用于手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備及手術(shù)機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域，更具體地講，涉及一種用于手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備及手 術(shù)機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人不僅應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，在醫(yī)療領(lǐng)域也已得到推廣應(yīng)用。手術(shù)機(jī)器人 (SurgicalRobot)的問世不過短短10年，已經(jīng)取得重大進(jìn)展。手術(shù)機(jī)器人是一組器械的 組合裝置，它通常由一個(gè)探頭（內(nèi)窺鏡或超聲探頭等）、手術(shù)器械、微型攝像頭、操縱桿、多 個(gè)機(jī)械臂等器件組裝而成，此外，還包括手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。目前使用的手術(shù)機(jī)器人的工作原理 是：醫(yī)生坐在電腦顯示屏前，通過顯示屏觀察病人體內(nèi)的病灶情況，通過遠(yuǎn)程操控機(jī)器人手 中的手術(shù)器械將病灶精確切除（或修復(fù)）。
[0003] 圖1示出現(xiàn)有的手術(shù)機(jī)器人的示例，包括遠(yuǎn)程操縱桿、手術(shù)器械、超聲探頭、多個(gè) 機(jī)械臂（分別用于夾持手術(shù)器械、超聲探頭等）以及手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，醫(yī)生通過遠(yuǎn)程操縱桿來 控制機(jī)械臂（即控制被夾持在機(jī)械臂末端的手術(shù)器械和超聲探頭）來進(jìn)行手術(shù)，在醫(yī)生面 前顯示的是實(shí)時(shí)超聲圖像，圖像中有對(duì)應(yīng)于實(shí)際位置的人體手術(shù)區(qū)域以及手術(shù)器械模型， 醫(yī)生以實(shí)時(shí)超聲圖像提供的信息為依據(jù)操縱機(jī)械臂進(jìn)行手術(shù)操作。顯而易見，想要順利地 進(jìn)行手術(shù)，必須要獲取手術(shù)器械與人體手術(shù)區(qū)域的實(shí)時(shí)的、精確的空間位置關(guān)系。
[0004] 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)即在手術(shù)中提供手術(shù)器械與人體手術(shù)區(qū)域?qū)崟r(shí)空間位置關(guān)系的設(shè) 備，圖1所示出的手術(shù)機(jī)器人的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)為最常見的NDIPolaris光學(xué)跟蹤定位系統(tǒng)， 使用方式如下：機(jī)械臂處于初始狀態(tài)，機(jī)械臂末端分別夾持有手術(shù)器械和超聲探頭，手術(shù)器 械和超聲探頭分別固連有定位標(biāo)志點(diǎn)陣列（例如，被動(dòng)剛體），將定位傳感器安置在三角支 架上，將支架放置在合適的位置后不再移動(dòng)，以其作為世界坐標(biāo)系的參考點(diǎn)；開啟定位傳感 器，獲取手術(shù)器械的初始位置和超聲探頭的初始位置（即，在世界坐標(biāo)系下的絕對(duì)位置）； 開始實(shí)際操作，利用超聲探頭獲取人體手術(shù)區(qū)域的在世界坐標(biāo)系中的空間位置和姿態(tài)，以 及手術(shù)器械在世界坐標(biāo)系中的空間位置和姿態(tài)，為醫(yī)生提供實(shí)時(shí)的導(dǎo)航信息（計(jì)算機(jī)根據(jù) 此空間位置信息以三維形式生成并顯示人體手術(shù)區(qū)域的超聲畫面和手術(shù)器械模型。
[0005] 然而，現(xiàn)有的光學(xué)跟蹤定位系統(tǒng)還存在一定的弊端，主要集中在：手術(shù)過程中無法 保證光學(xué)跟蹤定位系統(tǒng)對(duì)待定位裝置進(jìn)行連續(xù)有效的定位（即，無法保證一直定位正常）， 而一旦定位失效，手術(shù)就會(huì)因醫(yī)生無法獲取待定位裝置的實(shí)時(shí)位置信息而中斷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的示例性實(shí)施例在于提供一種用于手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備及手術(shù)機(jī)器人，以克服 現(xiàn)有的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)無法保證對(duì)待定位裝置進(jìn)行連續(xù)定位的問題。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種用于手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備，所述設(shè)備包括：光學(xué)跟蹤定 位裝置，用于檢測(cè)待定位裝置的第一空間位置和第一姿態(tài)；加速度跟蹤定位裝置，用于檢測(cè) 待定位裝置的空間線性加速度和空間角加速度；融合定位裝置，用于根據(jù)檢測(cè)到的第一空 間位置和第一姿態(tài)以及待定位裝置的空間線性加速度和空間角加速度確定待定位裝置的 第二空間位置和第二姿態(tài)作為待定位裝置的空間位置和姿態(tài)。
[0008] 可選地，融合定位裝置根據(jù)在第一時(shí)刻檢測(cè)到的待定位裝置的第一空間位置和第 一姿態(tài)以及在第一時(shí)刻與第二時(shí)刻之間檢測(cè)到的待定位裝置的空間線性加速度和空間角 加速度，確定待定位裝置在第二時(shí)刻的第二空間位置和第二姿態(tài)，其中，第一時(shí)刻早于第二 時(shí)刻。
[0009] 可選地，第一時(shí)刻是光學(xué)跟蹤定位裝置開始處于定位失效狀態(tài)之前最后一次檢測(cè) 到第一空間位置和第一姿態(tài)的時(shí)刻，第二時(shí)刻是光學(xué)跟蹤定位裝置開始處于定位失效狀態(tài) 時(shí)或之后的時(shí)刻，其中，在光學(xué)跟蹤定位裝置處于定位失效狀態(tài)之前，融合定位裝置將第一 空間位置和第一姿態(tài)作為待定位裝置的空間位置和姿態(tài)。
[0010] 可選地，融合定位裝置根據(jù)第一時(shí)刻與第二時(shí)刻之間檢測(cè)到的待定位裝置的空間 線性加速度和空間角加速度計(jì)算待定位裝置在第一時(shí)刻與第二時(shí)刻之間的空間位置變化 和姿態(tài)變化，并根據(jù)第一時(shí)刻檢測(cè)到的待定位裝置的第一空間位置和第一姿態(tài)，以及在第 一時(shí)刻與第二時(shí)刻之間的空間位置變化和姿態(tài)變化確定待定位裝置在第二時(shí)刻的第二空 間位置和第二姿態(tài)。
[0011] 可選地，融合定位裝置根據(jù)第i時(shí)刻與第i-1時(shí)刻之間檢測(cè)到的待定位裝置的空 間線性加速度和空間角加速度計(jì)算待定位裝置在第i-1時(shí)刻與第i時(shí)刻之間的空間位置變 化和姿態(tài)變化，并根據(jù)計(jì)算得到的第i-1時(shí)刻的待定位裝置的第二空間位置和第二姿態(tài)， 以及在第i-1時(shí)刻與第i時(shí)刻之間的空間位置變化和姿態(tài)變化確定待定位裝置在第i時(shí)刻 的第二空間位置和第二姿態(tài)，其中，i為大于等于3的整數(shù)，第i-1時(shí)刻早于第i時(shí)刻。
[0012] 可選地，在光學(xué)跟蹤定位裝置處于定位正常狀態(tài)時(shí)，融合定位裝置將第一空間位 置和第一姿態(tài)作為待定位裝置的空間位置和姿態(tài)。
[0013] 可選地，光學(xué)跟蹤定位裝置包括定位傳感器和定位標(biāo)志點(diǎn)陣列，其中，當(dāng)定位傳感 器檢測(cè)不到定位標(biāo)志點(diǎn)陣列，或者定位傳感器檢測(cè)到定位標(biāo)志點(diǎn)陣列處于特定姿態(tài)時(shí)，融 合定位裝置確定光學(xué)跟蹤定位裝置處于定位失效狀態(tài)；當(dāng)定位傳感器檢測(cè)到定位標(biāo)志點(diǎn)陣 列且檢測(cè)到定位標(biāo)志點(diǎn)陣列沒有處于特定姿態(tài)時(shí)，融合定位裝置確定光學(xué)跟蹤定位裝置處 于定位正常狀態(tài)。
[0014] 可選地，加速度跟蹤定位裝置包括空間三向陀螺儀、空間三向加速度傳感器、無線 通信裝置和電源，其中，無線通信裝置將包括空間三向加速度傳感器檢測(cè)到的待定位裝置 的空間線性加速度、空間三向陀螺儀檢測(cè)到的待定位裝置的空間角加速度、以及加速度跟 蹤定位裝置的標(biāo)識(shí)信息的信息發(fā)送到融合定位裝置。
[0015] 可選地，所述設(shè)備還包括：報(bào)警裝置，當(dāng)光學(xué)跟蹤定位裝置處于定位失效狀態(tài)超過 預(yù)定時(shí)間段時(shí)，提示操作者光學(xué)跟蹤定位裝置處于定位失效狀態(tài)已超過預(yù)定時(shí)間段。
[0016] 可選地，所述預(yù)定時(shí)間段通過下述方式確定：從一時(shí)刻開始，對(duì)待定位裝置的第一 空間位置和第一姿態(tài)、第二空間位置和第二姿態(tài)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，將空間位置誤差初次大于 空間位置誤差閾值或姿態(tài)誤差初次大于姿態(tài)誤差閾值的時(shí)刻與所述一時(shí)刻之間的時(shí)間差 作為預(yù)定時(shí)間段，其中，空間位置誤差為在同一時(shí)刻檢測(cè)到的待定位裝置的第一空間位置 與第二空間位置之間的誤差，姿態(tài)誤差為在同一時(shí)刻檢測(cè)到的待定位裝置的第一姿態(tài)與第 二姿態(tài)之間的誤差。
[0017] 可選地，光學(xué)跟蹤定位裝置以定位傳感器的位置為參考點(diǎn)來檢測(cè)第一空間位置和 第一姿態(tài)，其中，定位傳感器被固定于手術(shù)室的預(yù)定位置。
[0018] 可選地，加速度跟蹤定位裝置固定于待定位裝置上或固定于夾持待定位裝置的機(jī) 械臂末端上。
[0019] 可選地，待定位裝置包括手術(shù)器械和手術(shù)成像設(shè)備中的至少一個(gè)。
[0020] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種手術(shù)機(jī)器人，包括：用于夾持待定位裝置的機(jī)械 臂，以及所述用于手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的用于手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備及手術(shù)機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)手術(shù) 中的待定位裝置進(jìn)行連續(xù)的、精確的空間定位，且成本低、運(yùn)算量小。
[0022] 將在接下來的描述中部分闡述本發(fā)明總體構(gòu)思另外的方面和/或優(yōu)點(diǎn)，還有一部 分通過描述將是清楚的，或者可以經(jīng)過本發(fā)明總體構(gòu)思的實(shí)施而得知。
【附圖說明】
[0023] 圖1示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的現(xiàn)有的手術(shù)機(jī)器人的示例；
[0024] 圖2示出根據(jù)本發(fā)明示例性實(shí)施例的用于手術(shù)導(dǎo)航的設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 現(xiàn)將詳細(xì)參照本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中