CN114788735A - 具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统及方法，包括假体、主端操作臂、模拟手术台、从端机器人、显示单元；主端操作臂设有握持部，握持部与假体接触实现模拟操作；主端操作臂设置有编码器、测距传感器、倾角传感器和主端多维力传感器，能够获取握持部的位置、姿态信息和受力信息；模拟手术台包括台面和驱动机构；从端机器人设有从端多维力传感器，用于实时检测贴合力；从端与主端互联通信，根据握持部的位置、姿态和受力信息实时动作；显示单元实时显示主端的姿态信息、多维力信息以及从端现场音视频信息、医疗影像和从端机器人力信号。本发明实现了主从实时交互、反馈和验证，模拟场景更真实，医疗操作更准确。

Description

具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统及方法
技术领域
本发明涉及远程医疗技术领域，具体涉及一种具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统及方法。
背景技术
随着医疗科技的提高，远程交互医疗普遍得到应用，目前来讲现有的远程方式多是专家通过视频，音频的方式指导远端进行医疗操作；但是对医生专业技能很高的要求医疗手术或者医疗检查，如超声检查，穿刺，超声引导穿刺等，由于我国医疗资源高度集中，具备该项技能的专家大多分布在北上广深等一线城市，广大基层医疗单位的医生极少具备很高的医疗技能；这就势必影响当地患者的及时医治；
作为一种改进：
现有技术之一是通过视觉识别采集专家端的手部姿势信号控制从端机器人操作，然而这种方法容易被遮挡，易受光源影响，对于算法的要求较高，交互准确性和实时性会较差。
现有技术之一，主端采用商用的forcedimension、haptic等商用主手，haptic工作空间小，无法满足B超检测范围要求。forcedimension价格昂贵，且由于内部有电机等驱动部件，拖动相对费力。
现有技术之一，主端采用模拟B超探头+触控板检测位置(X、Y方向)，由于触控板为平面，无法模拟医生检查时真实手感(人体曲面、软硬等)，且无法实现人体侧面检查。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决现有技术存在的问题。本发明涉及一种具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统及方法，本发明实现了主从实时交互，反馈和验证，以保证远端可以模拟真实的场景以达到准确的医疗操作。
本发明的目的是这样实现的：
一种具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，包括：
假体，所述假体用于模拟真实人体；
主端操作臂，具有主端医生操作的握持部，所述握持部与所述假体接触实现模拟操作；所述主端操作臂设置有编码器、测距传感器、倾角传感器和主端多维力传感器，基于所述编码器、测距传感器和倾角传感器监测的数据，获取所述握持部的位置、姿态信息；所述主端多维力传感器用于实时检测所述握持部的受力信息；
模拟手术台，所述模拟手术台包括台面和驱动机构，所述台面用于支撑所述假体，所述驱动机构用于驱动所述台面在空间范围内移动；
从端机器人，设有从端多维力传感器，用于实时检测贴合力；所述从端机器人与所述主端操作臂互联通信，根据所述握持部的位置、姿态和受力信息实时动作；
显示单元，实时显示包括主端姿态信息、主端多维力信息、从端现场音视频信息、从端医疗影像和从端机器人力信号。
本发明从端根据主端的位置，姿态和施力实时动作，并反馈患者的医学图像和受力，主端根据从端的医疗影像和力信息实时调整位置、姿态和施力，从端又根据主端的调整实时动作并反馈信号，主从两者之间形成闭环，以保证医生的操作可以模拟真实的场景以达到准确的医疗操作。
这里的假体，可以是人体模型整体，也可以是人体模型的一部分，也可术前根据患者体态特征定制。
显示单元还可以显示从端现场音视频信息，主端姿态和三维力信号。
本发明一种优选实施方式，所述驱动机构包括升降驱动机构，所述升降驱动机构的顶端与所述台面连接，所述升降驱动机构的底端固定于底座上。
在模拟操作过程中，假体能够在驱动机构的驱动作用下向握持部施加反馈力，主端医生能够感受到假体的反馈力的大小，提升操作真实感。
本发明一种优选实施方式，所述升降驱动机构的数量为多个，多个所述升降驱动机构均匀布置，且所述升降驱动机构的顶端与所述台面转动连接。
每个升降驱动机构可以独立控制升降，通过控制不同位置的升降驱动机构的升降距离驱动所述台面的上升、下降以及倾斜状态调节。
本发明一种优选实施方式，所述驱动机构还包括旋转机构，所述旋转机构用于驱动所述台面旋转。
升降驱动机构与旋转机构配合能够使台面进行升降、旋转、倾斜状态调节等复合操作。
本发明一种优选实施方式，所述升降驱动机构通过安装板设于旋转机构的上方，所述旋转机构的顶端与所述安装板的下表面固定连接，所述升降驱动机构的底端固定设于所述安装板的上表面。
当需要调整假体的角度时，控制旋转机构旋转一定角度，配合升降驱动机构升降，能够方便快捷地调整假体的空间位置和姿态，便于医生操作。
本发明一种优选实施方式，所述台面包括平行设置的第一层和第二层，所述第一层与所述第二层通过所述旋转机构连接，所述第二层的下表面与所述升降驱动机构的顶端连接。
旋转机构驱动台面的第一层旋转，从而使得假体转动，同时升降驱动机构通过控制第二层的升降，实现假体的空间位置以及姿态的调整，结构简单操作方便。
本发明一种优选实施方式，所述升降驱动机构采用液压缸驱动或电机驱动。
采用液压驱动或私服电机驱动，使得假体的升降更稳定。
本发明一种优选实施方式，主端操作臂包括基座、大臂、小臂和手控联动部，所述基座与大臂转动连接、大臂与小臂转动连接，所述手控联动部与小臂通过万向节连接；所述大臂转动轴处设置有第一编码器，所述大臂与小臂连接处设置有第二编码器，所述手控联动部上设置有所述三轴倾角传感器和所述主端多维力传感器。
大臂和小臂使得平面动作更加灵活自由，可达区域大，结构轻便、紧凑，在水平方向上的运动具有较大的柔性，工作空间利用率大，部件少，制造成本低，易拆装维护。依靠2个旋转关节实现XY平面内的快速定位，依靠1个移动关节在Z方向上做伸缩，1个万向节结构实现末端在三个方向上的旋转运动。手控联动部可以在另一个维度上实现上下左右位置，角度的灵活动作，通过三者的相互配合可以在尽量小的空间内实现任何医疗动作，可以满足检测区域的覆盖。
本发明一种优选实施方式，所述主端操作臂还包括升降机构，所述手控联动部通过升降机构与所述小臂连接。
通过升降机构可以更加灵活地在凹凸表面上运动，提升主端医生的操作真实感。
本发明一种优选实施方式，所述升降机构上设有所述测距传感器；主端计算单元根据第一编码器获取第一位置信息，根据第二编码器获取第二位置信息，结合第一位置信息和第二位置信息得出第一空间位置信息；根据倾角传感器和距离传感器获得第二空间位置信息，根据所述主端多维力传感器获得施力信息；所述从端机器人根据从端计算单元计算的位姿信息执行动作，而且从端计算单元会根据主、从端的力实时修正位姿。
从端机器臂可以完全跟随主端位置、姿态、施力，执行定位动作，精确可靠性高，同时从端现场音视频、医疗影像和受力信息反馈给显示单元，主端医生可以根据从端反馈的医疗影像、受力等信息综合修正位置动作，实现主从端之间的闭环。
本发明一种优选实施方式，所述从端机器人采用倒置的方式安装在从端支架上。
采用倒置的安装方式可以有效利用臂展，使从端机器人的末端最大化到达患者身体的各个部位，避免串联结构反解不唯一可能带来的机械臂肘关节对人体的撞击，提高系统安全性。
本发明一种优选实施方式，所述从端机器人末端安装有测距传感器；所述测距传感器在初始状态依靠网格扫描获取患者身体表面三维形面信息。
测距传感器可选激光测距传感器或超声测距传感器，所述测距传感器在初始状态下，通过机器人在设定绝对定安全高度(距离患者身体20cm左右)平面内网格(网格间距1.5cm)移动，获取患者身体表面粗略三维形面信息。
本发明一种优选实施方式，所述从端机器人末端安装有轴向驱动电机，所述轴向驱动电机驱动末端加持医疗装置沿轴向贴近患者身体，以满足所需压力。
所述医疗装置通过驱动电机安装于从端机器人末端，轴向电机可以控制末端医疗装置沿轴向移动，省去了从端机械臂六轴反解、联动过程，使末端医疗装置更加快速地贴近人体，提高了从端响应的及时性；同时由于测距传感器的存在，避免了由于人体形面特征未知，控制算法固有的超调或响应慢的缺陷，医疗装置未贴近人体或对人体压力过大的情况。
本发明一种优选实施方式，所述升降机构上、基座与大臂的转动处、大臂与小臂的转动处均设置有可调阻尼。
根据医生的操作习惯可以任意调节运动的阻尼力，提升操作真实感。
本发明还涉及一种远程主从交互式超声引导穿刺方法，基于上述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，包括如下步骤：
1)术前，由从端机器人测量人体形面，得到患者手术区域三维形面信息。
2)医生操作主端操作臂在假体上运动，主端计算单元采集主端多传感器计算的得到主端操作臂的位置、姿态、力的信号经处理后反馈给从端机器人；
3)从端机器人根据接收到的位姿信号执行动作，并根据之前的型面三维数据和从端实时力信号，修正位姿，直到从端受力大小与主端一致；
4)主端医生根据显示单元显示的从端医学影像和从端三维力数据调整操作和施力；
5)重复步骤2)-4)直至达到合适定位点。
本发明一种优选实施方式，包括两套主端操作臂和从端机器人；医生一只手操作实时定位病灶位置，另一只手操作实时实施医疗手术动作或手术定位。
本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明从端根据主端的位置，角度和受力实时动作，并反馈患者的医学图像和受力，主端根据从端的医学图像和受力实时调整动作和施力大小，从端又根据主端的调整实时动作并反馈信号，主从两者之间相互反馈和验证，以保证医生的操作可以模拟真实的场景以达到准确的医疗操作。
2)主端通过设置大臂和小臂使得平面动作更加灵活自由，水平方向可达区域大，满足检测需求，拖动阻力小，操作灵活末端可在竖直方向任意移动，并可以多种姿态达到工作空间内任一点，通过该种结构的相互配合可以在尽量小的空间内实现任何医疗动作。
3)通过升降机构可以更加灵活地在凹凸表面上运动，结合可定制假体提升主端医生的操作真实感。
4)通过位置，距离，角度，受力等使得从端机器臂可以完全跟随主端位置、姿态、力，执行定位动作，精确可靠性高。
5)测距传感器在初始状态下，通过机器人在设定绝对定安全高度(距离患者身体20cm左右)平面内网格(网格间距1.5cm)移动，获取患者身体表面粗略三维形面信息；可以提高系统响应速度。
6)轴向驱动电机可以驱动末端医疗装置沿轴向贴近患者身体。轴向电机可以控制末端医疗装置沿轴向移动，省去了从端机械臂六轴反解、联动过程，使末端医疗装置更加快速地贴近人体，提高了从端响应的及时性；同时由于测距传感器的存在，避免了由于控制算法固有的超调或响应慢的缺陷，医疗装置未贴近人体或对人体压力过大的情况。
7)根据医生的操作习惯可以任意调节上下运动的阻尼力，提升操作真实感。
8)通过主端和从端机器人的多维力传感器和力控算法，保证力安全，在一个合理范围内，且可由主端控制。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明主端操作臂整体结构示意图；
图3为手控联动部结构示意图；
图4-5本发明从端机器人整体结构示意图；
图6为本发明实施超声引导穿刺术的信号原理示意图；
图7为主端机械臂坐标解析模型图；
图8为本发明的模拟手术台的结构示意图一；
图9为本发明的模拟手术台的结构示意图二；
图10为正装从端机器人与患者干涉结构示意图；
图11-12为双系统结构示意图；
图13为本发明的控制流程示意图。
1-真空吸盘；2-基座；3-大臂转动轴；4-小臂转动轴；5-走线管；6-拉绳位移传感器；7-升降机构；8-升降阻尼调节旋钮；9-万向节；9-1-丁字销轴；9-2-第一摆动件；9-3-第二摆动件；10-三轴倾角传感器；11-握持部；12-六维力传感器；13-底盘；14-从端机器人；15-六维力传感器；16-夹具；17-B超探头；18-患者；19-假体；20-轴向驱动电机；21-测距传感器；22-台面；221-第一层；222-第二层；23-升降驱动机构；24-旋转机构。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
为便于对本申请实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本申请实施例的限定。
实施例一：
如图1所示，一种具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，包括：
假体19，所述假体19用于模拟真实人体；
主端操作臂，具有握持部11，用于主端医生的操作；所述握持部11与所述假体19接触实现模拟操作；所述主端操作臂设置有编码器、测距传感器6、三轴倾角传感器10和主端多维力传感器12；基于所述编码器、测距传感器和倾角传感器监测的数据，获取所述握持部的位置、姿态信息；
所述主端多维力传感器用于实时检测所述握持部的受力信息，也就是说，所述主端多维力传感器12实时检测医生的施加力；
模拟手术台，所述模拟手术台包括台面22和驱动机构，所述假体19置于台面22上，所述驱动机构用于驱动所述台面22在空间范围内移动；
从端机器人14，所述从端机器人14设有从端多维力传感器，所述从端多维力传感器用于实时检测器械与人体的贴合力；所述从端机器人14与所述主端操作臂互联通信，主端握持部的位置、姿态和受力信息实时传输至从端机器人14，从端计算单元对握持部的位置、姿态和受力信息进行处理，从端机器人14根据从端计算单元处理后的信号实时动作；
显示单元，实时显示主端姿态信息、主端多维力信息、从端现场音视频信息、从端医疗图像和从端机器人力信号。
本发明从端根据主端的位置、姿态和下压力实时动作，并反馈患者的医疗影像和受力，主端根据从端的医学图像和受力实时调整位置、姿态和下压力，从端又根据主端的调整实时动作并反馈信号，主从两者之间形成闭环，以保证医生的操作可以模拟真实的场景以达到准确的医疗操作。
这里的假体，可以是人体模型整体，也可以是人体模型的一部分，也可以术前根据患者体态特征定制。
具体而言，主端专家通过操作主端的被动式机械臂在虚拟人体模型19上模拟医疗操作，主端被动式机器臂握持部的位姿信息经计算单元处理后经服务器传递至从端计算单元，从端基于从端计算单元修正后的位姿信息使远程的所述协作机械臂在患者18身上执行动作。
具体而言，主端与从端间通过5G低延迟通讯网络连接，保证控制信号、音频、视频、图像等信息的高速、实时的传输，解决了物理距离较远导致主端和从端动作不同步的问题。
为了更准确地获取姿态和力学信息，这里的主端多维力传感器采用六维力传感器，可以采集所受合力的大小及方向。
优选地，参见图2-3，主端操作臂包括基座2、大臂、小臂和手控联动部，所述基座2与大臂转动连接、大臂与小臂转动连接，所述手控联动部与小臂通过万向节连接；所述大臂转动轴3处设置有第一编码器，所述大臂与小臂连接处，即小臂转动轴4处设置有第二编码器，图中未示出，转动轴3、4处的还设有阻尼调节装置，适应不同专家手感，所述手控联动部上设置有三轴倾角传感器10，六维力传感器12设置在手控联动部的下端位置。
两个旋转关节分别装有一个绝对编码器，用于检测大臂和小臂的旋转角度；两个转动轴3、4平行设置，大臂转动轴3的轴线和小臂转动轴4的轴线垂直于安装平面。根据大臂长度L1，小臂长度L2，以及大臂和小臂旋转的角度θ1、θ2可以计算出点A的x，y坐标，如图7所示，此处A点位于小臂末端。
大臂和小臂使得平面动作更加灵活自由，可达区域大；手控联动部可以改变垂直高度和姿态灵活动作，通过机构相互配合可以在尽量小的空间内实现任何医疗动作。
具体而言，所述主端操作臂具有底座，底座上设置有真空吸盘；所述基座2安装在所述底座上。
底座，对主端起支撑作用，底座上设有基座2，基座2均固定设于底座上，基座2的下方设有真空吸盘1，用于与工作台安装平面固定连接。底座可以方便移动，维护，可以根据操作室的变化灵活调整。基座2的一端与真空吸盘1固定连接，另一端通过旋转关节与大臂连接，大臂与小臂通过旋转关节连接。
真空吸盘1为机械吸盘，可以通过人为操作实现吸附和，移动方便，操作灵活，可以根据医生现场情况调整主端操作臂的位置。
大臂实现较大幅度的摆动，小臂实现二次小幅度摆动，通过大臂和小臂的设置使得在实现相同摆动距离情况下尺寸更小。
优选地，所述主端操作臂还包括升降机构7，所述手控联动部通过升降机构7与所述小臂连接。
通过升降机构7可以更加灵活地在凹凸表面上运动，提升主端医生的操作真实感。
优选地，所述升降机构7上设有测距传感器6；服务器根据第一编码器获取第一位置信息，根据第二编码器获取第二位置信息，结合第一位置信息和第二位置信息得出第一空间位置信息；根据倾角传感器和距离传感器获得第二空间位置信息，根据主端六维力传感器获得施力信息；所述从端机器人根据服务器计算出的位姿信息执行动作，并且主端根据从端反馈的力信息修正位置指令。
通过位置，距离，角度，受力等使得从端机器臂可以完全跟随主端位置、姿态、力，执行定位动作，精确可靠性高。
主端计算单元采集并处理主端的位姿信号和力信号，处理后的信号经服务器传递给从端。
从端计算单元接收主端计算单元和从端的力信号，并将信号处理后传递给从端；
显示单元：接收从端的医疗影像；主、从端的力信号，主端的位姿信号，还有从端现场的音视频信息。
主从端通过网络连接计算单元，主端信号到主端计算单元，从端信号到从端计算单元，从端接收从端计算单元处理后的位姿信号。参见附图13。
优选地，所述万向节9包括丁字销轴9-1，所述丁字销轴9-1下端铰接有第一摆动件9-2，所述第一摆动件9-2下端铰接有第二摆动件9-3；所述丁字销轴9-1转动安装于小臂顶部的开孔中。
通过销轴和铰接摆动件的方式可以使球铰接转动角度范围更大，可以在尽量小的空间内实现任何医疗动作。
本发明一种优选实施方式，所述升降机构上、基座与大臂的转动处、大臂与小臂的转动处均设置有可调阻尼，对应位置还可以设置相应的阻尼调节旋钮8。
根据医生的操作习惯可以任意调节运动的阻尼力，提升操作真实感。
手控联动部件，由操作者手动控制，专家医生手动控制握持部11在空间上进行上、下移动以及全方位转动。手控联动部件的结构简单，易操作，与专家实际手术过程的操作高度匹配。
具体而言，升降机构7滑动设于小臂上，优选地，升降机构7通过滑轨与小臂连接，升降机构7由操作者手动带动下平行于转动轴3，4的轴线升降运动。进一步的，升降机构安装有升降调节阻尼装置，两个转动轴3，4安装有旋转调节阻尼装置，通过设置阻尼装置可改变拖动时的阻尼以适应不同专家的手感。
角度调节机构9由两个万向节组成，第一万向节与第二万向节配合可以实现x、y、z三个方向的旋转；具体而言，第一万向节通过轴承与升降装置连接，第二万向节通过第二连杆与握持部11连接，第二连杆设有倾角传感器安装部；
其中测距传感器为拉绳位移传感器6，可以更容易检测位置的变化。拉绳位移传感器6安装于小臂的上部，拉绳位移传感器6包括拉绳、线轴和可调电阻，拉绳缠绕在精密加工的直筒式圆柱形线轴上，拉绳的移动端与升降机构连接，拉绳沿着升降机构移动方向移动可以改变电阻的电阻大小，进而将拉绳的机械运动转换成可以计量、记录的电信号，获得升降机构的移动信息。拉绳位移传感器6的安装尺寸小、结构紧凑、测量行程大、精度高。
本实施例中，所述驱动机构用于驱动所述台面22在空间范围内移动，也就是说，所述驱动机构通过驱动所述台面22动作，实现假体19在空间范围内的移动，假体19的移动包括升降、旋转、倾斜姿态调整等动作。
主端医生手握握持部11与假体19接触进行模拟操作，在模拟操作过程中，所述驱动机构驱动所述台面22动作使得假体19在空间范围内的移动，比如升降，所述主端多维力传感器12实时检测握持部11与假体19的接触力。由于在模拟操作过程中，假体19能够在驱动机构的驱动作用下向握持部11施加反馈力，主端医生能够感受到假体19的反馈力的大小，提升操作真实感。
本实施例的一个优选实施方式，所述驱动机构包括升降驱动机构23，所述升降驱动机构23的顶端与所述台面22固定连接，升降驱动机构23的数量为一个或多个，升降驱动机构23采用液压缸驱动或电机驱动。
若设置一个升降驱动机构23，则升降驱动机构23的驱动端设置在所述台面22的下表面中心处，此结构的驱动机构只能用于所述台面22的上升、下降。
若设置多个升降驱动机构23，则多个升降驱动机构23对称设置，多个升降驱动机构23的驱动端均匀布设在所述台面22的下表面，与所述台面22的下表面转动连接，每个升降驱动机构23可以独立控制升降，通过控制不同位置的升降驱动机构23的升降距离驱动所述台面22的上升、下降以及倾斜状态调节。
本实施例的一个优选实施方式，所述驱动机构还可以包括旋转机构24，旋转机构24用于驱动所述台面22旋转，也就是说，所述驱动机构包括升降驱动机构23和旋转机构24，升降驱动机构23与旋转机构24配合能够使台面22进行升降、旋转、倾斜状态调节等复合操作。
如图8所示，驱动机构的第一种结构，升降驱动机构23通过安装板设于旋转机构24的上方，旋转机构24的顶端与安装板的下表面固定连接，升降驱动机构23的底端固定设于安装板的上表面，升降驱动机构23的顶端与台面22的下表面连接。当需要调整假体19的角度时，控制旋转机构24旋转一定角度，配合升降驱动机构23升降，能够方便快捷地调整假体19的空间位置和姿态，便于医生操作。
如图9所示，驱动机构的第二种结构，台面22为双层结构，包括平行设置的第一层221和第二层222，第一层221与第二层222通过旋转机构24连接，双层结构的台面22位于升降驱动机构23的上方，升降驱动机构23的顶端与第二层222的下表面连接。具体而言，第一层221位于第二层222的上方，第一层221与第二层222平行设置，假体19直接置于第一层221上表面，第二层222与升降驱动机构23连接，旋转机构24的旋转驱动端与第一层221的下表面连接，能够驱动台面22的第一层221旋转，从而使得假体19转动，同时升降驱动机构23通过控制第二层222的升降，实现假体19的空间位置以及姿态的调整。
通过在主端设置驱动机构，不仅能够方便快捷的调整假体19的空间位置以及姿态，便于主端医生操作，而且能够在模拟操作过程中通过升降向主端医生施加反馈力，使得主端医生能够感受到假体19的反馈力的大小，提升主端医生的操作真实感。
本实施例的一个优选实施方式，模拟手术台还包括底座，驱动机构设于底座上，底座设有滚轮，便于模拟手术台的水平移动，并且，滚轮还配套设有刹车结构，当模拟手术台移动至指定位置后，利用刹车机构锁死滚轮，防止术中模拟手术台移动。
本实施例的一个优选实施方式，大臂和小臂采用高强度铝合金材料制成。
本实施例中，以实施超声探测为例，但本发明所涉及的技术本身并不限于超声检查，任何可以利用本发明技术实现远程医疗的操作均适用。
从端采用协作机械臂，从端的协作机械臂可由从端机器人搭建，从端机器人的末端设有夹具16和六维力传感器15，夹具16用于加持B超探头17，六维力传感器15用于监测从端的B超探头施加在患者18身上力的大小，测距传感器21用于测量初始状态下患者表面的三维形面信息，轴向驱动电机20用于控制B超探头沿轴向方向移动；具体而言，从端机器人末端安装有测距传感器21和轴向驱动电机20，所述医疗器械通过轴向驱动电机20安装于从端机器人末端；所述测距传感器21实时获取患者身体表面三维信息，所述轴向驱动电机20根据控制指令驱动B超探头17沿轴向贴近患者身体。
从端机器人末端设置测距传感器21，和轴向驱动电机20。其中测距传感器21可以在初始位置获取人体的表面的三维形面信息，由于控制算法固有的超调或响应慢的缺陷，医疗装置未贴近人体或对人体压力过大的情况；轴向驱动电机20可以控制B超探头17沿轴向贴近患者身体表面，该轴向运动电机可以控制医疗装置沿轴向关节移动，省去了从端机械臂六轴反解、联动过程，使末端医疗装置更加快速地贴近人体，提高了从端响应的及时性。
参见图5，轴向驱动电机20可以驱动B超探头17沿轴向移动。
如图4至图5所示，从端机器人的固定安装端设有底盘13，从端机器人14采用倒置方式进行安装，即从端机器人的底盘13安装在手术台上，从端机器人的末端向下延伸到患者18身体部位。采用倒置的安装方式可以有效利用臂展，使从端机器人的末端最大化到达患者18身体的各个部位，避免串联结构反解不唯一可能带来的机械臂肘关节对人体的撞击，如图10所示，提高系统安全性。
实施例二：
本发明还涉及一种远程主从交互式超声引导穿刺方法，利用实施例一的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，包括如下步骤：
1)术前，由从端机器人测量人体形面，得到患者手术区域三维形面信息；
2)主端医生根据操作需要，控制驱动机构调整假体19的空间位置以及姿态，医生操作主端操作臂在假体19上运动，在模拟操作过程中，驱动机构控制台面升降，以实现假体19的升降，主端医生能够感受到假体19的反馈力的大小，主端计算单元采集主端操作臂的位置、姿态、力的信号并经计算处理后反馈给从端机器人；
3)从端机器人根据接收到的位姿信号执行动作，直到从端受力大小与主端一致停止动作；
4)主端医生根据显示单元显示的从端反馈的医学影像和受力数据调整操作和施力；
5)重复步骤2)-4)直至达到合适定位点。
优选地，如图11-12所示，包括两套主端操作臂和从端机器人；医生一只手操作实时定位病灶位置，另一只手操作实时实施医疗手术动作或手术定位。
以实施超声引导穿刺手术为例，本发明是以下述方式工作的：
术前，由从端机器人测距传感器21测量人体形面，得到患者手术区域三维形面信息；
主端机械臂预先利用真空吸盘1固定在主端工作台上，主端工作台可以移动，适合主端医生不同工作地点。从端机械臂预先倒置安装于安装架上，安装架的底部设置滚轮机构，从端医生推动从端机械臂至待手术区域，将安装架的滚轮机构固锁定，调整从端的位姿，使从端机械臂的末端向下延伸到患者18身体部位。
主端医生根据操作需要，控制驱动机构调整假体19的空间位置以及姿态，主端专家医生握住握持部11，模拟B超探头在虚拟人体模型19上扫描移动，主端医生能够感受到假体19的反馈力的大小；传感组件实时监测握持部11的传感器信息，获得主端信号，并将主端信号通过5G通讯网络传输至计算单元，计算单元对接收到的主端信号进行计算、标定处理，得到握持部11的空间位姿信息，计算单元将空间位姿信息传递至从端。
具体而言，主端专家医生一只手握住握持部11，带动大臂转动轴3和小臂转动轴4，以实现握持部11的空间位置变化，主端医生操作握持部11带动升降机构7上下移动，拉绳位移传感器6实时监测握持部11在Z方向的移动距离信号，升降阻尼调节装置8可以根据主端专家医生的手感来调节，以满足不同专家实现精准调节；握持部11在万向节的作用下可以实现各个角度的变化；万向节机构9下方连接有倾角传感器10可以检测握持部11的倾角信息；握持部11上的六维力传感器12能够实时监测握持部11和人体模型19间的接触力和方向信息，进而模拟B超探头在虚拟人体模型19上扫描，此过程完全由主端医生手动驱动握持部11完成，并且在模拟操作过程中，驱动机构控制台面升降，进而实现假体19的升降，主端医生能够感受到假体19的反馈力的大小。握持部11可以到达所需的各个位置，传感组件能精准获取位姿和位置信息(x，y，z，α，β，γ)，可实时显示在显示模块上，并上传至计算单元，经计算单元处理后通过5G低延时通讯网络传递至从端。
本实施例中，通过各机构的长度和角度(编码器测量关节转角)可以获取握持部11的X、Y坐标。通过拉绳位移传感器6获取握持部11在Z方向的移动距离，倾角传感器10可以获取握持部11绕X、Y、Z三个轴的旋转角度，再结合各机构的长度参数，可以得出握持部11的末端与虚拟人体模型19接触之处的位置和姿态。通过六维力传感器12主端医生可以知道握持部11在虚拟人体模型19上施加力的大小。根据临床经验可以随时调整操作握持部11施加的力。姿态信息通过网络直接下发给从端机器人，从端机器人根据姿态信号调整B超探头的姿态。位置信息需经由PC根据B超探头与患者的实时贴合力，主端施加力利用阻抗控制算法修正，PC将修正后的位置参数下发给从端机器人。上述从端按照主端传来的信号动作，其中倾角参数直接下发给机器人，位置参数要根据B超探头与患者的实时贴合力，主端施加力，修正位置参数。
从端基于接收到的主端信号，从端机械臂驱动B超探头17靠近患者18身体开始探测；从端传感组件将采集到的从端信号实时传递至计算单元，从端信号经计算单元处理后，将从端反馈的力信息以及B超图像显示在主端显示器上；主端医生根据主端显示器上清晰的B超图像确定定位穿刺点，并将定位穿刺点的信号传递至从端，从端锁定在此位置上，完成穿刺的定位。
具体而言，当主端信号传递至从端时，从端协作机器人会根据信号自动将B超探头17靠近患者18身体，根据主端的操作在患者18身体上开始探测，从端协作机器人末端的六维力传感器会采集探测时采集到的力的信息和B超探测的B超图像可以实时传递至计算单元，计算单元对收到的信息进行处理，主端医生通过主端显示器就看到从端力的信息，也可以看到B超图像清晰与否，信号原理如图6所示。主端的专家医生根据清晰的B超图像可以准确定位穿刺的点，并将此定位点的信号传递给从端，从端会锁定在此位置上，完成穿刺的定位。
本实施例中，从端操作力是指B超探头17与患者身体的接触力，从端操作力的大小随主端操作力变化，为了防止从端操作力过小导致B超图像不清晰、从端操作力过大对患者造成伤害，要求主端操作力应在适合的范围内。正常情况下，从端的操作力存在适宜的阈值范围Fmin-Fmax，也就是说，从端的操作力在Fmin-Fmax范围内时，B超图像清晰且患者不会产生不适感；当从端的操作力小于Fmin时，B超图像不清晰；当从端的操作力大于Fmax时，从端操作力过大，患者会感到不适感。主端在此范围内可以控制从端接触力大小，在此范围内，主端施加多少力从端也多少的贴合力。主端力低于阈值时，从端贴合力为Fmin。主端力大于阈值时，从端力为Fmax。根据从端所需力，根据阻抗控制算法对位置进行修正。
Freal为从端实时贴合力，Fmaster为主端施加力Fdesired为期望贴合力
Figure BDA0002914859750000141
ΔF＝Freal-Fdesired
Δd为轴向增量，可通过改变机器人末端位姿改变；
Figure BDA0002914859750000142
根据阻抗控制修正位置。
本实施例中，从端基于协作机器人末端的六维力传感器，采用柔顺力控制技术，实现不同人体形面的恒力贴合，并在接触瞬间无冲击力，可以保证不同人体形面、胖瘦(软硬程度)的安全。
从端医生基于锁定的定位穿刺点，完成穿刺手术。
当主端医生完成穿刺定位后，定位穿刺点信息会显示在从端显示器上，从端医生基于锁定的定位穿刺点，完成穿刺手术。在进行穿刺过程中，穿刺图像通过5G网络传输到主端显示器上，主端医生可实时观察从端医生的穿刺操作，可以进行实时指导，保证穿刺手术的顺利进行。
与现有技术相比，本实施例方法至少具有如下有益效果：
1.操作精度高、稳定性好，采用远程交互式穿刺定位的手术方式，利用5G低延时传输数据，保证了远程辅导穿刺手术的安全可靠性，能够满足医疗条件较差地区的穿刺辅导。
2.主端机械臂完全由手动驱动，操作更灵活，能够最大限度体现实际手术操作，成本更低。覆盖手术区域，工作空间大。
3.主端采用六维力传感器以实时采集握持部在三维空间的全力信息，经计算将合适力信息传递给从端，保证从端力控受主端控制并在一个合适范围内，不仅能够保证手术的安全也可以确保B超采集图像的清晰，提高穿刺系统的可操作性。
4.从端基于协作机器人末端的六维力传感器，采用柔顺力控制技术，实现不同人体形面的恒力贴合，并在接触瞬间无冲击力，可以保证不同人体形面的安全。
5.从端的协作机器人采用倒置的安装方式，可以有效利用臂展，使协作机器人的末端最大化到达患者身体的各个部位，避免串联结构反解不唯一可能带来的机械臂对人体的撞击，提高系统安全性，且在保证安全性的同时不牺牲工作空间。
6.主从端可为多对多模式，即一个主端可以分别控制多个从端，一个从端可以由不同的主端控制，这样就可以实现同一个医生与不同地区的从端实现交互，同时同一个地区的从端也可以接受不同的医生远程医疗操作，但是在实现远程医疗配对后的工作模式下，只能一对一。
7.测距传感器在初始状态下，通过机器人在设定绝对定安全高度(距离患者身体20cm左右)平面内网格(网格间距1.5cm)移动，获取患者身体表面粗略三维形面信息；可以提高系统响应速度。
8.轴向驱动电机可以驱动末端医疗装置沿轴向贴近患者身体。轴向电机可以控制末端医疗装置沿轴向移动，省去了从端机械臂六轴反解、联动过程，使末端医疗装置更加快速地贴近人体，提高了从端响应的及时性；同时由于测距传感器的存在，避免了由于控制算法固有的超调或响应慢的缺陷，医疗装置未贴近人体或对人体压力过大的情况。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，包括：
假体，所述假体用于模拟真实人体；
主端操作臂，具有主端医生操作的握持部，所述握持部与所述假体接触实现模拟操作；所述主端操作臂设置有编码器、测距传感器、倾角传感器和主端多维力传感器，基于所述编码器、测距传感器和倾角传感器监测的数据，获取所述握持部的位置、姿态信息；所述主端多维力传感器用于实时检测所述握持部的受力信息；
模拟手术台，所述模拟手术台包括台面和驱动机构，所述台面用于支撑所述假体，所述驱动机构用于驱动所述台面在空间范围内移动；
从端机器人，设有从端多维力传感器，用于实时检测贴合力；所述从端机器人与所述主端操作臂互联通信，根据所述握持部的位置、姿态和受力信息实时动作；
显示单元，实时显示包括主端姿态信息、主端多维力信息、从端现场音视频信息、从端医疗影像和从端机器人力信号。
2.如权利要求1所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，所述驱动机构包括升降驱动机构，所述升降驱动机构的顶端与所述台面连接，所述升降驱动机构的底端固定于底座上。
3.如权利要求2所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，所述升降驱动机构的数量为多个，多个所述升降驱动机构均匀布置，且所述升降驱动机构的顶端与所述台面转动连接。
4.如权利要求2或3所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，所述驱动机构还包括旋转机构，所述旋转机构用于驱动所述台面旋转。
5.如权利要求4所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，所述升降驱动机构通过安装板设于旋转机构的上方，所述旋转机构的顶端与所述安装板的下表面固定连接，所述升降驱动机构的底端固定设于所述安装板的上表面。
6.如权利要求4所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，所述台面包括平行设置的第一层和第二层，所述第一层与所述第二层通过所述旋转机构连接，所述第二层的下表面与所述升降驱动机构的顶端连接。
7.如权利要求2-3、5-6任一项所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，所述升降驱动机构采用液压缸驱动或电机驱动。
8.如权利要求1所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，主端操作臂包括基座、大臂、小臂和手控联动部，所述基座与大臂转动连接、大臂与小臂转动连接，所述手控联动部与小臂通过万向节连接；所述大臂转动轴处设置有第一编码器，所述大臂与小臂连接处设置有第二编码器，所述手控联动部上设置有所述倾角传感器和所述主端多维力传感器。
9.如权利要求8所述的具有主端力反馈的远程交互式超声引导穿刺系统，其特征在于，所述主端操作臂还包括升降机构，所述手控联动部通过升降机构与所述小臂连接；所述升降机构上、基座与大臂的转动处、大臂与小臂的转动处均设置有可调阻尼。
10.一种远程交互式超声引导穿刺方法，其特征在于，利用权利要求1至9任一项所述的远程主从交互式医疗系统，所述方法包括如下步骤：
1)术前，由从端机器人测量人体形面，得到患者手术区域三维形面信息。
2)主端医生根据操作需要，控制驱动机构调整假体的空间位置以及姿态，医生操作主端操作臂在假体上运动，主端计算单元采集主端多传感器计算的得到主端操作臂的位置、姿态、力的信号经处理后反馈给从端机器人；
3)从端机器人根据接收到的位姿信号执行动作，并根据之前的型面三维数据和从端实时力信号，修正位姿，直到从端受力大小与主端一致；
4)主端医生根据显示单元显示的从端医学影像和从端三维力数据调整操作和施力；
5)重复步骤2)-4)直至达到合适定位点。
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