一种经腔道超声检查系统的制作方法

1.本发明涉及医疗设备领域，尤其是涉及医疗辅助超声检查机器人领域。


背景技术：

2.在机器人引导的微创手术中，由机器人操纵者把持一个或多个工具，为确保机器人不在患者的切口点上施加平移力，一些机器人在支点处实施远程运动中心(rcm)的运动。rcm运动强制在rcm点处仅能够执行旋转并且消除在该位置处的所有周向平移力。“rcm机器人”宽泛地涵盖具有限定远程运动中心的结构配置的任何机器人。
3.现有技术中，远程运动中心通常由rcm机器人的机械结构配置来定义，如cn204446127u一种腹腔镜微创手术机器人机械臂rcm机构、cn210019644u基于双平行四边形rcm机构的穿刺机器人的进针装置、cn112754662a一种变角度rcm执行机构及手术装置等，大多依靠双平行四边形机构实现rcm运动。其原理如图1所示，图1中abcdefg为关节节点，并在关节节点之间连接连杆ab、ad、bc、cg、dg、fg、ce、ef，组成双平行四边形结构，并以该双平行四边形结构握持手术工具，使手术工具围绕远程运动中心o点进行rcm运动。
4.依靠rcm机械结构实现rcm运动的主要优点为依靠机械结构保证，系统稳定性较高，故应用广泛，随着技术的发展，还有一些其他形式的机构，如弧形机械结构、球形机械结构等来实现rcm运动。但是，这些通过机械结构实现rcm运动的装置，均不可避免地存在以下问题：
5.1.灵活性低、通用性差：依靠rcm机械结构实现的rcm运动，受机械结构尺寸及原理限制，其rcm点相对机械结构是固定不变的，如图1中的o点，在不改变机械机构尺寸和硬件设计的前提下，rcm点无法改变，这使得此类结构的灵活性较低、通用性较差。
6.2.需要其他支撑机构：依靠rcm机构实现的rcm运动，该机构一般体积不能过大，所以需要与额外的支架连接，该支架可能是机械臂、固定支架等多种形式，由于需要额外设计支架，整体结构不够简便，且由于机械结构体积较大，机械结构彼此之间容易发生碰撞、干涉等问题。
7.上述问题在设计经腔道进行超声检查的机器人时(如经直肠超声检查)，尤为突出，这是因为：超声检查的病人情况各异，灵活性及通用性问题更加凸显，受人体腔道周围部位的干涉、以及受不同高低胖瘦的病人等限制较大；并且，针对不同腔道部位进行超声检查时，受机械结构的限制，设备的通用存在困难。并且，此类经腔道进行超声检查的机器人如配合其他设备使用，运动空间更为有限，rcm机械结构中的固定支架等部件带来的碰撞和干涉问题也更为凸显。因此，对于经腔道进行超声检查的机器人，如何解决已有技术中rcm运动的机械机构的上述问题，更好地实现控制超声探头在人体的腔道口处做远程中心运动(rcm)运动，使得rcm运动不受机构所限，更具通用性和灵活性，是重要的。


技术实现要素：

8.本发明系基于上述技术问题而提出的解决方案。
9.本发明提供了一种经腔道超声检查系统，包括：超声成像子系统，所述超声成像子系统包括超声探头，用于插入待检查腔道，并获取超声图像；机器人子系统，所述机器人子系统包括机械臂及其控制单元，所述机械臂带动所述超声探头在腔道内运动，以执行经腔道的超声检查；超声探头适配器及其控制单元，所述超声探头适配器一端固定在所述机械臂的末端，另一端连接所述超声探头；控制系统，所述控制系统与所述超声成像子系统、所述机械臂控制单元、所述超声探头适配器控制单元连接，控制所述超声探头在插入待检查腔道的过程中在rcm点约束范围内运动。
10.作为优选，所述控制系统还控制所述超声探头在安全范围内运动。
11.作为优选，所述超声检查系统还包括台车及其控制单元，所述机械臂固定在所述台车上，所述控制系统还与所述台车控制单元连接。
12.作为优选，所述rcm点的信息通过医生的示教获取。
13.作为优选，所述rcm点的信息通过读取标记点信息获取。
14.作为优选，所述超声检查系统还包括超声探头鞘套，所述超声探头鞘套外设置所述标记点，所述标记点为视觉标记点。
15.作为优选，所述超声探头适配器上设有图像传感器，用于读取所述视觉标记点的信息。
16.作为优选，所述超声探头可绕探头主体的轴线旋转，以获取360度视角范围内的超声图像。
17.作为优选，所述超声探头适配器带动所述超声探头绕探头主体的主轴线旋转。
18.作为优选，所述机器人子系统中还设有力矩传感器、位置传感器和/或追踪传感器，用于记录rcm点的力矩、位置信息。
19.本发明还提供一种经腔道超声检查系统的rcm运动控制方法，包括如下步骤：机械臂的初始定位步骤，rcm点及其位置信息确定步骤，以及超声探头在rcm点约束范围内沿腔道运动并执行超声检查的步骤。
20.作为优选，所述rcm点及其位置信息通过医生示教或读取视觉标记点获取。
21.作为优选，还包括确定安全范围的步骤，以及所述超声探头还在所确定的安全范围内运动。
22.作为优选，所述机械臂的初始定位步骤还包括选定机械臂目标姿态模式的步骤。
23.本发明针对背景技术中的上述问题，在经腔道超声检查的应用场景下，设计一种基于协作式机械臂的经腔道超声检查系统及其rcm运动控制方法，本发明提供的系统和方法，可以使用现在市面上发展成熟的6轴或7轴协作式机械臂，即可实现rcm运动控制，本发明可以动态设置rcm点，不受rcm点位置与机械结构位置固定的约束，可快速调整适用于多个部位腔道及不同体型病人检查。本发明提供的系统及rcm运动控制方法，简化了整体机构设计，适应性更广泛。
附图说明
24.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1是现有技术中基于机构实现的rcm运动方式示意图；
26.图2是根据本发明实施例提供的经腔道超声检查系统的主要组成结构示意图；
27.图3是根据本发明实施例提供的超声检查系统的主要结构组成示意图；
28.图4是根据本发明实施例提供的超声探头适配器及超声探头在人体腔道做rcm运动原理示意图；
29.图5是根据本发明实施例提供的经腔道超声检查系统进行rcm运动的控制方法的主要步骤示意图；
30.图6是根据本发明实施例提供的对机械臂进行初始定位的步骤示意图；
31.图7是根据本发明实施例提供的进行rcm点及安全范围示教的步骤示意图；
32.图8是根据本发明实施例提供的进行安全范围示教的原理图；
33.图9是根据本发明实施例提供的通过标记点获取rcm点信息的结构示意图；
34.图10是根据本发明实施例提供的rcm约束运动中校准步骤示意图；
35.图11是根据本发明实施例提供的rcm约束运动方式的原理示意图。
36.附图标记：
37.100-超声成像子系统，101-超声探头，102-超声成像设备；200-超声探头适配器，201-适配器主体，202-适配器控制单元；203-图像传感器；300-机器人子系统，301-机械臂，302-机械臂控制单元；400-控制系统；501-台车，502-台车控制单元；600-超声探头鞘套，601-视觉标记点。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。虽然本发明具体实施例部分详细描述了许多技术细节，但需知悉的是这些细节不构成对本发明保护范围的限制。基于本发明所公开的技术方案，本领域普通技术人员在未进行创造性劳动的前提下所作出的任何改进或变动，亦属于本发明的保护范围。
39.作为人体的自然腔道的示例，本技术描述实施例以针对直肠腔道的超声检查场景为例，然而，本领域技术人员应能理解，本技术的系统及控制方法同样可以适用于其他腔道(例如：消化道、泌尿道、生殖道、鼻腔、外耳道及鼻泪管等)的超声检查。
40.如图2所示，本发明实施例提供了一种经腔道超声检查系统，该系统包括超声成像子系统100，用于插入待检查的腔道，获取超声图像；超声探头适配器200，与超声成像子系统100中的超声探头连接；机器人子系统300，与超声探头适配器200连接；所述超声成像子系统100，所述超声探头适配器，以及所述机器人子系统均与控制系统连接通信，在控制系统的控制下，所述机器人子系统能够带动所述超声成像子系统的超声探头按照预定的轨迹运动，使得所述超声探头在插入待检查腔道的过程中绕rcm点运动。
41.如图3所示，经腔道超声检查系统包括控制系统400，该控制系统400为上位机控制系统，负责对系统的整体控制，该上位机控制系统与超声成像子系统100中的超声成像设备102连接，该上位机控制系统还与超声探头适配器200的适配器控制单元202连接，该上位机控制系统还与机器人子系统300中的机械臂控制单元302连接，以此方式，控制系统能够实时获取机械臂301的位置、力矩反馈信息、超声图像、超声探头适配器的位置信息，并进而控
制所述超声探头101进行rcm运动。
42.由于人体的待检查腔道通常为细长通道，本发明的经腔道超声检查系统中，超声成像子系统100，包括超声探头101，且超声探头101是形状细长的结构。包括细长且具有一定刚性的探头主体，以便插入待检查的腔道。在探头主体的前端装有成像传感器，以便在探头主体插入腔道的过程中，获取周围组织的超声图像。成像传感器可以是线阵成像传感器，也可以是凸阵成像传感器，可以为一个部件、也可以为多个部件，应当理解，所有能够安装于探头主体上并采集获取超声图像的成像传感器均可适用于本专利。作为优选，所述超声探头能够获取360度视角范围内的超声图像，可以通过选择具有该功能的超声探头(即探头内传感器可自行旋转的探头)、或者通过超声探头适配器201的旋转控制实现该功能。超声探头101连接至超声成像设备102，受超声成像设备102的驱动控制，并将采集的超声图像信号反馈至超声成像设备102。
43.机器人子系统300包括机械臂301和预编程有预定任务的控制单元302。其中，机械臂301固定在台车上，且提供对超声探头的支撑及运动控制。机械臂控制单元302可以是用于控制机器人在检查过程期间执行检查任务的任何装置。该控制单元可以完全由硬件实现，或它可以包括在存储器中的已编程模块。该控制单元可以包括单个中央控制器的数个相互联系的控制器。
44.机器人可以是例如多关节机器人。相应地，机械臂301可以是多关节，例如五轴、六轴的机器人。多关节机器人可以是包括一个以上的关节以及连接关节与另一个关节的零件(或者主体)的机器人，为了更灵活精准的控制，可以是六关节或七关节机器人。然而，这仅仅是举例说明，本发明的思想并不限定于此。因此，包括一个以上的驱动器以及一个以上的零件且按照控制信号工作的装置可以相当于本发明的机器人。
45.机械臂301可以包括一个或多个状况传感器。传感器可以例如是力/力矩传感器，该力/力矩传感器在检查过程期间用信号通知在机械臂的连接器或关节上的力和/或力矩。传感器也可以是跟踪传感器以在检查过程期间指示机械臂的末端的位置。传感器还可以是位置传感器以在检查过程期间指示支承臂的关节的位置。传感器还可以是检测何时有人抓握机械臂的末端附近的抓握传感器。
46.机械臂控制单元302，可以根据示教信息驱动机器人机械臂301的关节。控制部或控制单元可以包括如处理器等能够处理数据的所有种类的装置。在这里，“处理器”可以表示例如数据处理装置，其为了发挥以包含于程序内的代码或者命令表示的功能而具有物理地结构化的电路且内置于硬件。作为如此内置于硬件的数据处理装置的一例，可以包括微处理器、中央处理器、处理器核心、多重处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列等处理装置，但本发明的范围并不限定于此。
47.超声探头适配器200，包括适配器主体201以及适配器控制单元202，其中适配器主体201一端固定在机械臂301的末端，另一端连接超声探头101。通过超声探头适配器200，将超声探头101固定在机械臂301的末端，且作为优选，该适配器200可包含一个自由度，用于带动超声探头101绕着探头主体的主轴线旋转。
48.台车501及台车控制单元502，用于完成机械臂301与目标腔道位置的初定位。所述台车501在台车控制单元502的控制下，可至少包含一个自由度，完成机械臂301竖直方向的运动或包含3个自由度，控制机械臂301在竖直和水平方向可以移动。
49.尽管未图示出，但是应当理解，本发明实施例提供的超声检查系统还包括与控制系统400通信的用户输入，用于使用户启动预编程任务或输入用于控制的指令或参数信息。该用户输入可以包括用于言语启动任务的话筒和语音识别模块、用于激活机器人的脚踏板、和/或用于非言语启动任务的键盘。该输入还可以包括诸如按钮、鼠标、操纵杆、轨迹球、安装在头部的指示器或任何其它用户输入设备之类的物品。
50.以及，尽管未图示出，但是应当理解，本发明实施例提供的超声检查系统还包括显示部，显示部可以显示机器人子系统300的当前工作状态，以及超声成像子系统100所采集的超声图像等。因此，显示部可以表示显示图形、文字或者影像的显示装置。例如，显示部可以由阴极射线管crt，液晶显示器lcd，等离子显示板pdp，发光二极管led以及有机电致发光二极管oled中的任意一种构成，但本发明的思想并不限定于此。
51.输入部可以表示获取用户的输入的各种手段。例如，输入部可以是键盘、鼠标、轨迹球、麦克风以及按钮中的任意一种或者一种以上的组合。另外，输入部也可以表示在前述的在显示部上执行输入的触摸手段。只不过，这仅仅是举例说明，本发明的思想并不限定于此。
52.虽未图示，但根据本发明的一实施例的机器人子系统、以及超声成像子系统还可以包括通信部以及存储器。
53.图4所示，是根据本发明所示超声探头适配器201一端连接协作式机械臂301的末端，另一端连接超声探头101，带动超声探头101进入人体腔道c执行超声检查，其中超声探头101可沿图中箭头a所示方向前进或后退，并可沿着箭头r所示方向旋转，即基本绕探头主体的主轴线自转的方式运动，并且，在超声探头101插入人体腔道c的过程中，受图中所示rcm远心点(通常位于待检查腔道的腔道口)的约束，其运动过程为rcm运动。
54.图5所示，是根据本发明实施例提供的经腔道超声检查系统进行rcm运动的控制方法的主要步骤示意图。rcm运动控制方法的整体流程包括三个阶段：
55.步骤一，机械臂的初始定位。在该步骤中，通过移动台车501及对机械臂301整体的升降控制，使得机械臂301的末端位于与目标腔道匹配的位置。在初始定位步骤中采用台车可以灵活快速地适配于多种目标腔道位置，提升了方案的通用性。
56.步骤二，rcm点及其位置信息确定。在该步骤中，确定rcm点，并将rcm点的位置信息反馈至控制系统400。该rcm点的位置信息可以通过医生移动机械臂301进行示教的方式获得，也可以通过其他类似的方式获得。
57.作为示例，如图9所示，所述超声检查系统还包括超声探头鞘套600，该鞘套600在超声检查过程中，与超声探头101匹配，适于预先插入腔道，提供物理支撑、以及耦合剂供应的功能。鞘套600整体为细长筒状，在插入腔道后外端部位于腔道口附近的位置。在鞘套的外端部可设置视觉标记点601用于定位，并通过设在探头适配器201上的图像传感器203(例如相机)读取视觉标记点601的信息，进而获取rcm点的位置信息；该视觉标记点601优选成对设置，其设置数量可根据需要调整。
58.步骤三，安全范围确定。在该步骤中，基于步骤二中所确定的rcm点的约束，可选择进一步移动机械臂301，示教可运动的范围约束或力矩约束，作为系统的安全范围数据。该步骤作为优选步骤，可以进一步提升系统整体的安全性，解决串联机械臂用于rcm运动时安全性较低的问题。
59.步骤四，在rcm点约束范围内沿腔道运动执行超声检查。在完成对机械臂301的rcm示教后，机械臂301带动超声探头101按照设定的轨迹完成超声检查任务，实现超声三维重建等需要的数据采集过程。
60.相比现有大多数依靠rcm机构实现rcm运动的手术机器人，本发明提供的超声检查系统，能够实现在rcm点约束范围内的自动超声检查，其rcm点可以根据医生的示教或标记点等可以动态设置，不受rcm点位置与机械结构位置固定的约束，可快速调整适用于多个部位腔道及不同体型病人检查。机械臂同时完成支撑定位及rcm运动的功能，简化整体机构设计，适应性更广泛。并且通过rcm点示教的控制方法提升串联机械臂完成rcm运动时的安全性问题。
61.下面结合图6-图10对本发明提供的超声检查系统的rcm运动控制方法进行更详细的阐述。
62.图6所示，是对机械臂301进行初始定位的主要步骤示意图。
63.考虑到使用本发明所提供的超声检查系统进行经腔道的超声检查时，病人的体积、姿态、腔道的部位不同，故机械臂301需要能够实际情况调整其初始摆放的位置姿态。
64.步骤s11：移动台车501到目标位置附近。该步骤可以是人工推动或自动移动均可，目标位置是指待检查的患者附近，靠近患者的腔道入口但仍有一定调整距离的位置。通过该步骤，将包括机械臂及超声探头的设备主体快速移动至患者附近。
65.步骤s12：根据目标腔道的位置选定机械臂301选定机械臂目标姿态模式；
66.步骤s13：控制系统400控制机械臂301移动到目标姿态模式；
67.步骤s14：进一步移动台车501，以便调整机械臂301的基座位置，使得机械臂301的末端可以到达目标腔道；
68.步骤s15：微调机械臂301的姿态，使得机械臂301工作时可满足其他外部空间要求；
69.步骤s16：控制系统400确认机械臂基座位置及当前位姿。
70.其中步骤s12以及步骤s13中的目标姿态模式根据目标腔道的不同进行分类，主要基于目标腔道的方向，例如，可分为目标腔道开口水平、目标腔道开口竖直向上、目标腔道开口位置竖直向下三种姿态模式。根据不同的姿态模式，可以获取机械臂301末端所要朝向的基准方向。在本发明中，基准方向可以表示尽管机器人的姿势按照示教发生变化，机器人的末端也要朝向的方向。此时，基准方向可以是例如相对于三维空间上的作业面垂直的方向或者朝南方向。这种基准方向可以通过用户对基准方向的示教获取。例如，为使机器人的末端朝向自己所设定的基准方向，用户可以通过对包括末端在内的机器人的各零件进行物理操作而设定基准方向。另外，基准方向也可以通过用户对输入部的操作来获取。例如，用户通过输入部生成对机器人的至少一个关节的控制信号，并传递给各个关节，从而可以设定基准方向。只不过，这仅仅是举例说明，本发明的思想并不限定于此。
71.图7所示，是以示教方式确定rcm点的过程示意图。
72.步骤s21：将超声探头适配器主体201安装在机械臂301的末端，并将超声探头101安装在超声探头适配器主体201上。
73.以此方式，可以在常规的机械臂装置上附加一个根据本发明的超声探头适配器，即可实现对超声探头的rcm运动控制，极大地提高了便利性和通用性。所述超声探头适配器
主体201可以是能够实现上述功能的任意机械结构，该适配器主体201需连接控制单元202，或者作为可选的，适配器的控制单元202设置在在适配器主体201内部。
74.所述适配器200同时用于确定超声探头101与机械臂301的相对位置关系，可通过适配器200的固定机械尺寸及机械尺寸已知的超声探头101来确定超声探头101的末端相对于机械臂301末端的位置关系。当通过超声探头适配器200所固定的超声探头101的机械尺寸未知时(如未知机械尺寸的超声探头安装到适配器时)，可通过传统的标定方法(如机械臂工具坐标系六点标定法等)，对超声探头的工作区域起始位置和终点位置为工具坐标系原点的工具坐标系进行标定，以获得超声探头相对于机械臂末端的位置关系。
75.在所述适配器主体上，还可设置传感器，该传感器可以是力/力矩传感器、追踪传感器、位置传感器、抓握传感器中的一种或多种。上述传感器测得的数据，传输至所述适配器控制单元202。
76.步骤s22：拖拽超声探头适配器201，到超声探头101触碰到目标rcm点的位置，该位置通常为腔道入口，例如对于经直肠超声检查，该位置则选择为肛门孔附近。
77.步骤s23：在超声探头101触碰到目标腔道的rcm点时，通过超声检查系统的输入装置，确认该rcm点的位置并记录；
78.步骤s24：通过超声检查系统的输入装置，启动rcm运动的安全范围示教，此时，机械臂301进入rcm约束状态；
79.步骤s25：拖拽机械臂301绕rcm点运动，并确认多个方向的安全位置；
80.步骤s26：控制系统记录步骤s24中每个方向的范围角度以及移动过程中的力矩信息等参数。
81.在步骤s26结束后，rcm点以及安全范围的示教过程结束，超声检查系统已经记录了rcm点的位置信息以及安全范围的相关信息(各个方向的范围角度、力矩等)。
82.参见图8，是根据本发明实施例提供的超声检查系统的安全范围获取方法的原理示意图，作为待检查腔道，人体的自然腔道开口呈光滑的曲线封闭开口，如图8中所示大体圆柱形的腔道，且腔道具有虚拟轴线。超声探头101运动的rcm点位于该虚拟轴线上，并位于腔道口附近。
83.在前述步骤s26中，记录每个方向的范围角度以及探头移动过程中的力矩信息等参数后，对安全运动范围的获取可通过使用穿过示教点的封闭的近似光滑的曲线快速获得。例如：图8中所示，在s26中记录获得的角度信息包括a1、a2、a3、a4，作为优选，所获得的角度数值最好是散布在360度范围内的角度值；a1、a2、a3、a4是示教过程中依次获得的角度值，记录每个角度值(a1、a2、a3、a4)位置的力矩信息，以及探头101从a1运动至a2、再运动至a3、再运动至a4的过程中力矩变化信息。
84.根据上述角度值、力矩信息、力矩变化信息，可以确定安全范围，即图8中以rcm点为定点，以超声探头101的末端虚拟位置为底面的虚拟圆锥的范围。机械臂301控制超声探头101进行rcm运动时，不能超出该安全运动范围。
85.作为优选，还可设置安全力矩约束范围，当超声探头101需要做rcm运动到某个位置时，其力矩范围为考虑安全系数后的示教点的力矩范围。当超出安全运动范围和安全力矩范围的约束时，超声检查系统将报警提示人工介入干预。
86.考虑经腔道超声检查如直肠超声检查时可使用鞘套的特点，步骤s22中人工拖拽
探头示教rcm远心点的过程也可通过设计鞘套上的定位装置(例如视觉标记点601)完成rcm点的自动识别。图9所示是通过识别视觉标记点的方式确定rcm点的结构及原理示意图。如前所述，所述超声检查系统还包括超声探头鞘套600，该鞘套600在超声检查过程中，与超声探头101匹配，适于预先插入腔道c，提供物理支撑、以及耦合剂供应的功能。鞘套600整体为细长筒状，在插入腔道c后外端部位于腔道口附近的位置。在鞘套的外端部可设置视觉标记点601用于定位，并通过设在探头适配器201上的图像传感器203(例如相机)读取视觉标记点601的信息，进而获取rcm点的位置信息；该视觉标记点601优选成对设置，其设置数量可根据需要调整。视觉标记点还可以是如二维码等，图像传感器203能够读取视觉标记点的信息，完成rcm点空间位置的自动识别。
87.下面结合图10至图11对本发明提供的超声检查系统在rcm点约束范围内运动的控制方式的实施例进行说明。
88.如前所述，在控制系统400获取并确定rcm点位置信息以及安全运动范围后，所述超声检查系统即可在rcm点约束范围内运动，执行超声检查。步骤包括：
89.校准，如图10所示，以超声探头101的末端位置作为机械臂301工具坐标系的原点；并获取rcm远心点在机械臂301的坐标系下的空间位置坐标p_rcm；
90.进一步地，如图11所示，当超声探头101需要从初始位置姿态运动至目标位置姿态时，所述机械臂301以及所述超声探头适配器201带动超声探头101沿原工具坐标系原点按照如下步骤运动：
91.作为示例，已知当前rcm点的空间坐标位置为p_rcm(该位置为在工具坐标系tcp_1中的位置坐标)，通过机械臂控制超声探头101在满足当前rcm点约束的条件下，使探头末端从当前位置p_end移动到目标位置p_end
′
，运动步骤如下：
92.步骤s41：驱动超声探头101绕当前rcm点(p_rcm)偏转角度w；
93.步骤s42：驱动超声探头101沿原工具坐标系(tcp_1)中的超声探头轴向方向移动距离|p_end-p_rcm|，到达目标位置p_end；
94.步骤s43：在步骤s42之后，更新机械臂工具坐标系tcp_1为新的工具坐标系tcp_1
′
；
95.步骤s44：超声探头101移动到目标位置p_end
′
的运动完成。
96.其中：
97.w为目标位置点与当前rcm点之间的空间直线，与当前位置点与当前rcm点的空间直线之间的夹角，其包含绕以当前rcm点为工具坐标系原点的x、y、z三个坐标轴的旋转角度分量；
98.p_end即为超声探头末端的当前位置，p_end
′
为超声探头末端的目标位置；
99.p_rcm即为当前的rcm约束点，同时也是当前机械臂的工具坐标系tcp_1原点的空间位置；
100.p_start为超声探头安装的初始位置，即超声探头可以插入腔道内的极限位置，p_start到p_end即为超声探头理论上可以插入腔道内的全部位置；
101.当超声探头末端从当前位置p_end移动到目标位置p_end
′
后，rcm约束点的空间位置p_rcm
′
仍等于运动前rcm约束点的空间位置p_rcm，即p_rcm
′
＝p_rcm，但是移动后的工具坐标系tcp_1
′
相对于运动前发生了改变，即图11中p_rcm
′
相当于p_start
′
的相对位置较运
动前的相对位置发生了改变，故需要更新用户坐标系到新的位置tcp_1
′
。
102.在完成上述运动后，超声探头101在更新的工具坐标系tcp_1
′
下，继续按照相似的方式，围绕rcm点旋转、移动至下一个目标位置p_end
″
，并更新机械臂工具坐标系为新的工具坐标系tcp_1
″
。
103.本发明所提供的经腔道超声检查系统及其rcm运动控制方法能够实现机器人远程中心运动控制，使用现在市面上发展成熟的6轴或7轴协作式机械臂，在末端加上与超声探头连接的适配器，同时设置rcm点及安全限制范围，可以动态设置rcm点，不受rcm点位置与机械结构位置固定的约束，可快速调整适用于多个部位腔道及不同体型病人检查。本发明提供的系统和方法，简化了整体机构设计，适应性更广泛。
104.需说明的是，上述步骤顺序仅为清晰说明本实施例而进行的说明，不构成对处理步骤先后的限制。实际上，上述步骤可以以不同的顺序完成，本领域技术人员根据需要进行调整即可，且可添加和/或删除某些步骤，其中部分步骤还可包含若干子步骤，对于较为常规的处理步骤本文不再赘述。若有利于处理，还可重复上述某些步骤。
105.本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
106.以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明的发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种经腔道超声检查系统，包括：超声成像子系统，所述超声成像子系统包括超声探头，用于插入待检查腔道，并获取超声图像；机器人子系统，所述机器人子系统包括机械臂及其控制单元，所述机械臂带动所述超声探头在腔道内运动，以执行经腔道的超声检查；超声探头适配器及其控制单元，所述超声探头适配器一端固定在所述机械臂的末端，另一端连接所述超声探头；控制系统，所述控制系统与所述超声成像子系统、所述机械臂控制单元、所述超声探头适配器控制单元连接，控制所述超声探头在插入待检查腔道的过程中在rcm点约束范围内运动。2.根据权利要求1所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述控制系统还控制所述超声探头在安全范围内运动。3.根据权利要求1所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述超声检查系统还包括台车及其控制单元，所述机械臂固定在所述台车上，所述控制系统还与所述台车控制单元连接。4.根据权利要求1所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述rcm点的信息通过医生的示教获取。5.根据权利要求1所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述rcm点的信息通过读取标记点信息获取。6.根据权利要求5所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述超声检查系统还包括超声探头鞘套，所述超声探头鞘套外设置所述标记点，所述标记点为视觉标记点。7.根据权利要求6所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述超声探头适配器上设有图像传感器，用于读取所述视觉标记点的信息。8.根据权利要求1所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述超声探头可绕探头主体的主轴线旋转，以获取360度视角范围内的超声图像。9.根据权利要求8所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述超声探头适配器带动所述超声探头绕探头主体的轴线旋转。10.根据权利要求1所述的经腔道超声检查系统，其特征在于：所述超声检查系统还设有力矩传感器、位置传感器和/或追踪传感器，用于记录rcm点的力矩、位置信息。11.一种经腔道超声检查系统的rcm运动控制方法，包括如下步骤：机械臂的初始定位步骤，rcm点及其位置信息确定步骤，以及超声探头在rcm点约束范围内沿腔道运动并执行超声检查的步骤。12.根据权利要求11所述的经腔道超声检查系统的rcm运动控制方法，其特征在于：所述rcm点及其位置信息通过医生示教或读取视觉标记点获取。13.根据权利要求11或12所述的经腔道超声检查系统的rcm运动控制方法，其特征在于：还包括确定安全范围的步骤，以及所述超声探头还在所确定的安全范围内运动。14.根据权利要求11或12所述的经腔道超声检查系统的rcm运动控制方法，其特征在于：所述机械臂的初始定位步骤还包括选定机械臂目标姿态模式的步骤。

技术总结
本发明提供了一种经腔道超声检查系统，包括：超声成像子系统，包括超声探头，用于插入待检查腔道，并获取超声图像；机器人子系统，包括机械臂及其控制单元，所述机械臂带动所述超声探头在腔道内运动，以执行经腔道的超声检查；超声探头适配器及其控制单元，所述超声探头适配器一端固定在所述机械臂的末端，另一端连接所述超声探头；控制系统，与所述超声成像子系统、所述机械臂控制单元、所述超声探头适配器控制单元连接，控制所述超声探头在插入待检查腔道的过程中在RCM点约束范围内运动，本发明可以动态设置RCM点，可快速调整适用于多种部位腔道及不同体型病人检查，简化整体机构设计，具有更广泛的适应性。具有更广泛的适应性。具有更广泛的适应性。


技术研发人员：史轶伦 史策 赵静 陈文波
受保护的技术使用者：北京智愈医疗科技有限公司
技术研发日：2021.12.16
技术公布日：2022/3/8