智能脊椎麻醉穿刺机器人系统的制作方法

专利名称:智能脊椎麻醉穿刺机器人系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种智能脊椎麻醉穿刺机器人系统。其特征在于由机器人本体和图像处理系统两部分组成，机器人本体和图像处理系统之间通过无线网络进行数据通讯；所述的机器人本体设有执行模块、控制模块、压力传感器模块、A/D转换单元和电机驱动模块；所述的图像处理系统包括PC、校准模块和双目视觉系统。该系统通过PC的图像处理来实现术前穿刺的路径规划；通过机器人自动控制技术来实现术中穿刺动作的执行；通过集成的压力传感器模块来对穿刺中的穿刺针的轴向受力进行实时检测和采集，实现穿刺过程的全程监测，能够有效避免手动穿刺可能会带来的意外的发生；整个系统的结构、逻辑简单，可信度高。
【专利说明】
智能脊椎麻醉穿刺机器人系统
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及一种智能脊椎麻醉穿刺机器人系统。
【背景技术】
[0002]脊椎麻醉即为将局麻药注入到硬膜外腔或蛛网膜下腔，阻滞脊神经根而使相应部位产生麻痹。现有的脊椎麻醉操作一般采用徒手定位或者放射性监控下来确定体表进针点和方向，但是不精准的进针常导致一些常见的并发症，硬膜外腔穿刺时用力过大导致的硬膜外血管出血以及硬膜外导管误置进入蛛网膜下腔，给诊断性监测的数据分析带来一定的干扰。误置导管还存在将一些无效、有毒或可致死的其他物质(如麻醉剂、抗生素、化疗试剂或其他诊断试剂等)引入机体。另外，脊椎穿刺后的并发症脊椎性头疼也会给患者生活带来受到额外的困扰和痛苦。
【实用新型内容】
[0003]针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种可进行术前穿刺路径的线性规划、术中穿刺动作的执行以及麻醉穿刺过程的安全性能监控的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统。该系统通过PC的图像处理来实现术前穿刺的路径规划;通过机器人自动控制技术来实现术中穿刺动作的执行;通过集成的压力传感器模块来对穿刺中的穿刺针的轴向受力进行实时检测和采集，实现穿刺过程的全程监测，能够有效避免手动穿刺可能会带来的意外的发生;整个系统的结构、逻辑简单，可信度高。
[0004]所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统，其特征在于由机器人本体和图像处理系统两部分组成，机器人本体和图像处理系统之间通过无线网络进行数据通讯;所述的机器人本体设有执行模块、控制模块、压力传感器模块、A/D转换单元和电机驱动模块，所述的控制模块的信号输入端通过A/D转换单元与压力传感器模块的输出端连接，控制模块的控制信号输出端与电机驱动模块的控制信号输入端连接，电机驱动模块的控制信号输出端连接执行模块，控制模块能够通过通讯接口与图像处理系统进行无线通讯;所述的图像处理系统包括PC、校准模块和双目视觉系统。
[0005]所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统，其特征在于所述的压力传感器模块能实时检测穿刺针受到的轴向力；
[0006]所述的控制模块根据压力传感器模块实时采集的压力值对穿刺针的轴向受力进行分析，通过受力值的变化来判断穿刺针穿透不同组织时的临界点，实现穿刺过程的全程监测；
[0007]所述的执行模块是基于5轴关节臂的机器人模块，包括机座以及设置于机座上方并与机座相连接的3轴关节定位机构，3轴关节定位机构与二自由度的旋转臂串联设置;所述的二自由度的旋转臂能够持握置针用的机械手，并在二自由度的旋转臂末端安装所述的压力传感器模块。
[0008]所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统，其特征在于所述的PC为高端个人电脑，作为图像处理系统的硬件平台；
[0009]所述的校准模块由三块校准板所组成，包括上平面标志板、下平面标志板和矩阵校正板，上平面标志板、下平面标志板和矩阵校正板依次安装在C形臂X光机的影像增强器上，其中上平面标志板和下平面标志板上分别嵌入三颗排布方式一致的直径为2mm的钢珠球，作为图像匹配的标志点，利用C臂X光机的C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校准图像，通过PC对图像与校准模块进行坐标统一;所述的矩阵校正板的正面均匀分布有15x15的间距为1mm的直径2mm钢珠球，作为图像畸变校正的标志点，利用C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校正图像，通过PC对透视图像进行畸变校正;所述的校准模块的底部分布有3颗表示校准模块坐标平面的直径2mm钢珠球；
[0010]所述的双目视觉系统包括I个高清摄像头，通过移动固定距离来获取不同时刻同一个标志点的不同角度的两幅数字图像，并基于双目视觉原理而构建出的双目视觉系统，用于统一校准模块与机器人模块的坐标系。
[0011 ]本实用新型的有益效果是:
[0012]I)本实用新型可以通过术中的2D的C臂X光机的透视图像来进行线性定位，即利用2D的C臂X光机的透视图像计算出进针点及进针方向；而现有的脊椎麻醉操作一般采用徒手定位或者放射性监控下来确定体表进针点和方向，若采用徒手定位法，则无法精准定位，导致操作过程中反复进行打针操作，增加了病人的痛苦及麻醉的风险;若采用放射性监控进行定位的方式，如CT等，这样虽然能够提高定位的精度，但是又让病人在麻醉过程中遭受到了射线的伤害;而本实用新型仅仅通过一张术中的2D的C臂X光机的透视图像便能计算出进针点及进针方向，这样便减少了病人的痛苦，大大降低了麻醉的风险；
[0013]2)现有的脊椎麻醉操作除了无法精准定位外，还存在徒手操作时稳定性差的问题;而本实用新型使用机器人模块进行进针操作，具有高稳定性、高精确性的优势；
[0014]3)在脊椎麻醉操作中，由于麻醉针穿透某些组织，如黄韧带时，进针阻力较大，造成操作者无法掌控好进针力度，最终导致硬膜外血管出血以及硬膜外导管误置进入蛛网膜下腔等一系列的问题，因此哪怕是拥有了放射性监控设备的辅助，现有的脊椎麻醉操作仍然存在很大的风险和失败率;而本实用新型在执行机器人模块的末端加装了压力传感器模块，对穿刺针受到的轴向力进行实时监测，通过控制模块的分析，可以清楚的知道当前麻醉针有没有穿透关键组织，当麻醉针穿透的瞬间能让其立刻停下，有效避免了麻醉针的误置。
【附图说明】

[0015]图1为智能脊椎麻醉穿刺机器人系统结构框图；
[0016]图2为智能脊椎麻醉穿刺机器人系统的结构示意图；
[0017]图3为上平面标志板示意图；
[0018]图4为下平面标志板示意图；
[0019]图5为矩阵校正板示意图；
[0020]图6为校准模块坐标标志点示意图；
[0021 ]图7为穿刺过程的受力曲线示意图；
[0022]图中:1-C臂X光机;2-影像增强器;3-X光发射源;4_患者;5_麻醉针或者导管;6_机械手;二自由度的旋转臂;8-3轴关节定位机构;9-机座；10-双目视觉系统；11-摄像头初始位；12-摄像头结束位；13-上平面标志板；14-下平面标志板；15-矩阵校正板；16-校准模块坐标标志点。
【具体实施方式】
[0023]下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明:
[0024]图1为本实用新型智能脊椎麻醉穿刺机器人系统结构框图，包括有机器人本体和图像处理系统两大核心模块。机器人本体和图像处理系统之间通过无线网络进行数据通讯。机器人本体设有执行模块、控制模块、A/D转换单元、电机驱动模块和压力传感器模块，其中的压力传感器模块能实时检测穿刺针受到的轴向力。而压力传感器模块又通过A/D转换单元与控制模块相连，控制模块通过电机驱动模块与执行模块连接。控制模块会根据压力传感器模块实时采集的压力值对穿刺针的轴向受力进行分析，图6为穿刺过程的受力曲线示意图，如图所示，当进针至tl时刻时，进针阻力达到最大，当突破某组织(如黄韧带)时，即t2时刻时，进针阻力急速下降。控制模块通过受力值的变化来判断穿刺针穿透不同组织时的临界点，实现穿刺过程的全程监测，同时控制执行模块的运动。图1所述的图像处理系统包括有PC、校准模块和双目视觉系统10。
[0025]图2为本实用新型智能脊椎麻醉穿刺机器人系统的结构示意图，所述的校准模块由上平面标志板13、下平面标志板14、矩阵校正板15所组成，可安装在C臂X光机I的影像增强器2上。其中的上平面标志板13和下平面标志板14上分别嵌入三颗排布方式一致的直接为2mm钢珠球，如图3、图4所示，作为图像匹配的标志点，利用C臂X光机的C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校准图像，通过PC对图像与校准模块进行坐标统一；另外矩阵校正板15的正面均匀分布有15x 15的间距为I Omm的直径2mm钢珠球，如图5所示，利用C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校正图像，通过PC对透视图像进行畸变校正。双目视觉系统10安装在机器人本体的执行模块的机座9上，与机座9保持有固定的相对位置关系。双目视觉系统10包括有I个高清摄像头，它是通过在摄像头初始位11处拍摄一张校准模块坐标标识平面上的校准模块坐标标志点16的数字图像，然后移动固定距离至摄像头结束位12处再拍摄一张校准模块坐标标识平面上的校准模块坐标标志点16的数字图像，并基于双目视觉原理而推导出校准模块的坐标系与机器人模块的坐标系的转换关系，最终将坐标统一到机器人坐标系上。
[0026]双目视觉系统已经是成熟技术，本实用新型仅是对其应用，因此双目视觉系统在此不再赘述。
[0027]图2中的3轴关节定位机构8与机座9连接，3轴关节定位机构8又与二自由度的旋转臂7串联设置，机械手6安装在二自由度的旋转臂7上，麻醉针或者导管5通过机械手6来握持。
[0028]本实用新型的操作步骤如下:
[0029](— )校准操作:
[0030]I)将校准模块安装在C臂X光机I的影像增强器2上，先装上矩阵校正板15，通过C臂X光机I获取透视图像，并将透视图像输入至图像处理系统，实现对畸变图像的校正；
[0031]2)取下矩阵校正板15，然后装上上平面标志板13、下平面标志板14，通过C臂X光机I获取透视图像，并将透视图像输入至图像处理系统，实现图像坐标与校准模块坐标的统，
[0032](二)进针操作:
[0033]a)将患者4放置于C臂X光机I的影像增强器2和X光发射源3之间，通过C臂X光机I获取病灶的透视图像，并将透视图像输入至图像处理系统;然后在图像处理系统的人机交互界面上选取进针点，确认无误后运行，图像处理系统经过运算后，将计算结果通过无线网络发送给机器人本体；
[0034]b)机器人本体接收到计算结果后，其控制模块将控制执行模块进行进针操作;在进针过程中，通过压力传感器模块进行力学监控;当穿透某特定组织(如黄韧带)时，机器人会立即停止进针操作，并提示术中操作者可以进行输麻药操作；
[0035]c)完成输麻药操作后，术中操作者可通过图像处理系统的人机交互界面给机器人发送退针指令;当机器人接收到退针指令后，机器人会沿着进针路线退出麻醉针。
[0036]该系统通过PC的图像处理来实现术前穿刺的路径规划;通过机器人自动控制技术来实现术中穿刺动作的执行;通过集成的压力传感器模块来对穿刺中的穿刺针的轴向受力进行实时检测和采集，实现穿刺过程的全程监测，能够有效避免手动穿刺可能会带来的意外的发生;整个系统的结构、逻辑简单，可信度高。
[0037]应当指出，以上所述【具体实施方式】可以使本领域的技术人员更全面地理解本实用新型创造，但不以任何方式限制本实用新型创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本实用新型创造己进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本实用新型创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本实用新型创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本实用新型创造专利的保护范围当中。
【主权项】
1.智能脊椎麻醉穿刺机器人系统，其特征在于由机器人本体和图像处理系统两部分组成，机器人本体和图像处理系统之间通过无线网络进行数据通讯;所述的机器人本体设有执行模块、控制模块、压力传感器模块、A/D转换单元和电机驱动模块，所述的控制模块的信号输入端通过A/D转换单元与压力传感器模块的输出端连接，控制模块的控制信号输出端与电机驱动模块的控制信号输入端连接，电机驱动模块的控制信号输出端连接执行模块，控制模块能够通过通讯接口与图像处理系统进行无线通讯;所述的图像处理系统包括PC、校准模块和双目视觉系统。2.根据权利要求1所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统，其特征在于所述的压力传感器模块能实时检测穿刺针受到的轴向力； 所述的控制模块根据压力传感器模块实时采集的压力值对穿刺针的轴向受力进行分析，通过受力值的变化来判断穿刺针穿透不同组织时的临界点，实现穿刺过程的全程监测； 所述的执行模块是基于5轴关节臂的机器人模块，包括机座以及设置于机座上方并与机座相连接的3轴关节定位机构，3轴关节定位机构与二自由度的旋转臂串联设置;所述的二自由度的旋转臂能够持握置针用的机械手，并在二自由度的旋转臂末端安装所述的压力传感器模块。3.根据权利要求1所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统，其特征在于所述的PC为高端个人电脑，作为图像处理系统的硬件平台； 所述的校准模块由三块校准板所组成，包括上平面标志板、下平面标志板和矩阵校正板，上平面标志板、下平面标志板和矩阵校正板依次安装在C形臂X光机的影像增强器上，其中上平面标志板和下平面标志板上分别嵌入三颗排布方式一致的直径为2mm的钢珠球，作为图像匹配的标志点，利用C臂X光机的C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校准图像，通过PC对图像与校准模块进行坐标统一;所述的矩阵校正板的正面均匀分布有15x15的间距为1mm的直径2mm钢珠球，作为图像畸变校正的标志点，利用C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校正图像，通过PC对透视图像进行畸变校正;所述的校准模块的底部分布有3颗表示校准模块坐标平面的直径2mm钢珠球； 所述的双目视觉系统包括I个高清摄像头，通过移动固定距离来获取不同时刻同一个标志点的不同角度的两幅数字图像，并基于双目视觉原理而构建出的双目视觉系统，用于统一校准模块与机器人模块的坐标系。
【文档编号】A61B17/34GK205698006SQ201620365225
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】何滨
【申请人】何滨