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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610268405.2 (22)申请日 2016.04.27 (71)申请人 何滨 地址 310000 浙江省杭州市拱墅区大塘巷 51幢4单元701室 (72)发明人 何滨 (74)专利代理机构 杭州浙科专利事务所(普通 合伙) 33213 代理人 李灵锋 (51)Int.Cl. A61B 34/30(2016.01) A61B 34/10(2016.01) A61B 17/34(2006.01) (54)发明名称 智能脊椎麻醉穿刺机器人系统 (57)摘要 本发明涉及一种智。
2、能脊椎麻醉穿刺机器人 系统。 其特征在于由机器人本体和图像处理系统 两部分组成， 机器人本体和图像处理系统之间通 过无线网络进行数据通讯； 所述的机器人本体设 有执行模块、 控制模块、 压力传感器模块、 A/D转 换单元和电机驱动模块； 所述的图像处理系统包 括PC、 校准模块和双目视觉系统。 该系统通过图 像处理技术来实现术前穿刺的路径规划； 通过机 器人自动控制技术来实现术中穿刺动作的执行； 通过集成的压力传感器模块来对穿刺中的穿刺 针的轴向受力进行实时检测和采集， 实现穿刺过 程的全程监测， 能够有效避免手动穿刺可能会带 来的意外的发生； 整个系统的结构、 逻辑简单， 可 信度高。 权利。
3、要求书2页 说明书4页 附图3页 CN 105963018 A 2016.09.28 CN 105963018 A 1.智能脊椎麻醉穿刺机器人系统， 其特征在于由机器人本体和图像处理系统两部分组 成， 机器人本体和图像处理系统之间通过无线网络进行数据通讯； 所述的机器人本体设有执行模块、 控制模块、 压力传感器模块、 A/D转换单元和电机驱 动模块， 所述的压力传感器模块能实时检测穿刺针受到的轴向力； 所述的控制模块会根据压力传感器模块实时采集的压力值对穿刺针的轴向受力进行 分析， 通过受力值的变化来判断穿刺针穿透不同组织时的临界点， 实现穿刺过程的全程监 测； 所述的控制模块的信号输入端通过。
4、A/D转换单元与压力传感器模块的输出端连接， 控制 模块的控制信号输出端与电机驱动模块的控制信号输入端连接， 控制模块能够通过通讯接 口与图像处理系统进行无线通讯； 所述的执行模块是基于5轴关节臂的机器人模块， 包括机座以及设置于机座上方并与 机座相连接的3轴关节定位机构， 3轴关节定位机构与二自由度的旋转臂串联设置； 所述的 二自由度的旋转臂能够持握置针用的机械手， 并在二自由度的旋转臂末端安装所述的压力 传感器模块； 所述的图像处理系统包括PC、 校准模块和双目视觉系统， PC为高端个人电脑， 作为图像 处理系统的硬件平台； 所述的校准模块由三块校准板所组成， 包括上平面标志板、 下平面标。
5、志板和矩阵校正 板， 上平面标志板、 下平面标志板和矩阵校正板依次安装在C形臂X光机的影像增强器上， 其 中上平面标志板和下平面标志板上分别嵌入三颗排布方式一致的直径为2mm的钢珠球， 作 为图像匹配的标志点， 利用C臂X光机的C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校准 图像， 通过PC对图像与校准模块进行坐标统一； 所述的矩阵校正板的正面均匀分布有15x15 的间距为10mm的直径2mm钢珠球， 作为图像畸变校正的标志点， 利用C型臂上的X光发射源的 照射在成像平面上形成校正图像， 通过PC对透视图像进行畸变校正； 所述的校准模块的底 部分布有3颗表示校准模块坐标平面的直径2mm钢珠球；。
6、 所述的双目视觉系统包括1个高清摄像头， 通过移动固定距离来获取不同时刻同一个 标志点的不同角度的两幅数字图像， 并基于双目视觉原理而构建出的双目视觉系统， 用于 统一校准模块与机器人模块的坐标系。 2.根据权利要求1所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统， 其特征在于该智能脊椎麻醉 穿刺机器人系统的操作步骤如下： （一） 校准操作： 1） 将校准模块安装在C臂X光机的影像增强器上， 先装上矩阵校正板， 通过C臂X光机获 取透视图像， 并将透视图像输入至图像处理系统， 实现对畸变图像的校正； 2） 取下矩阵校正板， 然后装上上平面标志板、 下平面标志板， 通过C臂X光机获取透视图 像， 并将透视图像。
7、输入至图像处理系统， 实现图像坐标与校准模块坐标的统一； （二） 进针操作： a） 将患者放置于C臂X光机的影像增强器和X光发射源之间， 通过C臂X光机获取病灶的 透视图像， 并将透视图像输入至图像处理系统； 然后在图像处理系统的人机交互界面上选 取进针点， 确认无误后运行； 图像处理系统经过运算后， 将计算结果通过无线网络发送给机 器人本体； 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 105963018 A 2 b） 机器人本体接收到计算结果后， 其控制模块将控制执行模块进行进针操作； 在进针 过程中， 通过压力传感器模块进行力学监控， 当穿透黄韧带时， 机器人会立即停止进针操 作， 并提示。
8、术中操作者可以进行输麻药操作； c） 完成输麻药操作后， 术中操作者可通过图像处理系统的人机交互界面给机器人发送 退针指令， 当机器人接收到退针指令后， 机器人会沿着进针路线退出麻醉针。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 105963018 A 3 智能脊椎麻醉穿刺机器人系统 技术领域 0001 本发明涉及一种智能脊椎麻醉穿刺机器人系统。 背景技术 0002 脊椎麻醉即为将局麻药注入到硬膜外腔或蛛网膜下腔， 阻滞脊神经根而使相应部 位产生麻痹。 现有的脊椎麻醉操作一般采用徒手定位或者放射性监控下来确定体表进针点 和方向， 但是不精准的进针常导致一些常见的并发症， 硬膜外腔穿刺时用力过大。
9、导致的硬 膜外血管出血以及硬膜外导管误置进入蛛网膜下腔， 给诊断性监测的数据分析带来一定的 干扰。 误置导管还存在将一些无效、 有毒或可致死的其他物质 （如麻醉剂、 抗生素、 化疗试剂 或其他诊断试剂等） 引入机体。 另外， 脊椎穿刺后的并发症脊椎性头疼也会给患者生活带来 受到额外的困扰和痛苦。 发明内容 0003 针对现有技术中存在的问题， 本发明的目的在于提供一种可进行术前穿刺路径的 线性规划、 术中穿刺动作的执行以及麻醉穿刺过程的安全性能监控的智能脊椎麻醉穿刺机 器人系统。 该系统通过图像处理技术来实现术前穿刺的路径规划； 通过机器人自动控制技 术来实现术中穿刺动作的执行； 通过集成的压。
10、力传感器模块来对穿刺中的穿刺针的轴向受 力进行实时检测和采集， 实现穿刺过程的全程监测， 能够有效避免手动穿刺可能会带来的 意外的发生； 整个系统的结构、 逻辑简单， 可信度高。 0004 所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统， 其特征在于由机器人本体和图像处理系统 两部分组成， 机器人本体和图像处理系统之间通过无线网络进行数据通讯； 所述的机器人本体设有执行模块、 控制模块、 压力传感器模块、 A/D转换单元和电机驱 动模块， 所述的压力传感器模块能实时检测穿刺针受到的轴向力； 所述的控制模块会根据压力传感器模块实时采集的压力值对穿刺针的轴向受力进行 分析， 通过受力值的变化来判断穿刺针穿透不同。
11、组织时的临界点， 实现穿刺过程的全程监 测； 所述的控制模块的信号输入端通过A/D转换单元与压力传感器模块的输出端连接， 控制 模块的控制信号输出端与电机驱动模块的控制信号输入端连接， 控制模块能够通过通讯接 口与图像处理系统进行无线通讯； 所述的执行模块是基于5轴关节臂的机器人模块， 包括机座以及设置于机座上方并与 机座相连接的3轴关节定位机构， 3轴关节定位机构与二自由度的旋转臂串联设置； 所述的 二自由度的旋转臂能够持握置针用的机械手， 并在二自由度的旋转臂末端安装所述的压力 传感器模块； 所述的图像处理系统包括PC、 校准模块和双目视觉系统， PC为高端个人电脑， 作为图像 处理系统的。
12、硬件平台； 所述的校准模块由三块校准板所组成， 包括上平面标志板、 下平面标志板和矩阵校正 说 明 书 1/4 页 4 CN 105963018 A 4 板， 上平面标志板、 下平面标志板和矩阵校正板依次安装在C形臂X光机的影像增强器上， 其 中上平面标志板和下平面标志板上分别嵌入三颗排布方式一致的直径为2mm的钢珠球， 作 为图像匹配的标志点， 利用C臂X光机的C型臂上的X光发射源的照射在成像平面上形成校准 图像， 通过PC对图像与校准模块进行坐标统一； 所述的矩阵校正板的正面均匀分布有15x15 的间距为10mm的直径2mm钢珠球， 作为图像畸变校正的标志点， 利用C型臂上的X光发射源的 。
13、照射在成像平面上形成校正图像， 通过PC对透视图像进行畸变校正； 所述的校准模块的底 部分布有3颗表示校准模块坐标平面的直径2mm钢珠球； 所述的双目视觉系统包括1个高清摄像头， 通过移动固定距离来获取不同时刻同一个 标志点的不同角度的两幅数字图像， 并基于双目视觉原理而构建出的双目视觉系统， 用于 统一校准模块与机器人模块的坐标系。 0005 所述的智能脊椎麻醉穿刺机器人系统， 其特征在于该智能脊椎麻醉穿刺机器人系 统的操作步骤如下： （一） 校准操作： 1） 将校准模块安装在C臂X光机的影像增强器上， 先装上矩阵校正板， 通过C臂X光机获 取透视图像， 并将透视图像输入至图像处理系统， 实。
14、现对畸变图像的校正； 2） 取下矩阵校正板， 然后装上上平面标志板、 下平面标志板， 通过C臂X光机获取透视图 像， 并将透视图像输入至图像处理系统， 实现图像坐标与校准模块坐标的统一； （二） 进针操作： a） 将患者放置于C臂X光机的影像增强器和X光发射源之间， 通过C臂X光机获取病灶的 透视图像， 并将透视图像输入至图像处理系统； 然后在图像处理系统的人机交互界面上选 取进针点， 确认无误后运行； 图像处理系统经过运算后， 将计算结果通过无线网络发送给机 器人本体； b） 机器人本体接收到计算结果后， 其控制模块将控制执行模块进行进针操作； 在进针 过程中， 通过压力传感器模块进行力学监。
15、控， 当穿透黄韧带时， 机器人会立即停止进针操 作， 并提示术中操作者可以进行输麻药操作； c） 完成输麻药操作后， 术中操作者可通过图像处理系统的人机交互界面给机器人发送 退针指令， 当机器人接收到退针指令后， 机器人会沿着进针路线退出麻醉针。 0006 本发明的有益效果是： 1） 本发明可以通过术中的2D的C臂X光机的透视图像来进行线性定位， 即利用2D的C臂X 光机的透视图像计算出进针点及进针方向； 而现有的脊椎麻醉操作一般采用徒手定位或者 放射性监控下来确定体表进针点和方向， 若采用徒手定位法， 则无法精准定位， 导致操作过 程中反复进行打针操作， 增加了病人的痛苦及麻醉的风险； 若采。
16、用放射性监控进行定位的 方式， 如CT等， 这样虽然能够提高定位的精度， 但是又让病人在麻醉过程中遭受到了射线的 伤害； 而本发明仅仅通过一张术中的2D的C臂X光机的透视图像便能计算出进针点及进针方 向， 这样便减少了病人的痛苦， 大大降低了麻醉的风险； 2） 现有的脊椎麻醉操作除了无法精准定位外， 还存在徒手操作时稳定性差的问题； 而 本发明使用机器人模块进行进针操作， 具有高稳定性、 高精确性的优势； 3） 在脊椎麻醉操作中， 由于麻醉针穿透某些组织， 如黄韧带时， 进针阻力较大， 造成操 作者无法掌控好进针力度， 最终导致硬膜外血管出血以及硬膜外导管误置进入蛛网膜下腔 说 明 书 2/4。
17、 页 5 CN 105963018 A 5 等一系列的问题， 因此哪怕是拥有了放射性监控设备的辅助， 现有的脊椎麻醉操作仍然存 在很大的风险和失败率； 而本发明在执行机器人模块的末端加装了压力传感器模块， 对穿 刺针受到的轴向力进行实时监测， 通过控制模块的分析， 可以清楚的知道当前麻醉针有没 有穿透关键组织， 当麻醉针穿透的瞬间能让其立刻停下， 有效避免了麻醉针的误置。 附图说明 0007 图1为智能脊椎麻醉穿刺机器人系统结构框图； 图2为智能脊椎麻醉穿刺机器人系统的结构示意图； 图3为上平面标志板示意图； 图4为下平面标志板示意图； 图5为矩阵校正板示意图； 图6为校准模块坐标标志点示意图。
18、； 图7为穿刺过程的受力曲线示意图； 图中： 1-C臂X光机； 2-影像增强器； 3-X光发射源； 4-患者； 5-麻醉针或者导管； 6-机械 手； 7-二自由度的旋转臂； 8-3轴关节定位机构； 9-机座； 10-双目视觉系统； 11-摄像头初始 位； 12-摄像头结束位； 13-上平面标志板； 14-下平面标志板； 15-矩阵校正板； 16-校准模块 坐标标志点。 具体实施方式 0008 下面结合说明书附图对本发明作进一步说明： 图1为本发明智能脊椎麻醉穿刺机器人系统结构框图， 包括有机器人本体和图像处理 系统两大核心模块。 机器人本体和图像处理系统之间通过无线网络进行数据通讯。 机器人 。
19、本体设有执行模块、 控制模块、 A/D转换单元、 电机驱动模块和压力传感器模块， 其中的压力 传感器模块能实时检测穿刺针受到的轴向力。 而压力传感器模块又通过A/D转换单元与控 制模块相连， 控制模块通过电机驱动模块与执行模块连接。 控制模块会根据压力传感器模 块实时采集的压力值对穿刺针的轴向受力进行分析， 图6为穿刺过程的受力曲线示意图， 如 图所示， 当进针至t1时刻时， 进针阻力达到最大， 当突破某组织 （如黄韧带） 时， 即t2时刻时， 进针阻力急速下降。 控制模块通过受力值的变化来判断穿刺针穿透不同组织时的临界点， 实现穿刺过程的全程监测， 同时控制执行模块的运动。 图1所述的图像处。
20、理系统包括有PC、 校准模块和双目视觉系统10。 0009 图2为本发明智能脊椎麻醉穿刺机器人系统的结构示意图， 所述的校准模块由上 平面标志板13、 下平面标志板14、 矩阵校正板15所组成， 可安装在C臂X光机1的影像增强器2 上。 其中的上平面标志板13和下平面标志板14上分别嵌入三颗排布方式一致的直接为2mm 钢珠球， 如图3、 图4所示， 作为图像匹配的标志点， 利用C臂X光机的C型臂上的X光发射源的 照射在成像平面上形成校准图像， 通过PC对图像与校准模块进行坐标统一； 另外矩阵校正 板15的正面均匀分布有15x15的间距为10mm的直径2mm钢珠球， 如图5所示， 利用C型臂上的。
21、X 光发射源的照射在成像平面上形成校正图像， 通过PC对透视图像进行畸变校正。 双目视觉 系统10安装在机器人本体的执行模块的机座9上， 与机座9保持有固定的相对位置关系。 双 目视觉系统10包括有1个高清摄像头， 它是通过在摄像头初始位11处拍摄一张校准模块坐 说 明 书 3/4 页 6 CN 105963018 A 6 标标识平面上的校准模块坐标标志点16的数字图像， 然后移动固定距离至摄像头结束位12 处再拍摄一张校准模块坐标标识平面上的校准模块坐标标志点16的数字图像， 并基于双目 视觉原理而推导出校准模块的坐标系与机器人模块的坐标系的转换关系， 最终将坐标统一 到机器人坐标系上。 0。
22、010 双目视觉系统已经是成熟技术， 本发明仅是对其应用， 因此双目视觉系统在此不 再赘述。 0011 图2中的3轴关节定位机构8与机座9连接， 3轴关节定位机构8又与二自由度的旋转 臂7串联设置， 机械手6安装在二自由度的旋转臂7上， 麻醉针或者导管5通过机械手6来握 持。 0012 本发明的操作步骤如下： （一） 校准操作： 1） 将校准模块安装在C臂X光机1的影像增强器2上， 先装上矩阵校正板15， 通过C臂X光 机1获取透视图像， 并将透视图像输入至图像处理系统， 实现对畸变图像的校正； 2） 取下矩阵校正板15， 然后装上上平面标志板13、 下平面标志板14， 通过C臂X光机1获 取。
23、透视图像， 并将透视图像输入至图像处理系统， 实现图像坐标与校准模块坐标的统一； （二） 进针操作： a） 将患者4放置于C臂X光机1的影像增强器2和X光发射源3之间， 通过C臂X光机1获取病 灶的透视图像， 并将透视图像输入至图像处理系统； 然后在图像处理系统的人机交互界面 上选取进针点， 确认无误后运行， 图像处理系统经过运算后， 将计算结果通过无线网络发送 给机器人本体； b） 机器人本体接收到计算结果后， 其控制模块将控制执行模块进行进针操作； 在进针 过程中， 通过压力传感器模块进行力学监控； 当穿透某特定组织 （如黄韧带） 时， 机器人会立 即停止进针操作， 并提示术中操作者可以进。
24、行输麻药操作； c） 完成输麻药操作后， 术中操作者可通过图像处理系统的人机交互界面给机器人发送 退针指令； 当机器人接收到退针指令后， 机器人会沿着进针路线退出麻醉针。 0013 该系统通过图像处理技术来实现术前穿刺的路径规划； 通过机器人自动控制技术 来实现术中穿刺动作的执行； 通过集成的压力传感器模块来对穿刺中的穿刺针的轴向受力 进行实时检测和采集， 实现穿刺过程的全程监测， 能够有效避免手动穿刺可能会带来的意 外的发生； 整个系统的结构、 逻辑简单， 可信度高。 0014 应当指出， 以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明 创造， 但不以任何方式限制本发明创造。 因此， 尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创 造己进行了详细的说明， 但是， 本领域技术人员应当理解， 仍然可以对本发明创造进行修改 或者等同替换， 总之， 一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进， 其均应涵 盖在本发明创造专利的保护范围当中。 说 明 书 4/4 页 7 CN 105963018 A 7 图1 说 明 书 附 图 1/3 页 8 CN 105963018 A 8 图2 图3 图4 说 明 书 附 图 2/3 页 9 CN 105963018 A 9 图5 图6 图7 说 明 书 附 图 3/3 页 10 CN 105963018 A 10 。