CN1100516C - 机器人脑外科设备系统及其所采用的图象和坐标处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一套进行脑外科手术的设备系统，它是借助于计算机和机器人、利用CT图象、二维图像计算和三维图像虚拟规划方法、图像映射和三维坐标确定方法，实现图片座标系和电脑控制的机器人坐标系之间的互相认同，准确地测定操作对象目标点坐标，确定操作的方案，实现更精确的操作；是利用高新技术，寻找到的一种新的、精确且成本低的机器人脑外科设备系统及其方法。

Description

机器人脑外科设备系统及其所采用的图像和坐标处理方法

本发明是一种借助于机器人和计算机来辅助进行人体头部手术的特种医疗设备系统及其所采用的图像和坐标处理方法。它涉及到计算机、机器人、机械、自动化、及医疗设备工程等技术学科领域。

机器人脑外科设备系统，在医疗设备工程领域正发挥着越来越重要的作用。常规的立体定向脑外科手术是借助一种带有N字形定位标记的立体定位仪框架(标定设备)，将它固定在病人的颅骨上，通过CT扫描或有关X光设备成象，将CT片上脑组织的病灶点信息与立体定位仪框架坐标建立相应的几何变换关系，再借助于一种专用坐标刻度盘和定位尺设备，可从刻度盘上读出病灶靶点在立体定位仪坐标系中的三维坐标值。在此基础上，将一个弓型手术器械引导装置安装在立体定位仪框架，通过已知的病灶靶点的坐标值和该引导装置便可在颅骨上钻一个小孔，并将探针或其它更精细、复杂的外科器件引入脑内，对病灶点进行活检、放疗、切除等操作。

现有这种外科手术取得了许多重要成果，但也存在着一些不足：

A.是病人从CT扫描开始直到手术结束始终都要戴着笨重金属头架，特别是要安装的弓型手术引导操作臂，不仅使病人不舒服，而且占用手术操作的空间。

B.是目前使用的坐标刻度盘和定位尺设备只限用于一种特定大小的CT片，而不能适用于各种CT机拍成的CT片，特别是不能适用目前普遍使用的一张9幅脑图CT片。

C.是这种方法很难在不同方向上提供对目标(肿瘤)的轨迹规划；

D.是手术者从框架标尺读取靶点的坐标到对框架进行调整的操作繁琐、时间长。

E.是将CT室作为手术室，利用机器人与CT扫描床固定联接，完成立体定向神经外科手术定位操作，这种方法不符合我们国家的国情，价格昂贵的CT机往往是面向医院各个医疗科室，很难作为手术室。

F.在手术中，医务人员直接进行放射性药物的注入操作，还会造成医务人员的辐射伤害。

为此，人们迫切希望借助计算机与机器人高新技术，寻找一种新的、更快、更灵活、更可靠、更精确、成本低的机器人脑外科设备系统及其方法。

本发明的机器人脑外科设备系统及其所采用的图象和坐标处理方法的目的是利用机器人和电脑的先进高技术，对手术操作的直线轨迹进行规划，选择一个最小损伤的操作路径，同时又避免伤害操作对象内重要的血管、神经，在机器人1末端机械手延伸装置27的引导下，将其它更精细、复杂的外科器件引入操作对象内(如探针等)，辅助有关人员对目标点进行活检、放疗、切除等精细操作。我们目的是：

1.利用计算机图像处理，使常规各种操作对象立体定向仪的靶点定位适用于各种CT机拍成的CT片，如一张9幅操作对象图的CT片，并省去坐标刻度盘和定位尺的繁杂操作。

2.本发明的机器人脑外科设备系统及其所采用的图象和坐标处理方法在操作时不占用CT室，可以节约大量的经费，更符合中国国情。

3.提出一种微损失映射方法，解决医疗图像空间与临床操作空间非结构化环境的复杂繁琐标定。提出了无损伤操作目标测定和操作方法，更大地保护了病人的利益。

4.利用机器人操作，取消框架仪的弓型操作臂，实现不同方向的直线穿刺轨迹规划，并为医务人员提供更大的操作空间。

5.设计一种注射器的推进机构，替代医务人员直接进行放射性药物的注入操作，以减轻对医务人员的辐射伤害。

本发明提出的机器人脑外科设备系统及其所采用的图象和坐标处理方法的具体内容如下：机器人脑外科设备系统它是由计算机4(选用型号PC586)、机器人1(选用型号PUMA262)、机械手延伸装置27、工作台28、和标定设备29等设备构成，是进行接受信息、测定并确定目标的位置、辅助进行操作的脑外科设备系统，其特征在于，其机械手延伸装置27包括测量标定机械接口一70、标测钉71、器械夹持具60、双层模板50、推进机构30和六关节机械臂9等设备，该系统还包括CT图片26、扫描仪5(选用型号UNISCAN)和C形X光机8等设备，其标定设备29使用的是定位框架3。不同的步骤选用的设备不同

(一).在进行标测定位时：将操作对象固定在带有N字形标记的立体定位框架3上，对机器人1及有关相联接的周边设备进行消毒，诸如测量标定机械接口一70，一端呈尖形的棒体标测钉71，器械夹持具60，双层模板50，推进机构30等，测量标定机械接口一70是为和机器人末端衔接的接口，是由有四个衔接螺口75形似法蓝盘的底座73和中心有固定孔72的固定件74组成，底座73和固定件74是固定连接，在固定件74上配有固定用的螺钉。将操作对象放在工作台28上，一方面利用扫描仪5将CT图片26数据输入计算机4，用本发明研究开发的图像和坐标处理软件系统测定操作对象目标点的三维坐标；另一方面用本发明设计的图象和坐标处理方法，用测量标定机械接口一70和标测钉一71、或双层模板50，完成操作空间与图像规划空间之间映射变换，之后，将机器人末端的器械夹持具60装置，利用机器人1辅助完成不同方向的直线轨迹规划，实现立体定向操作的精确定位。

(二).在进行相关操作时：控制机器人1按最佳的直线轨迹运动到操作对象附近，借助本发明设计的器械夹持具60，进行钻孔并插入探针，并在计算机4控制下机器人1进行微动精细地前进或后退运动定位，进行有关目标点的取样等。

(三).在辅助操作时：在器械夹持具60上安装本发明设计的推进机构30，在计算机4的控制下，完成放射性同位素的注射。

应当这样说：我们的技术方案主要由图像和坐标方法、图像三维模型与操作环境认同方法、机器人辅助立体定向运动控制及放射物注入机构等四大部分组成。现在这四大块分别加以说明。

一.图像和坐标方法：

对于操作对象立体定向测定，必须准确地确定目标点的位置，因此，首先一个重要任务就是，利用计算机对操作对象进行图像和坐标的测定，并在此基础上进行多条直线轨迹操作的规划，选择最佳的操作方案。

为了准确地测定，本发明设计了两套方案，一个是二维图像计算方法，另一个是三维图象虚拟规划方法。

A：本发明设计的借助于PC586 Window平台，利用Visual C++技术，我们设计了二维图像计算方法是：借助于PC586 Window平台，用Visual C++技术实现五个图标驱动下的可视化引导目标点的定位，既：

a.图标功能之一是读写文件操作，它负责将CT或MRI图像数据读入缓冲区并显示在屏幕上，或者将修改的CT或MRI图像数据存入文件，或者将完成定位的参数、实测报告输出打印。

b.图标功能之二是在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示一个带有标尺的框架，利用鼠标拖动这个显示框架，以便对准CT或MRI图像显示的操作对象带有立体定向框架的四个角，从而确定计算机屏幕上CT或MRI图像显示与实际操作对象位置的坐标变换关系。

c.图标功能之三是在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示带有刻度的横向标尺，利用鼠标拖动这个标尺，以便对准CT或MRI图像显示的操作对象带有N字形标记点，从而确定计算机屏幕上CT或MRI图像显示Z轴深度的坐标。

d.图标功能之四是在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示带有刻度的十字标尺，利用鼠标拖动这个标尺，以便对准CT或MRI图像显示的操作对象目标点，从而确定计算机屏幕上CT或MRI图像显示X、Y轴的坐标。

e.图标功能之五是根据图标功能之二到之四的操作，通过几何变换，计算出相对于立体定向框架仪的X、Y、Z坐标。

这一技术方案的突出特点是适用于各种CT机7拍成的CT片，如一张9幅操作对象图的CT片，可以完成操作对象目标点定位，即可用于机器人1辅助脑外科系统，也可以配合常规的各种脑立体定向仪的定位框架3，在保持同样精度的条件下，实时计算靶点的X、Y、Z坐标位置，实现图片坐标系和实际操作的机器人坐标系之间的互相认同，同时还具有省去坐标刻度盘和定位尺设备与操作等优点。

B：面向三维图像引导定位软件系统是借助本发明设计的六关节机械臂9作为观测棒，在OpenGL软件开发环境下，实现我们的这一技术方案。

现在来说明一下本发明所设计的六关节机械臂9的结构，作为人机交互装置的观测棒，主要用于操作空间点的测量和三维图像的操作。六自由度关节式机械臂9，采用无动力源方式，它及各关节均采用经过表面处理的航空铝型材料进行制作，主要硬件结构组成如下：

在机座10上装配有关节一11，其关节一11下端内部采用精密轴，心轴94与机座10用螺钉四96进行固定，心轴轴向定位由挡环92、垫圈93与关节一11进行固定，心轴94的径向定位由铜制衬套与关节一11进行固定，铜制衬套97的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节一11的转动灵活。与电位计一20的联结是通过紧固在心轴94中凸塞99插入电位计一20的轴槽，实现心轴与电位计一20轴连动的，而电位计一20的外壳紧固在关节一11的接头91上，以保证电位计一20准确地与关节一11保持同步转动。

关节二12的右端与关节一11的左端相连，其关节二12的心轴94与关节一11用螺钉四96进行固定，心轴94轴向定位由挡环92、垫圈93与关节二12进行固定，心轴94的径向定位由铜制衬套97与关节二12进行固定，铜制衬套97的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节二12的转动灵活；与电位计二21的联结是通过紧固在心轴94中凸塞99插入电位计二21的轴槽，实现心轴94与电位计二21轴连动的，而电位计二21的外壳紧固在关节二12的接头91上，以保证电位计二21准确地与关节二12保持同步转动；关节二12的上端与大臂13一端进行固定相连(以下两两关节的内在连接和联结都是相同的和类同的，下面就不一一叙述了)。

关节三14的下端与大臂13另一端进行固定相连，关节三14的右端与关节四15的左端相连，其关节三14的心轴与关节四15用螺钉进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节三14进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节三14进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节三14的转动灵活；与电位计三22的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计三22的轴槽，实现心轴与电位计三22轴连动的，而电位计三22的外壳紧固在关节三14的接头上，以保证电位计三22准确地与关节三14保持同步转动。

关节四15的下端与小臂16一端进行固定相连，关节四15的右端与关节三14的右端相连，其关节四15的心轴与小臂16一端用螺钉进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节四15进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节四15进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节四15的转动灵活；与电位计四23的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计四23的轴槽，实现心轴与电位计四23轴连动的，而电位计四23的外壳紧固在关节四15的接头上，以保证电位计四23准确地与关节四15保持同步转动。

关节五17的上端与小臂16另一端进行固定相连，关节五17的右端与关节六18的左端相连，其关节五17的心轴与关节六18进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节五17进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节五17进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节五17的转动灵活；与电位计五24的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计五24的轴槽，实现心轴与电位计五24轴连动的，而电位计五24的外壳紧固在关节五17的接头上，以保证电位计五24准确地与关节五17保持同步转动。

关节六18的下端与锥形探测工具19进行相连，其关节六18的心轴与探测工具19进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节六18进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节六18进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节六18的转动灵活；与电位计六25的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计六25的轴槽，实现心轴与电位计六25轴连动的，而电位计六25的外壳紧固在关节六18的接头上，以保证电位计六25准确地与关节六18保持同步转动。

三维图像虚拟规划方法是：

本发明设计的借助于计算机WindowsNT和SGI工作站的OpenGL软件技术，设计的三维图像虚拟规划方法是：用六关节机械臂9作为观测棒，在计算机WindowsNT和SGI工作站的OpenGL软件开发环境平台上，可以实现一个三维图像虚拟规划操作规划系统。它首先可以完成二维图像数据预处理，包括直方图显示、灰度范围校准(线性灰度变换、非线性灰度变换)、组织划分、一系列CT扫描操作对象图像对齐校准以及CT层间的插值处理等。然后，在此基础上实现三维图像的重构，并在计算机屏幕上用不同颜色显示操作对象内的不同结构。利用本发明设计的六关节机械臂9作为观测棒，可以实现三维图像的平移旋转、放大缩小、任意切割平面等操作，并可以从不同角度，对预行具体操作的部位进行测量定位，通过计算机程序，进行坐标变换，计算出机械臂末端的坐标值，对操作直线轨迹在计算机的操作对象三维图像中进行虚拟演示与规划，并观察操作轨迹结果等。

明确地说：我们可以利用六关节机械臂9，借助于六个关节上的电位器，测量出各个关节的角度，通过计算机4的A/D卡采集转换为数字量，再利用计算机4的程序，进行空间几何坐标转换，就可以算出机械臂末端的姿态和位置。对六关节机械臂9的操纵，对实际操作对象表面的测量，就可以

A.利用六关节机械臂9末端的姿态和位置，控制计算机4屏幕上三维图象的旋转

B.利用六关节机械臂9末端与实际操作对象的远近，可以控制计算机4屏幕上三维图象的放大或缩小；

C.以六关节机械臂9末端的姿态定义一个平面，对计算机4屏幕上三维图象进行切割，便于观察操作对象内部的目标点；

基于上述三个功能，就可以借助对六关节机械臂9的操作，以其坐标系为基点，来分析、观察机器人操作直线的最佳位置和姿态，其操作直线轨迹；这一技术的凸出特点是借助于六关节机械臂9作为观测棒，可以方便建立图像操作的良好界面，以实现虚拟的操作和规划，选择最佳方案。

二.图像三维模型与操作环境的认同方法

在计算机与机器人辅助外科系统和操作中，首先需要解决的问题是如何实现操作对象图像三维模型与操作环境的认同，即将CT图片上的预定目标点位置映射到机器人操作的具体目标点位置。在这里借助于本发明设计的测量标定机械接口一70和标测钉71、双层模板50，利用计算机控制的机器人力控制人机交互操作界面，我们提出了图像映射和目标点三维坐标确定两种映射变换方法。

A：图像映射变换方法：

一般我们定义虚拟空间是基于CT的图像空间，现实空间是机器人和操作对象所在的空间。为了建立两个空间的映射关系，我们通过定义立体框架上的三个定位标记点，来构造一个与操作对象固连的参考坐标系，实现了两个空间的匹配映射。

对于图像映射方法，机器人1可以将目标靶点从CT图像坐标系、定位框架3坐标系映射到机器人1基坐标系、机器人末端的器械夹持具60坐标系。本发明设计了用于测量标定的标测钉71工具和测量标定机械接口一70，测量标定机械接口一70的一端通过螺钉可以固定在机器人末端力传感器2，测量标定机械接口一70的另一端通过螺钉可以固定锥形标测钉，目的是为了利用机器人1末端安装的标测钉71直接获取操作空间的标记点坐标。

本发明设计的借助于CT扫描，获得CT图象，借助于在CT图象空间坐标系中，已知道了定位框架3上的三个标记点，我们所设计的图像映射方法是：首先在操作对象安装的定位框架3上选择定义三个标记点，然后进行CT扫描，获得CT图象；由于在CT图象空间坐标系中，知道上述个标记点，以这三个标记点可以构造一个空间坐标系，称之为CT图象空间的标记点三坐标系，从而可以通过空间几何变换，将CT图象空间所关心的目标点映射到CT图象中的标记点坐标系中。

另一方面，当带着定位框架3的操作对象放在工作台29上以后，我们将测量标定机械接口一70的一端，通过螺钉固定在机器人末端力传感器2上，再将测量标定机械接口一70的另一端安装固定一个锥形标测钉71，可以测量获得操作空间的三个标记点，以这三个标定的标记点又可以构造一个空间坐标系，称之为操作空间中的标记点坐标系。由机器人在操作空间中通知上述三个标记点，从而可以通过几何变换，将操作空间中所关心的目标点映射到标记点坐标系中，而且这种逆变换也是存在的，即标记点坐标系中的目标点映射到机器人操作空间中。

通过上述方法，CT图象空间映射变换到CT图象空间中的标记点坐标系中，CT图象空间中的标记点坐标系与机器人操作空间中的标记点坐标系完全等价，从而再将上述变换将机器人操作空间中标记点坐标系映射变换到机器人操作空间，这就实现了CT图象空间到操作空间的变换。

因此，在操作空间中，只要借助我们设计安装在机器人末端的测量标定机械接口一70和标测钉71，通过计算机4，实现PUMA260机器人1控制方式，用机器人1可以直接从定位框架3上识别获得操作空间中定义的三个定位标记点。在虚拟空间中定义的三个定位标记点坐标位置，可以从定位框架3刻度上直接获得。可以看出，只要三个定位标记点不同线，基于可以使用的软件，就可以构造这两个空间映射关系的几何变换矩阵。

我们所提出的图像映射方法较好地解决了医疗图像空间与操作空间非结构化环境的复杂繁琐标定，使操作不占用CT室，这样符合中国国情，并为无框架立体定向神经外科操作的进一步研究奠定重要的基础。

B.目标点三维坐标确定方法：

我们提出了利用成像设备C形X光机8，不在操作对象上设置标记点，实现医疗图像空间与操作空间非结构化环境映射变换。设想任何一幅X光医疗图像是一个三维的透视图，图像中的目标点可以看成是该点在空间沿着X光线方向的投影点，一条投影线上的每一点都对应同一个投影点。显然，如果在两幅图像中都找到一条通过目标点的投影直线，那么这两条直线的交点就是我们要求的空间目标点位置。

为了解决这一问题，我们设计了一种双层模板50。它的结构是：上层模板51和下层模板52的材料用有机玻璃，上层模板51和下层模板52之间的距离是确定的，上层模板51和下层模板52之间的联接固定是通过螺钉五54、螺钉六55、螺钉七56、螺钉八57紧固，机械接口三53和固定棒58是紧固连接，组成双层模板50的把柄。在机械接口三53的两个折边处，和上层模板51及下层模板52固定连接。上层模板51的标记点的位置我们采用正方形网格排列，每两点之间的距离是确定的，下层模板52的标记点在板中心的若干个同心圆上，这些标记点在双层模板50中的坐标系位置是精确的和确定的，而且它们的投影在图象中是可见的，标记点的材料选用1mm直径的铅丝制成。

如果给出具体的数值，则模板的一种设计是：模板的尺寸为200mm×200mm，上层模板51和下层模板的材料用有机玻璃，厚度为4mm，上层模板51和下层模板52之间的距离为53mm，上层模板51和下层模板52之间的联接固定是通过螺钉五54、螺钉六55、螺钉七56、螺钉八57紧固的。上层模板51的标记点我们采用正方形网格排列，每两点之间的距离为40mm，下层模板52的标记点采用圆形排列，共有两个圆周，小圆半径为50mm，大圆半径为70mm；每个圆周上有16个标记点。

双层模板50与机器人末端的测量标定机械接口一70联接是通过双层模板50的机械接口53固定联接的，然后通过双层模板50上金属标记在X光图象中的投影关系，可以测量和计算空间未知点在模板坐标系的坐标，再基于机器人1基坐标的变换矩阵，则可从两幅投影图象中分别确立两条空间直线，他们的相交点即为我们所待求的空间位置，从而实现一种快速有效的定位算法。双层模板50的结构是基于求解投影线上两个点的想法，以建立空间直线方程而专门设计的。

在使用时，首先将双层模板50的固定棒58插入测量标定机械接口一70的固定件74的孔中，与测量标定机械接口一70通过螺钉固定连接，利用计算机4将机器人末端的双层模板运动到待测部位的上方，然后将成象设备C形X光机8移动到机器人末端双层模板50的上方进行拍照成象。由于双层模板50上的标记点不仅在X光图象上是可见的，而且它们之间的位置关系在机器人坐标中也是固定和已知的，从而可以通过双层模板50上的标记点，构造一条穿过目标点的空间直线族。然后，按上述方法将机器人末端双层模板50和C形X光机8移动到待测部位的另一方位，又可以构造出另一条穿过目标点的空间直线族，当目标点是唯一的，则两条空间直线族的交点就是我们待测三维坐标目标靶点。这种方法在操作对象上不用取样，而是借助于本发明设计的双层模板50，直接实现了图象与操作间非结构化的映射变换。

因此，我们所提出的非损伤映射技术方案突出特点是借助我们设计的双层模板50，可以巧妙地将医疗成象设备与图象引导定位系统分离开来，定位算法中不需要考虑医疗成象设备C形X光机8的有关参数和姿态，这不仅使定位问题简单化，而且使得这种定位系统变得更加实用。

三.机器人辅助立体定向的操作控制：

我们是以UNIMATION公司的PUMA260机器人1为硬件平台，研究开发了机器人辅助立体定向操作控制，这方面的技术方案包括本发明设计的与机器人末端联接的器械夹持具60、机器人轨迹规划、机器人运动控制算法和通讯程序。另外还实现了具有基于实时力控制的人机交互界面，医生可以直接抓持机器人的末端，控制机器人达到医生所期望的位置和姿态，方便了医务人员对机器人定位的操作。

UNIMATION公司的PUMA260机器人1是一种可编程的体积较小、便于搬运的通用机器人，它能以0.05mm的重复精度完成复杂的工作，并能保持稳定的轨迹。它主要由操作机、控制器、示教盒、监视器等系统连接组成。它的运动与人体相类似，如可以以腕、肩、肘、腰部位并行或分别旋转操作。六个关节分别配有永磁电机和伺服驱动系统。每个关节都能进行大范围角位移。另外，PUMA260机器人1具有较好的安全性，当它的电气或机械失效后，在腰、肩、肘安装的弹簧机制可以有刹车制动作。为了使机器人与操作对象保持固定的联系，机器人1基座与工作台的位置距离在操作过程中保持不变，安装在操作对象的定位框架3与工作台固定联接。

将测量标定机械接口一70替换为机械夹持具60，利用计算机4控制程序可以实现机器人1辅助下的不同方向直线轨迹规划，以选择最佳的操作方案。机械夹持具60(见图7)的硬件结构的组成是：发兰盘的形机械接口二61、支架67与引导机构62之间是精密固定配合，且机械接口二61上有四个固定孔68，机械接口二61的功能是与机器人末端力传感器进行联接。呈凹字形引导机构62的凸出的两个边，各开有一个孔，左边的叫上位夹持具63，右边的叫下位夹持具64，孔的上壁各开有一个螺孔并分别配有螺钉九66螺钉十65。引导机构62功能是在上位夹持具63和下位夹持具64配合下，保证各种操作器械工具，在引导机构62引导的方向上进行相应的操作，其中上位夹持具63和下位夹持具64是可以按操作器械的粗细、大小进行更换，螺钉十65和螺钉九66负责对更换的上位夹持具63和下位夹持具64进行固定。在分析比较确定机器人1规划的最佳直线路径后，确定操作轨迹，机器人1可以根据选择的不同方向，调整姿态，然后进行直线轨迹的运动。实现立体定向操作的精确定位，并控制机器人1按最佳的直线轨迹运动到操作对象附近。机器人1可以实时、准确地计算出需要到达预定目标区域的距离，提供工作人员参考。经再三对比，对机器人计算的结果进行分析、讨论、评价，并根据操作实际情况进行修正。机器人1按准确修正后的速度和距离，准确地沿直线前进或后退运动，到达预定目标区域的距离可以由机器人1计算得到。

四.放射性药物注入机构：

考虑减轻注射同位素对外科医务工作人员的辐射伤害，我们在机器人末端的器械夹持具60上，专门设计了一种用于遥控操作的推进机构30(见图5)，辅助工作人员在远距离进行放射性同位素药物的注射操作。推进机构30的夹具33功能是在螺钉一31、螺钉二32的紧固配合下，将推进机构34本体与器械夹持具60固定联接。直流电机37固定安装在推进机构本体34上，直流电机37轴承与一个转动轮35固定联接，通过一条钢丝绳36与滑板相连。当直流电机37带动转动轮35正转或反转，滑板38在滑槽39上也跟着上下移动。滑板与一个连杆40固定联接，连杆40的顶部通过一个螺钉三41又与一个挡板42相连。当螺钉三41松动时，挡板42可以左右转动，便于安装不同大小粗细的注射器6。当螺钉三41紧固时，挡板42也将固定，从而可以随连杆40上下移动，推动注射器6完成放射性药物的注入。直流电机37的驱动是利用计算机4程序，通过计算机4的A/D卡进行控制的。

本发明有以下优点：

a.充分利用影像信息(如9幅普通CT片)，图像和坐标精确，可重复性好，减少了人工测量的误差。

b.适用于各种CT机拍成的CT片，如一张9幅操作对象图的CT片，可以完成操作对象目标点定位，即可用于机器人辅助脑外科系统，也可以配合常规的各种操作对象立体定向仪，在保持同样精度的条件下，实时计算目标点的X、Y、Z坐标位置，同时还具有省去坐标刻度盘和定位尺设备与操作等优点。

c.国外一般所采用的映射标定方法是将CT扫描室直接作为手术室，在操作之前，将机器人机座与CT床的机座牢牢相连，从而可以完成CT机扫描的空间坐标系与机器人基坐标系之间的映射变换。这种方法显然不符合我们国家的国情，价格昂贵的CT机往往是面向医院各个医疗科室，很难作为手术室。因此，我们所提出的图像映射方法较好地解决了医疗图像空间与操作空间非结构化环境的复杂繁琐标定，使操作不占用CT室，这样符合中国国情。

d.本发明所提出的目标点坐标确定方案，突出的特点是借助本发明设计的模板，可以巧妙地将医疗成象设备与图象定位系统分离开来，算法中不需要考虑医疗成象设备的有关参数和姿态，这不仅使定位问题简单化，而且使得这种系统变得更加实用。

e.利用先进机器人技术，取消框架仪的弓型操作臂，为工作人员提供更大的操作空间。

f.利用机器人技术，替代医务人员直接进行放射性药物的注入操作，以减轻对下作人员的辐射伤害。通过电检和手检，没有文献给予报道。

g.利用机器人技术，可以进行不同方向的直线轨迹规划，以保证操作方案的最佳性。

h.由于实施的图像映射操作，减少了操作对象的操作危险和痛苦，缩短了所需康复的时间，同时也降低了医疗费用。

我们提出的映射标定方法重要意义是为无框架立体定向神经外科操作研究将奠定重要的基础。这种方法的优点在于可以减小操作对象的损害，使操作对象摆脱笨重的框架和弓型操作引导装置，扩大操作的空间，克服操作对象从CT扫描开始直到操作结束都要戴着头架的缺点，并且常规方法难以在不同方向上提供对目标的轨迹规划。

从长远来看，机器人技术应用于立体定向神经外科定位，拓宽了立体定向操作的范围，代表着立体定向操作的发展方向，为实施操作对象深部的操作、开展无框架立体定向神经外科提供了新的途径。它不仅使操作更加安全可靠，而且减轻了损害，缩短了操作对象的康复时间，还可避免放射性药物注入过程中对医务人员的伤害，使立体定向操作更加方便、省时、高效。本发明有以下附图：

图1是本发明的机器人脑外科设备系统结构示意图；

图1的设备组成和图中各标号的含义是：机器人1、计算机4、扫描仪5、C形X光机8、CT片26、机手延伸装置27、工作台28和标定设备29组成的。

图2是本发明的机器人脑外科设备系统部分设备在工作状态下的示意图：

图2的设备组成和图中各标号的含义是：力传感器2、定位框架3、注射  器6、推进机构30组成。

图3本发明设计的六关节机械臂示意图：

图3的设备组成和图中各标号的含义是：机座10、关节一11、关节二12、大臂13、关节三14、关节四15、小臂16、关节五17、关节六18、探测工具19、电位计一20、电位计二21、电位计三22、电位计四23、电位计五24、电位计六25组成。

图4是本发明设计的六关节机械臂第一和第二关节部件的剖视件示意图，

图4的设备组成和图中各标号的含义是：接头91、挡不92、垫圈93、心轴94、螺钉四96、衬套97、连接套98、凸塞99。

图5是本发明设计的推进机构30示意图；

图5的设备组成和图中各标号的含义是：螺钉一31、螺钉二32、夹具33、挺进机构本体34、转动轮35、钢丝绳36、直流电机37、滑板38、滑槽39、连杆40、螺钉三41、挡板42和卡口43组成。

图6是本发明设计的双层模板50示意图；

图6的设备组成和图中各标号的含义是：上层模板51、下层模板52、机械接口三53、螺钉五54、螺钉六55、螺钉七56、螺钉八57和固定棒58组成。

图7是本发明设计的器械夹持具60示意图；

图7的设备组成和图中各标号的含义是：机械接口二61、引导机构62、上位夹持具63、下位夹持具64、螺钉九65、螺钉十66、支架67和四个衔接孔68组成。

图8是本发明设计的测量标定机械接口一70示意图；

图8的设备组成和图中各标号的含义是：标测钉71、固定孔72、底座73、固定件74和衔接螺口75组成。

图9是本发明使用的标测钉71示意图。

本发明的实施内容，已经在前面的叙述中完整、清楚地叙述过，就不再在实施例中重复了。

Claims (10)

1.机器人脑外科设备系统是由计算机(4)、机器人(1)、机械手延伸装置(27)、工作台(28)、和标定设备(29)等设备构成，是进行接受信息、测定并确定目标点的位置、辅助进行手术和进行操作的脑外科设备系统，其特征在于，该系统还包括CT图片(26)、扫描仪(5)和C形X光机(8)等设备，其机械手延伸装置(27)包括测量标定机械接口一(70)、标测钉(71)、器械夹持具(60)、双层模板(50)、推进机构(30)和六关节机械臂(9)等设备；其标定设备(29)使用的是定位框架(3)；

不同的工作状态机械手延伸装置(27)所选用的设备不同：

一.在进行相关操作时：仅借助本发明设计的手术器械夹持具(60)，和六关节机械臂(9)进行钻孔并插入探针，进行目标点的取样和注入；

二.在进行辅助操作时：在器械夹持具(60)上安装本发明设计的推进机构(30)，操纵六关节机械臂(9)，进行操作；

三.在进行标测定位时：所使用的设备包括测量标定机械接口一(70)、标测钉(71)、器械夹持具(60)、双层模板(50)、推进机构(30)和六关节机械臂(9)等设备；测量标定机械接口一(70)和机器人末端衔接的接口，是由有四个衔接螺口(75)形似法蓝盘的底座(73)和中心有固定孔(72)的固定件(74)组成，底座(73)和固定件(74)是固定连接，在固定件(74)上配有固定用的螺钉，进行立体定向操作和精确定位。

2.根据权利要求1所说的脑外科设备系统，其特征是，六关节机械臂(9)的结构是：在机座(10)上装配有关节一(11)，其关节一(11)下端内部采用精密轴，心轴(94)与机座(10)用螺钉四(96)进行固定，心轴轴向定位由挡环(92)、垫圈(93)与关节一(11)进行固定，心轴(94)的径向定位由铜制衬套与关节一(11)进行固定，铜制衬套(97)的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节一(11)的转动灵活；与电位计一(20)的联结是通过紧固在心轴(94)中凸塞(99)插入电位计一(20)的轴槽，实现心轴与电位计一(20)轴连动的，而电位计一(20)的外壳紧固在关节一(11)的接头(91)上，以保证电位计一(20)准确地与关节一(11)保持同步转动；

关节二(12)的右端与关节一(11)的左端相连，其关节二(12)的心轴(94)与关节一(11)用螺钉四(96)进行固定，心轴(94)轴向定位由挡环(92)、垫圈(93)与关节二(12)进行固定，心轴(94)的径向定位由铜制衬套(97)与关节二(12)进行固定，铜制衬套(97)的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节二(12)的转动灵活；与电位计二(21)的联结是通过紧固在心轴(94)中凸塞(99)插入电位计二(21)的轴槽，实现心轴(94)与电位计二(21)轴连动的，而电位计二(21)的外壳紧固在关节二(12)的接头(91)上，以保证电位计二(21)准确地与关节二(12)保持同步转动；关节二(12)的上端与大臂(13)一端进行固定相连；

关节三(14)的下端与大臂(13)另一端进行固定相连，关节三(14)的右端与关节四(15)的左端相连，其关节三(14)的心轴与关节四(15)用螺钉进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节三(14)进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节三(14)进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节三(14)的转动灵活；与电位计三(22)的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计三(22)的轴槽，实现心轴与电位计三(22)轴连动的，而电位计三(22)的外壳紧固在关节三(14)的接头上，以保证电位计三(22)准确地与关节三(14)保持同步转动；

关节四(15)的下端与小臂(16)一端进行固定相连，关节四(15)的右端与关节三(14)的右端相连，其关节四(15)的心轴与小臂(16)一端用螺钉进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节四(15)进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节四(15)进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节四(15)的转动灵活；与电位计四(23)的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计四(23)的轴槽，实现心轴与电位计四(23)轴连动的，而电位计四(23)的外壳紧固在关节四(15)的接头上，以保证电位计四(22)准确地与关节四(15)保持同步转动；

关节五(17)的上端与小臂(16)另一端进行固定相连，关节五(17)的右端与关节六(18)的左端相连，其关节五(17)的心轴与关节六(18)进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节五(17)进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节五(17)进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节五(17)的转动灵活；与电位计五(24)的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计五(24)的轴槽，实现心轴与电位计五(24)轴连动的，而电位计五(24)的外壳紧固在关节五(17)的接头上，以保证电位计五(24)准确地与关节五(17)保持同步转动；

关节六(18)的下端与锥形探测工具(19)进行相连，其关节六(18)的心轴与探测工具(19)进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节六(18)进行固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节六(18)进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节六(18)的转动灵活；与电位计六(25)的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计六(25)的轴槽，实现心轴与电位计六(25)轴连动的，而电位计六(25)的外壳紧固在关节六(18)的接头上，以保证电位计六(25)准确地与关节六(18)保持同步转动。

3.根据权利要求1所说的脑外科设备系统，其特征是，双层模板(50)结构是：上层模板(51)和下层模板(52)的材料用有机玻璃，上层模板(51)和下层模板(52)之间的距离是确定的，上层模板(51)和下层模板(52)之间的联接固定是通过螺钉五(54)、螺钉六(55)、螺钉七(56)、螺钉八(57)紧固，机械接口三(53)和固定棒(58)是坚固连接，形成双层模板(50)的把柄，在机械接口三(53)的两个折边处和上层模板(51)及下层模板(52)固定连接；上层模板(51)的标记点的位置我们采用正方形网格排列，每两点之间的距离是确定的，下层模板(52)的标记点在板中心的若干个同心圆上，这些标记点在双层模板(50)中的坐标系位置是精确的和确定的，而且它们的投影在图象中是可见的，标记点的材料选用1mm直径的铅丝制成。

4.根据权利要求3所说的外科设备系统，其特征是，双层模板(50)的一种设计是：模板的尺寸为200mm×200mm，上层模板(51)和下层模板的材料用有机玻璃，厚度为4mm，上层模板(51)和下层模板(52)之间的距离为53mm，上层模板(51)和下层模板(52)之间的联接固定是通过螺钉五(54)、螺钉六(55)、螺钉七(56)、螺钉八(57)紧固的；上层模板(51)的标记点我们采用正方形网格排列，每两点之间的距离为40mm，下层模板(52)的标记点采用圆形排列，共有两个圆周，小圆半径为50mm，大圆半径为70mm；每个圆周上有16个标记点。

5.根据权利要求1所说的脑外科设备系统，其特征是，机械夹持具(60)是由机械接口二(61)、支架(67)和引导机构(62)精密固定配合；机械接口二(61)形似法蓝盘，上面有四个衔接孔(68)，机械接口二(61)可与机器人末端力传感器进行联接，引导机构(62)呈凹形，凸出部分形成上位夹持具(63)和下位夹持具(64)，在上位夹持具(63)和下位夹持具(64)配合下，夹持各种手术器械工具，在引导机构(62)引导的方向上进行相应的操作，其中上位夹持具(63)和下位夹持具(64)通过螺钉九(65)和螺钉十(66)的紧和松动夹持操作工具。

6.根据权利要求1所说的脑外科设备系统，其特征是，推进机构(30)的结构是：夹具(33)所形成的卡口(43)，在螺钉(31)、(32)的紧固配合下，将推进机构本体(34)与手术器械夹持具(60)固定联接，直流电机(37)固定安装在推进机构本体(34)上，直流电机(37)轴承与一个转动轮(35)固定联接，通过一条钢丝绳(36)与滑板相连，当直流电机(37)带动转动轮(35)正转或反转，滑板(38)可沿滑槽(39)上下移动；滑板与一个连杆(40)固定联接，连杆(40)的顶部通过一个螺钉三(41)又与一个挡板(42)相连；当螺钉三(41)松动时，挡板(42)可以左右转动，便于安装不同大小粗细的注射器(6)；当螺钉三(41)紧固时，挡板(42)也将固定，从而可以随连杆(40)上下移动，推动注射器(6)；通过计算机(4)的A/D卡驱动直流电机(37)。

7.根据权利要求1所说的机器人脑外科设备系统所采用的二维图象计算方法，其特征是：本发明设计的借助于PC586 Window平台，利用Visual C++技术，借助于PC586 Window平台，利用Visual C++技术实现五个图标驱动下的可视化引导目标点的定位，既：

a.读写文件操作，将CT或MRI图像数据读入缓冲区并显示在屏幕上，将修改的CT或MRI图像数据存入文件，将完成定位的参数、报告输出打印；

b.在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示一个带有标尺的框架，利用鼠标拖动这个显示框架，对准CT或MRI图像显示的操作对象所带有的立体定向框架的四个角，确定计算机屏幕上CT或MRI图像显示与实际操作对象部位的坐标变换；

c.在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示带有刻度的横向标尺，利用鼠标拖动这个标尺，对准CT或MRI图像显示的操作对象带有N字形标记点，确定计算机屏幕上CT或MRI图像显示Z轴深度的坐标；

d.在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示带有刻度的十字标尺，利用鼠标拖动这个标尺，对准CT或MRI图像显示的操作对象目标点，确定计算机屏幕上CT或MRI图像显示X、Y轴的坐标；

e.根据图标功能之二到之四的操作，通过几何变换，计算出相对于立体定向框架仪的X、Y、Z坐标。

8.根据权利要求1所说的机器人脑外科设备系统所采用的三维图象虚拟规划方法，其特征是：本发明设计的借助于计算机WindowsNT和SGI工作站的OpenGL软件技术，设计的三维图像虚拟规划方法是：用六关节机械臂(9)作为观测棒，在计算机WindowsNT和SGI工作站的OpenGL软件开发环境平台上，实现一个三维图像虚拟规划立体操作规划；完成二维图像数据预处理，包括直方图显示、灰度范围校准(线性灰度变换、非线性灰度变换)、组织划分、CT扫描目标点图像对齐校准以及CT层间的插值处理；实现三维图像的重构，并在计算机屏幕上用不同颜色显示操作对象内的不同结构；用本发明设计的六关节机械臂(9)作为观测棒，实现三维图像的平移旋转、放大缩小、切割平面等操作，从不同角度，对预行具体操作的部位进行测量定位，进行坐标变换，计算出机械臂末端的坐标值，对操作直线轨迹，在计算机的目标点三维图像中进行虚拟演示与规划；

明确地说：我们利用六关节机械臂(9)，借助于六个关节上的电位器，测量出各个关节的角度，通过计算机(4)的A/D卡采集转换为数字量，再利用计算机(4)的程序，进行空间几何坐标转换，计算出机械臂末端的姿态和位置；对六关节机械臂(9)的操纵，通过对操作对象表面的测量，进行

A.利用六关节机械臂(9)末端的姿态和位置，控制计算机(4)屏幕上三维图象的旋转；

B.利用六关节机械臂(9)末端与实际操作对象的远近，可以控制计算机4屏幕上三维图象的放大或缩小；

C.以六关节机械臂(9)末端的姿态定义一个平面，对计算机(4)屏幕上三维图象进行切割，观察操作对象内部的目标点；

基于上述三点，以其坐标系为基点，分析、观察机器人操作穿刺直线的最佳位置和姿态，这一技术的凸出特点是借助于六关节机械臂(9)作为观测棒，建立图像操作的良好界面，以实现虚拟的操作和规划，选择最佳操作方案。

9.根据权利要求1所说的机器人脑外科设备系统所采用的图象映射方法，其特征是：图象映射方法是：

a.在操作对象安装的定位框架(3)上选择定义三个标记点，进行CT扫描，获得CT图象；以这三个标记点构造一个空间坐标系，称之为CT图象空间的标记点三坐标系，从而确定CT图象目标点的坐标；

b.当带着定位框架(3)的操作对象放在工作台(28)上，将测量标定机械接口一(70)的一端，通过螺钉固定在机器人末端力传感器(2)上，再将测量标定机械接口一(70)的另一端安装固定一个锥形标测钉(71)，测量获得手术操作空间的三个标记点，用这三个标定的标记点又建立一个空间坐标系，称之为操作空间中的标记点坐标系；通过几何变换，将手作空间中所关心的目标点映射到标记点坐标系中，即标记点坐标系中的目标点映射到机器人操作空间中，其逆变换也是存在的；实现了CT图象空间到操作空间的变换。

10.根据权利要求1所说的机器人脑外科设备系统所采用的目标三维坐标点确定方法，其特征是：目标点三维坐标确定方法是：

a.首先将双层模板(50)与机器人末端的测量标定机械接口(70)通过螺钉固定连接，利用计算机(4)将机器人末端的双层模板运动到待测部位的上方，然后将成象设备C形X光机8移动到机器人末端双层模板(50)的上方进行拍照成象；由于双层模板(50)上的标记点不仅在X光图象上是可见的，而且它们之间的位置关系在机器人坐标中也是固定和已知的，从而可以通过双层模板(50)上的标记点，构造一条穿过目标点的空间直线族；

b.按上述方法将机器人末端双层模板(50)和C形X光机(8)移动到待测部位的另一方位，又可以构造出另一条穿过目标点的空间直线族；

c.当标定点是唯一的，则两条空间直线族的交点就是我们待测量的三维坐标目标点。

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