CN112168345B - 手术机器人仿真系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种手术机器人仿真系统。手术机器人仿真系统包括手术规划工作站模拟模块、实施模拟模块、任务调度模块和模式控制模块。手术规划工作站模拟模块用于接收手术规划信息。并生成模拟手术规划结果信息。实施模拟模块用于对手术机器人手术过程进行模拟仿真。任务调度模块分别与手术规划工作站模拟模块和实施模拟模块连接。模式控制模块分别与手术规划工作站模拟模块和任务调度模块连接。模式控制模块用于接收外部模式控制指令，并根据外部模式控制指令选择手术机器人仿真模式。多种手术机器人仿真模式包括全系统仿真模式以及至少一种部分系统仿真模式。手术机器人仿真系统能够全系统仿真模拟和部分系统仿真模拟。

Description

手术机器人仿真系统

技术领域

本申请涉及医疗技术领域，特别是涉及一种手术机器人仿真系统。

背景技术

利用手术机器人辅助手术，能够提高手术的效率和手术的质量。通常医生需要在手术规划工作站上进行手术路径规划。再利用控制工作站将规划路径转化为机械语言的控制命令输送给手术机械人。手术机械人再根据控制命令进行相关操作。手术机器人要完成辅助工作，离不开手术规划工作站和控制工作站。在手术前，通常需要多次验证规划路径的准确性或多次验证路径规划的计算方法的准确性。当受到条件限制，缺少手术规划工作站、控制工作站或手术机器人任意组件时，模拟工作将无法进行。

发明内容

基于此，有必要针对怎样才能避免缺少手术器械，导致模拟工作无法进行的问题，提供一种手术机器人仿真系统。

一种手术机器人仿真系统，包括手术规划工作站模拟模块、实施模拟模块、任务调度模块和模式控制模块。所述手术规划工作站模拟模块用于接收手术规划信息。并生成模拟手术规划结果信息。所述实施模拟模块用于对手术机器人手术过程进行模拟仿真。所述任务调度模块分别与所述手术规划工作站模拟模块和所述实施模拟模块连接。所述模式控制模块分别与所述手术规划工作站模拟模块和所述任务调度模块连接。所述模式控制模块用于接收外部模式控制指令，并根据所述外部模式控制指令选择手术机器人仿真模式。所述多种手术机器人仿真模式包括全系统仿真模式以及至少一种部分系统仿真模式。

所述任务调度模块用于接收所述模拟手术规划结果信息和医生操作命令，并根据所述模拟手术规划结果信息和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块运行。

在一个实施例中，所述模式控制模块在所述模式控制指令为所述全系统仿真模式时，控制所述任务调度模块接收所述手术规划工作站模拟模块生成的所述模拟手术规划结果信息以及医生操作命令，并控制实施模拟模块运行。

在一个实施例中，所述模式控制模块在所述模式控制指令为所述部分系统仿真模式时，控制所述任务调度模块接收外部手术规划工作站生成的手术规划结果信息和所述医生操作命令，控制所述实施模拟模块运行。

在一个实施例中，所述模式控制模块在所述模式控制指令为所述部分系统仿真模式时，控制所述任务调度模块接收控制工作站输出的控制命令和所述医生操作命令，然后根据所述控制命令和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块运行。

在一个实施例中，所述任务调度模块还包括机械臂命令接收子模块、医生命令接收子模块和调度子模块。所述机械臂命令接收子模块用于接收所述控制命令。所述医生命令接收子模块用于接收所述医生操作命令。所述调度子模块分别与所述调度子模块、所述医生命令接收子模块和所述实施模拟模块连接。所述调度子模块用于接收所述控制命令和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块运行。

在一个实施例中，所述手术机器人仿真系统还包括医生模拟模块。所述医生模拟模块用于生成模拟医生操作命令。所述医生命令接收子模块还用于接收所述模拟医生操作命令，并发送给所述调度子模块；

在一个实施例中，所述实施模拟模块还包括刚体控制模块。所述刚体控制模块与所述任务调度模块连接。所述刚体控制模块用于实现机械臂动作模拟仿真。

在一个实施例中，所述实施模拟模块还包括仿真规划模块、软组织控制模块或外围设备控制模块中的至少一种模块。所述仿真规划模块用于与所述任务调度模块连接。所述仿真规划模块用于对所述模拟手术规划结果信息进行二次规划，获得机械臂规划运动轨迹结果。所述软组织控制模块与所述任务调度模块连接。所述软组织控制模块用于对手术部位中的影像进行模拟仿真。所述外围设备控制模块与所述任务调度模块和外围设备连接。

在一个实施例中，所述的手术机器人仿真系统还包括显示模块。所述显示模块与所述实施模拟模块连接。述显示模块用于显示包含手术机器人的场景影像及手术过程影像。

本申请实施例提供的所述手术机器人仿真系统中所述模式控制模块用于接收外部模式控制指令，并根据所述外部模式控制指令对所述任务调度模块进行控制。所述任务调度模块用于控制所述实施模拟模块运行。所述手术机器人仿真系统能够模拟所述手术规划工作站、控制工作站或机械臂中的至少一个组件的工作情况或全部组件的工作情况。当缺少手术规划工作站、控制工作站或手术机器人任意组件时，所述手术机器人仿真系统都能完成模拟工作。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例中提供的所述手术机器人仿真系统的电连接示意图；

图2为本申请另一个实施例中提供的所述手术机器人仿真系统的电连接示意图；

图3为本申请一个实施例中提供的所述手术机器人仿真系统的第一模式下的电连接示意图；

图4为本申请一个实施例中提供的所述手术机器人仿真系统的第二模式下的电连接示意图；

图5为本申请一个实施例中提供的所述手术机器人仿真系统的第三模式下的电连接示意图。

附图标号：

10、手术机器人仿真系统；20、手术规划工作站模拟模块；30、医生模拟模块；40、实施模拟模块；50、任务调度模块；60、显示模块；410、刚体控制模块；420、软组织控制模块；430、仿真规划模块；440、外围设备控制模块；110、手术规划工作站；510、机械臂命令接收子模块；520、调度子模块；530、医生命令接收子模块；120、控制工作站；80、模式控制模块。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施的限制。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

请参见图1，本申请实施例提供一种手术机器人仿真系统10，包括手术规划工作站模拟模块20、实施模拟模块40、任务调度模块50和模式控制模块80。所述手术规划工作站模拟模块20用于接收手术规划信息。并生成模拟手术规划结果信息。所述实施模拟模块40用于对手术机器人手术过程进行模拟仿真。所述任务调度模块50分别与所述手术规划工作站模拟模块20和所述实施模拟模块40连接。所述模式控制模块80分别与所述手术规划工作站模拟模块20和所述任务调度模块50连接。所述模式控制模块80用于接收外部的模式控制指令，并根据所述外部模式控制指令选择手术机器人仿真模式。所述多种手术机器人仿真模式包括全系统仿真模式以及至少一种部分系统仿真模式。

所述任务调度模块50用于接收所述模拟手术规划结果信息和医生操作命令，并根据所述模拟手术规划结果信息和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块40运行。

所述手术规划工作站模拟模块20用于接收手术规划信息，包括但不限于靶点位置信息、手术机器人系统参数等信息。

所述手术规划结果，包括但不限于机械臂行进路径、机械臂摆位构型等信息。

所述实施模拟模块40用于对包括手术机器人的手术器械和待手术部位建模，形成场景模型。所述实施模拟模块40用于根据所述任务调度模块50的命令模拟手术机器人机械臂行进、模拟手术部位操作和模拟碰撞检测等操作。

所述医生操作命令包括：踩踏控制踏板动作等、拖动机械臂动作命令或调整手术刀具命令等。

所述实施模拟模块40用于对包括手术机器人的手术器械和待手术部位建模，形成场景模型。所述手术机器人的手术器械包括刀具、手术夹具、操作台、机械臂、工作台或控制工作站120等。

本申请实施例提供的所述手术机器人仿真系统10中所述模式控制模块80接收外部模式控制指令，并根据所述外部模式控制指令对所述任务调度模块50进行控制，使得所述手术机器人仿真系统10模拟所述手术规划工作站、控制工作站或机械臂中的至少一个组件的工作情况或全部组件的工作情况。当缺少手术规划工作站、控制工作站或手术机器人任意组件时，所述手术机器人仿真系统10都能完成模拟工作。

所述手术机器人仿真系统10包含了场景模型算法、模拟手术规划路径算法或碰撞检测算法等相关算法。所述手术机器人仿真系统10还可用于检测算法的准确性，以便对相关算法进行改进，以提高手术机器人操作的准确性。

所述模式控制指令包含全系统仿真模式和/或至少一种部分系统仿真模式。

优选的，所述模式控制指令包含三种模式，分别为第一模式、第二模式和第三模式。

在一个实施例中，所述模式控制模块80在所述模式控制指令为所述全系统仿真模式时，控制所述任务调度模块50接收所述医生操作命令和所述手术规划工作站模拟模块20生成的所述模拟手术规划结果信息，并控制所述实施模拟模块40运行。所述手术机器人仿真系统10处于第一模式。所述全系统仿真模式即为所述第一模式。

在一个实施例中，在所述第一模式中，所述模式控制模块80还用于控制所述任务调度模块50接收医生模拟模块30生成模拟医生操作命令和所述手术规划工作站模拟模块20生成的所述模拟手术规划结果信息，并控制所述实施模拟模块40运行。

在一个实施例中，所述模式控制模块80在所述模式控制指令为所述部分系统仿真模式时，控制所述任务调度模块50接收所述医生操作命令和外部的手术规划工作站110生成的手术规划结果信息，并控制所述实施模拟模块40运行。

当所述手术机器人仿真系统10与所述手术规划工作站110连接，所述手术规划工作站模拟模块20不参与模拟工作。所述手术机器人仿真系统10处于第二模式。

在一个实施例中，在所述第二模式中，所述模式控制模块80还用于控制所述任务调度模块50接收所述医生模拟模块30生成模拟医生操作命令和外部的手术规划工作站110生成的手术规划结果信息，并控制所述实施模拟模块40运行。

在一个实施例中，所述模式控制模块80在所述模式控制指令为所述部分系统仿真模式时，控制所述任务调度模块50接收所述医生操作命令和控制工作站120输出的控制命令，并根据所述控制命令和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块40运行。

当所述手术机器人仿真系统10与所述控制工作站120连接，所述手术规划工作站模拟模块20不参与模拟工作。所述手术机器人仿真系统10处于第三模式。

在一个实施例中，在所述第三模式中，所述模式控制模块80还用于控制所述任务调度模块50接收所述医生模拟模块30生成的模拟医生操作命令和所述控制工作站120输出的控制命令，并控制所述实施模拟模块40运行。

请一并参见图2，在一个实施例中，所述任务调度模块50还包括机械臂命令接收子模块510、医生命令接收子模块530和调度子模块520。所述机械臂命令接收子模块510用于接收所述控制命令。所述医生命令接收子模块530用于接收所述医生操作命令。所述调度子模块520分别与所述调度子模块520、所述医生命令接收子模块530和所述实施模拟模块40连接。所述调度子模块520用于接收所述控制命令和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块40运行。

当所述手术机器人仿真系统10与所述控制工作站120连接时，所述机械臂命令接收子模块70用于与控制工作站120和所述实施模拟模块40连接。所述手术机器人仿真系统10处于第三模式。所述机械臂命令接收子模块70用于接收所述控制工作站120输出的运动命令,并进行解析。所述实施模拟模块40接受所述调度子模块520的调度。所述实施模拟模块40用于根据解析后的所述运动命令模拟手术机器人机械臂行进、模拟手术部位操作和模拟碰撞检测。

在一个实施例中，所述手术机器人仿真系统10还包括医生模拟模块30。所述医生模拟模块30用于生成模拟医生操作命令。所述医生命令接收子模块530还用于接收所述模拟医生操作命令，并发送给所述调度子模块520。

所述医生模拟模块30用于接收操作命令。所述操作命令可以为踩踏控制踏板动作等、拖动机械臂动作命令或调整手术刀具命令等。

所述手术机器人仿真系统10通过所述模式控制装置80，实现工作模式的切换。所述模式控制装置80不仅用于接收外部的所述模式控制指令，还用于控制所述手术规划工作站模拟模块20、所述医生模拟模块30和所述任务调度模块50及其子模块的运行状态。

在一个实施例中，所述实施模拟模块40还包括刚体控制模块410。所述刚体控制模块410与所述任务调度模块50连接。所述刚体控制模块410用于实现机械臂动作模拟仿真。

所述刚体控制模块410用于对包括手术机器人的机械臂、手术器械和待手术部位中的刚体进行建模和模拟操作。

待手术部位中的刚体包括骨骼或假体结构等。对待手术部位中的刚体进行模拟操作包括模拟骨骼切削、移位或植入假体等。模拟操作时，所述显示模块60能够实时显示整个模拟操作的过程、相关器件的位置和相关器件的形状。

所述刚体控制模块410中包含刚体模型算法。通过所述手术机器人仿真系统10可以检测所述刚体模型算法的准确性，以便研发人员对所述刚体模型算法进行改进。

在一个实施例中，所述实施模拟模块40还包括仿真规划模块430、软组织控制模块420或外围设备控制模块440中的至少一种模块。所述仿真规划模块430用于与所述任务调度模块50连接。所述仿真规划模块430用于对所述模拟手术规划结果信息进行二次规划，获得机械臂规划运动轨迹结果。所述软组织控制模块420与所述任务调度模块50连接。所述软组织控制模块420用于对手术部位中的影像进行模拟仿真。所述外围设备控制模块440与所述任务调度模块50和外围设备连接。

所述软组织控制模块420用于对待手术部位中的软组织进行建模和模拟操作。所述软组织控制模块420中包含软组织模型算法。通过所述手术机器人仿真系统10可以检测所述软组织模型算法的准确性，以便研发人员对所述软组织模型算法进行改进。

在一个实施例中，所述手术规划工作站110会输出规划路径。规划路径包含多个关键位置控制点。所述仿真规划模块430用于对相邻的两个关键位置控制点之间的路径进行二次规划，以模拟机械臂的具体运动路径。

所述仿真规划模块430包含模拟手术规划路径算法或碰撞检测算法，通过所述手术机器人仿真系统10可以检测所述模拟手术规划路径算法或碰撞检测算法的准确性，以便研发人员对所述模拟手术规划路径算法或碰撞检测算法进行改进。

在现有的技术中，所述手术规划工作站110与所述控制工作站120连接。所述控制工作站120与手术机器人连接。所述手术规划工作站110接收手术规划信息，并生成手术规划结果信息。所述控制工作站120接收手术规划结果信息，再根据手术规划结果信息向手术机器人发送控制命令。

在一个实施例中，所述的手术机器人仿真系统10还包括显示模块60。所述显示模块60与所述实施模拟模块40连接。所述显示模块60用于显示包含手术机器人的场景影像及手术过程影像。

所述显示模块60显示出来的可以是图片，也可以是影像。所述显示模块60包括显示屏、显示器、显示器件或显示电路等。

所述显示模块60可以与所述手术规划工作站模拟模块20、所述医生模拟模块30、所述实施模拟模块40和所述任务调度模块50中的一个或几个固定在一起，也可以独立设置。

所述场景模型随场景中器件位置和形状的改变而改变。所述场景模型中所述手术机器人机械臂的行进轨迹随模拟手术的进行不断发生变化。

通过所述显示模块60，应用人员可以及时了解模拟的手术进度和手术效果。

所述显示模块60也可以显示设置的参数、手术部位的参数或模拟机械运动的参数等。

所述参数包括所述靶点位置信息、所述模拟靶点位置信息或所述模拟操作命令等。

所述显示模块60包括多个显示单元。不同的显示单元显示不同的内容。不同显示单元显示的内容可以互换。

本申请实施例提供一种所述手术机器人仿真系统10的控制方法：

请一并参见图3，在所述模式控制指令为开启第一模式时，所述模式控制装置80用于控制所述机械臂命令接收子模块70关闭，且控制所述手术规划工作站模拟模块20、所述医生模拟模块30、所述调度子模块520和所述医生命令接收子模块530运行。

请一并参见图4，在所述模式控制指令为开启第二模式时，所述模式控制装置80控制所述机械臂命令接收子模块70和所述手术规划工作站模拟模块20关闭，且控制所述医生模拟模块30、所述调度子模块520和所述医生命令接收子模块530运行。此时所述手术规划工作站110与所述调度子模块520连接。

请一并参见图5，在所述模式控制指令为开启第三模式时，所述模式控制装置80控制所述手术规划工作站模拟模块20关闭，且控制所述机械臂命令接收子模块70、所述医生模拟模块30、所述调度子模块520和所述医生命令接收子模块530运行。此时所述控制工作站120与所述机械臂命令接收子模块70连接。

当所述手术机器人仿真系统10与不同的手术组件连接时，所述手术机器人仿真系统10的控制方法通过调节开启第三模式均能完成模拟工作。

在一个实施例中，当所述模式控制指令为开启第一模式时，所述模式控制装置80控制所述机械臂命令接收子模块70关闭之前还包括：

所述模式控制装置80查看所述机械臂命令接收子模块70的运行状态。如果所述机械臂命令接收子模块70的运行状态正常，则所述模式控制装置80向所述机械臂命令接收子模块70发送停止运行命令。

所述机械臂命令接收子模块70收到所述停止运行命令后，完成当前正在运行的任务，并反馈正常停止信息给所述模式控制装置80。

所述模式控制装置80收到所述正常停止信息后，所述模式控制装置80控制所述机械臂命令接收子模块70关闭，且控制所述手术规划工作站模拟模块20和所述医生模拟模块30运行。

如果所述机械臂命令接收子模块70运行状态异常，则所述模式控制装置80直接启动所述手术规划工作站模拟模块20和所述医生模拟模块30。

上述实施例避免了模拟机械臂运动时，控制指令的紊乱。

以上所述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，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。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)

1.一种手术机器人仿真系统，其特征在于，包括：

手术规划工作站模拟模块，用于接收手术规划信息，并生成模拟手术规划结果信息；

实施模拟模块，用于对手术机器人手术过程进行模拟仿真；

任务调度模块，分别与所述手术规划工作站模拟模块和所述实施模拟模块连接；

模式控制模块，分别与所述手术规划工作站模拟模块和所述任务调度模块连接，所述模式控制模块用于接收外部模式控制指令，并根据所述外部模式控制指令选择手术机器人仿真模式；所述手术机器人仿真模式包括全系统仿真模式以及至少一种部分系统仿真模式；

所述任务调度模块用于接收所述模拟手术规划结果信息和医生操作命令，并根据所述模拟手术规划结果信息和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块运行。

2.如权利要求1所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，所述模式控制模块在所述模式控制指令为所述全系统仿真模式时，控制所述任务调度模块接收所述手术规划工作站模拟模块生成的所述模拟手术规划结果信息以及医生操作命令，并控制所述实施模拟模块运行。

3.如权利要求1所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，所述模式控制模块用于在所述模式控制指令为所述部分系统仿真模式时，控制所述任务调度模块接收所述医生操作命令和外部手术规划工作站生成的手术规划结果信息，控制所述实施模拟模块运行。

4.如权利要求1所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，所述模式控制模块用于在所述模式控制指令为所述部分系统仿真模式时，控制所述任务调度模块接收所述医生操作命令和控制工作站输出的控制命令，然后根据所述控制命令和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块运行。

5.如权利要求4所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，所述任务调度模块还包括：

机械臂命令接收子模块，用于接收所述控制命令；

医生命令接收子模块，用于接收所述医生操作命令；

调度子模块，分别与所述调度子模块、所述医生命令接收子模块和所述实施模拟模块连接，所述调度子模块用于接收所述控制命令和所述医生操作命令控制所述实施模拟模块运行。

6.如权利要求5所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，还包括

医生模拟模块，用于生成模拟医生操作命令；

所述医生命令接收子模块还用于接收所述模拟医生操作命令，并发送给所述调度子模块。

7.如权利要求1所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，所述实施模拟模块还包括：

刚体控制模块，与所述任务调度模块连接，所述刚体控制模块用于实现机械臂动作模拟仿真。

8.如权利要求7所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，所述实施模拟模块还包括以下至少一种模块：

仿真规划模块，用于与所述任务调度模块连接，所述仿真规划模块用于对所述模拟手术规划结果信息进行二次规划，获得机械臂规划运动轨迹结果；

软组织控制模块，与所述任务调度模块连接，所述软组织控制模块用于对手术部位中的影像进行模拟仿真；

外围设备控制模块，与所述任务调度模块和外围设备连接。

9.如权利要求1所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，还包括：

显示模块，与所述实施模拟模块连接，所述显示模块用于显示包含手术机器人的场景影像及手术过程影像。

10.如权利要求1所述的手术机器人仿真系统，其特征在于，所述模式控制模块选择开启其他一种或多种系统模块。

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