一种远程遥控步进穿刺机器人系统及操作方法与流程

本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种远程遥控步进穿刺机器人系统及操作方法。

背景技术：

传统的经皮介入穿刺手术是医生在ct机设备的引导下，将小型手术器械，如穿刺针送入患者体内，对病变部位进行检测或治疗的一种微创手术。经皮介入微创穿刺手术与其他微创手术一样，具有创面小、康复快和术后并发症少等优点。

在进行经皮穿刺时，医生通过病灶附近的二维或三维扫描图像判断合适的入针点和入针方向，然后凭借经验通过手动调整穿刺通道完成穿刺操作，常规的x射线透视下穿刺需要医生根据ct机x射线的图像反复多次手动调整操作才能将穿刺针准确穿入患者体内，甚至有时需要医生冒着辐射影响在透视下进行穿刺。专利一种利用ct透视引导遥控实时穿刺的机器人装置(公开号：cn104983467a)介绍了一种遥控实时穿刺机器人，但是其所用的方法是摄像头拍摄穿刺针图像直接输出给显示器，完全由医生根据视频图像情况遥控调整穿刺角度。没有让机器人参与患者影像三维重建、手术规划、以及光学导航相机监控手术规划遥控执行的步骤，依然存在精准度不高，患者异常移动导致大出血的术中风险。

技术实现要素：

针对现有技术存在以上缺陷，本发明提供一种远程遥控步进穿刺机器人系统如下：

本发明的技术方案是这样实现的：

一种远程遥控步进穿刺机器人系统，包括以下部件：

前端机器人台车，所述前端机器人台车包括运行控制软件的前部终端设备、机械臂、遥控进针机构以及脚踏控制器，所述遥控进针机构设置在机械臂的末端，所述前部终端设备控制连接机械臂以及遥控进针机构，所述遥控进针机构上设置有力传感器、电动夹爪以及光学标记；

校准标记模块，所述校准标记模块用于ct坐标系、相机坐标系配准统一；

光学深度导航相机，用于监控穿刺针移动轨迹是否与路径规划设计的路径一致；

所述机械臂用于实现规划穿刺路径，所述遥控进针机构用于将穿刺针推进人体，所述力传感器用于感知穿刺过程中穿刺针受到的力，所述电动夹爪用于松开或锁定穿刺针，所述遥控进针机构上的光学标记用于遥控进针机构和相机坐标系的配准，

遥控终端模块，所述遥控终端模块包括运行远程桌面的后部遥控终端以及遥控进针按钮，后部遥控终端和遥控进针按钮通过线缆或无线通信方式进行连接，后部遥控终端通过线缆或者无线通信方式和前端机器人台车进行通信连接，控制前端机器人机械臂驱动遥控进针机构运动；

患者固定装置，用于将患者固定在ct床板上，防止患者有较大体位移动，

所述前端机器人台车通过线缆或者无线通信方式与光学深度导航相机进行通信连接。

所述后部遥控终端通过远程桌面连接前部终端设备，使得后部遥控终端和前部终端设备共享一个控制操作界面，并且设置机械臂控制动作前部终端设备优先级高于后部遥控终端。

优选地，所述校准标记模块包括两条在水平方向上垂直交错的结构件，交错后形成四条边长不等的水平结构件，所述交错点向上设有垂直结构件，所述水平结构件与垂直结构件为非金属材质，所述水平结构件与垂直结构件各个自由端点均设置有金属球，所述金属球表面涂覆有红外反光涂料。

优选地，所述患者固定装置包括固定绷带或与人体外形适配的塑料固定罩子。

一种远程遥控步进穿刺机器人系统操作方法，包括以下步骤：

1)将患者用患者固定装置固定在ct床板上；开始扫描；

2)医生将患者影像导入前部终端设备，进行三维重建，分割组织器官和病灶后确定穿刺路径，医生确定后控制软件控制机械臂在患者穿刺部位附近形成指向穿刺目标的通道；

3)医生将穿刺针放入机械臂末端的遥控进针机构并用电动夹爪锁定，至少进行一次病灶ct扫描，确定病灶最新位置，前部终端设备中的控制软件根据病灶最新位置更新机械臂位姿，医生确认后控制软件控制前端机器人台车手臂伸入机架内到达更新后的目标位姿；

4)医生在ct室外遥控并观察情况，按下进针按钮或进针脚踏，进行进针操作至穿刺完成。

优选地，所述进针操作为：每按一下进针按钮或进针脚踏，机械臂末端遥控进针机构步进一段小距离，等根据患者病灶位置具体情况穿刺若干个距离后，重新启动ct扫描，获取更新后患者ct数据并叠加显示穿刺针当前位姿，医生通过ct数据确定没问题则继续按压进针按钮或进针脚踏进针；如果有问题则调整穿刺角度，调整角度后继续遥控进针，直到穿刺完成。

优选地，所述进针包括进针前段过程以及进针后段过程，所述进针前段过程的步进距离为2～5mm,所述进针后段过程的步进距离为0.1～2mm。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

本发明的远程遥控步进穿刺机器人系统及操作方法，当采用系统中遥控进针机构进行穿刺定位时，医生可回到扫描控制室而不需要一直处于x射线辐射范围ct室内，在控制室内操作进针机构并可实时查看ct机传回的实际影像，如果有偏差可以及时调整穿刺角度，如果没有偏差就一步步按术前规划的进针通路遥控步进直到完成穿刺目标，本发明可使医生在ct室外或者在ct室内铅玻璃挡板后进行操作从而避免接收x射线的辐射，同时也可方便的实现精准穿刺，提高了手术效率，降低了患者术中二次伤害的风险。

附图说明

图1为本发明前端机器人台车的结构示意图；

图2为本发明校准标记模块的结构示意图；

图3为本发明光学深度导航相机的结构示意图；

图4为本发明校准标记模块的结构示意图；

图5为本发明实施例一的现场实施情形图；

图6为本发明实施例二的现场实施情形图。

图中：前端机器人台车100，前部终端设备110，机械臂120，遥控进针机构130，力传感器140，电动夹爪150，校准标记模块200，水平结构件210，垂直结构件220，金属球230，光学深度导航相机300，遥控终端模块400，后部遥控终端410，遥控进针脚踏420。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。

如图1至4所示，一种远程遥控步进穿刺机器人系统，包括以下部件：

前端机器人台车100，所述前端机器人台车100包括运行控制软件的前部终端设备110、机械臂120、遥控进针机构130以及脚踏控制器，所述遥控进针机构130设置在机械臂120的末端，所述前部终端设备110控制连接机械臂120以及遥控进针机构130，所述遥控进针机构130上设置有力传感器140、电动夹爪150以及光学标记，所述前部终端设备110采用控制电脑；

校准标记模块200，所述校准标记模块200用于术前ct扫描，控制软件获取校准标记模块的ct扫描数据同时获取光学深度导航相机图像，将ct坐标系、相机坐标系配准统一；

光学深度导航相机300，用于监控进针机构上光学标记运动轨迹，进而判断穿刺针移动轨迹是否与路径规划设计的路径一致，所述光学深度导航相机300可采用光学双目导航相机；

所述机械臂120用于实现规划穿刺路径，所述遥控进针机构130用于将穿刺针推进人体，所述力传感器140用于感知穿刺过程中穿刺针受到的力。

遥控终端模块400，所述遥控终端模块400包括运行远程桌面的后部遥控终端410以及遥控进针按钮或是遥控进针脚踏420,后部遥控终端410和遥控进针按钮通过线缆或无线通信方式进行连接，所述后部遥控终端410通过线缆或者无线通信方式和前端机器人台车100进行通信连接，控制前端机器人机械臂驱动遥控进针机构运动；

患者固定装置，用于将患者固定在ct床板上，

所述前端机器人台车100通过线缆或者无线通信方式与光学深度导航相机300进行通信连接,

所述后部遥控终端410通过远程桌面连接前部终端设备110，使得后部遥控终端410和前部终端设备110共享一个控制操作界面，并且设置机械臂控制动作前部终端设备110优先级高于后部遥控终端410。

所述校准标记模块200包括两条在水平方向上垂直交错的结构件，交错后形成四条边长不等的水平结构件210，所述交错点向上设有垂直结构件220，所述水平结构件210与垂直结构件220为非金属材质，所述水平结构件210与垂直结构件220各个自由端点均设置有金属球230，所述金属球230表面涂覆有红外反光涂料。

所述患者固定装置包括固定绷带或与人体外形适配的塑料固定罩子。

本发明还提供一种远程遥控步进穿刺机器人系统操作方法，包括以下步骤：

1)将患者用患者固定装置固定在ct床板上；开始扫描

2)医生将患者影像导入前部终端设备，进行三维重建，分割组织器官和病灶后确定穿刺路径，医生确定后控制软件控制机械臂在患者穿刺部位附近形成指向穿刺目标的通道；

3)医生将穿刺针放入机械臂末端的遥控进针机构并用电动夹爪锁定，至少进行一次病灶ct扫描，确定病灶最新位置，前部终端设备中的控制软件根据病灶最新位置更新机械臂位姿，医生确认后控制软件控制前端机器人台车手臂伸入机架内到达更新后的目标位姿；

4)医生在ct室外遥控并观察情况，按下进针按钮或进针脚踏，进行进针操作至穿刺完成。

所述进针操作为：每按一下进针按钮或进针脚踏，机械臂末端遥控进针机构步进一段小距离，等根据患者病灶位置具体情况穿刺若干个距离后，重新启动ct扫描，获取更新后患者ct数据并叠加显示穿刺针当前位姿，医生通过ct数据确定没问题则继续按压进针按钮或进针脚踏进针；如果有问题则调整穿刺角度，调整角度后继续遥控进针，直到穿刺完成。

所述进针包括进针前段过程以及进针后段过程，所述进针包括进针前段过程以及进针后段过程，所述进针前段过程的步进距离为2～5mm,所述进针后段过程的步进距离为0.1～2mm。一些优选的实施例中，所述进针前段过程的步进距离为2mm,所述进针后段过程的步进距离为1mm。

针对远程遥控步进穿刺机器人系统操作方法，本发明提供了两个实施例，

实施例一，如图5所示，

所述光学深度导航相机安装在导航相机台车上临时固定，在ct机架内遥控步进穿刺。

若选择光学深度导航相机不固定安装的实施例，则将光学深度导航相机固定于导航相机台车上。把前端机器人台车位置放入ct机架附近并固定，将光学深度导航相机放置于可以观察前端机器人遥控进针机构上的光学标记位置以及ct机架位置并固定。之后将校准标记模块放入ct床板进行扫描，扫描时光学深度导航相机拍摄校准标记模块上的金属球以及遥控进针机构上的光学标记，根据金属球在光学深度导航相机图像里的信息和ct数据信息以及金属球空间排列信息和光学标记在相机图像里的信息可以将ct坐标系、光学深度导航相机坐标系和机械臂坐标系统一。如果前端机器人台车位置和光学深度导航相机位置没有发生变化，这一校准步骤做过后就不需要再做。

患者躺在ct床上，用绷带进行体位固定，之后在患者病灶附近贴光学标记点，医生将患者影像导入控制电脑，进行三维重建，分割组织器官和病灶后确定穿刺路径，在ct机架外进行皮肤进针点开口定位。医生确定后控制软件控制机械臂在患者穿刺部位附近形成指向穿刺目标的通道，医生用手术刀在穿刺通道和人体皮肤接触部位进行人为开孔，避免遥控进针时皮肤难以穿透导致进针点移动。之后医生将将穿刺针放入机械臂末端遥控进针机构并用电动夹爪锁定，将患者病灶部位移动进入ct机架可以扫描的部位，进行一次ct扫描，确定病灶更新后的位置，控制软件根据病灶最新位置更新机械臂位姿，并检测带有穿刺针的机械臂末端的移动路径时不会和ct机架以及患者碰撞，医生确认后控制软件控制前端机器人台车机械臂伸入机架内到达更新后的目标位姿。控制软件根据机械臂前端的光学标记和患者身上标记判断患者位置没有移动，机械臂并且已经到达预设的位姿。医生在ct室外遥控终端按下进针按钮，每按一下机械臂前端进针机构步进2mm，医生凭经验遥控穿刺3mm距离后靠近大血管部位，此时医生重新启动ct扫描，获取更新后患者ct数据并叠加显示穿刺针当前位姿。医生确定没问题继续按压进针按钮进针，并把步进间距调整为1mm。医生持续遥控步进进针，直到穿刺完成。

实施例二，如图6所示，

当选择光学深度导航相机永久固定方式时。在ct室天花板上正对ct机架位置安装光学深度导航相机，在ct机架外进行遥控步进穿刺，和实施例一中ct机架内遥控步进穿刺配准方法和基本步骤相似，只是进针穿刺是在ct机架外进行，需要扫描验证时，机械臂上遥控进针机构电动夹爪打开，穿刺针脱离，病人移动进机架扫描，扫描完毕后退回到穿刺位置，进针机构上电动夹爪把穿刺针锁紧，继续遥控步进穿刺。

综合本发明的结构以及操作过程可知，本发明的远程遥控步进穿刺机器人系统及操作方法，当采用系统中遥控进针机构进行穿刺定位时，医生可回到扫描控制室而不需要一直处于x射线辐射范围ct室内，在控制室内操作进针机构并可实时查看ct机传回的实际影像，如果有偏差可以及时调整穿刺角度，如果没有偏差就一步步按术前规划的进针通路遥控步进直到完成穿刺目标，本发明可使医生在ct室外或者在ct室内铅玻璃挡板后进行操作从而避免接收x射线的辐射，同时也可方便的实现精准穿刺，提高了手术效率，降低了患者术中二次伤害的风险。