基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统的制作方法

本发明涉及颅颌面外科机器人领域，具体为基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统。

背景技术：

颅颌面外科的领域包括了神经外科、口腔颌面外科、眼科、耳鼻喉科、头颈外科、整形外科等众多学科交叉，其常见的治疗有恶性肿瘤切除、复合外伤、畸形的整复治疗等。由于毗邻颅脑、解剖结构复杂，并且治疗需求与容貌密切相关，必须以最小创伤完成精确的术中操作。传统技术方法在术前预测仿真、手术执行精度和操作稳定性等方面已经无法满足治疗需求及专业发展，勉强为之则大大增加了并发症的产生。

20世纪初始，数字化外科技术不断地应用到外科领域，包括医学影像处理、三维重建及可视化技术、计算机辅助设计与制造、导航技术、外科机器人技术等等。其中外科机器人技术是集医学、机器人学、生物学、力学、机械学、机械力学、材料学、计算机图形学、机器视觉、数学分析等诸多学科为一体的新型交叉研究领域。近年来，由于机器人在安全性、灵活性、精确性和稳定性等方面具有显著的优势，为了解决传统外科手术存在的精度不足、切口较大、辐射较多、操作疲劳等问题，人们开始探讨如何将机器人技术引入外科手术领域。借助机器人、传感器、控制器等技术的自身优势，为外科医生提供全新的治疗方法及系统，解决上述问题，改善手术效果，即需研发适合临床应用的智能化手术机器人系统。在神经外科，外科机器人能够成功地行脑内深部肿物进行活组织切片检查、垂体腺瘤切除术、第三脑室造口术、腰椎椎间盘切除术等；在骨科，进行全髋关节、全膝关节置换时，利用外科机器人可对植入物的骨通道进行预备；在泌尿生殖外科，外科机器人已经广泛用于前列腺切除术、膀胱切除术、肾脏切除术、输卵管吻合术、子宫肌瘤切除术；在胸外科，利用外科机器人对早期肺癌患者能够顺利地进行肺叶切除术；在心脏外科，外科机器人可成功完成二尖瓣修补术和冠状动脉搭桥术^[7]；此外，外科机器人在耳鼻喉科也逐步得到了开展。目前，已经商业化并获得fda认证的外科机器人系统有伊索(aesop)系统、robodoc系统、宙斯(zeus)系统、达芬奇(davinci)系统、neuromate系统、minerva系统等。而在国内，北京航天航空大学和解放军海军总医院合作开发了基于虚拟现实的机器人辅助神经外科系统，并于1997年联合研制了第一代基于puma262工业机器人的脑外科机器人辅助定位系统cras，成功开展了临床应用，并在2005年取得了临床许可证。香港中文大学于2004年研发生产了第一台手术导航机械臂的样机，并应用于临床，准确完成了骨科手术中最常用的操作，在导航监控下钻孔上螺钉。天津大学于2006年成功研制主从异构显微外科手术机器人系统“妙手(microhand)”系统，实现了显微外科的精确操作。总体来说，外科机器人技术作为数字化外科技术研究领域的热点，国内开展外科机器人研究的单位较少，大多还停留在实验阶段，经过多年的努力，仅少数研究成果走向产业化，如天玑骨科机器人、威高骨科机器人等。

由于小型智能化机器人通过实现精确、稳定的三维空间运动，可以显著提高精细手术的可预见性，精确性和微创性，从而能有效弥补传统手术方法的不足，对颅颌面外科手术有着非常重要的临床应用价值,而国内外目前尚无针对性研究报道。我国人口众多，颅颌面部的患者日益增多，为了满足这些患者的手术需求，专业的、具有自主知识产权的、符合国情需求的颅颌面外科手术机器人显得十分重要。

结合前期对颅颌面外科机器人的实验研究经验，随着手术环境越来越接近真实临床应用，外科机器人的易用性、可靠性要求也逐渐提高，

现有的外科机器人能够根据术前设定的手术规划，在光学导航系统的辅助下，顺利执行相应的手术任务。

然而，外科医生不能通过外科机器人从手术区域软硬组织获取与手术时外科医生手部相同或相似的临场操作感，严重制约着外科机器人技术的发展。虽然视觉反馈系统和听觉反馈系统能够帮助外科医生加深对手术区域的了解，在某种程度上可以解决外科机器人的缺陷，但是从增强手术可操作性的角度分析，两者均无法替代力反馈系统。基于力反馈控制模式的研究已成为外科机器人开发、控制及应用中的热点难题。

力反馈系统，是指能够测量或预测手术器械施加给患者的力并通过力反馈器将力传递到外科医生手上的工作系统，其组成主要包括工作端的力传感器，负责检测和采集手术区域软硬组织的力学信息，以及操作端的力反馈器，负责根据工作端的力学数据产生力反馈和接受外科医生的控制指令。力反馈系统能够建立人、机器人以及虚拟环境之间联系，给外科医生提供虚拟仿真的力反馈，提高外科机器人的安全性和可操作性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统，包括颅颌面外科机器人、光学导航系统以及力反馈系统，所述光学导航系统的输出端以及力反馈系统的输出端均与颅颌面外科机器人的输入端信号连接，所述光学导航系统与力反馈系统双向信号连接。

优选的，所述颅颌面外科机器人包括机械臂以及手术动力系统，所述光学导航系统包括光学定位仪、计算机工作站、适配器以及参考架，所述力反馈系统包括力反馈器、力传感器、信号放大器以及数据采集卡。

优选的，所述机械臂为七自由度机械臂，所述手术动力系统固定安装在机械臂的末端，所述光学导航系统的适配器固定安装在机械臂的末端位于手术动力系统的一侧，所述光学导航系统的参考架设置在手术目标其手术区域的外侧位置。

优选的，所述力反馈系统的力传感器的输出端与其信号放大器的输入端信号连接，所述力反馈系统的信号放大器的输出端与其数据采集卡的输入端信号连接。

优选的，所述计算机工作站包括视觉反馈装置、上位机、lan以及下位机，所述上位机的输出端与视觉反馈装置的输入端信号连接，所述上位机与lan双向信号连接，所述lan与下位机双向信号连接，所述下位机的输出端与机械臂信号连接，所述上位机与力反馈器双向信号连接。

优选的，所述手术动力系统的输出端与机械臂的输入端信号连接，所述光学导航系统的光学定位仪为双探头红外线定位仪。

优选的，所述适配器为光学适配器。

优选的，所述参考架为光学参考架。

优选的，所述力学反馈系统的力反馈器为六维力传感操纵杆。

优选的，所述视觉反馈装置为显示器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统，利用光学导航系统，能够实时精准定位，提高系统的可靠性，也利用力反馈系统，能够根据术区的力学信息，外科医生随时介入手术，提高系统的易用性和可控性。并通过特定的颅颌面外科实验手术，测试机器人辅助手术的可行性。而今后，本颅颌面外科机器人系统将通过临床多中心实验及临床试验验证其稳定性和安全性，以期进入产业化，使之推广至临床应用。采用由光学定位仪、计算机工作站、适配器以及参考架等部件构成的光学导航系统，对由机械臂以及手术动力系统构成的颅颌面外科机器人进行导向，以方便医生在光学导航系统的引导下进行手术规划，利用红外线定位远离，实现对目标的实时定位及追踪，保证手术的精确性，采用由力反馈器、力传感器、信号放大器以及数据采集卡构成力反馈系统，由力传感器将手术区域的三维力学信息，然后通过信号放大器以及数据采集卡将收集的信息，反馈给计算机工作站，并通过视觉反馈装置进行显示，便于医生观察患者手术区域的状态，同时通过计算机工作站，将采集到的力学信息传输至力反馈器，并作用至医生手部，以传达给医生手术进行的状态，采用三维力学信息采集设备作为力反馈器，在能够传达手术区域力学信息的同时，能够对医生操作力反馈器的力学信息，进行收集，并通过计算机反馈给机械臂，从而进行机械臂的控制，实现对手术路径的调整。

附图说明

图1为本发明实施例一的手术过程轨迹规划图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明的系统流程图。

图中：1颅颌面外科机器人、2机械臂、3手术动力系统、4光学定位仪、5计算机工作站、6适配器、7参考架、8力反馈器、9力传感器、10信号放大器、11数据采集卡。

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-3，本发明提供一种技术方案：

基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统，包括颅颌面外科机器人1、光学导航系统以及力反馈系统，所述光学导航系统的输出端以及力反馈系统的输出端均与颅颌面外科机器人1的输入端信号连接，所述光学导航系统与力反馈系统双向信号连接。

作为本发明的一种技术优化方案，所述颅颌面外科机器人1包括机械臂2以及手术动力系统3，所述光学导航系统包括光学定位仪4、计算机工作站5、适配器6以及参考架7，所述力反馈系统包括力反馈器8、力传感器9、信号放大器10以及数据采集卡11。

作为本发明的一种技术优化方案，所述机械臂2为七自由度机械臂，所述手术动力系统3固定安装在机械臂2的末端，所述光学导航系统的适配器6固定安装在机械臂2的末端位于手术动力系统3的一侧，所述光学导航系统的参考架7设置在手术目标其手术区域的外侧位置。

作为本发明的一种技术优化方案，所述力反馈系统的力传感器9的输出端与其信号放大器10的输入端信号连接，所述力反馈系统的信号放大器10的输出端与其数据采集卡11的输入端信号连接。

作为本发明的一种技术优化方案，所述计算机工作站5包括视觉反馈装置、上位机、lan以及下位机，所述上位机的输出端与视觉反馈装置的输入端信号连接，所述上位机与lan双向信号连接，所述lan与下位机双向信号连接，所述下位机的输出端与机械臂2信号连接，所述上位机与力反馈器8双向信号连接。

作为本发明的一种技术优化方案，所述手术动力系统3的输出端与机械臂2的输入端信号连接，所述光学导航系统的光学定位仪4为双探头红外线定位仪。

作为本发明的一种技术优化方案，所述适配器6为光学适配器。

作为本发明的一种技术优化方案，所述参考架7为光学参考架。

作为本发明的一种技术优化方案，所述力学反馈系统的力反馈器8为六维力传感操纵杆。

作为本发明的一种技术优化方案，所述视觉反馈装置为显示器。

工作原理：该基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统，采用由光学定位仪4、计算机工作站5、适配器6以及参考架7等部件构成的光学导航系统，对由机械臂2以及手术动力系统3构成的颅颌面外科机器人1进行导向，以方便医生在光学导航系统的引导下进行手术规划，利用红外线定位远离，实现对目标的实时定位及追踪，保证手术的精确性，采用由力反馈器8、力传感器9、信号放大器10以及数据采集卡11构成力反馈系统，由力传感器9将手术区域的三维力学信息，然后通过信号放大器10以及数据采集卡11将收集的信息，反馈给计算机工作站，并通过视觉反馈装置进行显示，便于医生观察患者手术区域的状态，同时通过计算机工作站5，将采集到的力学信息传输至力反馈器8，并作用至医生手部，以传达给医生手术进行的状态，采用三维力学信息采集设备作为力反馈器8，在能够传达手术区域力学信息的同时，能够对医生操作力反馈器8的力学信息，进行收集，并通过计算机工作站5反馈给机械臂2，从而进行机械臂2的控制，实现对手术路径的调整。

基于光学导航及力反馈控制的颅颌面外科机器人系统，用于在颅颌面外科骨性手术，能够实现截骨、钻骨、磨骨等手术操作。该系统具备光学导航主动控制模式及力反馈被动控制模式，能在光学导航系统引导下执行手术规划，也能在力反馈系统协助下术中调整机械臂的运动轨迹。

颅颌面外科机器人系统在执行手术操作时，光学导航系统及力反馈系统需要实现协调控制，整个手术过程可以细分为几个复杂度和重要性不同的子步骤。不同的子步骤需要采用不同的控制模式，那么这种子步骤的分划和控制模式的一一对应即为手术的过程规划。

实施例一

以颅颌面截骨手术任务为例，主要分割为5个子步骤，如图1所示：

手术刀由任意点a在外科医生通过力反馈控制模式将机械臂2运动到离头颅近点b(task1)，然后直线插补到截骨线初始点c(task2)，开始在光学导航及力反馈协同操作模式下进行“截骨”手术(task3)，运动到退刀点d之后自动直线插补到退出点e(task4)，再由外科医生利用力反馈模式手动控制运动到任意远离病人的合适位姿f(task5)，便于搬离手术机械臂。其中截骨线cd段和退出点e必须利用手术导航软件提前规划，a、b、f三点位姿可以通过力反馈操作器任意指定。

将手术过程进行分解后，颅颌面外科机器人1则可实现力反馈与光学导航双控制模式之间的进行协调切换。

该光学导航系统，利用红外线定位原理，实现对目标的实时定位及追踪。光学定位仪4为双探头红外线定位仪，能够发射红外线，经适配器6或参考架矩阵上发光球反射后，通过摄像头捕捉红外线信号，从而实现对适配器6或参考架7的识别及空间定位，信息输入导航系统。对应地，所述适配器6为光学适配器，具有特定的矩阵，通过矩阵上的反光球，被光学定位仪4识别及追踪；同理，参考架7为光学参考架，具有特定的矩阵，通过矩阵上的反光球，被光学定位仪4识别及定位。

当医生使用该系统时，首先通过计算机工作站5进行术前手术模拟，手术路径规划，在手术过程中，通过光学导航系统进行实时定位，同时进行术区力学信息的反馈，并将反馈的力学信息转换为控制信号，传递给机械臂2，当医生进行手术操作时，通过操作力反馈器8，向其传递力学信息，并通过上位机、lan以及下位机，将力学信息通过计算机工作站5传递至机械臂2及其手术动力系统3，进行机械臂2的操控，从而完成手术规划，通过设置在患者手术区域的参考架7以及力传感器9，将机械臂2与患者手术区域接触端的力学信息进行收集，并通过信号放大器10将力传感器9收集到的细微的力学信息变化进行适量的放大，以真实反映患者手术区域的力学信息，并通过数据采集卡11将放大后的力学信息传输至计算机工作站5的上位机，并通过其视觉反馈装置进行显示，同时通过力反馈器8将力学信息作用于医生进行手术规划的手部，方便医生进行直观感受，并根据反馈信息进行下一步手术规划的操作调整。

手术动力系统3、机械臂2、光学定位仪4、适配器6、参考架7、力反馈器8、力传感器9、信号放大器10、数据采集卡11、视觉反馈装置(显示器)、上位机、lan以及下位机均为市场上较为纯熟的现有技术构件，根据具体使用需求选用即可。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。