CN112641512A - 一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法，方法涉及手术机器人空间导航方法，具体的说是一种把基于医学图像的三维建模与患者的位姿进行配准。所谓配准是指空间同一个点在两个不同的坐标系的坐标值之间的一对一的映射或转换，即在两个不同坐标系中分别描述同一个点，该点在两种坐标之间的映射。在颅颌面肿瘤手术中，空间配准(又称术中配准)是关乎手术成功与否的关键因素，通过立体定位跟踪系统，在手术中确定机器人末端手术操作器械与患者的对应关系，并与术前重建的医学图像整合显示在一起，这样医学图像才能被有效地用来实时引导机器人定位及辅助穿刺手术的进行。本文选用基于固定在病人头骨上的外部标记点的配准方法来实现颅颌面肿瘤手术机器人的术中空间配准。

Description

一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法
技术领域
本发明属于手术机器人空间导航领域，特别涉及一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法。
背景技术
随着医学理论的不断发展与进步，外科手术也朝着越来越精细、越来越复杂的方向发展。微创手术是目前外科手术领域的主要发展方向。传统医学知识因为技术上存在的种种不足，而难以满足临床手术需求。近几十年来，医用机器人技术逐渐应用与传统医学手术中。当前，先进的机器人技术在一些外科手术，如手术设计、手术模拟、微创准确快速定位、无创诊断和探测、新型的手术治疗方法等方面都有广泛的应用，不仅促进了传统医学的革命性进步，同时也带动了一些新技术、新理论的长足发展。
在实现手术机器人自动手术的过程中，一个重要的技术就是空间配准。根据配准过程所使用的点集类型的不同，空间配准方法可分为框架配准法、基于解剖特征点的配准、基于外部标志点的配准和基于表面的空间配准。由于基于外部标志点的配准方法精度高，稳定性好，常用于口腔颌面部疾病手术中空间配准。因此，本方法选用基于固定在病人头骨上的外部标记点的配准方法来实现颅颌面肿瘤手术机器人的术中空间配准。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法，通过立体定位跟踪系统，在手术中确定机器人末端手术操作器械与患者的对应关系，并与术前重建的医学图像整合显示在一起，这样医学图像能被有效地用来实时引导机器人定位及辅助穿刺手术的进行，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法，包括以下步骤：步骤a、计算病人坐标系{P}与光学测量坐标系{O}之间的转换关系TOP；步骤b、计算三维图像坐标系{V}与病人坐标系{P}之间的转换关系TPV；步骤c、计算光学测量坐标系{O}与机器人坐标系{R}之间的转换关系TRO；步骤d、计算三维重建图像坐标系{V}与机器人坐标系{R}之间的转换矩阵可表示为：TRV＝TROTOPTPV；步骤e、计算目标靶点位姿在所述机器人坐标系{R}中的位姿矩阵Rtarget，根据坐标转换原理，Rtarget＝TRVVtarget；其中，Vtarget表示为目标靶点位姿在所述三维重建图像坐标系{V}中的位姿。
优选的，计算所述TOP包括以下步骤：将安装在头部的定位支架作为所述病人坐标系{P}，利用光学导航仪可以直接获取所述定位支架在所述光学测量坐标系{O}下的位姿，由导航软件以四元数给出。
优选的，计算所述TPV包括以下步骤：步骤b1、将病人头部摆放一个合适的位置，用头架固定，用光学导航仪探针点取病人头骨标记点，获得标记点在光学导航仪下的坐标，利用病人坐标系{P}与光学测量坐标系{O}之间的转换关系TOP将所述坐标转换为病人坐标系{P}下的坐标；步骤b2、利用术前标记点的获取方法获取标记点在三维重建图像坐标系{V}下的坐标，根据光学导航系统控制算法得到所述三维重建图像坐标系{V}与病人坐标系{P}之间的转换关系TPV。
优选地，在机器人本体上安装导航定位支架，获取所述定位支架在光学测量坐标系{O}下的位姿，得到光学测量坐标系{O}与机器人坐标系{R}之间的转换关系TRO。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过立体定位跟踪系统，在手术中确定机器人末端手术操作器械与患者的对应关系，并与术前重建的医学图像整合显示在一起，这样医学图像能被有效地用来实时引导机器人定位及辅助穿刺手术的进行。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明钛钉植入及图像获取示意图；
图2示意性示出了本发明标记点在光学测量空间中的空间位置示意图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
基于外部标志点的空间配准先将若干标记(在影像中可见)贴于病人皮肤表面或固定在面部骨骼上，如图1所示，在术前作CT扫描；然后将术前扫描图像中与术中患者坐标系下采集的标记点所获得的坐标值进行配准。在颅颌面肿瘤穿刺手术前，要在病人颅颌面骨上安装钛钉作为配准标记点，进行CT扫描，然后进行三维重建，用鼠标点取钛钉中心点作为标记点在图像坐标系中的位置。
术中，在患者头部安置被动定位支架，调整光学导航仪的位置，避免红外线发生阻挡影响探测，然后医生用探针获取钛钉标记点的空间坐标，得到标记点在光学测量空间中的空间位置，如图2所示。对于机器人空间配准标记点的获取，医生用被动定位探针获取加工在机器人本体上标记点的空间坐标，得到机器人本体标记点在光学测量空间中的空间位置。
在颅颌面肿瘤手术机器人系TRO统中，术中空间配准的目的是求出目标靶点位姿在三维重建图像坐标系{V}中位姿Vtarget及手术机器人坐标系{R}中的位姿Rtarget之间的对应关系，根据坐标转换原理，可知：Rtarget＝TRVVtarget，其中Vtarget可以直接从三维图像中获取，因此只要求出三维图形坐标系{V}与机器人坐标系{R}的转换矩阵TRV，即可以求出目标位姿在机器人坐标系{R}中的位姿矩阵Rtarget。因为TRV无法直接求取，因此引入中间坐标系即光学导航坐标系{O}及病人坐标系{P}进行间接换算，即分别求出TRO、TOP、TPV。
步骤(1)、病人坐标系与光学导航坐标系间的转换
将安装在头部的定位支架作为患者坐标系{P}，利用光学导航仪可以直接获取定位支架在光学测量坐标系下的位姿，由导航软件以四元数给出，从而可以确定病人坐标系{P}与光学测量坐标系{O}之间的转换关系TOP。
步骤(2)、病人坐标系与图像坐标系间的转换
将病人头部摆放一个合适的位置，用头架固定，用光学导航仪探针点取病人头骨标记点，获得标记点在光学导航仪下的坐标，利用病人坐标系与光学测量坐标系之间的转换关系TOP将其转换为病人坐标系下的坐标；利用术前标记点的获取方法获取标记点在三维重建坐标系下的坐标，根据光学导航系统控制算法得到三维图像坐标系{V}与病人坐标系{P}之间的转换关系TPV。
步骤(3)、光学导航仪坐标系与机器人坐标系间的转换
首先在机器人本体上安装导航定位支架，获取定位支架在光学坐标系下的位姿，得到光学坐标系与机器人坐标系之间的转换关系TRO。
最终即可以得到图像坐标系到机器人坐标系之间的转换矩阵：
TRV＝TROTOPTPV
本发明的有益效果：本发明通过立体定位跟踪系统，在手术中确定机器人末端手术操作器械与患者的对应关系，并与术前重建的医学图像整合显示在一起，这样医学图像能被有效地用来实时引导机器人定位及辅助穿刺手术的进行。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、计算病人坐标系{P}与光学测量坐标系{O}之间的转换关系TOP；
步骤b、计算三维图像坐标系{V}与病人坐标系{P}之间的转换关系TPV；
步骤c、计算光学测量坐标系{O}与机器人坐标系{R}之间的转换关系TRO；
步骤d、计算三维重建图像坐标系{V}与机器人坐标系{R}之间的转换矩阵可表示为：TRV＝TROTOPTPV；
步骤e、计算目标靶点位姿在所述机器人坐标系{R}中的位姿矩阵Rtarget，根据坐标转换原理，Rtarget＝TRVVtarget；其中，Vtarget表示为目标靶点位姿在所述三维重建图像坐标系{V}中的位姿。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述TOP包括以下步骤：将安装在头部的定位支架作为所述病人坐标系{P}，利用光学导航仪可以直接获取所述定位支架在所述光学测量坐标系{O}下的位姿，由导航软件以四元数给出。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述TPV包括以下步骤：
步骤b1、将病人头部摆放一个合适的位置，用头架固定，用光学导航仪探针点取病人头骨标记点，获得标记点在光学导航仪下的坐标，利用病人坐标系{P}与光学测量坐标系{O}之间的转换关系TOP将所述坐标转换为病人坐标系{P}下的坐标；
步骤b2、利用术前标记点的获取方法获取标记点在三维重建图像坐标系{V}下的坐标，根据光学导航系统控制算法得到所述三维重建图像坐标系{V}与病人坐标系{P}之间的转换关系TPV。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算所述TRO包括以下步骤：在机器人本体上安装导航定位支架，获取所述定位支架在光学测量坐标系{O}下的位姿，得到光学测量坐标系{O}与机器人坐标系{R}之间的转换关系TRO。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113940755A (zh) * 2021-09-30 2022-01-18 南开大学 一种术像一体的外科手术规划与导航方法
CN114521962A (zh) * 2022-04-24 2022-05-24 杭州柳叶刀机器人有限公司 手术机器人轨迹跟踪方法、装置、机器人及存储介质
CN114617636A (zh) * 2022-05-11 2022-06-14 杭州键嘉机器人有限公司 确定口腔u型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法
CN114683279A (zh) * 2022-02-17 2022-07-01 广东博智林机器人有限公司 导航精度的确定方法、装置和电子设备
CN115919464A (zh) * 2023-03-02 2023-04-07 四川爱麓智能科技有限公司 肿瘤定位方法、系统、装置及肿瘤发展预测方法
CN116115371A (zh) * 2023-04-17 2023-05-16 杭州键嘉医疗科技股份有限公司 一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法
CN115624385B (zh) * 2022-09-19 2024-05-10 重庆生物智能制造研究院 术前空间配准方法及装置、计算机设备、存储介质

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1650813A (zh) * 2005-02-06 2005-08-10 天津市华志计算机应用有限公司 外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法
CN106214256A (zh) * 2016-09-21 2016-12-14 华南理工大学 一种无标记点光学手术导航系统及其导航方法
US20170273595A1 (en) * 2014-09-19 2017-09-28 Koh Young Technology Inc. Optical tracking system and coordinate registration method for optical tracking system
CN110755156A (zh) * 2019-11-14 2020-02-07 苏州铸正机器人有限公司 一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置及方法
CN110916799A (zh) * 2019-11-22 2020-03-27 江苏集萃智能制造技术研究所有限公司 基于5g网络的穿刺机器人导航系统
CN111728696A (zh) * 2020-06-12 2020-10-02 天津理工大学 一种开颅手术机器人系统及其开颅手术方法
CN112006776A (zh) * 2020-09-27 2020-12-01 安徽埃克索医疗机器人有限公司 一种手术导航系统及手术导航系统的配准方法
CN112006779A (zh) * 2020-09-27 2020-12-01 安徽埃克索医疗机器人有限公司 一种手术导航系统精度检测方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1650813A (zh) * 2005-02-06 2005-08-10 天津市华志计算机应用有限公司 外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法
US20170273595A1 (en) * 2014-09-19 2017-09-28 Koh Young Technology Inc. Optical tracking system and coordinate registration method for optical tracking system
CN106214256A (zh) * 2016-09-21 2016-12-14 华南理工大学 一种无标记点光学手术导航系统及其导航方法
CN110755156A (zh) * 2019-11-14 2020-02-07 苏州铸正机器人有限公司 一种用于人工耳蜗导航手术的钛钉配准装置及方法
CN110916799A (zh) * 2019-11-22 2020-03-27 江苏集萃智能制造技术研究所有限公司 基于5g网络的穿刺机器人导航系统
CN111728696A (zh) * 2020-06-12 2020-10-02 天津理工大学 一种开颅手术机器人系统及其开颅手术方法
CN112006776A (zh) * 2020-09-27 2020-12-01 安徽埃克索医疗机器人有限公司 一种手术导航系统及手术导航系统的配准方法
CN112006779A (zh) * 2020-09-27 2020-12-01 安徽埃克索医疗机器人有限公司 一种手术导航系统精度检测方法

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113940755A (zh) * 2021-09-30 2022-01-18 南开大学 一种术像一体的外科手术规划与导航方法
CN113940755B (zh) * 2021-09-30 2023-05-02 南开大学 一种术像一体的外科手术规划与导航方法
CN114683279A (zh) * 2022-02-17 2022-07-01 广东博智林机器人有限公司 导航精度的确定方法、装置和电子设备
CN114683279B (zh) * 2022-02-17 2023-05-23 广东博智林机器人有限公司 导航精度的确定方法、装置和电子设备
CN114521962A (zh) * 2022-04-24 2022-05-24 杭州柳叶刀机器人有限公司 手术机器人轨迹跟踪方法、装置、机器人及存储介质
CN114617636A (zh) * 2022-05-11 2022-06-14 杭州键嘉机器人有限公司 确定口腔u型槽夹具和医学影像坐标系转换关系的方法
CN115624385B (zh) * 2022-09-19 2024-05-10 重庆生物智能制造研究院 术前空间配准方法及装置、计算机设备、存储介质
CN115919464A (zh) * 2023-03-02 2023-04-07 四川爱麓智能科技有限公司 肿瘤定位方法、系统、装置及肿瘤发展预测方法
CN116115371A (zh) * 2023-04-17 2023-05-16 杭州键嘉医疗科技股份有限公司 一种无牙颌种植导航手术中的口腔cbct配准方法

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