CN103735313B

CN103735313B - 一种手术机器人及其状态监测方法

Info

Publication number: CN103735313B
Application number: CN201310676213.1A
Authority: CN
Inventors: 张朋; 胡颖; 靳海洋; 张建伟; 邓震
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: CN103735313A

Abstract

本发明适用于医疗器械领域，提供了一种手术机器人及其状态监测方法，该方法包括：通过安装在手术机器人的进给单元上的传感器获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息；根据所述获取的深度信息，在预设进给路径的深度信息与受力信号对应表中，查找所述获取的深度信息所对应的受力信号；判断所述获取的受力信号与所述查找的受力信号是否相同；如果不同，则发送异常处理指令。本发明能够在操作的深度或者受力信号与规划的不相符时，第一时间发送异常指令，可以更为及时有效的处理异常情况，其处理过程可自动完成，不需要依赖工作人员经验操作，可提高操作的精确性，减少误差，从而提高了手术的安全性和成功率。

Description

一种手术机器人及其状态监测方法

技术领域

本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种手术机器人及其状态监测方法。

背景技术

近年来，手术机器人已成为医学和机器人领域交叉学科的研究热点，利用手术机器人的高精度、高稳定性、灵活性好、可控性强以及不怕辐射和感染的特点来完成手术操作，改变了医生仅凭主观判断和手术经验来完成手术操作的状况，能够减小人为因素引起的手术误差，提高手术的成功率。

在众多医疗手术中，常常会涉及到骨科的一些手术操作，脊柱外科手术作为骨科的一个分支，因其部位的特殊性被认为是高风险外科手术之一，它涵盖了脊柱外伤、退行性变、脊柱畸形、肿瘤等病种，所涉及的手术包括椎弓根螺钉内固定术、神经减压术、植骨融合术和人工间盘置换术等。由于脊柱是脊髓、神经根走行的通道，尤其是在颈部寰枢椎手术中，因紧邻重要的呼吸和循环中枢，稍有不慎就会造成脊髓或延髓的损伤。因此，在此类手术中对设备的要求非常高。

现有的手术机器人，一般通过在手术机器人上安装力量反馈装置，使用者根据反馈的力度信息，结合自身的经验进行控制操作，使用其进行操作仍然会出现误差，影响其定位的精度，影响手术的安全性和成功率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种手术机器人的状态监测方法，以解决现有技术的手术机器人通过反馈的力度信息，结合使用者的经验进行手术时，会出现误差，影响定位精度的问题，从而提高手术的安全性和成功率。

本发明是这样实现的，一种手术机器人的状态监测方法，所述方法包括下述步骤：

通过安装在手术机器人的进给单元上的传感器获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息；

根据所述获取的深度信息或受力信号，在预设进给路径的深度信息与受力信号对应表中，查找所述获取的深度信息所对应的受力信号或查找所述获取的受力信号所对应的深度信息；

判断所述获取的受力信号与所述查找的受力信号是否相同，或者判断所述获取的深度信息与所述查找的深度信息是否相同；

如果不同，则发送异常处理指令。

本发明的另一目的在于提供一种手术机器人，所述手术机器人包括：

进给单元、受力传感器、控制器、存储器和调整单元，所述传感器安装于进给单元上，用于获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息，所述传感器的信号输出端与控制器相连，所述调整单元与进给单元相连，用于调整所述进给单元的角度和状态，其特征在于，

所述控制器用于通过安装在手术机器人的进给单元上的传感器获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息；

根据所述获取的深度信息或受力信号，在预设于存储器中的进给路径的深度信息与受力信号对应表中，查找所述获取的深度信息所对应的受力信号或查找所述获取的受力信号所对应的深度信息；

如果不同，则发送异常处理指令。

在本发明中，通过获取手术机器人的进给单元上的受力信号和深度信息，并通过获取的深度信息在预设的路径的深度信息与受力信号对应表中查找其对应的受力信号，并比较获取的受力信号与查找的受力信号是否相符，如果不相符则发送异常处理指令处理所述异常，或者通过获取的受力信号在预设的路径的深度信息与受力信号对应表中查找其对应的深度信息，并比较获取的深度信息与查找的深度信息是否相符，如果不相符则发送异常处理指令处理所述异常。本发明实施例能够在操作的深度或者受力信号与规划的不相符时，第一时间发送异常指令，可以更为及时有效的处理异常情况，其处理过程可自动完成，不需要依赖工作人员经验操作，可提高操作的精确性，减少误差，从而提高了手术的安全性和成功率。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的手术机器人的状态监测方法的实现流程图；

图2为本发明第一实施例提供的深度信息与受力信号的对应关系曲线示意图；

图3为本发明第一实施例提供的在骨皮质中进行钻削时，深度信息与受力信号的曲线示意图；

图4a为本发明第一实施例提供的手术操作处于安全状态的效果示意图；

图4b为本发明第一实施例提供的手术操作处于异常状态的效果示意图；

图4c为本发明第一实施例提供的手术操作处于结束状态的效果示意图；

图5是本发明第二实施例提供的手术机器人的状态监测方法的实现流程图；

图6是本发明第三实施例提供的手术机器人的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例所述的手术机器人状态监测方法，可用于椎弓根螺钉内固定术、神经减压术、植骨融合术和人工间盘置换术等。出于对手术对象的安全度以及手术成功率考虑，本发明提出了一种误差更小、精确度和安全性更高的手术机器人的状态监测方法，所述方法包括：通过安装在手术机器人的进给单元上的传感器获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息；根据所述获取的深度信息或受力信号，在预设进给路径的深度信息与受力信号对应表中，查找所述获取的深度信息所对应的受力信号或查找所述获取的受力信号所对应的深度信息；判断所述获取的受力信号与所述查找的受力信号是否相同，或者判断所述获取的深度信息与所述查找的深度信息是否相同；如果不同，则发送异常处理指令。

通过获取手术机器人的进给单元上的受力信号和深度信息，并通过获取的深度信息在预设的路径的深度信息与受力信号对应表中查找其对应的受力信号，并比较获取的受力信号与查找的受力信号是否相符，如果不相符则发送异常处理指令处理所述异常，或者通过获取的受力信号在预设的路径的深度信息与受力信号对应表中查找其对应的深度信息，并比较获取的深度信息与查找的深度信息是否相符，如果不相符则发送异常处理指令处理所述异常。本发明实施例能够在操作的深度或者受力信号与规划的不相符时，第一时间发送异常指令，可以更为及时有效的处理异常情况，其处理过程可自动完成，不需要依赖工作人员经验操作，可提高操作的精确性，减少误差，从而提高了手术的安全性和成功率。

实施例一：

图1示出了本发明第一实施例提供的手术机器人的状态监测方法的实现流程，详述如下：

在步骤S101中，通过安装在手术机器人的进给单元上的传感器获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息。

具体的，所述进给单元，为手术机器人进行钻骨的单元，可以包括钻头和用于驱动钻头旋转以完成钻骨操作的电机，或者通过气压驱动的钻头等，所述传感器，用于感知进给单元的受力信息和在进给对象中的位移，即进给单元的深度信息。所述受力信息通过安装在进给单元的六维力传感器进行采集，所述进给单元的深度信息，通过安装在进给单元的位移传感器进行采集，当然这只是一种较为优选的实施方式，本领域一般技术人员可以理解，如可以采用非六维力传感进行受力信号采集。

所述进给单元的深度信息，为从到达进给对象表面开始，到进入进给单元的深度，可以通过记录进给单元在到达进给对象表面时的位置，在进给过程中，通过行程相减，即可得到进给单元的深度信息。

在步骤S102中，根据所述获取的深度信息，在预设进给路径的深度信息与受力信号对应表中，查找所述获取的深度信息所对应的受力信号。

在本发明实施例中，在手术机器的存储器中预先存储有进给路径的深度信息与受力信号对应表，所述进给路径，一般为在操作前规划的较佳的多种实施路径，在操作时选择相应的路径，即能够得到所选择的路径对应的一个对应关系，所述对应关系可以为对应表格或者为二维的深度信息与受力信息的曲线等，所述曲线可以通过多段函数进行表达，在查找数据时，可通过相应深度信息对应的函数计算得到对应的受力信息。

图2示出了所述预设的深度信息与受力信号的对应关系曲线，从图2可以看出，钻头（24）依次穿过钻入阶段的骨皮质（40）、骨松质（41）和穿出阶段的骨皮质（40）。对应的受力信号的特殊点包括：钻入阶段骨皮质的骨皮质力的峰值（43）、穿出阶段骨皮质钻削力峰值（44）、骨松质阶段的钻削力平均值（45），相应对应的深度信息为：钻入阶段骨皮质厚度（46）、骨松质厚度（47）、穿出阶段骨皮质厚度（48）。通过对实时采集的受力信号数据（42）所表达的钻入和穿出阶段的骨皮质峰值（43）（44）、骨松质阶段的力均值（45）与模型所表达的钻入和穿出阶段的骨皮质峰值（43）（44）、骨松质阶段的力均值（45）特征相比较，可以判断钻头（24）是否处在骨皮质（40）阶段、骨松质（41）阶段或钻穿骨组织。当钻钉道，即钻头打出来的孔洞，位置偏离正确位置较大时，钻头所穿过的骨皮质厚度较大，甚至一直在骨皮质中进行钻削，则通过比较钻入阶段骨皮质厚度（46）可以判断是否钻偏，如图3所示。

在步骤S103中，判断所述获取的受力信号与所述查找的受力信号是否相同。

本发明实施例中所述的判断所述获取的受力信号与所述查找的受力信号是否相同，并非为完全一模一样，考虑到因为不同的进给对象，可能具有不同的特性，因此，可以允许其存在一定的误差，在误差允许的范围内，仍可判定所述获取的受力信号与所述查找的受力信号相同。

同样，当系统使用获取的受力信号查找对应的深度信息时，判断获取的深度信息与查找的深度信息是否相同，属于正常的操作。

在步骤S104中，如果所述获取的受力信号与所述查找的受力信号不同，则发送异常处理指令。

通过这种方法能够判断出钻钉道的三类状态——正确钉道、钻穿、钻偏，如图4a所示，当手术操作处于安全状态时，控制器向进给单元发送继续进给命令，骨钻继续进行手术操作；当处于异常状态（钻偏或钻穿图4c所示）时，控制器向进给单元发送停止进给命令，骨钻停止手术操作；当处于钻孔结束状态，如图4c所示，控制器向进给单元发送停止进给命令，骨钻停止手术操作。

基于同样的原理，本发明实施例还可以通过获取的受力信号查找对应的深度信息，比较查找的深度信息与获取的深度信息是否相同，其操作方式与上述步骤S101-S104相类似，在此不作重复赘述。

本发明实施例通过获取手术机器人的进给单元上的受力信号和深度信息，并通过获取的深度信息在预设的路径的深度信息与受力信号对应表中查找其对应的受力信号，并比较获取的受力信号与查找的受力信号是否相符，如果不相符则发送异常处理指令处理所述异常，或者通过获取的受力信号在预设的路径的深度信息与受力信号对应表中查找其对应的深度信息，并比较获取的深度信息与查找的深度信息是否相符，如果不相符则发送异常处理指令处理所述异常。本发明实施例能够在操作的深度或者受力信号与规划的不相符时，第一时间发送异常指令，可以更为及时有效的处理异常情况，其处理过程可自动完成，不需要依赖工作人员经验操作，可提高操作的精确性，减少误差，从而提高了手术的安全性和成功率。

实施例二：

图5示出了本发明第二实施例提供的手术机器人的状态监测方法的实现流程，详述如下：

在步骤S501中，通过安装在手术机器人的进给单元上的传感器获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息。

具体的，所述安装在手术机器人的进给单元上的传感器包括力传感器和位移传感器。

在步骤S502中，获取待进给对象的结构参数。

其中，所述获取待进给对象的结构参数步骤包括：

使用CT（中文全称为X线计算机断层摄影，英文全称为ComputedTomography）扫描设备对进给对象进行扫描，获取进给对象的CT图像。

根据所述获取的CT图像得到待进给的结构参数，根据所述结构参数对进给对象进行三维图像重建。

在步骤S503中，根据所述获取的结构参数，生成所述待进给对象的进给路径的深度信息与受力信号的对应表。

具体的，可以根据所述结构参数重建的三维图像和待进给对象的进给路径，确定所述待进给对象的进给路径的深度信息与受力信号的对应表。

在步骤S504中，根据所述获取的深度信息或受力信号，在预设进给路径的深度信息与受力信号对应表中，查找所述获取的深度信息所对应的受力信号或查找所述获取的受力信号所对应的深度信息。

在步骤S505中，判断所述获取的受力信号与所述查找的受力信号是否相同，或者判断所述获取的深度信息与所述查找的深度信息是否相同。

在步骤S506中，如果所述获取的受力信号与所述查找的受力信号不同，或者所述获取的深度信息与所述查找的深度信息不同，则发送异常处理指令。

所述异常处理指令包括发送停止进给指令和提示指令。

另外，在本发明实施例中，还可以通过显示单元显示所述重建的三维图像和所述进给单元的状态信息。这样可以使得工作人员能够通过图像更加形象的获取骨钻的操作状态。

本发明实施例与实施例一相比，区别在于通过CT扫描设备获取进给对象的CT图像，并且进行三维图像重建，使得能够更加精确的获取进给对象的结构参数，提高操作的精确性。

实施例三：

图6示出了本发明第三实施例提供的钻骨用的手术机器人的结构示意图，详述如下：

本发明实施例所述手术机器人，包括进给单元601、传感器602、控制器603、存储器604和调整单元605，所述传感器602安装于进给单元601上，用于获取进给单元601的受力信号和进给单元601的深度信息，所述传感器602的信号输出端与控制器603相连，所述调整单元605与进给单元601相连，用于调整所述进给单元的角度和状态，所述控制器用于：

通过安装在手术机器人的进给单元601上的传感器602获取进给单元601的受力信号和进给单元的深度信息；

根据所述获取的深度信息或受力信号，在预设于存储器604中的进给路径的深度信息与受力信号对应表中，查找所述获取的深度信息所对应的受力信号或查找所述获取的受力信号所对应的深度信息；

如果不同，则发送异常处理指令，所述异常处理指令包括发送停止进给指令和提示指令。

进一步的，所述控制器603还用于根据所述获取的结构参数对进给对象进行三维图像重建，所述手术器人还连接有显示单元606，用于显示所述重建的三维图像和所述进给单元的状态信息。

本发明实施例所述手术机器人与实施例一和实施例二所述的操作方法对应，在此不作过多重复描述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种手术机器人，包括进给单元、传感器、控制器、存储器和调整单元，所述传感器安装于进给单元上，用于获取进给单元的受力信号和进给单元的深度信息，所述传感器的信号输出端与控制器相连，所述调整单元与进给单元相连，用于调整所述进给单元的角度和状态，其特征在于，

如果不同，则发送异常处理指令。

2.根据权利要求1所述手术机器人，其特征在于，所述控制器还用于根据获取的结构参数对进给对象进行三维图像重建，所述手术器人还连接有显示单元，用于显示所述重建的三维图像和所述进给单元的状态信息。

3.根据权利要求1所述手术机器人，其特征在于，所述安装在手术机器人的进给单元上的传感器包括力传感器和位移传感器。

4.根据权利要求1所述手术机器人，其特征在于，所述控制器还用于：获取待进给对象的结构参数；根据所述获取的结构参数，生成所述待进给对象的进给路径的深度信息与受力信号的对应表。

5.根据权利要求4所述手术机器人，其特征在于，所述控制器具体用于：

根据获取的CT图像得到待进给的结构参数，根据所述结构参数对进给对象进行三维图像重建；

根据所述结构参数重建的三维图像和待进给对象的进给路径，确定所述待进给对象的进给路径的深度信息与受力信号的对应表。