人工穿刺的经皮肾镜手术机器人

技术领域

本实用新型属于医疗器械技术领域。具体涉及一种人工穿刺的经皮肾镜手术机器人。

背景技术

经皮肾镜碎石术(percutaneous nephrostolithotomy，PCNL)是经超声或X光定位肾脏目标肾盏，实时穿刺并进入目标肾盏，建立经皮肤切口与肾脏之间的通道，并经此通道，置入激光能量平台进行碎石取石治疗，是治疗肾结石和上段输尿管结石的主要方法之一。

在传统手术中，医生需要长时间保持同一体位，易疲劳，且存在血液尿液污染的问题。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提出一种经人工穿刺建立通道之后，由机器人完成碎石取石过程的手术机器人，以降低手术难度、提高手术精确度、提高手术效率等。

本实用新型的实施例提供一种人工穿刺的经皮肾镜手术机器人，所述人工穿刺的经皮肾镜手术机器人包括：人机交互设备，控制设备，机械臂(1)，末端执行器(2)，内窥镜设备(3)，靶标(4)，扩张器管(5)，激光设备，三维相机；所述激光设备包括激光光纤(23)。

所述控制设备配置为连接人机交互设备、机械臂(1)、内窥镜设备(3)和三维相机；人机交互设备配置为控制机械臂(1)的位置和姿态，医生能够通过所述人机交互设备进行操作；末端执行器(2)配置为夹持内窥镜设备(3)和激光光纤(23)，末端执行器(2)安装在机械臂(1)上，由机械臂(1)控制末端执行器(2)的位置和姿态。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，手术开始前，需要对三维相机和机械臂(1)的位置关系进行标定，标定完成后，三维相机和机械臂(1)的位置关系不得改变，否则需要重新标定。在人工穿刺建立通道后，在扩张器管(5)上安装靶标(4)，三维相机识别靶标(4)并获取位姿，由控制设备控制机械臂(1)带动末端执行器(2)运动到合适的安装位姿。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，末端执行器(2)包括卡扣(2-1)和直线往复运动模块(2-2)；其中，卡扣(2-1)配置为固定内窥镜设备(3)，直线往复运动模块(2-2)配置为安装激光光纤(23)并带动激光光纤(23)做往复运动。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，末端执行器(2)安装于机械臂(1)上，机械臂(1)的旋转、伸缩运动带动内窥镜设备(3)做旋转、伸缩运动；末端执行器(2)上的直线往复运动模块(2-2)带动激光光纤(23)做往复运动。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，人机交互设备是一种七自由度输入设备，控制设备配置为实时读取人机交互设备的位置(x，y，z)和姿态(a，b，c)信息，经计算后转换为机械臂(1)的运动指令，并控制机械臂(1)到达相应的位姿，进而控制内窥镜设备(3)到达相应的位姿。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，人机交互设备配置为能够控制内窥镜设备(3)作不动点运动；所述不动点运动包括沿内窥镜轴线的平移和绕不动点的旋转。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，人机交互设备和控制设备配置为能够控制内窥镜设备(3)的按比例缩放运动。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述按比例缩放运动包括：设置缩放比例k，当操作人机交互设备平移Δd时，经过控制设备的计算，内窥镜沿轴线平移k×Δd；人机交互设备绕z轴旋转a角度，内窥镜绕z轴旋转k×a角度，人机交互设备绕y轴旋转b角度，内窥镜绕y轴旋转k×b角度，人机交互设备绕x轴旋转c角度，内窥镜绕x轴旋转k×c角度。

根据本实用新型的一种实施方式，例如，所述k设置为0.1、0.2、0.4、0.6、1等。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的人工穿刺的经皮肾镜手术机器人各组成部分及相互连接关系示意图。

图2是内窥镜安装到末端执行器之前的手术机器人状态示意图。

图3是内窥镜安装到末端执行器之后的手术机器人状态示意图。

图4是本实用新型实施例提供的人工穿刺的经皮肾镜手术机器人的末端执行器结构示意图。

图5是安装了内窥镜设备和激光光纤末端执行器结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本实用新型并不局限于附图和以下实施例。

在实用新型的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“远”、“近”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本实用新型的具体保护范围。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，用以区别技术特征，不具有实质含义，不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。

本实用新型提出一种人工穿刺的经皮肾镜手术机器人，所述人工穿刺的经皮肾镜手术机器人包括七部分：人机交互设备，控制设备，机械臂1，末端执行器2，内窥镜设备3，靶标4，扩张器管5，激光设备，三维相机。所述激光设备包括激光光纤23。

所述人工穿刺的经皮肾镜手术机器人以控制设备为核心。所述控制设备配置为连接人机交互设备、机械臂1、内窥镜设备3和三维相机；人机交互设备配置为控制机械臂1的位置和姿态，医生可以通过所述人机交互设备进行操作；末端执行器2配置为夹持内窥镜设备3和激光光纤23，末端执行器2安装在机械臂1上，由机械臂1控制末端执行器2的位置和姿态。人工穿刺的经皮肾镜手术机器人各组成部分及相互连接关系如图1所示。

使用该机器人系统的手术过程主要分为三步：第一步，先由医生进行人工穿刺，经皮肤穿刺进入肾脏，建立通道。第二步，末端执行器2夹持内窥镜和激光光纤，通过第一步建立的通道进入肾脏。第三步，进行碎石操作，医生一边观察内窥镜设备的视频影像，一边用手操作人机交互设备，从而控制末端执行器2上的激光光纤到达结石位置，输出能量进行碎石。

手术开始前，需要对三维相机和机械臂1的位置关系进行标定。标定完成后，不能挪动三维相机和机械臂1的位置，否则需要重新标定。

手术开始后，第一步是先由医生进行人工穿刺，建立经皮肤到肾脏的通道。穿刺成功后插入扩张器管，以维持通道。

第二步是将内窥镜和激光光纤安装到末端执行器2上，并通过扩张器管通道插入到肾脏内。如图2和图3所示，其中图2展示了内窥镜安装到末端执行器之前的手术机器人状态；图3展示了内窥镜安装到末端执行器之后的手术机器人状态。各部分名称分别为：机械臂1，末端执行器2，内窥镜设备3，靶标4，扩张器管5。

这一步的难点是，需要将末端执行器2运动到一个合适的安装位姿，贴近扩张器管5，内窥镜设备3通过扩张器管5插入肾脏后正好能与末端执行器2上的卡扣2-1贴合，锁紧卡扣即可固定内窥镜。图4是末端执行器结构示意图。如图4所示，末端执行器2包括卡扣2-1和直线往复运动模块2-2。其中，卡扣2-1配置为固定内窥镜设备3，直线往复运动模块2-2配置为安装激光光纤并带动激光光纤做往复运动。

使用本手术机器人系统，在通道建立后，将末端执行器2运动到安装位姿，有两种操作方法，下面详细举例说明。

操作方法一：医生穿刺建立通道后，在扩张器管5上安装靶标4并保持不动，使用三维相机测量靶标4的位姿，并将位姿信息发送给控制设备，控制设备自动计算末端执行器2应到达的安装位姿，将此目标位姿发送给机械臂1，机械臂1带动末端执行器2运动至该位姿后，医生手工将内窥镜插入通道，并将内窥镜与末端执行器2锁紧。本操作方法中，控制设备自动识别扩张器管5的位姿，然后控制末端执行器2自动靠近扩张器管5，医生手工插入内窥镜，然后与末端执行器2锁紧。

操作方法二：医生穿刺建立通道后，在扩张器管5上安装靶标4并保持不动。先将内窥镜安装到末端执行器2上锁紧，然后使用三维相机测量靶标4的位姿，将位姿信息发送给控制设备，控制设备自动计算扩张器管口的位置和方向，然后控制机械臂2带动内窥镜运动至通道口，并沿通道方向自动插入肾脏，完成第二步动作。本操作方法中，医生首先将内窥镜安装到末端执行器2上，控制设备自动识别扩张器管5的位姿，自动将内窥镜插入扩张器管5。

内窥镜插入肾脏后，开始进行碎石手术。传统手术中，这一步由医生手持内窥镜旋转或伸缩，通过观看内窥镜视频影像寻找结石，找到结石后保持手臂姿势不变，手动操作激光光纤进行碎石。

图5是安装了内窥镜设备和激光光纤的末端执行器结构示意图。在本实用新型的实施例中，内窥镜和激光光纤安装于末端执行器2上(如图5所示)，末端执行器2安装于机械臂1上，机械臂1的旋转、伸缩运动带动内窥镜做旋转、伸缩运动；末端执行器2上的直线往复运动模块2-2带动激光光纤23做往复运动。传统手术中，医生需要用手和胳臂来维持内窥镜的位姿，使用本手术机器人系统时，机械臂1控制内窥镜的位姿，医生使用人机交互设备来控制机械臂1的运动，最终达到犹如人手控制内窥镜的效果。

医生使用人机交互设备来控制机械臂1进行运动，人机交互设备可以是一种七自由度输入设备。控制设备实时读取人机交互设备的位置(x，y，z)和姿态(a，b，c)信息，经计算后转换为机械臂1的运动指令，控制机械臂1到达相应的位姿，进而控制内窥镜到达相应的位姿。

在本实用新型的实施例中，内窥镜经皮肤插入肾脏后，由于不能撕裂扩大创口，内窥镜的运动被限制为不动点运动：即沿内窥镜轴线的平移和绕不动点的旋转，不动点设置在创口上。人机交互设备使用设备自有坐标系；内窥镜运动的坐标系，原点在不动点上，xyz轴分别与法兰坐标系的xyz轴平行，不动点运动由控制设备中的算法实现。实际操作中，医生操作人机交互设备向前平移Δd，内窥镜沿轴线向前平移Δd；人机交互设备向后平移Δd，内窥镜沿轴线向后平移Δd；人机交互设备绕z轴旋转a角度，内窥镜绕z轴旋转a角度，人机交互设备绕y轴旋转b角度，内窥镜绕y轴旋转b角度，人机交互设备绕x轴旋转c角度，内窥镜绕x轴旋转c角度。

在本实用新型的实施例中，人机交互设备和内窥镜的运动具有比例缩放功能，医生可设置缩放比例k(如0.1、0.2、0.4、0.6、1等)，当医生操作人机交互设备平移Δd时，经过控制设备的计算，内窥镜沿轴线平移k×Δd；人机交互设备绕z轴旋转a角度，内窥镜绕z轴旋转k×a角度，人机交互设备绕y轴旋转b角度，内窥镜绕y轴旋转k×b角度，人机交互设备绕x轴旋转c角度，内窥镜绕x轴旋转k×c角度；该功能按比例缩放医生手部的动作幅度，以利于医生做出更精细的操作，提高手术精度。

在本实用新型的实施例中，使能开关决定内窥镜是否和人机交互设备一起运动。当使能开关按下时，内窥镜位姿和人机交互设备位姿绑定，内窥镜将跟随人机交互设备一起运动；当使能开关松开时，人机交互设备运动时内窥镜将保持不动，人机交互设备的运动不会影响内窥镜的位姿。因此在本实用新型的实施例中，人机交互设备的位姿和内窥镜的位姿不是一一对应的。

在本实用新型的实施例中，内窥镜的运动控制为增量运动控制，由控制设备实现。当使能开关按下时，内窥镜位姿和人机交互设备位姿绑定，此时双方位姿为初始位姿。当人机交互设备运动时，计算出相对于自身初始位姿的增量，将此位姿增量按缩放比例映射成内窥镜位姿增量，控制设备将此位姿增量叠加到内窥镜的初始位姿上作为目标位姿，控制内窥镜的运动；直到松开使能开关，本次增量控制结束；再次按下使能开关时，内窥镜位姿和人机交互设备位姿绑定，再次开始增量运动控制。

在本实用新型的实施例中，医生使用人机交互设备上的第七自由度来控制末端执行器上的直线往复运动模块，从而带动激光光纤前后运动。