CN103230304A - 手术导航系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种手术导航系统，包括机械手、控制所述机械手的机械手控制装置、设置于所述机械手上的超声探头以及控制所述机械手控制装置及所述超声探头的计算机，所述机械手握持所述超声探头，所述机械手控制装置设有运动控制卡，所述计算机设有超声图像采集卡，所述超声探头通过所述超声图像采集卡与所述计算机通信连接，所述机械手通过所述运动控制卡与所述计算机通信连接。本发明还提供一种手术导航方法。本发明的手术导航系统及其方法提高了手术中超声探头定位跟踪的精度，降低了医生工作强度，可以使得外科手术更加准确、安全。
Description
【技术领域】
本发明属于医疗机械领域，尤其涉及一种带机械手的手术导航系统及其方法。
【背景技术】
目前，外科手术导航装置通常是医生握持手术器械，器械末端装有光学标志点或者电磁标志点，通过光学定位跟踪系统或者电磁定位装置来实时获取手术器械三维空间位置，最终实现手术器械与工作站中的影像实时交互显示。这种方式整个手术操作和判断都是由医生完成，且医生借助于定位和影像系统可视化下完成微创外科手术，导航系统发挥作用就是一个简单的辅助工具，但是该方式也有不足，一是在手术时间过长的时候，人手容易疲劳而导致手术工具抖动问题，导致手术工具在手术中定位和跟踪有误差，从而影响整个手术精度；二是在完成手术过程中，当医生握持多个手术器械时，如：内窥镜、手术刀具等，而没有办法握持超声探头检测设备。就以经皮肾穿手术为例，手术过程中通过超声设备检测结石位置和碎石后情况，而主刀医生一只手需要握持内窥镜，另外一只手握持激光治疗手术器械，而没有办法空出手来握持超声探头，当每次碎石完后，将激光治疗手术器械取出放置一边，再用超声设备扫描，观察结石是否全部碎完，如果还有残余结石存在，医生又将超声探头放置一旁，重新手持激光治疗手术器械，重复这样的操作，直至所有结石清除，这样不仅延长了手术时间，增加手术风险性，同时无法做到超声设备在手术全过程跟踪病灶位置，增加医生的工作强度。
由于超声适应面广、价格低廉、无辐射、快捷及无创等优点，尤其是超声的实时成像原理，在国内外的神经外科和腹部手术中，医生基本上采用超声设备来进行实时的监测，来提高手术的安全性和成功率，但是目前手术过程中，超声影像并没有与术前的三维结构影像数据进行融合显示，起到术中真正意义上的实时监测。
【发明内容】
本发明要解决手术中医生握持超声探头的难题，提供了一种手术导航系统，包括机械手、控制所述机械手的机械手控制装置、设置于所述机械手上的超声探头以及控制所述机械手控制装置及所述超声探头的计算机，所述机械手握持所述超声探头，所述机械手控制装置设有运动控制卡，所述计算机设有超声图像采集卡，所述超声探头通过所述超声图像采集卡与所述计算机通信连接，所述机械手通过所述运动控制卡与所述计算机通信连接。
优选地，所述计算机设有显示装置及显示软件，用于超声图像与术前三维影像影像融合显示。
本发明还提供一种手术导航方法，其包括以下步骤，
（一）、手术前获取病人病变区的三维影像；
（二）、移动机械手至病人病变区，用机械手所握持的超声探头实时获取病人病变区超声图像；
（三）、在三维影像和超声图像上标识特征点；
（四）、根据标识特征点，结合机械手运动学矩阵关系，计算超声图像和三维影像之间的变换矩阵；
（五）、利用计算机对变换矩阵进行结果优化；
（六）、利用计算机显示装置实现超声图像与三维影像影像融合显示。
优选地，所述步骤（二）中，手动模式下，所述机械手被手动移动至病人病变区。
优选地，所述步骤（二）中，自动模式下，具体为：在医生没有手动移动所述机械手期间内，所述机械手根据人体呼吸运动进行自主跟踪组织运动，主动补偿组织偏移，稳定所述超声图像方位。
优选地，在所述步骤（二）中包括紧急意外模式，具体为：当所述机械手发生意外情况时，所述机械手瞬间断开与病人的接触。
优选地，所述步骤（二）前还包括结合术前规划路径，生成手术器械约束空间。
优选地，所述步骤还包括根据当前手术情形，运动控制卡对所述机械手进行运动控制，实现所述机械手末端执行机构运动到指定目标，并形成力反馈指令，阻碍医生与任务完成无关的手部动作。
本发明的手术导航系统及其方法利用机械手握持超声探头提高了手术中超声探头定位跟踪的精度，降低了医生工作强度，可以使得外科手术更加准确、安全；医生需要手动控制的时候，根据实际需要移动机械手到目标区域，当手术期间，进行实时的监测，并根据人体呼吸运动进行自主跟踪组织运动，实现主动控制机械手补偿组织偏移，稳定超声图像方位；在三维影像和超声图像上标识特征点，快速实现超声图像空间到术前三维影像空间的变换，而不需要借助于其他定位装置，简化流程，方便医生操作。
【附图说明】
图1是本发明一实施例手术导航系统示意图；
图2是本发明一实施例手术导航方法流程示意图。
【具体实施方式】
如图1所示，为本发明一实施例手术导航系统示意图，本发明提供一种手术导航系统，包括机械手1、控制所述机械手1的机械手控制装置2、设置于所述机械手1上的超声探头3以及控制所述机械手控制装置2及所述超声探头3的计算机4，所述机械手1握持所述超声探头3，所述机械手控制装置2设有运动控制卡（未图示），所述计算机4设有超声图像采集卡（未图示），所述超声探头3通过所述超声图像采集卡与所述计算机4通信连接，所述机械手1通过所述运动控制卡与所述计算机4通信连接，所述计算机4设有显示装置5及显示软件，用于超声图像与术前三维影像影像融合显示。
在手术过程中，为了实时获取超声探头3的空间位置，本发明采用正向运动学矩阵推算出末端超声空间位置参数，为了得到超声图像空间到术前三维影像数据空间位置的变换矩阵T，手术前需要进行标定，通过标定不仅获得了变换矩阵T来实时计算超声图像在术前三维影像数据的空间位置信息，利用计算机4对变换矩阵进行结果优化，这样可以更加准确的得到超声探头3空间位置信息，并通过可视化技术实现超声图像与术前三维影像影像融合显示。
具体计算公式为T=TutTurTrsTri
其中T表示超声图像到术前三维影像数据空间的变换矩阵；
Tut表示超声图像空间到超声探头3坐标关系；
Tur表示超声探头3和机械手1末端坐标关系；
Trs表示机械手1运动学矩阵；
Tri表示机械手1到术前三维影像数据之间的关系。
如图2所示，为本发明一实施例手术导航方法流程示意图，本发明还提供一种手术导航方法，其包括以下步骤，
（一）、手术前获取病人病变区的三维影像，结合术前规划路径，生成手术器械约束空间；
（二）、移动机械手1至病人病变区，用超声探头3实时获取病人病变区超声图像，此步骤设有三个模式：一、医生可以通过手动模式手动移动所述机械手至病人病变区；二、自动模式，具体为：在医生没有手动移动所述机械手期间内，病人需要佩戴呼吸监测装置，例如呼吸带，然后将呼吸带测量的呼吸频率和呼吸幅度反馈给机械手控制装置2，最终控制机械手1运动，实现自主跟踪组织运动，主动控制所述机械手1补偿组织偏移，稳定所述超声图像方位，三、紧急意外模式，具体为：当所述机械手1发生意外情况时，所述机械手1瞬间断开与病人的接触；
（三）、在三维影像和超声图像上标识特征点；
（四）、根据标识特征点，结合机械手运动学矩阵关系，计算超声图像和三维影像之间的变换矩阵；
（五）、利用计算机4对变换矩阵进行结果优化；
（六）、利用计算机4显示装置5实现超声图像与三维影像影像融合显示。
在上述实施例中，根据当前手术情形，通过将机械手1末端空间位姿态坐标变换到机械坐标系，并结合力、速度控制信息，利用逆向运动学计算，得到机械手1运动轨迹，运动控制卡根据轨迹路线来实现对机械手1的运动控制，实现末端执行结构运动指定目标，并形成力反馈指令，阻碍医生与任务完成无关的手部动作。
本发明的机械手1握持超声探头3，代替传统的人手握持超声探头3，不仅可以精确获取超声探头3空间位置，同时解决术中医生握持超声探头3的难题，降低医生工作强度，可以使外科手术更加准确、安全。
本发明具有手动模式和自动模式，医生需要手动控制的时候，根据实际需要移动到目标区域，当手术期间，进行实时的监测，并根据人体呼吸运动进行自主跟踪组织运动，实现主动控制器械补偿组织偏移，稳定超声图像方位。
本发明基于图像配准的标定方法，快速实现超声图像空间到术前三维影像空间的变换，而不需要借助于其他定位装置，简化流程，方便医生操作。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种手术导航系统，其特征在于：包括机械手、控制所述机械手的机械手控制装置、设置于所述机械手上的超声探头以及控制所述机械手控制装置及所述超声探头的计算机，所述机械手握持所述超声探头，所述机械手控制装置设有运动控制卡，所述计算机设有超声图像采集卡，所述超声探头通过所述超声图像采集卡与所述计算机通信连接，所述机械手通过所述运动控制卡与所述计算机通信连接。
2.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于：所述计算机设有显示装置及显示软件，用于超声图像与术前三维影像影像融合显示。
3.一种手术导航方法，其特征在于：其包括以下步骤，
（一）、手术前获取病人病变区的三维影像；
（二）、移动机械手至病人病变区，用机械手所握持的超声探头实时获取病人病变区超声图像；
（三）、在三维影像和超声图像上标识特征点；
（四）、根据标识特征点，结合机械手运动学矩阵关系，计算超声图像和三维影像之间的变换矩阵；
（五）、利用计算机对变换矩阵进行结果优化；
（六）、利用计算机显示装置实现超声图像与三维影像影像融合显示。
4.根据权利要求3所述的手术导航方法，其特征在于：所述步骤（二）中，手动模式下，所述机械手被手动移动至病人病变区。
5.根据权利要求3所述的手术导航方法，其特征在于：所述步骤（二）中，自动模式下，具体为：在医生没有手动移动所述机械手期间内，所述机械手根据人体呼吸运动进行自主跟踪组织运动，主动补偿组织偏移，稳定所述超声图像方位。
6.根据权利要求3所述的手术导航方法，其特征在于：在所述步骤（二）中包括紧急意外模式，具体为：当所述机械手发生意外情况时，所述机械手瞬间断开与病人的接触。
7.根据权利要求3所述的手术导航方法，其特征在于：所述步骤（二）前还包括结合术前规划路径，生成手术器械约束空间。
8.根据权利要求3所述的手术导航方法，其特征在于：所述步骤还包括根据当前手术情形，运动控制卡对所述机械手进行运动控制，实现所述机械手末端执行机构运动到指定目标，并形成力反馈指令，阻碍医生与任务完成无关的手部动作。
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