[发明专利]一种用于自然腔道远程手术的人机协作方法及装置

说明书

本申请实施例提供了一种用于自然腔道远程手术的人机协作方法及装置，所述方法包括，手术前通过第一检测设备首次获取的三维图像，在所述首次获取的三维图像上标注虚拟墙初始建立位置和角度，获得初始虚拟墙；通过第一检测设备实时采集手术中人体组织的实时三维图像；基于手术前首次获取的三维图像对所述实时三维图像进行处理；根据处理结果更新所述初始虚拟墙，获得实时虚拟墙；通过所述实时虚拟墙限制手术刀的安全运动边界，本申请提出的方案设计了基于图像误差空间的遥操作方法，将手术的决策和安全执行任务分离，可让医生在使用遥操作设备时只需要专注于决策问题不需要考虑安全限制问题。

技术领域

本申请各实施例属于医疗技术领域，具体涉及一种用于自然腔道远程手术的人机协作方法及装置。

背景技术

膀胱息肉是最常见的早期膀胱肿瘤病征，常见于膀胱内壁，目前国内外临床上已经大量使用的治疗方法是经尿道膀胱瘤等离子电切除术。此类手术的原理是医生由尿道将切除镜插入膀胱，并通过改变电切镜的外部姿态来控制内部探头的角度和朝向。镜头在人体内部的运动边界约有30°的成角，允许医生从各个角度观察、熟悉肿瘤的特点并进行执行相应的切除操作。

然而现有的医学方法难以满足国家和人民的日益增长医疗需求，一方面，使用经尿道切除镜对医生的临床经验有很高的要求，青年医生通常需要经过多台手术的床旁观摩和若干次临床实操后才能初步掌握和熟悉实操的各个流程以及正确辨识肿瘤的病征；另一方面，有经验的泌尿科医生难以服务到边缘城市的病患，这给国家优质医疗资源的下沉产生了阻力。

针对以上问题，一种富有前景的解决思路是使用远程医疗系统，通过远程外科手术机器人实现有经验医生和缺少经验的青年医生对患者的协同治疗。远程经尿道息肉别除术是在传统经尿道息肉剂除术的基础上改良的机器人辅助手术。通过网络链路和主从架构，主手段的医生可以看到机器人在远程端回传的图像并能通过遥操作设备实时控制远程端机器人的动作。

然而目前该技术在应用层面并不完善。这是由于传统的泌尿外科手术医生通常习惯于通过力反馈来感受腔道的运动限制和控制电切镜的旋转中心以及旋转范围，而远程手术会引入一些问题：一方面，如果使用基于实时反馈控制的控制方式，我们会在闭环中引入网络链路的传输时延，这会导致力反馈信息存在比较大滞后。这种滞后会导致机器人对医生动作的延时响应，因此此类系统在实际临床手术中是不够安全的；另一方面，如果我们使用基于模型和参数识别的方式，现有的力感知系统采集和测量的力反馈信息仍不够丰富。这是因为常见的六轴力\力矩传感器的测量方式通常只面向单源的外部力矢量，对于复杂的有挤压的腔道测量结果存在多义性，因此对产生的模型的操作感会和床旁手术有一些差别。这让我们很难再单纯依靠医生的经验来保证电切镜操作的安全性。

目前中国专利CN10051435A描述了一种经尿道电切镜手术机器人系统，该系统通过医学成像手段重建了前列腺和尿道的三维位图，医生可远程基于图像的回传结构定位病灶位置，并基于病灶的位置离线规划机器人将机构插入尿道的运动轨迹。然而，此手术方法的缺陷是多方面的，一方面轨迹生成之后的执行效果依赖于系统配准的精度，另一方面专利描述的系统只能绕轴上的预设定点转动，该控制方式可能会因为组织位置的偏移导致预设转动点位置的异常，因轨迹是离线规划的，执行偏差轨迹可能导致不当运动撕裂病人组织(末端的电切镜可看做刚体且力臂很长)。具体地，当医生对病人实施手术时，因病人内脏活动是不可避免的(如当膀胱后侧壁的肿瘤被电切时，闭孔神经被电凝电流剌激会引起股内收肌收缩导致病人抽搐)，此类活动将导致系统误差增大和组织配准精度下降。因脏器偏移导致的不当运动很可能撕裂病人的临近组织，造成病人术后遗精，尿失禁等后遗症。

发明内容

本申请实施例目的在于克服上述问题或者至少部分地解决或缓减上述问题，本申请实施例可以使医生在远程端控制机器人时可以不考虑手术刀运动的安全边界，可以自适应选择手术刀的旋转中心，提高了机器人手术的安全性。

第一方面，本申请提供了一种用于自然腔道远程手术的人机协作方法，所述方法包括，