CN106256310B - 自动调节鼻内镜位姿的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自动调节鼻内镜位姿的方法和系统，涉及鼻内镜位姿调节技术领域。该方法包括：通过光学定位设备和设置在手术器械上的定位靶点获取手术器械的位姿；根据手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出鼻内镜的目标位姿；根据鼻内镜的目标位姿和获取的鼻内镜的当前位姿逆解出持镜机器人各关节的运动量；根据持镜机器人各关节的运动量控制各关节执行相应的运动，以使鼻内镜自动调整至目标位姿。本发明提供的方法和系统，保持了鼻内镜和手术器械间相对稳定的位置关系，可为医生提供清晰术区图像。医生不需频繁手动调整鼻内镜，提高了手术效率和质量，缩短手术时间。

Description

自动调节鼻内镜位姿的方法和系统

技术领域

本发明属于鼻内镜位姿调节的技术领域，尤其涉及一种自动调节鼻内镜位姿的方法和系统。

背景技术

鼻内镜手术是治疗鼻腔鼻窦炎症、彻底清除鼻腔鼻窦病灶(如息肉、肿瘤)的有效方法。现有鼻内镜手术是医生左手持鼻内镜，右手持手术器械进行手术操作，这种手术方式存在如下问题：第一，单手操作只能使用一种手术器械，当需要更换手术器械时，必须反复的拿起和放下手术器械，这大大延长了手术时间。且单手操作难以完成比较复杂的手术操作，此时，必须由助手把持鼻内镜，医生用双手完成手术。第二，当医生需要改变手术视野时，需要频繁的用手调整鼻内镜。频繁的调整造成正常手术操作的多次中断，延长手术时间，降低手术效率。另外，长时间的保持一个持镜姿势容易导致医生疲劳，手部颤抖导致术区成像模糊，降低手术质量。中国专利CN201510157545.8设计的随动式鼻内镜手术辅助机器人，包括位置调整机构和姿态调整机构，其设计没有考虑鼻内镜在手术中如何实现自动调节的问题，依然靠医生或者助手手动调节机械臂改变鼻内镜的位置和姿态，鼻内镜不能实现自动调节。

上述问题亟待解决。

发明内容

针对现有技术鼻内镜不能自动调节，当医生需要改变手术视野时，需要频繁用手调整鼻内镜，造成正常手术操作的多次中断，延长手术时间的缺陷，本发明实施例提供一种自动调节鼻内镜位姿的方法和系统。

本发明提供一种自动调节鼻内镜位姿的方法，包括：

通过光学定位设备和设置在所述手术器械上的定位靶点获取所述手术器械的位姿；

根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿；

根据所述鼻内镜的目标位姿和获取的所述鼻内镜的当前位姿逆解出持镜机器人各关节的运动量；

根据所述持镜机器人各关节的运动量控制所述各关节执行相应的运动，以使所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

优选的，所述通过光学定位设备和设置在所述手术器械上的定位靶点获取所述手术器械的位姿具体包括：

预先在鼻孔入口处建立基坐标系，所述基坐标系以鼻孔入口处为原点、以绕上下方向的转动为x轴方向，以绕前后方向的转动为y轴方向，以绕左右方向的转动为z轴方向，以手术器械自身轴线的深度进给运动方向为沿z轴的平移方向；

通过光学定位设备和设置在手术器械上的定位靶点获取手术器械相对于所述基坐标系的位姿。

优选的，根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿具体包括：

采用运动学分析方法根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿。

优选的，根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿之后还包括：

在所述鼻内镜的末端和所述手术器械的末端建立基于虚拟弹簧的相互作用力模型，所述基于虚拟弹簧的相互作用力模型用于辅助所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

优选的，所述相互作用力模型的公式为：

其中，l₀表示鼻内镜的目标位置，x表示鼻内镜与手术器械的空间距离，c是策略系数。

本发明还提供一种自动调节鼻内镜位姿的系统，包括：

获取模块，用于通过光学定位设备和设置在所述手术器械上的定位靶点获取所述手术器械的位姿；

计算模块，用于根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿；

逆解模块，用于根据所述鼻内镜的目标位姿和获取的所述鼻内镜的当前位姿逆解出持镜机器人各关节的运动量；

调整模块，用于根据所述持镜机器人各关节的运动量控制所述各关节执行相应的运动，以使所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

优选的，所述获取模块具体包括：

建立单元，用于预先在鼻孔入口处建立基坐标系，所述基坐标系以鼻孔入口处为原点、以绕上下方向的转动为x轴方向，以绕前后方向的转动为y轴方向，以绕左右方向的转动为z轴方向，以手术器械自身轴线的深度进给运动方向为沿z轴的平移方向；

第一获取单元，用于通过光学定位设备和设置在手术器械上的定位靶点获取手术器械相对于所述基坐标系的位姿。

优选的，计算模块具体包括：

计算单元，用于采用运动学分析方法根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿。

优选的，所述系统还包括：

建立模块，用于在所述鼻内镜的末端和所述手术器械的末端建立基于虚拟弹簧的相互作用力模型，所述基于虚拟弹簧的相互作用力模型用于辅助所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

优选的，所述相互作用力模型的公式为：

其中，l₀表示鼻内镜的目标位置，x表示鼻内镜与手术器械的空间距离，c是策略系数。

有益效果：本发明提供一种自动调节鼻内镜位姿的方法和系统，鼻内镜由主动机械臂把持，通过光学定位设备跟踪手术器械运动，使用运动学分析方法计算出鼻内镜的目标位姿并发送给持镜臂，控制鼻内镜对手术器械进行跟随运动，从而保持鼻内镜和手术器械间相对稳定的位置关系，为医生提供清晰术区图像。且医生不需频繁手动调整鼻内镜，可以用双手完成复杂的手术操作，提高了手术效率和质量，缩短手术时间。

附图说明

图1为本发明实施例提供的自动调节鼻内镜位姿的方法步骤图；

图2为本发明另一实施例提供的鼻内镜和手术器械之间相互作用力模型的示意图；

图3为图2中鼻内镜的运动方向分解示意图；

图4为本发明另一实施例提供的自动调节鼻内镜位姿的方法步骤图；

图5为本发明另一实施例提供的手术器械运动方向分解示意图；

图6为本发明另一实施例提供的鼻内镜和手术器械之间相互位姿角度示意图；

图7为本发明实施例提供的自动调节鼻内镜位姿的系统结构图；

图8为本发明另一实施例提供的自动调节鼻内镜位姿的系统内获取模块的结构图；

图9为本发明另一实施例提供的自动调节鼻内镜位姿的系统内计算模块的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种自动调节鼻内镜位姿的方法，如图1所示，包括：

S100、通过光学定位设备和设置在所述手术器械上的定位靶点获取所述手术器械的位姿；

S200、根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿；

S300、根据所述鼻内镜的目标位姿和获取的所述鼻内镜的当前位姿逆解出持镜机器人各关节的运动量；

具体的，在鼻内镜手术中，对鼻内镜的运动进行分析。鼻内镜经过鼻孔插入到鼻腔内，由于鼻孔直径很小，且在手术的过程中，鼻孔位置不变。将鼻内镜的运动看作绕着鼻孔的转动和沿着鼻腔方向的进给运动。其它方向的运动忽略，这种简化符合手术要求，限制其它方向的运动最大限度的保护了病人的安全。

S400、根据所述持镜机器人各关节的运动量控制所述各关节执行相应的运动，以使所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

具体的，如图2所示，在鼻内镜跟随手术器械过程中，在鼻内镜距离目标位置较远时，它们之间的相互作用力较大，使鼻内镜可以快速运动到理想位置，当到达理想位置后，它们之间的相互作用力基本为零，使鼻内镜可以保持自身的位姿，为医生提供清晰稳定的手术视野。对鼻内镜的的运动进行分析，主要为绕着绕着鼻孔的转动和沿着鼻腔方向的进给运动，如图3所示。当开始跟随操作时，光学定位设备会不断的读取固定在手术器械上的光学靶点信息，根据这些靶点信息计算出手术器械在固定坐标系下的运动分量，并根据这些运动分量计算出鼻内镜的理想的目标位姿。根据目标位姿逆解出持镜壁上各关节的理想运动位置并驱动各关节到达该位置。当到达该位置后若结束跟随，鼻内镜将会保持最后的位姿不变，否则，将循环执行上述操作。

优选的，如图4所示，所述通过光学定位设备和设置在所述手术器械上的定位靶点获取所述手术器械的位姿具体包括：

S101、预先在鼻孔入口处建立基坐标系，所述基坐标系以鼻孔入口处为原点、以绕上下方向的转动为x轴方向，以绕前后方向的转动为y轴方向，以绕左右方向的转动为z轴方向，以手术器械自身轴线的深度进给运动方向为沿z轴的平移方向；

S102、通过光学定位设备和设置在手术器械上的定位靶点获取手术器械相对于所述基坐标系的位姿。

具体的，在鼻内镜手术中，病人的体位一般不发生变化，所以将鼻孔认为是空间中的一个固定点。对手术器械的运动进行分析，由于鼻孔很小，可以将手术器械的运动看作绕着鼻孔的转动和沿着鼻腔方向的进给运动，其它方向的运动可以忽略不计。在手术器械上固定可以供光学定位设备识别的定位靶点，这样手术器械在空间中的位置和姿态就可以通过该光学定位靶点得到。通过位置和姿态信息就可以得到手术器械相对于固定坐标系三个坐标轴方向的平移和转动分量。在鼻孔入口处建立如图5所示的坐标系后，手术器械的运动分解分别为绕x,y,z轴三个方向的转动，和沿手术器械自身轴线方向的深度进给运动，其它方向的移动可以忽略不计。在手术器械上固定供光学定位装置定位的目标靶点后，集成在系统内的光学定位装置可以实时获取手术器械相对于基坐标系的位姿矩阵，通过计算可以得到手术器械在各坐标轴上的运动分量。

优选的，根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿具体包括：

采用运动学分析方法根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿。

所述运动学分析方法具体包括：

所述光学定位设备实时获取所述手术器械相对于基坐标系的位姿矩阵；

根据所述位姿矩阵计算得到所述手术器械在各坐标轴上的移动分量；

根据所述移动分量计算出所述鼻内镜相对的目标位姿。

具体的，如图6所示，为了保证手术器械末端在鼻内镜视野中心，手术器械与鼻内镜应处于同一平面，并且手术器械末端在鼻内镜延长线上。二者之间的相对位姿由末端的相对距离d和二者之间的夹角θ组成。

优选的，根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿之后还包括：

在所述鼻内镜的末端和所述手术器械的末端建立基于虚拟弹簧的相互作用力模型，所述基于虚拟弹簧的相互作用力模型用于辅助所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

具体的，当内镜的末端和所述手术器械的末端之间的距离小于预设阈值时，鼻内镜减缓运动速度直至到达所述目标位姿；当它们之间的距离大于预设阈值时，所述持镜臂加快速度调整鼻内镜至目标位姿。

优选的，所述相互作用力模型的公式为：

其中，l₀表示鼻内镜的目标位置，x表示鼻内镜与手术器械的空间距离，c是策略系数。

本发明实施例提供一种自动调节鼻内镜位姿的方法，鼻内镜由主动机械臂把持，通过光学定位设备跟踪手术器械运动，使用运动学分析方法计算出鼻内镜的目标位姿并发送给持镜臂，控制鼻内镜对手术器械进行跟随运动，从而保持鼻内镜和手术器械间相对稳定的位置关系，为医生提供清晰术区图像。且医生不需频繁手动调整鼻内镜，可以用双手完成复杂的手术操作，提高了手术效率和质量，缩短手术时间。

本发明还提供一种自动调节鼻内镜位姿的系统，如图7所示，包括：

获取模块100，用于通过光学定位设备和设置在所述手术器械上的定位靶点获取所述手术器械的位姿；

计算模块200，用于根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿；

逆解模块300，用于根据所述鼻内镜的目标位姿和获取的所述鼻内镜的当前位姿逆解出持镜机器人各关节的运动量；

调整模块400，用于根据所述持镜机器人各关节的运动量控制所述各关节执行相应的运动，以使所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

优选的，如图8所示，所述获取模块100具体包括：

建立单元101，用于预先在鼻孔入口处建立基坐标系，所述基坐标系以鼻孔入口处为原点、以绕上下方向的转动为x轴方向，以绕前后方向的转动为y轴方向，以绕左右方向的转动为z轴方向，以手术器械自身轴线的深度进给运动方向为沿z轴的平移方向；

第一获取单元102，用于通过光学定位设备和设置在手术器械上的定位靶点获取手术器械相对于所述基坐标系的位姿。

优选的，如图9所示，计算模块200具体包括：

计算单元201，用于采用运动学分析方法根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿。

优选的，所述系统还包括：

建立模块，用于在所述鼻内镜的末端和所述手术器械的末端建立基于虚拟弹簧的相互作用力模型，所述基于虚拟弹簧的相互作用力模型用于辅助所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿。

优选的，所述相互作用力模型的公式为：

其中，l₀表示鼻内镜的目标位置，x表示鼻内镜与手术器械的空间距离，c是策略系数。

需要说明的是，本发明实施例提供的上述系统中各个模块，由于与本发明方法实施例基于同一构思，其带来的技术效果与本发明方法实施例相同，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。

本发明实施例提供一种自动调节鼻内镜位姿的系统，鼻内镜由主动机械臂把持，通过光学定位设备跟踪手术器械运动，使用运动学分析方法计算出鼻内镜的目标位姿并发送给持镜臂，控制鼻内镜对手术器械进行跟随运动，从而保持鼻内镜和手术器械间相对稳定的位置关系，为医生提供清晰术区图像。且医生不需频繁手动调整鼻内镜，可以用双手完成复杂的手术操作，提高了手术效率和质量，缩短手术时间。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自动调节鼻内镜位姿的系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于通过光学定位设备和设置在手术器械上的定位靶点获取所述手术器械的位姿；

计算模块，用于根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿；

逆解模块，用于根据所述鼻内镜的目标位姿和获取的所述鼻内镜的当前位姿逆解出持镜机器人各关节的运动量；

调整模块，用于根据所述持镜机器人各关节的运动量控制所述各关节执行相应的运动，以使所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿；

建立模块，用于在所述鼻内镜的末端和所述手术器械的末端建立基于虚拟弹簧的相互作用力模型，所述基于虚拟弹簧的相互作用力模型用于辅助所述鼻内镜自动调整至所述目标位姿；

所述相互作用力模型的公式为：

其中，l₀表示鼻内镜的目标位置，x表示鼻内镜与手术器械的空间距离，c是策略系数。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述获取模块具体包括：

建立单元，用于预先在鼻孔入口处建立基坐标系，所述基坐标系以鼻孔入口处为原点、以绕上下方向的转动为x轴方向，以绕前后方向的转动为y轴方向，以绕左右方向的转动为z轴方向，以手术器械自身轴线的深度进给运动方向为沿z轴的平移方向；

第一获取单元，用于通过光学定位设备和设置在手术器械上的定位靶点获取手术器械相对于所述基坐标系的位姿。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，计算模块具体包括：

计算单元，用于采用运动学分析方法根据所述手术器械的位姿和预设的手术器械与鼻内镜的相对位姿关系计算得出所述鼻内镜的目标位姿。