CN114631884A - 一种电极植入手术机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电极植入手术机器人，包括控制终端以及与所述控制终端连接的第一机械臂、第一末端执行机构、第二机械臂和第二末端执行机构；第一机械臂的末端与第一末端执行机构连接，第二机械臂的末端与第二末端执行机构连接；控制终端包括：定位模块，用于确定电极植入所需的目标位置和目标深度；第一控制模块，用于使第一末端执行机构在第一机械臂的带动下移动至目标位置，按照目标深度在目标位置钻孔，以及在满足钻孔结束条件时停止钻孔并触发第二控制模块；第二控制模块，用于使第二末端执行机构在第二机械臂的带动下移动至目标位置，并在目标位置植入电极。本发明实现了电极植入的一键式全自动操作以及全程无菌操作，植入精度高。

Description

一种电极植入手术机器人
技术领域
本发明涉及脑功能探测领域，具体涉及一种电极植入手术机器人。
背景技术
脑机接口，有时也称作“大脑端口”或者“脑机融合感知”，它是在人或动物脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立的直接连接通路。脑机接口作为一项多学科交叉技术，已经受到了全世界科研界与工业界的广泛关注。其中柔性电极作为脑机接口的分支，因其优越的生物相容性被认为是“脑机接口最后的形态”。
立体定位仪是一种能将电极或注射针头准确插入脑中确定部位的仪器。现有技术中的主要是使用脑立体定位仪作为定位仪器，利用某些颅骨外面的标志(如前囟、后囟、外耳道、眼眶、矢状缝等)或其它参考点所规定的三度坐标系统，来确定皮层下某些神经结构的位置，通过外科医生手术方式在定位出的位置进行电极植入。
该电机植入方式的不足在于无法百分百保证无菌环境、术中出血量与手术精确定位程度。
发明内容
本发明实施例旨在解决人工植入脑机接口柔性电极受限于手术人水平所带来的无菌操作、颅骨钻孔及电极植入精度的问题。
为解决上述问题，本发明实施例提出一种电极植入手术机器人，包括控制终端、第一机械臂、第一末端执行机构、第二机械臂和第二末端执行机构；
所述第一机械臂的末端与所述第一末端执行机构连接，所述第二机械臂的末端与所述第二末端执行机构连接，所述第一机械臂、所述第一末端执行机构、所述第二机械臂和所述第二末端执行机构均与所述控制终端连接；
所述控制终端包括定位模块、第一控制模块和第二控制模块；所述定位模块用于确定电极植入所需的目标位置和目标深度；所述第一控制模块用于使所述第一末端执行机构在所述第一机械臂的带动下移动至目标位置，按照所述目标深度在所述目标位置钻孔，以及在满足钻孔结束条件时停止钻孔并触发第二控制模块；所述第二控制模块用于使所述第二末端执行机构在所述第二机械臂的带动下移动至目标位置，并在所述目标位置植入电极。
进一步地，所述定位模块包括第一目标位置确定模块和/或第二目标位置确定模块；
所述第一目标位置确定模块用于根据接收到的坐标信息确定电极植入的所述目标位置；
所述第二目标位置确定模块用于根据标准脑图谱和接收到的脑区信息所述确定电极植入的目标位置；其中，所述标准脑图谱包括所述脑区信息与所述坐标信息的对应关系。
进一步地，所述定位模块包括目标深度确定模块，所述目标深度确定模块用于根据用户输入确定电极植入所需的目标深度。
进一步地，还包括压力传感器，所述压力传感器与所述控制终端连接，所述压力传感器用于在检测到所述第一末端执行机构的压力变化时生成压力变化信号，所述第一控制机构用于响应于所述压力变化信号控制所述第一末端执行机构停止钻孔。
进一步地，所述压力传感器设置在所述第一末端执行机构的外表面上，所述压力传感器的设置区域与所述第一机械臂不重合。
进一步地，所述压力传感器设置在所述第一机械臂的末端，所述压力传感器靠近所述第一末端执行机构。
进一步地，所述第一末端执行机构包块颅钻。
进一步地，所述第二末端执行机构包括立体定位仪，所述立体定位仪与所述第二机械臂末端连接，所述立体定位仪与所述控制终端连接，所述立体定位仪能够将植入电极的当前坐标信息发送给所述控制终端。
进一步地，所述第二末端执行机构还包括数显系统，所述数显系统与所述立体定位仪连接，所述数显系统能够显示植入电极的所述当前坐标信息。
进一步地，所述控制终端还包括位置比对模块，所述比对模块用于判断所述当前坐标信息与所述目标位置、目标深度是否一致。
实施本发明具有以下有益效果：
本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人使得操作者无需经过医学或外科手术专业培训即可实现电极植入的全程无菌操作和精确植入。
本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人能够在颅骨钻孔时感知钻孔压力，根据压力变化自动识别大脑，避免钻孔过深导致的大面积出血，有效减少术中出血量。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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附图。
图1是本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人的结构框图；
图2是本发明实施例提供的控制终端的结构框图；
图3是本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人的结构框图。
其中，控制终端100、定位模块110、第一控制模块120、第二控制模块130；
第一机械臂200；
第一末端执行机构300、颅钻310；
第二机械臂400；
第二末端执行机构500、立体定位仪510、数显系统520。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。
需要说明的是，虽然在装置示意图中进行了功能模块划分，但是在某些情况下，可以以不同于装置中的模块划分。说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
实施例
本发明实施例提供的电极植入手术机器人能够实现电极植入的全程无菌操作以及提高电极植入精度。图1是本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人的结构框图，具体的如图1所示，本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人，包括控制终端100、第一机械臂200、第一末端执行机构300、第二机械臂400和第二末端执行机构500；
第一机械臂200的末端与第一末端执行机构300机械连接，第二机械臂400的末端与第二末端执行机构500机械连接，第一机械臂200、第一末端执行机构300、第二机械臂400和第二末端执行机构500均与控制终端100电连接/通信连接；手术前将整个手术机器人的第一末端执行机构300(例如颅钻310)、第二末端执行机构500(例如立体定位仪510)与生物体的接触部用75％酒精消毒并置于通风处，操作时仅控制其所连接的电脑，避免感染。
具体的，控制终端100可以是计算机终端可以为移动终端设备，也可以为非移动终端设备。移动终端设备可以为手机、平板电脑、笔记本电脑、掌上电脑、可穿戴设备、超级移动个人计算机、上网本或者个人数字助理等；非移动终端设备可以为个人计算机等。
具体的，控制终端100还包括输入设备和输出设备，输入设备可以是鼠标、键盘、麦克风等，输出设备可以是显示器、扬声器等，本实施例不以此为限。
具体的，第一机械臂200为三维机械臂，还包括第一驱动电机和第一支撑架，第一驱动电机用于驱动第一机械臂200移动至目标位置，第一支撑架上连接有第一机械臂200的移动轨道；
具体的，还包括第二驱动电机和第二支撑架，第二驱动电机用于驱动第二机械臂400移动至目标位置，第二支撑架上连接有第二机械臂400的移动轨道。
图2是本发明实施例提供的控制终端的结构框图，具体的如图2所示，控制终端100包括定位模块110、第一控制模块120和第二控制模块130；定位模块110用于确定电极植入所需的目标位置和目标深度；第一控制模块120用于使第一末端执行机构300在第一机械臂200的带动下移动至目标位置，按照目标深度在目标位置钻孔，以及在满足钻孔结束条件时停止钻孔并触发第二控制模块130；第二控制模块130用于使第二末端执行机构500在第二机械臂400的带动下移动至目标位置，并在目标位置植入电极。
具体的，开孔结束条件可以是钻孔达到目标深度，或者，开孔结束条件可以是控制终端100接收到压力传感器发送的压力变化信号。
在一个实施例中，定位模块110包括第一目标位置确定模块；第一目标位置确定模块用于根据接收到的坐标信息确定电极植入的目标位置。
在一个实施例中，定位模块110包括第二目标位置确定模块；第二目标位置确定模块用于根据标准脑图谱和接收到的脑区信息确定电极植入的目标位置；其中，标准脑图谱包括脑区信息与坐标信息的对应关系。具体的，计算机与手术机器人交互，使用matlab程序将小鼠标准脑图谱存储记忆，实现输入坐标可以确定脑区范围、输入脑区可以显示脑区范围对应的坐标信息的精确对应。
在一个实施例中，定位模块110包括第一目标位置确定模块和第二目标位置确定模块；第一目标位置确定模块用于根据接收到的坐标信息确定电极植入的目标位置；第二目标位置确定模块用于根据标准脑图谱和接收到的脑区信息确定电极植入的目标位置；其中，标准脑图谱包括脑区信息与坐标信息的对应关系。
进一步地，定位模块110包括目标深度确定模块，目标深度确定模块用于根据用户输入确定电极植入所需的目标深度。
考虑到个体差异，不同生物个体的颅顶厚度会有些许差异，仅采用坐标定位确定钻孔的目标深度的情形下，即使颅顶已经打穿，颅钻310也会继续进行钻孔直至到达目标深度，可能会小程度上损伤小鼠大脑或导致手术出血。
为避免钻孔过深导致大面积出血、损伤大脑，电机植入手术机器人还配备有压力传感器，压力传感器与控制终端100电连接或通信连接，压力传感器用于在检测到第一末端执行机构300的压力变化时生成压力变化信号，第一控制机构用于响应于压力变化信号控制第一末端执行机构300停止钻孔。也就是说，当压力减小时，即使尚未达到程序设定的目标深度，第一末端执行机构300(例如颅钻310)也会自动停止工作。
在一个具体的示例中，输入坐标信息或脑区后，matlab程序将控制外接颅钻310的第一机械臂200从bregma点开始进行由X轴到Y轴的定位，在Z轴钻穿颅骨后压力传感器传递信号，颅钻310停止工作，避免出血和对老鼠大脑的损伤。开孔结束后，第二机械臂400带动立体定位仪510将电极植入所需的精准定位区域。
压力传感器可以设置在第一末端执行机构300的外表面上，需要说明的是，压力传感器设置在第一末端执行机构300上时，其设置区域与第一机械臂200不重合，也就是说，压力传感器不应设置在第一末端执行机构300被第一机械臂200夹持的区域，因为该被夹持的区域的作用力是第一机械臂200施加在第一末端执行机构300上的，而非钻孔过程中第一末端执行机构300受到的阻力。
考虑到第一末端执行机构300的外表面可供设置压力传感器的区域有限，在一些替代方案中，可以将压力传感器设置在第一机械臂200的末端，为保证压力传感器的灵敏性，压力传感器应尽可能靠近第一末端执行机构300。
在一些实施例中，第一末端执行机构300包块颅钻310，第二末端执行机构500包括立体定位仪510，立体定位仪510与第二机械臂400末端机械连接，立体定位仪510与控制终端100电连接或通信连接，立体定位仪510能够将植入电极的当前坐标信息发送给控制终端100。
图3是本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人的结构框图，具体的如图3所示，在一些实施例中，第一末端执行机构300包块颅钻310，第二末端执行机构500包括立体定位仪510和数显系统520，立体定位仪510与第二机械臂400末端机械连接，立体定位仪510与控制终端100电连接或通信连接，立体定位仪510能够将植入电极的当前坐标信息发送给控制终端100，数显系统520与立体定位仪510电连接或通信连接，数显系统520能够显示植入电极的当前坐标信息，这样操作者可以根据数显系统520显示的当前坐标信息了解电极实际植入位置是否准确。第二机械臂400适配立体定位仪510与数显系统520，这样第一机械臂200、第二机械臂400根据控制终端100输入坐标或脑区信息，自动定位做到10um级别精确植入。
在一些实施例中，控制终端100还包括位置比对模块，比对模块用于判断当前坐标信息(x’,y’,z’)与目标位置、目标深度是否一致。其中，目标位置x,y，目标深度z可以是用户输入的坐标信息(x,y,z)，也可以是根据标准脑图谱和用户输入的脑区信息查询得到的坐标信息(x,y,z)。
由上述本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人的实施例可见，本发明实施例提供的一种电极植入手术机器人支持一键式全自动操作，使得操作者无需经过医学或外科手术专业培训即可实现电极植入的全程无菌操作和精确植入，柔性电极植入的精度可达到10um级别。此外，电极植入手术机器人还能够在颅骨钻孔时感知钻孔压力，根据压力变化自动识别大脑，避免钻孔过深导致的大面积出血，有效减少术中出血量。
需要说明的是：上述本发明实施例先后顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。且上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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)

1.一种电极植入手术机器人，其特征在于，包括控制终端(100)、第一机械臂(200)、第一末端执行机构(300)、第二机械臂(400)和第二末端执行机构(500)；
所述第一机械臂(200)的末端与所述第一末端执行机构(300)连接，所述第二机械臂(400)的末端与所述第二末端执行机构(500)连接，所述第一机械臂(200)、所述第一末端执行机构(300)、所述第二机械臂(400)和所述第二末端执行机构(500)均与所述控制终端(100)连接；
所述控制终端(100)包括定位模块(110)、第一控制模块(120)和第二控制模块(130)；所述定位模块(110)用于确定电极植入所需的目标位置和目标深度；所述第一控制模块(120)用于使所述第一末端执行机构(300)在所述第一机械臂(200)的带动下移动至目标位置，按照所述目标深度在所述目标位置钻孔，以及在满足钻孔结束条件时停止钻孔并触发第二控制模块(130)；所述第二控制模块(130)用于使所述第二末端执行机构(500)在所述第二机械臂(400)的带动下移动至目标位置，并在所述目标位置植入电极。
2.根据权利要求1所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述定位模块(110)包括第一目标位置确定模块和/或第二目标位置确定模块；
所述第一目标位置确定模块用于根据接收到的坐标信息确定电极植入的所述目标位置；
所述第二目标位置确定模块用于根据标准脑图谱和接收到的脑区信息所述确定电极植入的目标位置；其中，所述标准脑图谱包括所述脑区信息与所述坐标信息的对应关系。
3.根据权利要求2所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述定位模块(110)包括目标深度确定模块，所述目标深度确定模块用于根据用户输入确定电极植入所需的目标深度。
4.根据权利要求3所述的电极植入手术机器人，其特征在于，还包括压力传感器，所述压力传感器与所述控制终端(100)连接，所述压力传感器用于在检测到所述第一末端执行机构(300)的压力变化时生成压力变化信号，所述第一控制机构用于响应于所述压力变化信号控制所述第一末端执行机构(300)停止钻孔。
5.根据权利要求4所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述压力传感器设置在所述第一末端执行机构(300)的外表面上，所述压力传感器的设置区域与所述第一机械臂(200)不重合。
6.根据权利要求4所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述压力传感器设置在所述第一机械臂(200)的末端，所述压力传感器靠近所述第一末端执行机构(300)。
7.根据权利要求1所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述第一末端执行机构(300)包块颅钻(310)。
8.根据权利要求1所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述第二末端执行机构(500)包括立体定位仪(510)，所述立体定位仪(510)与所述第二机械臂(400)末端连接，所述立体定位仪(510)与所述控制终端(100)连接，所述立体定位仪(510)能够将植入电极的当前坐标信息发送给所述控制终端(100)。
9.根据权利要求8所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述第二末端执行机构(500)还包括数显系统(520)，所述数显系统(520)与所述立体定位仪(510)连接，所述数显系统(520)能够显示植入电极的所述当前坐标信息。
10.根据权利要求8所述的电极植入手术机器人，其特征在于，所述控制终端(100)还包括位置比对模块，所述比对模块用于判断所述当前坐标信息与所述目标位置、目标深度是否一致。
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