CN105169570A - 一种图像引导下的智能化激光微创手术系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像引导下的智能化激光微创手术系统及其控制方法。本发明的智能化激光微创手术系统包括：机械臂、扫描仪、摄像头、激光器、导光臂、病人活动床和信息处理及控制终端；本发明基于三维图像信息的智能化激光微创手术系统，能够精确识别色素病变区域，严格控制激光剂量，激光辐照在色素性病变区域，使激光微创手术更加高效、精确、安全，在获得足够病人信息后，系统自动完成手术；作用于人体表面，可应用于色素沉着病变激光微创手术中，装备有视觉伺服系统及六自由度轻量级机械臂，具有自主性，实现了完全自动化；另外，智能化微创手术系统拓展性强，可以应用于多种基于体表的微创手术，如高强度聚焦超声HIFU拉皮去皱手术。

Description

一种图像引导下的智能化激光微创手术系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗机器人领域，具体涉及一种图像引导下的智能化激光微创手术系统及其控制方法。

背景技术

随着人工智能的发展，智能手术机器人已经逐渐成为国际研究热点，如何辅助医生精确、快速、安全地完成手术成为医疗机器人研究的核心问题。通常，开放式外科手术受限于医生的经验、技能，手术具有不确定性，而手术机器人的高精度操作能够大大提高手术效率，降低手术风险，避免伤口感染，使病人伤口愈合更快。

1996年初，美国的ComputerMotion公司推出了功能强大的ZEUS机器人外科手术系统，并用于微创伤手术，它突破了传统微创伤手术的界限，减轻了医生的工作强度，同时也大大降低了病人的痛苦。ZEUS系统的从操作系统的每个机械臂具有6+1个自由度，其中6个用于位姿调整，另外一个用于位置优化。通过ZEUS系统，医生可以在舒适的工作环境下操纵主手动作，并通过监视器实时监视手术的过程；在手术地点，从手忠实地模拟并按比例缩放医生用主手操作的动作，完成手术。

2000年，美国IntuitiveSurgical公司成功开发了DaVinci系统，并于2001年获得美国FDA认证开始实施腹腔微创外科手术。DaVinci机械臂辅助微创伤手术系统包含一个主控制台和一个手术操作器人。医生通过主控制台上双目视孔可以观察到手术区域的三维图像。该系统的从动操做车上有三条机械手臂，其中中间的手臂上装有由双目摄像头而组成的可视化系统，两个独立的视觉信号传到双目视孔处合成来获取真实的手术区域的三维图像。

国内最早由北京航天航空大学与海军总医院联合研发的脑立体定向手术机械臂系统，在临床成功实施无框架定位脑部手术40例(其中包括10例远程遥控操作手术)，取得较为满意效果。2010年，由天津大学、南开大学和天津医科大学总医院等联合研制的“妙手A”系统被鉴定为国内首次研制成功的具有自主知识产权的手术机械臂，主要用于腹腔微创手术，在机器人系统机械设计、主从控制、立体图像与系统集成等微创外科手术机器人关键技术上都有所突破。但是，现有的机器人手术系统仅被应用于外科手术，还未被应用于人体表面；并且，它们没有自主行动的能力，必须由医生进行操作。

发明内容

针对现有的机器人系统尚未用于人体表面，并且没有自主行动能力的现状，本发明提供了一种作用于人体表面的，可应用于色素沉着病变激光微创手术中的智能化激光微创手术系统，装备有视觉伺服系统及六自由度轻量级机械臂，具有自主性，实现了完全自动化。

本发明的一个目的在于提供一种图像引导下的智能化激光微创手术系统。

本发明的图像引导下的智能化激光微创手术系统包括：机械臂、扫描仪、摄像头、激光器、导光臂、病人活动床和信息处理及控制终端；其中，导光臂连接激光器，将激光器发出的激光引导出；机械臂连接至信息处理及控制终端；机械臂通过末端夹持器与导光臂物理连接，控制导光臂的位置和方向，从而控制输出的激光对准病人活动床上的色素病变区域；扫描仪和摄像头分别固定在同一个机架上，共同组成视觉伺服系统，视野为病人活动床上的色素病变区域；扫描仪对色素病变区域进行扫描，将数据传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的位置信息；摄像头将色素病变区域的实时图像传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的颜色特征；信息处理及控制终端自动分析色素病变区域的几何特征和颜色特征，生成机械臂的运动路径，按照运动路径控制机械臂的移动，从而控制导光臂引导激光作用在色素病变区域，进行完全自主激光辐照。

机械臂采用六自由度机械臂。

扫描仪为三维扫描仪，对色素病变区域进行扫描，然后将三维点云数据通过数据接口传送至信息处理及控制终端，获取位置的三维信息。

本发明的另一个目的在于提供一种图像引导下的智能化激光微创手术系统的控制方法。

本发明的图像引导下的智能化激光微创手术系统的控制方法，包括以下步骤：

1)对扫描仪和机械臂进行联合标定，使二者工作在同一坐标系；

2)将机械臂与导光臂连接，对机械臂末端进行校正，使激光聚焦处设置为机械臂末端；

3)初始化标定摄像头，进行图像校准；

4)将色素病变区域暴露在扫描仪和摄像头的视野内，扫描仪对色素病变区域进行扫描，将数据传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的位置信息；

5)摄像头对色素病变区域进行成像，将色素病变区域的实时图像传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的颜色特征；

6)信息处理及控制终端自动分析色素病变区域的几何特征和颜色特征，通过与预先设定好的专家系统的数据检索对比，提取色素病变区域的红R、绿G和蓝B三种颜色的信息；

7)信息处理及控制终端中的专家系统根据提取的颜色特征信息确定辐照使用的激光的波长、强度及辐照时间；

8)根据摄像头提供的实时图像，精确定位色素病变区域的每个点的三位坐标(x，y，z)，信息处理及控制终端根据采集到的图像预先生成机械臂的运动路径；

9)信息处理及控制终端按照运动路径控制机械臂的移动，从而控制导光臂引导激光辐照于色素病变区域，进行完全自主的激光辐照，直至机械臂按照预先生成的运动路径完成全部操作，激光辐照自动停止。

其中，在步骤8)中，进一步包括：根据导光臂与色素病变区域的接触距离，夹持器和导光臂的位置对机械臂的运动路径进行校正，调整合适的位姿，使得夹持器能够搭载导光臂进行激光辐照。

在步骤9)中，自主激光辐照，具体包括以下步骤：

a)启动辐照程序：打开激光器，激光通过导光臂辐照在色素病变区域；

b)扫描仪实时进行目标位置检测，信息处理及控制终端判断色素病变区域的位置是否发生位移，如果否，继续进行激光辐照，如果是，进入步骤c)；

c)判断位移是否超过限定值，如果否，进入步骤d)，如果是，则激光辐照停止；

d)信息处理及控制终端进行位置校准，判断位置校准是否成功，如果是，激光辐照继续进行，如果否，则激光辐照停止。

本发明的优点：

本发明基于三维图像信息的智能化激光微创手术系统，能够精确识别色素病变区域，严格控制激光剂量，激光辐照在色素性病变区域，使激光微创手术更加高效、精确、安全，在获得足够病人信息后，系统自动完成手术；作用于人体表面，可应用于色素沉着病变激光微创手术中，装备有视觉伺服系统及六自由度轻量级机械臂，具有自主性，实现了完全自动化；另外，智能化微创手术系统拓展性强，可以应用于多种基于体表的微创手术，如高强度聚焦超声HIFU拉皮去皱手术。

附图说明

图1为本发明的图像引导下的智能化激光微创手术系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的图像引导下的智能化激光微创手术系统的结构框图；

图3为本发明的图像引导下的智能化激光微创手术系统的控制方法的流程图；

图4为本发明的图像引导下的智能化激光微创手术系统的自主激光辐照的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本实施例的智能化激光微创手术系统包括：机械臂1、扫描仪2、摄像头3、激光器4、导光臂5、病人活动床6以及信息处理及控制终端7；其中，导光臂5连接激光器4，将激光器4发出的激光引导出；机械臂1连接至信息处理及控制终端7；机械臂通过末端夹持器与导光臂5物理连接，控制导光臂5的位置和方向，从而控制激光的输出对准病人活动床6上的色素病变区域；扫描仪2和摄像头3分别固定在同一个机架上，共同组成视觉伺服系统，视野均为病人活动床6上的色素病变区域；扫描仪2和摄像头3分别连接至信息处理及控制终端7。机械臂采用六自由度机械臂，扫描仪采用三维扫描仪；机械臂与激光器和导光臂分别位于病人活动床6的两侧，活动范围覆盖病人活动床6的头部区域。

图2为本本发明的智能化激光微创手术系统的结构框图。

如图3所示，本发明的图像引导下的智能化激光微创手术系统的控制方法，包括以下步骤：

1)对扫描仪和机械臂进行联合标定，使二者工作在同一坐标系；

2)将机械臂与导光臂连接，对机械臂末端进行校正，使激光聚焦处设置为机械臂末端；

3)初始化标定摄像头，进行图像校准；

4)将色素病变区域暴露在扫描仪和摄像头的视野内，扫描仪对色素病变区域进行扫描，将数据传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的位置信息；

5)摄像头对色素病变区域进行成像，将色素病变区域的实时图像传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的颜色特征；

6)信息处理及控制终端自动分析色素病变区域的几何特征和颜色特征，通过与预先设定好的专家系统的数据检索对比，提取色素病变区域的红R、绿G和蓝B三种颜色的信息；

7)信息处理及控制终端中的专家系统根据提取的颜色特征信息确定辐照使用的激光的波长、强度及辐照时间；

8)根据摄像头提供的实时图像，精确定位色素病变区域的每个点的三位坐标(x，y，z)，信息处理及控制终端根据采集到的图像预先生成机械臂的运动路径；

9)信息处理及控制终端按照运动路径控制机械臂的移动，从而控制导光臂引导激光辐照于色素病变区域，进行完全自主的激光辐照，直至机械臂按照预先生成的运动路径完成全部操作，激光辐照自动停止。

如图4所示，自主激光辐照，具体包括以下步骤：

a)启动辐照程序：打开激光器，激光通过导光臂辐照在色素病变区域；

b)扫描仪实时进行目标位置检测，信息处理及控制终端判断色素病变区域的位置是否发生位移，如果否，继续进行激光辐照，如果是，进入步骤c)；

c)判断位移是否超过限定值，如果否，进入步骤d)，如果是，则激光辐照停止；

d)信息处理及控制终端进行位置校准，判断位置校准是否成功，如果是，激光辐照继续进行，如果否，则激光辐照停止，避免发生危险。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种图像引导下的智能化激光微创手术系统，其特征在于，所述智能化激光微创手术系统包括：机械臂、扫描仪、摄像头、激光器、导光臂、病人活动床和信息处理及控制终端；其中，所述导光臂连接激光器，将激光器发出的激光引导出；所述机械臂连接至信息处理及控制终端；所述机械臂通过末端夹持器与导光臂物理连接，控制导光臂的位置和方向，从而控制输出的激光对准病人活动床上的色素病变区域；所述扫描仪和摄像头分别固定在同一个机架上，共同组成视觉伺服系统，视野为病人活动床上的色素病变区域；所述扫描仪对色素病变区域进行扫描，将数据传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的位置信息；所述摄像头将色素病变区域的实时图像传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的颜色特征；所述信息处理及控制终端自动分析色素病变区域的几何特征和颜色特征，生成机械臂的运动路径，按照运动路径控制机械臂的移动，从而控制导光臂引导激光作用在色素病变区域，进行完全自主激光辐照。

2.如权利要求1所述的智能化激光微创手术系统，其特征在于，所述机械臂采用六自由度机械臂。

3.如权利要求1所述的智能化激光微创手术系统，其特征在于，所述扫描仪为三维扫描仪，对色素病变区域进行扫描，然后将三维点云数据通过数据接口传送至信息处理及控制终端，获取位置的三维信息。

4.图像引导下的智能化激光微创手术系统的控制方法，其特征在于，控制方法包括以下步骤：

1)对扫描仪和机械臂进行联合标定，使二者工作在同一坐标系；

2)将机械臂与导光臂连接，对机械臂末端进行校正，使激光聚焦处设置为机械臂末端；

3)初始化标定摄像头，进行图像校准；

4)将色素病变区域暴露在扫描仪和摄像头的视野内，扫描仪对色素病变区域进行扫描，将数据传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的位置信息；

5)摄像头对色素病变区域进行成像，将色素病变区域的实时图像传输至信息处理及控制终端，获取色素病变区域的颜色特征；

6)信息处理及控制终端自动分析色素病变区域的几何特征和颜色特征，通过与预先设定好的专家系统的数据检索对比，提取色素病变区域的红R、绿G和蓝B三种颜色的信息；

7)信息处理及控制终端根据提取的颜色特征信息确定辐照使用的激光的波长、强度及辐照时间；

8)根据摄像头提供的实时图像，精确定位色素病变区域的每个点的三位坐标(x，y，z)，信息处理及控制终端根据采集到的图像预先生成机械臂的运动路径；

9)信息处理及控制终端按照运动路径控制机械臂的移动，从而控制导光臂引导激光辐照于色素病变区域，进行完全自主的激光辐照，直至机械臂按照预先生成的运动路径完成全部操作，激光辐照自动停止。

5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤8)中，进一步包括：根据导光臂与色素病变区域的接触距离，夹持器和导光臂的位置对机械臂的运动路径进行校正，调整合适的位姿，使得夹持器能够搭载导光臂进行激光辐照。

6.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在步骤9)中，自主激光辐照包括以下步骤：

a)启动辐照程序：打开激光器，激光通过导光臂辐照在色素病变区域；

b)扫描仪实时进行目标位置检测，信息处理及控制终端判断色素病变区域的位置是否发生位移，如果否，继续进行激光辐照，如果是，进入步骤c)；

c)判断位移是否超过限定值，如果否，进入步骤d)，如果是，则激光辐照停止；

d)信息处理及控制终端进行位置校准，判断位置校准是否成功，如果是，激光辐照继续进行，如果否，则激光辐照停止。