一種圖像引導下的智能化激光微創手術系統及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及醫療機器人領域，具體涉及一種圖像引導下的智能化激光微創手術系統及其控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著人工智能的發展，智能手術機器人已經逐漸成為國際研究熱點，如何輔助醫生精確、快速、安全地完成手術成為醫療機器人研究的核心問題。通常，開放式外科手術受限于醫生的經驗、技能，手術具有不確定性，而手術機器人的高精度操作能夠大大提高手術效率，降低手術風險，避免傷口感染，使病人傷口愈合更快。
[0003]1996年初，美國的Computer Mot1n公司推出了功能強大的ZEUS機器人外科手術系統，并用于微創傷手術，它突破了傳統微創傷手術的界限，減輕了醫生的工作強度，同時也大大降低了病人的痛苦。ZEUS系統的從操作系統的每個機械臂具有6+1個自由度，其中6個用于位姿調整，另外一個用于位置優化。通過ZEUS系統，醫生可以在舒適的工作環境下操縱主手動作，并通過監視器實時監視手術的過程；在手術地點，從手忠實地模擬并按比例縮放醫生用主手操作的動作，完成手術。
[0004]2000年，美國Intuitive Surgical公司成功開發了 Da Vinci系統，并于2001年獲得美國FDA認證開始實施腹腔微創外科手術。Da Vinci機械臂輔助微創傷手術系統包含一個主控制臺和一個手術操作器人。醫生通過主控制臺上雙目視孔可以觀察到手術區域的三維圖像。該系統的從動操做車上有三條機械手臂，其中中間的手臂上裝有由雙目攝像頭而組成的可視化系統，兩個獨立的視覺信號傳到雙目視孔處合成來獲取真實的手術區域的三維圖像。
[0005]國內最早由北京航天航空大學與海軍總醫院聯合研發的腦立體定向手術機械臂系統，在臨床成功實施無框架定位腦部手術40例(其中包括10例遠程遙控操作手術)，取得較為滿意效果。2010年，由天津大學、南開大學和天津醫科大學總醫院等聯合研制的“妙手A”系統被鑒定為國內首次研制成功的具有自主知識產權的手術機械臂，主要用于腹腔微創手術，在機器人系統機械設計、主從控制、立體圖像與系統集成等微創外科手術機器人關鍵技術上都有所突破。但是，現有的機器人手術系統僅被應用于外科手術，還未被應用于人體表面；并且，它們沒有自主行動的能力，必須由醫生進行操作。
【發明內容】
[0006]針對現有的機器人系統尚未用于人體表面，并且沒有自主行動能力的現狀，本發明提供了一種作用于人體表面的，可應用于色素沉著病變激光微創手術中的智能化激光微創手術系統，裝備有視覺伺服系統及六自由度輕量級機械臂，具有自主性，實現了完全自動化。
[0007]本發明的一個目的在于提供一種圖像引導下的智能化激光微創手術系統。
[0008]本發明的圖像引導下的智能化激光微創手術系統包括:機械臂、掃描儀、攝像頭、激光器、導光臂、病人活動床和信息處理及控制終端；其中，導光臂連接激光器，將激光器發出的激光引導出；機械臂連接至信息處理及控制終端；機械臂通過末端夾持器與導光臂物理連接，控制導光臂的位置和方向，從而控制輸出的激光對準病人活動床上的色素病變區域；掃描儀和攝像頭分別固定在同一個機架上，共同組成視覺伺服系統，視野為病人活動床上的色素病變區域；掃描儀對色素病變區域進行掃描，將數據傳輸至信息處理及控制終端，獲取色素病變區域的位置信息；攝像頭將色素病變區域的實時圖像傳輸至信息處理及控制終端，獲取色素病變區域的顏色特征；信息處理及控制終端自動分析色素病變區域的幾何特征和顏色特征，生成機械臂的運動路徑，按照運動路徑控制機械臂的移動，從而控制導光臂引導激光作用在色素病變區域，進行完全自主激光輻照。
[0009]機械臂采用六自由度機械臂。
[0010]掃描儀為三維掃描儀，對色素病變區域進行掃描，然后將三維點云數據通過數據接口傳送至信息處理及控制終端，獲取位置的三維信息。
[0011]本發明的另一個目的在于提供一種圖像引導下的智能化激光微創手術系統的控制方法。
[0012]本發明的圖像引導下的智能化激光微創手術系統的控制方法，包括以下步驟:
[0013]I)對掃描儀和機械臂進行聯合標定，使二者工作在同一坐標系；
[0014]2)將機械臂與導光臂連接，對機械臂末端進行校正，使激光聚焦處設置為機械臂末端；
[0015]3)初始化標定攝像頭，進行圖像校準；
[0016]4)將色素病變區域暴露在掃描儀和攝像頭的視野內，掃描儀對色素病變區域進行掃描，將數據傳輸至信息處理及控制終端，獲取色素病變區域的位置信息；
[0017]5)攝像頭對色素病變區域進行成像，將色素病變區域的實時圖像傳輸至信息處理及控制終端，獲取色素病變區域的顏色特征；
[0018]6)信息處理及控制終端自動分析色素病變區域的幾何特征和顏色特征，通過與預先設定好的專家系統的數據檢索對比，提取色素病變區域的紅R、綠G和藍B三種顏色的信息；
[0019]7)信息處理及控制終端中的專家系統根據提取的顏色特征信息確定輻照使用的激光的波長、強度及輻照時間；
[0020]8)根據攝像頭提供的實時圖像，精確定位色素病變區域的每個點的三位坐標(X，1，z)，信息處理及控制終端根據采集到的圖像預先生成機械臂的運動路徑；
[0021]9)信息處理及控制終端按照運動路徑控制機械臂的移動，從而控制導光臂引導激光輻照于色素病變區域，進行完全自主的激光輻照，直至機械臂按照預先生成的運動路徑完成全部操作，激光輻照自動停止。
[0022]其中，在步驟8)中，進一步包括:根據導光臂與色素病變區域的接觸距離，夾持器和導光臂的位置對機械臂的運動路徑進行校正，調整合適的位姿，使得夾持器能夠搭載導光臂進行激光輻照。
[0023]在步驟9)中，自主激光輻照，具體包括以下步驟:
[0024]a)啟動輻照程序:打開激光器，激光通過導光臂輻照在色素病變區域；
[0025]b)掃描儀實時進行目標位置檢測，信息處理及控制終端判斷色素病變區域的位置是否發生位移，如果否，繼續進行激光輻照，如果是，進入步驟C);
[0026]c)判斷位移是否超過限定值，如果否，進入步驟d)，如果是，則激光輻照停止；
[0027]d)信息處理及控制終端進行位置校準，判斷位置校準是否成功，如果是，激光輻照繼續進行，如果否，則激光輻照停止。
[0028]本發明的優點:
[0029]本發明基于三維圖像信息的智能化激光微創手術系統，能夠精確識別色素病變區域，嚴格控制激光劑量，激光輻照在色素性病變區域，使激光微創手術更加高效、精確、安全，在獲得足夠病人信息后，系統自動完成手術；作用于人體表面，可應用于色素沉著病變激光微創手術中，裝備有視覺伺服系統及六自由度輕量級機械臂，具有自主性，實現了完全自動化；另外，智能化微創手術系統拓展性強，可以應用于多種基于體表的微創手術，如高強度聚焦超聲HIFU拉皮去皺手術。
【附圖說明】
[0030]圖1為本發明的圖像引導下的智能化激光微創手術系統的一個實施例的示意圖；
[0031]圖2為本發明的圖像引導下的智能化激光微創手術系統的結構框圖；
[0032]圖3為本發明的圖像引導下的智能化激光微創手術系統的控制方法的流程圖；
[0033]圖4為本發明的圖像引導下的智能化激光微創手術系統的自主激光輻照的流程圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖，通過實施例對本發明做進一步說明。
[0035]如圖1所示，本實施例的智能化激光微創手術系統包括:機械臂1、掃描儀2、攝像頭3、激光器4、導光臂5、病人活動床6以及信息處理及控制終