CN115252146A - 一种经呼吸道诊疗机器人***及其控制方法 - Google Patents

一种经呼吸道诊疗机器人***及其控制方法 Download PDF

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姜洁
陈翼楠
段文科
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Abstract

本发明涉及医疗机械技术领域，特别涉及一种经呼吸道诊疗机器人***及其控制方法；本发明包括用于操作控制发出控制指令的主端控制装置、用于接收所述主端控制装置的控制指令进行操作动作的从端控制装置，用于跟踪引导从端控制装置的导航装置，从端控制装置包括从端机器人及安装在从端机器人内的从端嵌入式控制器，从端机器人上设置有机械臂、与机械臂连接的推进支撑板及连接在推进支撑板上的用于递送活检器具的活检器具导入机构、用于控制支气管镜的支气管镜旋转传动机构和用于控制支气管镜柔性末端角度的控弯机构；本发明通过主端控制装置发出控制指令，由从端控制装置接收主端控制装置的控制指令进行操作动作，同时由导航装置跟踪引导从端控制装置，进行递送活检器具及夹取病灶组织。

Description

一种经呼吸道诊疗机器人***及其控制方法
技术领域
本发明涉及医疗机械技术领域，特别涉及一种经呼吸道诊疗机器人***及其控制方法。
背景技术
世界卫生组织国际癌症研究机构的统计，全世界罹患癌症的人数在迅速增长，肺癌是年死亡人数占比最大的癌症，2020年约180万人死于肺癌；早发现是肺癌诊断治疗的关键，而肺周小结节的良恶性是肺癌早发现的重要依据；临床实践证实，对肺周小结节的早期诊断和早期干预有着非常显著的预后效果，甚至让很多早期肺癌患者得到彻底根治，大大降低死亡率。
支气管镜下穿刺活检和经皮穿刺活检是两种常规的活检方式，支气管镜活检是通过CT或X射线扫描确定肺部病变位置，对位于肺门部位的中心型病变的确诊率较高，且相对于经皮穿刺活检对人体的损伤要小。当医生近距离面对患有新型冠状病毒肺炎、严重急性呼吸综合征和中东呼吸综合征等呼吸道传染病患者时，本身就存在一定的感染风险，再开展活检手术，就会因为手术过程中患者气道开放进一步导致下呼吸道黏液中的高浓度病毒被释放出来形成溶胶，使医护人员面临更高的感染风险，造成医护人员医源性感染。即使医护人员采用穿戴防护服、医用防护口罩和防护面屏等防护措施，但难免会存在病毒威胁的心理障碍，使得诊断时间延长，增加医患风险；另外，在介入活检手术过程中长时间的X线辐射、医生疲劳和人手操作不稳定等多重因素也会影响手术质量，加大手术风险，采用机器人技术可最小化上述风险，同时，支气管内部环境复杂，医生需要同时操作多种器械、动作繁琐。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种经呼吸道诊疗机器人***，其通过主端控制装置发出控制指令，由从端控制装置接收主端控制装置的控制指令进行操作动作，同时由导航装置跟踪引导从端控制装置，进行递送活检器具及夹取病灶组织；还提供了一种经呼吸道诊疗机器人控制方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种经呼吸道诊疗机器人***，其中，包括：
主端控制装置，用于操作控制发出控制指令；
从端控制装置，用于接收所述主端控制装置的控制指令进行操作动作；
导航装置，用于跟踪引导所述从端控制装置；
其中，所述从端控制装置包括从端机器人及安装在所述从端机器人内的从端嵌入式控制器，所述从端机器人上设置有机械臂、与所述机械臂连接的推进支撑板及连接在所述推进支撑板上的用于递送活检器具的活检器具导入机构和用于控制支气管镜的支气管镜旋转传动机构。
作为本发明的一种改进，所述从端机器人上还设置有与所述支气管镜旋转传动机构连接且用于调节支气管镜的末端导管的控弯机构。
作为本发明的进一步改进，所述支气管镜旋转传动机构包括旋转机构电机、蜗杆、轴承支座、蜗轮和旋转支撑轴座，所述旋转机构电机通过电机支座连接在所述推进支撑板上，所述轴承支座固定连接在所述推进支撑板上，所述旋转机构电机通过所述蜗杆与所述轴承支座连接，所述蜗杆与所述蜗轮啮合连接，所述旋转支撑轴座连接在所述蜗轮内，所述旋转支撑轴座通过旋转支撑轴连接在所述推进支撑板上。
作为本发明的更进一步改进，所述控弯机构包括控弯旋钮、控弯旋钮卡槽、蜗轮旋转滑台、控弯蜗杆和控弯电机，所述控弯电机和蜗轮旋转滑台连接在所述推进支撑板上，所述控弯电机与所述控弯蜗杆连接，所述控弯蜗杆与设置在所述蜗轮旋转滑台内的蜗轮啮合连接，所述控弯旋钮连接于设置在所述蜗轮旋转滑台内的所述控弯旋钮卡槽内且用于卡住所述旋转支撑轴。
作为本发明的更进一步改进，所述活检器具导入机构包括导入电机、传送辊、惰性轮固定轴、惰性轮、导轨、弹簧和导轨限位块，所述导入电机连接在底板上，所述底板连接在在所述推进支撑板上，所述传送辊与所述导入电机连接，所述惰性轮轴接在所述惰性轮固定轴上，所述惰性轮固定轴连接在所述导轨上且通过弹簧与所述导轨限位块连接，所述惰性轮与所述传送辊用于引导活检器具卷入支气管镜的末端导管的活检器具通道内。
作为本发明的更进一步改进，所述主端控制装置包括电性连接的主端电脑主机与主端机器人，所述主端电脑主机内设置有用于发送控制指令的运动控制器。
作为本发明的更进一步改进，所述导航装置包括用于显示的视觉显示机构和用于引导所述从端控制装置的电磁导航末端机构。
作为本发明的更进一步改进，所述视觉显示机构包括可视软性喉镜。
作为本发明的更进一步改进，所述电磁导航末端机构包括电磁传感器，电磁导航***安装在手术台上的托板上，所述电磁导航***包括磁场发生器。
一种经呼吸道诊疗机器人控制方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1、将支气管镜固定在从端控制装置的从端机器人上；
步骤S2、操作主端控制装置发送控制指令，控制从端机器人递送支气管镜和活检器具到患者气道中预定穿刺和活检位置；
步骤S3、控制活检器具进行操作，取出病灶组织；
步骤S4、将取出的病灶组织放于载玻片上，用酒精固定，立即送病理检查；
步骤S5、控制从端机器人，将支气管镜及活检器具撤出病人呼吸道；
步骤S6、对从端机器人进行消毒。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明过主端控制装置发出控制指令，由从端控制装置接收主端控制装置的控制指令进行操作动作，同时由导航装置跟踪引导从端控制装置，进行递送活检器具及夹取病灶组织。
附图说明
图1为本发明的经呼吸道诊疗机器人***的原理图；
图2为本发明的经呼吸道诊疗机器人***的控制示意图；
图3为本发明的实施例的从端机器人的诊疗示意图；
图4为本发明的实施例中从端机器人的推进部分的几何构型示意图；
图5为本发明的实施例中从端机器人的支气管镜旋转传动机构的示意图；
图6为本发明的实施例中从端机器人的支气管镜柔性末端控弯机构的示意图；
图7为本发明的实施例中从端机器人的活检工具导入机构的示意图；
图8为本发明的实施例中从端机器人的伸缩导管的几何构型示意图；
图9为本发明的实施例中从端机器人的电磁导航末端机构的示意图；
附图标记：1-从端机器人的主体、2-从端机器人的连接托架、3-机械臂、4-电磁导航***、5-人体示意、6-手术台示意、11-支气管镜旋转传动机构、12-控弯机构、13-活检器具导入机构、14-推进支撑板、15-镜体紧固件、16-镜体紧固螺母、17-伸缩杆、18-支气管镜导管、19-电磁导航末端机构、111-旋转机构电机、112-蜗杆、113-轴承支座、114-蜗轮、115-旋转支撑轴座、116-电机支座、121-控弯旋钮、122-控弯旋钮卡槽、123-蜗轮旋转滑台、124-控弯蜗杆、125-控弯电机、131-导入电机、132-传送辊、133-惰性轮固定轴、134-惰性轮、135-导轨、136-弹簧、137-导轨限位块、191-活检通道、192-电磁传感器、193-传感器固定圈。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
目前Auris Health公司Monarch机器人和直觉外科公司的Ion机器人是通过两个机械臂及其上面的两个旋转轮来驱动内窥镜和穿刺针，因为要适配其旋转轮，因此Monarch机器人的内窥镜及活检针全需要特制，这对医疗成本造成极大的负担。
另外，Ion机器人是Intuitive公司的新型机器人平台，用以肺部周围的微创活检，该***采用超薄铰接式机器人导管，术中导航方式使用光纤形状感知技术，光纤需要穿过整个内窥镜，在导航之后，必须从导管上取下内窥镜镜头，工作通道才可以容纳采样工具，因此，Ion无法在活检采样时实时可视化支气管内部环境，对手术安全造成很大威胁。
请参照图1至图9，本发明的一种经呼吸道诊疗机器人***，包括：
主端控制装置，用于操作控制发出控制指令；
从端控制装置，用于接收主端控制装置的控制指令进行操作动作；
导航装置，用于跟踪引导所述从端控制装置；
其中，从端控制装置包括从端机器人及安装在从端机器人内的从端嵌入式控制器，从端机器人上设置有机械臂3、与机械臂连接的推进支撑板14及连接在推进支撑板14上的用于递送活检器具的活检器具导入机构13和用于控制支气管镜的支气管镜旋转传动机构11。
本发明通过主端控制装置发出控制指令，由从端控制装置接收主端控制装置的控制指令进行操作动作，同时由导航装置跟踪引导从端控制装置，进行递送活检器具及夹取病灶组织。
在本发明内，医生操作手术机器人的主端控制装置，实时检测主端控制装置的指令信息，将控制指令通过无线网发送给从端控制装置，从端控制装置操纵软性支气管内窥镜进行相应的推进后撤、旋转和尖端控弯动作，同时从端机器人采用电磁导航技术，配合支气管镜自带的视觉导航功能使用，可以实时精确定位支气管镜位置。
在本发明内，主端控制装置包括电性连接的主端电脑主机与主端机器人，主端电脑主机内设置有用于发送控制指令的运动控制器，主端机器人采用通用的力反馈设备；主端电脑主机通过IEEE1394接口与主端机器人相连；运动控制器与主端电脑主机通过网卡相连运动控制器接收主机器人的操作命令，并对操作命令进行处理调用角度库运动指令发送给从端控制装置。
如图1所示，本发明的经呼吸道诊疗机器人控制***以电脑主机为开发平台，采用上、下位机的控制方式。
如图2所示，本发明的经呼吸道诊疗机器人控制***包括主端机器人、与主端机器人相连的控制***、运动数据库、从端机器人和从端嵌入式控制器，从端机器人接收到从端嵌入式控制器发过来的指令，进而通过驱动器完成对相应任务对象的操作，如推拉、旋转、控弯，同时从端机器人通过驱动器将位置与速度信息反馈到从端嵌入式控制器。
本发明还可以包括信号转换单元，信号转换单元用于对编码器的初值进行设定以及记录信号转换单元通过RS485接口与工业PC机相连，信号转换单元通过RS422接口与驱动器相连，控制***的上位机通过***硬件接口和总线将主机器人、运动控制器、数据采集卡等联系起来；控制***的上位机将主机器人的操作指令传递给主控机，主控机接收机器人运动状态并通过控制算法对操作命令进行处理；生产机器人运动指令通过以太网卡发送给运动控制卡；控制***下位机的运动控制卡接收主控机的控制命令，通过驱动直流电机使机器人完成相应的动作；下位机将当前从手机器人关节编码器数值发送到主控机。
本发明提供一个实施例，该实施例包括：
主端控制装置，用于操作控制发出控制指令；
从端控制装置，用于接收主端控制装置的控制指令进行操作动作；
导航装置，用于跟踪引导所述从端控制装置；
其中，从端控制装置包括从端机器人及安装在从端机器人内的从端嵌入式控制器，从端机器人上设置有机械臂3、与机械臂连接的推进支撑板14及连接在推进支撑板14上的用于递送活检器具的活检器具导入机构13、用于控制支气管镜的支气管镜旋转传动机构11和与支气管镜旋转传动机构11连接且用于调节支气管镜的末端导管的控弯机构12。
在该实施例中，支气管镜旋转传动机构11包括旋转机构电机111、蜗杆112、轴承支座113、蜗轮114和旋转支撑轴座115，旋转机构电机111通过电机支座116连接在推进支撑板14上，轴承支座113固定连接在推进支撑板14上，旋转机构电机111通过蜗杆112与轴承支座113连接，蜗杆112与蜗轮114啮合连接，旋转支撑轴座115连接在蜗轮114内，旋转支撑轴座115通过旋转支撑轴连接在推进支撑板14上。
在该实施例中，控弯机构12包括控弯旋钮121、控弯旋钮卡槽122、蜗轮旋转滑台123、控弯蜗杆124和控弯电机125，控弯电机125和蜗轮旋转滑台123连接在推进支撑板14上，控弯电机125与控弯蜗杆124连接，控弯蜗杆124与设置在蜗轮旋转滑台123内的蜗轮啮合连接，控弯旋钮121连接于设置在蜗轮旋转滑台123内的控弯旋钮卡槽122内且用于卡住旋转支撑轴。
在该实施例中，活检器具导入机构13包括导入电机131、传送辊132、惰性轮固定轴133、惰性轮134、导轨135、弹簧136和导轨限位块137，导入电机131连接在底板上，底板连接在在推进支撑板14上，传送辊132与导入电机131连接，惰性轮134轴接在惰性轮固定轴133上，惰性轮固定轴133连接在导轨135上且通过弹簧136与导轨限位块137连接，惰性轮134与传送辊132用于引导活检器具卷入支气管镜的末端导管的活检器具通道内。
在该实施例中，导航装置包括用于显示的视觉显示机构和用于引导从端控制装置的电磁导航末端机构19，视觉显示机构包括可视软性喉镜；电磁导航末端机构19包括电磁传感器，电磁导航***安装在手术台6上的托板上，电磁导航***包括磁场发生器；具体地讲，电磁导航***放置在以螺栓固定在手术台6的托板上，通过电磁信号与电磁导航末端机构19配合应用，电磁导航末端机构19包括活检通道191、电磁传感器192、传感器固定圈193，传感器固定圈193以粘性固定电磁传感器192实时感知支气管镜导管18位置与形状信息，引导活检工具准确通过活检通道191到达病灶。
在该实施例中，从端机器人主体1通过螺栓将推进支撑板14与移动滑台连接，完成支气管镜推进过程，镜体紧固螺母16通过螺纹与镜体紧固件16连接对支气管镜固定；伸缩杆17固定在末端旋转支撑轴座115上，共有四节150mm伸缩杆嵌套连接引导支气管镜末端导管从近端导入。
本发明提供一种经呼吸道诊疗机器人控制方法，包括如下步骤：
步骤S1、将支气管镜固定在从端控制装置的从端机器人上；
步骤S2、操作主端控制装置发送控制指令，控制从端机器人递送支气管镜和活检器具到患者气道中预定穿刺和活检位置；
步骤S3、控制活检器具进行操作，取出病灶组织；
步骤S4、将取出的病灶组织放于载玻片上，用酒精固定，立即送病理检查；
步骤S5、控制从端机器人，将支气管镜及活检器具撤出病人呼吸道；
步骤S6、对从端机器人进行消毒。
具体地讲，工作流程包括：
1.机器人安装调试与支气管镜固定，将消毒从端机器人安装在机械臂上，支气管镜固定在从端机器人上；
2.医生使用主端机器人，控制从端机器人，递送支气管镜到气道中预定穿刺、活检位置；
3.如果使用活检钳进行钳检，医生手动将活检钳递送到支气管镜头部，活检器械导入机构将通过摩擦轮递送活检钳深入病灶中钳取；如果使用活检针进行针吸活检，活检针经支气管镜送入，活检器械导入机构通过摩擦轮递送，待针头前端露出支气管镜后将针尖拔出针鞘，垂直于支气管壁方向刺入病变，深度为0.5-1.2cm，然后接20-50ml注射器持续负压抽吸并将吸引活检针上下往复穿刺抽吸3-5次以后，然后停止抽吸，将针尖退回鞘内，退出穿刺针；
4.将取出的组织放于载玻片上，用酒精固定，立即送病理检查；
5.控制从端机器人，将支气管镜及活检器械撤出病人呼吸道；
6.从端机器人消毒。
在本发明内，医生操纵主端机器人后，主端主机将运动信息发送给从端机器人，从端机器人接收到从端嵌入式控制器发过来的指令，进而通过驱动器完成对相应任务对象的操作，如推拉、旋转、控弯，同时从端机器人通过驱动器将位置与速度信息反馈到从端嵌入式控制器。
在本发明内，电磁导航使用NDI公司的Aurora电磁跟踪***，视觉导航使用支气管镜自带的显示镜头，两种导航方式配合使用。
在本发明内，医生可将通用的支气管镜安装在机器人上，手术过程中，医生也可以根据需要选择不同的活检器械如活检钳、活检针等。
在本发明内，医生手动将活检钳或活检针***支气管镜活检通道后，活检器具导入机构13将通过摩擦轮递送活检钳或活检钳深入病灶中进行活检取样。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，包括：
主端控制装置，用于操作控制发出控制指令；
从端控制装置，用于接收所述主端控制装置的控制指令进行操作动作；
导航装置，用于跟踪引导所述从端控制装置；
其中，所述从端控制装置包括从端机器人及安装在所述从端机器人内的从端嵌入式控制器，所述从端机器人上设置有机械臂、与所述机械臂连接的推进支撑板及连接在所述推进支撑板上的用于递送活检器具的活检器具导入机构和用于控制支气管镜的支气管镜旋转传动机构。
2.根据权利要求1所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述从端机器人上还设置有与所述支气管镜旋转传动机构连接且用于调节支气管镜的末端导管的控弯机构。
3.根据权利要求2所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述支气管镜旋转传动机构包括旋转机构电机、蜗杆、轴承支座、蜗轮和旋转支撑轴座，所述旋转机构电机通过电机支座连接在所述推进支撑板上，所述轴承支座固定连接在所述推进支撑板上，所述旋转机构电机通过所述蜗杆与所述轴承支座连接，所述蜗杆与所述蜗轮啮合连接，所述旋转支撑轴座连接在所述蜗轮内，所述旋转支撑轴座通过旋转支撑轴连接在所述推进支撑板上。
4.根据权利要求3所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述控弯机构包括控弯旋钮、控弯旋钮卡槽、蜗轮旋转滑台、控弯蜗杆和控弯电机，所述控弯电机和蜗轮旋转滑台连接在所述推进支撑板上，所述控弯电机与所述控弯蜗杆连接，所述控弯蜗杆与设置在所述蜗轮旋转滑台内的蜗轮啮合连接，所述控弯旋钮连接于设置在所述蜗轮旋转滑台内的所述控弯旋钮卡槽内且用于卡住所述旋转支撑轴。
5.根据权利要求4所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述活检器具导入机构包括导入电机、传送辊、惰性轮固定轴、惰性轮、导轨、弹簧和导轨限位块，所述导入电机连接在底板上，所述底板连接在在所述推进支撑板上，所述传送辊与所述导入电机连接，所述惰性轮轴接在所述惰性轮固定轴上，所述惰性轮固定轴连接在所述导轨上且通过弹簧与所述导轨限位块连接，所述惰性轮与所述传送辊用于引导活检器具卷入支气管镜的末端导管的活检器具通道内。
6.根据权利要求1所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述主端控制装置包括电性连接的主端电脑主机与主端机器人，所述主端电脑主机内设置有用于发送控制指令的运动控制器。
7.根据权利要求1所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述导航装置包括用于显示的视觉显示机构和用于引导所述从端控制装置的电磁导航末端机构。
8.根据权利要求7所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述视觉显示机构包括可视软性喉镜。
9.根据权利要求7所述的一种经呼吸道诊疗机器人***，其特征在于，所述电磁导航末端机构包括电磁传感器，电磁导航***安装在手术台上的托板上，所述电磁导航***包括磁场发生器。
10.一种经呼吸道诊疗机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1、将支气管镜固定在从端控制装置的从端机器人上；
步骤S2、操作主端控制装置发送控制指令，控制从端机器人递送支气管镜和活检器具到患者气道中预定穿刺和活检位置；
步骤S3、控制活检器具进行操作，取出病灶组织；
步骤S4、将取出的病灶组织放于载玻片上，用酒精固定，立即送病理检查；
步骤S5、控制从端机器人，将支气管镜及活检器具撤出病人呼吸道；
步骤S6、对从端机器人进行消毒。
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