一种主从式CT透视引导实时穿刺系统及主从操作方法

摘要

本发明涉及一种主从式CT透视引导实时穿刺系统及主从操作方法，主控制台和近端控制模块均可控制机械臂运动，近端控制模块邻近穿刺手术器械实际穿刺操作位置，主控制台远离穿刺操作位置，位于CT屏蔽室内的射线防护操作台内或者位于屏蔽室外；还包括激光视觉引导装置，在操作时准确定位穿刺手术器械作用位置。本发明实现CT透视影像实时引导，观察实时进针路径并引导穿刺，与传统离线穿刺手术相比，可避免反复穿刺及扫描确认，提高穿刺的精准度和一次成功率，降低手术时间，同时也降低了患者受辐射的影响以及穿刺并发症的概率。本发明实现了遥操作机器人进行穿刺，医生在辐射防护操作台或CT屏蔽室外遥操控机器人，降低或彻底消除对医生的辐射影响。

说明书

技术领域

本发明涉及穿刺手术机器人技术领域，尤其涉及一种主从式CT透视引导实时穿刺系统及主从操作方法。

背景技术

经皮穿刺对于结节的活检和微创治疗有着重要的意义。但是如何精准地穿刺到位，一直是临床的一个难点。从医生手工盲穿，到借助影像的穿刺，到一些导航设备的出现，目的都是为了提高经皮穿刺的精度，解决术中体位变化以及呼吸引起的脏器位移带来的穿刺风险。

最开始是医生根据事先扫描的影像，确定靶点位置和进针点，手工进行穿刺，由于影像是事先扫描的，实际穿刺的时候由于体位变化以及呼吸引起的脏器位移医生不能获知，因此这种盲穿方法具有很大的风险，手术成功与否很大程度上取决于医生的经验。

为了解决这种问题，一些医生利用计算机断层成像系统(Computed Tomography，简称CT)透视实时影像来引导穿刺。在手术穿刺过程中，CT连续透视成像，医生观察实时的影像来调整穿刺方向、引导穿刺进针，可以大大提高穿刺的准确性和安全性。但这方法要求医生在CT扫描过程中一直站立在CT扫描架边，并把手伸入扫描架内进行穿刺，导致医生暴露在X射线下。因此，这种方法在临床上很少应用。

也有一些导航设备被发明出来辅助医生进行穿刺，但目前市场上现有技术，都是离线导航的模式。CT扫描成像后，导航设备计算并定位出靶点和进针点位置，辅助医生确定穿刺方向和深度。但是，由于用于计算的影像不是手术时候的实时影像，还是无法避免术中体位变化及呼吸引起的脏器位移带来的穿刺风险，而且穿刺后需要重新扫描确认是否穿刺到位，如果因为系统精度、体位移动等原因导致穿刺不到位，则需要重新扫描影像、穿刺，延长手术时间，同时多次扫描、穿刺也对患者增加不必要的痛苦和射线辐射。

发明内容

为了充分利用CT透视实时引导的精准优势，同时减少和消除医生暴露在X射线下的风险，本发明提供一种主从式CT透视引导实时穿刺系统及主从操作方法，可以提高穿刺过程中定位的准确性，提高手术的安全性，又不会对医生的健康产生危害。

为达到上述目的，本发明提供了一种主从式CT透视引导实时穿刺系统，包括遥操作手术机器人以及经皮穿刺执行装置；

所述遥操作手术机器人包括机械臂和主控制台；机械臂末端固定所述经皮穿刺执行装置；所述主控制台远离穿刺操作位置，控制机械臂运动；

经皮穿刺执行装置在机械臂的带动下执行穿刺。

进一步地，所述遥操作手术机器人还包括近端控制模块，所述近端控制模块邻近穿刺操作位置。

进一步地，所述近端控制模块还包括由操作人员携带操作的手持操控器或能够移动接近穿刺操作位置的移动操控台，所述手持操控器和所述移动操控台均能够控制机械臂运动。

进一步地，所述主控制台和所述移动操控台均设有脚踏使能装置，脚踏使能装置处于脚踏下状态，主控制台和移动操控台上的机械臂运动控制才起作用，否则，机械臂运动控制无效。

进一步地，所述手持操控器设有手持使能装置，手持使能装置处于按下状态，手持操控器的机械臂运动控制才起作用，否则，机械臂运动控制无效。

进一步地，同一时间仅允许所述主控制台和所述近端控制模块之一控制机械臂运动；如果同一时间所述主控制台和所述近端控制模块均踏下脚踏使能装置或按下手持使能装置，则近端控制模块优先于主控制台拥有机械臂控制权。

进一步地，所述主控制台和所述移动操控台还设有急停按钮装置，任一急停按钮按下，均能够让机械臂紧急停止运动。

进一步地，机械臂检测穿刺过程中机械臂末端的受力大小并反馈给所述主控制台和所述移动操控台，所述主控制台和所述移动操控台监控机械臂末端的受力大小，如果大于预设安全阈值，则机械臂停止运动。

进一步地，所述主控制台或所述近端控制模块通过摇杆或按键控制所述机械臂末端在三维空间内的直线、曲线、旋转运动或停止；也能够单独控制机械臂上每个关节绕轴的旋转运动。

进一步地，所述主控制台位于CT屏蔽室外；

或者CT屏蔽室内设置用于屏蔽X射线的射线防护操作台，所述主控制台位于射线防护操作台内。

进一步地，所述经皮穿刺执行装置为穿刺手术器械夹持装置，通过快速装夹装置至所述机械臂末端，所述穿刺手术器械加持装置能够装载多种型号的穿刺手术器械。

进一步地，还包括激光视觉引导装置，包括固定至所述快速装夹装置的第一激光器、第二激光器和视频采集模块；所述第一激光器与所述第二激光器均可发射面状激光；所述第一激光器发射的激光与所述第二激光器发射的激光的交线经过穿刺手术器械的轴线，所述交线与患者体表的交点指示穿刺手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；所述视频采集模块采集的图像覆盖所述交线，并发送给所述主控制台，使得操作人员能够通过所述主控制台实时获得穿刺手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置以及所述经皮穿刺执行装置与作用位置的距离关系。

本发明另一方面提供一种基于所述的主从式CT透视引导实时穿刺系统的主从操作方法，包括如下步骤：

(1)选择操作模式，如果采用远程控制模式则进入步骤(2)；如果采用近端控制模式进入步骤(3)；

(2)激光视觉引导装置发射成一定角度的两束面激光，面激光的交线经过穿刺手术器械轴线，两束面激光与患者体表的交线所形成的交点指示穿刺手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置；操作人员通过所述主控制台实时获得穿刺手术器械沿当前方向操作在患者体表的作用位置，通过所述主控制台控制机械臂，使得机械臂带动经皮穿刺执行装置对准穿刺位置；进入步骤(4)；

(3)通过所述近端控制模块在邻近穿刺操作位置控制机械臂，使得机械臂带动经皮穿刺执行装置对准穿刺位置；

(4)启动CT透视扫描，观察实时CT影像及激光引导视频影像，通过主控制台或近端控制模块控制机械臂的运动。

进一步地，还包括通过所述主控制台或近端控制模块控制机械臂的运动进行平移、入针、退针、旋转穿刺运动，观察实时CT影像中穿刺手术器械末端到达靶点后结束。

进一步地，步骤(1)之前还包括机械臂固定到手术安装位置；标定机械臂安装位置与CT之间的空间位置关系，获得机械臂安装位置与CT之间的空间位置转换关系；控制机械臂运动，使得经皮穿刺执行装置的穿刺手术器械位置位于CT扫描平面内。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)与离线导航技术相比，本发明实现CT透视影像实时引导，实时观察穿刺过程中的进针路径，避免反复穿刺及扫描确认，提高穿刺的精准度及一次成功率，降低平均手术时间，同时也降低了患者受辐射的影响以及穿刺并发症的概率。

(2)与医生手工进行实时引导穿刺技术相比，本发明实现了遥操作机器人进行穿刺，医生在辐射防护操作台或屏蔽室外遥操控机器人，降低或彻底消除对医生的辐射影响。

(3)本发明设置了激光视觉引导装置便于医生准确判断穿刺位置，保证了医生远程操作的准确性。

(4)本发明提供了近端和远端的双重控制方式，在CT开启前，可以在前端操作，便于观察，使得前期的操作准确且便捷；在CT开启后，在远端操作，充分保护了医生；通过近端和远端的结合的控制方式，满足了医生的操作需求。

附图说明

图1是主从式CT透视引导实时穿刺系统结构示意图；

图2为一个实施例中激光视觉引导装置结构示意图；

图3为又一个实施例中激光视觉引导装置结构示意图；

其中1.针端相机、2.第一激光器、3.第二激光器、4.第一激光器固定架、5.第二激光器固定伸缩架、6.机械臂末端快速装夹装置、7.手术执行装置、8.机械臂末端、9.主控制台、10.机械臂、11.主控制台、12.移动操控台、13.经皮穿刺执行装置、14.射线防护操作台、15.CT。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

为解决上述问题，本发明提出了主从式CT透视引导实时穿刺系统，能够采用遥控的方式完成穿刺操作，该系统包括遥操作手术机器人、经皮穿刺执行装置13。

遥操作手术机器人是一个主从式的机器人装置，图1中虚线框内部分，包括主控制台9、机械臂10、快速装夹装置6、手持操控器11、移动操控台12。通过主控制台9(或者移动控制台11、手持操控器12)上的控制按钮、操控杆等装置，实现对机械臂的远程操作控制，可以实现机械臂的线性运动、曲线运动、旋转、停止等操作，机械臂末端8的快速装夹装置可装载不同的手术执行装置7，可以实现穿刺、治疗等不同的手术功能。机器人还可以反馈出穿刺过程中末端的受力大小。

机械臂10是机器人的执行机构，固定在机械臂底座上，可以不同姿态到达机械臂可达范围内的任何位置。通过运动控制，机械臂末端8可以进行直线运动、曲线运动、旋转运动。

装置快速装夹装置6一端固定在机械臂末端8上，随着机械臂末端8的运动而运动，延长机械臂的可达范围，上面包括一个激光视觉引导装置和另一端是一个可快速装夹装置。可以快速装卸经皮穿刺执行装置13。

机器人具有激光视觉引导系统，通过两个激光发射器的光线交汇定位穿刺位置。

在一个实施例中，结合图2，激光视觉引导系统包括针端相机1、第一激光器2、第二激光器3、针端相机1及第一激光器固定架4、第二激光器固定伸缩架5。第一激光器2安装在第一激光器固定架4上，其发射出的面激光与手术执行装置7上的穿刺手术器械轴线重合。第二激光器3安装在第二激光期固定伸缩架5上，其发射出的射线为面激光，并通过伸缩架上的伸缩装置调整第二激光器3的位置，使其发射出的面激光与手术执行装置7上的穿刺手术器械轴线重合。

第一激光和第二激光分别在患者体表形成两条投射线，这两条投射线的交点与穿刺手术器械延长线与病人体表的交点一致，代表穿刺手术器械在病人体表的投影，用来指示穿刺手术器械方向在病人体表的位置。通过针端相机1摄像头实时采集第一激光器2、第二激光器3在病人体表的投射线及其交点图像，可以实现在远程操作控制状态下，对手术执行装置7的图像引导，实时看到穿刺手术器械在病人体表对准的位置，并根据这个位置来调整机器人的位置和方向，使得穿刺手术器械朝着正确的方向移动和旋转。

在又一实施例中，结合图3，激光视觉引导系统包括针端相机1、第一激光器2、第二激光器3。第一激光器2与第二激光器3发射出的射线为两个不平行的面激光，两个面激光都经过手术执行装置7上的穿刺手术器械轴线，两个面激光分别在患者体表形成两条投射线，这两条投射线的交点，代表穿刺手术器械在病人体表的投影，用来指示穿刺手术器械方向在病人体表的位置。

主控制台9包括控制面板和显示器。控制面板控制机械臂的运动，通过摇杆、按键等功能机构，控制机械臂末端8在三维空间内的直线、曲线、旋转运动、停止，也可单独控制机械臂上每个轴的旋转运动。还具有速度调节功能，实时调节机械臂末端8的线性运动速度和角速度。还可以控制机械臂自动运行预设程序、自动运动。还具有运动模式选择、运动方位限定等功能按钮。还具有脚踏使能装置，脚踏使能装置处于脚踏下状态，主控制台的机械臂运动控制才起作用，否则，机械臂运动控制无效，机械臂不可动。还具有急停按钮装置，让机械臂紧急停止运动。还具有控制显示器机器人位置显示界面的视图切换、视野视角、远近等功能的机构，实时调整机器人位置显示的视图。还具有手术流程控制功能，控制手术流程的步骤。

同一时间仅允许使能所述主控制台和所述近端控制模块之一控制机械臂运动。所述主控制台和所述近端控制模块之一中有唯一踏下脚踏使能装置或者按下手持使能装置者，该控制台为该时间点控制机械臂运动的控制台。如果同一时间有多个控制端的脚踏使能装置或者手持使能装置处于脚踏状态或者按下状态，则按照手持操控器、移动操控台、主控制台的优先顺序，优先级高者拥有机械臂控制权。

显示器包括多个显示器，可以显示机械臂状态、机械臂位置(数字、2D、3D等形式)、机械臂末端8力反馈等信息。可以显示机械臂操控提示信息。可以显示手术流程控制信息。可以显示CT15实时影像，用于实时观察穿刺手术器械在CT影像中的位置。

主控制台9远离穿刺操作位置，位于CT屏蔽室内的射线防护操作台14内或者位于屏蔽室外；射线防护操作台14是一个具有射线防护功能的操作平台，平台上的防护装置可以屏蔽X射线的辐射。

手持操控器是可以持在手中的机械臂控制模块，功能与主控制台控制面板一致，除了不具有脚踏使能装置。手持操控器具有手持使能装置，处于使能状态时，手持操控器的机械臂运动控制才起作用，否则，机械臂运动控制无效，机械臂不可动。

移动操控台12功能与主控制台9控制面板一致，还具有随时移动的功能。

经皮穿刺执行装置13是一个可装载在遥操作手术机器人机械臂末端8快速装夹装置6上的经皮穿刺执行装置，该装置为无菌一次性手术器械，可装载多种型号的穿刺手术器械。该装置一端与手术机器人末端快速装夹装置连接，可快速安装和卸载。另一端是一个穿刺手术器械加持装置。可快速装卸穿刺手术器械，并保持穿刺手术器械在穿刺过程中的稳定及不变形。可装载多种型号的穿刺手术器械。

本发明另一方面提供一种所述的主从式CT透视引导实时穿刺系统的主从操作方法，包括下列步骤：

1.手术过程中，推动机械臂到手术安装位置并固定住；

2.标定机械臂安装位置与CT15之间的空间位置关系。这一步骤事先做完，可获得安装位置与CT15之间的空间位置转换关系；

3.启动手术流程控制，控制机械臂自动运动，使得经皮穿刺执行装置的穿刺手术器械位置位于CT扫描平面内；如果采用远程控制模式则进入步骤4；如果采用近端控制模式则进入步骤5；

4.在远程控制模式下，医生在远端观察针端相机1的图像，可以看到穿刺手术器械末端以及第一激光和第二激光投射到体表的两条激光线的交点；根据该交点与入针点的位置关系来控制机器人，使得穿刺手术器械在扫描平面内运动，包括平移和旋转，使得穿刺手术器械末端进入皮肤进针点；进入步骤6；

5.在近端控制模式下，医生在床旁通过手持操控器或者移动控制台，控制机器人，使得穿刺手术器械在扫描平面内运动，包括平移和旋转，使得穿刺手术器械末端进入皮肤进针点；进入步骤6；

6.医生退到主控制台，启动CT15扫描；

7.在主控制台实时观察CT影像，控制机械臂的运动，包括平移和旋转，使得穿刺手术器械的方向对准靶点。完成定位操作。

8.在主控制台控制机械臂的运动进行穿刺运动，实时观察CT影像中穿刺手术器械到达靶点后结束，同时可实时观察机器人反馈的末端穿刺受力的变化。

9.停止CT扫描。手工操作经皮穿刺执行装置松开穿刺手术器械，操作机械臂退回安全位置，遥操作穿刺结束。

综上所述，本发明涉及一种主从式CT透视引导实时穿刺系统及主从操作方法，主控制台和近端控制模块均可控制机械臂运动，近端控制模块邻近穿刺手术器械实际穿刺操作位置，主控制台远离穿刺操作位置，位于CT屏蔽室内的射线防护操作台内或者位于屏蔽室外；还包括激光视觉引导装置，在远程操作时准确定位穿刺手术器械作用位置。本发明实现CT透视影像实时引导，观察实时进针路径并引导穿刺，与传统离线穿刺手术相比，本发明可避免反复穿刺及扫描确认，提高穿刺的精准度和一次成功率，降低手术时间，同时也降低了患者受辐射的影响以及穿刺并发症的概率。本发明实现了遥操作机器人进行穿刺，医生在辐射防护操作台或CT屏蔽室外遥操控机器人，降低或彻底消除对医生的辐射影响。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。