CN114224498B - 一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制*** - Google Patents

一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，该***包括：主手控制端：包括分别与工控机连接的控制手柄、鼠标和键盘；从手执行端：包括用以实现控制气管插管机器人末端功能动作的软镜递送装置，以及用以采集手术现场信息的多模态环境信息采集装置；工控机：用于读取与处理控制手柄生成的运动增量信息，将控制手柄的运动增量信息转换为控制从手执行端末端的位姿增量信息，并将末端的位姿增量信息发送至软镜递送装置；可视化辅助单元：用以将多模态环境信息采集装置获取的手术现场信息进行可视化显示；通讯模块：用以分别实现各部件之间的通信。与现有技术相比，本发明具有易于配合多模态信息监测、提高操作感受等优点。

Description

一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种用于复杂气道的多模态导航气管插管机器人的主从控制***。
背景技术
气管插管通常是在医院手术室内由医护专家在手术前、麻醉后实施的一种操作，用于建立人工气道，在患者没有自主呼吸后利用呼吸机协助患者呼吸。而在实际麻醉过程中更为棘手的是复杂气道这种临床情况，即先天发育异常，生理性或病理性原因导致的气道结构性改变。面对复杂气道插管手术，由于治疗难度高，普通医院难以提供医疗解决方案，导致患者多向少数几个大型医院汇集，使得普通医生更难接触和学习处理这种情况，因此，设计一种适用于复杂气道的气管插管机器人***可以有效缓解这一医疗痛点。
考虑到医护人员操作的直观性和便捷性需求，使用多模态导航的自动化插管技术是一种更优的医疗解决方案。即通过视觉辅助，目标识别，图像拼接，深度信息以及三维重建等方法辅助医生进行操作，能提高医生操作的直观感受；通过主从操作控制配合软镜推进装置辅助医生遥控进行气管插管手术，能改善现有医疗器械因人体工程学方向设计不足而导致手术操作不符合医生习惯，学习过程较长，难以普及等弊病。
主从控制，即在气管插管机器人控制端中引入主手设备，主手控制端由医护人员直接控制，主手根据操作者的操作向在从手执行端发出指令，使从手进行作业，同时从手将现场的信息如视觉、触觉、听觉等通过传感器反馈回医护人员。通过在控制***中引入计算机***，可以实现主手和从手的设计分别按照各自的功能和特殊的要求来考虑，表现为结构设计上异构，而实际的操作控制为同构效果的主从形式，使得机器人***不仅更加符合医护人员的操作习惯，而且还能更好的完成操作任务，但是现有气管插管装置普遍缺乏遥操作***，或者缺少针对复杂气道情况下的气管插管手术的控制***，针对以上背景，需要一种可以灵活控制软镜模组末端、主从异构的气管插管机器人主从控制***，用于复杂气道等临床情况，以减轻医护人员的工作难度，解决因医务人员缺乏相关手术经验导致的救治成功率低的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，该***包括：
主手控制端：包括分别与工控机连接的控制手柄、鼠标和键盘，所述的控制手柄作为主控制器，用以生成使从手执行端在三个运动自由度内实现空间运动的运动增量信息；
从手执行端：包括用以实现控制气管插管机器人末端进行推进、弯曲和旋转的功能动作的软镜递送装置，以及用以采集手术现场信息的多模态环境信息采集装置；
工控机：作为主处理器，用于读取与处理控制手柄生成的运动增量信息，并根据增量映射规则，将控制手柄的运动增量信息转换为控制从手执行端末端的位姿增量信息，并将末端的位姿增量信息发送至软镜递送装置；
可视化辅助单元：与工控机连接，用以将多模态环境信息采集装置获取的手术现场信息进行可视化显示，并且显示操作界面，实现医护人员和工程师通过鼠标和键盘进行上位机操作控制；
通讯模块：包括有线通讯模块和无线通讯模块，用以分别实现各部件之间的通信。
所述的软镜递送装置包括主控板以及分别与主控板连接的推进机构、旋转机构、扭转机构和软镜模组，所述的主控板与多模态环境信息采集装置通过无线通讯模块连接。
所述的推进机构和旋转机构分别对应由直线模组伺服电机和一体化关节伺服电机进行驱动，且两个伺服电机分别与主控板上的D2驱动器连接，所述的D2驱动器采用RS485延长线与工控机通信，并通过Modbus串列通讯协定进行参数读写。
所述的扭转机构通过一体化舵机驱动，该一体化舵机直接与工控机连接用以实现舵机的控制。
所述的多模态环境信息采集装置采集的手术现场信息包括图像信息、深度信息、声音信息以及二氧化碳浓度信息，所述的图像信息由设置在软镜模组末端的深度相机获取，所述的声音信息由设置在软镜模组末端的声音检测模块获取，所述的二氧化碳浓度信息通过二氧化碳微旁流监测模块获取。
当进行复杂气管的气管插管手术时，气管插管机器人调试至初始位置并配置软镜模组，完成遥操作气管插管手术前的准备，当正式开始进行遥操作气管插管手术后，软镜模组末端的深度相机和声音检测模块实时不间断的采集软镜模组末端的环境信息，包括图像信息、深度信息和声音信息，经处理和整合后提供给医护人员进行视觉导航辅助和不间断解剖结构跟踪辅助，医护人员在视觉导航辅助信息的辅助下通过控制主手操作端的控制手柄，操控从手执行端的软镜模组不断向气管推进。
所述的控制手柄的前后俯仰角θ1对应软镜模组末端的上下俯仰角，控制手柄的左右倾斜角θ2对应软镜模组末端的左右弯曲度，控制手柄按键的前进和后退深度对应软镜模组末端的推进速度，其中，控制手柄的按键深度为x1，前进按键深度为正向，后退按键深度为负向，工控机在获取控制手柄生成的运动增量信息后生成主手端操作矩阵A经过变换矩阵T映射至期望末端位移矩阵B，且B＝T×A，工控机将期望末端位移矩阵B实时传输到可视化辅助单元显示并将期望末端位移矩阵B分解为三个矩阵的乘积，分别对应软镜递送装置的扭转、弯曲和推进动作，一体化舵机、一体化关节伺服电机和直线模组伺服电机通过编码器反馈实际位移信息并传输至主控板，并经过无线通讯模块传输至工控机，工控机将所得到的实际位移信息通过滤波处理后，组合生成实际运动矩阵C，通过对比期望末端位移矩阵B和实际运动矩阵C得到反馈调节矩阵D后将反馈调节矩阵D与下一时刻主手端操作矩阵At组合，并经过变换矩阵T映射至下一时刻期望末端位移矩阵Bt。
工控机将期望末端位移矩阵B实时传输到可视化辅助单元显示并将期望末端位移矩阵B分解为三个矩阵的乘积，则有：
B＝X×Y×Z
X＝k1X0
Y＝k2Y0
Z＝k3Z0
其中，X为期望末端扭转矩阵，Y为期望末端位移矩阵，Z为期望末端推进矩阵，X0为一体化舵机运动矩阵，Y0为一体化关节伺服电机运动矩阵，Z0为直线模组伺服电机运动矩阵，k1，k2，k3分别为系数矩阵。
当手术情况较为复杂时，医护人员通过工控机的视野拓展导航模块和立体气道环境构建模块对当前环境情况进行进一步的分析处理，其中，所述的视野拓展导航模块通过图像拼接拓宽医护人员所获视野，以便医护人员进行判断处理，所述的立体气道环境构建模块根据相邻时间段内的视觉信息和深度信息进行气道内环境的三维重建，以便更加直观的使医护人员了解腔道内的环境情况。
当手术情况进一步复杂时，即遇到视觉信息完全无法辅助处理的手术情况时，医护人员通过二氧化碳微旁流监测模块获取二氧化碳分压浓度信息并在显示器中显示其波形，若观察到连续稳定的二氧化碳方波，则说明该方向极有可能为声门方向，并且医护人员通过声音检测模块获取软镜模组末端附近的声音信息，当软镜模组末端对准气流方向时，若气流在经过软镜模组末端的气体通道时发出清晰的尖啸声，则说明该方向极有可能为声门方向。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明作为面向复杂气道等临床情况的气管插管手术机器人的主从控制***，能通过主从操作控制配合软镜推进装置辅助医生遥控进行气管插管手术，能改善现有医疗器械因人体工程学方向设计不足而导致手术操作不符合医生习惯。此外本发明还能通过结合视觉辅助，目标识别，图像拼接，深度信息，三维重建，二氧化碳辅助定位等方法辅助医生进行操作，有效提高医生操作的直观感受。
附图说明
图1为用于复杂气道的多模态导航插管机器人***的使用场景示意图。
图2为气管插管机器人主从控制***的功能模块图。
图3为气管插管机器人主从控制***的控制流程图。
图4为主手控制端的外形结构示意图。
图5为从手执行端的外形结构示意图。
图中标记说明：
1000、主手控制端，1100、显示屏，1200、控制手柄，1300、工控机，1400、万向轮，1500、鼠标键盘，2000、呼吸机，3000、手术台，4000、从手执行端，4100、递送装置，4200、电控箱，4300、六自由度协作机械臂，4400、导航器械盒。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1、4和5所示，本发明提供一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，包括主手控制端1000、显示屏1100、控制手柄1200、工控机1300、万向轮1400、鼠标键盘1500、呼吸机2000、手术台3000、从手执行端4000、递送装置4100、电控箱4200、六自由度协作机械臂4300和导航器械盒4400。
如图2所示，该主从控制***为人工和半自动双控模式，人工模式下，医护人员依据显示屏上软镜模组末端的位置信息和导航辅助信息，操作控制手柄发送操控指令到工控机，工控机处理信息后，通过控制指令直接控制执行机构，或通过从控制***控制指令控制执行机构；半自动模式下，部分控制指令由主控制***发出，完成对执行机构的控制。
具体来说，人工模式下该主从控制***的操作过程如下：
医护人员按操作要求将软管机器人调试至初始位置，并配置好软镜模组，随后开始正式进行遥操作气管插管手术。
首先软镜模组末端的深度相机和其他传感器将不间断的提供软镜模组末端环境的视觉信息，深度信息和声音等其他环境信息，并通过数据线/无线模块直接将所获的信息传输至工控机。工控机获得信息后，经过内部的解剖结构不间断跟踪模块，视野拓展导航模块和立体气道环境构建模块对信息进行处理后，得到辅助导航信息，并将辅助导航信息通过数据线传递至显示屏，提供给医护人员进行操作参考。
当遇到较为复杂的手术情况时，医护人员可控制视野拓展导航模块和立体气道环境构建模块对当前环境情况进行进一步的分析处理，其中视野拓展导航模块可以通过图像拼接的方法拓宽医护人员所获视野，方便医护人员进行判断处理。立体气道环境构建模块可以根据相邻时间段内的视觉信息和深度信息进行气道内环境的三维重建，能更加直观帮助医护人员了解腔道内的环境情况。
当遇到特别复杂的手术情况时，即遇到视觉信息完全无法辅助处理的手术情况时，医护人员还可控制二氧化碳检测，声音检测等模块多模态检测环境信息。其中二氧化碳检测模块可以通过CO2微旁流监测模块获取CO2分压浓度信息并在显示器中显示其波形，若观察到连续稳定的CO2方波，则说明该方向极有可能为声门方向。声音检测模块可以获取软镜末端附近的声音信息，当软镜末端对准气流方向时，气流在经过软镜末端狭小的气体通道时将发出较大的尖啸声，若获取到较为清楚的尖啸声，则说明该方向极有可能为声门方向。
随后，如图3所示，医护人员在导航信息的辅助下，通过控制主手控制端的控制手柄来操作软镜模组末端的位移。控制手柄的前后俯仰对应软镜模组末端的上下俯仰，控制手柄的左右倾斜对应软镜模组末端的左右弯曲，控制手柄按键的深浅对应软镜模组末端的推进速度的快慢。其中，控制手柄的前后俯仰角为θ1，控制手柄的左右倾斜角为θ2，控制手柄的按键深浅为x1，前进按键深度记为正向，后退按键深度记为负向。
同时，控制手柄通过数据线将所获得的主手端位移信息传输至主控制***的工控机上，工控机将所获得位移信息通过滤波处理后，组合生成主手端操作矩阵A。随后工控机根据需求将主手端操作矩阵A经过变换矩阵T映射至期望末端位移矩阵B，其中B＝T×A。
得到期望末端位移矩阵B后，工控机将所得到的期望末端位移矩阵B实时传输到监控模块，并通过所设计的界面进行可视化显示。同时，工控机将期望末端位移矩阵B按所需分解为三个矩阵的乘积分别对应软镜递送装置的扭转，弯曲(旋转)和推进，也就是一体化舵机，一体化关节伺服电机和直线模组伺服电机的驱动，即B＝X×Y×Z，X＝k1X0，Y＝k2Y0，Z＝k3Z0，其中B为期望末端位移矩阵，X为期望末端扭转矩阵，Y为期望末端位移矩阵，Z为期望末端推进矩阵，X0为一体化舵机运动矩阵，Y0为一体化关节伺服电机运动矩阵，Z0为直线模组伺服电机运动矩阵，k1，k2，k3为系数矩阵。根据系数矩阵可以得到电机的驱动数据，进而驱动电机进行运动。
随后，一体化舵机，一体化关节伺服电机和直线模组伺服电机均安装有编码器用以反馈电机的实际运动情况，编码器将所得到的实际位移信息传输至主控板上，并经过无线模块传输至工控机上。工控机将所得到的实际位移信息通过滤波处理后，组合生成实际运动矩阵C。通过对比期望末端位移矩阵B和实际运动矩阵C，得到反馈调节矩阵D，随后将反馈调节矩阵D与下次主手端操作矩阵At组合，并经过变换矩阵T映射至下一时刻期望末端位移矩阵Bt。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，其特征在于，该***包括：
主手控制端：包括分别与工控机连接的控制手柄、鼠标和键盘，所述的控制手柄作为主控制器，用以生成使从手执行端在三个运动自由度内实现空间运动的运动增量信息；
从手执行端：包括用以实现控制气管插管机器人末端进行推进、弯曲和旋转的功能动作的软镜递送装置，以及用以采集手术现场信息的多模态环境信息采集装置；
工控机：作为主处理器，用于读取与处理控制手柄生成的运动增量信息，并根据增量映射规则，将控制手柄的运动增量信息转换为控制从手执行端末端的位姿增量信息，并将末端的位姿增量信息发送至软镜递送装置；
可视化辅助单元：与工控机连接，用以将多模态环境信息采集装置获取的手术现场信息进行可视化显示，并且显示操作界面，实现医护人员和工程师通过鼠标和键盘进行上位机操作控制；
通讯模块：包括有线通讯模块和无线通讯模块，用以分别实现各部件之间的通信；
所述的软镜递送装置包括主控板以及分别与主控板连接的推进机构、旋转机构、扭转机构和软镜模组，所述的主控板与多模态环境信息采集装置通过无线通讯模块连接；
所述的多模态环境信息采集装置采集的手术现场信息包括图像信息、深度信息、声音信息以及二氧化碳浓度信息，所述的图像信息由设置在软镜模组末端的深度相机获取，所述的声音信息由设置在软镜模组末端的声音检测模块获取，所述的二氧化碳浓度信息通过二氧化碳微旁流监测模块获取；
当进行复杂气管的气管插管手术时，气管插管机器人调试至初始位置并配置软镜模组，完成遥操作气管插管手术前的准备，当正式开始进行遥操作气管插管手术后，软镜模组末端的深度相机和声音检测模块实时不间断的采集软镜模组末端的环境信息，包括图像信息、深度信息和声音信息，经处理和整合后提供给医护人员进行视觉导航辅助和不间断解剖结构跟踪辅助，医护人员在视觉导航辅助信息的辅助下通过控制主手操作端的控制手柄，操控从手执行端的软镜模组不断向气管推进；
所述的控制手柄的前后俯仰角θ1对应软镜模组末端的上下俯仰角，控制手柄的左右倾斜角θ2对应软镜模组末端的左右弯曲度，控制手柄按键的前进和后退深度对应软镜模组末端的推进速度，其中，控制手柄的按键深度为x1，前进按键深度为正向，后退按键深度为负向，工控机在获取控制手柄生成的运动增量信息后生成主手端操作矩阵A经过变换矩阵T映射至期望末端位移矩阵B，且B＝T×A，工控机将期望末端位移矩阵B实时传输到可视化辅助单元显示并将期望末端位移矩阵B分解为三个矩阵的乘积，分别对应软镜递送装置的扭转、弯曲和推进动作，一体化舵机、一体化关节伺服电机和直线模组伺服电机通过编码器反馈实际位移信息并传输至主控板，并经过无线通讯模块传输至工控机，工控机将所得到的实际位移信息通过滤波处理后，组合生成实际运动矩阵C，通过对比期望末端位移矩阵B和实际运动矩阵C得到反馈调节矩阵D后将反馈调节矩阵D与下一时刻主手端操作矩阵At组合，并经过变换矩阵T映射至下一时刻期望末端位移矩阵Bt；
当手术情况进一步复杂时，即遇到视觉信息完全无法辅助处理的手术情况时，医护人员通过二氧化碳微旁流监测模块获取二氧化碳分压浓度信息并在显示器中显示其波形，若观察到连续稳定的二氧化碳方波，则说明软镜模组末端的方向极有可能为声门方向，并且医护人员通过声音检测模块获取软镜模组末端附近的声音信息，当软镜模组末端对准气流方向时，若气流在经过软镜模组末端的气体通道时发出清晰的尖啸声，则说明该方向极有可能为声门方向。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，其特征在于，所述的推进机构和旋转机构分别对应由直线模组伺服电机和一体化关节伺服电机进行驱动，且两个伺服电机分别与主控板上的D2驱动器连接，所述的D2驱动器采用RS485延长线与工控机通信，并通过Modbus串列通讯协定进行参数读写。
3.根据权利要求1所述的一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，其特征在于，所述的扭转机构通过一体化舵机驱动，该一体化舵机直接与工控机连接用以实现舵机的控制。
4.根据权利要求1所述的一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，其特征在于，工控机将期望末端位移矩阵B实时传输到可视化辅助单元显示并将期望末端位移矩阵B分解为三个矩阵的乘积，则有：
B＝X×Y×Z
X＝k1X0
Y＝k2Y0
Z＝k3Z0
其中，X为期望末端扭转矩阵，Y为期望末端位移矩阵，Z为期望末端推进矩阵，X0为一体化舵机运动矩阵，Y0为一体化关节伺服电机运动矩阵，Z0为直线模组伺服电机运动矩阵，k1，k2，k3分别为系数矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种用于复杂气道多模态气管插管机器人的主从控制***，其特征在于，当手术情况较为复杂时，医护人员通过工控机的视野拓展导航模块和立体气道环境构建模块对当前环境情况进行进一步的分析处理，其中，所述的视野拓展导航模块通过图像拼接拓宽医护人员所获视野，以便医护人员进行判断处理，所述的立体气道环境构建模块根据相邻时间段内的视觉信息和深度信息进行气道内环境的三维重建，以便更加直观的使医护人员了解腔道内的环境情况。
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