[发明专利]可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统

说明书

本发明涉及一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统，其中方法包括：采集实时操作力和位置数据，并基于实时操作力和位置数据得到期望加速度、期望速度和期望位置；根据期望加速度、期望速度和期望位置控制电机的输出力矩控制穿刺针移动；采集实时的穿刺力，计算穿刺力微分与操作力方向的乘积，并在乘积由负值跃升过零值转为正值后，由峰值下降重新回归至负值时，识别为穿透组织层。与现有技术相比，本发明基于穿刺力微分与操作力得到的速度方向相结合的智能组织层突破辨识算法精确感知微弱的组织层突破感，辅助医生对穿刺手术状态进行判断，从而提高穿刺过程的安全性。

技术领域

本发明涉及腰椎导纳控制领域，尤其是涉及一种可捕捉腰椎穿刺组织层突破感的人机交互控制方法及系统。

背景技术

腰椎穿刺一直以来都是临床上的一种常见的操作技术，旨在抽取一定量的脑脊液标本、测定压力或是鞘内注射药物进行疾病的诊断与治疗。中枢神经系统炎症、脑血管疾病、各类型白血病、淋巴瘤等疾病的诊疗过程中都需要进行多次腰穿手术。据统计，儿童专科医院每年进行的腰椎穿刺手术量过万。对于个体而言，在疾病的诊断和治疗过程中，根据疾病严重性和危险度分组的不同，每个患儿一般会经历20-30场腰椎穿刺及鞘内注射化疗药物。目前，腰椎穿刺手术主要使用盲穿，医生根据手术过程中由穿破皮肤和黄韧带带来的两次突破感来判断手术针是否到达穿刺位置。手术效果完全依赖操作医生的经验，且在进针后无法保障穿刺位置和进针方向的稳定性。对于医生的临床经验及操作熟练度有着较高的要求，存在一定程度的医源性损伤隐患。一般来说，一次成功率低于60％，平均需要扎针5～6次才能成功获。反复的穿刺在给患儿带去巨大痛苦的同时也增加了术后感染的概率。此外，医生在手术过程中精神高度紧张、操作费力、疲劳感极大。一旦发生意外，很有可能会造成椎管组织损伤等医疗事故。

为减轻医生的操作负担并提高手术稳定性，能够智能感知医生操作意图从而辅助医生进行手术的控制算法具有着重要的研究价值。

早在1980s，就有研究团队开始将机器人应用于穿刺手术中，但大多应用于器官穿刺，且大多基于影像导航，并仍旧高度依赖医生的经验及操作。例如：将Puma200应用于脑部穿刺，Puma 560应用于前列腺穿刺，PAKY应用于肾脏穿刺等。尽管在过去的几十年内，医疗机器人系统的研发受到了广泛的关注，针对腰椎穿刺的手术机器人系统，尤其是针对婴幼儿腰椎穿刺的智能手术机器人系统的相关研究尚处于空白。