述第四关节臂(44)连接并且所述第五关节臂(45)适于绕第五轴线转动，所述第五关节臂(45)上设置有滑块，所述滑块适于沿第六轴线移动，所述滑块适于与所述手术器械(5)连接；
其中，所述第一轴线、所述第二轴线和所述第三轴线相互平行，所述第四轴线与所述第三轴线垂直，所述第五轴线与所述第四轴线垂直，且所述第五轴线与所述第三轴线垂直，所述第六轴线为所述第五关节臂的长度方向。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的微创手术机器人系统，其特征在于，所述机器人本体(1)包括机器人车(11)和支撑座(12)，所述支撑座(12)设置在所述机器人车(11)的上方，所述支撑座(12)与所述机器人车(11)之间设置有升降机构(13)；
其中，所述三维影像模块(2)、所述人机交互显示器(3)与所述机械臂(4)分别与所述支撑座(12)连接。
9.一种人工耳蜗微创植入手术装置，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的微创手术机器人系统。
10.根据权利要求9所述的人工耳蜗微创植入手术装置，其特征在于，所述人工耳蜗微创植入手术装置还包括头部固定装置，所述头部固定装置包括头拖(81)、固定气囊(82)和连接杆(83)，所述头拖(81)适于通过所述连接杆(83)与手术床(7)连接，所述固定气囊(82)设置于所述头拖(81)上，所述固定气囊(82)适于将病人头部固定在所述头拖(81)中。
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