发明内容
为了解决上述问题,本发明提出了一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警方法及***,通过电刺激产生的肌电信号的变化自动判断穿刺针是否与神经组织保持安全距离,能有效避免神经损伤,解决现有的脊柱手术机器人在穿刺过程中无法及时有效检测神经根位置的问题。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
第一方面,本发明提供一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警方法,包括:
获取对穿刺针施加电刺激后产生的肌电信号;
对肌电信号采用预先构建的预警信号分类器得到穿刺针与神经组织的距离,并以此判断穿刺针所处穿刺区域的安全等级;
根据安全等级发出预警信号,并反馈穿刺路径控制指令至脊柱手术机器人。
第二方面,本发明提供一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警***,包括:
数据获取模块,用于获取对穿刺针施加电刺激后产生的肌电信号;
判断模块,用于对肌电信号采用预先构建的预警信号分类器得到穿刺针与神经组织的距离,并以此判断穿刺针所处穿刺区域的安全等级;
预警与反馈模块,用于根据安全等级发出预警信号,并反馈穿刺路径控制指令至脊柱手术机器人。
第三方面,本发明提供一种电子设备,包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令,所述计算机指令被处理器运行时,完成第一方面所述的方法。
第四方面,本发明提供一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时,完成第一方面所述的方法。
第五方面,本发明提供一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警平台,包括肌电信号采集装置、第二方面所述的穿刺预警***和脊柱手术机器人;所述肌电信号采集装置对穿刺针施加电刺激后采集产生的肌电信号,并发送至穿刺预警***;穿刺预警***根据肌电信号得到穿刺针所处穿刺区域的安全等级,根据安全等级发出预警信号,并反馈穿刺路径控制指令至脊柱手术机器人;脊柱手术机器人根据穿刺路径控制指令规划穿刺路径。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明构建基于肌电信号的神经损伤预警分类器训练样本库,通过训练样本库训练得到预警信号分类器,实现基于肌电信号分类手术器械与神经根之间安全距离的功能,解决机器人辅助脊柱穿刺手术中无法仅依靠影像信息定位神经组织位置的问题,避免穿刺过程中的神经损伤,降低后遗症风险,有效提高机器人辅助脊柱手术的安全性。
本发明将基于肌电信号神经损伤安全预警分类器集成到脊柱微创手术机器人***中,能有效检测穿刺针与神经根之间的安全距离,能通过肌电信号有效预警神经损伤,通过与脊柱微创手术机器的结合,在穿刺针与神经组织的距离超出安全距离时发出预警,并向机器人发出反馈控制指令,以使机器人重新规划穿刺路径,提高机器人辅助脊柱外科手术的安全性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1
如图1所示,本实施例提供一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警方法,包括:
S1:获取对穿刺针施加电刺激后产生的肌电信号;
S2:对肌电信号采用预先构建的预警信号分类器得到穿刺针与神经组织的距离,并以此判断穿刺针所处穿刺区域的安全等级;
S3:根据安全等级发出预警信号,并反馈穿刺路径控制指令至脊柱手术机器人。
所述步骤S1中,在脊柱手术机器人辅助脊柱穿刺手术的进针过程中,按一定频率对穿刺针尖端施加定量的电刺激,并采集相应的肌电信号;
优选的,获取由肌电信号采集装置采集的肌电信号;所述肌电信号采集装置为临床上常规应用的肌电信号监护仪,具备信号采集、滤波、放大等基本的信号预处理功能,根据脊柱手术部位,将肌电信号采集装置粘贴在对应肌肉的体表位置,在脊柱手术机器人穿刺针进针过程中,按一定频率施加电刺激,采集相应的肌电信号。
如图2所示,所述步骤S2中,通过动物和临床实验采集足够的样本量,采用人工标签方法建立样本库,通过机器学习方法训练预警信号分类器;
所述预警信号分类器通过肌电信号特征得到穿刺针与神经组织的距离,并判断该距离是否属于安全距离,得到当前穿刺针所处位置的安全等级。
优选的,所述训练样本库的输入信号特征为肌电信号的幅值、潜伏期、波长等肌电监护的常规特征,输出信号为“安全”、“警戒”、“危险”等安全等级的分类;
可以理解的,肌电信号特征和安全等级分类可以根据样本量扩充近一步增加和细化。
优选的,所述预警信号分类器泛指通过肌电信号特征判断带电手术器械与神经根等重要神经组织位置关系的方法,具体的分类器训练方法可以随着技术进步随之改进。
所述步骤S3中,在穿刺针与神经组织的距离超出安全距离时,发出预警信号,并向脊柱手术机器人反馈控制指令,以使脊柱手术机器人停止或改变穿刺路径,从而避免神经损伤,提高机器人辅助脊柱手术的安全性。
优选的,所述脊柱手术机器人***是一类专门用于脊柱外科手术辅助定位的手术机器人***,手术机器人***通常由双目立体影像导航和六自由度机械构成,能够按照术前规划的手术方案,在术中影像导航的引导下把持手术器械到达指定位置。
优选的,手术机器人控制平台包括机器人影像导航和在线控制软件,与机器人的控制器连接,通过影像导航信息、人工交互或其他反馈信息实现机器人在线路径规划,进而在规划路径下完成指定动作。
本实施例根据预警信号分类器对穿刺针穿刺路径安全等级进行判断,并结合手术机器人导航***对穿刺针运动趋势的预测,建立安全反馈控制方法,从而有效避免机器人辅助穿刺过程中造成不必要的神经损伤。
实施例2
本实施例提供一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警***,包括:
数据获取模块,用于获取对穿刺针施加电刺激后产生的肌电信号;
判断模块,用于对肌电信号采用预先构建的预警信号分类器得到穿刺针与神经组织的距离,并以此判断穿刺针所处穿刺区域的安全等级;
预警与反馈模块,用于根据安全等级发出预警信号,并反馈穿刺路径控制指令至脊柱手术机器人。
具体地:所述数据获取模块中,在脊柱手术机器人辅助脊柱穿刺手术的进针过程中,按一定频率对穿刺针尖端施加定量的电刺激,并采集相应的肌电信号;
优选的,所述数据获取模块获取由肌电信号采集装置采集的肌电信号,根据脊柱手术部位,将肌电信号采集装置粘贴在对应肌肉的体表位置,在脊柱手术机器人穿刺针进针过程中,按一定频率施加电刺激,采集相应的肌电信号。
所述判断模块中,通过动物和临床实验采集足够的样本量,采用人工标签方法建立样本库,通过机器学习方法训练预警信号分类器,预警信号分类器通过肌电信号特征得到穿刺针与神经组织的距离,并判断该距离是否属于安全距离,得到当前穿刺针所处位置的安全等级。
优选的,所述判断模块包括训练子模块,所述训练子模块中训练样本库的输入信号特征为肌电信号的幅值、潜伏期、波长等肌电监护的常规特征,输出信号为“安全”、“警戒”、“危险”等安全等级的分类;
可以理解的,肌电信号特征和安全等级分类可以根据样本量扩充近一步增加和细化。
优选的,所述预警信号分类器泛指通过肌电信号特征判断带电手术器械与神经根等重要神经组织位置关系的方法,具体的分类器训练方法可以随着技术进步随之改进。
所述预警与反馈模块中,在穿刺针与神经组织的距离超出安全距离时,发出预警信号,并向脊柱手术机器人反馈控制指令,以使脊柱手术机器人停止或改变穿刺路径,从而避免神经损伤,提高机器人辅助脊柱手术的安全性。
优选的,所述脊柱手术机器人***是一类专门用于脊柱外科手术辅助定位的手术机器人***,手术机器人***通常由双目立体影像导航和六自由度机械构成,能够按照术前规划的手术方案,在术中影像导航的引导下把持手术器械到达指定位置。
优选的,手术机器人控制平台包括机器人影像导航和在线控制软件,与机器人的控制器连接,通过影像导航信息、人工交互或其他反馈信息实现机器人在线路径规划,进而在规划路径下完成指定动作。
本实施例根据预警信号分类器对穿刺针穿刺路径安全等级进行判断,并结合手术机器人导航***对穿刺针运动趋势的预测,建立安全反馈控制方法,从而有效避免机器人辅助穿刺过程中造成不必要的神经损伤。
另外,在更多实施例中,还提供:
一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警***,包括:肌电信号采集装置和预警信号分类器;
所述肌电信号采集装置采集对穿刺针施加电刺激后产生的肌电信号;
所述预警信号分类器根据肌电信号得到穿刺针与神经组织的距离,并以此判断穿刺针与神经组织是否保持安全距离,得到穿刺针所处穿刺区域的安全等级;
所述预警信号分类器还用于在穿刺针超出与神经组织的安全距离时发出预警,向机器人发出反馈控制指令,以使机器人停止或者改变穿刺路径。
此处需要说明的是,上述模块对应于实施例1中所述的步骤,上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同,但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是,上述模块作为***的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行。
实施例3
本实施例提供一种基于肌电信号的脊柱手术机器人穿刺预警平台,包括肌电信号采集装置、穿刺预警***和脊柱手术机器人;所述肌电信号采集装置对穿刺针施加电刺激后采集产生的肌电信号,并发送至穿刺预警***;穿刺预警***根据肌电信号得到穿刺针所处穿刺区域的安全等级,根据安全等级发出预警信号,并反馈穿刺路径控制指令至脊柱手术机器人;脊柱手术机器人根据穿刺路径控制指令规划穿刺路径。
在本实施例中,首先通过实施例1或实施例2中所述的分类器构建方法,建立基于肌电信号的预警信号分类器;其次,如图3所示,在手术机械臂把持穿刺针执行穿刺路径时,通过肌电信号采集装置相应部分的肌电信号,输入至训练好的预警信号分类器中,并结合手术影像导航***判断穿刺针距离重要神经根的距离是否安全。
在更多实施例中,还提供:
一种电子设备,包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令,所述计算机指令被处理器运行时,完成实施例1中所述的方法。为了简洁,在此不再赘述。
应理解,本实施例中,处理器可以是中央处理单元CPU,处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC,现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器,并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如,存储器还可以存储设备类型的信息。
一种计算机可读存储介质,用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时,完成实施例1中所述的方法。
实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成,或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复,这里不再详细描述。
本领域普通技术人员可以意识到,结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤,能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行,取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能,但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
以上仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。