一种根据体感动作信号进行手术的装置及方法.pdf

本发明公开了一种根据体感动作信号进行手术的装置，所述装置包括：信号采集设备，用于采集并识别体感动作信号；执行设备，用于根据所述体感动作信号进行手术操作。本发明还同时公开了一种根据体感动作信号进行手术的方法。

1.  一种根据体感动作信号进行手术的装置，其特征在于，所述装置包括：
信号采集设备，用于采集并识别体感动作信号；
执行设备，用于根据所述体感动作信号进行手术操作。

2.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号采集设备包括：
体感动作设定单元，用于对所述体感动作信号进行设定。

3.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述执行设备包括：
坐标校正单元，用于将所述体感动作信号对应的坐标系数据转换到所述执行设备的坐标系上得到手术操作对应的坐标系数据；
执行单元，用于根据所述手术操作对应的坐标系数据进行手术操作。

4.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
隔离设备，用于对所述手术操作进行隔离。

5.  根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
图像设备，用于采集并显示所述手术操作的图像信息。

6.  一种根据体感动作信号进行手术的方法，其特征在于，所述方法包括：
采集并识别体感动作信号；
根据所述体感动作信号进行手术操作。

7.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述采集并识别体感动作信号的步骤之前还包括：
对所述体感动作信号进行设定。

8.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据所述体感动作信号进行手术操作包括：
将所述体感动作信号对应的坐标系数据转换到所述执行设备的坐标系上得到手术操作对应的坐标系数据；
根据所述手术操作对应的坐标系数据进行手术操作。

9.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述手术操作进行隔离。

10.  根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
采集并显示所述手术操作的图像信息。

一种根据体感动作信号进行手术的装置及方法
技术领域
本发明属于计算机辅助手术领域，尤其涉及一种根据体感动作信号进行手术的装置及方法。
背景技术
当前的很多治疗过程都需要进行手术，通过医疗器械对病人身体进行切除、缝合等操作。手术室要求具备严格的无菌条件，特别是对于重症监护病房的患者还说，严格的无菌环境极为重要。
现有手术都是通过医生及护士来对患者进行手术的，虽然在手术前进行了必要的消毒杀菌处理，但手术中一些常用的手术设备(如手术导航系统、手术机器人等电子设备)不可能进行消毒或无法进行完全消毒，无菌条件不高。手术过程中，医生需要对手术设备进行操作，还需要对患者进行手术，这就有可能将手术设备上的病毒带给患者形成交叉感染。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例期望提供一种根据体感动作信号进行手术的装置及方法，至少能解决现有手术过程中无法实现完全消毒等技术问题。
本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种根据体感动作信号进行手术的装置，所述装置包括：
信号采集设备，用于采集并识别体感动作信号；
执行设备，用于根据所述体感动作信号进行手术操作。
上述方案中，所述信号采集设备包括：
体感动作设定单元，用于对所述体感动作信号进行设定。
上述方案中，所述执行设备包括：
坐标校正单元，用于将所述体感动作信号对应的坐标系数据转换到所述执行设备的坐标系上得到手术操作对应的坐标系数据；
执行单元，用于根据所述手术操作对应的坐标系数据进行手术操作。
上述方案中，所述装置还包括：
隔离设备，用于对所述手术操作进行隔离。
上述方案中，所述装置还包括：
图像设备，用于采集并显示所述手术操作的图像信息。
本发明实施例还提供了一种根据体感动作信号进行手术的方法，所述方法包括：
采集并识别体感动作信号；
根据所述体感动作信号进行手术操作。
上述方案中，在所述采集并识别体感动作信号的步骤之前还包括：
对所述体感动作信号进行设定。
上述方案中，所述根据所述体感动作信号进行手术操作包括：
将所述体感动作信号对应的坐标系数据转换到所述执行设备的坐标系上得到手术操作对应的坐标系数据；
根据所述手术操作对应的坐标系数据进行手术操作。
上述方案中，所述方法还包括：
对所述手术操作进行隔离。
上述方案中，所述方法还包括：
采集并显示所述手术操作的图像信息。
本发明实施例所提供的根据体感动作信号进行手术的装置及方法，首先采集并识别体感动作信号，然后根据体感动作信号进行手术操作，替代了医生或护士对患者的直接接触，极大地提高了手术过程中的无菌水平；避免了手术设备与患者发生交叉感染。
附图说明
图1为实施例1的根据体感动作信号进行手术的装置的组成结构图；
图2为实施例2的根据体感动作信号进行手术的方法的流程图；
图3为实施例3的骨科手术开始时的示意图；
图4为实施例3的骨科手术完成时的示意图。
为了能明确实现本发明的实施例的结构，在图中标注了特定的尺寸、结构和器件，但这仅为示意需要，并非意图将本发明限定在该特定尺寸、结构、器件和环境中，根据具体需要，本领域的普通技术人员可以将这些器件和环境进行调整或者修改，所进行的调整或者修改仍然包括在后附的权利要求的范围中。
具体实施方式
在以下的描述中，将描述本发明的多个不同的方面，然而，对于本领域内的普通技术人员而言，可以仅仅利用本发明的一些或者全部结构或者流程来实施本发明。为了解释的明确性而言，阐述了特定的数目、配置和顺序，但是很明显，在没有这些特定细节的情况下也可以实施本发明。在其他情况下，为了不混淆本发明，对于一些众所周知的特征将不再进行详细阐述。
实施例1
为了解决现有手术过程中无法实现完全消毒等技术问题，本实施例提供了一种根据体感动作信号进行手术的装置，如图1所示，本实施例的装置包括：
信号采集设备101，用于采集并识别体感动作信号；
为了实现完全消毒和无菌的要求，本实施所述的装置通过体感动作信号来替代现有的医生或护士在手术过程中的操作目的，避免了医生与手术设备的直接接触，极大地提高了手术过程中的无菌水平。本实施例的体感动作信号是指手术中的各种手术操作进行分类，并对手术操作设置对应的体感动作信号。如此，信号采集设备101就能够根据体感动作信号进行对应的手术操作。需要说明的是，本实施例的体感动作信号可以根据具体手术进行设定，不一定在所有手术中同一体感动作信号都对应相同的手术操作。信号采集设备101可以是一 个，也可以是多个，具体根据实际情况而定。相应的，体感动作信号可以是单独的形式，也可以是组合的形式。信号采集设备101可以采集一个体感动作信息，也可同时采集多个体感信号。
执行设备102，用于根据所述体感动作信号进行手术操作。
得到体感动作信号后，根据体感动作信号进行手术操作，避免了医生接触其他手术设备，极大地提高了手术过程中的无菌水平，不会出现交叉感染等情况。执行设备102可以通过机械臂实现，机械臂的具体参数(如机械臂的数量，每个机械臂轴的自由度等)可根据实际需要设定。
本实施例的信号采集设备101采集并识别体感动作信号，然后执行设备102根据体感动作信号进行手术操作，避免了医生与其他手术设备的直接接触，极大地提高了手术过程中的无菌水平；避免了手术设备与患者发生交叉感染。
具体的，本实施例的所述信号采集设备101还包括：体感动作设定单元，用于对所述体感动作信号进行设定。实际中，需要先对手术操作设置对应的体感动作信号，然后再进行手术。体感动作信号之间的差别要明显，避免信号采集设备101的误识别和执行设备102的误操作。
信号采集设备101对体感动作信号的识别是基于自身的坐标系实现的，而执行设备102通常也有自己的坐标系，并且和采集设备101的坐标系不同。因此，为了准确执行信号采集设备101识别的体感动作信号，执行设备102需要对信号采集设备101得到的体感动作信号对应的坐标系数据进行转化，以便进行准确的手术操作。为此，所述执行设备102包括：坐标校正单元，用于将所述体感动作信号对应的坐标系数据转换到所述执行设备的坐标系上得到手术操作对应的坐标系数据；执行单元，用于根据所述手术操作对应的坐标系数据进行手术操作。
通过信号采集设备101和执行设备102避免了医生与其他手术设备的直接接触。为了进一步提高手术过程中的无菌水平，本实施例的装置还包括：隔离设备，用于对所述手术操作进行隔离。隔离设备可以是一个密封无菌，包含执行设备102的无菌膜，还可以是其他能够实现无菌效果的设备。
本实施例的信号采集设备101和执行设备102通过有线信号或无线信号进行数据传递，即，本实施例的信号采集设备101和执行设备102之间有一定距离，为了对执行设备102的手术操作做到精确控制，需要对执行设备102的现场进行监控，所以，本实施例的所述装置还包括：图像设备，用于采集并显示所述手术操作的图像信息。具体的，所述图像设备包括：图像采集单元，位于执行设备102一侧，用于采集所述图像信息；图像显示单元，位于信号采集设备101一侧，用于显示所述图像信息。为了进一步提高所述图像信息的采集效果，所述图像采集单元还可以包括三维摄像头，实现对图像信息的三维采集。相应地，所述图像显示单元包括三维显示器。图像设备可以置于隔离设备内，也可以置于隔离设备外。
实施例2
本实施例与实施例1属于同一发明构思，本实施例提供了一种根据体感动作信号进行手术的方法，如图2所示，所述方法包括：
步骤S201：采集并识别体感动作信号；
为了实现完全消毒和无菌的要求，本实施通过体感动作信号来替代现有的医生或护士在手术过程中的操作目的，避免了医生与手术设备的直接接触，极大地提高了手术过程中的无菌水平。本实施例的体感动作信号是指手术中的各种手术操作进行分类，并对手术操作设置对应的体感动作信号，体感动作信号可以是单独的形式，也可以是组合的形式。如此，就能够根据体感动作信号进行对应的手术操作。需要说明的是，本实施例的体感动作信号可以根据具体手术进行设备，不一定在所有手术中同一体感动作信号都对应相同的手术操作。
步骤S202：根据所述体感动作信号进行手术操作。
得到体感动作信号后，根据体感动作信号进行手术操作，避免了医生接触其他手术设备，极大地提高了手术过程中的无菌水平，不会出现交叉感染等情况。本步骤对应的执行设备102可以通过机械臂实现，机械臂的具体参数(如机械臂的数量，每个机械臂轴的自由度等)可根据实际需要设定。
在步骤S201之前还需要根据实际情况对手术操作对应的体感动作信号进 行设定。因此，在所述采集并识别体感动作信号的步骤之前还包括：对所述体感动作信号进行设定。需要注意的是，体感动作信号之间的差别要明显，以避免对体感动作信号的误识别。
实际中，采集并识别体感动作信号都是基于具体的坐标系实现的，并且，根据所述体感动作信号进行手术操作也是基于具体的坐标系实现，但上述的这两个坐标系通常是不相同的，需要对体感动作信号进行相应的坐标系转换，以用于手术操作。为此，步骤S202包括：
步骤S2021：将所述体感动作信号对应的坐标系数据转换到所述执行设备的坐标系上得到手术操作对应的坐标系数据；
步骤S2022：根据所述手术操作对应的坐标系数据进行手术操作。
通过上述的步骤S201和步骤S202可实现医生不直接接触其他手术设备。为了进一步提高手术过程中的无菌水平，本实施例所述方法还可以包括：
对所述手术操作进行隔离。隔离可以通过一个密封无菌的包含执行设备102的无菌膜，还可以是其他能够实现无菌效果的设备。
为了对手术操作进行精确控制，本实施例所述方法还可以包括：采集并显示所述手术操作的图像信息。为了进一步提高所述图像信息的采集效果，本步骤可以通过三维镜头实现对图像信息的采集，并通过三维显示器进行显示。
实施例3
以下通过一个实际的场景对本发明进行详细说明。
以骨科手术为例，信号采集设备101通过一个体感动作信号识别设备实现。执行设备102采用机械臂实现，优选六自由度机械手臂。隔离设备需用一个无菌膜，无菌膜覆盖在机械臂上，使得机械臂与外界无接触。图像采集单元通过三个摄像头组成，三个摄像头采集的图像组合成三维视图；图像显示单元采用三维显示器，以显示所述三维视图。信号采集设备101和执行设备102通过有线或无线连接；图像采集单元和图像显示单元通过有线或无线连接。
实验开始前先要通过体感动作设定单元对手术操作对应的体感动作信号进行设定，本实施例通过手势来定义体感动作信号。之后就可以在信号采集设备 101的设定区域通过手势对机械臂进行相应的控制，如机械臂的开始、停止、旋转或平移等操作，还可以两个手进行组合实现对应的操作，具体视实际需要而定。以下对单手操作和双手操作具体说明：
(1)单手操作
单手定位方式适用于手术初期，机器人末端接近手术部位过程中的运动控制，要求过程流畅，对精度要求不高，故采用主从运动控制，位姿与速度都由操作者速度控制。通过识别拇指、手掌建立右手坐标系。
保证传感器与机器人坐标系各坐标轴方向相同。实时计算右手相对于传感器坐标系X\Y\Z轴的平移分量x，y，z及旋转分量Rx，Ry，Rz。通过坐标系转换计算引导机器人末端跟随操作者运动。这种方式下运动参考坐标系为机器人自身坐标系，操作者依据多角度摄像头观察机器人位置姿态，控制机器人运动。
如，在骨科定位手术中，医生通过单手定位引导机器人末端靠近患者手术部位，过程中避开障碍物，将机器人末端安装的工具其置于X光发射端与患者之间进行牵引针的手术定位。牵引针可以用来进行空心钉手术或骨折复位手术。
以左手的手势作为开关量，当左手手势状态为握拳时，信号采集设备101开始控制机械臂。左手手势为张手时，信号采集设备101结束对机械臂的控制。以右手手势来控制机械臂的旋转或平移。接下来只需要将双手的坐标变化与机械臂的末端移动量建立联系(坐标系数据转换)即可。
三个摄像头实时采集机械臂的运动情况，并将采集的图像组成三维视图；然后通过三维显示器显示给操作者，并可以对三维视图进行放大缩小等操作，使操作者能够根据实际情况对机械臂进行调整。
(2)双手操作
双手定位方式适用于骨科手术中，要求高精度、速度可在几个档位调整。图3中，双手左手坐标为(x1，y1，z1)，右手坐标为(x2，y2，z2)，输入机器人的控制量为(x，y，z，Rx，Ry，Rz)。其中，x为机器人的X轴平移分 量；y为机器人的Y轴平移分量；z为机器人的Z轴平移分量；Rx为机器人的X轴上的旋转分量；Ry为机器人的Y轴上的旋转分量；Rz为机器人的Z轴上的旋转分量。
以左手的手势作为开关量，当左手手势状态为握拳时，开始操作，计算左手坐标最大变化量(如Δx)所在方向。以右手手势来控制机械臂的旋转或平移，张手时为旋转，握拳时为平移。每次运动一个固定步长，从而保证机器人末端匀速运动。此处，步长包括距离步长和角度步长；当运动只有距离变化时，距离步长为一设定距离值，并以该距离步长对运动进行计数；当运动只有角度变化时，角度步长为一设定角度，并以该角度步长对运动进行计数；当运动既有距离又有角度时，通过距离步长和角度步长同时对运动进行计数。
左手手势为张手时，结束操作。接下来只需要将双手的坐标变化与机械臂的末端移动量建立联系(坐标系数据转换)即可。操作过程中，依据机器人自身关节参数，显示机器人末端固连的工具的3维图像，作为操作者观察依据。
特殊情况下，医生可以通过调整机械臂的每个电机的角度控制机器人。该模式下，使用左手选择需要调节的电机编号，右手左右平移控制电机正反向旋转。
在骨科复位手术中，在牵引针固定于骨上后，通过X光扫描与患者CT数据配准，生成机器人末端固连的骨的三维图像通过显示器显示给操作者，并可以对三维视图进行放大缩小等操作，使操作者能够根据实际情况对机械臂进行调整。医生依据实时的虚拟三维图像反馈，使用双手定位对机器人进行位置与角度的调整，带动骨的复位。最终完成骨折复位手术如图4所示。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的设备和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通 信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理模块中，也可以是各单元分别单独作为一个单元，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中；上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：移动存储设备、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。