用于机器人辅助超声波扫描的系统的制作方法

本发明涉及一种用于机器人辅助超声波扫描的系统，所述系统包括具有末端执行器的多轴机器人，所述多轴机器人和末端执行器的布置方式使得所述末端执行器能够以至少六个自由度移动；换能器固定元件，用于将超声波换能器以相对于所述多轴机器人的末端执行器的已知位置连接到所述末端执行器；用户输入装置，具有至少三个相互独立的比例输入，所述至少三个相互独立的比例输入表示超声波换能器沿用于定义超声波换能器运动的正交坐标系的x轴、y轴和z轴的期望位移；以及控制器，所述控制器连接到用户输入装置并根据来自用户输入装置的输入来控制多轴机器人的末端执行器。背景技术：1、超声波扫描有许多不同的用途。其中一种常见且众所周知的应用是扫描孕妇以观察和/或诊断子宫内的胎儿。然而，本领域还有许多其他应用。2、在进行超声波扫描时，例如对孕妇进行扫描，操作员通常会手动将手持式超声波探头放在患者皮肤上。操作员会移动换能器，改变换能器相对于患者的方向，并将换能器紧贴患者皮肤。根据超声波换能器产生的图像，操作员需要将换能器移动到另一个位置、改变换能器的方向和/或按压或释放对患者皮肤的压力。3、在典型的超声波扫描过程中，操作者通常需要通过手臂和手对换能器施加很大的力。此外，在许多情况下，操作员还需要以一种尴尬的姿势坐着或站着。这会对操作员的身体带来压力导致不健康。因此，超声波换能器的操作员经常会遇到一些身体问题，这些问题可能会导致短期病假，以及对身体的长期磨损和/或损害。操作员的肩部、肘部、手腕和/或背部出现拉伤是非常常见的。4、这是医疗行业的已知问题，但尚未得到有效解决。已经提出了许多不同的解决方案，建议使用机器人将超声波换能器固定在患者皮肤上，然后通过某种形式的控制装置，例如操纵杆，让操作员引导机器人将超声波换能器移动到需要扫描的区域。wo2019229099、us2008021317、us6425865和us2017252002公开了此类系统的一些示例。许多现有技术解决方案在输入装置上使用力反馈，使操作员能够感受到施加到患者身上的力的大小。在其他解决方案中，计算机可根据存储在系统中的预定义路径或轨迹完全控制运动。在某些情况下，这些预定义路径可以根据被扫描患者的身体细节进行优化和调整。在其他情况下，操作员配有操纵杆，可在六个维度(x、y、z+每个轴的旋转)上操作机器人的末端执行器。在许多情况下，机器人都配有安全机制，可以测量机器人对患者施加的力，如果超过预定的限值，就会使机器人停止运动。这种机器人辅助超声波系统通常适用于遥测操作，在这种情况下，超声波操作员所处的位置与要扫描的区域没有可视连接。5、然而，现有技术的系统在许多正常应用中都相当难用。例如，在需要扫描孕妇的情况下，先前提出的系统就很难使用，因为操作员很难控制换能器的运行。例如，预先编程的优化路径就不适合这种应用，因为操作员需要根据孕妇的解剖结构和胎儿的位置移动换能器。因此不可能“预定义”最佳路径。6、使用操纵杆(用户控制装置)来控制机械臂的移动，同时还要关注显示屏上超声波换能器的输出(超声波换能器生成图像，并在显示器上以实时馈送的形式显示给操作员)是很困难的，因为操作员无法同时跟踪换能器和超声波图像的位置。如果有摄像机，操作员就可以通过可视化获得换能器在扫描区域的位置的视觉反馈。然而，将其与运动联系起来却很困难。使用操纵杆(或任何控制界面)移动换能器需要持续关注换能器的准确位置和方向，然后执行所需的换能器移动。例如，从孕妇腹部的一侧移动到另一侧时不会与腹部发生碰撞。其他情况是以与腹部表面的恒定角度扫描腹部。7、应该注意的是，在本说明书中，术语“操作员”用于描述操作换能器和查看扫描结果的人。此外，术语“患者”是指正在接受扫描的人。虽然术语“患者”通常指生病的人，但在本说明书的范畴内，“患者”并不一定生病。同样，术语“患者”通常被理解为人类，但在本说明书的范畴内，“患者”也可以是动物。技术实现思路1、因此，本发明的第一个方面提供一种如开头段落所述的系统，所述系统更便于操作员操作。2、本发明的第二个方面提供一种如开头段落所述的系统，所述系统可大大减轻操作员的体力负担。3、这些方面至少部分是通过开头段落中提到的系统提供的，所述系统根据权利要求1的特征部分的特征进一步表征。4、这样，提供的系统使得操作员可以很容易地控制换能器在待扫描表面上的运动，而不必手动控制机器人的所有自由度。5、需要注意的是，用户输入装置是指一个或多个输入装置的排列。这可以是多个单独的装置一起工作，也可以是单个的多自由度装置，允许用户向控制器提供输入。在一个实施例中，用户输入装置是具有六个自由度的单一机械输入装置，例如以“3dconnexion”品牌销售的产品名称为“spacemouse”的装置。本领域还已知其他合适的具有六个自由度的装置。在本说明书中，术语“比例输入”指的是用户可以操作的输入，并且可以提供与输入装置的运动成比例的可变输出。比例输入装置的典型例子是操纵杆，可以在两个独立的方向上操作，从而在两个独立的方向上提供比例输入。在一个实施例中，换能器固定元件适用于将超声换能器可拆卸地连接到末端执行器上。6、在本发明的范畴内，用户输入装置还可以包括显示装置和/或附加控制器，用于将所需运动从一个坐标系转换到另一个坐标系。用户输入装置还可以包括附加装置，使操作者更容易控制换能器。7、在一个实施例中，用户输入装置包括至少三个相互独立的比例输入，所述至少三个相互独立的比例输入表示超声换能器沿用于定义超声换能器运动的换能器正交坐标系的x轴、y轴和z轴的期望位移。这样，用户就可以轻松地控制换能器相对于表面3d模型的运动。8、在一个实施例中，定义超声波换能器运动的正交坐标系的x轴位于与全局固定正交坐标系的x-z平面平行的平面上。在一个实施例中，定义超声换能器运动的正交坐标系的y轴位于与全局固定正交坐标系的y-z平面平行的平面上。在一个实施例中，全局固定正交坐标系的x-z平面垂直于患者的矢状面。这样，沿x轴的运动将始终在垂直于矢状面的平面上进行。同样，在一个实施例中，y-z平面平行于患者的矢状面。这样，沿y轴的运动将始终在与矢状面平行的平面上进行。9、在一个实施例中，系统包括3d扫描装置，用于扫描待扫描区域的表面并生成待扫描区域的表面的3d模型。在一个实施例中，表面扫描装置包括3d激光扫描仪。在另一个实施例中，表面扫描装置包括至少两个相距一定距离的摄像机。在一个实施例中，表面扫描装置与多轴机器人的末端执行器相连，并扫描超声波换能器周围的区域。10、在一个实施例中，用户输入装置具有至少一个、至少两个或至少三个附加的比例输入，三个附加的比例输入分别表示超声波换能器围绕至少一个、至少两个或至少三个相互独立的轴线的旋转，控制器被配置为施加这些附加的比例输入以使超声波换能器分别绕所述x轴、y轴和z轴旋转。11、在一个实施例中，系统包括显示器，所述显示器在待扫描区域的表示上叠加显示超声波换能器的虚拟表示。12、在一个实施例中，系统包括适合捕捉待扫描区域的图像的摄像机，其中待扫描区域的表示是待扫描区域的图像。在一个实施例中，3d模型被用作待扫描区域的表示。在一个实施例中，3d模型与摄像机捕捉的图像相结合，创建组合的3d模型和图像。13、在一个实施例中，系统还包括力传感器，用于测量施加到超声波换能器上的力，或力估测器，用于估测施加到超声波换能器上的力。在一个实施例中，多轴机器人配置有多个力传感器，每个致动器和/或关节处都有一个，控制器可通过机器人的几何形状知识以及在每个致动器和/或关节处测得的力来确定施加到末端执行器上的力。在一个实施例中，系统包括单独的力传感器，安装在机器人的末端执行器和超声波换能器之间。14、在一个实施例中，当所测量或所估测的力超过预定限值时，系统会使机器人停止运动，和/或系统会通过用户输入装置中的力反馈机构将所测量或所估测的力反馈给用户。在一个实施例中，用户输入装置的至少一个比例输入是可沿轴或绕轴移动的机械输入装置，并且所述机械输入装置配有致动器，所述致动器能够向机械输入装置施加与用户输入相反的力。15、在一个实施例中，系统会提供对施加到超声波换能器上的所测量或所估测的力的可视化指示。在一个实施例中，力以可视方式显示在系统的显示器上。在一个实施例中，系统配有力反馈机制，可向操作员反馈沿z轴施加到超声换能器上的力。力反馈可以是以触觉反馈装置的形式。16、在一个实施例中，来自用户输入装置的表示沿z轴的运动的输入确定沿z轴施加到待扫描区域的力。在一个实施例中，来自用户输入装置的表示沿x轴和y轴的运动的输入分别确定超声波换能器沿x轴和y轴的速度。在一个实施例中，代表沿z轴的运动的输入是机械比例的输入装置，该装置被弹簧一样的力偏置到中心位置，用户必须对其施加作用力才能使机械比例的输入装置移动。17、在一个实施例中，用户输入装置安装在操作员与扫描区域没有直接视觉接触的位置。在一个实施例中，系统可以包括虚拟测试环境，其中包括虚拟机器人和待扫描的虚拟物体，操作员可以操作用户输入装置来控制测试环境中的虚拟机器人。在一个实施例中，操作员可以在操作具有待扫描的真实物体的真实机器人与操作具有待扫描的虚拟物体的虚拟机器人之间切换。18、在一个实施例中，用户输入装置允许用户定义相对于换能器正交坐标系的附加正交坐标系，并且换能器的期望运动可由用户相对于附加正交坐标系来指定。19、在一个实施例中，用户输入装置将由用户在附加正交坐标系中指定的运动转换为换能器正交坐标系中的运动。20、在一个实施例中，由用户在附加正交坐标系中指定的运动由用户输入装置和/或控制器进行调整，以将换能器保持在带扫描表面的3d模型上或保持在相对于带扫描表面的3d模型的指定深度处。21、应注意的是，虽然本说明书中披露的示例都与扫描孕妇有关，但根据本说明书的发明不应仅限于对孕妇进行超声波扫描，而是可以应用于许多不同类型的应用，例如扫描膝关节损伤、扫描手术中的器官、扫描动物等。22、需要强调的是，本说明书中使用的术语“包括/包含/由......组成”是指存在所述特征、整数、步骤或组件，但不排除存在或增加一个或多个其他特征、整数、步骤、组件或其组。