CN115300110A - 内窥镜手术控制系统 - Google Patents

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CN115300110A CN202211070205.8A CN202211070205A CN115300110A CN 115300110 A CN115300110 A CN 115300110A CN 202211070205 A CN202211070205 A CN 202211070205A CN 115300110 A CN115300110 A CN 115300110A
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Abstract

本发明公开了一种内窥镜手术控制系统，该系统包括：至少有一个机械臂安装有内窥镜；至少有一个机械臂安装有手术器械；所述操作手柄由医生操作；所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄；所述定位设备通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜和手术器械。本发明不采用编码器，误差小，硬件简单，占用空间小，安装方式灵活。

Description

内窥镜手术控制系统
技术领域
本发明涉及医疗器械控制技术领域，尤其涉及内窥镜手术控制系统。
背景技术
本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
现有内窥镜手术机器人系统由外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统三部分组成。
外科医生控制台是医生坐在控制台中，位于手术室无菌区之外，使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。
床旁机械臂系统是外科手术机器人的操作部件，其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统周围工作，负责更换器械和内窥镜，协助医生完成手术。
成像系统内装有外科手术机器人的核心处理器以及图象处理设备，在手术过程中位于无菌区外，可由巡回护士操作，并可放置各类辅助手术设备。
但是，现有内窥镜手术机器人控制系统结构复杂、目标定位误差大、制造及使用成本高。主要体现在：
1、该系统使用多个串联的编码器通过复杂的算法得出操作手柄的位姿，并将其映射到床旁机械臂系统，此方法误差较大且系统整体成本较高。
2、床旁机械臂系统占用空间较大，侵占医生有限的手术操作空间。
发明内容
本发明实施例提供一种内窥镜手术控制系统，不采用编码器，误差小，硬件简单，占用空间小，安装方式灵活，该系统包括：至少一个机械臂、至少一个内窥镜、至少一个手术器械、至少一个操作手柄、至少一个定位标记、至少一个定位设备、和主控制器；其中，
至少有一个机械臂安装有内窥镜；
至少有一个机械臂安装有手术器械；
所述操作手柄由医生操作；
所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄；
所述定位设备通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；
主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜和手术器械。
本发明实施例中，通过定位设备和定位标记代替编码器，直接测量操作手柄、手术设备的位姿：省略大量硬件，减轻软件算法工作，且避免了编码器组成的串联系统的误差放大。另外，通过定位设备测量各机械臂的位姿，使机械臂不再局限于一个相同的基座，安装方式更灵活。
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他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之一；
图2为本发明实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之二；
图3为本发明实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之三；
图4为本发明实施例中机械臂自由度示意图之一；
图5为本发明实施例中机械臂自由度示意图之二；
图6为本发明实施例中操作手柄设有位姿离合器的原理图；
图7为本发明实施例中融合多个定位设备的位姿的原理图；
图8为本发明实施例中内窥镜手术控制系统进行控制的总体流程图；
图9为本发明实施例中采用机械测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图；
图10为本发明实施例中采用定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图之一；
图11为本发明实施例中采用定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图之二；
图12为本发明实施例中实现重力补偿的流程图；
图13为本发明实施例中手术床运动时重力方向测量的原理示意图之一；
图14为本发明实施例中手术床运动时重力方向测量的原理示意图之二；
图15为本发明实施例中主控制器计算手术设备的目标位姿的流程图；
图16为本发明实施例中多个定位设备进行操作手柄的位姿测量的示意图；
图17为本发明实施例中采用增量法进行位姿映射的流程图；
图18为本发明实施例中采用点对点映射法进行位姿映射的流程图；
图19为本发明实施例中定位设备的测量延迟校正流程图；
图20为本发明实施例中计算手术设备的目标位姿的流程图。
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明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1为本发明实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之一，包括：
至少一个机械臂11、至少一个内窥镜13、至少一个手术器械14、至少一个操作手柄12、至少一个定位设备15、至少一个定位标记(未示出)和主控制器(未示出)；
至少有一个机械臂11安装有内窥镜13；
至少有一个机械臂11安装有手术器械14；
所述操作手柄12由医生操作；
所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄12；
所述定位设备15通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；
主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜或手术器械。
其中，手术器械14可以为带有多关节末端的手术器械14。
图1中，有两个定位设备15，其中，图1左侧的定位设备15用于获得手术设备的当前位姿，图1右侧的定位设备15用于获得操作手柄的当前位姿。
所述定位标记刚性连接于被测对象，其中，刚性连接是相对于柔性连接来说的，通过刚性连接，才能够通过标记测量出被测对象的位姿。
本发明实施例中，位姿包括空间的位置(例如，可用X\Y\Z三个坐标轴表示)和不同导航坐标系下的姿态。
在图1中，机械臂具有7个自由度，两个操作手柄12，一个内窥镜13和两个带有多关节末端的手术器械14，以及光学定位设备15(用于获得刚性连接于手术设备的定位标记)和电磁定位设备15(用于获得刚性连接于操作手柄的定位标记)。
在一实施例中，机械臂安装于手术床边导轨上；或机械臂固定于手术床上。
通过上述设置，使得机械臂可跟随手术床运动，医生可以调整手术床位姿以达到更好的病灶暴露。
在一实施例中，内窥镜末端为固定结构，或由多个能够动的关节组成；
所述手术器械末端为固定结构，或由多个能够动的关节组成。
在一实施例中，所述内窥镜和手术器械能够拆卸并独立使用。
也就是，内窥镜和手术器械，能够与机械臂分离，分离点在驱动电机之前，分离后内窥镜和手术器械可由医生手持使用，这样提供一种更便捷的应用方式；其中，驱动电机是用于驱动机械臂的。
图2为本发明实施例中机械臂自由度示意图之一，在一实施例中，所述机械臂使用被动远程不动点或混合远程不动点的方式控制手术设备，其中混合远程不动点包括混合远程的主动不动点和混合远程的被动不动点；
所述机械臂具有7自由度，
所述机械臂包括顺序连接的第一关节111、第二关节112、第三关节113、第四关节114、第五关节15、第六关节116和第七关节117，其中，第一关节111、第二关节112、第三关节113、第四关节114和第七关节117为能够主动转动的主动关节、第五关节115、第六关节116为只能随动的被动关节；
第五关节115、第六关节116正交；第五关节115、第六关节116和第七关节117交于一点。
其中，主动不动点定义为：驱动被控对象的机械臂包含至少一对非线性相关的相交的自由度，且被控对象以上述交点为中心点运动。
其中，被动不动点定义为：由外部约束将被控对象约束在某一点上，被控对象在机械臂的驱动下以该点为中心点运动。所述机械臂具有至少5个自由度，其中至少3个自由度为能够主动运动的自由度。
其中，混合远程不动点定义为：被控对象的驱动结构至少有一个自由度的基准轴与外部约束点相交，被控对象在机械臂的驱动下以上述点为中心点做运动。
其中，通过冗余关节113，机械臂可实现更灵活的摆位，以方便与其他机械臂协同使用。
图3为本发明实施例中机械臂自由度示意图之二，在一实施例中，所述机械臂使用虚拟远程不动点的方式控制手术设备；
机械臂具有至少6个能够主动运动的自由度；
以图3为例，是具有6个能够主动运动的自由度的机械臂。所述机械臂包括顺序连接的第一关节1211、第二关节(图3未标记)、第三关节(图3未标记)、第四关节(图3未标记)、第五关节(图3未标记)、第六关节1216和第七关节1217，其中，第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节为能够主动转动的主动关节、第五关节、第六关节为只能随动的被动关节，用于移动手术设备的位置，并使手术设备末端始终指向腹壁进入点；
第七关节用于调整手术设备的方向，使内窥镜始终保持其画面方向与操作者的手眼协调方向一致。
其中，虚拟远程不动点的定义为：通过多自由度机械臂各关节的联动，使被控对象在无其他约束的情况下，始终围绕一个实际不存在的中心点运动。
图4为本发明实施例中操作手柄设有位姿离合器的原理图，在一实施例中，所述操作手柄设置有位姿离合器；
定位设备用于在操作手柄的位姿离合器处于开时，主动捕获该操作手柄上的定位标记。
其中，所述位姿离合器可为机械式或非机械式触发；所述位姿离合器可安装在操作手柄上或脚踏上或其他合适的位置。优选的，安装在操作手柄上时，设置于由食指、无名指和/或小指操作的位置。
由于操作手柄无机械结构支撑，因此必须通过额外的位姿离合器控制是否采集操作手柄的位姿，以保证在不需要的情况下机械臂和器械不会按照操作手柄的运动而运动，避免了定位设备一直捕捉操作手柄的位姿，从而实现了按需控制。
图5为本发明实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之二，图5中定位设备为光学定位设备15，用于通过刚性连接于操作手柄的定位标记，获得操作手柄的当前位姿。
图6为本发明实施例中内窥镜手术控制系统的示意图之三，图6中定位设备为电磁定位设备15，用于通过刚性连接于操作手柄的定位标记，获得操作手柄的当前位姿。
图7为本发明实施例中内窥镜手术控制系统进行控制的总体流程图，包括两个部分，第一部分A1-A2，术前标定，第二部分B1-B5，术中控制。
在一实施例中，主控制器还用于：
步骤A1：在手术之前，标定机械臂的RCM位置；
步骤A2：根据机械臂的RCM位置，确定机械臂基座的相对位置，完成手术前标定。
在上述实施例中，在记录机械臂的RCM位置后，可以给出提示消息，表示当前各机械臂已经标定。在计算出各机械臂基座的相对位置之后，还可以给出提示信息，表示机械臂基座的相对位置计算完成。
需要指出的是，这里确定的是机械臂基座的相对位置，而不是相对位姿，后续可直接应用该相对位置，这是因为，当所有机械臂连接至同一基准时，如都安装在同样高度的表面上，或安装于手术床的导轨上，由于其姿态具有一致性，因此只需要测量机械臂基座的相对位置(不需要姿态)即可计算出所有机械臂的相对位姿。
另外，上述操作可以保证医生在内窥镜视野下操作时，机械臂搭载手术设备的运动与操作手柄的运动在运动方向上和速度比例上一致，即如果从操作屏幕上看，操作手柄的运动与手术设备的运动是同步的，实现了眼手协调。
在本发明实施例中，针对图7的步骤B3，获得手术设备(末端)的当前位姿的方法有两种。
第一种，主控制器通过定位设备获得手术设备的定位标记，获得手术设备末端的当前位姿；
第二种，主控制器通过机械臂基座的相对位置，计算手术设备末端的当前位姿。
然后，主控制器判断手术设备末端的当前位姿与目标位姿是否一致。
下面给出主控制器机械臂基座的相对位置，计算手术设备末端的当前位姿的具体流程。
在一实施例中，主控制器具体用于：
采用如下步骤通过机械臂基座的相对位置，计算手术设备末端的当前位姿：
获得通过机械臂主动关节的编码器计算得到的机械臂末端的位置；
获得根据手术前标定时测得的手术设备进入点的位置；
根据机械臂基座的相对位置、机械臂末端的位置、手术设备进入点的位置，计算得到手术设备的整体位姿；
获得通过手术设备内部主动关节的编码器计算得到的手术设备末端相对于手术设备整体的位姿；
叠加手术设备的整体位姿与手术设备末端相对于手术设备整体的位姿，获得手术设备末端的当前位姿。
其中，手术设备进入点包括但不限于腹壁，胸腔。从上述流程可见，通过术前标定确定的机械臂基座的相对位置，可应用于后续计算，步骤A2中，确定机械臂基座的相对位置的方法有三种，下面进行详细介绍。
针对图7的步骤A2，确定机械臂基座的相对位置的方法之一：
图8为本发明实施例中采用机械测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图，在一实施例中，主控制器具体用于：
采用如下的机械测量法确定机械臂基座的相对位置：
确定所有机械臂均能到达的至少一个点，(若为多个点则这些点的相对位置应是已知的)作为机械臂相对位置的测量点；
在各个机械臂到测量点后，记录机械臂的当前位姿，其中，各个机械臂是拖动到上述测量点的；
通过各机械臂的内置传感器，根据机械臂的当前位姿，逆推出相对上述测量点的各机械臂基座的相对位置。
针对图7的步骤A2，确定机械臂基座的相对位置的方法之二：
图9为本发明实施例中采用定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图之一，在一实施例中，主控制器具体用于：
采用如下的定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置：
获得使用定位设备的探针测量的探针在机械臂基座的位置；
根据探针在机械臂基座的位置，获得机械臂的RCM位置；
根据机械臂的RCM位置，计算出机械臂基座的相对位置。
在上述实施例中，在记录机械臂的RCM位置后，可以给出提示消息，表示机械臂的RCM位置记录完毕，即当前各机械臂已经标定。在计算出各机械臂基座相对位置之后，还可以给出提示信息，表示机械臂基座相对位置计算完成。
针对图7的步骤A2，确定机械臂基座的相对位置的方法之三：
图10为本发明实施例中采用定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置的流程图之二，在一实施例中，主控制器具体用于：
采用如下的定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置：
获得定位设备通过定位标记获得的机械臂的RCM位置；
根据机械臂的RCM位置，计算出各机械臂基座的相对位置。
在上述实施例中，首先需要将定位标记，例如光学定位标记阵列刚性连接于机械臂上。在计算出各机械臂基座相对位置之后，还可以给出提示信息，表示机械臂基座相对位置计算完成。
参见图7，在步骤B2中，主控制器驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿的具体过程为：通过驱动机械臂11使得手术设备13整体到达目标位姿，通过手术设备13内部关节，驱动13末端到达相对于手术设备13整体的目标位姿。
参见图7，在步骤B1中，主控制器需要根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿。图11为本发明实施例中主控制器计算手术设备的目标位姿的流程图，主控制器还用于：根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，包括：
步骤C1：获得主手位姿测量坐标系CS.M.ME(coordinate system of measuringdevice for master)下的当前位姿；所述主手位姿测量坐标系为使用定位设备输出结果的坐标系；当使用光学定位设备时，相机输出的图像坐标系即为CS.M.ME；当使用电磁定位设备时，线圈输出的定位结果坐标系即为CS.M.ME；
步骤C2：将主手位姿测量坐标系下的当前位姿，映射为手术设备在从手位姿测量坐标系下的目标位姿。
其中，惯性测量单元二次积分、光学定位设备或电磁定位设备三者中的一种或几种测得主手坐标系CS.M(coordinate system of master)下的操作手柄的当前位姿。
针对步骤C2的位姿映射，本发明实施例提供两种方法。
第一种为增量法，图12为本发明实施例中采用增量法进行位姿映射的流程图，在一实施例中，主控制器还用于：
采用增量法，根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿：
根据定位设备主动捕捉的操作手柄的当前位姿(第一次采样)和一个采样周期后的位姿，操作手柄经过一个采样周期的位姿变化为ΔPO.M，其中，操作手柄经过一个采样周期的位姿变化为在主手位姿测量坐标系下的位姿变化；
采用变换矩阵，将操作手柄经过一个采样周期的位姿变化映射为手术设备经过一个采样周期后的位姿变化ΔPO.S，其中，手术设备经过一个采样周期后的位姿变化为在从手位姿测量坐标系下的位姿变化；具体地，通过变换矩阵T.K.MS进行映射，公式为ΔPO.S(ΔPosition.Slave)＝ΔPO.M×T.K.MS(Transfer coefficient Master to slave)；T.K.MS为一变换矩阵，其作用为放大或缩小主手的输出，以实现快速或精密的操作，以及对主手的各输出量做微调补偿其误差等；
根据定位设备主动捕捉的内窥镜的当前位姿，和手术设备经过一个采样周期后的位姿变化，确定手术设备的目标位姿。
在上述实施例中，可以直接输出手术设备经过一个采样周期后的位姿变化，来驱动手术设备。
针对步骤C2，第二种为点对点映射法，图13为本发明实施例中采用点对点映射法进行位姿映射的流程图，在一实施例中，主控制器还用于：
采用点对点映射法，根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿：
在操作手柄激活后(T0时刻)，记录操作手柄在主手位姿测量坐标系CS.M.ME下操作手柄的相对位置P1.M，生成该相对位置处的第一坐标系CS.P1.M；基于内窥镜系统在从手位姿测量坐标系CS.S.ME下操作手柄的相对位置P1.S，生成该相对位置处的第二坐标系CS.P1.S；
获得操作手柄的当前位姿在第一坐标系的位姿；
采用变换矩阵T.K.MS，将操作手柄的当前位姿在第一坐标系的位姿映射为手术设备在第二坐标系CS.P1.S的目标位姿；
将所述手术设备在第二坐标系CS.P1.S的目标位姿转换为手术设备在从手位姿测量坐标系CS.S.ME下的目标位姿。
图7中，手术床位姿调整后，需要进行机械臂姿态调整，此时触发步骤B6，即进行重力补偿，从而精确计算手术设备的目标位置，消除了因为手术床位姿调整造成了重力方面的误差。具体地，图14为本发明实施例中实现重力补偿的流程图，图15为本发明实施例中手术床运动时重力方向测量的原理示意图之一，B1为手术床旋转前机械臂的重力方向，B2为手术床旋转一个角度，B3为手术床旋转后机械臂的重力方向。图16为本发明实施例中手术床运动时重力方向测量的原理示意图之二，通过外部的定位设备直接测量手术床或与手术床固定的元件的位姿来计算重力的方向。
在一实施例中，主控制器还用于：
在手术床姿态调整后，通过机械臂内置传感器或者定位设备获得机械臂的位姿变化；
根据机械臂的位姿变化，计算机械臂的重力补偿；
根据机械臂的重力补偿、操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿。
在上述步骤中，在手术床姿态调整后，机械臂本体姿态随着发生变化，这样就可以通过机械臂内置传感器或者定位设备获得机械臂的位姿变化，以达到术区暴露的需求。
在一实施例中，定位设备为电磁导航设备，且定位标记为线圈或线圈组；
或，定位设备为光学导航设备，且定位标记为光学定位标记；
或，定位设备为惯性导航设备，且定位标记为惯性测量单元。
在本发明实施例中，单一的导航设备测量结果可能会受环境干扰产生错误的信息，也就是存在单一数据链路不安全的问题。本发明实施例提出采用多个定位设备来解决这个问题，图17为本发明实施例中多个定位设备的位姿采集的原理图，具体方案包括两种：
第一种方法，位姿修正方法，步骤包括：
主控制器在捕获操作手柄的当前位姿的定位设备有多个时，获得多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿；
以多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿中的其中之一为基准，以多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿中的其中之二为校准；
计算基准和校准之间的差值；
在所述差值超过阈值时，丢弃当前位姿；
在所述差值未超过阈值时，以基准为操作手柄的最终的当前位姿。
例如，光学导航设备捕获的操作手柄的当前位姿为基准，惯性导航设备捕获的操作手柄的当前位姿为校准，计算基准和校准之间的差值，在所述差值超过阈值时，丢弃当前位姿，在所述差值未超过阈值时，以光学导航设备捕获的操作手柄的当前位姿为操作手柄的最终的当前位姿。
第二种方法，位姿融合方法，步骤包括：
主控制器在捕获操作手柄的当前位姿的定位设备有多个时，获得多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿；
根据多个操作手柄的当前位姿，采用融合算法计算操作手柄的最终的当前位姿；
在捕获机械臂和手术设备的当前位姿的定位设备有多个时，获得多个定位设备捕获的机械臂和手术设备的当前位姿；
根据多个机械臂和手术设备的当前位姿，采用融合算法计算机械臂和手术设备的最终的当前位姿。
上述实施例中，融合算法有多种，不同的融合算法，均是在各个具有不准确性的状态值中，来寻找相对准确的值。比如基本的Mahony，KF，EKF，自适应KF等等，是在某特定场景下提出的优化算法。当然，还可以有其他融合算法，这里不做限制。
通过上述两种方法，采用多个定位设备消除了单一导航设备的数据不准确的问题，解决了单一数据链路的安全性问题，同时使用多种导航设备，可避免单一导航设备的缺点，如通过惯性测量单元弥补电磁导航设备和光学导航设备在干扰下目标误差较大甚至丢失的问题，以及响应较慢的问题。
参见图7，以操作手柄为例，刚性连接于该操作手柄的定位标记包括3个电磁定位线圈(设于电磁定位单元中)、光学定位标记和惯性测量单元，光学导航设备为相机；电磁导航设备为磁场发生器。不同的定位设备获取操作手柄的位姿后发送至主控制器。
图18为本发明实施例中多个定位设备进行操作手柄的位姿测量的示意图，其中，操作手柄通过位姿离合器124激活，然后，通过惯性测量单元(输出值为电流，转换为加速度和角加速度)123的二次积分、光学定位设备121或电磁定位设备122三者中的一种或几种测得操作手柄的当前位姿。然后，不同定位设备的当前位姿通过融合算法整合在一起。
图7中，操作手柄突然运动时，此时触发步骤B7，即进行测量延迟修正，从而精确计算手术设备的目标位置，消除了由于操作手柄突然运动造成的误差。具体地，图19为本发明实施例中定位设备的测量延迟校正流程图，在一实施例中，主控制器还用于：
在T0时刻操作手柄突然运动时，获得操作手柄运动方向；
驱动手术设备按照操作手柄运动方向的以初始速度运动；
根据操作手柄的运动速度，计算操作手柄在T1时刻的位姿计算值PO1’，所述T1时刻与T0时刻相隔一个或多个采样周期；
在T1时刻，通过定位设备测量操作手柄的精确位姿PO1；
计算操作手柄在T1时刻的位姿计算值与测量得到的精确位姿的差值△PO1；
将所述差值映射为手术设备的位姿差值△PO2；
根据手术设备的位姿差值，修正手术设备的目标位姿。
驱动手术设备到达目标位姿。
在上述实施例中，定位标记可以是惯性单元，经过上述修正，消除了由于操作手柄突然运动造成的误差，可以保证手术设备的目标位姿的准确性。
图7中，在出现非主观抖动时，此时触发步骤B8，即进行非主观抖动消除，从而精确计算手术设备的目标位置，消除了由于医生的非主观抖动造成的误差。图20为本发明实施例中计算手术设备的目标位姿的流程图，在一实施例中，主控制器还用于：
每延迟若干个采样周期(也就是延迟机械臂和手术设备的响应)进行一次采样，获得操作手柄的当前位姿的抖动数据，所述抖动数据包括幅值和频率；
将当前位姿的抖动数据与预设的典型非主观抖动的抖动数据相比较，获得比较结果；
在多次采样获得的比较结果中，当前位姿的抖动数据与预设的典型非主观抖动的抖动数据的差值均在阈值范围内(即接近典型非主观抖动)时，确定当前位姿的抖动为非主观抖动，丢弃所述当前位姿(不应用到手术设备)。
其中，典型非主观抖动的抖动数据可以根据不同的医生建立不同的典型非主观抖动的抖动数据模型，通过模型训练，得到典型非主观抖动的抖动数据。
具体地，将当前位姿的抖动数据与预设的典型非主观抖动的抖动数据相比较时，接近典型非主观抖动，也就是幅值和频率不能过大，也不能过小，在阈值范围内则确定当前位姿的抖动为非主观抖动。
另外，为了避免只出现一次在阈值范围内就判断为非主观抖动，需要多次采样的比较结果，来保证非主观抖动判断精确，通过上述步骤，消除了由于医生的非主观抖动造成的误差。
综上所述，在本发明实施例提出的系统具有以下有益效果：
第一，通过定位设备和定位标记代替编码器，直接测量操作手柄、手术设备的位姿，省略大量硬件，减轻软件算法工作，且避免了编码器组成的串联系统的误差放大。
第二，操作手柄和定位设备不用靠近手术台，通过定位设备测量各机械臂的位姿，使机械臂不再局限于一个相同的基座，安装方式更灵活；
第三，机械臂安装于手术床边导轨上，或机械臂固定于手术床上，可跟随手术床运动，医生可以调整手术床位姿以达到更好的病灶暴露。
第四，单一的导航设备测量结果可能会受环境干扰产生错误的信息，存在单一数据链路不安全的问题，采用多个定位设备的位姿修正方法和位姿融合方法解决了这个问题。
第五，进行了手术前标定，确定了机械臂基座的相对位置，来计算手术设备末端的当前位姿，上述操作可以保证医生在内窥镜视野下操作时，机械臂搭载手术设备的运动与操作手柄的运动在运动方向上和速度比例上一致，即如果从操作屏幕上看，操作手柄的运动与手术设备的运动是同步的，实现了眼手协调。
第六，通过测量延迟修正解决了操作手柄突然运动时造成的误差。
第七，通过非主观抖动消除，消除了由于医生的非主观抖动造成的误差。
第八，通过重力补偿，解决了手术床姿态调整后，机械臂本体姿态随着发生变化出现的问题，最后满足术区暴露的需求。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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。

Claims (20)

1.一种内窥镜手术控制系统，其特征在于，包括：至少一个机械臂、至少一个内窥镜、至少一个手术器械、至少一个操作手柄、至少一个定位标记、至少一个定位设备和主控制器；其中，
至少有一个机械臂安装有内窥镜；
至少有一个机械臂安装有手术器械；
所述操作手柄由医生操作；
所述定位标记刚性连接于被测对象，用于获得被测对象的当前位姿，所述被测对象为内窥镜、手术器械和操作手柄；
所述定位设备通过定位标记获得被测对象的当前位姿，并传输至主控制器；
主控制器，用于根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿，驱动机械臂控制手术设备到达目标位姿；判断手术设备的当前位姿与目标位姿是否一致，若是，停止驱动，其中，手术设备为内窥镜和手术器械。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂使用被动远程不动点或混合远程不动点的方式控制手术设备，其中混合远程不动点包括混合远程的主动不动点和混合远程的被动不动点；
所述机械臂具有7自由度，
所述机械臂包括顺序连接的第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、第五关节、第六关节和第七关节，其中，第一关节、第二关节、第三关节、第四关节和第七关节为能够主动转动的主动关节、第五关节、第六关节为只能随动的被动关节；
第五关节、第六关节正交；第五关节、第六关节和第七关节交于一点。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述机械臂使用虚拟远程不动点的方式控制手术设备；
机械臂具有至少6个能够主动运动的自由度。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述操作手柄设置有位姿离合器；
定位设备用于在操作手柄的位姿离合器处于开时，主动捕获该操作手柄上的定位标记。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，机械臂安装于手术床边导轨上；或机械臂固定于手术床上。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述内窥镜和手术器械能够拆卸并独立使用。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
在手术之前，标定机械臂的RCM位置；
根据机械臂的RCM位置，确定机械臂基座的相对位置，完成手术前标定。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
通过机械臂基座的相对位置，计算手术设备末端的当前位姿；
判断手术设备末端的当前位姿与目标位姿是否一致。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：
采用如下步骤通过机械臂基座的相对位置，计算手术设备末端的当前位姿：
获得通过机械臂主动关节的编码器计算得到的机械臂末端的位置；
获得根据手术前标定时测得的手术设备进入点的位置；
根据机械臂基座的相对位置、机械臂末端的位置、手术设备进入点的位置，计算得到手术设备的整体位姿；
获得通过手术设备内部主动关节的编码器计算得到的手术设备末端相对于手术设备整体的位姿；
叠加手术设备的整体位姿与手术设备末端相对于手术设备整体的位姿，获得手术设备末端的当前位姿。
10.如权利要求8所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：
采用如下的机械测量法确定机械臂基座的相对位置：
确定所有机械臂均能到达的至少一个点，作为机械臂相对位置的测量点；
在各个机械臂到测量点后，记录机械臂的当前位姿，其中，各个机械臂是拖动到上述测量点的；
通过各机械臂的内置传感器，根据机械臂的当前位姿，逆推出相对上述测量点的各机械臂基座的相对位置。
11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：
采用如下的定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置：
获得使用定位设备的探针测量的探针在机械臂基座的位置；
根据探针在机械臂基座的位置，获得机械臂的RCM位置；
根据机械臂的RCM位置，计算出机械臂基座的相对位置。
12.如权利要求9所述的系统，其特征在于，主控制器具体用于：
采用如下的定位设备测量法确定机械臂基座的相对位置：
获得定位设备通过定位标记获得的机械臂的RCM位置；
根据机械臂的RCM位置，计算出各机械臂基座的相对位置。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
采用如下的增量法，根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿：
根据定位设备主动捕捉的操作手柄的当前位姿和一个采样周期后的位姿，操作手柄经过一个采样周期的位姿变化，其中，操作手柄经过一个采样周期的位姿变化为在主手位姿测量坐标系下的位姿变化；
采用变换矩阵，将操作手柄经过一个采样周期的位姿变化映射为手术设备经过一个采样周期后的位姿变化，其中，手术设备经过一个采样周期后的位姿变化为在从手位姿测量坐标系下的位姿变化；
根据定位设备主动捕捉的内窥镜的当前位姿，和手术设备经过一个采样周期后的位姿变化，确定手术设备的目标位姿。
14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
采用如下的点对点映射法，根据操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿：
在操作手柄激活后，记录操作手柄在主手位姿测量坐标系下操作手柄的相对位置，生成该相对位置处的第一坐标系；基于内窥镜系统在从手位姿测量坐标系下操作手柄的相对位置，生成该相对位置处的第二坐标系；
获得操作手柄的当前位姿在第一坐标系的位姿；
采用变换矩阵，将操作手柄的当前位姿在第一坐标系的位姿映射为手术设备在第二坐标系的目标位姿；
将所述手术设备在第二坐标系的目标位姿转换为手术设备在从手位姿测量坐标系下的目标位姿。
15.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
在手术床姿态调整后，通过机械臂内置传感器或者定位设备获得机械臂的位姿变化；
根据机械臂的位姿变化，计算机械臂的重力补偿；
根据机械臂的重力补偿、操作手柄的当前位姿，计算手术设备的目标位姿。
16.如权利要求1所述的系统，其特征在于，定位设备为磁导航设备，且定位标记为线圈或线圈组；
或，定位设备为光学导航设备，且定位标记为光学定位标记；
或，定位设备为惯性导航设备，且定位标记为惯性测量单元。
17.如权利要求16所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
在捕获操作手柄的当前位姿的定位设备有多个时，获得多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿；
以多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿中的其中之一为基准，以多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿中的其中之二为校准；
计算基准和校准之间的差值；
在所述差值超过阈值时，丢弃当前位姿；
在所述差值未超过阈值时，以基准为操作手柄的最终的当前位姿。
18.如权利要求16所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
在捕获操作手柄的当前位姿的定位设备有多个时，获得多个定位设备捕获的操作手柄的当前位姿；
根据多个操作手柄的当前位姿，采用融合算法计算操作手柄的最终的当前位姿；
在捕获机械臂和手术设备的当前位姿的定位设备有多个时，获得多个定位设备捕获的机械臂和手术设备的当前位姿；
根据多个机械臂和手术设备的当前位姿，采用融合算法计算机械臂和手术设备的最终的当前位姿。
19.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
在T0时刻操作手柄突然运动时，获得操作手柄运动方向；
驱动手术设备按照操作手柄运动方向的以初始速度运动；
根据操作手柄的运动速度，计算操作手柄在T1时刻的位姿计算值，所述T1时刻与T0时刻相隔一个或多个采样周期；
在T1时刻，通过定位设备测量操作手柄的精确位姿；
计算操作手柄在T1时刻的位姿计算值与测量得到的精确位姿的差值；
将所述差值映射为手术设备的位姿差值；
根据手术设备的位姿差值，修正手术设备的目标位姿；
驱动手术设备到达目标位姿。
20.如权利要求1所述的系统，其特征在于，主控制器还用于：
每延迟若干个采样周期进行一次采样，获得操作手柄的当前位姿的抖动的幅值和频率；
将当前位姿的抖动数据与预设的典型非主观抖动的抖动数据相比较，获得比较结果，所述抖动数据包括幅值和频率；
在多次采样获得的比较结果中，当前位姿的抖动数据与预设的典型非主观抖动的抖动数据的差值均在阈值范围内时，确定当前位姿的抖动为非主观抖动，丢弃所述当前位姿。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116999178A (zh) * 2023-10-07 2023-11-07 北京科鹏医疗器械有限公司 一种经自然通道内窥镜操作的双频滤波直观主从映射方法
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