皮膚激光治療輔助機(jī)器人及其輔助方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域一種重要的治療輔助機(jī)器人，具體涉及一種皮膚激光治療輔助機(jī)器人及其輔助方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著皮膚激光治療、激光美容技術(shù)的推廣，目前全國開展皮膚激光項目的醫(yī)療、美容機(jī)構(gòu)多達(dá)98.3萬家。從技術(shù)水平上看，激光美容治療基本以手工操作為主，自動化程度底，對激光治療醫(yī)生的依賴性高。而我國每千人的醫(yī)生人數(shù)僅為日本的0.79，僅為德國的一半。人們對激光治療這種高端技術(shù)需求不斷增加，而相應(yīng)的高素質(zhì)激光治療醫(yī)生十分缺乏，上述供需矛盾使得研發(fā)一種能夠替代或提高人工效率的激光治療輔助機(jī)器人迫在眉睫。
[0003]醫(yī)用機(jī)器人得到開發(fā)并迅速投入臨床應(yīng)用始自于21世紀(jì)初，被認(rèn)為是醫(yī)學(xué)發(fā)展史上的一次革命。醫(yī)用機(jī)器人集醫(yī)學(xué)、生物力學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)視覺、數(shù)學(xué)分析、機(jī)器人等諸多學(xué)科為一體的新型交叉研究領(lǐng)域，在軍用和民用上有著廣泛的應(yīng)用前景，而醫(yī)用機(jī)器人領(lǐng)域是其中的研究熱點(diǎn)。國內(nèi)外已成功商品化的醫(yī)療機(jī)器人系統(tǒng)包括:達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)、國產(chǎn)妙手外科手術(shù)機(jī)器人等。外科醫(yī)生透過它所提供的靈巧操控、精準(zhǔn)定位以及術(shù)前規(guī)劃，可以使得病患手術(shù)傷口減小、術(shù)后迅速恢復(fù)正常生活等，達(dá)到精準(zhǔn)性和微創(chuàng)性兩大優(yōu)點(diǎn)。目前醫(yī)用機(jī)器人研發(fā)方向主要為輔助腔內(nèi)手術(shù)，而針對體外醫(yī)用機(jī)器人的研發(fā)，尤其是進(jìn)行治療性操作的醫(yī)用機(jī)器人系統(tǒng)，國內(nèi)外尚處于空白階段。
[0004]醫(yī)用機(jī)器人與傳統(tǒng)人工技術(shù)相比有許多技術(shù)優(yōu)勢，具有精細(xì)化、高速化、智能化、微創(chuàng)化的特點(diǎn)，可以更精確地診斷癥狀，科學(xué)分析病理，降低人工操作失誤。同時，抗環(huán)境干擾、克服術(shù)者機(jī)能極限等方面較人工操作具有無可比擬的優(yōu)勢。因此，醫(yī)用機(jī)器人在我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展進(jìn)入更高層次的時候必定替代一部分傳統(tǒng)的人工技術(shù)。
[0005]目前，以人工操作為主的皮膚激光治療確實(shí)存在如下難以克服的問題:
在臨床實(shí)踐中，合格的激光治療師往往需要具備多年的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)，才能確保激光治療的效果。在特殊的情況(如:光線不佳、疲勞、情緒、周邊干擾等)下，即使經(jīng)驗(yàn)豐富的激光醫(yī)生也容易出現(xiàn)人為操作失誤，嚴(yán)重者可導(dǎo)致治療失敗，甚或毀容。
[0006]在激光治療術(shù)中，目前商用的皮膚激光設(shè)備大部分為手持式，激光醫(yī)生在施行操作中必須手動，全程治療必須保證激光探頭與靶部位皮膚的表面垂直、距離恒定；同時，平掃治療時，單次激光脈沖發(fā)射后，激光探頭要以恒定間距移動，以確保不遺留治療死角。純手工操作難以避免產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致治療過度、不足或不均一等缺陷，在一定程度上影響激光治療效果。
[0007]另一個重要的問題是皮膚激光設(shè)備的人機(jī)工程學(xué)參數(shù)設(shè)計不合適；或?yàn)榧す膺_(dá)到某一特定指標(biāo)，而相關(guān)聯(lián)的另一個指標(biāo)超過人為控制的極限。如:脈沖激光設(shè)備的激光脈沖頻率最高達(dá)到30HZ以上(過低的頻率可能導(dǎo)致治療時間延長，患者耐受度下降，術(shù)者易疲勞)，人手的位移極限頻率僅僅3HZ。如果要保證精準(zhǔn)位移，人手的位移頻率還要大大下降。在這種情況下，醫(yī)生往往只能憑習(xí)慣，犧牲激光治療設(shè)備的某方面優(yōu)勢，來進(jìn)行“人為干預(yù)式”的治療。
[0008]因此，從上述幾點(diǎn)來看，目前的激光治療是經(jīng)驗(yàn)式的治療，難以保證激光治療的規(guī)范性，治療取決于治療醫(yī)生的“手法”、“預(yù)判”和“估計”，療效難于保證。
[0009]智能化醫(yī)用機(jī)器人具有高效、精確、高速、抗干擾、參數(shù)閾值可調(diào)等天然優(yōu)勢。因此，科學(xué)的開發(fā)并合理的設(shè)計出激光治療機(jī)器人輔助系統(tǒng)，有助于解決上述幾個長期困擾激光治療的“瓶頸”難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]鑒于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供一種皮膚激光治療輔助機(jī)器人及其輔助方法，以實(shí)現(xiàn)自動化程度高、定位精準(zhǔn)、運(yùn)動智能、高速、高療效、高效率的皮膚激光治療目的。
[0011]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種皮膚激光治療輔助機(jī)器人，包括精確定位移動機(jī)器人、治療儀激光探頭、視覺識別與控制系統(tǒng)、測距裝置和安全裝置；所述的治療儀激光探頭安裝于精確定位移動機(jī)器人的機(jī)械臂末位前端，測距裝置安裝于治療儀激光探頭的側(cè)面，視覺識別與控制系統(tǒng)的CMOS探頭安裝于治療儀激光探頭的另一側(cè)面，安全裝置安裝于治療儀激光探頭的前端；測距裝置輸出的測量值和安全裝置輸出的傳感信號都連接至視覺識別與控制系統(tǒng)的輸入端，而視覺識別與控制系統(tǒng)的輸出端連接并控制精確定位移動機(jī)器人。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述的精確定位移動機(jī)器人采用多自由度機(jī)械臂式移動機(jī)器人或龍門式移動機(jī)器人；本發(fā)明優(yōu)選龍門式移動機(jī)器人。
[0013]上述技術(shù)方案中，所述視覺識別與控制系統(tǒng)，包括CMOS探頭、圖像采集卡和電子計算機(jī)，CMOS探頭采集治療區(qū)域的圖像和邊界位置信息，電子計算機(jī)對CMOS探頭所采集的信息進(jìn)行處理和存儲，CMOS探頭通過圖像采集卡與電子計算機(jī)相連。
[0014]上述技術(shù)方案中，所述的測距裝置采用激光測距儀、超聲波測距儀、電容式測距儀、紅外測距儀的一種或多種混合使用。
[0015]上述技術(shù)方案中，所述的安全裝置為電容式傳感器、壓阻式傳感器的一種或兩種使用；本發(fā)明優(yōu)選壓阻式傳感器作為安全裝置傳感器。當(dāng)電容式傳感器或壓阻式傳感器接觸到人體皮膚并存在一定接觸壓力時，傳感器將信息傳遞至電子計算機(jī)，從而控制精確定位移動機(jī)器人的急停。
[0016]上述技術(shù)方案中，所述的龍門式移動機(jī)器人與病床采用導(dǎo)軌式連接，龍門式移動機(jī)器人沿著導(dǎo)軌自由滑動，龍門式移動機(jī)器人由XYZ軸移動平臺及繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械臂組成；機(jī)械臂的動作通過數(shù)字控制技術(shù)由五軸插補(bǔ)聯(lián)動實(shí)現(xiàn)；所述的XYZ軸移動平臺能沿著X、Y、Z軸移動，XYZ軸移動平臺由底座、滑臺、滾珠絲杠、導(dǎo)柱、步進(jìn)電機(jī)組成，XYZ軸移動平臺的直線運(yùn)動由混合式精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠、滾珠絲杠再驅(qū)動XYZ軸移動平臺來實(shí)現(xiàn)，連接于XYZ軸移動平臺上的機(jī)械臂繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)均由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，上述混合式精密步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)均由電子計算機(jī)輸出控制。
[0017]一種皮膚激光治療輔助機(jī)器人的輔助方法，包括:
I)所述皮膚激光治療輔助機(jī)器人，包括精確定位移動機(jī)器人、治療儀激光探頭、視覺識別與控制系統(tǒng)、測距裝置和安全裝置；所述的治療儀激光探頭安裝于精確定位移動機(jī)器人的機(jī)械臂末位前端，測距裝置安裝于治療儀激光探頭的側(cè)面，視覺識別與控制系統(tǒng)的CMOS探頭安裝于治療儀激光探頭的另一側(cè)面，安全裝置安裝于治療儀激光探頭的前端；測距裝置輸出的測量值和安全裝置輸出的傳感信號都連接至視覺識別與控制系統(tǒng)的輸入端，而視覺識別與控制系統(tǒng)的輸出端連接并控制精確定位移動機(jī)器人；
2)所述精確定位移動機(jī)器人采用多自由度機(jī)械臂式移動機(jī)器人或龍門式移動機(jī)器人，本發(fā)明優(yōu)選龍門式移動機(jī)器人，龍門式移動機(jī)器人與病床采用導(dǎo)軌式連接，龍門式移動機(jī)器人可沿著導(dǎo)軌自由滑動；人工通過肉眼對治療區(qū)域進(jìn)行初步定位，然后將龍門式移動機(jī)器人移動至相應(yīng)位置，有益于提高定位效率；
3)龍門式移動機(jī)器人配置的視覺識別與控制系統(tǒng)，包括CMOS探頭、圖像采集卡、電子計算機(jī)；其中CMOS探頭置于治療儀激光探頭的側(cè)面，CMOS探頭用于獲取待治療區(qū)域的圖像和邊界位置信息，電子計算機(jī)用于對CMOS探頭所采集的信息進(jìn)行處理和存儲；CM0S探頭通過圖像采集卡與計算機(jī)相連；
4)準(zhǔn)確獲得待治療區(qū)域的邊界信息，視覺識別與控制系統(tǒng)基于圖像灰度信息自由曲面圖像重構(gòu)技術(shù)，根據(jù)CMOS探頭采集的圖像，對待治療區(qū)域的曲面進(jìn)行組織重構(gòu)，獲得待治療區(qū)域的準(zhǔn)確邊界信息和曲面上任意點(diǎn)的位置信息；視覺識別與控制系統(tǒng)對待治療區(qū)域的邊界信息的準(zhǔn)確提取，有效地避免激光照射對健康的傷害；
5)為了使得激光探頭的光路與待治療靶部位的法矢重合，以保證較好的治療效果；視覺識別與控制系統(tǒng)，通過CMOS探頭獲取待治療點(diǎn)和相鄰不同兩點(diǎn)的位置信息，通過電子計算機(jī)處理獲得治療點(diǎn)與相鄰兩點(diǎn)構(gòu)成微小平面的法矢位置信息，并自動存儲該法矢位置信息；計算機(jī)通過五軸聯(lián)動控制卡控制精確定位移動機(jī)器人的運(yùn)動，驅(qū)動治療儀激光探頭運(yùn)動，使得治療儀激光探頭的光路與該法矢重合；
6)激光對皮膚治療的效果很大程度取決于治療儀激光探頭與治療點(diǎn)的距離。為了保證較好的治療效果，需維持