本發(fā)明涉及遠(yuǎn)程機(jī)器人超聲掃查，具體的，涉及一種心臟超聲遙操作掃查系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遙操作技術(shù)在醫(yī)療中發(fā)揮著越來越重要的作用，尤其是機(jī)器人遠(yuǎn)程超聲掃查方向。在機(jī)器人遠(yuǎn)程超聲掃查中，又以心臟超聲掃查為重、難點(diǎn)，心臟超聲掃查要看到所有超聲影像的標(biāo)準(zhǔn)切面，通常需要患者先后采取平躺和側(cè)臥式的掃查方式，這對(duì)機(jī)器人末端的姿態(tài)可達(dá)范圍要求非常大，常規(guī)的6自由度以下(包含6自由度)機(jī)械臂都很難滿足掃查要求，另外還需要注意機(jī)器人整體掃查過程中的安全性。遠(yuǎn)程超聲掃查的應(yīng)用有利于改善各個(gè)地區(qū)醫(yī)療不均衡的局面，遠(yuǎn)程控制檢查的應(yīng)用打破了不同地域醫(yī)療資源不均衡的局面；

2、如授權(quán)號(hào)cn?114789445b：一種應(yīng)用于遠(yuǎn)程心臟彩超機(jī)器人的操作手系統(tǒng)及方法、授權(quán)號(hào)cn?113499094b：一種依靠視覺及力反饋引導(dǎo)的心臟彩超檢查裝置和方法、公開號(hào)cn113180738a：一種用于遠(yuǎn)程心臟超聲的虛擬探頭及診療系統(tǒng)等專利中提到的方法，上述專利解決了遠(yuǎn)程操作的問題，但沒有解決心臟超聲掃查對(duì)機(jī)器人末端姿態(tài)范圍要求大以及如何確保掃查安全性這些難點(diǎn)。

3、因此，如何解決心臟超聲掃查對(duì)機(jī)器人末端姿態(tài)范圍要求較大與確保掃查過程中的安全正是本技術(shù)所要解決的技術(shù)問題。

4、為此，我們提出了一種心臟超聲遙操作掃查系統(tǒng)及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出一種心臟超聲遙操作掃查系統(tǒng)及方法，解決了背景技術(shù)中提到的現(xiàn)有遠(yuǎn)程機(jī)器人心臟超聲掃查姿態(tài)范圍過小、安全性難以保障的問題。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種心臟超聲遙操作掃查系統(tǒng)，分別包括：

4、心臟超聲專用操作手柄，其內(nèi)含姿態(tài)、位置、力傳感器，用于接收醫(yī)生的心臟超聲掃查手法，將手法轉(zhuǎn)化為位置、姿態(tài)、力的信息發(fā)送至心臟超聲操作端計(jì)算機(jī)；

5、側(cè)躺操作臺(tái)，底部安裝有可調(diào)節(jié)支架，通過可調(diào)節(jié)支架使得側(cè)躺操作臺(tái)與桌面的夾角可進(jìn)行α(0≤α≤90)度的調(diào)整，心臟超聲專用操作手柄可在側(cè)躺操作臺(tái)上運(yùn)動(dòng)；

6、機(jī)械臂，具備冗余調(diào)節(jié)能力，可有效避開關(guān)節(jié)限位到達(dá)指定位姿，在心臟超聲掃查中具有比普通機(jī)械臂更高的靈活性及避碰撞能力，機(jī)械臂末端裝載有心臟超聲探頭夾持裝置；用于接收機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)的控制指令，并完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)；反饋位置、姿態(tài)、力的信息至機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)；

7、心臟超聲探頭夾持裝置，用于夾持固定心臟超聲探頭進(jìn)行β(0≤β≤90)度的旋轉(zhuǎn)，其安裝在機(jī)械臂末端，在機(jī)械臂末端增加1個(gè)冗余自由度，以滿足心臟超聲掃查對(duì)心臟超聲探頭姿態(tài)的要求；

8、心臟超聲操作端計(jì)算機(jī)，與心臟超聲專用操作手柄連接通信，用來接收位置、姿態(tài)、力信息，并將此信息通過有線或無線通信的方式發(fā)送至機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)；

9、機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)，與機(jī)械臂和rgbd攝像頭/激光雷達(dá)連接通信，根據(jù)心臟超聲操作端計(jì)算機(jī)發(fā)送來的位置、姿態(tài)、力信息，計(jì)算出相應(yīng)的控制指令發(fā)送至機(jī)械臂，同時(shí)接收機(jī)械臂的反饋信息；

10、rgbd攝像頭/激光雷達(dá)，用于獲取做心臟超聲患者的頭部點(diǎn)云信息以及患者附近環(huán)境的rgb圖像，并將此信息發(fā)送至機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)；

11、床體，用于患者躺臥或側(cè)臥。

12、作為本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述心臟超聲探頭夾持裝置可實(shí)現(xiàn)多角度調(diào)節(jié)，其包含上殼體、固定板、鎖緊裝置、解鎖裝置、回彈裝置、下殼體；所述鎖緊裝置包括凹槽、凸塊，解鎖裝置包括彈簧銷軸、回彈裝置包括扭簧；所述上殼體與固定板進(jìn)行剛性連接，所述固定板和下殼體通過解鎖裝置里的彈簧銷軸連接，當(dāng)彈簧銷軸被按下壓縮時(shí)，其上所固連的凸塊可沿凹槽的軌跡滑動(dòng)，完成解鎖，回彈裝置中的扭簧自動(dòng)拉動(dòng)下殼體進(jìn)行β度的旋轉(zhuǎn)，待彈簧銷軸彈起后即可保持此角度，凹槽與凸塊契合完成鎖緊，所述上殼體的一端與機(jī)械臂的末端相活動(dòng)裝載。

13、作為本發(fā)明進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述側(cè)躺操作臺(tái)底部安裝有可調(diào)節(jié)支架，隨著心臟超聲患者掃查體位的調(diào)整，側(cè)躺操作臺(tái)與桌面的夾角α也可隨之調(diào)整，調(diào)節(jié)范圍為0°水平放置至90°垂直放置；側(cè)躺操作臺(tái)內(nèi)部包含柔性仿人材料，通過按壓可提供擬人的力反饋。

14、本發(fā)明還包括一種心臟超聲遙操作掃查方法，包括以下步驟：

15、建立安全防護(hù)模型；

16、平躺式心臟超聲掃查；

17、側(cè)臥式心臟超聲掃查。

18、進(jìn)一步的，所述建立安全防護(hù)模型包括在患者頭部構(gòu)建虛擬墻以及在患者頭部與機(jī)械臂構(gòu)建碰撞檢測模型，該功能建立在機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)中。

19、進(jìn)一步的，在患者頭部構(gòu)建虛擬墻，具體步驟如下：

20、rgbd攝像頭/激光雷達(dá)獲取相機(jī)坐標(biāo)系下患者的頭部三維坐標(biāo)集(xc,yc,zc)，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，將該坐標(biāo)集(xc,yc,zc)轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)集(xb,yb,zb)；

21、設(shè)置機(jī)械臂各關(guān)節(jié)在笛卡爾空間中的運(yùn)動(dòng)范圍，該運(yùn)動(dòng)范圍為(i＝1,2,…,n)，其中n為機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)，從而在患者頭部構(gòu)建機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的笛卡爾虛擬墻，機(jī)械臂任意關(guān)節(jié)接近虛擬墻時(shí)都會(huì)受到較大的剛度阻止其進(jìn)入虛擬墻內(nèi)，并利用冗余特性自運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)械臂的臂構(gòu)型，可有效避免與患者頭部的碰撞及關(guān)節(jié)限位，保護(hù)患者的安全。

22、進(jìn)一步的，在患者頭部與機(jī)械臂構(gòu)建碰撞檢測模型，具體步驟如下：

23、rgbd攝像頭/激光雷達(dá)獲取相機(jī)坐標(biāo)系下患者的頭部三維坐標(biāo)集(xc,yc,zc)，通過坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后，將該坐標(biāo)集(xc,yc,zc)轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的坐標(biāo)集(xb,yb,zb)；

24、分別為患者頭部及機(jī)械臂建立碰撞包圍盒，其中基于點(diǎn)云信息建立患者頭部的碰撞包圍盒，基于三維模型建立機(jī)械臂的碰撞包圍盒，包括但不限于球掃掠凸體包圍盒、軸向包圍盒(aabb)、球包圍盒(sphere)、方向包圍盒(obb)、離散方向多面體包圍盒(k-dop)和掃掠體包圍盒(ssv)；

25、以球掃掠凸體包圍盒為例，建立患者頭部包圍盒v(r1,p1)＝convp1+r1，建立機(jī)械臂包圍盒v(r2,p2)＝convp2+r2，其中convp1與convp2分別為患者頭部和機(jī)械臂構(gòu)成的凸體，r1與r2分別是患者頭部和機(jī)械臂球掃掠凸體的允許誤差項(xiàng)；

26、實(shí)時(shí)計(jì)算患者頭部與機(jī)械臂碰撞包圍盒間的最短距離l，設(shè)置碰撞閾值l′，當(dāng)l＜l′時(shí)，控制機(jī)械臂采用包括但不限于減速、反向運(yùn)動(dòng)、停止運(yùn)動(dòng)、自運(yùn)動(dòng)調(diào)整機(jī)械臂臂構(gòu)型的安全保護(hù)策略，保護(hù)患者的安全。

27、進(jìn)一步的，平躺式心臟超聲掃查具體步驟如下：

28、患者平躺在床上，將心臟超聲探頭夾持裝置的下殼體與上殼體夾角調(diào)整為0度，將側(cè)躺操作臺(tái)的可調(diào)節(jié)支架角度調(diào)整為0度；

29、醫(yī)生手持心臟超聲專用操作手柄使用平躺式心臟超聲掃查手法在側(cè)躺操作臺(tái)上模擬掃查，心臟超聲專用操作手柄實(shí)時(shí)采集該手法的位置、姿態(tài)、力度信息，并將該信息通過心臟超聲操作端計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)，機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)根據(jù)該手法信息計(jì)算機(jī)械臂的期望位置、姿態(tài)或速度、角速度，并輸入至安全防護(hù)模型中生成實(shí)時(shí)控制指令，完成對(duì)患者的心臟超聲遙操作掃查。

30、進(jìn)一步的，側(cè)臥式心臟超聲掃查具體步驟如下：

31、患者側(cè)臥在床上，此時(shí)僅依靠機(jī)械臂的冗余自由度無法滿足掃查姿態(tài)的要求，調(diào)整執(zhí)行系統(tǒng)中的另一個(gè)冗余自由度，即心臟超聲探頭夾持裝置中下殼體與上殼體夾角調(diào)整傾斜角度，以滿足機(jī)械臂對(duì)側(cè)臥式心臟超聲掃查所需工作空間的要求，調(diào)整完角度后，重新標(biāo)定機(jī)械臂末端工具坐標(biāo)系；

32、醫(yī)生在進(jìn)行側(cè)臥式心臟超聲掃查時(shí)，探頭常傾斜至90度，此時(shí)0度水平放置的側(cè)躺操作臺(tái)顯然無法滿足探頭接觸側(cè)躺操作臺(tái)的需求，調(diào)整側(cè)躺操作臺(tái)可調(diào)節(jié)支架的傾斜角度，以滿足醫(yī)生在側(cè)臥式心臟超聲掃查手法中心臟超聲專用操作手柄可正常接觸側(cè)躺操作臺(tái)的需求；

33、醫(yī)生手持心臟超聲專用操作手柄使用側(cè)臥式心臟超聲掃查手法在側(cè)躺操作臺(tái)上模擬掃查，心臟超聲專用操作手柄實(shí)時(shí)采集該手法的位置、姿態(tài)、力度信息，并將該信息通過心臟超聲操作端計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)，機(jī)器人控制端計(jì)算機(jī)根據(jù)該手法信息計(jì)算機(jī)械臂的期望位置、姿態(tài)或速度、角速度，并輸入至安全防護(hù)模型中生成實(shí)時(shí)控制指令，完成對(duì)患者的心臟超聲遙操作掃查。

34、本發(fā)明的工作原理及有益效果為：

35、本發(fā)明中提供的掃查系統(tǒng)及方法，通過可調(diào)節(jié)角度的側(cè)躺操作臺(tái)及心臟超聲探頭夾持裝置，解決了現(xiàn)有遠(yuǎn)程機(jī)器人心臟超聲掃查姿態(tài)范圍過小的問題，同時(shí)對(duì)患者頭部進(jìn)行安全防護(hù)模型的建立及安全保護(hù)策略，能夠有效確保心臟超聲掃查的安全性。