皮肤激光治疗辅助机器人及其辅助方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及医学领域一种重要的治疗辅助机器人，具体涉及一种皮肤激光治疗辅助机器人及其辅助方法。
【背景技术】
[0002]随着皮肤激光治疗、激光美容技术的推广，目前全国开展皮肤激光项目的医疗、美容机构多达98.3万家。从技术水平上看，激光美容治疗基本以手工操作为主，自动化程度底，对激光治疗医生的依赖性高。而我国每千人的医生人数仅为日本的0.79，仅为德国的一半。人们对激光治疗这种高端技术需求不断增加，而相应的高素质激光治疗医生十分缺乏，上述供需矛盾使得研发一种能够替代或提高人工效率的激光治疗辅助机器人迫在眉睫。
[0003]医用机器人得到开发并迅速投入临床应用始自于21世纪初，被认为是医学发展史上的一次革命。医用机器人集医学、生物力学、机械学、机械力学、计算机图形学、计算机视觉、数学分析、机器人等诸多学科为一体的新型交叉研究领域，在军用和民用上有着广泛的应用前景，而医用机器人领域是其中的研究热点。国内外已成功商品化的医疗机器人系统包括:达芬奇手术机器人系统、国产妙手外科手术机器人等。外科医生透过它所提供的灵巧操控、精准定位以及术前规划，可以使得病患手术伤口减小、术后迅速恢复正常生活等，达到精准性和微创性两大优点。目前医用机器人研发方向主要为辅助腔内手术，而针对体外医用机器人的研发，尤其是进行治疗性操作的医用机器人系统，国内外尚处于空白阶段。
[0004]医用机器人与传统人工技术相比有许多技术优势，具有精细化、高速化、智能化、微创化的特点，可以更精确地诊断症状，科学分析病理，降低人工操作失误。同时，抗环境干扰、克服术者机能极限等方面较人工操作具有无可比拟的优势。因此，医用机器人在我国经济持续高速发展进入更高层次的时候必定替代一部分传统的人工技术。
[0005]目前，以人工操作为主的皮肤激光治疗确实存在如下难以克服的问题:
在临床实践中，合格的激光治疗师往往需要具备多年的理论学习和实践操作经验，才能确保激光治疗的效果。在特殊的情况(如:光线不佳、疲劳、情绪、周边干扰等)下，即使经验丰富的激光医生也容易出现人为操作失误，严重者可导致治疗失败，甚或毁容。
[0006]在激光治疗术中，目前商用的皮肤激光设备大部分为手持式，激光医生在施行操作中必须手动，全程治疗必须保证激光探头与靶部位皮肤的表面垂直、距离恒定；同时，平扫治疗时，单次激光脉冲发射后，激光探头要以恒定间距移动，以确保不遗留治疗死角。纯手工操作难以避免产生偏差，导致治疗过度、不足或不均一等缺陷，在一定程度上影响激光治疗效果。
[0007]另一个重要的问题是皮肤激光设备的人机工程学参数设计不合适；或为激光达到某一特定指标，而相关联的另一个指标超过人为控制的极限。如:脉冲激光设备的激光脉冲频率最高达到30HZ以上(过低的频率可能导致治疗时间延长，患者耐受度下降，术者易疲劳)，人手的位移极限频率仅仅3HZ。如果要保证精准位移，人手的位移频率还要大大下降。在这种情况下，医生往往只能凭习惯，牺牲激光治疗设备的某方面优势，来进行“人为干预式”的治疗。
[0008]因此，从上述几点来看，目前的激光治疗是经验式的治疗，难以保证激光治疗的规范性，治疗取决于治疗医生的“手法”、“预判”和“估计”，疗效难于保证。
[0009]智能化医用机器人具有高效、精确、高速、抗干扰、参数阈值可调等天然优势。因此，科学的开发并合理的设计出激光治疗机器人辅助系统，有助于解决上述几个长期困扰激光治疗的“瓶颈”难题。
【发明内容】
[0010]鉴于现有技术，本发明提供一种皮肤激光治疗辅助机器人及其辅助方法，以实现自动化程度高、定位精准、运动智能、高速、高疗效、高效率的皮肤激光治疗目的。
[0011]本发明采用的技术方案如下:
一种皮肤激光治疗辅助机器人，包括精确定位移动机器人、治疗仪激光探头、视觉识别与控制系统、测距装置和安全装置；所述的治疗仪激光探头安装于精确定位移动机器人的机械臂末位前端，测距装置安装于治疗仪激光探头的侧面，视觉识别与控制系统的CMOS探头安装于治疗仪激光探头的另一侧面，安全装置安装于治疗仪激光探头的前端；测距装置输出的测量值和安全装置输出的传感信号都连接至视觉识别与控制系统的输入端，而视觉识别与控制系统的输出端连接并控制精确定位移动机器人。
[0012]上述技术方案中，所述的精确定位移动机器人采用多自由度机械臂式移动机器人或龙门式移动机器人；本发明优选龙门式移动机器人。
[0013]上述技术方案中，所述视觉识别与控制系统，包括CMOS探头、图像采集卡和电子计算机，CMOS探头采集治疗区域的图像和边界位置信息，电子计算机对CMOS探头所采集的信息进行处理和存储，CMOS探头通过图像采集卡与电子计算机相连。
[0014]上述技术方案中，所述的测距装置采用激光测距仪、超声波测距仪、电容式测距仪、红外测距仪的一种或多种混合使用。
[0015]上述技术方案中，所述的安全装置为电容式传感器、压阻式传感器的一种或两种使用；本发明优选压阻式传感器作为安全装置传感器。当电容式传感器或压阻式传感器接触到人体皮肤并存在一定接触压力时，传感器将信息传递至电子计算机，从而控制精确定位移动机器人的急停。
[0016]上述技术方案中，所述的龙门式移动机器人与病床采用导轨式连接，龙门式移动机器人沿着导轨自由滑动，龙门式移动机器人由XYZ轴移动平台及绕X轴和Y轴旋转的机械臂组成；机械臂的动作通过数字控制技术由五轴插补联动实现；所述的XYZ轴移动平台能沿着X、Y、Z轴移动，XYZ轴移动平台由底座、滑台、滚珠丝杠、导柱、步进电机组成，XYZ轴移动平台的直线运动由混合式精密步进电机驱动滚珠丝杠、滚珠丝杠再驱动XYZ轴移动平台来实现，连接于XYZ轴移动平台上的机械臂绕X轴和Y轴旋转均由步进电机驱动，上述混合式精密步进电机和步进电机均由电子计算机输出控制。
[0017]一种皮肤激光治疗辅助机器人的辅助方法，包括:
I)所述皮肤激光治疗辅助机器人，包括精确定位移动机器人、治疗仪激光探头、视觉识别与控制系统、测距装置和安全装置；所述的治疗仪激光探头安装于精确定位移动机器人的机械臂末位前端，测距装置安装于治疗仪激光探头的侧面，视觉识别与控制系统的CMOS探头安装于治疗仪激光探头的另一侧面，安全装置安装于治疗仪激光探头的前端；测距装置输出的测量值和安全装置输出的传感信号都连接至视觉识别与控制系统的输入端，而视觉识别与控制系统的输出端连接并控制精确定位移动机器人；
2)所述精确定位移动机器人采用多自由度机械臂式移动机器人或龙门式移动机器人，本发明优选龙门式移动机器人，龙门式移动机器人与病床采用导轨式连接，龙门式移动机器人可沿着导轨自由滑动；人工通过肉眼对治疗区域进行初步定位，然后将龙门式移动机器人移动至相应位置，有益于提高定位效率；
3)龙门式移动机器人配置的视觉识别与控制系统，包括CMOS探头、图像采集卡、电子计算机；其中CMOS探头置于治疗仪激光探头的侧面，CMOS探头用于获取待治疗区域的图像和边界位置信息，电子计算机用于对CMOS探头所采集的信息进行处理和存储；CM0S探头通过图像采集卡与计算机相连；
4)准确获得待治疗区域的边界信息，视觉识别与控制系统基于图像灰度信息自由曲面图像重构技术，根据CMOS探头采集的图像，对待治疗区域的曲面进行组织重构，获得待治疗区域的准确边界信息和曲面上任意点的位置信息；视觉识别与控制系统对待治疗区域的边界信息的准确提取，有效地避免激光照射对健康的伤害；
5)为了使得激光探头的光路与待治疗靶部位的法矢重合，以保证较好的治疗效果；视觉识别与控制系统，通过CMOS探头获取待治疗点和相邻不同两点的位置信息，通过电子计算机处理获得治疗点与相邻两点构成微小平面的法矢位置信息，并自动存储该法矢位置信息；计算机通过五轴联动控制卡控制精确定位移动机器人的运动，驱动治疗仪激光探头运动，使得治疗仪激光探头的光路与该法矢重合；
6)激光对皮肤治疗的效果很大程度取决于治疗仪激光探头与治疗点的距离。为了保证较好的治疗效果，需维持