CN112336433A - 用于指示手术器械作用位置的装置、使用方法及标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于指示手术器械作用位置的装置、使用方法及标定方法，采用两个激光器发出的面激光的交线经过手术器械，两个面激光与患者体表分别形成两条交线，这两个交线的交点指示手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；监控模块采集的图像覆盖手术器械下端以及沿当前方向操作在患者体表的作用位置，显示模块显示图像并形成标尺，便于操作者观察作用点与患者体表的距离，和与目标点的相对位置。本发明可以精确地判断出穿刺手术器械末端在患者体表的作用位置，根据该作用位置与目标作用位置之间的相对位置关系，可以很清晰地获知机器人的运动方向，从而快速地操作机器人到达目标作用位置，极大地加快了手术进程，减少了手术时间，提高了远程操作的安全性。

Description

用于指示手术器械作用位置的装置、使用方法及标定方法
技术领域
本发明涉及穿刺手术机器人技术领域，尤其涉及一种用于指示手术器械作用位置的装置、使用方法及标定方法。
背景技术
经皮穿刺手术是医生把穿刺手术器械(活检针、介入治疗针等)从患者体表穿入，直接穿刺到患者体内的病灶靶点，从而可以进行活检采样、消融手术等微创介入检查和治疗。为了实现精准、安全的经皮穿刺，越来越多的穿刺辅助机械或者机器人系统被发明出来。主从式机器人是通过主端控制来操控从端机器人或者机械臂运动的机器人，通常来说，主端与从端之间相隔一定的距离或者不在同一室内，这就使得一些在危险环境下的机器人操作成为可能。
为了实现安全的经皮穿刺手术，通常会借助医学影像。在影像的引导下进行穿刺，可以避免穿到重要的组织器官以及精准的穿刺到病灶。为了获得实时的影像来引导穿刺，一种方法是采用CT透视实时引导的方法，这种方法可以在穿刺过程中实时观察CT透视影像中穿刺手术器械的位置以及与正常组织、病灶之间的空间位置关系，从而调整穿刺方向，准确地穿刺到病灶位置。
CT透视引导的主从式穿刺手术机器人是医生在主端通过操控装置来控制从端机器人或者机械臂的运动，机械臂末端夹持穿刺手术器械来完成手术。这样可以获得实时的CT影像来引导穿刺过程，具有很高的安全性和精准性，同时又能避免医生遭受CT扫描的辐射风险，是一种高效安全的穿刺手术机器人系统。但是，主端和从端通常相隔一定的距离或者不在同一室内，因此操作者通常也就远离实际的手术位置。如何在主端正确地判断穿刺手术器械与患者体表的相对位置关系，是保证患者安全以及手术操作时间长短的重要影响因素。
为了保证手术的安全性以及指示机器人的运动方向，通常会在从端机器人手术位置周围安装多个监控装置，操作者在主端观察监控视频来判断手术是否安全，以及机器人末端应该往哪个方向运动。这种简单的视频监控，当穿刺手术器械距离患者还有一定距离的时候，操作者不能准确地判断出穿刺手术器械在患者身上的作用位置，以及穿刺手术器械距离患者体表的距离远近，导致在实际手术过程中，会花费较多时间在操控机器人末端的穿刺手术器械对准患者体表的穿刺手术入针点，延长了手术时间，而且在机器人运动过程中，也有误扎到患者体表的危险。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于指示手术器械作用位置的装置、使用方法及标定方法，在主从式机器人操作过程中，准确地判断从端机械臂末端夹持的穿刺手术器械与患者体表目标的位置关系，从而可以安全地引导机械臂的运动，使得从端机械臂可以带动穿刺手术器械快速、安全地运动到指定位置。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于指示手术器械作用位置的装置，包括第一激光器、第二激光器、监控模块以及显示模块；
所述第一激光器与所述第二激光器发射的面激光的交线经过手术器械，所述第一激光器与所述第二激光器发射的面激光与患者体表形成两条交线，所述交线的交点指示手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；所述监控模块采集的图像覆盖手术器械下端以及沿当前方向操作在患者体表的作用位置，将采集的图像发送给所述显示模块显示。
进一步地，所述显示模块在所述图像中显示沿手术器械长度方向的距离指示标尺。
进一步地，所述距离指示标尺通过标定确定位置和刻度。
进一步地，所述第一激光器、第二激光器以及监控模块与手术器械的相对位置固定。
进一步地，所述第一激光器、第二激光器以及监控模块通过装夹装置固定至手术器械夹持装置；所述手术器械固定至手术器械夹持装置末端。
进一步地，所述第一激光器和第二激光器一体设置或独立设置，能够调整相对于手术器械夹持装置的倾角，并能够锁定至倾角位置；所述监控模块能够调整倾角进而调整拍摄范围，并锁定拍摄位置。
本发明第二方面提供一种所述的用于指示手术器械作用位置的装置进行标定的方法，包括：
紧贴手术器械沿手术器械长度方向放置标定板；所述标定板沿手术器械长度方向上的设置均匀的标定间隔；确定标定板在监控图像上的沿手术器械方向上完全覆盖图像
所述监控模块拍摄标定图像，覆盖所述标定板及手术器械；标定间隔在手术器械方向上覆盖图片全部范围；
所述显示模块识别所述标定间隔沿手术器械长度方向上的边缘像素位置及垂直所述长度方向上的手术器械所在像素位置，在手术器械所在像素位置，沿手术器械长度方向根据标定间隔的高度形成标尺格，形成距离指示标尺。
进一步地，监控模块与手术器械的相对位置变化后重新进行标定。
进一步地，所述标定间隔为标定格或沿手术器械长度方向上的设置均匀的标定条。
本发明第三方面提供一种所述的用于指示手术器械作用位置的装置的使用方法，包括：
调整所述第一激光器与所述第二激光器的位置和发射的面激光的方向，使得面激光的交线经过手术器械，交线与患者体表形成交点；并锁定所述第一激光器与第二激光器；
调整所述监控模块的位置与拍摄范围，使得采集的图像覆盖手术器械下端以及沿手术器械方向上的一段距离；锁定监控模块；
紧贴手术器械沿手术器械长度方向放置标定板，确定标定板在监控图像上的沿手术器械方向上完全覆盖图像；
采集标定板的图像，形成距离指示标尺；
所述第一激光器与所述第二激光器发射激光，指示手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；
在图像中显示沿手术器械长度方向的距离指示标尺；
操作者根据所述图像判断手术器械末端距离患者体表的距离；操作者根据显示装置观察图像，观察患者体表标记的目标穿刺进针点，操作手术器械，以使所述交点与目标穿刺进针点重合。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
(1)本发明可以精确地判断出穿刺手术器械末端在患者体表的作用位置，根据该作用位置与目标作用位置之间的相对位置关系，可以很清晰地获知机器人的运动方向，从而快速地操作机器人到达目标作用位置，极大地加快了手术进程，减少了手术时间。
(2)通过显示标尺可精确判断出穿刺手术器械末端距离患者体表的距离，获取方式直观便捷，提高在机器人操作过程中的安全性。
附图说明
图1是激光引导装置一个实施例中的组成示意图；
图2为监控显示图像；
图3为距离标尺标定；其中A为前向视图，B为后向视图；
图4为距离指示标尺标定板示意图；
图5为距离指示标尺标定过程，其中A为拍摄标定板示意图，B为识别边缘像素位置示意图，C为标定标尺格示意图。
图6为激光引导装置又一实施例中的组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提出了一种用于指示穿刺手术器械作用位置的装置，一种实施方式参见图1，包括第一激光器1、第二激光器2、监控相机3、显示装置4。
第一激光器1、第二激光器2、监控相机3固定在机器人末端5，与同样固定在机器人末端的穿刺手术器械6的位置相对固定。
第一激光器1发射出的面激光7与末端夹持的穿刺手术器械6重合，使得穿刺手术器械6完全位于面激光7内，第二激光器2与第一激光器1成一定角度，同样发射出的面激光8与末端夹持的穿刺手术器械6重合，使得穿刺手术器械6完全位于面激光8内。
第一激光器1发射的面激光7与患者体表13的交线9与第二激光器2发射的面激光8与患者体表13的交线10形成的交点11，即为穿刺手术器械6在沿穿刺手术器械方向上在患者体表13的作用位置。
监控相机3与第一激光器1、第二激光器2的位置相对固定，并且能够观察到穿刺手术器械6、第一激光器1发射的面激光7与患者体表13的交线9、第二激光器2发射的面激光8与患者体表13的交线10，交线9与交线10的交点11，以及医生在患者体表13上画出的目标穿刺进针点12。
图2是监控相机在显示装置上的监控显示图像。激光线201为第一激光器1发射的面激光7与患者体表13的交线、激光线202为第二激光器2发射的面激光8与患者体表13的交线，交线201与交线202的交点203为穿刺手术器械205沿穿刺手术器械方向上在患者体表的作用位置。十字标志204为医生事先标出的穿刺进针点，在显示图像上可以判断出穿刺手术器械作用位置203与十字标志204之间的相对位置关系，从而可以指导机械臂的运动方向。
监控显示图像上沿穿刺手术器械方向上标有一个距离指示标尺206，每一个格为一个单位距离，在显示图像上可以看到穿刺手术器械末端205与患者体表交点203之间的标尺格数，据此判断出穿刺手术器械末端205与患者体表作用位置203之间的距离。
第一激光器1、第二激光器2、监控模块3的设置位置满足能够和手术器械的位置相对固定即可，该固定方式不应当理解为对本发明的限制。例如可以固定在同一部件上，一起移动。
在一个实施例中，如图1所示，第一激光器1、第二激光器2以及监控模块3通过装夹装置固定至手术器械夹持装置；手术器械6固定至手术器械夹持装置末端。所述第一激光器和第二激光器一体设置，能够调整相对于手术器械夹持装置的倾角，并能够锁定至倾角位置，使激光的交线位于手术器械的适当位置；监控模块3能够调整倾角进而调整拍摄范围，并锁定拍摄位置。监控模块3的拍摄范围不宜过小，应当能够覆盖手术器械6的大部分，交点11、标记的十字标志204。优选的显示模块可以调整显示的图像位置，调整放大倍数，便于操作者观察。
在另一实施例中，如图6所示，第一激光器2-1、第二激光器2-2可以单独设置，独立调节，二者的发光方向可以单独调节。通过支架2-6固定至手术器械夹持装置，手术器械夹持装置固定至机器人末端2-5。第一激光器2-1可以旋转调整以及调整俯仰方向的调整面激光的方向。第二激光器2-2可以调整倾角。监控模块2-3固定至支架2-6，能够调整拍摄角度。
提供一种监控显示图像距离指示标尺的标定方法，包括如下步骤：
距离指示标尺标定板为一个水平的平板，如图4所示，平板上沿一个方向布满平行的深浅相间的标定条纹理401，每个条的宽度相等，等于单位距离，垂直标定条纹理有一条直线器械位置对准线402，指示垂直标定条纹理的方向。
(1)把距离指示标尺标定板301沿穿刺手术器械方向放置，使得穿刺手术器械302完全贴在标定板上，并且穿刺手术器械的方向与器械位置对准线402一致，如图3所示。
(2)使用监控相机拍摄一张图片，使得标定条纹理401在穿刺手术器械方向上覆盖图片全部范围，如图5-A。
(3)运用图像算法识别出标定条纹理401在穿刺手术器械方向上的边缘像素位置Y1、Y2、Y3、…、Yn。运用图像算法识别出穿刺手术器械所在的像素位置Xc。如图5-B所示。
(4)已知图像固定像素高度为Ymax,在图像上从(Xc，0)到(Xc,Ymax)画出标尺，并在(Xc,Y1)、(Xc,Y2)、…、(Xc，Yn)像素位置标出标尺格。每一个标尺格即指示标定板标定条纹理的距离，如图5-C所示。
本领域技术人员能够理解，标定板只需在水平方向上的固定距离的标定间隔，因此标定条可以替换为标定格，例如采用黑白格进行标定。
因为监控相机与穿刺手术器械的位置相对固定，所以该距离指示标尺的标定方法只需标定一次，后续使用时直接在图像上画出距离指示标尺即可。
进一步地，监控模块与手术器械的相对位置变化后重新进行标定。
提供一种所述的用于指示手术器械作用位置的装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)调整所述第一激光器与所述第二激光器的位置和发射的面激光的方向，使得面激光的交线经过手术器械，交线与患者体表形成交点；并锁定所述第一激光器与第二激光器；
(2)调整所述监控模块的位置与拍摄范围，使得采集的图像覆盖手术器械下端以沿手术器械方向上的一段距离；锁定监控模块；
(3)紧贴手术器械后方沿手术器械长度方向放置标定板，调整所述监控模块的拍摄范围，确定标定板在监控图像上的沿手术器械方向上完全覆盖图像；
(4)采集标定板的图像，形成距离指示标尺；
所述第一激光器与所述第二激光器发射激光，指示手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；
(5)操作者根据所述图像判断手术器械末端距离患者体表的距离；操作者根据显示装置观察图像，观察患者体表标记的目标穿刺进针点，操作手术器械，以使所述交点与目标穿刺进针点重合。
综上所述，本发明涉及一种用于指示手术器械作用位置的装置、使用方法及标定方法，采用两个激光器发出的面激光的交线经过手术器械，两个面激光与患者体表分别形成两条交线，这两个交线的交点指示手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；监控模块采集的图像覆盖手术器械下端以及沿当前方向操作在患者体表的作用位置，显示模块显示图像并形成标尺，便于操作者观察作用点与患者体表的距离，和与目标点的相对位置。本发明可以精确地判断出穿刺手术器械末端在患者体表的作用位置，根据该作用位置与目标作用位置之间的相对位置关系，可以很清晰地获知机器人的运动方向，从而快速地操作机器人到达目标作用位置，极大地加快了手术进程，减少了手术时间，提高了远程操作的安全性。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种用于指示手术器械作用位置的装置，其特征在于，包括第一激光器、第二激光器、监控模块以及显示模块；
所述第一激光器与所述第二激光器发射的面激光的交线经过手术器械，所述第一激光器与所述第二激光器发射的面激光与患者体表形成两条交线，所述交线的交点指示手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；所述监控模块采集的图像覆盖手术器械下端以及沿当前方向操作在患者体表的作用位置，将采集的图像发送给所述显示模块显示。
2.根据权利要求1所述的用于指示手术器械作用位置的装置，其特征在于，所述显示模块在所述图像中显示沿手术器械长度方向的距离指示标尺。
3.根据权利要求2所述的用于指示手术器械作用位置的装置，其特征在于，所述距离指示标尺通过标定确定位置和刻度。
4.根据权利要求1或2所述的用于指示手术器械作用位置的装置，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器以及监控模块与手术器械的相对位置固定。
5.根据权利要求4所述的用于指示手术器械作用位置的装置，其特征在于，所述第一激光器、第二激光器以及监控模块通过装夹装置固定至手术器械夹持装置；所述手术器械固定至手术器械夹持装置末端。
6.根据权利要求5所述的用于指示手术器械作用位置的装置，其特征在于，所述第一激光器和第二激光器一体设置或独立设置，能够调整相对于手术器械夹持装置的倾角，并能够锁定至倾角位置；所述监控模块能够调整倾角进而调整拍摄范围，并锁定拍摄位置。
7.一种权利要求1-6之一所述的用于指示手术器械作用位置的装置进行标定的方法，其特征在于，包括：
紧贴手术器械沿手术器械长度方向放置标定板；所述标定板沿手术器械长度方向上的设置均匀的标定间隔；确定标定板在监控图像上的沿手术器械方向上完全覆盖图像
所述监控模块拍摄标定图像，覆盖所述标定板及手术器械；标定间隔在手术器械方向上覆盖图片全部范围；
所述显示模块识别所述标定间隔沿手术器械长度方向上的边缘像素位置及垂直所述长度方向上的手术器械所在像素位置，在手术器械所在像素位置，沿手术器械长度方向根据标定间隔的高度形成标尺格，形成距离指示标尺。
8.根据权利要求7所述的进行标定的方法，其特征在于，监控模块与手术器械的相对位置变化后重新进行标定。
9.根据权利要求7所述的进行标定的方法，其特征在于，所述标定间隔为标定格或沿手术器械长度方向上的设置均匀的标定条。
10.一种权利要求1-6之一所述的用于指示手术器械作用位置的装置的使用方法，其特征在于，包括：
调整所述第一激光器与所述第二激光器的位置和发射的面激光的方向，使得面激光的交线经过手术器械，交线与患者体表形成交点；并锁定所述第一激光器与第二激光器；
调整所述监控模块的位置与拍摄范围，使得采集的图像覆盖手术器械下端以及沿手术器械方向上的一段距离；锁定监控模块；
紧贴手术器械沿手术器械长度方向放置标定板，确定标定板在监控图像上的沿手术器械方向上完全覆盖图像；
采集标定板的图像，形成距离指示标尺；
所述第一激光器与所述第二激光器发射激光，指示手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；
在图像中显示沿手术器械长度方向的距离指示标尺；
操作者根据所述图像判断手术器械末端距离患者体表的距离；操作者根据显示装置观察图像，观察患者体表标记的目标穿刺进针点，操作手术器械，以使所述交点与目标穿刺进针点重合。
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