CN112294456B - 一种外科手术用智能支撑装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种外科手术用智能支撑装置，涉及手术器械技术领域，其包括用于采集小臂姿态数据的手臂姿态检测模块，用于与小臂紧密连接来支承小臂并跟随小臂移动的臂托组件，用于将臂托组件与工作台连接并支撑臂托的支承组件，设置于支承组件中且用于让臂托组件跟随小臂的姿态移动而对小臂实现动态支撑的姿态跟随模块，设置于臂托组件中且用于实时检测小臂的动作的小臂动作检测模块，用于结合姿态跟随模块对小臂的异常动作进行消减的异常动作消减模块，以及中央处理器。解决了现有技术中医生在进行外科手术时肘腕部容易疲劳以及抖动幅度过大影响手术效果和安全的问题。
Description
技术领域
本发明涉及手术器械技术领域，特别是涉及一种外科手术用智能支撑装置。
背景技术
外科手术俗称开刀，指透过外科设备或外科仪器，经外科医师或其他专业人员的操作下，进入人体或其他生物组织，以外力方式排除病变、改变构造或植入外来物的处理过程。外科手术的特点是操作较为精细化，手术时间较长，如脊柱外科、神经外科、心脏外科等手术对主刀医生的技术、体力和精力都是巨大的挑战。
现有临床外科手术过程中，由于缺少对手术医生的肘部、腕部等部位进行机械支撑的机构，医生在做精细操作的过程中往往需要左手为右手提供稳定的支撑来保证手术效果，但依靠左手支撑不利于手术中左手进行其他手术操作，极大地减慢了工作效率，加重了手术医师的负担，导致主刀医生更容易疲劳，不利于手术安全。医生的手部稳定对手术的影响极大，比如在颈椎手术中的松解神经、椎管减压的时候，轻微晃动就容易损伤神经脊髓；在神经外科手术过程中，需要对神经、血管以及脑组织进行精确化操作，手部稍微晃动就会造成血管、神经以及脑组织的损伤；在血管外科手术中，常常会对较为重要的血管进行血管吻合操作，对手部稳定性的要求也非常高；另外，在一些需要使用机器进行操作时，比如磨钻的时候，由于机器本身有抖动，做精细的操作对医生的考验更大。
医生手臂的震颤使定位精度和稳定性不高会严重影响手术效果，可能会导致患者在术后出现一系列的并发症，如移植物并发症(内植物移位、螺钉松动、钢板脱落、钢板断裂等)、脊髓神经损伤、吞咽困难、C5瘫痪、脑脊液漏、血管损伤等。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种外科手术用智能支撑装置，能够在手术中对医生的肘部、腕部进行机械支撑，并通过智能化地感知医生肘腕部的运动情况自动进行相应的动作，以缓解医生肘腕部的疲劳，限制医生肘腕部过大的抖动，提高了手术操作的精细化要求，保证了手术质量。解决了现有技术中医生在进行外科手术时肘腕部容易疲劳以及抖动幅度过大影响手术效果的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
提供一种外科手术用智能支撑装置，其包括：
手臂姿态检测模块，用于采集小臂姿态数据；
臂托组件，用于与小臂紧密连接来支承小臂并跟随小臂移动；
支承组件，用于将臂托组件与工作台连接并支撑臂托；
姿态跟随模块，设置于支承组件中，用于让臂托组件跟随小臂的姿态移动而对小臂实现动态支撑；
小臂动作检测模块，设置于臂托组件中，用于实时检测小臂的动作；
异常动作消减模块，用于结合姿态跟随模块对小臂的异常动作进行消减；
自带AD转换模块的中央处理器，用于根据小臂姿态数据控制姿态跟随模块移动，判断小臂的实时动作是否异常，若异常，则控制异常动作消减模块和姿态跟随模块消减小臂的异常动作。
进一步地，臂托组件包括依次枢轴连接的手部托板、小臂托板和肘部托板，手部托板和小臂托板上均设置有绑带。通过肘部托板和手部托板的设置，能够让小臂在小臂托板上的位置更加稳定，避免前后移动，同时手部托板能够对医生腕关节的前端进行支撑，使医生更容易控制手部操作的精准度，同时进一步减缓手部的疲劳。
进一步地，手部托板与小臂托板之间设置有转动器和角度调节器，肘部托板与小臂托板之间设置有角度调节器。转动器的设置使得手部托板适时调整支撑角度，为医生的手部提供更好的支撑；手部托板与小臂托板之间设置的角度调节器能够在不需要手部托板支撑的情况下，将手部托板调整到不干涉手部动作的位置；小臂托板与肘部托板之间的角度调节器能够让肘部托板可以根据大臂与小臂之间的实际角度进行调整，提高肘部托板支撑的有效性。
进一步地，支承组件包括连接板以及将连接板与小臂托板枢轴连接的连杆，姿态跟随模块为连接于连杆上的三自由度控制机构。
进一步地，三自由度控制机构包括旋转座，旋转座与连杆的一端枢轴连接，连杆的另一端与小臂托板的后端枢轴连接，连杆的中部枢轴连接有第一气缸和第二气缸，第一气缸的另一端枢轴连接于旋转座上，第二气缸的另一端枢轴连接于小臂托板的中部。
进一步地，姿态跟随模块上连接有锁止开关。在术者需要长时间保持同一个姿势进行手术的时候，通过锁止开关可以将姿态跟随模块关闭，使臂托组件处于一个完全固定、静止的状态，为术者提供一个固定的支撑。
进一步地，小臂动作检测模块包括安装于小臂托板内且均与中央处理器连接的重力传感器、加速度传感器、应力传感器和水平位移传感器。
进一步地，异常动作消减模块为设置于小臂托板内的阻尼器。
进一步地，手部托板的前端安装有微型摄像头。通过微型摄像头能够采集手术画面，便于开展教学工作或者留作手术资料进行存档。
进一步地，中央处理器上连接有语音控制系统。通过语音控制系统来控制该外科手术用智能支撑装置的动作，使控制更加方便。
本发明的有益效果为：通过臂托组件对医生的小臂进行支撑，能够缓解医生长时间手术造成的疲劳，使得医生的手部可以在不改变当前所处位置的情况下直接放松进行短暂休息，以便于再次手术时医生能够快速找到之前的手术进度，有助于提高手术效率和手术质量。
手臂姿态检测模块将医生小臂的动作实时反馈给中央处理器，通过中央处理器控制姿态跟随模块进行动作跟随，实现动态支撑，避免本智能支撑装置在支撑过程中干扰医生的手术操作。
通过小臂动作检测模块能够实时对医生小臂的动作进行检测，通过中央处理器对检测的动作进行识别，判断出是是有意识的动作还是无意识的因为疲劳等原因引起的抖动，如果识别出是无意识的抖动则控制异常动作消减模块进行抵抗，来缓解抖动对手术造成的不利影响；同时中央处理器能够在检测到手臂异常动作时控制姿态跟随模块进行阻抗运动，提高阻抗的力度和强度，同时还能够对医生的手臂的运动幅度进行限制，防止医生手臂移动到无菌区域以外而增加感染的几率，提高了手术的安全性和可控性。
本智能支撑装置可以提供一个稳定、舒适的手术环境，便于术者的操作，能够降低术者的疲劳程度，提高手术效率，达到良好的手术效果。
附图说明
图1为外科手术用智能支撑装置的结构示意图。
图2为图1中手部托板的端面图。
图3为图1中小臂托板的端面图。
图4为kinect深度摄像头中的坐标原理图。
图5为小臂动作检测模块中的传感器与中央处理器的连接原理图。
其中，1、小臂托板；11、变径弧形槽；2、肘部托板；3、手部托板；31、弧形托槽；4、三自由度控制机构；41、旋转座；42、连杆；43、第一气缸；44、第二气缸；45、连接板；51、第三气缸；52、第四气缸；6、绑带；7、转动器；8、阻尼器；9、kinect深度摄像头。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该提供一种外科手术用智能支撑装置，其包括：
手臂姿态检测模块，用于采集小臂姿态数据；
臂托组件，用于与小臂紧密连接来支承小臂并跟随小臂移动；
支承组件，用于将臂托组件与工作台连接并支撑臂托；
姿态跟随模块，设置于支承组件中，用于让臂托组件跟随小臂的姿态移动而对小臂实现动态支撑；
小臂动作检测模块，设置于臂托组件中，用于实时检测小臂的动作；
异常动作消减模块，用于结合姿态跟随模块对小臂的异常动作进行消减；
自带AD转换模块的中央处理器，用于根据小臂姿态数据控制姿态跟随模块移动，判断小臂的实时动作是否异常，若异常，则控制异常动作消减模块和姿态跟随模块消减小臂的异常动作。
手臂姿态检测模块优选基于kinect的人体动作识别系统，kinect可以直接获取人体的三维坐标，根据人体三维坐标的相对位置关系即可对人体的动作和形态进行准确判断和识别。手臂姿态检测模块包括通过支架支撑在连接板45上的kinect深度摄像头9，kinect深度摄像头9位于臂托组件上方，空间坐标原点为深度摄像头的位置，以kinect深度摄像头9的右侧为X轴正向，以kinect深度摄像头的前侧为Y轴的正向，以kinect深度摄像头9的下侧为Z轴的正向，小臂的肘关节和腕关节为位于空间坐标中的两个关节点，分别为腕关节点和肘关节点。
本实施例中优选采用基于特征的方法来识别小臂的动作，即用一组特征向量来标识这个动作，一旦条件满足这个特征向量，就判定该动作被识别。腕关节点与肘关节点之间的距离是相对于深度摄像头的坐标系来说的，腕关节点的坐标为p1(x1,y1,z1)，肘关节点的坐标为p2(x2,y2,z2)，则该两个关节点之间的距离关系可以用欧式距离公式求得：
该两个关节点之间的夹角可以用余弦公式求得：
a为距离X轴的距离，b为距离Y轴的距离，c为距离Z轴的距离。
定义姿势：定义特征向量pa＝{p1,p2,θτ}，以关节点p1为中心点，关节点p2与X轴上的角度为θ，τ为设定的角度阈值，即τ为理想角度与实际角度的误差，只要不超过这一阈值，都会被判定为同一姿势。
基于kinect硬件的分析系统能够快速地计算分析得到医生小臂的动作幅度，将kinect深度摄像头拍摄到的小臂位置与小臂的初始位置进行对比，并快速通过坐标计算得到小臂的移动距离和角度并将数据输出给中央处理器，中央处理器控制姿态跟随模块进行跟随。
臂托组件包括依次枢轴连接的手部托板3、小臂托板1和肘部托板2，手部托板3和小臂托板1上均设置有绑带6，通过绑带6可以将医生的小臂固定到小臂托板1上以及将手腕部固定到手部托板3上。
如图3所示，小臂托板1上设置有与人体小臂形状对应的变径弧形槽11，绑带6跨接于变径弧形槽11的上方并与变径弧形槽11的两侧连接，多个阻尼器8间隔嵌装于变径弧形槽11的底面上。变径弧形槽11沿长度方向从后端至前端的直径逐渐变小以适应人体小臂由粗变细，变径弧形槽11的两个顶端较薄，具有弹性，通过绑带6扎紧后使小臂托板1人体小臂接触充分。小臂托板1在变径弧形槽11的底端固定有壳体，壳体内为空腔，用于安装重力传感器、加速度传感器、应力传感器、水平位移传感器和阻尼器8。
手部托板3与小臂托板1之间设置有转动器7和角度调节器，转动器7为固定于小臂托板1上的减速马达，手部托板3连接在减速马达的输出轴上，通过控制减速马达的转动角度来控制手部托板3的转动角度。调节小臂托板1与手部托板3之间的夹角的角度调节器为第四气缸52，通过控制第四气缸52中活塞杆的伸长量可以调节手部托板3与小臂托板1之间的夹角。
如图2所示，手部托板3上设置有供邻近腕关节的手掌内侧部位放置的弧形托槽31，弧形托槽31的表面固定有吸汗布层，阻尼器8嵌装于弧形托槽31的底部且位于吸汗布层下方。手部托板3的宽度为1.5厘米～2厘米，壁面与手掌内侧过多面积地支撑影响手部的灵活性。
肘部托板2与小臂托板1之间设置有角度调节器。调节肘部托板2与小臂托板1夹角的角度调节器为第三气缸51，第三气缸51的两端分别枢轴连接于连杆42和肘部托板2上。通过控制第三气缸51中活塞杆的伸长量可以调节肘部托板2与小臂托板1之间的夹角。
支承组件，支承组件包括连接板45以及将连接板45与小臂托板1枢轴连接的连杆42，姿态跟随模块为连接于连杆42上的三自由度控制机构4，中央处理器接收手臂姿态检测模块检测到的小臂移动数据后控制三自由度控制机构4按照移动数据进行移动进行跟随。连接板45优选为法兰，通过法兰方便将本智能支撑装置固定于手术床上或其周围其他支撑装置上。
三自由度控制机构4包括旋转座41，旋转座41与连杆42的一端枢轴连接，连杆42的另一端与小臂托板1的后端枢轴连接，连杆42的中部枢轴连接有第一气缸43和第二气缸44，第一气缸43的另一端枢轴连接于旋转座41上，第二气缸44的另一端枢轴连接于小臂托板1的中部。
连接板45上安装有一个立式电机，立式电机的驱动轴通过减速器减速以后与旋转座41传动连接，旋转座41与连接板45之间安装有降低摩擦力的轴承，通过控制立式电机的转动速度和转动圈数可以控制旋转座41在水平方向的转动角度。旋转座41上设置有角度位移传感器用于实时向中央处理器反馈旋转座41的旋转角度。
连杆42内为空腔，空腔内用于安装整个控制系统的电气元器件。连杆42、小臂托板1和肘部托板2通过同一个枢轴连接。通过控制第一气缸43中活塞杆的伸长量可以调节小臂托板1在竖直方向的高度，通过控制第二气缸44中活塞杆的伸长量可以调节小臂托板1与连杆42之间的夹角从而调节小臂托板1的倾斜角度。
第一气缸43、第二气缸44、第三气缸51和第四气缸52上均设置有检测对应气缸上活塞杆伸长量的活塞杆位移传感器，每个气缸中每根活塞杆的不同长度的数据组合均唯一确定本智能支撑装置一个空间位置，通过各活塞杆位移传感器反馈给中央处理器。
姿态跟随模块上连接有锁止开关，锁止开关为电连接在三自由度控制机构4总线上的按键开关，断开锁止开关，三自由度控制机构4不接收中央处理器的控制信号，使的小臂托板1的位置能够保持以形成对小臂的固定支撑。
小臂动作检测模块包括安装于小臂托板1内且均与中央处理器连接的重力传感器、加速度传感器、应力传感器和水平位移传感器。重力传感器优选型号为GML670的全桥应变式重力传感器，加速度传感器优选型号为AM37825169。应力传感器优选应变片式压力传感器，将应变片嵌装于变径弧形槽11的底面上，通过检测应变片变形引起的电阻值变化来检测压力变化。水平位移传感器优选电子尺式位移传感器，用于实时反馈小臂托板1的水平位移量。各传感器与中央处理器的连接如图5所示。
第一气缸43和第二气缸44中活塞的伸缩长度以及旋转座41的转动角度均设置有阈值，通过阈值限制医生小臂在空间中的运动幅度，当超过阈值便不再跟随而变成阻抗。
异常动作消减模块包括阻尼器8和姿态跟随模块，阻尼器8为液压阻尼器，在小臂动作检测模块检测到医生的手臂动作异常时，比如无意识地抖动，若异常动作幅度小仅为抖动，通过阻尼器8能够对抖动进行消减，若检测到异常动作幅度过大可通过控制姿态跟随模块向手臂动作的反向运动来进行阻抗，提高消减效率和消减效果。
自带AD转换模块的中央处理器，用于根据小臂姿态数据控制姿态跟随模块移动，判断小臂的实时动作是否异常，若异常，则控制异常动作消减模块和姿态跟随模块消减小臂的异常动作。中央处理器优选为STM32F103系列的单片机。
手部托板3的前端安装有微型摄像头。微型摄像头为防抖的近距离高清摄像头，通过微型摄像头能够将手术过程进行拍摄，可供手术教学直播或拷贝后用做手术学习资料。
中央处理器上连接有语音控制系统。使得术者可以通过语音控制本智能支撑装置，不需要手动操作，提高方便性和智能性。语音控制命令优先于所有其他中央处理器上连接的反馈装置。优选将语音控制系统设置于三自由度控制机构4的连杆42的内腔中。
本智能支撑装置的使用原理为：将连接板45固定于手术床上，手术开始后，通过语音控制或者脚踏开关打开本智能支撑装置的总开关，让锁止开关处于打开状态，术者将手臂放入，调整手臂的位置，使本智能支撑装置的支撑不会影响手部操作的灵活性，即手部托板3支撑在腕关节前端的位置不能太靠近手掌侧，调整好手臂的位置后通过绑带6扎紧固定。按下准备就绪按键，手臂姿态检测模块将此时小臂的位置认定为初始位置，手臂姿态检测模块实时将小臂的位置反馈给中央处理器，中央处理器控制姿态跟随模块进行动态跟随，小臂动作检测模块实时检测小臂的动作幅度和频率等数据反馈给中央处理器进行判断，会预先在系统中录入有意识动作的幅度、频率、加速度、应力等数据，当检测到的动作数据没有落入预先录入的范围内时即被判定为无意识的动作，从而控制异常动作消减模块进行消减，借助外力帮助医生控制手臂的异常动作，提高手术的精准度。
Claims (10)
1.一种外科手术用智能支撑装置，其特征在于，包括：
手臂姿态检测模块，用于采集小臂姿态数据；
臂托组件，用于与小臂紧密连接来支承小臂并跟随小臂移动；
支承组件，用于将臂托组件与工作台连接并支撑臂托；
姿态跟随模块，设置于支承组件中，用于让臂托组件跟随小臂的姿态移动而对小臂实现动态支撑；
小臂动作检测模块，设置于臂托组件中，用于实时检测小臂的动作；
异常动作消减模块，用于结合姿态跟随模块对小臂的异常动作进行消减；
自带AD转换模块的中央处理器，用于根据小臂姿态数据控制姿态跟随模块移动，判断小臂的实时动作是否异常，若异常，则控制异常动作消减模块和姿态跟随模块消减小臂的异常动作。
2.根据权利要求1所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述臂托组件包括依次枢轴连接的手部托板(3)、小臂托板(1)和肘部托板(2)，所述手部托板(3)和所述小臂托板(1)上均设置有绑带(6)。
3.根据权利要求2所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述手部托板(3)与所述小臂托板(1)之间设置有转动器(7)和角度调节器，所述肘部托板(2)与所述小臂托板(1)之间设置有角度调节器。
4.根据权利要求2所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述手部托板(3)的前端安装有微型摄像头。
5.根据权利要求1所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述支承组件包括连接板(45)以及将连接板(45)与小臂托板(1)枢轴连接的连杆(42)，所述姿态跟随模块为连接于所述连杆(42)上的三自由度控制机构(4)。
6.根据权利要求4所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述三自由度控制机构(4)包括旋转座(41)，所述旋转座(41)与所述连杆(42)的一端枢轴连接，所述连杆(42)的另一端与小臂托板(1)的后端枢轴连接，所述连杆(42)的中部枢轴连接有第一气缸(43)和第二气缸(44)，所述第一气缸(43)的另一端枢轴连接于所述旋转座(41)上，所述第二气缸(44)的另一端枢轴连接于所述小臂托板(1)的中部。
7.根据权利要求1所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述姿态跟随模块上连接有锁止开关。
8.根据权利要求1所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述小臂动作检测模块包括安装于小臂托板(1)内且均与所述中央处理器连接的重力传感器、加速度传感器、应力传感器和水平位移传感器。
9.根据权利要求1所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述异常动作消减模块为设置于小臂托板(1)内的阻尼器(8)。
10.根据权利要求1所述的外科手术用智能支撑装置，其特征在于，所述中央处理器上连接有语音控制系统。
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