本發(fā)明涉及遠程機器人超聲掃查，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：

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

2、如授權號cn?114789445b：一種應用于遠程心臟彩超機器人的操作手系統(tǒng)及方法、授權號cn?113499094b：一種依靠視覺及力反饋引導的心臟彩超檢查裝置和方法、公開號cn113180738a：一種用于遠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，上述專利解決了遠程操作的問題，但沒有解決心臟超聲掃查對機器人末端姿態(tài)范圍要求大以及如何確保掃查安全性這些難點。

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

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。

技術實現(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，解決了背景技術中提到的現(xiàn)有遠程機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，將手法轉化為位置、姿態(tài)、力的信息發(fā)送至心臟超聲操作端計算機；

5、側躺操作臺，底部安裝有可調節(jié)支架，通過可調節(jié)支架使得側躺操作臺與桌面的夾角可進行α(0≤α≤90)度的調整，心臟超聲專用操作手柄可在側躺操作臺上運動；

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

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

8、心臟超聲操作端計算機，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)送至機器人控制端計算機；

9、機器人控制端計算機，與機械臂和rgbd攝像頭/激光雷達連接通信，根據(jù)心臟超聲操作端計算機發(fā)送來的位置、姿態(tài)、力信息，計算出相應的控制指令發(fā)送至機械臂，同時接收機械臂的反饋信息；

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

11、床體，用于患者躺臥或側臥。

12、作為本發(fā)明進一步的技術方案，所述心臟超聲探頭夾持裝置可實現(xiàn)多角度調節(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，當彈簧銷軸被按下壓縮時，其上所固連的凸塊可沿凹槽的軌跡滑動，完成解鎖，回彈裝置中的扭簧自動拉動下殼體進行β度的旋轉，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械臂的末端相活動裝載。

13、作為本發(fā)明進一步的技術方案，所述側躺操作臺底部安裝有可調節(jié)支架，隨著心臟超聲患者掃查體位的調整，側躺操作臺與桌面的夾角α也可隨之調整，調節(jié)范圍為0°水平放置至90°垂直放置；側躺操作臺內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、建立安全防護模型；

16、平躺式心臟超聲掃查；

17、側臥式心臟超聲掃查。

18、進一步的，所述建立安全防護模型包括在患者頭部構建虛擬墻以及在患者頭部與機械臂構建碰撞檢測模型，該功能建立在機器人控制端計算機中。

19、進一步的，在患者頭部構建虛擬墻，具體步驟如下：

20、rgbd攝像頭/激光雷達獲取相機坐標系下患者的頭部三維坐標集(xc,yc,zc)，通過坐標系轉換后，將該坐標集(xc,yc,zc)轉化為機械臂基坐標系下的坐標集(xb,yb,zb)；

21、設置機械臂各關節(jié)在笛卡爾空間中的運動范圍，該運動范圍為(i＝1,2,…,n)，其中n為機械臂關節(jié)數(shù)，從而在患者頭部構建機械臂基坐標系下的笛卡爾虛擬墻，機械臂任意關節(jié)接近虛擬墻時都會受到較大的剛度阻止其進入虛擬墻內，并利用冗余特性自運動調整機械臂的臂構型，可有效避免與患者頭部的碰撞及關節(jié)限位，保護患者的安全。

22、進一步的，在患者頭部與機械臂構建碰撞檢測模型，具體步驟如下：

23、rgbd攝像頭/激光雷達獲取相機坐標系下患者的頭部三維坐標集(xc,yc,zc)，通過坐標系轉換后，將該坐標集(xc,yc,zc)轉化為機械臂基坐標系下的坐標集(xb,yb,zb)；

24、分別為患者頭部及機械臂建立碰撞包圍盒，其中基于點云信息建立患者頭部的碰撞包圍盒，基于三維模型建立機械臂的碰撞包圍盒，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，建立機械臂包圍盒v(r2,p2)＝convp2+r2，其中convp1與convp2分別為患者頭部和機械臂構成的凸體，r1與r2分別是患者頭部和機械臂球掃掠凸體的允許誤差項；

26、實時計算患者頭部與機械臂碰撞包圍盒間的最短距離l，設置碰撞閾值l′，當l＜l′時，控制機械臂采用包括但不限于減速、反向運動、停止運動、自運動調整機械臂臂構型的安全保護策略，保護患者的安全。

27、進一步的，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整為0度，將側躺操作臺的可調節(jié)支架角度調整為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躺操作臺上模擬掃查，心臟超聲專用操作手柄實時采集該手法的位置、姿態(tài)、力度信息，并將該信息通過心臟超聲操作端計算機實時傳輸至機器人控制端計算機，機器人控制端計算機根據(jù)該手法信息計算機械臂的期望位置、姿態(tài)或速度、角速度，并輸入至安全防護模型中生成實時控制指令，完成對患者的心臟超聲遙操作掃查。

30、進一步的，側臥式心臟超聲掃查具體步驟如下：

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

32、醫(yī)生在進行側臥式心臟超聲掃查時，探頭常傾斜至90度，此時0度水平放置的側躺操作臺顯然無法滿足探頭接觸側躺操作臺的需求，調整側躺操作臺可調節(jié)支架的傾斜角度，以滿足醫(yī)生在側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躺操作臺的需求；

33、醫(yī)生手持心臟超聲專用操作手柄使用側臥式心臟超聲掃查手法在側躺操作臺上模擬掃查，心臟超聲專用操作手柄實時采集該手法的位置、姿態(tài)、力度信息，并將該信息通過心臟超聲操作端計算機實時傳輸至機器人控制端計算機，機器人控制端計算機根據(jù)該手法信息計算機械臂的期望位置、姿態(tài)或速度、角速度，并輸入至安全防護模型中生成實時控制指令，完成對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，通過可調節(jié)角度的側躺操作臺及心臟超聲探頭夾持裝置，解決了現(xiàn)有遠程機器人心臟超聲掃查姿態(tài)范圍過小的問題，同時對患者頭部進行安全防護模型的建立及安全保護策略，能夠有效確保心臟超聲掃查的安全性。