基于目标自动跟踪的手术无影灯及其控制方法技术

本发明专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯，包括X轴左移动平台、X轴右移动平台、Y轴移动平台、灯座、超声波发射器、X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及控制电路，特征在于：Y轴移动平台上固定有Z1、Z2和Z3步进电机，其输出杆经万向节与灯座相连接；灯座的下表面上设置有三个用于接收超声波发射器信号的超声波接收模块A、B和C。本发明专利技术无影灯控制方法，包括：a).设备安装；b).初始姿态调整；c).照射位置粗定位；d).精准定位；e).亮度控制。本发明专利技术的无影灯及方法，通过超声波接收模块实现照射位置的粗定位，通过语音指令实现精准定位，解决了无影灯需人工频繁调节的弊端，保证了手术的顺利进行、提高了手术效率。

Operative Shadowless Lamp Based on Automatic Target Tracking and Its Control Method

The operation shadowless lamp based on automatic target tracking includes X-axis left moving platform, X-axis right moving platform, Y-axis moving platform, lamp holder, ultrasonic transmitter, X-axis driving mechanism, Y-axis driving mechanism and control circuit. The feature of the invention is that Z1, Z2 and Z3 stepping motors are fixed on the Y-axis moving platform, and the output rod is connected with the lower surface of the lamp holder through universal joints. There are three ultrasonic receiving modules A, B and C for receiving the signal of the ultrasonic transmitter. The shadowless lamp control method of the invention includes: a). equipment installation; b). initial attitude adjustment; c). coarse positioning of irradiation position; d). precise positioning; e). brightness control. The shadowless lamp and the method of the invention realize rough positioning of the irradiation position through the ultrasonic receiving module and precise positioning by voice command, which solves the drawback of frequent manual adjustment of the shadowless lamp, ensures the smooth operation and improves the operation efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于目标自动跟踪的手术无影灯及其控制方法
本专利技术涉及一种手术无影灯及其控制方法，更具体的说，尤其涉及一种基于目标自动跟踪的手术无影灯及其控制方法。
技术介绍
手术无影灯用来照明手术部位，以最佳地观察处于切口和体腔中不同深度的小的、对比度低的物体。由于施手术者的头、手和器械均可能对手术部位造成干扰阴影，因而手术无影灯就应设计得能尽量消除阴影，并能将色彩失真降到最低程度。目前我国的医疗自动化普及程度较低，市场上得无影灯比较固化，不能随着手术的进程而自动调节无影灯照射得位置，操作不灵活。现有的手术无影灯基本完全依靠手动调节照射位置，尤其是遇到十分紧急的手术，在手术进行过程中需要频繁调节，会影响手术进度和连续性，既不利于手术的快速完成，也会影响手术的效果。
技术实现思路
本专利技术为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种基于目标自动跟踪的手术无影灯及其控制方法。本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯，包括X轴左移动平台、X轴右移动平台、Y轴移动平台、灯座、超声波发射器、X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及控制电路，X轴驱动机构由于驱使X轴左移动平台、X轴右移动平台和Y轴移动平台沿X轴方向同步运动，Y轴驱动结构用于驱使Y轴移动平台沿Y轴方向同步运动，X轴与Y轴垂直；灯座上设置有无影灯；其特征在于：所述Y轴移动平台的下表面上固定有输出杆均竖直朝下的Z1步进电机、Z2步进电机和Z3步进电机，Z1、Z2和Z3步进电机的输出杆的下端均通过万向节与灯座相连接；无影灯设置于灯座的下表面上，灯座的下表面上设置有三个用于接收超声波发射器信号的超声波接收模块A、超声波接收模块B和超声波接收模块C。本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯，所述Z1步进电机、Z2步进电机和Z3步进电机成等边三角形分布，所述超声波接收模块A与超声波接收模块B的连线与超声波接收模块A与超声波接收模块C的连线互相垂直。本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯，所述X轴驱动机构由X轴左导轨、X轴右导轨、X轴丝杠和X轴步进电机组成，X轴左导轨、X轴右导轨和X轴丝杠互相平行，X轴步进电机固定于第一底座上，X轴丝杠的一端固定于X轴步进电机的输出轴上，另一端经轴承固定于第二底座上，X轴左导轨的两端分别第一底座和第二底座上，X轴右导轨的两端分别固定于第三底座和第四底座上；X轴左移动平台上开设有与X轴左导轨相配合的开槽，X轴右移动平台上开设有与X轴右导轨相配合的导向槽，X轴左移动平台上固定有与X轴丝杠相配合的第二螺母；第一底座、第二底座、第三底座和第四底座固定于手术室的房顶上。本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯，所述Y轴驱动机构由Y轴导轨、Y轴丝杠和Y轴步进电机组成，Y轴导轨与Y轴丝杠相互平行，Y轴导轨的两端分别固定于X轴左移动平台和X轴右移动平台上，Y轴步进电机固定于X轴左移动平台上，Y轴丝杠的一端固定于Y轴步进电机的输出轴上，另一端经轴承固定于X轴右移动平台上；Y轴移动平台上固定有与Y轴丝杠相配合的第一螺母，Y轴移动平台上开设有与Y轴导轨相配合的导向槽。本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯，所述控制电路由微控制器及与其相连接的电源模块、按键模块、语音采集模块、亮度调节模块组成，微控制器经语音采集模块采集外界发出的语音指令，经亮度调节模块对无影灯进行控制；所述超声波接收模块A、超声波接收模块B和超声波接收模块C的输出信号接于微控制器的输入端，微控制器的输出端对X轴步进电机、Y轴步进电机、Z1步进电机、Z2步进电机和Z3步进电机的工作状态进行控制。本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯的控制方法，其特征在于，通过以下步骤来实现：a).设备安装，手术无影灯的X轴驱动机构、Y轴驱动机构和灯座组装完毕后，将设备的第一底座、第二底座、第三底座和第四底座固定于手术室房顶的合适位置，实现手术无影灯设备的安装；b).初始姿态调整，手术无影灯设备开启后，Z1步进电机、Z2步进电机和Z3步进电机驱使灯座调整至水平状态，此时灯座上的无影灯垂直向下照射；c).照射位置粗定位，以超声波接收模块A为原点、超声波接收模块A与超声波接收模块B的连线方向为X轴、超声波接收模块A与超声波接收模块C的连线方向为Y轴、竖直朝下为Z轴，建立空间直角坐标系o-XYZ，并设超声波接收模块A、超声波接收模块B和超声波接收模块C的坐标分别为(0,0,0)、(x2,0,0)、(0,y3,0)；将超声波发射器放置于病人待手术位置，设超声波发射器的位置坐标为（x,y,z）；超声波接收模块A、超声波接收模块B和超声波接收模块C通过接收超声波发射器发出的无线信号，即可求取超声波发射器与超声波接收模块A、超声波接收模块B和超声波接收模块C的距离，设其距离分别L2、L1、L3；则可获得关系式（1）、（2）和（3）：x2+y2+z2=L22（1）(x-x2)2+y2+z2=L12（2）x2+(y-y2)2+z2=L32（3）根据关系式（1）、（2）和（3）可求取x、y和z的值，即确定出了待照射位置的坐标为（x,y,z），通过X轴步进电机、Y轴步进电机以及Z1步进电机、Z2步进电机和Z3步进电机控制无影灯运动至照射点为（x,y,z）的位置处，实现对无影灯照射位置的粗定位；d).无影灯的精准定位，在手术过程中，手术人员通过发出“向前照射”、“向后照射”、“向左照射”、“向右照射”的语音控制命令，通过Z1步进电机、Z2步进电机和Z3步进电机来控制无影灯的照射方向，来实现对无影灯照射位置的微调，实现精准照明；e).亮度控制，在手术过程中，手术人员通过发出“灯光调暗”、“灯光调亮”的语音控制命令，来对无影灯的亮度进行调节。本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯的控制方法，步骤d)中，在手术人员发出“向前照射”的语音控制命令后，则控制Z1步进电机和Z2步进电机的输出杆同时收缩，以控制无影灯向前照射；在手术人员发出“向后照射”的语音控制命令后，则控制Z3步进电机的输出杆伸长，以控制无影灯向后照射；在手术人员发出“向左照射”的语音控制命令后，则控制Z2步进电机的输出杆伸长，以控制无影灯向左照射；在手术人员发出“向右照射”的语音控制命令后，则控制Z1步进电机的输出杆伸长，以控制无影灯向右照射。本专利技术的有益效果是：本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯及其控制方法，无影灯的灯座经3个成等边三角形分布的Z1、Z2和Z3步进电机固定于Y轴移动平台上，不仅实现了无影灯在高度方向上的位置调节，而且还可对无影灯的照射方向（前后和左右）进行调节；通过X轴驱动机构和Y轴驱动机构，实现了无影灯在空间平面内的位置调节；通过在无影灯底座的下表面上设置3个超声波接收模块A、B和C，通过3个超声波接收模块对放置于待手术位置的超声波发射器的信号接收，可确定出待手术位置的坐标，进而驱动无影灯运动至待手术位置，实现照射位置的粗定位；术中，通过识别手术人员的语音制冷，通过Z1、Z2和Z3步进电机可对无影灯的照射方向进行微调，实现精准照明，解决了现有无影灯需人工手动频繁调节的弊端，保证了手术的顺利进行、提高了手术效率。附图说明图1为本专利技术的基于目标自动跟踪的手术无影灯的结构示意图；图2为本专利技术中控制电路的原理图；图3为本专利技术中利用超声波发射器进行粗定位的原理图。图中：1X轴左移动平台，2X轴右移动平本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于目标自动跟踪的手术无影灯，包括X轴左移动平台（1）、X轴右移动平台（2）、Y轴移动平台（3）、灯座（4）、超声波发射器（24）、X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及控制电路，X轴驱动机构由于驱使X轴左移动平台、X轴右移动平台和Y轴移动平台沿X轴方向同步运动，Y轴驱动结构用于驱使Y轴移动平台沿Y轴方向同步运动，X轴与Y轴垂直；灯座上设置有无影灯；其特征在于：所述Y轴移动平台的下表面上固定有输出杆（12）均竖直朝下的Z1步进电机（9）、Z2步进电机（10）和Z3步进电机（11），Z1、Z2和Z3步进电机的输出杆的下端均通过万向节（13）与灯座（4）相连接；无影灯设置于灯座的下表面上，灯座的下表面上设置有三个用于接收超声波发射器信号的超声波接收模块A（26）、超声波接收模块B（27）和超声波接收模块C（28）。

【技术特征摘要】
1.一种基于目标自动跟踪的手术无影灯，包括X轴左移动平台（1）、X轴右移动平台（2）、Y轴移动平台（3）、灯座（4）、超声波发射器（24）、X轴驱动机构、Y轴驱动机构以及控制电路，X轴驱动机构由于驱使X轴左移动平台、X轴右移动平台和Y轴移动平台沿X轴方向同步运动，Y轴驱动结构用于驱使Y轴移动平台沿Y轴方向同步运动，X轴与Y轴垂直；灯座上设置有无影灯；其特征在于：所述Y轴移动平台的下表面上固定有输出杆（12）均竖直朝下的Z1步进电机（9）、Z2步进电机（10）和Z3步进电机（11），Z1、Z2和Z3步进电机的输出杆的下端均通过万向节（13）与灯座（4）相连接；无影灯设置于灯座的下表面上，灯座的下表面上设置有三个用于接收超声波发射器信号的超声波接收模块A（26）、超声波接收模块B（27）和超声波接收模块C（28）。2.根据权利要求1所述的基于目标自动跟踪的手术无影灯，其特征在于：所述Z1步进电机（9）、Z2步进电机（10）和Z3步进电机（11）成等边三角形分布，所述超声波接收模块A（26）与超声波接收模块B（27）的连线与超声波接收模块A与超声波接收模块C（28）的连线互相垂直。3.根据权利要求1或2所述的基于目标自动跟踪的手术无影灯，其特征在于：所述X轴驱动机构由X轴左导轨（14）、X轴右导轨（15）、X轴丝杠（16）和X轴步进电机（17）组成，X轴左导轨、X轴右导轨和X轴丝杠互相平行，X轴步进电机固定于第一底座（20）上，X轴丝杠的一端固定于X轴步进电机的输出轴上，另一端经轴承（19）固定于第二底座（21）上，X轴左导轨的两端分别第一底座和第二底座上，X轴右导轨的两端分别固定于第三底座（22）和第四底座（23）上；X轴左移动平台上开设有与X轴左导轨相配合的开槽，X轴右移动平台上开设有与X轴右导轨相配合的导向槽，X轴左移动平台上固定有与X轴丝杠（16）相配合的第二螺母（18）；第一底座、第二底座、第三底座和第四底座固定于手术室的房顶上。4.根据权利要求3所述的基于目标自动跟踪的手术无影灯，其特征在于：所述Y轴驱动机构由Y轴导轨（5）、Y轴丝杠（6）和Y轴步进电机（7）组成，Y轴导轨与Y轴丝杠相互平行，Y轴导轨的两端分别固定于X轴左移动平台（1）和X轴右移动平台（2）上，Y轴步进电机固定于X轴左移动平台上，Y轴丝杠的一端固定于Y轴步进电机的输出轴上，另一端经轴承固定于X轴右移动平台上；Y轴移动平台（3）上固定有与Y轴丝杠相配合的第一螺母（8），Y轴移动平台上开设有与Y轴导轨相配合的导向槽。5.根据权利要求1或2所述的基于目标自动跟踪的手术无影灯，其特征在于：所述控制电路由微控制器（29）及与其相连接的电源模块（30）、按键模块（31）、语音采集模块（32）、亮度调节模块（33）组成，微控制器经语音采集模块采集外界发出的语音指令，经亮度调节模块对无影灯进行控制；所述超声波接收模块A（26）、超声波接收模块B（27）...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁建，乔锰，潘为刚，李维一，
申请(专利权)人：济南市第四人民医院，山东交通学院，
类型：发明
国别省市：山东,37