CN102429726A - 基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法 - Google Patents

Abstract

基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法，它属于并联机器人在外科手术领域中的应用，为了保证实际手术磨钻与患者的位姿关系符合虚拟环境中由医生确定的虚拟磨钻与患者模型的位姿关系。技术要点：利用VTK软件包对CT图像进行三维重建，得到患者病患处颈椎骨的三维模型。在图像空间中导入虚拟磨钻，然后由医生在计算机上完成虚拟定位。利用光学定位系统及ICP算法，建立“图像-患者-机器人”三者之间的位置和姿态映射关系。控制并联机器人运动，最终完成并联机器人磨钻与患者的定位。

Description

基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法

技术领域

本发明属于并联机器人在外科手术领域中的应用，具体涉及一种基于图像导航的并联机器人辅助颈椎间盘置换手术定位方法。

背景技术

人工颈椎间盘置换术与常规颈椎前路减压融合手术相比，在治疗颈椎病方面具有明显优势，患者恢复快，早期可以实现颈部活动，颈部僵直感少。尽管如此，人工颈椎间盘置换术开展的并不广泛，这主要是由于其手术复杂、操作困难，一般的医生难以掌握，而且手术精度不高，影响手术效果，手术并发症高。人工颈椎间盘置换手术中的最大难点是需要在正确的位置磨削出与假体吻合的骨关节面，保证假体和人骨的配合，治疗效果严重依赖于手术的精度。传统的机械定位精度主要依赖于医生的经验，这无疑增加了手术的不确定性，影响了假体的安装精度。为了提高手术定位精度，医生经常需要使用X光机反复观察，受射线辐射严重。即使这样，就算是技术高超的脊柱外科医生，进行人工颈椎间盘置换术也难以保证每次手术都获得令人满意的结果，尤其是对于重症患者，手术难度更大。上述精度不足、辐射过多操作疲劳等问题成为人工颈椎间盘置换手术领域迫切需要解决的问题。

近年来，随着机器人、医学影像、生物力学以及材料等相关技术的发展，医疗机器人已经成为机器人发展的重要方向，成为提高医疗技能的一种重要手段，也为解决上述人工颈椎间盘置换手术中的问题带来了契机。引入机器人辅助进行脊柱外科手术，能满足脊柱外科医生一系列迫切需要解决的问题，提高了手术的精确性与安全性，为开展新型手术术式提供了有力的支持。

在机器人辅助人工颈椎间盘置换手术中，磨钻与患者间的定位是保证手术顺利完成并满足手术精度要求的关键一环，同时也是解决医生受辐射过多等问题的关键步骤，目前国内尚无该方面发明的报导。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法，以实现手术磨钻对患者病患处的定位，从而保证实际手术磨钻与患者的位姿关系符合虚拟环境中由医生确定的虚拟磨钻与患者模型的位姿关系。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述的基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法是基于光学定位系统、并联机器人、并联机器人磨钻和计算机来实现的，所述光学定位系统包含有两个反光件和一个光学定位仪和一个探针，所述的并联机器人、光学定位仪与计算机相连，并联机器人磨钻的钻柄上安装有一个反光件；所述方法的具体过程为：

步骤A、利用三维重建软件由所述计算机完成对患者病灶处的颈椎骨CT图像的三维重建，得到病患处颈椎骨的三维模型，同时用solidworks软件对磨钻进行建模，并将磨钻模型导入颈椎骨三维模型的图像空间内；

步骤B、采用三点对刀方法，由医生在虚拟环境中设定术前磨钻相对于颈椎骨的位姿关系并设置磨钻的进给方向；所述三点对刀方法具体步骤如下：在图像空间{V}中，P₁、P₂和P₃是颈椎骨矢状面上不在一条直线上的三点，分别表示进刀路径的起点，进刀路径的终点和确定刀具位姿的第三点，P₁、P₂和P₃三点确定一个平面，以P₁为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的原点K，沿

方向为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的z_k方向，P₃为刀具规划坐标系y_kKz_k平面上位于y_k轴正方向一侧的一个点，该点用来确定y_k轴的方向，刀具规划坐标系x_k轴则由向量

向到向量

的向量积来确定，则刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)相对于图像空间{V}的配准变换矩阵^VT_K的表达式为：

$T_k^V=\left[\begin{array}{cccc}{l}_1& m_1& n_1& K_x\\ l_2& m_2& n_2& K_y\\ l_3& m_3& n_3& K_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中， $(n_1,n_2,n_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_2{P}_1}}{\left|\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\right|},$

$(l_1,l_2,l_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3}}{|\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3}|},$

$(m_1,m_2,m_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\×(\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3})}{|\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\×(\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3})|};$

(K_x，K_y，K_z)为K点在图像空间{V}中的坐标表示；

步骤C、基于光学定位系统，对并联机器人与患者进行位姿的标定，得到“图像-患者-机器人”三者之间的位姿关系；具体过程为：

步骤C1、建立并联机器人与光学坐标系之间的位置和姿态关系：

首先，利用旋转标定法对所述探针的针尖进行标定，在磨钻根部安装一个反光件，利用旋转标定法对所述磨钻末端进行标定，可以得到磨钻末端在光学系统中的光学坐标系的位置坐标；

然后，利用所述探针对并联机器人动平台的六个平面及上平面进行标定，得到动平台中心点：所述并联机器人动平台的外形呈圆柱状，并联机器人动平台的外侧表面为了安装球铰而铣有六个平面，每两个相邻平面为一组，三组平面均布设置；具体方法为：使用所述探针在六个平面中的任意相邻两个平面以及动平台上表面各取三个点用以确定这三个平面在光学坐标系下的表达式，并联机器人动平台的上表面与三组平面相交形成三个点构成的等边三角形中心点设为动平台坐标系原点，动平台中心点与钻头末端的连线即为动平台坐标系z轴，y轴与动平台设计时所取的y轴相一致，x轴根据右手法则得到；

最后，再根据设计尺寸，将并联机器人动平台坐标系沿z轴平移，得到并联机器人静平台坐标系，从而建立手术并联机器人与光学定位系统之间的位置和姿态映射关系；

步骤C2、建立图像空间坐标系{V}与患者坐标系之间的位置和姿态关系：

首先，在手术台上安装带有三坐标系的被动刚体与反光球作为患者坐标系，此被动刚体的三坐标轴方向与病患拍摄CT图像时CT仪的内部坐标系的三坐标轴方向相同；

然后利用上述已标定的探针拾取真实骨骼表面的点集，并与病患骨骼的CT片中点集进行对比，利用ICP算法得到术前CT片生成的三维颈椎模型在图像空间中的位姿关系与病患骨骼在患者坐标系中的位姿关系之间的变换矩阵；

步骤C3、患者坐标系由被动刚体在光学坐标系的位姿关系可由光学仪器直接得到；

至此得到了“图像-患者-机器人”三者之间的位置和姿态映射关系；

步骤D.、根据并联机器人逆运动学，控制并联机器人运动，使得实际磨钻与实际患者间的位姿关系与虚拟环境中的磨钻与患者的位姿关系相一致，从而完成定位。

本发明的有益效果是：本发明方法实现了基于图像导航的机器人辅助人工颈椎间盘置换手术的定位，解决现有的人工颈椎间盘置换手术精度不足的问题，避免医生因为反复使用X光机造成的受辐射严重。实现了手术磨钻对患者病患处的定位。

由软件完成术前患者CT图像的三维重建以及磨钻的模型建立，并由医生在计算机界面上利用三点对刀法完成虚拟定位。利用光学系统，完成对磨钻钻头、磨钻动平台坐标系、并联机器人基座坐标系到光学定位系统世界坐标系的注册，得到机器人与光学系统间的位姿关系。利用安装于手术台上的标定块上安装的反光球在光学系统的位姿关系，完成病患到光学定位系统的注册，得到患者坐标与光学系统间的位姿关系，从而建立“患者-机器人”二者之间的位置和姿态映射关系。对手术探针标定，并对患者病患处表面进行取点，使用ICP算法进行配准，从而得到“患者-图像”二者之间的位置和姿态映射关系。至此，得到定位所需的“患者-图像-机器人”三者之间的位置和姿态映射关系。最后控制并联机器人完成所要求的动平台的位姿即可。

附图说明

图1是实现本发明方法的并联机器人定位示意图(1-光学定位仪、2-并联机器人静平台、3-并联机器人动平台、4-反光件、5-并联机器人磨钻、6-病患处颈椎骨的三维模型、7-被动刚体)，图2是动平台中心点标定示意图(d是动平台的厚度)；图3～图4表示三点对刀法的过程示意图，其中，图3是三点对刀法的图象空间截图(在重建软件中的截图)，图4是颈椎骨矢面在重建软件中的截图，图5是颈椎骨矢面在重建软件中的截图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～5所示，本实施方式所述的基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法是基于光学定位系统、并联机器人、并联机器人磨钻5和计算机来实现的，所述光学定位系统包含有两个反光件4和一个光学定位仪1和一个探针，所述的并联机器人、光学定位仪与计算机相连，并联机器人磨钻5的钻柄上安装有一个反光件4；所述方法的具体过程为：

步骤A、利用三维重建软件由所述计算机完成对患者病灶处的颈椎骨CT图像的三维重建，得到病患处颈椎骨的三维模型，同时用solidworks软件对磨钻(并联机器人磨钻5)进行建模，并将磨钻模型导入颈椎骨三维模型的图像空间内；所述的三维重建软件可采用VTK软件包的CTNavigation软件；

步骤B、采用三点对刀方法，由医生在虚拟环境中设定术前磨钻相对于颈椎骨的位姿关系并设置磨钻的进给方向；所述三点对刀方法具体步骤如下：在图像空间{V}中，P₁、P₂和P₃是颈椎骨矢状面上不在一条直线上的三点，分别表示进刀路径的起点，进刀路径的终点和确定刀具位姿的第三点，P₁、P₂和P₃三点确定一个平面，以P₁为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的原点K，沿

方向为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的z_k方向，P₃为刀具规划坐标系y_kKz_k平面上位于y_k轴正方向一侧的一个点，该点用来确定y_k轴的方向，刀具规划坐标系x_k轴则由向量

向到向量

的向量积来确定(刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的y_k轴的确定符合右手法则)，则刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)相对于图像空间{V}的配准变换矩阵^VT_K的表达式为：

$T_k^V=\left[\begin{array}{cccc}{l}_1& m_1& n_1& K_x\\ l_2& m_2& n_2& K_y\\ l_3& m_3& n_3& K_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中， $(n_1,n_2,n_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_2{P}_1}}{\left|\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\right|},$

$(l_1,l_2,l_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3}}{|\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3}|},$

$(m_1,m_2,m_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\×(\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3})}{|\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\×(\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3})|};$

(K_x，K_y，K_z)为K点在图像空间{V}中的坐标表示；

步骤C、基于光学定位系统，对并联机器人与患者进行位姿的标定，得到“图像-患者-机器人”三者之间的位姿关系(或者表述为：得到“虚拟骨骼与虚拟磨钻”、“实际骨骼”和“机器人实际磨钻”三者之间的位置和姿态的映射关系)；具体过程为：

步骤C1、建立并联机器人与光学坐标系之间的位置和姿态关系：

首先，利用旋转标定法对所述探针的针尖进行标定，在磨钻根部安装一个反光件4，利用旋转标定法对所述磨钻末端进行标定，可以得到磨钻末端在光学系统中的光学坐标系的位置坐标；

然后，利用所述探针对并联机器人动平台3的六个平面及上平面进行标定，得到动平台中心点：所述并联机器人动平台3的外形呈圆柱状，并联机器人动平台3的外侧表面为了安装球铰而铣有六个平面，每两个相邻平面为一组，三组平面均布设置；具体方法为：使用所述探针在六个平面中的任意相邻两个平面以及动平台上表面各取三个点用以确定这三个平面在光学坐标系下的表达式，并联机器人动平台3的上表面与三组平面相交形成三个点构成的等边三角形中心点设为动平台坐标系原点，动平台中心点与钻头末端的连线即为动平台坐标系z轴，y轴与动平台设计时所取的y轴相一致，x轴根据右手法则得到；

最后，再根据设计尺寸，将并联机器人动平台坐标系沿z轴平移，得到并联机器人静平台坐标系，从而建立手术并联机器人与光学定位系统之间的位置和姿态映射关系；

步骤C2、建立图像空间坐标系{V}与患者坐标系之间的位置和姿态关系：

首先，在手术台上安装带有三坐标系的被动刚体(铁块)与反光球作为患者坐标系，此被动刚体的三坐标轴方向与病患拍摄CT图像时CT仪的内部坐标系的三坐标轴方向相同；

然后利用上述已标定的探针拾取真实骨骼表面的点集，并与病患骨骼的CT片中点集进行对比，利用ICP算法得到术前CT片生成的三维颈椎模型在图像空间(虚拟环境)中的位姿关系与病患骨骼在患者坐标系中的位姿关系之间的变换矩阵；

步骤C3、患者坐标系由被动刚体在光学坐标系的位姿关系可由光学仪器直接得到；

至此得到了“图像-患者-机器人”三者之间的位置和姿态映射关系；

步骤D.、根据并联机器人逆运动学，控制并联机器人运动，使得实际磨钻与实际患者间的位姿关系与虚拟环境中的磨钻与患者的位姿关系相一致，从而完成定位。

Claims (1)

1.一种基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法，所述定位方法是基于光学定位系统、并联机器人、并联机器人磨钻(5)和计算机来实现的，所述光学定位系统包含有两个反光件(4)和一个光学定位仪(1)和一个探针，所述的并联机器人、光学定位仪与计算机相连，并联机器人磨钻(5)的钻柄上安装有一个反光件(4)；其特征在于：所述方法的具体过程为：

步骤A、利用三维重建软件由所述计算机完成对患者病灶处的颈椎骨CT图像的三维重建，得到病患处颈椎骨的三维模型，同时用solidworks软件对磨钻进行建模，并将磨钻模型导入颈椎骨三维模型的图像空间内；

步骤B、采用三点对刀方法，由医生在虚拟环境中设定术前磨钻相对于颈椎骨的位姿关系并设置磨钻的进给方向；所述三点对刀方法具体步骤如下：在图像空间{V}中，P₁、P₂和P₃是颈椎骨矢状面上不在一条直线上的三点，分别表示进刀路径的起点，进刀路径的终点和确定刀具位姿的第三点，P₁、P₂和P₃三点确定一个平面，以P₁为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的原点K，沿

方向为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的z_k方向，P₃为刀具规划坐标系y_kKz_k平面上位于y_k轴正方向一侧的一个点，该点用来确定y_k轴的方向，刀具规划坐标系x_k轴则由向量

向到向量

的向量积来确定，则刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)相对于图像空间{V}的配准变换矩阵^VT_K的表达式为：

$T_k^V=\left[\begin{array}{cccc}{l}_1& m_1& n_1& K_x\\ l_2& m_2& n_2& K_y\\ l_3& m_3& n_3& K_z\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中， $(n_1,n_2,n_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_2{P}_1}}{\left|\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\right|},$

$(l_1,l_2,l_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3}}{|\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3}|},$

$(m_1,m_2,m_3)=\frac{\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\×(\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3})}{|\stackrel{\→}{P_2{P}_1}\×(\stackrel{\→}{P_1{P}_2}\×\stackrel{\→}{P_1{P}_3})|};$

(K_x，K_y，K_z)为K点在图像空间{V}中的坐标表示；

步骤C、基于光学定位系统，对并联机器人与患者进行位姿的标定，得到“图像-患者-机器人”三者之间的位姿关系；具体过程为：

步骤C1、建立并联机器人与光学坐标系之间的位置和姿态关系：

首先，利用旋转标定法对所述探针的针尖进行标定，在磨钻根部安装一个反光件(4)，利用旋转标定法对所述磨钻末端进行标定，可以得到磨钻末端在光学系统中的光学坐标系的位置坐标；

然后，利用所述探针对并联机器人动平台(3)的六个平面及上平面进行标定，得到动平台中心点：所述并联机器人动平台(3)的外形呈圆柱状，并联机器人动平台(3)的外侧表面为了安装球铰而铣有六个平面，每两个相邻平面为一组，三组平面均布设置；具体方法为：使用所述探针在六个平面中的任意相邻两个平面以及动平台上表面各取三个点用以确定这三个平面在光学坐标系下的表达式，并联机器人动平台(3)的上表面与三组平面相交形成三个点构成的等边三角形中心点设为动平台坐标系原点，动平台中心点与钻头末端的连线即为动平台坐标系z轴，y轴与动平台设计时所取的y轴相一致，x轴根据右手法则得到；

最后，再根据设计尺寸，将并联机器人动平台坐标系沿z轴平移，得到并联机器人静平台坐标系，从而建立手术并联机器人与光学定位系统之间的位置和姿态映射关系；

步骤C2、建立图像空间坐标系{V}与患者坐标系之间的位置和姿态关系：

首先，在手术台上安装带有三坐标系的被动刚体与反光球作为患者坐标系，此被动刚体的三坐标轴方向与病患拍摄CT图像时CT仪的内部坐标系的三坐标轴方向相同；

然后利用上述已标定的探针拾取真实骨骼表面的点集，并与病患骨骼的CT片中点集进行对比，利用ICP算法得到术前CT片生成的三维颈椎模型在图像空间中的位姿关系与病患骨骼在患者坐标系中的位姿关系之间的变换矩阵；

步骤C3、患者坐标系由被动刚体在光学坐标系的位姿关系可由光学仪器直接得到；

至此得到了“图像-患者-机器人”三者之间的位置和姿态映射关系；

步骤D.、根据并联机器人逆运动学，控制并联机器人运动，使得实际磨钻与实际患者间的位姿关系与虚拟环境中的磨钻与患者的位姿关系相一致，从而完成定位。

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