一种外科手术辅助系统论文和设计-刘文博

全文摘要

本实用新型提供了一种外科手术辅助系统，所述外科手术辅助系统包含：主机、机械臂、输入设备、显示设备、导向装置等；用于在神经外科手术中进行辅助定位，缩短了手术时间、降低了手术风险、提高了机械臂的手动顺从性并减少了对使用者的空间位置妨碍。

主设计要求

1.一种外科手术辅助系统，其特征在于，包含：主机，包含计算机、控制器和接口，用于接收数据，控制机械臂的运动，输出计算结果；机械臂，包含多个臂段和关节并且具有至少7个自由度，能够实现在机械臂端部空间位置不发生变化的情况下对关节和其他臂段进行位置姿态调整；输入设备，用于接收使用者的命令；显示设备，用于显示主机的计算结果和软件界面。

设计方案

1.一种外科手术辅助系统，其特征在于，包含：

主机，包含计算机、控制器和接口，用于接收数据，控制机械臂的运动，输出计算结果；

机械臂，包含多个臂段和关节并且具有至少7个自由度，能够实现在机械臂端部空间位置不发生变化的情况下对关节和其他臂段进行位置姿态调整；

输入设备，用于接收使用者的命令；

显示设备，用于显示主机的计算结果和软件界面。

2.根据权利要求1所述的外科手术辅助系统，其特征在于，还包含导向装置，所述导向装置用于辅助手术器械定位和定向。

3.根据权利要求2所述的外科手术辅助系统，其特征在于，还包含定位探针。

4.根据权利要求2所述的外科手术辅助系统，其特征在于，还包含扫描模块，所述扫描模块包含图像获取装置；和\/或所述扫描模块包含光发射组件和图像获取装置；和\/或所述扫描模块包含投影组件和图像获取装置。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述投影组件包含光源、透镜组、数字微镜元件、和控制模块。

6.根据权利要求5所述的外科手术辅助系统，其特征在于，所述机械臂具有7个自由度。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的外科手术辅助系统，其特征在于，所述外科手术辅助系统还包含追踪模块。

8.根据权利要求7所述的外科手术辅助系统，其特征在于，所述追踪模块为图像获取装置；和\/或，所述追踪模块为光学追踪装置；和\/或，所述追踪模块为电磁追踪装置。

9.根据权利要求1所述的外科手术辅助系统，其特征在于，所述机械臂能够感测所受到的力。

10.根据权利要求9所述的外科手术辅助系统，其特征在于，所述机械臂的每个关节均具有传感器和电机；和\/或所述机械臂的最外层为压力感受层，可以感测所受到的力；和\/或所述机械臂根据电机的电流变化来计算所受到的力。

11.根据权利要求1至6或8至10中任一项所述的外科手术辅助系统，其特征在于，具有多种运动控制模式，包括：

一、主动运动模式：此模式下主机按照规划的手术方案向机械臂发出运动指令，促动电机根据指令调整机械臂的运动，受到外力阻碍情况下，进行紧急制动，并发出提示；

二、从动运动模式：此模式下，操纵者可拖拽机械臂进行定位，所述主机接收到机械臂感测的受力后，根据受力的大小发出辅助运动指令，促动电机促进机械臂按照拖拽的预期进行运动；

三、端部受限模式：此模式下，机械臂端部仅能够在规划的轴线上或平面轨迹内运动，或者以不动点为中心做锥体类运动，主机在机械臂受到外力时，重新计算适应外力后机械臂的新姿态，并命令机械进行快速适应性调整；

四、端部固定模式：机械臂端部在所需的位置上保持不变，关节和其他臂节可进行位置姿态调整。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及医疗设备技术领域，尤其是一种外科手术辅助系统。

背景技术

立体定向技术能够帮助医生使用更加科学合理的定位手术入路，在深部脑刺激、癫痫病灶定位的立体定向脑电电极植入等手术中具有广泛应用。立体定向的方法包括立体定向框架和立体定向手术机器人。这两种方法均通过预先扫描头部CT，通过三维重建获取头部各个位置的空间坐标，医生在该坐标系下设计入路，然后术中也根据坐标实现精确的穿刺路径导引。

随着机械臂技术的进步与成熟，机器人辅助的立体定向外科手术已经越来越普及，多家公司都推出了机器人辅助的神经外科导航系统，现有的产品例如ROSA，REMEbot等均采用了6轴机械臂作为引导运动的结构，为医生提供方位引导。现有神经外科导航系统通常使用的机械臂在拖拽过程中，常常会遇到两个问题，一是手动拖拽机械主要靠人力引导，各个关节的随动性较差，非常沉重不易操作，有时用力过猛或控制力不佳，会导致机械臂前端导向探针磕碰甚至损伤患者头部的危险情况出现；另一个问题是在手术过程中，在保持机械臂端部固定的情况下调整机械臂姿态的需求无法满足，6轴机械臂端仅有有限个空间位置解，即在6轴机械臂端部固定的前提下，6轴机械臂其他臂节在空间中仅有有限的数个不连续姿态可以保持端部位置姿态不变，如果需要改变其他臂节的位置，则必然会导致端部发生运动，无法满足保持机械臂端部位置姿态不变，同时机械臂体积较大，位置固定后无法移动，经常导致外科大夫需要以别扭的姿势进行操作，增加了手术的难度，加大了大夫的体力消耗，降低了手术的效率，增加了病患的手术风险。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中存在的问题的至少一个，发明人提出了一种外科手术辅助系统，该系统采用了含多个传感器的多轴机械臂，具有良好的拖拽随从性，依靠多轴机械臂，实现了在保持端部空间位置不动的情况下，其他关节和臂段在被碰触时协同进行位置姿态调整，方便医生的操作。

一个方面，本实用新型提供了一种外科手术辅助系统，其包含：

主机，包含计算机、控制器和接口，用于接收数据，控制机械臂的运动，输出计算结果；

机械臂，包含多个臂段和关节并且具有至少7个自由度，能够实现在机械臂端部(末端臂节)空间位置不发生变化的情况下对关节和其他臂段进行位置姿态调整；

输入设备，用于接收使用者的命令；

显示设备，用于显示主机的计算结果和软件界面。

输入装置可以为任何合适的装置，以允许使用者将命令和数据导入到主机，例如脚踏开关、触摸板、触摸笔、触摸屏、操纵杆、轨迹球、无线鼠标、鼠标、键盘、语音输入端口或其组合。显示装置可以为任何合适的装置，以向使用者展示软件界面和虚拟的三维成像，例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机、液晶显示屏、触摸显示屏或其组合。

本实用新型的外科手术辅助系统还可包含法兰，法兰设置在机械臂端部，用于偶接导向装置、定位探针、手术器械、扫描装置等。法兰不是必须的，在导向装置、追踪装置等可直接连接机械臂端部的情况下，可以省略法兰。

本实用新型的外科手术辅助系统还包含导向装置，其用于为手术器械建立运动通道，辅助手术器械定位和定向，导向装置含有通孔，为手术器械在一定的方向上进行运动提供辅助，必要时导向装置可进行消毒，以满足手术要求。

本实用新型的外科手术辅助系统还包含手术器械，手术器械可以为导丝、钻头、电极等，手术器械穿过导向装置的通孔实现三维空间中的定位和定向。

本实用新型的外科手术辅助系统还包含定位探针，定位探针用于对标志点进行位置标记，例如已经安装在颅骨的骨钉或者身体的标志点，由于定位探针相对机械臂端部的相对空间关系固定，从而可以基于机械臂自身确定的坐标系对位置点进行确认和校正，继而完成配准。

本实用新型的外科手术辅助系统还可包含扫描模块，以对目标空间(待手术的部位)进行图像采集用于生成三维结构，此种情况下，扫描模块可替代定位探针。扫描模块可以基于已知相对于机械臂端部的固定位置通过机械臂移动到指定位置，并包含不同的组成结构：

第一种方案中，扫描模块包含图像获取装置，图像获取装置与机械臂的相对位置关系是已知的，即可以通过不经测量直接获得图像获取装置在机械臂的基础坐标系中的坐标；图像获取装置可以为摄像机，例如单目摄像头、双目摄像头等，机械臂带动图像获取装置在不同位置获取图像，经过计算即可获得目标空间的三维信息；

第二种方案中，扫描模块包含光发射组件和图像获取装置，光发射组件可以发射光线，例如红外线，到目标空间，图像获取装置采集图像，当采集到足够数量的特征点的数据后，计算控制中心根据获得的信息对目标空间的坐标进行标定；

第三种方案中，扫描模块包含投影组件和图像获取装置，所述投影模块可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构，然后进行配准。扫描模块的投影组件和所述图像获取装置具有预先确定的相对空间位置关系。一个实施方案中，本实用新型手术机器人系统的投影组件包含光源、透镜组、数字微镜元件(Digital Micromirror Device)和控制模块，图像获取装置为摄像机。

本实用新型的手术机器人系统还可包含追踪模块，能够追踪并获得机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等的位置，对导向模块的位置进行直接或间接的精确定位，追踪到扫描模块获取图像时的空间位置，可以对扫描模块获得的图像的坐标系进行转换，从而构建三维结构，使得对机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等的空间定位不再依赖于机械臂自身，此情况下需要参考标记与机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等有相对位置固定的连接关系，追踪模块的组成如前所述。追踪模块可以通过多种方式实现：

第一种情况，追踪模块为具有追踪能力的摄像装置，例如双目摄像机，追踪参考标记的位置，参考标记包含若干光可追踪标志物，并且光可追踪标志物具有特殊的空间排列结构能够唯一的确定参考标记的空间坐标，光可追踪标志物例如可自发光的标志物，或者角点等，参考标记与机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等具有固定的位置关系，可以固定连接或者可拆卸的连接，继而通过参考标记确定机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等的位置，此种情况下，追踪模块不仅可以追踪参考标记，还可以获取机械臂端部附近一定范围内的三维图像；

第二种情况，追踪模块为光学追踪装置，光学追踪装置通常包括可被光追踪的标记物、摄像单元和光发射单元，光优选为红外线，参考标记包含若干标记物，并且标记物具有特殊的空间排列结构能够唯一的确定参考标记的空间坐标，标记物可以为多种形式，例如可反光的球状物，参考标记与机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等具有固定的位置关系，可以固定连接或者可拆卸的连接，继而通过参考标记确定机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等的位置；

第三种情况，追踪模块为电磁追踪装置，电磁追踪装置通过磁定位标志物在磁场中对电磁场产生的影响来确定磁定位标志物的位置，磁定位标志物构成参考标记，参考标记与机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等具有固定的位置关系，可以固定连接或者可拆卸的连接，继而通过参考标记确定机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等的位置。

在一个实施方案中，本实用新型外科手术辅助系统的机械臂具有7个自由度，每个关节均具有传感器和电机；优选地，传感器是扭矩传感器。

本实用新型的外科手术辅助系统的机械臂能够感测到所受的力，这一特征可以通过不同的方式来实现，只要能实现这一功能即可。在一个实例中，可通过在机械臂的每个关节均设置传感器来实现；在另一个实例中，机械臂的每个关节均设置有扭矩传感器和电机，能够感测每个臂节所受到的外力大小和方向，并且主机可以控制每个关节的运动。另一方案中，机械臂的最外层为压力传感层，可以感测所受到的外部压力，并将受力反馈给主机，例如力传感薄膜，力传感薄膜上分布有若干力传感单元，每个力传感单元都可以独立记录力的大小并且具有唯一的坐标位点，力传感单元感测到力并传输到主机，主机根据机械臂的受力情况，并向电机发出命令，机械臂进行随从运动，直至外力为零为止。又一个方案中，机械臂仅在关节处含有电机，通过电机的电流变化，即可计算出关节的受力情况，从而进行适应性调节。

本实用新型的外科手术辅助系统中，输入设备与显示设备可以与主机固定连接，也可以通过有线或无线实现通讯连接，分布式分布，例如采用WiFi或者蓝牙实现通讯，即显示装置和输入设备作为单独组件存在，显示设备和输入设备可以为同一组件，例如触摸屏、移动平板电脑、智能手机等。

在一个优选实施方案中，本实用新型外科手术辅助系统的主机对机械臂能够实现这样的控制，机械臂端部在所需的位置上保持不变，主机在传感器感测到外力时，重新计算适应外力后机械臂的新姿态，并命令机械臂进行快速适应性调整。

在又一个优选实施方案中，本实用新型的外科手术辅助系统可以包含现有的手术导航装置或者与其联合使用，即通过主机的接口进行数据通讯，手术导航装置为本实用新型的外科手术辅助系统提供解剖标记点的坐标信息以及监控手术部位的影响等。

本实用新型的外科手术辅助系统具有以下多种运动控制模式：

一、主动运动模式：此模式下主机按照规划的手术方案向机械臂发出运动指令，促动电机根据指令调整机械臂的运动，受到外力阻碍情况下，进行紧急制动，并发出警告提示；主动运动模式主要用于机械臂的自动回归初始位置，自动移动至手术规划位置等；

二、从动运动模式：此模式下，操纵者可拖拽机械臂进行定位，所述主机接收到机械臂感测的受力后，根据受力的大小发出辅助运动指令，促动电机促进机械臂按照拖拽的预期进行运动；从动运动模式主要用于配准过程；

四、端部固定模式：机械臂端部在所需的位置上保持不变，关节和其他臂节可进行位置姿态调整。

另一个方面，本实用新型还提供了前述外科手术辅助系统的使用方法，包括：

A)使用外科手术辅助系统接收影像数据并进行可视化显示，在影像中可进行手术方案规划；

B)将所述外科手术辅助系统固定到手术室的合适位置，进行配准；

C)调整外科手术辅助系统的运动模式，按照预先的手术规划执行。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的外科手术辅助系统的组成示意图；

图2为本实用新型的一个实施例的示意图；

图3为根据本实用新型的一个实施例的机械臂通过法兰连接扫描模块的结构示意图；

图4为本实用新型的外科手术辅助系统在机械臂端部配装定位探针的示意图；

图5为本实用新型的定位探针的一个具体实例的示意图；

图6为本实用新型一个实施例的外科手术辅助系统在机械臂端部配装导向装置的示意图；

图7为本实用新型的导向装置的一个具体实例的示意图；

图8为本实用新型外科手术辅助系统的另一个组成示意图；

图9为图8中的外科手术辅助系统的一个实施例的示意图，其中机械臂端部装配了导向装置；

图10示出了本实用新型外科手术辅助系统的参考标记的两个实例的示意图；

图11为本实用新型的外科手术辅助系统的一个实施例中力传感薄膜的一部分的示意图。

图标：

100-主机，101-移动底板、102-主机机箱、103-计算机和控制器，1011-轮子、1012-升降装置、104-扶手；200-机械臂；300-显示设备(可以具有输入功能)；400-输入设备；500-法兰；600-导向装置、601-第一配件、602-第二配件、6021-通孔；700-扫描模块、800-定位探针、900-追踪装置、901-摄像头、902-摄像头；201-基座、202-第一关节、203-第一臂节、204-第二关节、205-第二臂节、206-第三关节、207-第三臂节、208-第四关节、209-第四臂节、210-第五关节、211-第五臂节、212-第六关节、213-第六臂节、214-第七关节、215-第七臂节(机械臂端部)；710-投影组件、720-图像获取装置。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供了外科手术辅助系统，参照图1，其通常包含：主机100、机械臂200、显示设备300、输入设备400、法兰500、导向装置600、以及扫描模块700和\/或定位探针800；机械臂200具有至少7个自由度，在机械臂拥有7个及7个以上的自由度时，其端部固定的情况下，任何一个臂节运动到任意位置，其余臂节均会有连续的空间位置解，即在保证7轴机械臂端部不动的情况下，可以对其余臂节进行自由拖拽。

主机100包含移动底板101、主机机箱102、计算机和控制器103；计算机和控制器103与显示设备300、输入设备400、其他医院设备(例如MRI设备或CT设备)或数据库进行通讯连接。显示设备300用于显示计算机和控制器103生成的三维图像和软件界面，例如显示设备300为液晶显示器，在一个实施方案中，显示设备300为触摸屏，触摸屏使得显示设备300同时具有显示和输入的功能，此时可以省略输入设备400。输入设备400为常见的输入装置：例如脚踏开关、触摸板、触摸笔、触摸屏、操纵杆、轨迹球、无线鼠标、鼠标、键盘、语音输入端口或其组合，允许使用者将命令和数据导入到主机。法兰500安装到机械臂200端部，导向装置600、扫描模块700、定位探针800等通过法兰500连接机械臂200，一些情况下，法兰500可以省略，即导向装置600、扫描模块700、定位探针800直接连接到机械臂端部。导向装置600含有通孔，其他医疗器械，例如导丝、钻头、电极等可以通过该通孔进行定位和定向。导向装置600可以根据需要在使用前进行灭菌处理。

参照图2，根据本实用新型一个实施方案的外科手术辅助系统的示意图，示出了移动底板101、主机机箱102、机械臂200、显示设备300(具有输入功能)，未显示输入设备脚踏；其中移动底板101具有四个轮子1011和止动结构，使用者通过主机机箱102上的扶手104，推动主机100移动，到达手术室合适位置后，打开止动结构，然后通过升降装置1012将主机升高，使得轮子1011离开地面，仅靠升降装置1012支持并固定主机100，防止主机100在手术过程中发生位置变化；计算机和控制器103位于主机机箱102内部。显示设备300(具有输入功能)可与计算机和控制器103进行通讯；在一个实施例中，显示设备300(具有输入功能)通过无线连接计算机和控制器103，无线连接方式包括WiFi和蓝牙等；显示设备300可以是触摸屏、移动平板电脑、智能手机等现有的设备。

参照图3，对根据本实用新型的一个实施方案的机械臂200通过法兰500连接扫描模块700的状态进行详细描述，机械臂200包括基座201、第一关节202、第一臂节203、第二关节204、第二臂节205、第三关节206、第三臂节207、第四关节208、第四臂节209、第五关节210、第五臂节211、第六关节212、第六臂节213、第七关节214、第七臂节215(机械臂端部)；基座201集成在主机机箱102之内，每个关节都包含有电机和力传感器，力传感器优选扭矩传感器。扫描模块700包含投影组件710和图像获取装置720，所述投影模块可以发射特定的编码图像到目标空间并通过图像获取装置进行图像采集，通过相应的解码算法，得到目标空间精确的三维结构，然后进行配准；投影组件710包含光源、透镜组、数字微镜元件和控制模块，图像获取装置720为摄像头；投影组件710和图像获取装置720的位置可以互换，只要其相对位置固定即可。一些情况下，此实施方案的机械臂200仅含有电机，并且可以通过电机中的电流大小感测所受到力从而进行相应的调整。

参照图4，示出了根据本实用新型一个实施方案的外科手术辅助系统采用定位探针的示意图，包含移动底板101、主机机箱102、机械臂200、显示设备300(具有输入功能)、定位探针800；其中移动底板101具有四个轮子1011和止动结构，使用者通过主机机箱102上的扶手104，推动主机100移动，到达手术室合适位置后，打开止动结构，然后通过升降装置1012将主机升高，使得轮子1011离开地面，仅靠升降装置1012支持并固定主机100，防止主机100在手术过程中发生位置变化；计算机和控制器103位于主机机箱102内部。显示设备300(具有输入功能)可与计算机和控制器103进行通讯；在一个实施例中，显示设备300(具有输入功能)通过无线连接计算机和控制器103，无线连接方式包括WiFi和蓝牙等；显示设备300(具有输入功能)可以是触摸屏、移动平板电脑、智能手机等现有的设备。定位探针800直接连接机械臂端部，定位探针的一个具体结构在图5中示出。

参照图6和图7，对本实用新型外科手术辅助系统的一个具体实施例中的导向装置600进行了描述，图6中示出了导向装置600的使用状态，安装在机械臂200的端部。图7示出了该导向装置600的放大图和拆分结构图，导向装置600由可组装的第一配件601和第二配件602组成，第二配件602含有通孔6021，通孔6021可以具有不同的直径，以匹配不同的手术器械。导向装置600可以有各种结构和外形，只要其能够辅助手术器械进行定向和定位即可。

本实用新型的外科手术辅助系统还可以包含追踪模块，参照图8，该系统包含主机100、机械臂200、显示设备300、输入设备400、法兰500、导向装置600、扫描模块700和\/或定位探针800、以及追踪装置900。追踪装置900能够通过参考标记追踪并获得机械臂端部215、法兰500、导向装置600、定位探针800、扫描模块700等的位置，从而对机械臂端部215、法兰500、导向装置600、定位探针800、扫描模块700等的位置进行直接或间接的精确定位，追踪到扫描模块700获取图像时的空间位置后可以对扫描模块获得的图像的坐标系进行转换，从而构建三维结构。追踪模块可以有多种组成，并且多种组成可以单独或者同时使用：

第一种情况，追踪模块为具有追踪能力的摄像装置，例如双目摄像机，追踪参考标记的位置，参考标记可以由光可追踪标志物构成，光可追踪标志物为例如可自发光的标志物或者角点等，参考标记与机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等具有固定的位置关系，可以固定连接或者可拆卸的连接，继而通过参考标记确定机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等的位置；

第二种情况，追踪模块为光学追踪装置，光学追踪装置通常包括可被光追踪的标记物、摄像单元和光发射单元，光发射单元优选发射红外线，标记物构成参考标记，标记物可以为多种形式，例如可反光的球状物，参考标记与机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等具有固定的位置关系，可以固定连接或者可拆卸的连接，继而通过参考标记确定机械臂端部、法兰、导向装置、定位探针、扫描模块等的位置；

追踪模块通过参考标记进行追踪，参考标记含有若干个可被追踪位置的标志物组成，参考标记的两个实例的示意图在图10中示出，参考标记910为配合光学追踪装置使用的参考标记，其含有四个可反射红外线的球型标志物9101，参考标记910可以与机械臂端部215、法兰500、导向装置600、定位探针800、扫描模块700等连接，球型标志物9101反射光发射单元发出的红外线并被摄像单元采集，从而可以确定参考标记910的位置，继而可以得到机械臂端部215、法兰500、导向装置600、定位探针800、扫描模块700的空间位置。参考标记920含有四个角点9201，其适合与双目摄像机配合使用，参照图9，示出含有追踪装置900的本实用新型外科手术辅助系统的一个实施方案的示意图，其中示出了安装导向装置600的状态，导向装置连接参考标记920(未示出)，在使用过程中，通过追踪装置900的摄像头901和902对参考标记920进行追踪，即可获得参考标记920和导向装置600的空间位置，导向装置600也可替换为定位探针800或扫描模块700，均能够通过连接参考标记920的方式来确定其空间位置。

在一个实施方案中，本实用新型外科手术辅助系统中，机械臂的最外层为力传感薄膜。力传感薄膜的一部分的示意图参见图11，力传感薄膜由若干个传感单元构成，每个单元在机械臂上具有唯一确定的位置并且能单独的感测所受到的力，在受到外力时能够将受到的力反馈至主机，主机根据受力信息，对机械臂下达运动指令，使得机械臂配合使用者的拖拽，使得拖拽过程更加平滑省力。

在一个优选的实施方案中，本实用新型外科手术辅助系统的主机100通过其中所加载的软件对机械臂200的运动进行控制，使得机械臂200能够在主机100的控制之下实现多种不同的运动模式，包括：

一、主动运动模式：此模式下主机100按照规划的手术方案或者使用者的输入向机械臂200发出运动指令，促动电机根据指令调整机械臂200的运动，在受到外力阻碍情况下，会紧急制动，并发出提示；主动运动模式主要用于机械臂的自动回归初始位置，自动移动至部分手术规划位置等；

二、从动运动模式：此模式下，操纵者可拖拽机械臂200进行定位，所述主机接收到机械臂感测的受力后，根据受力的大小发出辅助运动指令，促动电机促进机械臂200按照拖拽的姿势进行；当外力消失时，主机迅速响应停止机械臂的位移，当外力改变方向时，主机发出新的指令，使得机械臂响应外力向新的方向运动；

三、端部受限模式：此模式下，机械臂端部(第七臂节215)仅能够在规划的轴线上或平面轨迹内运动，或以不动点为中心做锥体类运动，主机在机械臂感测到外力时，重新计算适应外力后机械臂的新姿态，并命令机械臂进行快速适应性调整。

四、端部固定模式：机械臂端部在所需的位置上保持不变，关节和其他臂节可进行主动或被动的位置姿态调整，主机在机械臂受到外力时，重新计算适应外力后机械臂的新姿态，并命令机械进行快速适应性调整，从而实现手术过程中，使用者在受到机械臂的阻碍时，可以轻松改变机械臂的位置姿态，从而方便使用者的操作。

一个实施方案中，本实用新型的外科手术辅助系统包含定位探针，参照图4和图5，图4示出了定位探针800安装在机械臂200端部的示意图，图5示出了定位探针800的放大结构。该实施方案的外科手术辅助系统在一个具体手术实例中的使用过程如下：

A)外科手术辅助系统的主机100通过接口接收医学影像数据，例如磁共振图像数据，功能磁共振图像数据、CT图像数据、相位对比磁共振血管成像(PC-MRA)数据等，优选地手术数据进行格式统一，之后，主机100中预先加载的软件“神外机器人规划软件”构建待手术区域的三维立体模型，其中三维立体模型中显示血管，使用者根据配套的规划指南规划出手术方案，确定手术器械行进路径；

B)推动扶手104，将主机100固定到合适位置，使用者通过输入设备400(例如鼠标或键盘，)发出指令，使得机械臂200进入从动运动模式，使用者在机械臂端部215安装的法兰500上连接定位探针800，通过手动拖拽机械臂200，使得定位探针800碰触解剖特征点、或者影像与解剖均可见的特征结构点，将患者的坐标输入主机100，通过运算将患者坐标系与机械臂200的坐标系进行统一，实现配准；

C)配准完成后，调整外科手术辅助系统的运动模式，进行后续操作，在放置深部电极(SEEG)的过程中如下操作，使用者将与法兰500连接的定位探针800替换为导向装置600，主机100按照步骤A中规划的手术计划，向机械臂200发出指令，机械臂200运动到指定位置，使用者将钻头通过导向装置600确定方向和位置，按照神外机器人规划软件提供的参数，安装限位器等手术配件，然后在目标部位(例如头部)开孔，之后使用其他手术器械，例如导丝或电极替换钻头，沿着定向装置的通孔前进，到达指定位置。如果为多步骤手术，可按照预先的手术规划，使用从动模式将机械臂拖拽到所需位置，再进入端部固定模式，完成此步骤，重复多次，直至完成所有规划步骤。

在另一个实施方案中，参见图3，本实用新型的外科手术辅助系统还包含扫描模块700，其包含投影组件710和图像获取装置720；优选地，投影组件包含光机、镜头组、数字微镜元件(Digital Micromirror Device)、控制模块，可投射出特定的编码图像，图像获取装置720为双目摄像头。此实施例的外科手术辅助系统在一个具体手术实例中的使用过程如下：

B)参见图2和图3，推动扶手104，将主机100固定到合适位置，使用者通过显示设备300(具有输入功能)发出指令，使得机械臂200进入从动运动模式，使用者在机械臂端部215安装的法兰500上连接扫描模块700，投影组件710投射出特定的编码图像到目标区域，图像获取装置(摄像头)720采集图像，根据对编码图像的解码，计算出目标区域的三维结构，优选地，主机100的软件可以控制机械臂200根据采集图像的需要自动进行位置姿态调整，多次采集数据后，获得满意的三维结构为止，然后将手术区域的三维结构与步骤A中的三维立体模型进行配准；

C)配准完成后，调整外科手术辅助系统的运动模式，继续进行操作，在放置深部电极的过程中如下操作，使用者将与法兰500连接的扫描配件700替换为导向装置600，主机100按照步骤A中规划的手术计划，向机械臂200发出指令，机械臂200运动到指定位置，使用者将钻头通过导向装置600确定方向和位置，按照神外机器人规划软件提供的参数，安装限位器等手术配件，然后在目标部位(例如头部)开孔，之后使用其他手术器械，例如导丝或者电极替换钻头，沿着定向装置的通孔前进，到达指定位置。如果为多步骤手术，可按照预先的手术规划，使用从动模式将机械臂拖拽到所需位置，再进入端部固定模式，完成此步骤，重复多次，直至完成所有规划步骤。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

设计图

一种外科手术辅助系统论文和设计

一种外科手术辅助系统论文和设计-刘文博

全文摘要

主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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