主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，包括內(nèi)窺鏡、推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)、運(yùn)動控制柜、圖形工作站、顯示屏。本發(fā)明通過圖形工作站存儲的人體腔道的詳細(xì)信息、醫(yī)生的操作指令、以及實(shí)時(shí)接收的由內(nèi)窺鏡反饋的彎曲參數(shù)、壓力值等，制定內(nèi)窺鏡的運(yùn)動軌跡和彎曲策略。此外，還可以在到達(dá)目標(biāo)位置或目標(biāo)路徑后，對手動模式與自動模式進(jìn)行切換，更加智能。
【專利說明】主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及內(nèi)窺鏡，尤其涉及一種主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]內(nèi)窺鏡是允許醫(yī)生通過將設(shè)備插入自然腔道亦或外科醫(yī)生創(chuàng)建的開口并且將該設(shè)備引導(dǎo)到病人體內(nèi)的靶部位來捕獲內(nèi)部身體器官的圖像并且對其問題進(jìn)行診斷的一種醫(yī)療設(shè)備。內(nèi)窺鏡可以是剛性的(例如用于腹腔鏡檢查的那些內(nèi)窺鏡，一般稱為硬鏡)，或者可以是柔性的，使得其能夠遵循體腔的曲率(例如胃腸道鏡，一般稱為軟鏡)，還可以是膠囊型的。本文所涉及技術(shù)方案主要是針對內(nèi)窺鏡軟鏡的。國內(nèi)外針對軟鏡的體積過大，彎曲性能差，通過人體腔道不順暢等方面做了較多的研究及提出了很多有益的嘗試。
[0003]目前常規(guī)的內(nèi)窺鏡軟鏡只有末端能夠?qū)崿F(xiàn)彎曲，其它部分是依靠與病人器官內(nèi)壁的接觸力而被動彎曲、不具有主動彎曲的性能，因此在內(nèi)窺鏡軟鏡向人體腔道深處推進(jìn)時(shí)會給病人造成巨大的痛苦。當(dāng)內(nèi)窺鏡軟鏡與病人的器官內(nèi)壁接觸力過大可能導(dǎo)致器官損傷、破裂，從而使疾病檢查具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。特別是對于人體內(nèi)有較多轉(zhuǎn)彎、折疊的器官腔道更是如此。同時(shí)，由于內(nèi)窺鏡的操作有一定技巧，操作過程中用力、轉(zhuǎn)動方向等需要較長時(shí)間的訓(xùn)練才能掌握。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，我們提出一種主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，具有全自動及手動模式，并能夠按照用戶命令進(jìn)行動作。
[0005]本發(fā)明的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，包括內(nèi)窺鏡、推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)、運(yùn)動控制柜、圖形工作站、顯示屏。其中:所 述內(nèi)窺鏡，包括設(shè)置有MEMS陀螺儀、壓力傳感器、體內(nèi)攝像頭的軟鏡頭部、以及連接在所述推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)的軟鏡手柄；所述推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)，用于接收所述運(yùn)動控制柜的運(yùn)動信號，并為所述內(nèi)窺鏡提供向前插入與向后拔出的動力；所述運(yùn)動控制柜，用于接收所述圖形工作站的控制指令，并輸出對應(yīng)的所述運(yùn)動信號，通過所述推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)控制所述內(nèi)窺鏡的運(yùn)動；所述圖形工作站，用于存儲的人體腔道的詳細(xì)信息、并接收來自所述內(nèi)窺鏡鏡頭部的MEMS陀螺儀的彎曲參數(shù)與壓力傳感器的壓力值，并根據(jù)接收到醫(yī)生的操作指令結(jié)合所述各方信息對運(yùn)動控制柜對發(fā)出控制指令，以確定所述內(nèi)窺鏡的運(yùn)動軌跡、彎曲策略；所述顯示屏，用于顯示所述內(nèi)窺鏡軟鏡頭部的攝像頭拍攝到的體內(nèi)圖像畫面。
[0006]優(yōu)選地，所述的運(yùn)動控制柜，還包括驅(qū)動電路，用于實(shí)現(xiàn)所述運(yùn)動控制柜的控制操作。
[0007]優(yōu)選地，所述軟鏡頭部還包括加速度傳感器，用于測量出重力方向，并在內(nèi)窺鏡采集的圖像畫面上標(biāo)出重力方向。
[0008]優(yōu)選地，還包括體外攝像頭，用于實(shí)時(shí)采集病人及內(nèi)窺鏡的位置圖像信息。
[0009]優(yōu)選地，所述醫(yī)生的操作指令包括選擇自動模式或手動模式以及在圖像工作站上指定所述內(nèi)窺鏡的目標(biāo)位置或目標(biāo)路徑。
[0010] 優(yōu)選地，所述軟鏡手柄還包括控制鈕，用以在手動模式下控制內(nèi)窺鏡運(yùn)動。
[0011]優(yōu)選地，所述內(nèi)窺鏡還包括連接于所述軟鏡頭部與所述軟鏡手柄之間的多個(gè)彎曲模塊，每個(gè)彎曲模塊單獨(dú)配備步進(jìn)電機(jī)、通信線路、壓力傳感器。
[0012]本發(fā)明通過存儲的人體腔道的詳細(xì)信息、醫(yī)生的操作指令、以及實(shí)時(shí)接收的內(nèi)窺鏡反饋，指定內(nèi)窺鏡的運(yùn)動軌跡和彎曲策略。，還可以對手動模式與自動模式進(jìn)行切換，更加智能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明中主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)的示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明中彎曲模塊的示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明中推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)的示意圖。
[0016]圖4是本發(fā)明中在圖形工作站中畫出內(nèi)窺鏡的大概運(yùn)動軌跡的示意圖。
[0017]圖5是本發(fā)明中運(yùn)動策略示意圖。
[0018]圖6是本發(fā)明中主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)的工作流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]如圖1所示，為本發(fā)明中主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，包括內(nèi)窺鏡2、推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)3、運(yùn)動控制柜4、圖形工作站5、顯示屏6、體外攝像頭7與8。本圖中以檢測人體食道I為例進(jìn)行說明。
[0020]內(nèi)?見鏡2，包括軟鏡頭部和軟鏡手柄和多個(gè)彎曲I旲塊。軟鏡頭部上設(shè)直有MEMS 1?螺儀、壓力傳感器、體內(nèi)攝像頭、加速度傳感器。軟鏡手柄連接于推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)，并設(shè)置有控制鈕。
[0021]其中，MEMS陀螺儀、壓力傳感器、加速度傳感器分別用于采集彎曲參數(shù)、人體腔道的壓力值和重力方向，并結(jié)合體內(nèi)攝像頭所采集的圖像，一同提供給圖像工作站5作為內(nèi)窺鏡2運(yùn)動的參考信息。每個(gè)彎曲模塊單獨(dú)配備配備步進(jìn)電機(jī)、通信線路、壓力傳感器。軟鏡手柄的控制鈕，用以在手動模式下控制內(nèi)窺鏡運(yùn)動。
[0022]如圖2所示為彎曲模塊201的示意圖。彎曲模塊201通過鉚釘206與另外一個(gè)彎曲模塊相連接。每個(gè)彎曲模塊中都有一個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)202，步進(jìn)電機(jī)軸是螺桿203，帶有一個(gè)螺母204，步進(jìn)電機(jī)202運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會使螺母204向前或向后運(yùn)動，螺母204通過連桿205對另一彎曲模塊產(chǎn)生拉力或推力，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模塊相對轉(zhuǎn)動。在彎曲模塊201的左端有與鉸鏈耳朵207成垂直的另外一對“耳朵”208，用于跟上一個(gè)模塊進(jìn)行連接。由圖可知多個(gè)基本彎曲模塊首尾相連時(shí)便可構(gòu)成一個(gè)具有非常多自由度的內(nèi)窺鏡軟鏡。另外在彎曲模塊側(cè)邊還貼有壓力傳感器薄膜用來測量與外部接觸的壓力，每個(gè)模塊有4個(gè)薄膜壓力傳感器分別位于連接處附近的側(cè)面上。
[0023]在本設(shè)計(jì)每個(gè)彎曲模塊201都配有電機(jī)驅(qū)動電路，單片機(jī)控制器，從而只需要為每個(gè)彎曲模塊提供電源及通信線即可。實(shí)現(xiàn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)可以購買市場上相機(jī)鏡頭的步進(jìn)電機(jī)(目前市場上能買到直徑4mm的兩相步進(jìn)電機(jī))或定制，通信可以采用I2C等串行通信，控制柜可以通過串行通信給每個(gè)模塊下達(dá)運(yùn)動命令，同時(shí)也可以把每個(gè)模塊壓迫體腔的力通過通信接口往外傳輸。
[0024]推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)，用于接收所述運(yùn)動控制柜的運(yùn)動信號，并為所述內(nèi)窺鏡提供向前插入與向后拔出的動力。
[0025]以圖3中的推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)的為例對其提供動力的方式進(jìn)行說明。在推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)殼體301內(nèi)部安裝有步進(jìn)電機(jī)304，步進(jìn)電機(jī)通過同步帶輪303把動力傳遞給主動輪302，主動輪302與被動輪305把內(nèi)窺鏡夾住，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)304運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候，主動輪302將會通過摩擦力帶動內(nèi)窺鏡前進(jìn)或后退。307為沿著主動輪302、被動輪305的軸線的剖切截面圖。此外，在推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)中還包括圖像傳感器306，通過比對兩幅圖之間的差別判斷物體的移動速度及位移，該類傳感器又經(jīng)常被用在光電鼠標(biāo)中。通過該傳感器可以精確測量出內(nèi)窺鏡移動的方向及速度。
[0026]運(yùn)動控制柜4，用于接收所述圖形工作站5的控制指令，并輸出對應(yīng)的所述運(yùn)動信號，通過所述推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)3控制所述內(nèi)窺鏡2的運(yùn)動；還包括驅(qū)動電路，用于實(shí)現(xiàn)所述運(yùn)動控制柜的控制操作。
[0027]圖形工作站5，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)各種信息的融合與決策，取代了現(xiàn)有內(nèi)窺鏡各種運(yùn)動需要人來操作，從而使醫(yī)生的勞動量大大減少。該系統(tǒng)中僅需在一幅人體的腔道圖中畫出內(nèi)窺鏡需要行進(jìn)的大致路徑圖或指定目的位置。具體而言，在圖形工作站5用于存儲人體腔道的詳細(xì)信息、并接收來自所述內(nèi)窺鏡2軟鏡頭部的MEMS陀螺儀的彎曲參數(shù)與壓力傳感器的壓力值，并根據(jù)接收到醫(yī)生的操作指令結(jié)合所述各方信息對運(yùn)動控制柜對發(fā)出控制指令，以確定所述內(nèi)窺鏡的運(yùn)動軌跡、速度和彎曲策略；所述醫(yī)生的操作指令包括選擇自動模式或手動模式以及在圖像工作站上指定所述內(nèi)窺鏡的目標(biāo)位置或目標(biāo)路徑。
[0028]以圖4為例，在圖形工作站5中畫出內(nèi)窺鏡的大概運(yùn)動軌跡。當(dāng)內(nèi)窺鏡2未進(jìn)入人口腔前主要靠體外攝像 頭7和8實(shí)時(shí)采集病人及內(nèi)窺鏡2的位置圖像信息，進(jìn)行定位導(dǎo)航。
[0029]圖形工作站5會根據(jù)病床上部的高清攝像頭7和8采集到內(nèi)窺鏡2及病人位置進(jìn)行運(yùn)動規(guī)劃。當(dāng)內(nèi)窺鏡鏡2進(jìn)入人口腔后主要靠內(nèi)窺鏡2的體內(nèi)攝像頭、MEMS陀螺儀及人體的腔道信息數(shù)據(jù)庫作為定位的依據(jù)。具體的來說內(nèi)窺鏡2進(jìn)入人體腔道I后，內(nèi)窺鏡2的運(yùn)動將會首先參照人體的腔道信息數(shù)據(jù)庫，比如喉部先是向下彎曲前進(jìn)然后是往水平方向行進(jìn)，根據(jù)MEMS陀螺儀采集的運(yùn)動信息運(yùn)用慣性導(dǎo)航算法計(jì)算出向各個(gè)方向行進(jìn)的距離，比對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)及利用智能圖形識別決定是否進(jìn)行彎曲，例如是否從往下插入變?yōu)樗角斑M(jìn)。另一方面，處于后方的彎曲關(guān)節(jié)將根據(jù)前面的彎曲關(guān)節(jié)的運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動，類似在軌道上行駛的火車，每一節(jié)都會在通過同一個(gè)地方的時(shí)候進(jìn)行相同彎曲，而該彎曲的大小參數(shù)由頭部通過該處時(shí)使用的彎曲參數(shù)得到。
[0030]整個(gè)自動化的過程中借助分布在內(nèi)窺鏡2軟鏡管壁的壓力傳感器收集到管壁表面與人體腔道接觸的各個(gè)地方的壓力情況，避免任何地方出現(xiàn)壓力過大損傷人體的情況。如在局部壓力過大的時(shí)調(diào)整關(guān)聯(lián)部位的彎曲情況把壓力降低。人體腔道環(huán)境相對是非常柔軟的，內(nèi)窺鏡2要在這樣的環(huán)境下通過僅僅依靠柔軟，多自由度還是不夠的，還需要一定的運(yùn)動策略。傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡往往依靠的是軟鏡與體腔的摩擦、依靠擠壓讓內(nèi)窺鏡2改變方向。隨著內(nèi)窺鏡2插入人體的長度增加，摩擦力與阻力隨之增加。為了減小摩擦力圖形工作站5所提供的運(yùn)動策略，把來以滑動為主的運(yùn)動改為內(nèi)窺鏡的伸縮運(yùn)動。其原理如圖5所示。[0031]該伸縮運(yùn)動先以頭部做一支撐讓插入量拱起，然后以尾部作為支撐頭部自然延伸。如果將這樣的運(yùn)動連續(xù)起來將會構(gòu)成一種波浪式的前進(jìn)。該方法能夠有效的把滑動摩擦減少，實(shí)際作用在體腔的力是支撐力會比滑動摩擦力的面接觸力小很多。同理，后退時(shí)從里向外有序退出。
[0032]顯示屏6，用于顯示所述內(nèi)窺鏡2軟鏡頭部的攝像頭拍攝到的體內(nèi)圖像畫面。
[0033]請參閱圖6，簡單對主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)的工作過程進(jìn)行介紹:
[0034]在步驟S601中，圖形工作站接收醫(yī)生的操作指令，包括指定目標(biāo)位置或目標(biāo)路徑。
[0035]在步驟S602中，體外攝像頭采集位置信息并反饋給圖形工作站，使內(nèi)窺鏡進(jìn)入口腔。
[0036]在步驟S603中，內(nèi)窺鏡的軟鏡頭部采集彎曲參數(shù)、壓力值等信息實(shí)時(shí)提供給圖像工作站。
[0037]在步驟S604中，圖像工作站根據(jù)各方數(shù)值及操作指令向運(yùn)動控制柜輸出控制指令。
[0038]在步驟S605中，運(yùn)動控制柜接收控制指令向推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)輸出運(yùn)動信號，以控制內(nèi)窺鏡的運(yùn)動。
[0039]在步驟S606中，內(nèi)窺鏡將采集的體內(nèi)信息發(fā)送至監(jiān)視屏。
[0040]在步驟S607中，在到達(dá)目標(biāo)位置或目標(biāo)路徑后，判斷是否轉(zhuǎn)換為手動模式。其中，
[0041]若仍保持自動模式，則執(zhí)行步驟S608，內(nèi)窺鏡退出人體。
[0042]若切換為手動模式，則執(zhí)行步驟S609,通過內(nèi)窺鏡軟鏡手柄上的控制鈕進(jìn)行手動操作，并在完成手動操作后，進(jìn)入自動模式，并將內(nèi)窺鏡退出人體。
[0043]綜上，本發(fā)明中的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)主要具備如下優(yōu)點(diǎn):
[0044](1)內(nèi)窺鏡軟鏡到達(dá)醫(yī)生目標(biāo)位置或目標(biāo)路徑的過程中實(shí)現(xiàn)了自動化，大大降低了醫(yī)生的體力及腦力勞動，簡化了操作，提高了效率；
[0045](2)具有全自動及手動模式，在需要醫(yī)生進(jìn)行專業(yè)操作的地方切換為手動模式；
[0046](3)實(shí)現(xiàn)了多自由度的彎曲，使內(nèi)窺鏡更好的穿過人體腔道，減少了醫(yī)療的風(fēng)險(xiǎn)；
[0047](4)提出了采用電機(jī)帶動軟鏡彎曲，隨著更小體積的電機(jī)的研發(fā)，有望產(chǎn)生更小的內(nèi)窺鏡軟鏡。
[0048]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，包括內(nèi)窺鏡、推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)、運(yùn)動控制柜、圖形工作站、顯示屏，其中: 所述內(nèi)窺鏡，包括設(shè)置有MEMS陀螺儀、壓力傳感器、體內(nèi)攝像頭的軟鏡頭部、以及連接在所述推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)的軟鏡手柄； 所述推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)，用于接收所述運(yùn)動控制柜的運(yùn)動信號，并為所述內(nèi)窺鏡提供向前插入與向后拔出的動力； 所述運(yùn)動控制柜，用于接收所述圖形工作站的控制指令，并輸出對應(yīng)的所述運(yùn)動信號，通過所述推進(jìn)拔出機(jī)構(gòu)控制所述內(nèi)窺鏡的運(yùn)動； 所述圖形工作站，用于存儲的人體腔道的詳細(xì)信息、并接收來自所述內(nèi)窺鏡鏡頭部的MEMS陀螺儀的彎曲參數(shù)與壓力傳感器的壓力值，并根據(jù)接收到醫(yī)生的操作指令結(jié)合所述各方?目息對運(yùn)動控制柜對發(fā)出控制指令，以確定所述內(nèi)?見鏡的運(yùn)動軌跡、彎曲朿略；及 所述顯示屏，用于顯示所述內(nèi)窺鏡軟鏡頭部的攝像頭拍攝到的體內(nèi)圖像畫面。
2.如權(quán)利要求1所述的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述的運(yùn)動控制柜，還包括驅(qū)動電路，用于實(shí)現(xiàn)所述運(yùn)動控制柜的控制操作。
3.如權(quán)利要求1所述的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述軟鏡頭部還包括加速度傳感器，用于測量出重力方向，并在內(nèi)窺鏡采集的圖像畫面上標(biāo)出重力方向。
4.如權(quán)利要求1所述的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，還包括體外攝像頭，用于實(shí)時(shí)采集病人及內(nèi)窺鏡的位置圖像信息。
5.如權(quán)利要求1所述的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述醫(yī)生的操作指令包括選擇自動模式或手動模式以及在圖像工作站上指定所述內(nèi)窺鏡的目標(biāo)位置或目標(biāo)路徑。
6.如權(quán)利要求5所述的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述軟鏡手柄還包括控制鈕，用以在手動模式下控制內(nèi)窺鏡運(yùn)動。
7.如權(quán)利要求1所述的主動式蛇形內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，所述內(nèi)窺鏡還包括連接于所述軟鏡頭部與所述軟鏡手柄之間的多個(gè)彎曲模塊，每個(gè)彎曲模塊單獨(dú)配備步進(jìn)電機(jī)、通信線路、壓力傳感器 。
【文檔編號】A61B1/005GK103479320SQ201310442790
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】羽家平, 辜嘉, 李凌, 劉源 申請人:深圳先進(jìn)技術(shù)研究院