阅读说明：本技术 一种应用混合现实技术的手术室 (A kind of operating room using mixed reality technology ) 是由 刘志伟 仇胥斌 谢锋 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及手术室的配置和控制,更具体地说,涉及一种可以高效应用混合现实技术的手术室。它的组成包括：手术室,基础手术设施和手术器械,所述手术室为立方体结构,墙壁上有若干个均匀分布的定位装置,手术室正中心安装有可自动升降的手术台,所述手术台的正上方安装有机械臂,机械臂上安装有摄像装置或激光传感器或这两种的组合,手术台上方分别安装手术灯和光源装置,手术室内还放置有移动机械臂,显示器,服务器,MR智能设备。本发明可以使三维模型与患者病灶处的匹配快速、精准,并可以实时获取患者位置信息,提高混合现实技术在临床手术中应用的便捷度。(The present invention relates to the configuration of operating room and controls, can be with the operating room of efficient application mixed reality technology more specifically to one kind.Its composition includes: operating room, basis operation facility and surgical instrument, the operating room is cube structure, there are several equally distributed positioning devices on wall, operating room center be equipped with can automatic lifting operating table, mechanical arm is installed right above the operating table, photographic device or laser sensor or the combination of both are installed on mechanical arm, operating lamp and light supply apparatus are installed respectively above operating table, mobile mechanical arm is also placed in operating room, display, server, MR smart machine.The present invention can make the matching of threedimensional model and patient's affected area quickly, precisely, and can obtain patient position information in real time, improve the convenient degree that mixed reality technology is applied in clinical operation.)

一种应用混合现实技术的手术室

技术领域

本发明涉及手术室的配置和控制，更具体地说，涉及一种可以高效应用混合现实技术的手术室。

背景技术

MR混合现实技术是一项前沿的创新技术，它在医疗领域的应用也初具规模，但并不成熟，MR混合现实技术在实施手术中应用时，还存在较多缺陷：一是获取患者位置信息存在精度误差；二是模型不能随着患者的位置变换而自动匹配；比如，在手术时，先让MR智能设备识别定位物体，从而实现人体病灶器官的三维建模与患者的初步匹配，但这种方式的定位还存在精度误差，实际应用中还需要用额外的控制器对MR智能设备中显示的病灶器官的三维模型进行细微的调节，通过手动调节控制器，让三维模型与患者病灶处精准匹配，当患者位置发生改变，还需要重新调节MR智能设备，使设备里的三维模型与患者实际位置匹配，这个操作需要医生每次佩戴MR智能设备时都需要进行模型调节，造成时间的浪费，反而给手术带来了麻烦；另一种方式是通过摄像头识别摄像头能够识别的定位物体，从而获取患者的位置坐标，再通过与三维模型的空间坐标建立联系，从而解决模型与患者定位的问题，这种方法在使用上存在一定限制，首先，需要在患者身上固定摄像头可识别的定位物体，这个定位物体的无菌性，位置分布的准确性都会对手术和精确定位产生负面影响。申请号为201910073233.7的《基于MR的手术导航系统及其设备、方法和存储介质》公开了一种三维影像与患者病灶处精准定位的方法，它是通过在患者病灶处的多个关键点位置布置多个带有红外光感应物的探针，作为标记，再通过摄像单元获取对应病灶处的坐标原点数据集，以得到三维影像坐标模型，再获取MR投影单元对应的物理坐标信息及人眼标定信息，使MR投影单元显示与现场实景中患者病灶处叠加并实时配准的三维影像信息。

这种方法需要人为的在患者病灶处的多个关键点布置探针，对于关键点的寻找、确定和探针的布置都是由人为来确定的，具有很多例如：关键位置确定是否准确，手术灯光的照射是否会影响摄像单元对探针的位置获取，探针在手术过程中是否会发生位置偏移等不确定因素，这些因素都会导致MR投影单元显示的三维影像信息与现场实景中患者病灶处的叠加和实时配准效果，不能从根本上解决上述问题。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种应用混合现实技术的手术室，能够有效解决现有技术中MR智能设备里的三维模型与患者病灶处定位不精准的问题，本发明采用以下技术方案来实现：

一种应用混合现实技术的手术室，其组成包括：手术室，基础手术设施和手术器械，所述手术室为标准的立方体结构，所述手术室的墙壁上设置有若干个均匀分布的定位装置，所述定位装置存在的区域为单一视角所能看到的区域；

所述手术室地面正中心的位置安装有可自动升降的手术台，所述手术台的每个边缘都均匀分布有若干个二维码图案或感应芯片，所述可自动升降的手术台连接手术台控制单元；

所述手术台的正上方安装有机械臂，所述机械臂上安装有摄像装置或激光传感器或这两种的组合，所述机械臂连接机械臂控制单元；

所述手术台上方分别安装手术灯和光源装置，所述手术灯、所述光源装置分别连接灯光控制单元；

所述手术室内还放置有移动机械臂，所述移动机械臂上安装有手术辅助设备，所述移动机械臂连接机械臂控制单元；

所述手术室内还安装有显示器，所述显示器通信连接服务器；

所述手术室里还包括MR智能设备，所述MR智能设备分别通信连接所述显示器、所述服务器和MR智能设备控制单元；

所述安装在悬挂在手术室顶部的机械臂上的摄像装置或激光传感器分别通信连接所述显示器、所述MR智能设备和所述服务器；

所述安装在移动机械臂上的手术辅助设备分别通信连接所述显示器、所述MR智能设备和所述服务器；

所述灯光控制单元、所述手术台控制单元、所述机械臂控制单元和所述MR智能设备控制单元分别连接集成控制单元，所述集成控制单元连接服务器。

优选的，所述定位装置包括定位单元，所述定位单元上分布有二维码或感应芯片。

优选的，所述可自动升降的手术台包括台面、升降机构、驱动机构、激光测距传感器和手术台控制单元组成，所述台面连接升降机构，所述升降机构上安装有激光测距传感器，所述升降机构连接所述驱动机构，所述驱动机构包括步进电机，所述升降机构、所述驱动机构和所述激光测距传感器分别通过控制电路连接所述手术台控制单元。

优选的，所述机械臂至少由2个六自由度的机械臂单元组成。

优选的，所述机械臂上安装的摄像装置包括高清摄像装置或景深摄像装置或高清摄像装置和景深摄像装置的组合，所述移动机械臂上安装的手术辅助设备包括摄像装置或激光传感器或这两种的组合。

优选的，所述移动机械臂由可在地面做水平位移的移动机构和至少由1个三自由度或六自由度的机械臂单元组成的机械臂结构组成，所述机械臂结构安装在所述移动机构上。

优选的，所述手术室内还设置有自动建模工作站，所述自动建模工作站的输出端连接输出装置，输入端与医院的影像数据生成设备通过网络连接，所述自动建模工作站包括图像识别单元、图像处理单元、三维模型生成单元和三维模型修正单元，所述图像识别单元连接所述图像处理单元，所述图像处理单元连接所述三维模型生成单元，所述三维模型生成单元连接所述三维模型修正单元，所述三维模型修正单元连接输出装置，所述输出装置为手机、MR智能设备、显示器、平板、计算机中的一种或几种组合。

优选的，所述MR智能设备包括MR头盔或MR眼镜或二者的组合。

优选的，所述通信连接的通信方式包括：宽带、光纤、WIFI、蓝牙、NFC、以太网、4G、5G及GPRS中任意一种或多种组合。

有益效果

1、本发明的手术室采用正方体结构设计，便于MR智能设备在短时间内获取空间坐标，进行模型在空间环境内的初步定为，也便于服务器快速计算由摄像装置采集的患者位置坐标，这种空间设计，可以提高服务器对位置信息的识别与处理速度，缩短模型定位时间，实现模型的快速定位，本发明与对比专利相比，在定位速度和定位方式、效果上，更加智能化、便捷化和精准化，可以有效避免人为操作带来的误差。

2、本发明在手术台的边缘处放置二维码或感应芯片，结合可以实现0.1mm精度的自动升降的手术台，能够进一步实现模型与患者病灶处的精准定位。

3、本发明通过在手术室顶部悬挂多个六自由度机械臂，并在机械臂上安装摄像装置或激光传感器，实时采集患者位置信息，当医生更换MR智能设备后，摄像装置或激光传感器可以对患者位置进行实时更新定位，便于三维模型自动快速、精准地与患者病灶处匹配，佩戴MR智能设备的医生不用再反复调试，提高了设备的使用便捷度，使MR智能设备与手术的配合更加流畅、简洁。

4、本发明便于操作，应用广泛，可以用于新建的手术室使用，也可以对现有手术室进行改造。

附图说明

附图1为本发明结构示意图；

附图2为本发明控制流程示意图；

附图3为本发明悬挂在手术室顶部的机械臂单元结构示意图；

附图4为本发明移动机械臂的结构示意图；

附图5为本发明可自动升降手术台的结构示意图；

附图6为本发明隔一个定位单位分布二维码图案的结构示意图；

附图7为本发明隔两个定位单位分布二维码图案的结构示意图；

附图8为本发明由定位单元组成二维码图案的结构示意图；

附图1-8中，1-手术室，2-手术台，3-机械臂，4-移动机械臂，5-显示器，6-服务器，7-手术灯，8-光源装置，11-定位单元，12-二维码，21-台面，22-升降机构，23-激光测距传感器，24-驱动装置，33-螺栓，34-紧固装置，35-摄像装置，41-移动机构，42-机械臂单元。

具体实施方式

具体实施方式一：结合附图1和附图2说明本实施例所述的一种应用混合现实技术的手术室，其组成包括：手术室1，基础手术设施和手术器械，所述手术室1为标准的立方体结构，所述手术室1的墙壁上设置有若干个均匀分布的定位装置，所述定位装置存在的区域为在任意位置，单一视角所能看到的区域；

所述手术室1地面正中心的位置安装有可自动升降的手术台2，所述手术台2的每个边缘都均匀分布有若干个二维码12图案或感应芯片，所述可自动升降的手术台2连接手术台控制单元；

本实施例采用的手术台的台面21为矩形，在矩形台面21的四个角上分别放置有二维码12图案或感应芯片，便于MR智能设备里的三维模型与患者进行位置匹配；

所述手术台2的正上方安装有机械臂3，所述机械臂3上安装有摄像装置35或激光传感器或这两种的组合，所述机械臂3连接机械臂控制单元，所述机械臂控制单元控制机械臂实现动作；

所述手术台2上方安装有手术灯7和光源装置8，所述手术灯7和所述光源装置8分别连接灯光控制单元，所述灯光控制单元用来控制手术灯的亮度、波长，本实施例所述的手术灯7和光源装置8可以个性化定制，满足众多医院的个性化需求；

所述手术室1内还放置有移动机械臂4，所述移动机械臂4上安装有手术辅助设备，所述移动机械臂4连接机械臂控制单元，所述机械臂控制单元控制机械臂的移动和动作实现，所述移动机械臂4和悬挂在手术室顶部的机械臂3配合工作，可实现全方位、无死角的信息采集工作，为MR智能设备中显示的三维模型与患者病灶处精准匹配提供数据信息；

所述手术室1内还安装有：显示器5，用于显示手术过程中的视频影像；服务器6，用来存储计算机程序和数据信息，并执行计算机程序，处理数据信息，所述显示器5通信连接服务器6；

所述手术室1里还包括MR智能设备，所述MR智能设备分别通信连接所述显示器5、所述服务器6和MR智能设备控制单元；

所述安装在悬挂在手术室1顶部的机械臂3上的摄像装置35或激光传感器分别通信连接所述显示器5、所述MR智能设备、所述服务器6；本实施例采用的摄像装置35为高清摄像装置或景深摄像装置或高清摄像装置与景深摄像装置的组合，所述景深摄像装置或所述激光传感器用来采集患者病灶处位置信息，并将采集到的数据实时传递到所述显示器5显示，传递到服务器6，存储数据信息，并根据数据信息，计算患者病灶处的位置坐标，计算出的位置坐标被实时传递到MR智能设备和MR智能设备控制单元，MR智能设备控制单元控制MR智能设备中的三维模型与患者病灶处进行精准定位。

所述安装在移动机械臂4上的手术辅助设备分别通信连接所述显示器5、所述MR智能设备、所述服务器6；手术辅助设备采集的数据信息传递到所述显示器5和所述MR智能设备，供医生或观察者查看；传递到服务器6，将数据存储，并为数据处理提供支持。

所述灯光控制单元、所述手术台控制单元、所述机械臂控制单元和所述MR智能设备控制单元分别连接集成控制单元，所述集成控制单元连接服务器6，所述集成控制单元分别控制灯光控制单元、所述手术台控制单元、所述机械臂控制单元和所述MR智能设备控制单元，所述灯光控制单元通过所述服务器6提供的信息控制手术灯7和光源装置8，实现手术灯和光源装置亮度和波长的更改；

所述手术台控制单元通过所述服务器6提供的信息控制手术台2，实现手术台2的上升和下降运动；

所述机械臂控制单元通过所述服务器6提供的信息分别控制悬挂在手术室顶部的机械臂3和在地面上移动的可移动机械臂4，分别实现机械臂的旋转、旋转和位移运动；

所述MR智能设备控制单元通过所述服务器6提供的信息控制MR智能设备，实现MR智能设备的加载、显示、操作及控制功能。

具体为，本发明所述手术室1为标准正方体结构，医生佩戴已导入患者病灶处三维模型的MR智能设备，MR智能设备通过扫描所述手术室1墙壁上的定位装置，将视野内的三维模型进行初步定位，服务器6获取三维模型在手术室1内的空间坐标；再用MR智能设备扫描手术台2上放置的二维码图案，使服务器6获取患者的位置坐标；悬挂在手术室1顶部机械臂3上的摄像装置或激光***和移动机械臂4上的手术辅助设备，照射患者病灶处，使服务器6进一步获取患者病灶处的位置坐标，而后，服务器6将三维模型的空间坐标，患者位置坐标及病灶处位置坐标建立关联关系，根据服务器6建立的坐标关系，集成控制单元控制MR智能设备控制单元调整MR智能设备中的三维模型与患者病灶处匹配，由于三维模型的空间坐标，患者位置坐标及病灶处位置坐标建立了关联关系，所以MR智能设备中的三维模型不会随佩戴者转动头部而跟随转动，但会随患者或患者病灶处的位移而相应位移，但始终都会保持三维模型与患者病灶处处于精准匹配的状态。

具体实施方式二：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，结合附图6、附图7说明本实施例，本实施例在手术室1的墙壁上安装了定位单元11，每个定位单元11的长度和宽度分别都不超过400mm，定位单元11上印有或贴有定位使用的二维码12或感应芯片，二维码12内存储有不超过100个字符，二维码12大小占据单个定位单元的三分之二，二维码可以分布在每一个定位单元11上，也可以每隔一个或两个定位单元11分布一个二维码12，确保在任意位置，单一视角内都能看到二维码12或感应芯片，定位单元11可以采用瓷砖或PVC板或其他能放置二维码12或感应芯片的材质，这种设计便于MR智能设备从任意角度都能识别定位，获取位置信息。

具体实施方式三：根据具体实施方式一和具体实施方式二所述的一种应用混合现实技术的手术室，结合附图8说明本实施例，本实施例在手术室1墙壁上安装的定位单元11，由对比强烈的两种颜色组成，两种颜色对比强烈的定位单元11通过组合分布进而形成可被MR智能设备识别的用于定位的二维码12图案。

具体实施方式四：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，结合附图5说明本实施例，所述可自动升降的手术台2包括台面21、升降机构22、激光测距传感器23、驱动机构24和手术台控制单元组成，所述台面21连接升降机构22，所述升降机构22上安装有激光测距传感器23，所述升降机构22连接所述驱动机构24，所述驱动机构24包括步进电机，所述升降机构22、所述驱动机构24和所述激光测距传感器23分别通过控制电路连接所述手术台控制单元，将安装有激光测距传感器23的升降机构22和安装有步进电机的驱动机构24集成在手术台控制单元上，可控制手术台的升高与降低能够精确到0.1mm，更精准地配合三维模型与患者病灶处的匹配，本实施例采用的可自动升降的手术台2是电动手术台。

具体实施方式五：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，结合附图3说明本实施例，所述机械臂3至少由2个六自由度的机械臂单元34组成，本实施例采用6个六自由度机械臂单元34，每个机械臂单元34可以实现任意角度的旋转，便于摄像装置35或激光传感器进行全方面、无死角的数据采集，为MR智能设备中显示的三维模型与患者病灶处精准匹配提供数据信息；本实施例的机械臂3与手术室1顶部采用滑轨连接，所述滑轨和手术室1顶部采用螺栓固定连接，所述机械臂单元34的固定端安装有与滑轨边沿相匹配的紧固装置32，所述紧固装置32与所述滑轨的边沿采用螺栓33顶紧固定，机械臂单元34和手术室1的这种连接方式可以在不破坏现有手术室棚顶结构的基础上，可以对机械臂单元34的位置进行重新布局，也便于机械臂单元34的更换或拆卸。

具体实施方式六：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，结合附图4说明本实施例，所述移动机械臂4至少由1个三自由度或六自由度的机械臂单元42组成，本实施例采用1个六自由度机械臂单元42，机械臂4可以实现任意角度的旋转，便于手术辅助设备的实施。

具体实施方式七：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，所述移动机械臂4上安装的手术辅助设备包括摄像装置或激光传感器或这两种的组合，本实施例采用的摄像装置为高清摄像装置或景深摄像装置或高清摄像装置与景深摄像装置的组合。

具体实施方式八：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，结合附图4说明本实施例，所述移动机械臂4由可在地面做水平位移的移动机构41和至少由1个三自由度或六自由度的机械臂单元42组成机械臂结构组成，所述机械臂42结构安装在所述移动机构41上，本实施例采用的为带滚轮的由多层置物板构成的移动机构，最顶层的置物板上固定安装有1个六自由度的机械臂单元42，与手术台2上悬挂的机械臂3一起，多角度、全方位地采集图像视频信息，或定位信息，为MR智能设备中显示的三维模型与患者病灶处精准匹配提供数据信息，配合医生顺利实施手术。

具体实施方式九：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，所述手术室1内还设置有自动建模工作站，用于根据人体影像数据，建立可被MR智能设备识别的三维模型，所述自动建模工作站的输出端连接所述输出装置，输入端与医院的影像数据生成设备通过网络连接，所述自动建模工作站包括用来进行人体影像数据识别的图像识别单元、用来对人体影像数据进行休整、提取、处理的图像处理单元、用来生成人体病灶处三维模型的三维模型生成单元和用来修正、处理三维模型的三维模型修正单元，所述图像识别单元连接所述图像处理单元，所述图像处理单元连接所述三维模型生成单元，所述三维模型生成单元连接所述三维模型修正单元，所述三维模型修正单元连接输出装置，本实施例通过X光、CT\MRI\及超声中任意一种来获取人体的影像数据，本实施例采用的输出装置为手机、MR智能设备、显示器、平板、计算机中的一种或几种组合，自动建模工作站可以将患者的平面影像图片快速、自动的转化为三维模型图，供手术实施使用，节省了人工取片、创建三维模型的时间，提高了模型创建效率，再配套本发明的手术室联合使用，会显著提高混合现实技术的应用效果，进一步提高手术效率，为手术的实施带来极大便利。

具体实施方式十：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，本实施例采用的MR智能设备为MR头盔或MR眼镜或二者的组合，本实施例采用的MR眼镜为影创公司提供的action one 系列眼镜，质量较轻、适合长时间佩戴并操作。

具体实施方式十一：根据具体实施方式一所述的一种应用混合现实技术的手术室，本实施例采用的通信连接的通信方式包括：WIFI、蓝牙、NFC、以太网、4G、5G及GPRS中任意一种或多种组合，优选5G通讯方式。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的实质，都在本专利的保护范围内。