CN112971986A - 一种用于导航手术的示踪器及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于导航手术的示踪器及其定位方法，安装于手术机器人的机械臂末端，包括轴心、近似棱柱形的示踪主体，所述示踪主体由四到六个边的上端面、四到六个边的下端面、以及遍布周边的四到六个梯形面构成，所述上端面的周长小于所述下端面的周长，每个所述梯形面从上端面向下端面有个倾斜角，倾斜角在60到90度之间，每个所述梯形面上都贴有至少三个不共线的圆形反光片，所述圆形反光片所组成的多边形形状或者尺寸在每个梯形面都存在差异，便于光学跟踪器能够识别出当前是那个梯形面，圆形反光片来反射光学跟踪器发射的红外光，能够在手术机器人系统内确定机械臂操作端的空间位置。

Description

一种用于导航手术的示踪器及定位方法

技术领域

本发明涉及手术机器人导航系统中用于实时跟踪机械臂末端位置的一种示踪器及其定位方法，属于医疗器械制造领域。

背景技术

在借助骨科手术机器人辅助定位或导向的医疗手术中，通常在手术机器人的机械臂末端安装定位套筒。手术前通过CT来确定患者手术部位的位置后并在软件中规划出一条或多条路径，此路径就是后续手术路径，比如打克氏针或骨钉的位置和方向。手术定位系统通过光学跟踪器(也可以称为“导航相机”)在患者手术部位和机械臂位置之间建立相应的坐标关系，然后控制机械臂运动，直至末端套筒运行至患者手术部位上方，并且套筒的中心线方向就是医生规划的路径的方向。医生通过此套筒完成后续手术步骤，可以达到较高的精度。

为了较精准的把套筒移动到规划的目标路径上，需要通过高昂的定位仪器来感知机械臂的位置，或者说机械臂要向定位仪器展示自己的位置，目前通过安装在机械臂上的示踪器来完成。

在手术的过程中，患者手术部位由于某些原因会发生小范围的移动，手术定位系统要控制机械臂做相应的移动，以确保末端套筒的位置及方向与规划路径的位置及方向始终保持一致。

如现有技术200720012127.0所公开的跟踪工具，该光学跟踪工具只有一个定位面。该设计的缺点主要是系统跟踪范围较小，通常小于±90°，不适合安装在机械臂上需要360度跟踪的场合。另外现有技术为201510547376.9所提出的方案中，描述了在2至6个面上安装反光球的方案，此方案的缺点在于每个反光球体积比较大，如果只安装方案中所述2至6个面的少数面，则当机械臂末端转动到某些角度时光学跟踪器将无法“看到”反光球，也就存在着定位死角，不能进行全方位示踪；如果在所有面上全部安装有反光球，则体积较大，在机械臂转动过程中，容易和机械臂其他轴发生干涉，导致机械臂运动受限。

发明内容

发明目的：本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新型的示踪器，以及相对应的手术定位系统。采用一种特殊的圆形反光片，此圆形反光片上涂有可反射红外光的材料，这些材料可以使得此反光片在一定的角度范围内都反射红外光回到光学跟踪器，这样就能让光学跟踪器识别到此圆形红外反光片。当圆形反光片相对于光学跟踪器位在不同角度时，光学跟踪器所看到的“反光片”不是正圆形，而是不同长短轴的椭圆形，通过特定算法精确识别出此椭圆的圆心，可以使得光学跟踪器对圆形反光片在一定角度内能够精确的定位。由于圆心反光片非常轻薄，示踪器上贴上反光片，相比较于贴反光球，体积大大减小，当安装在六轴机械臂末端时，即使机械臂末端进行360度的旋转，也不会发生干涉或碰撞，并且能够全方位定位跟踪。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种用于导航手术的示踪器，安装于手术机器人的机械臂末端，通过上面的圆形反光片来反射光学跟踪器发射的红外光，可以在手术机器人系统内确定机械臂操作端的空间位置。它包括轴心 5、近似棱柱形的示踪主体6，所述示踪主体6由四到六个边的上端面61、四到六个边的下端面62、以及遍布周边的四到六个梯形面构成，所述上端面61的周长小于所述下端面62的周长，每个所述梯形面从上端面向下端面有个倾斜角，倾斜角在 60到90度之间，每个所述梯形面上都贴有至少三个不共线的圆形反光片，所述圆形反光片所组成的多边形形状或者尺寸在每个梯形面都存在差异，便于光学跟踪器能够识别出当前是那个梯形面。

所述圆形反光片来反射光学跟踪器发射的红外光，能够在手术机器人系统内确定机械臂操作端的空间位置。所述圆形反光片上涂有可反射红外光的材料，能够使得圆形反光片在一定角度内都可以反射光学跟踪器所发射的红外光。可以让光学跟踪器更好地检测到上面的圆形反光片。

一种使用本发明的示踪器实现对固定到机械臂末端法兰上的刚体位置的定位方法。也就是通过将本发明所述的示踪器固定到机械臂末端法兰上，通过光学跟踪器读取所述示踪器上圆形反光片的在光学跟踪器坐标系下的坐标，计算出所述刚体上任意位置点的在光学跟踪器坐标系下的坐标。

设所述光学跟踪器的坐标系为C，机械臂末端的坐标系为E，设每一个梯形面上圆形反光片的个数为n个，n大于等于3，所述示踪器每一个梯形面上圆形反光片中心点的在坐标系E下坐标可提前测量得到。

所述的定位方法具体步骤是：

步骤1：将本发明所述的示踪器固定到机械臂末端的法兰上；

步骤2：通过光学跟踪器读取示踪器上所有圆形反光片在光学跟踪器坐标系C 下的坐标；

步骤3：由于示踪器上圆形反光片所组成的多边形形状或者尺寸在每个梯形面都存在差异，依次取每一个梯形面上圆形反光片在坐标系E下的坐标，通过计算两两距离和步骤2中获取的在坐标系C下的所有点的距离匹配，可以匹配到示踪器上一个梯形面上的n个圆形反光片在坐标系下C中的坐标，设已匹配的梯形面上的圆形反光片在坐标系E下坐标为[p₁ p₂ Λ p_n]，在坐标系下C的坐标为 [q₁ q₂ Λ q_n]；

步骤4：通过上面步骤3得到的两组点[p₁ p₂ Λ p_n]和[q₁ q₂ Λ q_n]，计算出坐标系E到坐标系C的转化矩阵为M；

步骤5：通过转化矩阵M，只要提前测量好固定到机械臂末端法兰上刚体任意一点在坐标系E的坐标，就可以计算出这一点在坐标系C下的坐标，从而达到刚体位置的定位。

所述步骤4中，坐标系E到坐标系C的转化矩阵M为4x4的齐次矩阵，表示为：

设已知固定到机械臂末端法兰上刚体的一点在坐标系E下的坐标为 p＝[p_x,p_y,p_z]^T,在坐标系C下的坐标为q＝[q_x,q_y,q_z]^T，则有

所述步骤5中，通过上面的公式(1)，已知机械臂末端上固定的工具上在坐标系 E下的坐标p，就可以计算出在坐标系下C的坐标q，达到跟踪机械臂末端位置的目的。

所述转化矩阵M是由旋转矩阵R和平移向量t＝[t₁,t₂,t₃]^T组成，其中R记为：

公式(1)可以记为

即q＝Rp+t，现在我们利用已知条件反求出R和t。

所述步骤3中得到的两组点[p₁ p₂ Λ p_n]和[q₁ q₂ Λ q_n],设第i个点在坐标系E下的坐标p_i，在坐标系C下的坐标q_i，i取值为1到n。设p₀表示坐标系E 下所有标记物坐标的平均值，q₀表示坐标系C下所有标记物坐标的平均值。计算公式如下：

用下面公式计算得到

和

矩阵

记为X，矩阵

记为Y。

计算矩阵XY^T，并作SVD分解UΛV^T，得到旋转矩阵R＝VU^T。

已知R后，平移向量通过公式t＝q₀-Rp₀可求得。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的用于导航手术的示踪器，由于采用了多个梯形面进行跟踪定位，显著增加了系统的有效跟踪范围。另外定位器安装在协作型机械臂末端，随机械臂一起运动，由于采用反光片进行示踪，即使机械臂末端进行360度的旋转，也不容易发生干涉或碰撞。此示踪器结构简单，容易制作，在手术定位系统中能提供精确的机械臂坐标定位。

2、在手术过程中，在机械臂末端上固定本示踪器，只要有一个面被光学跟踪器看到，这个时候就可以得到该面上的圆片的位置，也就是至少3个不在一条直线上的3个点，而加工制造时候，也已知圆片相对于机械臂末端的位置，可计算出机械臂末端在光学跟踪系统下的坐标，达到跟踪定位机械臂末端位置目的。

3、本发明所述的定位方法，在导航手术中，不需要使用高昂的定位仪器，只需要一个简单的光学跟踪器和几个位置，就可以精准定位出机械臂末端法兰的刚体上任意位置点在光学跟踪器坐标系下的坐标，大大节约了医疗成本，可以在中小医院进行普及，可以使更多的病人获得受益。

附图说明

图1为本发明用于导航手术的示踪器的结构示意图。

图2为本发明使用示踪器定位机械臂末端套筒位置时的某一位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和附图2对本发明进行进一步的详细说明。

实施例1：

本实施例的用于导航手术的示踪器，安装于手术机器人的机械臂末端，如图1 所示，它采用了五个梯形反光面，如图1中梯形反光面63、64、65。每个梯形反光面上都贴有四个圆形反光片1，顶部连接接口4位置用于安装套筒，底部安装于机械臂上。轴心5设置于近似棱柱形的示踪主体6的中心位置，所述示踪主体6由五边形的上端面61、对应五边形的下端面62、以及遍布周边的五个梯形反光面构成，所述上端面61的周长小于所述下端面62的周长，每个所述梯形面从上端面向下端面有个倾斜角，倾斜角为72度，每个所述梯形面上都贴有四个不共线的圆形反光片 1，所述圆形反光片1所组成的多边形形状或者尺寸在每个梯形面都存在差异，便于光学跟踪器能够识别出当前是那个梯形面。圆形反光片1来反射光学跟踪器发射的红外光，能够在手术机器人系统内确定机械臂操作端的空间位置。

所述圆形反光片来反射光学跟踪器发射的红外光，能够在手术机器人系统内确定机械臂操作端的空间位置。所述圆形反光片1上铺有一层细小的微珠，能够使得圆形反光片在一定角度内都可以反射光学跟踪器所发射的红外光。可以让光学跟踪器更好地检测到上面的圆形反光片。

光学跟踪器通过所述的圆形反光片1反射光学跟踪器发射的红外光，可以识别出圆形反射片的位置。在手术过程种，机械臂末端上的固定的本发明的示踪器，只要有一个面可被光学跟踪器看到，这个时候就可以得到该面上的圆片的位置，也就是4个点，而加工制造时候，也已知圆片相对于机械臂末端的位置，可计算出机械臂末端在光学跟踪系统下的坐标，达到跟踪定位机械臂末端位置目的。

实施例2：

如图2，图中101为实例1使用的示踪器，102为导航手术使用的机械臂，103 为导航手术使用的光学跟踪器，104为通过示踪器101间接固定到机械臂102末端法兰1021上的套筒，其中1041为套筒上的一点，本实例说明如何定位点1041。

设所述光学跟踪器的坐标系为C，机械臂末端的坐标系为E，示踪器101每一个梯形面上圆形反光片的个数为4个，所述示踪器101每一个梯形面上圆形反光片1 中心点在坐标系E下坐标可提前测量得到。

所述的定位方法具体步骤是：

步骤1：将本发明所述的示踪器101固定到机械臂末端的法兰1021上，将套筒 104固定到示踪器101上；

步骤2：通过光学跟踪器103读取示踪器上所有圆形反光片1在光学跟踪器坐标系C下的坐标；

步骤3：由于示踪器101上圆形反光片1所组成的多边形形状或者尺寸在每个梯形面都存在差异，依次取每一个梯形面上圆形反光片1在坐标系E下的坐标，通过计算两两距离和步骤2中获取的在坐标系C下的所有点的距离匹配，可以匹配到示踪器上一个梯形面上的4个圆形反光片1在坐标系下C中的坐标，设已匹配的梯形面上的圆形反光片1在坐标系E下坐标为[p₁ p₂ p₃ p₄]，在坐标系下C的坐标为[q₁ q₂ q₃ q₄]；

步骤4：通过上面步骤3得到的两组点[p₁ p₂ p₃ p₄]和[q₁ q₂ q₃ q₄]，计算出坐标系E到坐标系C的转化矩阵为M；

步骤5：通过转化矩阵M，只要提前测量好固定到机械臂末端法兰上刚体任意一点在坐标系E的坐标，就可以计算出这一点在坐标系C下的坐标，从而达到刚体位置的定位。

所述步骤4中，坐标系E到坐标系C的转化矩阵M为4x4的齐次矩阵，表示为：

设已知套筒104上刚体的点1041在坐标系E下的坐标为p＝[p_x,p_y,p_z]^T,在坐标系C下的坐标为q＝[q_x,q_y,q_z]^T，则有

所述步骤5中，通过上面的公式(1)，已知机械臂末端上固定的工具上在坐标系 E下的坐标p，就可以计算出在坐标系下C的坐标q，达到跟踪机械臂末端位置的目的。

所述转化矩阵M是由旋转矩阵R和平移向量t＝[t₁,t₂,t₃]^T组成，其中R记为：

公式(1)可以记为

即q＝Rp+t，现在我们利用已知条件反求出R和t。

所述步骤3中得到的两组点[p₁ p₂ p₃ p₄]和[q₁ q₂ q₃ q₄],设第i个点在坐标系E下的坐标p_i，在坐标系C下的坐标q_i，i取值为1到n。设p₀表示坐标系E 下所有标记物坐标的平均值，q₀表示坐标系C下所有标记物坐标的平均值。计算公式如下：

用下面公式计算得到

和

矩阵

记为X，矩阵

记为Y。

计算矩阵XY^T，并作SVD分解UΛV^T，得到旋转矩阵R＝VU^T。

已知R后，平移向量通过公式t＝q₀-Rp₀可求得。

通过R和t，最后求出M矩阵，点1041就可以通过公式(1)计算得出。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明的权利要求书的保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种用于导航手术的示踪器，安装于手术机器人的机械臂末端，其特征在于：它包括轴心、近似棱柱形的示踪主体，所述示踪主体由四到六个边的上端面、四到六个边的下端面、以及遍布周边的四到六个梯形面构成，所述上端面的周长小于所述下端面的周长，每个所述梯形面从上端面向下端面有个倾斜角，倾斜角在60到90度之间，每个所述梯形面上都贴有至少三个不共线的圆形反光片，所述圆形反光片所组成的多边形形状或者尺寸在每个梯形面都存在差异，便于光学跟踪器能够识别出当前是哪个梯形面。

2.根据权利要求1所述的用于导航手术的示踪器，其特征在于：所述圆形反光片用来反射光学跟踪器发射的红外光，能够在手术机器人系统内确定机械臂操作端的空间位置。

3.根据权利要求1或2所述的用于导航手术的示踪器，其特征在于：所述圆形反光片上涂有可反射红外光的材料，能够使得圆形反光片在一定角度内都可以反射光学跟踪器所发射的红外光。

4.一种基于权利要求1所述的示踪器的手术定位方法，其特征在于：将所述示踪器固定到机械臂末端法兰上，通过光学跟踪器读取所述示踪器上圆形反光片在光学跟踪器坐标系下的坐标，计算出所述机械臂末端法兰的刚体上任意位置点在光学跟踪器坐标系下的坐标。

5.根据权利要求4所述的手术定位方法，其特征在于：设所述光学跟踪器的坐标系为C，机械臂末端的坐标系为E，设每一个梯形面上圆形反光片的个数为n个，n大于等于3，所述示踪器每一个梯形面上圆形反光片中心点的在坐标系E下坐标能够提前测量得到；包括以下步骤：

步骤1：将所述示踪器固定到机械臂末端的法兰上；

步骤2：通过光学跟踪器读取示踪器上所有圆形反光片在光学跟踪器坐标系C下的坐标；

步骤3：由于示踪器上圆形反光片所组成的多边形形状或者尺寸在每个梯形面都存在差异，依次取每一个梯形面上圆形反光片在坐标系E下的坐标，通过计算两两距离和步骤2中获取的在坐标系C下的所有点的距离匹配，匹配到示踪器上一个梯形面上的n个圆形反光片在坐标系下C中的坐标，设已匹配的梯形面上的圆形反光片在坐标系E下坐标为[p₁ p₂ Λp_n]，在坐标系下C的坐标为[q₁ q₂ Λ q_n]；

步骤4：通过上面步骤3得到的两组点[p₁ p₂ Λ p_n]和[q₁ q₂ Λ q_n]，计算出坐标系E到坐标系C的转化矩阵为M；

步骤5：提前测量好固定到机械臂末端法兰上刚体任意一点在坐标系E的坐标，通过转化矩阵M，计算出这一点在坐标系C下的坐标，从而达到刚体位置的定位。

6.根据权利要求5所述的手术定位方法，其特征在于：所述步骤4中，坐标系E到坐标系C的转化矩阵M为4x4的齐次矩阵，表示为：

设已知固定到机械臂末端法兰上刚体的一点在坐标系E下的坐标为p＝[p_x,p_y,p_z]^T,在坐标系C下的坐标为q＝[q_x,q_y,q_z]^T，则有

7.根据权利要求6所述的手术定位方法，其特征在于：所述步骤5中，通过上面的公式(1)，已知机械臂末端上固定的工具上在坐标系E下的坐标p，计算出在坐标系下C的坐标q，所述转化矩阵M是由旋转矩阵R和平移向量t＝[t₁,t₂,t₃]^T组成，其中R记为：

公式(1)可以记为

即q＝Rp+t。

8.根据权利要求7所述的手术定位方法，其特征在于：

所述步骤3中得到的两组点[p₁ p₂ Λ p_n]和[q₁ q₂ Λ q_n],设第i个点在坐标系E下的坐标p_i，在坐标系C下的坐标q_i，i取值为1到n；设p₀表示坐标系E下所有标记物坐标的平均值，q₀表示坐标系C下所有标记物坐标的平均值；计算公式如下：

用下面公式计算得到

和

矩阵

记为X，矩阵

记为Y；

计算矩阵XY^T，并作SVD分解UΛV^T，得到旋转矩阵R＝VU^T；

已知R后，平移向量通过公式t＝q₀-Rp₀求得。

9.根据权利要求8所述的手术定位方法，其特征在于：通过所述R和t，能够求出所述M矩阵，则所述机械臂末端法兰上刚体的任意一点在坐标系E下的坐标能够通过所述公式(1)计算得出。

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