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CN111938817A - 一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统 - Google Patents

一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统 Download PDF

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CN111938817A CN202010779282.5A CN202010779282A CN111938817A CN 111938817 A CN111938817 A CN 111938817A CN 202010779282 A CN202010779282 A CN 202010779282A CN 111938817 A CN111938817 A CN 111938817A
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Abstract

本发明公开了一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统，包括如下步骤：步骤一，获取导丝距离腔道内壁的距离值以及导丝在腔道内动作时，腔道内壁对导丝的阻力值；步骤二，根据所述距离值与距离设定阈值的关系，和/或所述阻力值与阻力设定阈值的关系，控制所述导丝进行相应动作。本发明通过图像及阻力检测多维度设定报警策略，误报率低；通过自动反向运动方式自动纠错，避免术中由于使用者紧张导致在危险发生时无法及时纠正的风险；提高了介入机器人动作控制的整体自动化程度。

Description

一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统
技术领域
本发明涉及微创介入手术技术领域，具体的说，涉及对于介入手术中机器人导丝动作的检测技术，更具体的说，涉及一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统。
背景技术
介入微创治疗是近年迅速发展起来的一门融合了影像诊断和临床治疗于一体的新兴学科。传统形式的介入手术需要医生站在导管床旁，结合实时X射线辐射采集得到的图像定位信息进行导丝相应操作，典型的介入手术时间在40分钟到1个半小时，医生难以避免不间断的接受X辐射，尤其在中国，大量的介入医生超负荷工作，手术量是欧美医生的数倍以上，由于长期大量辐射导致了白血球降低，免疫低下，脱发等大量的职业病，并大幅增加了白细胞，癌症等疾病的发病率，严重的威胁介入医生健康。
为了解决介入手术过程中医护人员遭受X射线过量辐射的问题，近年来介入手术机器人研究兴起，它通过模拟医生的手部动作来实现导管导丝的各项运动，医生远程进行操控，无需在导管床旁完成，避免了射线辐射问题，有着极为重大的临床价值。
但另一方面，介入手术作为风险较高的侵入性手术，安全性是最重要的考量，尤其是对于介入机器人这类远程控制导丝手术辅助设备，由于操作者不在病人现场操作，无法及时有效的收集手术现场的全貌，更易发生手术风险，这就需要通过智能化的技术手段尽可能避免导丝非预期运动带来的人体内腔道(血管，非血管)损伤。
因此如何对血管介入手术机器人的导丝在人体内腔道内的动作安全预警以克服上述诸多问题，是本领域技术人员的一个重要研究方向。
发明内容
本发明提供的一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统，其目的在于解决现有远程控制导丝手术辅助设备无法对导丝的危险动作进行实时有效预警判断的问题，为介入机器人的自动化控制提供了技术上的支持。
为此，本发明的目的在于提出一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法，包括如下步骤：
步骤一，获取导丝距离腔道内壁的距离值以及导丝在腔道内动作时，腔道内壁对导丝的阻力值；
步骤二，根据所述距离值与距离设定阈值的关系，和/或所述阻力值与阻力设定阈值的关系，控制所述导丝进行相应动作。
优选的，所述步骤一具体包括，获取导丝在腔道内的检测图像，根据所述检测图像计算分析得到所述导丝距离血管壁的距离值。
本发明提供了一种导丝预警机制，通过检测导丝距离腔道内壁的距离值以及导丝在腔道内动作时，腔道内壁对导丝的阻力值，实现了在采用手术介入机器人进行手术过程中的自我纠正，解决了现有手术机器人无法自我纠错的安全隐患。
优选的，所述步骤一具体包括，通过将导丝动作过程中的移动过程转化为测力连接杆的移动过程，进而触发压力传感器，测力连接杆的位移量经压力传感器转化为阻力值。所述测力连接杆和压力传感器对压力值的检测过程在体外进行，不会对介入机器人手术过程中的导丝操作产生额外负担，检测结果准确可靠。
优选的，所述步骤二包括，当导丝末端距离腔道内壁的距离值超过距离设定阈值且所述阻力值超过阻力设定阈值后，自动控制导丝停止动作。
优选的，所述步骤二包括，当导丝末端距离腔道内壁的距离值超过距离设定阈值但所述阻力值未超过阻力设定阈值时，自动控制导丝继续执行当前动作。
优选的，所述步骤二包括，在导丝前进过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制导丝停止前进动作，进行语音提示并自动控制导丝执行后退动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
优选的，所述步骤二包括，在导丝后退过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制导丝停止后退动作，进行语音提示并自动控制导丝执行前进动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
优选的，所述步骤二包括，在导丝旋转过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制在导丝停止旋转动作，进行语音提示并自动控制在导丝执行反方向旋转动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
本发明还提供了一种介入手术机器人导丝动作安全预警系统，包括图像检测装置、压力检测装置、导丝阻力转化装置和介入机器人控制单元；其中，
所述图像检测装置用于获取导丝在腔道内的检测图像；
所述导丝阻力转化装置传递导丝动作过程中的位移量至阻力检测装置，转化为对阻力检测装置的不同阻力触发动作；
所述阻力检测装置检测不同阻力触发动作输出阻力检测信号；
所述介入机器人控制单元与所述图像检测装置和阻力检测装置电连接，用于接收所述检测图像和阻力检测信号，计算分析得到所述导丝距离血管壁的距离值和腔道内壁对导丝的阻力值，根据所述距离值与距离设定阈值的关系，和/或所述阻力值与阻力设定阈值的关系，输出导丝进行相应动作的控制信号。
优选的，本发明还包括介入机器人推进机构，所述介入机器人推进机构夹持导丝，所述阻力检测装置、导丝阻力转化装置安装在所述介入机器人推进机构上，利用所述介入机器人推进机构传递导丝动作过程中的位移量；
所述介入机器人推进机构还用于根据所述导丝进行相应动作的控制信号对导丝进行动作控制；所述动作包括：停止、前进、后退和旋转。
优选的，本发明还包括一体化声音采集模块，在导丝阻力值达到阻力设定阈值时进行实时语音提示，大大提升了手术的安全性。
本发明介入手术机器人导丝动作安全预警系统的阻力检测装置和导丝阻力转化装置直接与介入机器人推进机构相结合，系统集成度高，检测过程简单可靠，并且不会对导丝的动作控制过程产生影响。
本发明公开的一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统，具有以下有益效果：
1、通过图像及阻力检测多维度设定报警策略，误报率低；
2、通过自动反向运动方式自动纠错，避免术中由于使用者紧张导致在危险发生时无法及时纠正的风险；
3、通过声音给用户主动提示，避免用户无意识下误操作产生风险；
4、提高了介入机器人动作控制的整体自动化程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的一种介入手术机器人导丝动作安全预警系统的组成示意图。
图2附图为本发明提供的阻力检测装置、导丝阻力转化装置安装结构示意图。
图3附图为本发明提供的介入机器人控制终端结构示意图；
图4附图为本发明提供的介入机器人控制单元组成框图；
图5附图为本发明提供的介入手术机器人导丝动作安全预警方法流程图。
其中，图中，
101、102DSA图像显示器；103、介入机器人控制终端；104、曝光控制踏板；105、扬声器；106、麦克风；107、介入机器人控制单元；108、介入机器人控制器与介入机器人控制单元连接电缆；109、介入机器人控制单元与介入机器人连接电缆；110、介入机器人推进机构；111、DSA设备；201、导管运动摇杆；202、导丝旋转摇杆；203、导丝运动摇杆；301、导丝；302凸轮组；303、固定基板一；304、固定基板二；305、压力传感器；306测力连接件307、电磁铁；308、夹持件一；309、夹持件二；401、通讯模块；402、视频采集模块；403、中央处理单元；404、电源模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例：
下面根据图1-5详细描述本发明实施例的一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法及系统。
如图1、图4所示，本发明实施例公开了一种介入手术机器人导丝动作安全预警系统，包括图像检测装置、阻力检测装置、导丝阻力转化装置、介入机器人控制终端103，曝光控制踏板104，介入机器人控制单元107，介入机器人控制器与介入机器人控制单元连接电缆108，介入机器人控制单元与介入机器人连接电缆109；介入机器人推进机构110。
图像检测装置用于获取导丝在腔道内的检测图像，可采用DSA设备111，DSA设备111具有视频采集卡402，用于采集造影图像；
导丝阻力转化装置传递导丝动作过程中的位移量至阻力检测装置，转化为对阻力检测装置的不同阻力触发动作；
阻力检测装置检测不同阻力触发动作输出阻力检测信号，并通过通讯模块401传输给介入机器人控制单元107的中央处单元403；
介入机器人控制单元107与图像检测装置和阻力检测装置电连接，用于接收检测图像和阻力检测信号，中央处理单元403计算分析得到导丝距离血管壁的距离值和腔道内壁对导丝的阻力值，根据距离值与距离设定阈值的关系，和/或阻力值与阻力设定阈值的关系，输出导丝进行相应动作的控制信号。介入机器人控制单元107还具有电源模块404，为中央处理单元403及相应元件提供电能供应。
介入机器人推进机构110接收介入机器人控制单元107生成的控制信号实现自动控制过程，接收介入机器人控制终端103发送的控制信号实现手动控制过程。
介入机器人控制单元107连接有两台DSA图像显示器101、102，用于显示DSA设备111采集的检测图像。
介入机器人控制单元107还连接有扬声器105，麦克风106，用于进行语音提示功能和语音采集功能的实现。
如图2所示，导丝301夹持在两组夹持件一308和夹持件二309上，夹持件一308在电机控制下可沿导丝301长度方向上滑动，用于提供介入手术机器人两组夹持件交替往复推拉导丝的动力，夹持件二309在电机控制下可垂直于导丝301长度方向上移动，用于提供介入手术机器人两组夹持件夹紧导丝的动力，并且夹持件一308和夹持件二309在电机控制下可沿平行于夹持件一308的夹持面方向上下滑动，用于提供介入手术机器人两组夹持件旋转导丝的动力。夹持件一308的一侧安装导丝阻力转化装置，导丝阻力转化装置包括拆装结构件和与拆装结构件相连接的测力连接件306，其中，拆装结构件可采用电磁铁307，电磁铁307将夹持件二309与测力连接件306吸附固定为一个整体。两个压力传感器305分别通过固定基板一303和固定基板二304进行固定安装，固定基板一303和固定基板二304在电机传动控制下可以实现沿导丝301长度方向的移动，用于带动压力传感器305、测力连接件306、拆装结构、夹持件一30和夹持件二309往复运动，实现交替往复推拉导丝使导丝在人体腔道内的前进和后退动作。在导丝301被夹持后，测力连接件306、拆装结构、夹持件一30和夹持件二309作为一个移动整体与固定基板一303/固定基板二304滑动连接，连接方式包括测力连接件306通过滑块与导轨安装在固定基板一303/固定基板二上；夹持件二309为了保持与测力连接件306的同步位移，可以采用同样的滑动连接方式与固定基板一303/固定基板二连接，上述结构用于提供在导丝301受到阻力后能够相对压力传感器305产生微位移。
测力连接杆306具有两个相对设置的凸沿，凸沿相对的方向为导丝301的长度方向，压力传感器305的感应端位于两个凸沿之间，且与两个凸沿相接触，当导丝301上有力的变化时，会将微小形变通过测力连接件306传递到压力传感器305上，从而测出力的变化。
凸轮组302有两组分别位于固定基板一303背面和固定基板二304背面，受步进电机的控制围绕同一个转轴旋转，用以推动固定基板一303和固定基板二304沿垂直于导丝301方向交替运动，从而带动夹持件一308的交替运动，达到自动交替夹紧和松开导丝的目的。
如图3所示，介入机器人控制终端103上设置有导管运动摇杆201、导丝旋转摇杆202、导丝运动摇杆203，用于手动操控向介入机器人推进机构110输出控制信号。
如图5所示，本实施例提供的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，包括如下步骤：
S1，获取导丝距离腔道内壁的距离值以及导丝在腔道内动作时，腔道内壁对导丝的阻力值；
S2，根据所述距离值与距离设定阈值的关系，和/或所述阻力值与阻力设定阈值的关系，控制所述导丝进行相应动作。
S1中获取距离值和阻力值的具体执行过程包括：
获取导丝在腔道内的检测图像，根据检测图像计算分析得到导丝距离血管壁的距离值。
通过将导丝动作过程中的移动过程转化为测力连接杆的移动过程，进而触发压力传感器，测力连接杆的位移量经压力传感器转化为阻力值。
S2中控制导丝进行相应动作的具体执行过程包括：
当导丝末端距离腔道内壁的距离值超过距离设定阈值且阻力值超过阻力设定阈值后，自动控制导丝停止动作。
当导丝末端距离腔道内壁的距离值超过距离设定阈值但阻力值未超过阻力设定阈值时，自动控制导丝继续执行当前动作。
在导丝前进过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制导丝停止前进动作，进行语音提示并自动控制导丝执行后退动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
在导丝后退过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制导丝停止后退动作，进行语音提示并自动控制导丝执行前进动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
在导丝旋转过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制在导丝停止旋转动作，进行语音提示并自动控制在导丝执行反方向旋转动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
该系统的工作过程为：
当夹持件一308将导丝301夹紧后，导丝被凸轮组302带动进行运动，当行进过程中导丝301受到阻力后，导丝表面与夹持件一308、夹持件二309之间的摩擦力变化，通过压力传感器305采集得到导丝阻力值。介入机器人推进机构110将得到的阻力值通过电缆109以can协议方式将数值传输到介入机器人控制单元107中；
DSA设备111采集的检测图像通过DSA通用HDMI接口通过电缆109以HDMI视频流形式传输到介入机器人控制单元107中。
中央处理单元403采集到当前阻力值后，实时进行存储，通过卡尔曼滤波进行平滑和消抖，并与预设的阻力阈值进行对比，如果大于预设阻力阈值即认为当前处于高风险状态，将发生相关指令通过电缆109发送到介入机器人推进机构110，介入机器人推进机构110通过控制内部凸轮组等相应机构停止导丝的相关运动。
中央处理单元403采集到当前DSA造影图像后，首先通过归一化和曲线拉伸对原始图形进行预处理，然后基于形态学检测方法识别导丝头位置和血管壁边缘轮廓，计算得到导丝距离血管壁边缘的距离值，并将距离值和距离阈值进行对比，如果小于预设阻力阈值即认为当前处于高风险状态，将相关指令通过电缆109发送到介入机器人推进机构110，推进机构110通过控制内部凸轮等相应机构停止导丝的相关运动，相关流程参见图5。
正常情况下，结合介入机器人控制器103上的三个摇杆控制导丝三个主要运动(前进，后退，旋转)，以下为实际控制流程介绍。
当使用导丝运动摇杆203时，通过介入机器人控制单元107将控制命令发送到介入机器人推进机构110中，介入机器人推进机构110根据运动指令实现导丝的前进及后退，介入机器人控制单元107同步进行根据介入机器人推进机构110传输的导丝阻力值及DSA设备111传输的DSA图像分析，一旦判断危险发生，将发送指令给介入机器人推进机构110，控制其自动向当前运动的相反方向运动，并通过扬声器105自动报警，直到介入机器人控制单元107根据介入机器人推进机构110传输的导丝阻力值及DSA设备111传输的DSA图像分析当前风险已解除，将发送停止指令给介入机器人推进机构110，停止当前运动，并停止扬声器105报警。
当使用导丝旋转摇杆202时，通过介入机器人控制单元107将控制命令发送到介入机器人推进机构110中，介入机器人推进机构110根据运动指令实现导丝的顺时针旋转及逆时针旋转，介入机器人控制单元107同步进行根据介入机器人推进机构110传输的导丝阻力值及DSA设备111传输的DSA图像分析，一旦判断危险发生，将发送指令给介入机器人推进机构110，控制其自动向当前运动的相反方向运动，并通过扬声器105自动报警，直到介入机器人控制单元107根据介入机器人推进机构110传输的导丝阻力值及DSA设备111传输的DSA图像分析当前风险已解除，将发送停止指令给介入机器人推进机构110，停止当前运动，并停止扬声器105报警。
当使用导管运动摇杆201时，通过介入机器人控制单元107将控制命令发送到介入机器人推进机构110中，介入机器人推进机构110根据运动指令实现导管的前进及后退，介入机器人控制单元107同步进行根据介入机器人110传输的导丝阻力值及DSA设备111传输的DSA图像分析，一旦判断危险发生，将发送指令给介入机器人推进机构110，控制其自动向当前运动的相反方向运动，并通过扬声器105自动报警，直到介入机器人控制单元107根据介入机器人推进机构110传输的导丝阻力值及DSA设备111传输的DSA图像分析当前风险已解除，将发送停止指令给介入机器人推进机构110，停止当前运动，并停止扬声器105报警。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，获取导丝距离腔道内壁的距离值以及导丝在腔道内动作时，腔道内壁对导丝的阻力值；
步骤二，根据所述距离值与距离设定阈值的关系，和/或所述阻力值与阻力设定阈值的关系，控制所述导丝进行相应动作。
2.根据权利要求1所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于：所述步骤一具体包括，获取导丝在腔道内的检测图像，根据所述检测图像计算分析得到所述导丝距离血管壁的距离值。
3.根据权利要求1所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于：所述步骤一具体包括，通过将导丝动作过程中的移动过程转化为测力连接杆的移动过程，进而触发压力传感器，测力连接杆的位移量经压力传感器转化为阻力值。
4.根据权利要求1所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于：所述步骤二包括，当导丝末端距离腔道内壁的距离值超过距离设定阈值且所述阻力值超过阻力设定阈值后，自动控制导丝停止动作。
5.根据权利要求1所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于：所述步骤二包括，当导丝末端距离腔道内壁的距离值超过距离设定阈值但所述阻力值未超过阻力设定阈值时，自动控制导丝继续执行当前动作。
6.根据权利要求1所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于：所述步骤二包括，在导丝前进过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制导丝停止前进动作，进行语音提示并自动控制导丝执行后退动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
7.根据权利要求1所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于：所述步骤二包括，在导丝后退过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制导丝停止后退动作，进行语音提示并自动控制导丝执行前进动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
8.根据权利要求1所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法，其特征在于：所述步骤二包括，在导丝旋转过程中，如果导丝阻力值达到阻力设定阈值时，自动控制在导丝停止旋转动作，进行语音提示并自动控制在导丝执行反方向旋转动作直至阻力值低于阻力设定阈值。
9.一种根据权利要求1-8中任一项所述的介入手术机器人导丝动作安全预警方法的导丝动作安全预警系统，其特征在于：包括图像检测装置、阻力检测装置、导丝阻力转化装置和介入机器人控制单元；其中，
所述图像检测装置用于获取导丝在腔道内的检测图像；
所述导丝阻力转化装置传递导丝动作过程中的位移量至阻力检测装置，转化为对阻力检测装置的不同阻力触发动作；
所述阻力检测装置检测不同阻力触发动作输出阻力检测信号；
所述介入机器人控制单元与所述图像检测装置和阻力检测装置电连接，用于接收所述检测图像和阻力检测信号，计算分析得到所述导丝距离血管壁的距离值和腔道内壁对导丝的阻力值，根据所述距离值与距离设定阈值的关系，和/或所述阻力值与阻力设定阈值的关系，输出导丝进行相应动作的控制信号。
10.根据权利要求1所述的导丝动作安全预警系统，其特征在于：还包括介入机器人推进机构，所述介入机器人推进机构夹持导丝，所述阻力检测装置、导丝阻力转化装置安装在所述介入机器人推进机构上，利用所述介入机器人推进机构传递导丝动作过程中的位移量；
所述介入机器人推进机构还用于根据所述导丝进行相应动作的控制信号对导丝进行动作控制；所述动作包括：停止、前进、后退和旋转。
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