CN114010961A - 一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法 - Google Patents

Abstract

一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法，所述系统包括：三维医学影像生成模块、多波长高功率激光治疗模块、六自由度协作机器人、三维机器视觉模块和主控模块。本申请提供的一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法可以通过三维医学影像生成模块对人体病灶部位进行三维建模，从而规划多波长高功率激光治疗模块的治疗路径，并且根据三维机器视觉模块实时跟踪人体移动，同时实时调整多波长高功率激光治疗模块的运动路径，保证了激光治疗的有效性和安全性。

Description

一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法

技术领域

本发明属于疼痛治疗机器人技术领域，具体涉及一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法。

背景技术

1979年，世界卫生组织(WHO)定义“疼痛”为，组织损伤或潜在组织损伤引起的不愉快感和情感体验。2016年，国际疼痛研究学会补充“疼痛”定义为，疼痛是一种与实际或潜在组织损伤相关，包括感觉、情感、认知和社会成分的痛苦体验。疼痛是人体受到损害或疾病侵袭的信号，是影响生活质量的重要因素，应加以重视，尽早诊断，积极治疗。

2007年，国家卫生部(现更名为国家卫生健康委员会)第227号文件要求全国二级以上公立医院设立疼痛科诊断与治疗科目，这是我国慢性疼痛诊断与治疗的里程碑，实现慢性疼痛诊断与治疗的专业化，有专业的医疗团队和专门的医疗技术对慢性疼痛患者进行诊断与治疗。经过10余年的发展，我国疼痛科的建设突飞猛进，诊断与治疗方法和技术日臻成熟。

理疗指的是用人工或者自然界的物理因素作用人体之后，让人体可以产生有利反应的一种养生方法，这样可以达到预防和治疗疾病效果，也是我们在进行康复治疗的时候非常重要的内容。理疗现在用的比较多的有电疗法、磁疗法、光疗法。光疗法是利用目光以及人工光线，主要是红外线和紫外线，从而达到预防和治疗疾病的效果，对促进机体康复有一定好处，在光疗法中，主要是有红外线疗法、可见光疗法、紫外线疗法、激光疗法等。

光疗法作用生物组织，生物组织吸收激光能量将光能转变成热能的过程称为光热作用。因热反应所致的局部组织效应程度不同而又有热凝固、汽化、穿孔和切割等一系列热效应。影响局部组织热效应强弱的因素很多，但主要因素是激光器功率的高低，受照组织对相应波长的激光能量吸收率的大小和激光持续作用的时间长短。

根据功率和波长，激光可分为几类。3B类激光，称为低能量激光(LLLT)，一般功率小于0.5瓦，这类激光由于功率较低，照射深度和对组织的刺激不深甚至是在表皮，往往效果不太明显；另外一类就是高功率激光(4类激光)，一般功率大于0.5瓦。有效的激光治疗管理是功率和时间的直接函数，因为它与所输送的剂量有关。对患者施用最佳治疗剂量可产生一致的积极结果。4类激光可在更短的时间内为深层结构提供更多能量，从而产生积极的可重复的结果。更高的功率还可以缩短治疗时间，并且可以减轻疼痛症状，这是低功率激光无法实现的。

但是激光同样会产生高热量，如果超过一定的量会让人体组织产生热损伤甚至会烧焦碳化，而且这是不可逆的，所以高能激光在治疗时候必须要不停移动治疗点，以保证治疗效果的同时不产生热量累计而烧伤组织。这样就必须要由医生手持激光辐照头来回移动，一般一次治疗照射时间15-30分钟，医生需要不停做这种重复式的往返机械运动，这样一次治疗完成下来医生的体力劳动量是非常大的。现阶段市面上也有类似机器手臂的方式来解决这个机械往返运动消耗医生体力问题，但是机器手臂设计非常简陋，只有简单的往返运动，没法均匀等距离照射病灶部位，更没法实时跟踪病人在治疗过程中的移动，导致治疗点偏移甚至照射不到病灶部位，达不到治疗目的甚至产生危害。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，包括：

三维医学影像生成模块，用于对人体病灶部位以及周围组织进行三维建模，并生成病变部位的三维坐标库以及病灶三维模型；

多波长高功率激光治疗模块，用于对人体病灶部位进行激光治疗；

六自由度协作机器人，用于控制所述多波长高功率激光治疗模块运动；所述多波长高功率激光治疗模块设置于所述六自由度协作机器人上；

三维机器视觉模块，用于对人体进行实时三维视觉全自动跟踪；所述三维机器视觉模块设置于所述六自由度协作机器人上；

主控模块，用于根据所述三维医学影像生成模块和所述三维机器视觉模块的数据控制所述六自由度协作机器人和所述多波长高功率激光治疗模块工作；所述主控模块分别与所述三维医学影像生成模块、所述多波长高功率激光治疗模块、所述六自由度协作机器人和所述三维机器视觉模块连接。

优选地，所述三维医学影像生成模块包括：医学影像拍摄单元和三维建模单元，其中，所述医学影像拍摄单元和所述三维建模单元分别与所述主控模块连接。

优选地，所述多波长高功率激光治疗模块包括：多波长激光发生单元、光纤和光学辐照头，其中，所述光纤的第一端与所述多波长激光发生单元连接而第二端与所述光学辐照头连接，所述光学辐照头设置于所述六自由度协作机器人的自由端，所述多波长激光发生单元与所述主控模块连接。

优选地，所述多波长激光发生单元包括：第一波长激光器、第二波长激光器和第三波长激光器，其中，所述第一波长激光器、所述第二波长激光器和所述第三波长激光器分别与所述主控模块连接。

优选地，所述六自由度协作机器人包括：机器人控制单元、空心减速器、伺服电机组和机器人关节臂组成，其中，所述空心减速器和所述伺服电机组均设置于所述机器人关节臂中，且分别与所述机器人控制单元连接，所述机器人控制单元与所述主控模块连接。

优选地，所述三维机器视觉模块包括：第一高精度相机和第二高精度相机，其中，所述第一高精度相机和所述第二高精度相机均设置于所述六自由度协作机器人的底座上，且分别与所述主控模块连接。

优选地，所述主控模块包括：控制单元、存储单元和治疗路径规划单元，其中，所述控制单元分别与所述存储单元和所述治疗路径规划单元连接，所述控制单元还与所述三维医学影像生成模块中的医学影像拍摄单元和三维建模单元、所述多波长高功率激光治疗模块中的多波长激光发生单元、所述六自由度协作机器人中的机器人控制单元以及所述三维机器视觉模块中的第一高精度相机和第二高精度相机连接。

优选地，还包括：云端大数据分析和患者管理模块，用于存储患者数据以及治疗方案；所述云端大数据分析和患者管理模块与所述主控模块连接。

优选地，所述云端大数据分析和患者管理模块包括：云端数据库管理单元、大数据处理单元和患者管理单元，其中，所述云端数据库管理单元、所述大数据处理单元和所述患者管理单元分别与所述主控模块中的控制单元和存储单元连接。

本发明还提供了一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统的治疗方法，所述全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统包括如上述中任一所述全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，所述方法包括步骤：

使用三维医学影像生成模块对人体病灶部位以及周围组织进行三维建模，并生成病变部位的三维坐标库以及病灶三维模型；

使用三维机器视觉模块对人体进行实时三维视觉全自动跟踪；

主控模块根据所述三维医学影像生成模块和所述三维机器视觉模块的数据控制六自由度协作机器人沿预设路径运动，以使得多波长高功率激光治疗模块实时保持靠近人体病灶部位状态；

所述主控模块控制所述多波长高功率激光治疗模块产生激光并作用于人体病灶部位。

本发明实施例中的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：本申请提供的一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法可以通过三维医学影像生成模块对人体病灶部位进行三维建模，从而规划多波长高功率激光治疗模块的治疗路径，并且根据三维机器视觉模块实时跟踪人体移动，同时实时调整多波长高功率激光治疗模块的运动路径，保证了激光治疗的有效性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统的示意图；

图2是本发明实施例提供的一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统的部分示意图。

具体实施方式

下文将结合具体实施方式和实施例，具体阐述本发明，本发明的优点和各种效果将由此更加清楚地呈现。本领域技术人员应理解，这些具体实施方式和实施例是用于说明本发明，而非限制本发明。

在整个说明书中，除非另有特别说明，本文使用的术语应理解为如本领域中通常所使用的含义。因此，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的一般理解相同的含义。若存在矛盾，本说明书优先。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等，均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

如图1-2，在本申请实施例中，本发明提供了一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，包括：

三维医学影像生成模块1，用于对人体病灶部位以及周围组织进行三维建模，并生成病变部位的三维坐标库以及病灶三维模型；

多波长高功率激光治疗模块2，用于对人体病灶部位进行激光治疗；

六自由度协作机器人3，用于控制所述多波长高功率激光治疗模块2运动；所述多波长高功率激光治疗模块2设置于所述六自由度协作机器人3上；

三维机器视觉模块4，用于对人体进行实时三维视觉全自动跟踪；所述三维机器视觉模块4设置于所述六自由度协作机器人3上；

主控模块5，用于根据所述三维医学影像生成模块1和所述三维机器视觉模块4的数据控制所述六自由度协作机器人3和所述多波长高功率激光治疗模块2工作；所述主控模块5分别与所述三维医学影像生成模块1、所述多波长高功率激光治疗模块2、所述六自由度协作机器人3和所述三维机器视觉模块4连接。

当使用本申请提供的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统进行激光治疗时，首先使用三维医学影像生成模块1对人体病灶部位以及周围组织进行三维建模，并生成病变部位的三维坐标库以及病灶三维模型，主控模块5根据所述三维医学影像生成模块1的数据可以对六自由度协作机器人3的运动路径进行规划，同时，使用三维机器视觉模块4对人体进行实时三维视觉全自动跟踪，主控模块5根据所述三维机器视觉模块4的数据控制六自由度协作机器人3沿预设路径运动，以使得多波长高功率激光治疗模块2实时保持靠近人体病灶部位状态；然后所述主控模块5控制所述多波长高功率激光治疗模块2产生激光并作用于人体病灶部位。

在本申请实施例中，所述三维医学影像生成模块1包括：医学影像拍摄单元和三维建模单元，其中，所述医学影像拍摄单元和所述三维建模单元分别与所述主控模块5连接。

在本申请实施例中，医学影像拍摄单元对人体进行医学影像拍摄并得到医学影像数据，然后三维建模单元根据医学影像数据进行人体病灶部位的三维建模，并将三维模型发送给主控模块5。具体地，三维医学影像生成模块1可以为CT。

如图1-2，在本申请实施例中，所述多波长高功率激光治疗模块2包括：多波长激光发生单元21、光纤22和光学辐照头23，其中，所述光纤22的第一端与所述多波长激光发生单元21连接而第二端与所述光学辐照头23连接，所述光学辐照头23设置于所述六自由度协作机器人3的自由端，所述多波长激光发生单元21与所述主控模块5连接。

在本申请实施例中，主控模块5控制多波长激光发生单元21发出激光，激光经由光纤22传输至光学辐照头23，然后再经由光学辐照头23作用于人体病灶部位。

在本申请实施例中，所述多波长激光发生单元21包括：第一波长激光器、第二波长激光器和第三波长激光器，其中，所述第一波长激光器、所述第二波长激光器和所述第三波长激光器分别与所述主控模块5连接。

在本申请实施例中，第一波长激光器、第二波长激光器和第三波长激光器可以分别对应发出980nm、905nm、810nm三种波长激光，每种激光最高功率达30瓦特，三种波长的高功率半导体激光可以由主控模块5控制单独出光或者同时输出，三种波长激光器耦合进入同一根光纤22中。

如图1-2，在本申请实施例中，所述六自由度协作机器人3包括：机器人控制单元31、空心减速器32、伺服电机组33和机器人关节臂34组成，其中，所述空心减速器32和所述伺服电机组33均设置于所述机器人关节臂34中，且分别与所述机器人控制单元31连接，所述机器人控制单元31与所述主控模块5连接。

在本申请实施例中，六自由度协作机器人3包括6个空心减速器32、6个伺服电机组33和6个机器人关节臂34，机器人控制单元31用于控制每个机器人关节臂34中各空心减速器32及伺服电机组33的旋转方向和速度。具体地，主控模块5根据三维医学影像生成模块1和三维机器视觉模块4的数据以及六自由度协作机器人3自身的三维坐标而计算出当前各空心减速器32及伺服电机组33的旋转参数，然后进行相应的动作，从而控制六自由度协作机器人3的行动，达到需要的理想位姿。

如图1-2，在本申请实施例中，所述三维机器视觉模块4包括：第一高精度相机41和第二高精度相机42，其中，所述第一高精度相机41和所述第二高精度相机42均设置于所述六自由度协作机器人3的底座上，且分别与所述主控模块5连接。

在本申请实施例中，第一高精度相机41和第二高精度相机42通过拍摄同一位姿的人体进行拍摄，然后判断两个像素点的像素差，通过三角关系来确定人体离各高精度相机的距离，从而生成像素点的三维坐标，完成对人体的实时跟踪定位。

在本申请实施例中，所述主控模块5包括：控制单元、存储单元和治疗路径规划单元，其中，所述控制单元分别与所述存储单元和所述治疗路径规划单元连接，所述控制单元还与所述三维医学影像生成模块1中的医学影像拍摄单元和三维建模单元、所述多波长高功率激光治疗模块2中的多波长激光发生单元、所述六自由度协作机器人3中的机器人控制单元以及所述三维机器视觉模块4中的第一高精度相机和第二高精度相机连接。

在本申请实施例中，存储单元中预先存储有针对不同疼痛的激光治疗方案，控制单元接收三维医学影像生成模块1发送的医学影像模型以及三维机器视觉模块4发送的人体定位坐标，然后结合存储单元中存储的数据以及治疗路径规划单元的路径规划从而输出运动路径给六自由度协作机器人3，使得六自由度协作机器人3能够保证多波长高功率激光治疗模块2实时靠近人体病灶部位，同时还可以控制多波长高功率激光治疗模块2的工作功率。

在本申请实施例中，本发明提供的一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统还包括：云端大数据分析和患者管理模块6，用于存储患者数据以及治疗方案；所述云端大数据分析和患者管理模块6与所述主控模块5连接。

在本申请实施例中，所述云端大数据分析和患者管理模块6包括：云端数据库管理单元、大数据处理单元和患者管理单元，其中，所述云端数据库管理单元、所述大数据处理单元和所述患者管理单元分别与所述主控模块5中的控制单元和存储单元连接。

在本申请实施例中，云端数据库管理单元用于保存患者治理数据；大数据处理单元对众多大数据处理形成对某一种病症的云端治疗方案，供医生选用；患者管理单元可在系统上通过扫码等方式进行登陆，治疗方案及参数保存在云端数据库，当患者在异地登录时候进行治疗的时候，直接调用云端数据库查询治疗方案和参数，保证了治疗的连续性和科学性，同时患者治疗数据进入大数据库管理。

在本申请实施例中，由三维医学影像生成模块1生成的人体病灶及周围三维模型坐标M，六自由度协作机器人3的坐标R，三维机器视觉模块4生成的三维坐标P，整个坐标以六自由度协作机器人3坐标R作为基准参考系；其中三维机器视觉模块4生成的三维坐标P与以六自由度协作机器人3坐标R之间位置相对固定，只有平移关系，坐标M与坐标P之间的坐标存在缩放、旋转和平移关系。其中坐标M与坐标P需要进行人体视觉特征识别。

坐标变换方法如下：

a)坐标平移：

设坐标P内一点坐标(x，y，z)，需要定位到六自由度协作机器人3坐标R中，其中两坐标固定偏差{dx，dy，dz}，则方程表示为：

×＝x+d×

y＝y+dy

z＝z+dz

则坐标映射关系为：

变换矩阵

b)坐标缩放：

设坐标M内一点坐标(x，y，z)，需要映射到三维相机坐标P中，其中两坐标大小偏差{Sx，Sy，Sz}，则方程表示为

x＝x*Sx

y＝y*Sy

z＝z*Sz

则坐标映射关系为：

变换矩阵

c)坐标旋转

设坐标M内一点坐标(x，y，z)，需要定位到三维相机坐标P中，其中两坐标绕XYZ轴旋转{θ，α，β}，则方程表示为：

绕X轴旋转θ度

x＝x

y＝y*cosθ-y*sinθ

z＝z*sinθ+z*cosθ

变换矩阵为：

同理，

则整体旋转变换矩阵

则坐标M到坐标P的坐标变换方程为：

XP＝MTPXM＝TRTSXM+TD(M→P)

坐标P到坐标R的坐标变换方程为：

XR＝PTR+XP＝XP+TD(P→R)

由上得坐标M到坐标R的坐标变换方程为：

XR＝MTPXM++TD＝TRTSXM+TD(P→R)+TD(M→P)

本申请提供的一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统及其治疗方法可以通过三维医学影像生成模块对人体病灶部位进行三维建模，从而规划多波长高功率激光治疗模块的治疗路径，并且根据三维机器视觉模块实时跟踪人体移动，同时实时调整多波长高功率激光治疗模块的运动路径，保证了激光治疗的有效性和安全性。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任

何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

总之，以上所述仅为本发明技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，包括：

三维医学影像生成模块，用于对人体病灶部位以及周围组织进行三维建模，并生成病变部位的三维坐标库以及病灶三维模型；

多波长高功率激光治疗模块，用于对人体病灶部位进行激光治疗；

六自由度协作机器人，用于控制所述多波长高功率激光治疗模块运动；所述多波长高功率激光治疗模块设置于所述六自由度协作机器人上；

三维机器视觉模块，用于对人体进行实时三维视觉全自动跟踪；所述三维机器视觉模块设置于所述六自由度协作机器人上；

主控模块，用于根据所述三维医学影像生成模块和所述三维机器视觉模块的数据控制所述六自由度协作机器人和所述多波长高功率激光治疗模块工作；所述主控模块分别与所述三维医学影像生成模块、所述多波长高功率激光治疗模块、所述六自由度协作机器人和所述三维机器视觉模块连接。

2.根据权利要求1所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，所述三维医学影像生成模块包括：医学影像拍摄单元和三维建模单元，其中，所述医学影像拍摄单元和所述三维建模单元分别与所述主控模块连接。

3.根据权利要求1所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，所述多波长高功率激光治疗模块包括：多波长激光发生单元、光纤和光学辐照头，其中，所述光纤的第一端与所述多波长激光发生单元连接而第二端与所述光学辐照头连接，所述光学辐照头设置于所述六自由度协作机器人的自由端，所述多波长激光发生单元与所述主控模块连接。

4.根据权利要求3所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，所述多波长激光发生单元包括：第一波长激光器、第二波长激光器和第三波长激光器，其中，所述第一波长激光器、所述第二波长激光器和所述第三波长激光器分别与所述主控模块连接。

5.根据权利要求1所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，所述六自由度协作机器人包括：机器人控制单元、空心减速器、伺服电机组和机器人关节臂组成，其中，所述空心减速器和所述伺服电机组均设置于所述机器人关节臂中，且分别与所述机器人控制单元连接，所述机器人控制单元与所述主控模块连接。

6.根据权利要求1所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，所述三维机器视觉模块包括：第一高精度相机和第二高精度相机，其中，所述第一高精度相机和所述第二高精度相机均设置于所述六自由度协作机器人的底座上，且分别与所述主控模块连接。

7.根据权利要求1所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，所述主控模块包括：控制单元、存储单元和治疗路径规划单元，其中，所述控制单元分别与所述存储单元和所述治疗路径规划单元连接，所述控制单元还与所述三维医学影像生成模块中的医学影像拍摄单元和三维建模单元、所述多波长高功率激光治疗模块中的多波长激光发生单元、所述六自由度协作机器人中的机器人控制单元以及所述三维机器视觉模块中的第一高精度相机和第二高精度相机连接。

8.根据权利要求1所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，还包括：云端大数据分析和患者管理模块，用于存储患者数据以及治疗方案；所述云端大数据分析和患者管理模块与所述主控模块连接。

9.根据权利要求8所述的全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，其特征在于，所述云端大数据分析和患者管理模块包括：云端数据库管理单元、大数据处理单元和患者管理单元，其中，所述云端数据库管理单元、所述大数据处理单元和所述患者管理单元分别与所述主控模块中的控制单元和存储单元连接。

10.一种全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统的治疗方法，其特征在于，所述全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统包括如权利要求1-9中任一所述全自动跟踪激光疼痛治疗机器人系统，所述方法包括步骤：

使用三维医学影像生成模块对人体病灶部位以及周围组织进行三维建模，并生成病变部位的三维坐标库以及病灶三维模型；

使用三维机器视觉模块对人体进行实时三维视觉全自动跟踪；

主控模块根据所述三维医学影像生成模块和所述三维机器视觉模块的数据控制六自由度协作机器人沿预设路径运动，以使得多波长高功率激光治疗模块实时保持靠近人体病灶部位状态；

所述主控模块控制所述多波长高功率激光治疗模块产生激光并作用于人体病灶部位。

Images