CN113855257A - 一种手术视野自适应调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种手术视野自适应调整方法，包括步骤：(1)安装调整器械的初始位置在内窥镜视野内，根据器械末端设置的可追踪特征点在内窥镜视野内的投影，构建最佳可视圆和手术操作圆；(2)手术过程中实时获取手术操作圆的位姿，根据其在最佳可视圆内的目标位姿计算得到最佳可视圆的目标位姿；(3)根据最佳可视圆与内窥镜之间的位姿关系，计算得到内窥镜的目标位姿；(4)根据内窥镜的目标位姿通过机械臂逆向运动学计算得到持镜臂各关节的目标位置，并据此驱动持镜臂执行运动。本发明手术机器人的视野调整均在手术过程中自动完成，无需医生频繁踩脚踏切换控制权，增加了手术操作的安全性以及顺畅性，且手术时间更短。

Description

一种手术视野自适应调整方法
技术领域
本发明涉及手术机器人技术领域，尤其涉及一种手术视野自适应调整方法。
背景技术
目前微创手术已基本取代开放手术成为外科医学领域发展的主要方向。相比于传统的开放式手术，微创手术具有创伤小、病痛轻、恢复快等优势。随着机器人技术的发展，以达芬奇手术机器人为代表的基于机器人辅助系统的微创手术逐渐成熟，并被广泛应用。
手术机器人为主从遥操作式结构，医生通过操作主手来控制从手侧末端器械和内窥镜的运动。手术过程中需要保持工具臂末端器械在内窥镜视野下运动，当工具臂末端器械偏离内窥镜最佳可视范围后，通常由医生踩下内窥镜踏板将控制权由工具臂切换到持镜臂，主手控制从手侧持镜臂，持镜臂末端镜头运动直至工具臂末端器械处于最佳可视范围内。松开内窥镜踏板后，主手与工具臂末端器械位姿重新匹配，控制权重新由持镜臂切换到工具臂，以此往复。
为保证手术的安全性以及手眼协调的一致性，医生必然会不断调整内窥镜以确保较佳的手术视野，但视野的调整会导致手术操作被频繁打断，极大地降低手术过程的连续性以及医生操作的舒适性，且延长了手术时间，增加手术风险。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种在手术过程中不会频繁打断手术、保证手术过程的连续性的手术视野自适应调整方法。
技术方案：
一种手术视野自适应调整方法，包括步骤：
(1)安装调整器械的初始位置在内窥镜视野内，根据器械末端设置的可追踪特征点在内窥镜视野内的投影，构建最佳可视圆和手术操作圆；
(2)手术过程中实时获取手术操作圆的位姿，根据其在最佳可视圆内的目标位姿计算得到最佳可视圆的目标位姿；
(3)根据最佳可视圆与内窥镜之间的位姿关系，计算得到内窥镜的目标位姿；
(4)根据内窥镜的目标位姿通过机械臂逆向运动学计算得到持镜臂各关节的目标位置，并据此驱动持镜臂执行运动。
在器械初始位置时，获取所述可追踪特征点在距离内窥镜镜面预设距离的平面内的投影A、B，以AB中点为圆心、设定半径构建最佳可视圆；以AB中点为圆心，AB为直径构建手术操作圆。
所述设定半径根据屏幕显示尺寸设置。
所述步骤(2)中，所述手术操作圆在所述最佳可视圆内的目标位姿设置为所述手术操作圆在所述最佳可视圆范围内即可。
所述步骤(2)中，以手术操作圆的圆心与最佳可视圆的圆心重合时作为最佳的手术视野，以此作为所述手术操作圆在所述最佳可视圆内的目标位姿，并据此计算得到最佳可视圆的目标位姿。
所述步骤(2)中还包括实时获取当前手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系。
所述步骤(2)中，根据以下公式计算最佳可视圆到其目标位姿的变换关系P，据此计算获得最佳可视圆的目标位姿：
P＝[px,py,pz]
pz＝H*delta/delta0-H
其中，向量px、向量py分别为最佳可视圆的圆心到当前手术操作圆的圆心的距离向量，向量pz为最佳可视圆在其高度方向上的距离向量，向量H为器械初始位置时内窥镜镜面至其视野平面的距离向量；delta为当前手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系，delta0为器械末端两个特征点所在平面距离内窥镜镜面为H时手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系。
在所述手术操作圆与所述最佳可视圆交汇时和/或delta超出预设范围内时才通过所述步骤(2)～(4)调整所述持镜臂。
当前手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系delta为当前手术操作圆与最佳可视圆之间的半径比。
内窥镜末端设有至少两个自由度；在进行视野调整过程中，持镜臂绕RCM点旋转时，所述内窥镜末端通过其自由度调整保持其朝向不变。
有益效果：
1、本发明手术机器人的视野调整均在手术过程中自动完成，无需医生频繁踩脚踏切换控制权，增加了手术操作的安全性以及顺畅性，且手术时间更短。
2、本发明的内窥镜镜头位置的自适应调整不会影响器械在视野坐标系下的相对位姿关系，无需重新调整主从位姿映射关系，增加了手术的连续性。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为内窥镜视角下的最佳可视范围投影图。
图3为手术视野下的手术器械最佳布局图。
图4为在平行内窥镜镜头的平面上手术操作圆与最佳可视圆交汇示意图。
图5为内窥镜在高度方向调节时手术操作圆与最佳可视圆的相对大小变化图。
图6为持镜臂调整的示意图。
图7是本发明的内窥镜末端调整示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明的手术机器人视野自适应调整方法包括如下步骤：
(1)在内窥镜视野下构建最佳可视圆，获取最佳可视圆与内窥镜之间的位姿关系；
在内窥镜末端建立坐标系Oendo，通过机械臂正向运动学可获得坐标系Oendo相对于世界坐标系Oworld的转换关系为[Rendo-world,Pendo-world]，Rendo-world表示坐标系Oendo相对于世界坐标系Oworld的旋转变换，Pendo-world表示坐标系Oendo相对于世界坐标系Oworld的平移变换；
在手术机器人进行作业时，需要器械末端在内窥镜的视野内，内窥镜的视野距离内窥镜镜面距离为H；在两个器械的末端分别设有可追踪特征点且其在内窥镜视野内的投影分别为A、B，则在器械初始位置时，即内窥镜镜面距离AB所在平面为H时，在内窥镜视野内以AB连线中点为圆心Oopt，以Rs为半径构建内窥镜视野下的最佳可视圆Sopt，其中，Rs根据屏幕显示尺寸设置，取经验值；并以其圆心为原点，以垂直于其本身为z轴、以在AB平面内垂直于Z轴为x轴，根据右手定则确定y轴，建立虚拟坐标系Oopt，如图2所示；
此时通过图像标定可以获得坐标系Oendo到坐标系Oopt的转换关系为[Ropt-endo,Popt-endo]，Ropt-endo表示坐标系Oopt相对于坐标系Oendo的旋转变换，Popt-endo表示坐标系Oopt相对于坐标系Oendo的平移变换；在之后的坐标转换过程中，因为内窥镜的视野相对内窥镜镜面的姿态不变，则该转换关系为常量矩阵；
(2)在内窥镜视野下构建手术操作圆；
在最佳可视圆Sopt内以AB连线中点为圆心Oop，以AB为直径构建手术操作圆Sop，此时手术操作圆Sop的圆心Oop与最佳可视圆Sopt的圆心Oopt重合，即可得到最佳的手术体验，如图3所示；此时手术器械末端即位于内窥镜最佳可视范围的中心位置，记此时手术操作圆Sop基于最佳可视圆Sopt的位姿信息为[Rop-opt,Pop-opt]，其中Rop-opt表示手术操作圆Sop基于最佳可视圆Sopt的姿态信息，Pop-opt表示手术操作圆Sop基于最佳可视圆Sopt的位置信息；
(3)手术过程中实时获取手术操作圆的位姿，根据其在最佳可视圆内的目标位姿计算得到最佳可视圆的目标位姿；
在手术过程中，在内窥镜视野下，当手术操作圆Sop圆心与最佳可视圆Sopt圆心发生偏离时，通过图像标定方法计算得到此时的最佳可视圆Sopt到手术操作圆Sop的距离为向量P，由于最佳可视圆Sopt在坐标系Oopt的XY平面(即内窥镜视野)内，所以计算得到向量P＝[px,py,0]，其中，向量px、向量py分别表示在坐标系Oopt的XY平面内手术操作圆圆心与最佳可视圆圆心的距离向量，其模分别为两个圆心在x轴和y轴上的距离；则手术操作圆Sop基于最佳可视圆Sopt的位姿信息更新为[Rop-opt,P+Pop-opt]；
此时即需要持镜臂主动调整将最佳可视圆Sopt的圆心调整到手术操作圆Sop的圆心处，并且确保手术操作圆Sop基于最佳可视圆Sopt的位姿信息中的姿态信息Rop-opt不变，即手术操作圆Sop基于最佳可视圆Sopt的位姿信息重新更新为[Rop-opt,Pop-opt]；
为避免手术视野的频繁运动，当手术操作圆Sop在最佳可视圆Sopt的范围内移动时，内窥镜不做主动调整，此时也可以进行手术；
只有当手术操作圆Sop与最佳可视圆Sopt交汇时如图4所示，才会调整持镜臂，使得最佳可视圆Sopt的圆心与手术操作圆Sop的圆心重合，其中记交汇点为Pcol；
(4)手术过程中，实时获取当前手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系，计算得到最佳可视圆的目标位姿；
在手术过程中，当手术器械向靠近内窥镜镜头方向或远离内窥镜镜头方向运动时，内窥镜视野里的手术操作圆Sop与最佳可视圆Sopt之间的相对大小会发生变化，如图5所示，手术操作圆Sop与最佳可视圆Sopt的相对大小过大或者过小都会影响视野的可观察性；
(41)首先通过步骤(3)计算得到最佳可视圆Sopt到手术操作圆Sop的距离即为向量P＝[px,py,0]，则手术操作圆Sop基于最佳可视圆Sopt的位姿信息更新为[Rop-opt,P+Pop-opt]；
(42)定义手术操作圆Sop与最佳可视圆Sopt的相对大小关系为delta＝RT/RS，其中，RT为手术操作圆Sop的半径；定义初始delta为delta0，此时以在器械初始位置时AB所在平面距内窥镜镜面的距离H为最佳高度；为避免手术视野的频繁运动，若delta在设定范围内变化，则内窥镜视野不做调整，其中设定范围根据实际需求确定；
手术过程中，当当前delta超出设定范围时，此时需要内窥镜镜头沿其高度方向进行调整，以调整最佳可视圆的位姿，进而调整得到手术的最佳视野；沿其高度方向需要调整的变化向量为pz＝H*delta/delta0-H，其中向量H表示器械初始位置时内窥镜镜面与AB所在平面之间的距离向量；将向量pz更新到向量P中，即此时向量P＝[px,py,pz]；
(5)持镜臂调整；
假设持镜臂主动调整后，内窥镜末端坐标系Oendo相对于世界坐标系Oworld的转换关系更新为[Rx,Px]，则根据前述描述有以下关系成立：
[Rx,Px]*[Ropt-endo,Popt-endo]*[Rop-opt,P+Pop-opt]＝
[Rendo-world,Pendo-world]*[Ropt-endo,Popt-endo]*[Rop-opt,Pop-opt]；
[Rx,Px]＝
[Rendo-world,Pendo-world]*[Ropt-endo,Popt-endo]*[Rop-opt,Pop-opt]*inv([Rop-opt,P+Pop-opt])*inv([Ropt-endo,Popt-endo])；
其中，inv()表示矩阵求逆运算；
求得[Rx,Px]后即可根据机械臂逆向运动学求得持镜臂各关节的目标位姿，驱动持镜臂各关节移动到目标位置即可动态完成垂直内窥镜镜头平面内的手术视野的自适应调整。
如图6、7所示，由于内窥镜的运动必须经过RCM点(即需要始终绕着RCM点旋转)，杠杆效应导致内窥镜镜头移动的前提下，镜头朝向必须会发生变化，此时器械臂在手术视野下的姿态会相应发生改变，为了在位置调整的前提下避免内窥镜视野朝向的改变，内窥镜末端需有足够的自由度(dof≥2)来调整镜头姿态，可以采用柔性内窥镜，以在进行视野调整时，通过调整其自由度使得内窥镜的朝向不发生变化。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种手术视野自适应调整方法，其特征在于：包括步骤：
(1)安装调整器械的初始位置在内窥镜视野内，根据器械末端设置的可追踪特征点在内窥镜视野内的投影，构建最佳可视圆和手术操作圆；
(2)手术过程中实时获取手术操作圆的位姿，根据其在最佳可视圆内的目标位姿计算得到最佳可视圆的目标位姿；
(3)根据最佳可视圆与内窥镜之间的位姿关系，计算得到内窥镜的目标位姿；
(4)根据内窥镜的目标位姿通过机械臂逆向运动学计算得到持镜臂各关节的目标位置，并据此驱动持镜臂执行运动。
2.根据权利要求1所述的手术机器人视野自适应调整方法，其特征在于：在器械初始位置时，获取所述可追踪特征点在距离内窥镜镜面预设距离的平面内的投影A、B，以AB中点为圆心、设定半径构建最佳可视圆；以AB中点为圆心，AB为直径构建手术操作圆。
3.根据权利要求2所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：所述设定半径根据屏幕显示尺寸设置。
4.根据权利要求1所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述手术操作圆在所述最佳可视圆内的目标位姿设置为所述手术操作圆在所述最佳可视圆范围内即可。
5.根据权利要求1所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：所述步骤(2)中，以手术操作圆的圆心与最佳可视圆的圆心重合时作为最佳的手术视野，以此作为所述手术操作圆在所述最佳可视圆内的目标位姿，并据此计算得到最佳可视圆的目标位姿。
6.根据权利要求5所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：所述步骤(2)中还包括实时获取当前手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系。
7.根据权利要求6所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：所述步骤(2)中，根据以下公式计算最佳可视圆到其目标位姿的变换关系P，据此计算获得最佳可视圆的目标位姿：
P＝[px,py,pz]
pz＝H*delta/delta0-H
其中，向量px、向量py分别为最佳可视圆的圆心到当前手术操作圆的圆心的距离向量，向量pz为最佳可视圆在其高度方向上的距离向量，向量H为器械初始位置时内窥镜镜面至其视野平面的距离向量；delta为当前手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系，delta0为器械末端两个特征点所在平面距离内窥镜镜面为H时手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系。
8.根据权利要求7所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：在所述手术操作圆与所述最佳可视圆交汇时和/或delta超出预设范围内时才通过所述步骤(2)～(4)调整所述持镜臂。
9.根据权利要求7所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：当前手术操作圆与最佳可视圆之间的相对大小关系delta为当前手术操作圆与最佳可视圆之间的半径比。
10.根据权利要求1所述的手术视野自适应调整方法，其特征在于：内窥镜末端设有至少两个自由度；在进行视野调整过程中，持镜臂绕RCM点旋转时，所述内窥镜末端通过其自由度调整保持其朝向不变。
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Applicant before: Nanjing Tuodao Medical Technology Co.,Ltd.

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