CN109223179A - 一种双臂手术机器人导航定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种双臂手术机器人导航定位方法，本方法用于医疗机械臂的精准定位，包括具有台面坐标系的手术台车，所述手术台车上设有导航机械臂与定位机械臂；获取病人医学影像信息；依据病人医学影像信息勾画病灶轮廓，构建三维可视化病灶建模，确定三维可视化病灶建模内的手术靶点坐标，规划导航机械臂的导航路径；建立病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系，控制导航机械臂移动到对应手术靶点坐标的台面指定坐标。所述双臂手术机器人导航定位方法不需要额外的光学定位或电磁定位装置，从而节省成本、节省手术室空间及提高了手术准确性。

Description

一种双臂手术机器人导航定位方法

技术领域

本发明涉及医疗外科机器人技术领域，具体涉及一种双臂手术机器人导航定位方法。

背景技术

常见的外科手术中，脊柱、关节等骨科手术及脑外科手术由于精度要求高、操作复杂、术后并发症严重等原因，导致手术难度大、失败率高。流行病学资料表明，目前我国每年至少有100万到150万骨关节病患者、150万到200万脊柱病患者、30万到40万例的脑外科患者需要进行手术治疗。为了解决外科手术存在的精度不足、辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题，人们开始探讨如何在外科手术中引入机器人方法，现有的外科手术计算机辅助导航系统是一种三维定位的手术支持系统。在手术过程中，利用计算机技术将术前或术中病人的影像数据(来自CT计算机断层扫描、MRI磁共振成像等)、实际手术过程中患者的病变体位，以及手术工具所在的坐标系统统一起来。计算机利用这些图像信息进行三维图像重建，为外科医生进行手术规划提供客观、准确、直观、快速、微创、科学的手段；同时能够根据实际手术的需要，进行手术定位，从而对手术进行实时的导航。

现有的手术导航定位系统采用光学或电磁定位来实现手术台车与病人之间的坐标映射关系，首先光学或电磁定位装置成本很高，其次光学定位在手术定位中容易被遮挡电磁定位容易受到金属物质的干扰从而产生误差。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种双臂手术机器人导航定位方法，采用二个机械臂来建立手术台车与病人之间的坐标映射关系，降低了产品成本，节省了手术空间，同时解决了光学定位以及电磁定位容易被干扰的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种：

一种双臂手术机器人导航定位方法，本方法用于医疗机械臂的精准定位，包括具有台面坐标系的手术台车，所述手术台车上设有导航机械臂与定位机械臂。

获取病人医学影像信息。

依据病人医学影像信息勾画病灶轮廓，构建三维可视化病灶建模，确定三维可视化病灶建模内的手术靶点坐标，规划导航机械臂的导航路径。

建立病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系，控制导航机械臂移动到对应手术靶点坐标的台面指定坐标。

进一步的实施例，所述病人医学影像信息为CT影像或MRI影像。

进一步的实施例，所述依据病人医学影像信息勾画病灶轮廓的具体方法为：

根据病人医学影像信息展示医学影像。

在医学影像上标记病灶轮廓边缘点，得到病灶轮廓边缘点坐标集合；

根据病灶轮廓坐标集合通过MachingCube面绘制算法进行三维可视化重建，得到三维可视化病灶建模。

进一步的实施例，所述确定病灶内的手术靶点坐标，规划进针坐标路径的具体方法为：

根据病灶边缘点集合确定病灶轮廓的中心区域坐标，即为手术靶点坐标。

依据手术靶点坐标规划导航机械臂位于X轴、Y轴、Z轴上的移动与旋转的操作流程。

进一步的实施例，所述建立病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系的具体方法为：

利用定位机械臂获取静止在台面坐标系内的病人体表的MARK点坐标。

设病人体表坐标系内全部MARK点坐标的集合C1，设定位机械臂拾取的MARK点在台面坐标系内的坐标集合C2，设R为m×n阶旋转矩阵、M为m×n阶转换矩阵，则有方程：

C2＝R*C1+M；

使用奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition)对上式进行计算；

其中，centroid_C1为C1的坐标平均值，centroid_C2为C2的坐标平均值，H的奇异值分解得到矩阵U、Σ、V。

[U,Σ,V]＝SVD(H)；

其中，U是m×m阶酉矩阵，Σ是半正定m×n阶对角矩阵，而V，即R的共轭转置，是n×n阶酉矩阵；得到，

R＝VU^M；

M＝-R*centroid_C1+centroid_C2；

由于病人体表坐标系与台面坐标系在尺度上的不同，假设尺度倍数为λ，则有

简化后得到

其中，

因此，所述病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系如下

其中，病人体表坐标系内的坐标A(X_h,Y_h,Z_h)，手术台车坐标B(Xs,Ys,Zs)。

进一步的实施例，利用定位机械臂获取静止在台面坐标系内的病人体表的MARK点坐标的具体方法为：

在病人手术部位周围粘贴四个MARK点，保证四个MARK点不位于同一个平面；

固定手术台车与病人之间的相对位置，然后利用定位机械臂依次采集四个MARK点的MARK点坐标。

本发明实施例具有如下优点：

所述双臂手术机器人导航定位方法不需要额外的光学定位或电磁定位装置，从而节省成本；不需要额外的光学定位或电磁定位装置，从而节省手术室空间；不需要额外的光学或电磁定位装置，避免了定位过程中受干扰，从而提高了手术准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种双臂手术机器人导航定位方法的整体结构图；

图2为本发明实施例提供的病人坐标系与台面坐标系之间的转换关系图。

图中，

1、手术台车；2、导航机械臂；3、定位机械臂。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

一种双臂手术机器人导航定位方法，本方法用于医疗机械臂的精准定位，如图1所示，包括具有台面坐标系的手术台车1，所述手术台车1上设有导航机械臂2与定位机械臂3。

获取病人医学影像信息，所述病人医学影像信息为CT影像或MRI影像。

依据病人医学影像信息勾画病灶轮廓，构建三维可视化病灶建模，确定三维可视化病灶建模内的手术靶点坐标，规划导航机械臂的导航路径。

建立病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系，控制导航机械臂移动到对应手术靶点坐标的台面指定坐标。

下面对各个步骤具体说明其原理方法：

所述依据病人医学影像信息勾画病灶轮廓的具体方法为通过手术导航软件展示医学影像，供医生浏览了解病状，医生识别病灶区域并利用鼠标在在医学影像上标记病灶轮廓边缘点，系统获取病灶轮廓边缘点坐标集合；将病灶轮廓坐标集合及医学影像信息导入手术导航软件，使用MachingCube面绘制算法进行三维可视化重建，得到三维可视化病灶建模，为医生设置靶点提供依据。

在MarchingCube算法中，体素是以逻辑上的六面体，由相邻层上的各四个像素组成的立方体上的八个顶点。等值面是空间中所有具有某个相同值的点的集合。它可以表示成{(x，y，z)|∫(x，y，z)＝c}，c是常数，即在三维重构过程中给定的阈值。算法的基本思想是逐个处理数据场中的立方体(体素)，分类出与等值面相交的立方体，采用插值计算出等值面与立方体边的交点根据立方体每一顶点与等值面的相对位置，将等值面与立方体边的交点按一定方式连接生成等值面，作为等值面在该立方体内的一个逼近表示。

所述确定病灶内的手术靶点坐标的具体方法为：

根据病灶边缘点集合确定病灶轮廓的中心区域坐标，即为手术靶点坐标，所述病灶的形状均为近似椭圆球体，因此确定椭圆球体的长轴坐标，将左右长轴坐标连线取中间坐标，即为手术靶点坐标。

规划进针坐标路径的具体方法：

依据手术靶点坐标规划导航机械臂位于X轴、Y轴、Z轴上的移动与旋转的操作流程，使用手术导航软件分别沿X轴Y轴和Z轴旋转、移动调整导航机械臂的进针路径，医生在设置过程中能够躲避开血管及危险区域。

导航机械臂提供引导医生手术时的手术操作路径，导航机械臂移动到一个指定位置，医生手术时沿着导航机械臂末端指示的方向进行手术。导航机械臂提供的是位置信息，比如它运动到头顶位置，医生就在头顶进行手术，运动到耳朵部位医生就从耳朵部位进行手术；如果没有导航机械臂，医生不知道在头上的哪个部位打孔，有了导航机械臂医生就沿着导航机械臂的指引路径进行打孔就能找到病灶位置了。比如医生看不到病人头里面哪有肿瘤，但计算机能知道，所以根据计算机的指引就能找到肿瘤了，导航机械臂的导航路径负责的是给医生指导从什么路径打孔能找到病灶。

所述建立病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系的具体方法为：

利用定位机械臂获取静止在台面坐标系内的病人体表的MARK点坐标。

设病人体表坐标系内全部MARK点坐标的集合C1，设定位机械臂拾取的MARK点在台面坐标系内的坐标集合C2，设R为m×n阶旋转矩阵、M为m×n阶转换矩阵，则有方程：

C2＝R*C1+M；

使用奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition)对上式进行计算；

其中，centroid_C1为C1的坐标平均值，centroid_C2为C2的坐标平均值，H的奇异值分解得到矩阵U、Σ、V；

[U,Σ,V]＝SVD(H)；

其中，U是m×m阶酉矩阵，Σ是半正定m×n阶对角矩阵，而V，即R的共轭转置，是n×n阶酉矩阵；

得到，

R＝VU^M；

M＝-R*centroid_C1+centroid_C2；

由于病人体表坐标系与台面坐标系在尺度上的不同，假设尺度倍数为λ，则有

简化后得到

其中，

旋转矩阵

转换矩阵

因此，如图2所示，所述病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系如下

其中，病人体表坐标系内的坐标A(X_h,Y_h,Z_h)，手术台车坐标B(Xs,Ys,Zs)。

利用定位机械臂获取静止在台面坐标系内的病人体表的MARK点坐标的具体方法为：

在病人手术部位周围粘贴四个MARK点，保证四个MARK点不位于同一个平面；

固定手术台车与病人之间的相对位置，然后利用定位机械臂依次采集四个MARK点的MARK点坐标。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种双臂手术机器人导航定位方法，本方法用于医疗机械臂的精准定位，其特征在于：包括具有台面坐标系的手术台车，所述手术台车上设有导航机械臂与定位机械臂；

获取病人医学影像信息；

依据病人医学影像信息勾画病灶轮廓，构建三维可视化病灶建模，确定三维可视化病灶建模内的手术靶点坐标，规划导航机械臂的导航路径；

建立病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系，控制导航机械臂移动到对应手术靶点坐标的台面指定坐标。

2.根据权利要求1所述的一种双臂手术机器人导航定位方法，其特征在于：所述病人医学影像信息为CT影像或MRI影像。

3.根据权利要求1所述的一种双臂手术机器人导航定位方法，其特征在于，所述依据病人医学影像信息勾画病灶轮廓的具体方法为：

根据病人医学影像信息展示医学影像；

在医学影像上标记病灶轮廓边缘点，得到病灶轮廓边缘点坐标集合；

根据病灶轮廓坐标集合通过MachingCube面绘制算法进行三维可视化重建，得到三维可视化病灶建模。

4.根据权利要求3所述的一种双臂手术机器人导航定位方法，其特征在于，所述确定病灶内的手术靶点坐标，规划进针坐标路径的具体方法为：

根据病灶边缘点集合确定病灶轮廓的中心区域坐标，即为手术靶点坐标；

依据手术靶点坐标规划导航机械臂位于X轴、Y轴、Z轴上的移动与旋转的操作流程。

5.根据权利要求1所述的一种双臂手术机器人导航定位方法，其特征在于，所述建立病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系的具体方法为：

利用定位机械臂获取静止在台面坐标系内的病人体表的MARK点坐标；

设病人体表坐标系内全部MARK点坐标的集合C1，设定位机械臂拾取的MARK点在台面坐标系内的坐标集合C2，设R为m×n阶旋转矩阵、M为m×n阶转换矩阵，则有方程：

C2＝R*C1+M；

使用奇异值分解SVD(Singular Value Decomposition)对上式进行计算；

其中，centroid_C1为C1的坐标平均值，centroid_C2为C2的坐标平均值，H的奇异值分解得到矩阵U、Σ、V；

[U,Σ,V]＝SVD(H)；

其中，U是m×m阶酉矩阵，Σ是半正定m×n阶对角矩阵，而V，即R的共轭转置，是n×n阶酉矩阵；

得到，

R＝VU^M；

由于病人体表坐标系与台面坐标系在尺度上的不同，假设尺度倍数为λ，则有

简化后得到

其中，

旋转矩阵

转换矩阵

因此，所述病人体表坐标系与台面坐标系之间的坐标映射关系如下

其中，病人体表坐标系内的坐标A(X_h,Y_h,Z_h)，手术台车坐标B(Xs,Ys,Zs)。

6.根据权利要求5所述的一种双臂手术机器人导航定位方法，其特征在于，利用定位机械臂获取静止在台面坐标系内的病人体表的MARK点坐标的具体方法为：

在病人手术部位周围粘贴四个MARK点，保证四个MARK点不位于同一个平面；

固定手术台车与病人之间的相对位置，然后利用定位机械臂依次采集四个MARK点的MARK点坐标。