一種用于機器人輔助微創手術的觸診器械及觸診方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于醫療器械和診斷技術領域，更為具體地講，設及一種用于機器人輔助 微創手術的觸診器械及觸診方法。
【背景技術】
[0002] 在當代外科手術中，微創手術由于其創口小、術后恢復快、住院時間短等優點在臨 床得到廣泛應用。近年來，機器人技術不斷的用于微創手術領域，增強了醫生手術操作的靈 活性、協調性和穩定性，進一步的拓展了微創手術的應用范圍。
[0003] 如圖1所示，W美國In化itive Su巧ical公司的"達芬奇"手術機器人為例，它是目 前全球最先進的微創手術機器人，也是唯一商用化的手術機器人。它由主控臺、（床旁)從動 機器手臂和立體內窺成像系統組成。手術醫生通過觀察探入體內的立體內窺鏡實時反饋影 像，操作主控臺上的控制桿，遠程控制多個從動機器手臂及探入體內的微創手術器械完成 手術。然而，即便操作最先進的"達芬奇"進行微創手術也存在諸多限制。由于無法感知觸覺 信息，醫生在進行機器人輔助微創手術時，無法對病人進行觸診，運使得醫生喪失了 一種能 夠快速、直接檢測軟組織或器官病變的最重要途徑。
[0004] 其次，W常規手術中的腫瘤檢查為例，醫生常通過對體內軟組織的觸摸和按壓，根 據軟組織硬度分布，判斷腫瘤位置和大小。如何在機器輔助微創手術中實現有效的觸覺，已 經成微創手術領域亟待解決的問題。
[0005] 隨著新型傳感器技術的發展，國外有學者開始嘗試采用微型觸覺或力覺傳感器進 行軟組織硬度測量，然而微型傳感器往往結構復雜、機構精密，對工作環境要求高，設計和 制造成本高，目前僅停留在實驗室階段，難W臨床應用。另外，微型傳感器最終將觸覺或力 覺轉換為電信號輸出，需要占用手術機器人系統的信號通道，不利于與現有手術機器人系 統的集成。此外，在觸診方法方面，僅僅依賴微型傳感器，對單點進行硬度測試，無法實現完 整的觸診感知。觸覺或力覺傳感器僅能給出單個或若干個點的力反饋信息，無法基于軟組 織觸診區域的3D形態和具體部位給出完整的觸診區硬度分布圖，不便于醫生的診斷。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種用于機器人輔助微創手術的觸 診器械及觸診方法，可直接安裝在手術機器人的從動機器手臂上，無需手術機器人的直接 驅動，無額外電信號的輸出，可W為醫生診斷提供可靠的觸診依據。
[0007] 為實現上述發明目的，本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診器械，其特征 在于，包括：
[000引一外筒，利用醫用金屬材料制造;在外筒的前半段為中空結構，且前端口標有色 環，方便在圖像中定位，在外筒的后半段為實屯、結構，用于連接機器人手臂；
[0009] 一內部彈黃，為線性壓縮彈黃，用醫用金屬材料制造，安裝于外筒內，且一端與外 筒的后半段固定，另一端與活動的探忍連接;所述的內部彈黃的承受壓力與縮進距離成正 比，；
[0010] -探忍，用醫用金屬材料制作的金屬細桿，直徑略小于外筒內徑，探忍的部分桿體 插入外筒內與內部彈黃連接，另一部分桿體探出外筒，當探忍前端正面受到壓力后壓迫內 部彈黃回縮，再通過外露的桿體上標有不同顏色的色環刻度計算出觸診區域的軟組織硬 度。
[0011] 本發明還提供了一種利用觸診器械進行觸診的方法，其特征在于，包括W下步驟：
[0012] (1)、利用立體內窺鏡獲取觸診區圖像；
[0013] (2)、對觸診區離散化
[0014] 基于觸診區圖像，將觸診區離散化為N個均勻分布的觸診點，初始化觸診點序號n = l，n = l，2，...，N;
[0015] (3)、觸診區3D重構
[0016] 基于觸診區圖像，利用立體視覺匹配技術重構觸診區的3D形態，從而確定每個觸 診點的立維坐標；
[0017] (4)、機器手臂移至第n個觸診點
[0018] 通過手術機器人控制系統，控制機器手臂移至第n個觸診點的初位，此時機器手臂 上的觸診器械軸線垂直于觸診區表面，探忍剛剛接觸第n個觸診點的初位，且保持內部彈黃 不受力，探忍自然外露長度為^;
[0019] (5)、機器手臂伸進長度^:
[0020] 通過手術機器人控制系統，控制機器手臂沿觸診器械軸線向前伸進長度^，到達 第n個觸診點的終位；
[0021] (6)、測量探忍受力后外露長度L2
[0022] 當觸診器械到達第n個觸診點的終位時，內部彈黃不再受力，測量此時的探忍自然 外露長度L2;
[0023] (7)、計算第n個觸診點硬度
[0025]再將第n個觸診點硬度存入到觸診點硬度數據集；
[00%] (8)、判斷n是否小于N，如果n<N時，則將觸診點序號加1，即n = n+l，再返回步驟 (4);反之，則執行步驟(9);
[0027] (9)、輸出軟組織硬度分布圖
[0028] 從觸診點硬度數據集中提取所有N個觸診點的硬度值，再基于各觸診點在觸診區 圖像中的位置，利用二維插值，估計每個觸診點W外的像素點的硬度，從而得到與觸診區圖 像大小相同的硬度分布圖。
[0029] 本發明的發明目的是運樣實現的：
[0030] 本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診器械包括:外筒、內部彈黃探忍，其直 接安裝在手術機器人的機器手臂上，與立體內窺鏡配合使用，進行體內軟組織觸診。具體觸 診過程為:先控制機器手臂至觸診點初位，測量出探忍自然外露長度，然后控制從動機器手 臂至觸診點終位，再測量出此時探忍外露長度，進而計算出觸診點的硬度;通過對均勻分布 在觸診區上的觸診點逐個檢測后，利用二維插值技術獲得觸診區硬度分布圖，方便醫生對 病變區域的定位。
[0031] 同時，本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診器械及觸診方法還具有W下有 益效果：
[0032] (1)、觸診器械結構簡單，由純機械構件組成，制造、維護和使用簡單，可直接安裝 在手術機器人機器手臂上，無需手術機器人直接控制或驅動，無電信號傳輸，不占用手術機 器人信號通道，易于與現有手術機器人系統的集成。
[0033] (2)、充分利用手術機器人系統中標配的立體內窺鏡，從其獲取的觸診區圖像中檢 測觸診器械探忍受力后的外露長度，從而計算出觸診點的硬度;無需增加新的裝置，無需力 傳感器或觸覺觸感器；另外，觸診器械外筒端口和外露探忍上標識有不同顏色的色環和色 環刻度，簡化了基于圖像的探忍外露長度檢測，提高了檢測的效率和精度。
[0034] (3)、通過對觸診區的離散化，獲得均勻分布的觸診點，逐個檢測硬度后，利用二維 插值技術獲得觸診區硬度分布圖，觸診結果更直觀，方便醫生對病變區域的定位。
【附圖說明】
[0035] 圖1是"達芬奇"微創手術機器人原理圖；
[0036] 圖2本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診器械結構及使用示意圖；
[0037] 圖3是本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診方法流程圖；
[0038] 圖4是本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診方法原理示意圖；
[0039] 圖5是利用本發明所述的觸診結果示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行描述，W便本領域的技術人員更好地 理解本發明。需要特別提醒注意的是，在W下的描述中，當已知功能和設計的詳細描述也許 會淡化本發明的主要內容時，運些描述在運里將被忽略。
[0041 ]實施例
[0042] 圖2本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診器械結構及使用示意圖。
[0043] 在本實施例中，如圖2所示，本發明一種用于機器人輔助微創手術的觸診器械，包 括:外筒、內部彈黃和探忍。
[0044] 其中，外筒是利用醫用金屬材料制造;在外筒的前半段為中空結構，且前端口標有 色環，方便