CN108056819A - 一种用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提出一种用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法，用于远程医疗系统中的遥控操作。本发明包括如下步骤：A：将手术对象固定在导航固定平台中，并将手术模型对象与空间配准平台固定；所述导航固定平台、空间配准平台设有位置对应的配准小球，以用于坐标配准；B：将手术器械简化为针轴，通过手术器械的针轴、针点对手术器械定位之后，利用视觉定位平台捕获并计算出手术器械在空间配准平台上的marker坐标系的坐标；C：将手术器械的针轴和针点转换到导航固定平台的三维坐标系下，通过双线程的方式，将手术器械坐标采集工作和机器人操作臂的实时跟踪工作同时运行，从而达到最终的手术跟踪定位导航的作用。

Description

一种用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法

技术领域

本发明属于远程医疗技术领域，具体涉及到一种用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法。

背景技术

在远程医疗系统中，医疗机器人的应用给医生提供了极大的方便。医疗机器人提供遥操作医疗设备的功能，位于偏远地区的医疗机器人通过网络端口接入网络，位于医疗水平发达地区的医生可以通过遥操作模块控制医疗机器人，而不需要亲自到现场去操作，这极大的方便了偏远地区病人的就医，减少了就医成本。

为了实现最终的手术空间导航定位，需要将真实手术空间中的手术器械相对于手术对象的位置和姿态转换到虚拟手术空间中，并且能够在虚拟的手术空间实时的显示和跟踪手术器械相对于手术模型的CT数据的位置，这就必须找出一种合适的用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法，用于远程医疗系统中的遥控操作。

本发明的用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法包括如下步骤：

A：将手术对象固定在导航固定平台中，并将手术模型对象与空间配准平台固定；所述导航固定平台、空间配准平台设有位置对应的配准小球，以用于坐标配准；

B：将手术器械简化为针轴，通过手术器械的针轴、针点对手术器械定位之后，利用视觉定位平台捕获并计算出手术器械在空间配准平台上的marker坐标系的坐标；

C：将手术器械的针轴和针点转换到导航固定平台的三维坐标系下，通过双线程的方式，将手术器械坐标采集工作和机器人操作臂的实时跟踪工作同时运行，从而达到最终的手术跟踪定位导航的作用。

具体来说，B步骤中：根据手术器械的标定算法求针点和针轴，即两点point_base和point_up，其坐标为相对于手术器械本身的坐标系，手术器械本身的坐标系相对于视觉平台的转换矩阵为M1；

所述针点坐标point_base和针轴坐标point_up如下：point_base＝(bx,by,bz)^T,point_up＝(ux,uy,uz)^T，

计算手术器械上的针轴和针点坐标相对于视觉平台的坐标：

point_base_vision＝M1*point_base

point_up_vision＝M1*point_up

所述C步骤中：利用视觉定位平台实时地对空间配准平台上的marker坐标系进行定位跟踪，获得空间配准平台的marker坐标系相对于视觉平台的位姿矩阵M2，另外，空间配准平台的marker坐标系与导航固定平台中的配准小球对应的坐标系之间有平移的变换为T，为了将point_base_vision和point_up_vision映射到真实的配准平台marker坐标系下，进行如下的变换方式：

再将空间配准平台的marker坐标系下的针点和针轴坐标转换到导航固定平台的配准小球的坐标系下，变换方式如下：

其中为导航固定平台的配准小球坐标系和空间配准平台的marker坐标系之间的平移矩阵；

将空间配准平台的marker坐标系下的手术器械的针点和针轴映射到导航固定平台的三维空间中，采用的配准算法为func(aim_point,P_Xct,P_Yct,P_Zct)，则：

得到如下的计算公式：

最后利用人机交互功能，在虚拟三维手术环境中，实现实时的显示point_base_ct和point_up_ct两点，并且连线，完成跟踪导航显示的功能。

本发明通过位置对应的配准小球，构建了可以互相转化的空间配准平台的marker坐标系及导航固定平台的坐标系，从而将空间配准平台坐标系中的手术器械的坐标、动作转化为导航固定平台的坐标系中的机器人操作臂的坐标、动作，实现了跟踪导航显示的功能。

具体实施方式

下面通过对实施实例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例的用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法包括如下步骤：

A：将手术对象固定在导航固定平台中，并将手术模型对象与空间配准平台固定；所述导航固定平台、空间配准平台设有位置对应的配准小球，以用于坐标配准；

B：将手术器械简化为针轴，通过手术器械的针轴、针点对手术器械定位之后，利用视觉定位平台捕获手术器械在空间配准平台上的marker坐标系的坐标，通过计算将手术器械的针轴和针点位置转换到marker坐标系下；

C：将手术器械的针轴和针点转换到导航固定平台的三维坐标系下，通过双线程的方式，将手术器械坐标采集工作和机器人操作臂的实时跟踪工作同时运行，从而达到最终的手术跟踪定位导航的作用。

具体来说，B步骤中：根据手术器械的标定算法求针点和针轴，即两点point_base和point_up，其坐标为相对于手术器械本身的坐标系，手术器械本身的坐标系相对于视觉平台的转换矩阵为M1；

所述针点坐标point_base和针轴坐标point_up如下：point_base＝(bx,by,bz)^T,point_up＝(ux,uy,uz)^T，

计算手术器械上的针轴和针点坐标相对于视觉平台的坐标：

point_base_vision＝M1*point_base

point_up_vision＝M1*point_up

所述C步骤中：利用视觉定位平台实时地对空间配准平台上的marker坐标系进行定位跟踪，获得空间配准平台的marker坐标系相对于视觉平台的位姿矩阵M2，另外，空间配准平台的marker坐标系与导航固定平台中的配准小球对应的坐标系之间有平移的变换为T，为了将point_base_vision和point_up_vision映射到真实的配准平台marker坐标系下，进行如下的变换方式：

再将空间配准平台的marker坐标系下的针点和针轴坐标转换到导航固定平台的配准小球的坐标系下，变换方式如下：

其中为导航固定平台的配准小球坐标系和空间配准平台的marker坐标系之间的平移矩阵；

将空间配准平台的marker坐标系下的手术器械的针点和针轴映射到导航固定平台的三维空间中，采用的配准算法为func(aim_point,P_Xct,P_Yct,P_Zct)，则：

得到如下的计算公式：

最后利用人机交互功能，在虚拟三维手术环境中，实现实时的显示point_base_ct和point_up_ct两点，并且连线，完成跟踪导航显示的功能。

Claims (2)

1.一种用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法，其特征在于包括如下步骤：

A：将手术对象固定在导航固定平台中，并将手术模型对象与空间配准平台固定；所述导航固定平台、空间配准平台设有位置对应的配准小球，以用于坐标配准；

B：将手术器械简化为针轴，通过手术器械的针轴、针点对手术器械定位之后，利用视觉定位平台捕获并计算出手术器械在空间配准平台上的marker坐标系的坐标；

C：将手术器械的针轴和针点转换到导航固定平台的三维坐标系下，通过双线程的方式，将手术器械坐标采集工作和机器人操作臂的实时跟踪工作同时运行，从而达到最终的手术跟踪定位导航的作用。

2.根据权利要求1所述的用于医疗机器人的手术跟踪定位导航方法，其特征在于B步骤中：根据手术器械的标定算法求针点和针轴，即两点point_base和point_up，其坐标为相对于手术器械本身的坐标系，手术器械本身的坐标系相对于视觉平台的转换矩阵为M1；

所述针点坐标point_base和针轴坐标point_up如下：

，

计算手术器械上的针轴和针点坐标相对于视觉平台的坐标：

所述C步骤中：利用视觉定位平台实时地对空间配准平台上的marker坐标系进行定位跟踪，获得空间配准平台的marker坐标系相对于视觉平台的位姿矩阵M2，另外，空间配准平台的marker坐标系与导航固定平台中的配准小球对应的坐标系之间有平移的变换为T，为了将point_base_vision和point_up_vision映射到真实的配准平台marker坐标系下，进行如下的变换方式：

；

；

再将空间配准平台的marker坐标系下的针点和针轴坐标转换到导航固定平台的配准小球的坐标系下，变换方式如下：

；

其中为导航固定平台的配准小球坐标系和空间配准平台的marker坐标系之间的平移矩阵；

将空间配准平台的marker坐标系下的手术器械的针点和针轴映射到导航固定平台的三维空间中，采用的配准算法为，则：

；

得到如下的计算公式：

；

最后利用人机交互功能，在虚拟三维手术环境中，实现实时的显示point_base_ct和point_up_ct两点，并且连线，完成跟踪导航显示的功能。