技术领域
本发明涉及医疗手术技术领域，尤其涉及一种机器人穿刺系统。
背景技术
现有的穿刺手术，如经皮肾穿刺手术、经皮神经外科穿刺术、经皮骨科穿刺术等都是需要医生一边看着C臂机获取到的病患的X光图像，一边操作穿刺针来进行穿刺操作，整个手术过程基本都需要医生参与，医生的工作量很大，同时医生必须要暴露在X光线中，长期暴露在X光线中会对医生的身体产生辐射危害。
发明内容
本发明的目的是提出一种机器人穿刺控制系统，在手术过程中医生无需暴露在X光线中，避免X光线对医生的身体产生辐射。
为了达到上述的目的，本发明实施例一方面提供了一种机器人穿刺系统，包括：手术床、C臂机、C臂机驱动装置、安装有穿刺针的机械臂、控制台以及图像显示器；所述手术床上布置有可被C臂机识别的网格；所述C臂机用于照射所述手术床以获取X光网格图像；所述C臂机驱动装置用于驱动所述C臂机转动以改变照射方向；所述控制台用于控制所述机械臂与所述C臂机驱动装置；所述图像显示器用于显示所述X光网格图像、所述C臂机采集的图像和所述机械臂上的穿刺针所视图像；所述手术床、C臂机、C臂机驱动装置、机械臂设置在手术室内；所述控制台和图像显示器设置在手术室外。
优选地，所述机械臂包括机座、安装在所述机座上的机械臂本体、安装在所述机械臂本体的活动端部上的持针器、安装在所述持针器上的摄像头与穿刺针。
优选地，所述控制台配置有机器人穿刺控制装置，所述机器人穿刺控制装置包括：
X光图像获取模块，用于通过转动所述C臂机控制所述C臂机以不同的照射方向照射所述手术床，获取不同的照射方向所对应的X光网格图像；所述手术床上布置有可被C臂机识别的网格；
结石坐标获取模块，用于根据结石在不同的X光网格图像上的位置，获取所述结石在XYZ坐标系上的坐标；其中，在所述XYZ坐标系中，以C臂机的转动中为坐标原点，以垂直于手术床且通过坐标原点的直线为Z轴，以平行于C臂机的转轴且通过坐标原点的直线为Y轴，以同时垂直于Z轴和Y轴且通过坐标原点的直线为X轴；
器官图形获取模块，用于获取每张X光网格图像中的器官边界图形；所述器官边界图像是指所述结石所在的器官的边界图像；
三维图像构建模块，用于根据每张X光网格图像中的器官边界图形以及预先配置的影像学图片，在所述XYZ坐标系中构建所述结石所在的器官的三维图像；
刺入路径确定模块，用于根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，确定最佳刺入路径；
穿刺控制模块，用于控制机械臂根据所述最佳刺入路径对所述结石进行穿刺操作；其中所述机械臂上安装有穿刺针。
优选地，所述结石坐标获取模块包括：
第一坐标获取单元，用于获取结石在第一照射方向所对应的X光网格图像上的坐标(x1，y1)；所述第一照射方向为Z轴的正向；
第二坐标获取单元，用于获取结石在第二照射方向所对应的X光网格图像上的坐标(x2，y2)；
第三坐标获取单元，用于根据
计算出所述结石所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标(x1,y1,z1)；
其中，β是所述第一照射方向与所述第二照射方向之间的夹角，且β不为0。
优选地，所述刺入路径确定模块，包括：
刺入路径推荐单元，用于根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，推荐N种刺入路径；
动作模拟单元，用于模拟每种刺入路径的进针和退针的动作，并通过三维图像分别显示模拟的动作预计效果；
刺入路径确定单元，用于根据医生的选择指令，从所述N种刺入路径中选择一种作为最佳刺入路径。
优选地，所述穿刺控制模块，包括：
刺入参数确定单元，用于根据所述最佳刺入路径确定刺入点位置在所述XYZ坐标系上的坐标以及刺入方向；
移动控制单元，用于根据预先获取的所述机械臂上的穿刺针在所述XYZ坐标系上的坐标以及所述刺入点位置在所述XYZ坐标系上的坐标，控制所述机械臂移动使得所述穿刺针到达所述刺入点位置；
刺入控制单元，用于根据所述刺入方向调整所述穿刺针的朝向，并控制所述机械臂带动所述穿刺针从所述刺入点位置刺入至所述结石所在的位置。
相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：本发明实施例提供一种机器人穿刺系统，包括手术床、C臂机、C臂机驱动装置、安装有穿刺针的机械臂、控制台以及图像显示器；所述手术床上布置有可被C臂机识别的网格；所述C臂机用于照射所述手术床以获取X光网格图像；所述C臂机驱动装置用于驱动所述C臂机转动以改变照射方向；所述控制台用于控制所述机械臂与所述C臂机驱动装置；所述图像显示器用于显示所述X光网格图像、所述C臂机采集的图像和所述机械臂上的穿刺针所视图像；所述手术床、C臂机、C臂机驱动装置、机械臂设置在手术室内；所述控制台和图像显示器设置在手术室外。通过本发明实施例提供的方法与装置，在手术过程中医生无需暴露在X光线中，避免X光线对医生的身体产生辐射并且穿刺精度高。
附图说明
图1是本发明实施例中的机器人穿刺系统的结构示意图；
图2是图1中的机械臂4的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种机器人穿刺系统控制方法的流程示意图；
图4是以C臂机2的转动中心为坐标原点建立的XYZ坐标系的示意图；
图5a是以第一照射方向照射手术床产生X光网格图像的原理图；
图5b是以第二照射方向照射手术床产生X光网格图像的原理图；
图6a是图5a所产生的X光网格图像的示意图；
图6b是图5b所产生的X光网格图像的示意图；
图7是通过步骤S53获取到的一个器官边界图形的示意图；
图8是本发明实施例提供的一种机器人穿刺系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，其是本发明实施例中的机器人穿刺系统的结构示意图。所述机器人穿刺系统包括手术床1、C臂机2、C臂机驱动装置3、安装有穿刺针的机械臂4、控制台5以及图像显示器6。所述手术床1上布置有可被C臂机2识别的网格；所述C臂机2用于照射所述手术床1以获取X光网格图像；所述C臂机驱动装置3用于驱动所述C臂机2转动以改变照射方向；所述控制台55用于控制所述机械臂4与所述C臂机驱动装置3；所述图像显示器用于显示所述X光网格图像、所述C臂机采集的图像和所述机械臂4上的穿刺针45所视图像。
如图2所示，其是图1中的机械臂4的结构示意图。所述机械臂4包括机座41、安装在所述机座41上的机械臂本体42、安装在所述机械臂本体42的活动端部上的持针器43、安装在所述持针器43上的摄像头44与穿刺针45。所述摄像头44与图像显示器6无线连接，用以显示穿刺针45所视图像。
所述机械臂本体42有六个关节，可以实现沿着XYZ三个轴的轴向直线运动，和绕XYZ三个轴的旋转运动，从而可以单独实现穿刺针向左向右(X轴)、向前向后(Y轴)、向上向下(Z轴)的直线移动，穿刺针向前向后翻转(绕X轴转动)、向左向右翻转(绕Y轴转动)，完成定位和定向工作，然后推针和退针。
在实施时，所述手术床、C臂机2、C臂机驱动装置3、机械臂4设置在手术室内；所述控制台5和图像显示器6设置在手术室外。
基于本发明的系统半自动远程穿刺手术过程如下：
1)开机：预热、联机、自检；
2)装针就位：在机械臂上安装穿刺针套件，手动控制机械臂左右、前后和上下移动，调整就位；
3)初始化：以C形臂X光机的转动中心定出系统坐标原点，定出机械臂原点和手术点(皮肤表面点，画一个十字)；
4)结石定位：通过C形臂X光机采集的图像，并结合其他影像学资料，人工确认结石位置及穿刺路径；
5)定向准备：人工远程控制机械臂末端向左向右翻转和向前向后翻转，完成方向调整；
6)模拟动作：人工远程反复2-3项，进针、退针，进行动作模拟；
7)进针穿刺：操作医生借助机器臂末端的摄像头，实时监视穿刺外景。人工远程控制进针退针，其间视需要连续或间断使用C形臂X光机引导穿刺，并根据需要推入造影剂；
8)穿刺到位1：人工远程控制C形臂X光机的照射角度，在C形臂X光机的引导下，调整穿刺路径，直至穿刺到位。
9)穿刺到位2：人工退出穿刺针芯，注射器经穿刺针后座注水回抽，其间可远程控制机械臂缓慢回退，直至注射器回抽水流畅顺；
10)穿刺到位3：视需要经逆行插入的输尿管导管注水，并观察穿刺针后座是否出水成线；
11)置入导丝：经穿刺针置入导引导丝，人工远程控制C形臂X光机，观察及确认导丝走向；
12)退针：固定好导丝，人工控制机械臂，缓慢退出穿刺针，从穿刺针管内抽出导丝的另一端，卸下穿刺针套件；
13)回原点：机械臂回归原位。
请参阅图3，其是本发明实施例提供的一种机器人穿刺控制方法的流程示意图。所述方法由配置在所述控制台5中的机器人穿刺控制装置实施，包括：
S51，通过转动所述C臂机2控制所述C臂机2以不同的照射方向照射所述手术床，获取不同的照射方向所对应的X光网格图像；所述手术床上布置有可被C臂机2识别的网格；
S52，根据结石在不同的X光网格图像上的位置，获取所述结石在XYZ坐标系上的坐标；其中，在所述XYZ坐标系中，以C臂机2的转动中心为坐标原点，以垂直于手术床且通过坐标原点的直线为Z轴，以平行于C臂机2的转轴且通过坐标原点的直线为Y轴，以同时垂直于Z轴和Y轴且通过坐标原点的直线为X轴；如图4所示，其是以C臂机2的转动中心为坐标原点建立的XYZ坐标系的示意图。
S53，获取每张X光网格图像中的器官边界图形；所述器官边界图像是指所述结石所在的器官的边界图像；
S54，根据每张X光网格图像中的器官边界图形以及预先配置的影像学图片，在所述XYZ坐标系中构建所述结石所在的器官的三维图像；
S55，根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，确定最佳刺入路径；
S56，控制机械臂4根据所述最佳刺入路径对所述结石进行穿刺操作；其中所述机械臂4上安装有穿刺针。
在本发明实施例中，预先建立以C臂机2的转动中心为坐标原点的三维坐标系，通过获取不同照射角度的X光网格图像来确定待穿刺的结石在三维坐标系的坐标，同时根据多张X光网格图像来构建结石所在的器官的三维图像，最终确定最佳穿刺路径，根据所述最佳穿刺路径来控制机械臂4对结石进行穿刺操作。实现了整个穿刺过程的全自动化，提高了手术的效率以及精确性，减轻了医生的工作量，医生也无需暴露在X光线中，避免受到辐射影响。
在一种可选的实施方式中，步骤S52所述的根据结石在不同的X光网格图像上的位置，获取所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，包括：
获取结石在第一照射方向所对应的X光网格图像上的坐标(x1，y1)；所述第一照射方向为Z轴的正向；
获取结石在第二照射方向所对应的X光网格图像上的坐标(x2，y2)；
根据
计算出所述结石所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标(x1,y1,z1)；
其中，β是所述第一照射方向与所述第二照射方向之间的夹角，且β不为0。
请同时参阅图5a，图5b，图6a，图6b，图5a是以第一照射方向照射手术床产生X光网格图像的原理图，图5b是以第二照射方向照射手术床产生X光网格图像的原理图，图6a是图5a所产生的X光网格图像的示意图，图6b是图5b所产生的X光网格图像的示意图。
其中，P是代表结石，X1Y1Z1坐标系与XYZ坐标系完全重合，X2Y2Z2坐标系为以Y轴转动β角度得到的坐标系。
由于y1＝y2，根据坐标系的旋转变换原理，可以计算出结石在XYZ坐标系的z坐标为
从而得到结石在XYZ坐标系的坐标为(x1,y1,z1)。
在一种可选的实施方式中，步骤S53所述的获取每张X光网格图像中的器官边界图形具体为通过图像识别算法获取每张X光网格图像中的器官边界图形。如图7所示，其是通过步骤S53获取到的一个器官边界图形的示意图。
在步骤S54中，根据每张X光网格图像中的器官边界图形实际上是不同角度的器官边界图形，结合到预先配置的影像学图片，即可在所述XYZ坐标系中构建所述结石所在的器官的三维图像。
在一种可选的实施方式中，步骤S55所述的根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，确定最佳刺入路径根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，确定最佳刺入路径，包括：
根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，推荐N种刺入路径；
模拟每种刺入路径的进针和退针的动作，并通过三维图像分别显示模拟的动作预计效果；
根据医生的选择指令，从所述N种刺入路径中选择一种作为最佳刺入路径。
本发明实施例利用构建好的结石所在器官的三维图像进行穿刺手术的模拟过程，并通过图像显示器进行显示，最终由医生根据动作预计效果来确定最佳穿刺路径。
在一种可选的实施方式中，步骤S56所述的控制机械臂4根据所述最佳刺入路径对所述结石进行穿刺操作，包括：
根据所述最佳刺入路径确定刺入点位置在所述XYZ坐标系上的坐标以及刺入方向；
根据预先获取的所述机械臂4上的穿刺针在所述XYZ坐标系上的坐标以及所述刺入点位置在所述XYZ坐标系上的坐标，控制所述机械臂4移动使得所述穿刺针到达所述刺入点位置；
根据所述刺入方向调整所述穿刺针的朝向，并控制所述机械臂4带动所述穿刺针从所述刺入点位置刺入至所述结石所在的位置。
需要说明的是，所述机械臂4上的穿刺针在所述XYZ坐标系上的坐标在初始化时获取。
在一种可选的实施方式中，所述方法还包括：在控制机械臂4根据所述最佳刺入路径对所述结石进行穿刺操作的过程中，通过安装在机械臂4上的摄像头获取手术外景图像，通过所述C臂机2获取手术内景图像，通过显示器显示所述手术外景图像与手术内景图像。从而医生可以监控手术的外景和内景，必要时可以进行人工干预。
利用本方法进行自动穿刺手术过程如下：
1)开机：预热、联机、自检；
2)装针就位：在机械臂4上安装穿刺针套件，系统自动控制机械臂4左右、前后、上下移动和向左向右、向前向后翻转，调整就位；
3)初始化：以C形臂X光机的转动中心定出系统坐标原点，定出机械臂4原点和手术点(皮肤表面点，画一个十字)；
4)图像采集：系统自动远程控制C形臂X光机采集图像，其间视需要加推造影剂以获得整体肾内轮廓；
5)结石定位：根据采集到的图像，判明结石所在位置；
6)确定路径：根据采集到的图像计算和分析，建立整体肾内轮廓三维模型，计算穿刺路径，并交由操作医生选择、确定最佳穿刺路径；
7)动作模拟：自动实现反复进针、退针的小范围动作模拟，并三维显示动作预计效果，交由操作医生确认；
8)穿刺到位1：指令确认后，系统自动控制机械臂4进针及退针，期间操作医生借助机械臂4末端的摄像头实时监控外景，并视需要连续或间断远程控制C形臂X光机监控自动穿刺过程，必要时操作医生人工干预，进行远程控制，直至穿刺到位；
9)穿刺到位2：人工退出穿刺针芯，注射器经穿刺针后座注水回抽，其间可远程控制机械臂4缓慢回退，直至注射器回抽水流畅顺；
10)穿刺到位3：视需要经输尿管导管注水，并观察穿刺针后座是否出水成线；
11)置入导丝：经穿刺针置入导引导丝，并远程启动C形臂X光机，观察及确认导丝走向；
12)退针：固定好导丝，控制机械臂4，缓慢退出穿刺针，从穿刺针管内抽出导丝的另一端，卸下穿刺针套件；
13)回原点：机械臂4回归原位。
如图8所示，其是本发明实施例提供的一种机器人穿刺系统的结构框图，包括：
X光图像获取模块51，用于通过转动所述C臂机控制所述C臂机以不同的照射方向照射所述手术床，获取不同的照射方向所对应的X光网格图像；所述手术床上布置有可被C臂机识别的网格；
结石坐标获取模块52，用于根据结石在不同的X光网格图像上的位置，获取所述结石在XYZ坐标系上的坐标；其中，在所述XYZ坐标系中，以C臂机的转动中为坐标原点，以垂直于手术床且通过坐标原点的直线为Z轴，以平行于C臂机的转轴且通过坐标原点的直线为Y轴，以同时垂直于Z轴和Y轴且通过坐标原点的直线为X轴；
器官图形获取模块53，用于获取每张X光网格图像中的器官边界图形；所述器官边界图像是指所述结石所在的器官的边界图像；
三维图像构建模块54，用于根据每张X光网格图像中的器官边界图形以及预先配置的影像学图片，在所述XYZ坐标系中构建所述结石所在的器官的三维图像；
刺入路径确定模块55，用于根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，确定最佳刺入路径；
穿刺控制模块56，用于控制机械臂根据所述最佳刺入路径对所述结石进行穿刺操作；其中所述机械臂上安装有穿刺针。
进一步地，所述结石坐标获取模块52包括：
第一坐标获取单元，用于获取结石在第一照射方向所对应的X光网格图像上的坐标(x1，y1)；所述第一照射方向为Z轴的正向；
第二坐标获取单元，用于获取结石在第二照射方向所对应的X光网格图像上的坐标(x2，y2)；
第三坐标获取单元，用于根据
计算出所述结石所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标(x1,y1,z1)；
其中，β是所述第一照射方向与所述第二照射方向之间的夹角，且β不为0。
进一步地，所述刺入路径确定模块55包括：
刺入路径推荐单元，用于根据所述器官的三维图像以及所述结石在所述XYZ坐标系上的坐标，推荐N种刺入路径；
动作模拟单元，用于模拟每种刺入路径的进针和退针的动作，并通过三维图像分别显示模拟的动作预计效果；
刺入路径确定单元，用于根据医生的选择指令，从所述N种刺入路径中选择一种作为最佳刺入路径。
进一步地，所述穿刺控制模块56，包括：
刺入参数确定单元，用于根据所述最佳刺入路径确定刺入点位置在所述XYZ坐标系上的坐标以及刺入方向；
移动控制单元，用于根据预先获取的所述机械臂上的穿刺针在所述XYZ坐标系上的坐标以及所述刺入点位置在所述XYZ坐标系上的坐标，控制所述机械臂移动使得所述穿刺针到达所述刺入点位置；
刺入控制单元，用于根据所述刺入方向调整所述穿刺针的朝向，并控制所述机械臂带动所述穿刺针从所述刺入点位置刺入至所述结石所在的位置。
进一步地，所述装置还包括：监控模块，用于在控制机械臂根据所述最佳刺入路径对所述结石进行穿刺操作的过程中，通过安装在机械臂上的摄像头获取手术外景图像，通过所述C臂机获取手术内景图像，通过显示器显示所述手术外景图像与手术内景图像。
相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：本发明实施例提供一种机器人穿刺系统，包括手术床、C臂机、C臂机驱动装置、安装有穿刺针的机械臂、控制台以及图像显示器；所述手术床上布置有可被C臂机识别的网格；所述C臂机用于照射所述手术床以获取X光网格图像；所述C臂机驱动装置用于驱动所述C臂机转动以改变照射方向；所述控制台用于控制所述机械臂与所述C臂机驱动装置；所述图像显示器用于显示所述X光网格图像、所述C臂机采集的图像和所述机械臂上的穿刺针所视图像；所述手术床、C臂机、C臂机驱动装置、机械臂设置在手术室内；所述控制台和图像显示器设置在手术室外。通过本发明实施例提供的方法与装置，在手术过程中医生无需暴露在X光线中，避免X光线对医生的身体产生辐射并且穿刺精度高。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。