本发明专利技术提供颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统、电子设备及存储介质，其中，系统包括：六维力传感器安装于神经外科开颅手术钻头末端，六维力传感器坐标系的z轴方向与神经外科开颅手术钻头的轴线方向对齐；安装后的六维力传感器和神经外科开颅手术钻头接到机器人末端法兰盘上，神经外科手术钻头的轴线与机器人末端工具坐标系的z轴保持平行；主机通过所述进给力数据来判断所述神经外科开颅手术钻头是否已经钻透了颅骨，进而控制所述机器人是否停止向前运动。实现了机器人装载开颅手术钻头沿直线进行钻孔并且钻透颅骨后能及时检测到进给方向力传感器信号的变化，识别出钻头已经钻破了颅骨，并控制机器人自动停止钻孔、自动将钻头退出从而保护硬脑膜。头退出从而保护硬脑膜。头退出从而保护硬脑膜。
【技术实现步骤摘要】
颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统、电子设备及存储介质
[0001]本专利技术属于手术机器人领域，尤其涉及颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统、电子设备及存储介质。
技术介绍
[0002]脑膜瘤、胶质瘤、颅脑创伤等疾病的治疗，需要开颅为后续的神经外科手术干预打开手术的入路、通道。随着我国逐渐步入老龄化社会，心脑血管疾病的发病率也在提高。根据迈普医学招股书披露的数据，2019年，我国的神经外科开颅手术数量在70台左右，预计至2022年增至93万台。在神经外科手术操作的过程中，开颅操作需要医生长时间保持专注。颅骨的打开、闭合占据近半的手术时间，极易发生硬膜损伤、出血、脑脊液漏等并发症，开颅手术对医生操作技能要求高、培养一个优秀的神经外科医生动辄需要10余年的时间。
[0003]目前临床上使用的颅骨钻孔方法由医生手持神经外科开颅手术钻对患者的颅骨进行钻孔。由医生手持开颅手术钻进行颅骨钻孔，通过感受开颅过程中力的变化来停止钻孔。传统神经外科医生手工钻孔组织损伤的普遍发生率30％左右。医生手工操作不能精确地控制进给的速度和力。而机器人可以精确地控制进给的速度和力，目前六维力传感器的感知频率可以轻松达到500HZ，可以感知在0.002s内力的变化，而人反应的极限在0.1s，中间有两个数量级的差距，利用机器人替代神经外科医生进行钻孔、利用六维力传感器感知钻进过程中力的变化将更具有优势。
[0004]目前市面上商用的神经外科机器人主要用于立体定向手术帮助医生夹持、固定手术机械，并不直接参与开颅等侵入性操作。此外，相关技术中神经外科开颅手术机器人采取的是人机协作进行开颅的方式。
技术实现思路
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出一种颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统、电子设备及存储介质的技术方案，以解决上述技术问题。
[0006]本专利技术第一方面公开了一种颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统；所述系统包括：
[0007]所述系统包括：机器人、工业以太网交换机、主机、六维力传感器、神经外科开颅手术钻头和机器人末端法兰盘；
[0008]所述六维力传感器安装于所述神经外科开颅手术钻头末端，所述六维力传感器坐标系的z轴方向与所述神经外科开颅手术钻头的轴线方向对齐；安装后的六维力传感器和神经外科开颅手术钻头接到所述机器人末端法兰盘上，所述神经外科手术钻头的轴线与机器人末端工具坐标系的z轴保持平行；
[0009]所述机器人通过所述工业以太网交换机与主机连接，所述六维力传感器通过所述工业以太网交换机与主机连接，所述六维力传感器将钻孔过程中神经外科开颅手术钻头的进给力数据传送到所述主机，主机通过所述进给力数据来判断所述神经外科开颅手术钻头是否已经钻透了颅骨，进而在所述神经外科开颅手术钻头已经钻透了颅骨时，控制所述机
器人停止向前运动。
[0010]根据本专利技术第一方面的技术，所述神经外科开颅手术钻头的转速设置为：在整个颅骨钻孔的过程中始终保持最大转速。
[0011]根据本专利技术第一方面的技术，机器人末端装载神经外科开颅手术钻头钻孔时的姿态、运动约束包括：
[0012]机器人钻孔时，机器人末端的六个自由度约束成一个直线运动自由度，沿着一条直线钻孔。
[0013]根据本专利技术第一方面的技术，所述机器人钻孔时，机器人末端的六个自由度约束成一个直线运动自由度的方法包括：
[0014]机器人的末端姿态相对于机器人基坐标变换的轴角表示：
[0015][rx*θ,ry*θ,rz*θ][0016]将机器人的末端姿态的z轴投影到机器人的基坐标系，在机器人的基坐标系下进行控制，即也是所述神经外科开颅手术钻头的轴线投影至所述机器人的基坐标系；
[0017][zx,zy,zz]＝[rx*rz*(1
‑
cosθ)
‑
ry*sinθ,ry*rz(1
‑
cosθ)+rx*sinθ,rz*rz(1
‑
cosθ)+cosθ][0018]在机器人运动时，所述机器人的末端的六个自由度[x,y,z,rx,ry,rz]的速度选取为[zx,zy,zz,0,0,0]*0.1mm/s，机器人钻孔时的运动将会被约束到一条直线上；
[0019]其中，
[0020]rx,ry,rz为机器人末端工具坐标系变换到机器人的基坐标系的转轴在机器人基坐标系的表示；
[0021]θ为机器人的基坐标系与机器人的工具姿态坐标系绕着上述转轴变换的角度；
[0022]zx,zy,zz为机器人的末端姿态的z轴投影到机器人基坐标系，在机器人的基坐标系下x，y，z三个轴的分量，同时也是神经外科开颅手术钻头轴线方向的单位向量在机器人基坐标系的投影分量。
[0023]根据本专利技术第一方面的技术，所述机器人钻孔时最大末端运动的速度的限制为0.1mm/s。
[0024]根据本专利技术第一方面的技术，所述机器人钻孔时，接触力的阈值设置为60N；
[0025]如果检测到接触力大于60N，则将末端运动的速度由0.1mm/s直接调节到0mm/s，直到接触力下降到60N以下，再将末端运动的速度直接调节到0.1mm/s。
[0026]根据本专利技术第一方面的技术，所述主机通过所述进给力数据来判断所述神经外科开颅手术钻头是否已经钻透了颅骨的方法包括：
[0027]第一步，检测进给力是不是存在连续的减小趋势；
[0028]第二步，在进给力存在连续的减小趋势的情况下，如果进给力变化的值ΔF>预设值，则判定神经外科开颅手术钻头已经钻透了颅骨。
[0029]根据本专利技术第一方面的技术，所述在进给力存在连续的减小趋势的情况下，如果进给力变化的值ΔF>预设值，则判定神经外科开颅手术钻头已经钻透了颅骨具体步骤包括：
[0030]取进给力的一段连续的时间序列窗口[t
‑
t1
‑
t2,t],其中t1，t2代表了两段时间间隔；
[0031]求时间段t1内的进给力平均值，在时间段t2用第五条Nelson规则判断进给力是否有连续减小的趋势；
[0032]进给力的数据一直与[t
‑
t1
‑
t2,t
‑
t2]该时间窗口内的进给力均值作比较，在[t
‑
6,t]内t时刻前六个点的数据利用第五条Nelson规则判断是否有进给力减小的趋势；
[0033]如果有进给力减小的趋势，并且t时刻的进给力F
t
与[t
‑
t1
‑
t2,t
‑
t2]内的进给力的均值的差值>预设值，则判定神经外科开颅手术钻头已经钻破颅骨接触到硬脑膜；
[0034]所述预设值为8N。
[0035]本专利技术第二方面提供了一种电子设备，所述设备包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，该计算机程序被所述处理器执行时，执行如本专利技术第一方面所本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统，其特征在于，所述系统包括：机器人、工业以太网交换机、主机、六维力传感器、神经外科开颅手术钻头和机器人末端法兰盘；所述六维力传感器安装于所述神经外科开颅手术钻头末端，所述六维力传感器坐标系的z轴方向与所述神经外科开颅手术钻头的轴线方向对齐；安装后的六维力传感器和神经外科开颅手术钻头接到所述机器人末端法兰盘上，所述神经外科手术钻头的轴线与机器人末端工具坐标系z轴保持平行；所述机器人通过所述工业以太网交换机与主机连接，所述六维力传感器通过所述工业以太网交换机与主机连接，所述六维力传感器将钻孔过程中神经外科开颅手术钻头的进给力数据传送到所述主机，主机通过所述进给力数据来判断所述神经外科开颅手术钻头是否已经钻透了颅骨，进而在所述神经外科开颅手术钻头已经钻透了颅骨时，控制所述机器人停止向前运动。2.根据权利要求1所述的一种颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统，其特征在于，所述神经外科开颅手术钻头的转速设置为：在整个颅骨钻孔的过程中始终保持最大转速。3.根据权利要求1所述的一种颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统，其特征在于，机器人末端装载神经外科开颅手术钻头钻孔时的姿态、运动约束包括：机器人钻孔时，机器人末端的六个自由度约束成一个直线运动自由度，沿着一条直线钻孔。4.根据权利要求3所述的一种颅骨钻孔的硬脑膜检测与保护系统，其特征在于，所述机器人钻孔时，机器人末端的六个自由度约束成一个直线运动自由度的方法包括：机器人的末端姿态相对于机器人基坐标变换的轴角表示：[rx*θ,ry*θ,rz*θ]将机器人的末端工具坐标系的z轴投影到机器人的基坐标系，所述末端工具坐标系即表示末端姿态；在机器人的基坐标系下进行控制，即也是所述神经外科开颅手术钻头的轴线投影至所述机器人的基坐标系；[zx,zy,zz]＝[rx*rz*(1
‑
cosθ)
‑
ry*sinθ,ry*rz(1
‑
cosθ)+rx*sinθ,rz*rz(1
‑
cosθ)+cosθ]在机器人运动时，所述机器人的末端的六个自由度[x,y,z,rx,ry,rz]的速度选取为[zx,zy,zz,0,0,0]*0.1mm/s，机器人钻孔时的运动将会被约束到一条直线上；其中，rx,ry,rz为机器人末端工具坐标系变换到机器人的基坐标系的转轴在机器人基坐标系的表示；θ为机器人的基坐标系与机器人的末端工具坐标系绕着上述转轴变换的角度；zx,zy,zz为机器人的末端姿态的z轴投影到机器人基坐标系，在机器人的基坐标系...
【专利技术属性】
技术研发人员：边桂彬，李桢，韦柄廷，
申请(专利权)人：中国科学院自动化研究所，
类型：发明
国别省市：
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