CN113907884A - 一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法 - Google Patents

一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法。人体的无意识运动会引起穿刺针与穿刺路径之间的角度偏差，以及穿刺针针尖与穿刺中心之间的距离偏差等误差，对穿刺过程产生影响。针对现有问题，本发明设计一种基于六个自由臂的机械臂持置针套装置，结合红外定位的方法，对穿刺针套的位置进行实时监控，操作者能够及时发现偏差并调整位置，针套装置确定后，引导穿刺针穿刺。

Description

一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现 精准穿刺的设备及方法
技术领域
本发明公开一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法。
背景技术
实体脏器的微创治疗的核心，仍然在精准定位。现在常见的定位方法，仍然是传统的CT和B超下引导穿刺，穿刺精度不高。
目前的穿刺手术存在两个问题，一是病人活体的组织运动和呼吸影响；另一方面，穿刺的准确性主要依赖操作者的经验和技术，就是医生难以精准操作穿刺针，难以沿着设计的穿刺路径穿刺，一般只能沿着垂直方向穿刺，无法避免敏感器官或组织，且存在临床穿刺中人手抖动等问题。
鉴于上述问题，有必要设计出一种机器人机械臂持置针套，来引导实现精准穿刺。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明解决的技术问题是针对病人活体的组织运动和操作者人为手动等影响，提出一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备和方法，包括机器人模块、穿刺针套模块、人体定位装置模块和监控显示模块。所述机器人模块包括基于六个以上自由臂的机器人机械臂装置，所述穿刺针套模块包括穿刺针套和穿刺针套定位装置，穿刺针套定位装置固定于穿刺针套尾部；所述人体定位装置模块包括固定于人体体表的定位装置；所述监控显示模块包括高精度红外监控设备和计算机软件，高精度红外监控设备能拍摄获取上述定位装置的位置信息，计算机软件可进行显示、配准、计算的操作。
本发明揭示了一种红外引导下利用机械臂将针套精准放置在计划好的精准位置，医生在持置针套引导下，简单、快速和精准实施穿刺的方法，包括如下步骤：
S1：根据实际需要，在人体体表上的穿刺区域附近粘贴三个以上定位装置，所述定位装置一般是包括但不限于可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球。安装的定位装置的数量优选是三个及以上，以保证检测到的定位装置的平移和旋转能够充分表现出三维空间中三个自由度的变化；
S2：通过医用扫描系统，获得感兴趣人体区域的图像，重建三维影像模型。在扫描坐标系下定义定位装置、人体内部敏感组织器官及穿刺目标，并通过计算机配准得到人体体表上的定位装置与这些部位的相对位置关系，在计算机中定义穿刺路径，即穿刺中心到体表入针点连接，配准计算出体表定位装置与穿刺中心及穿刺路径之间的相对位置关系；
S3：根据实际需要，选择具有6个以上自由度机械臂的高性能和高精度机器人，放置金属穿刺针套，精度在1毫米以内。机械臂及穿刺针套被光学传感器监控，严格控制运动轨迹，设计安全运动区域，保证病人穿刺安全。机械臂的力度在保证病人安全范围之内；
S4：穿刺针套的设计。根据实际情况，设计多种长度的穿刺针套，其尾部安装红外定位小球。固定于穿刺针套尾部的定位装置的数量优选是三个，以保证检测到的定位装置的平移和旋转能够充分表现出三维空间中六个自由度（三维坐标系中三个方向上的平移、旋转）的变化；
S5：穿刺针套是一个具有固定长度、具有方向的矢量。本项目中的优化目标函数是基于两点目标优化，需要计算出每一个机械臂的运动角度或路径，引导机器人达到最优选择，过程中还将能够完成空间障碍区的自主避障和优化，重要的是在多穿刺点的情况下，需要对已经成功的穿刺针进行空间位置储存和规避，需要涉及安全可靠的穿刺顺序，确保安全；算法中需要对六自由度机械臂进行参数化建模，并建立机械臂的正逆运动学模型；再建立机械臂及环境运动障碍区域；然后设置优化函数和搜索精度，采用基于分离轴的碰撞检测算法，在搜索的每一步中判断机械臂是否与环境发生碰撞；再根据关节转动角度之和最小且不发生碰撞的原则，在机械臂的多维关节空间中进行搜索，得到无碰撞的运动路径；
S6:采用六个以上自由度机械臂持置金属针套，确定好穿刺路径和方向后，操作者只需要根据计算机控制的指引信息，将穿刺针插入预先计算设置的深度，即可实现快速准确的穿刺；
S7：穿刺针到达穿刺中心，穿刺完成。
本发明的有益效果在于：可以实现从任意角度进行穿刺，打破了穿刺路径只能垂直人体表面的局限。克服了临床手动穿刺中的人手抖动和空间判断易错问题，在减轻操作者工作压力的同时，大大降低穿刺难度，提高了穿刺手术的准确性和稳定性。
附图说明
图1中的是穿刺针套及其定位装置示意图。
图2是定位装置的俯视图。
图3是三维重建的模型示意图。
图4是定位示意图。
图5是穿刺系统示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
图中，(1)是固定于穿刺针套上的定位装置；(2)是穿刺针套；(3)是固定支架；(4)是穿刺中心；(5)是人体体表定位装置；(6)是入针点；(7)是穿刺路径；(8)是人体；(9)是高精度红外监控设备。
定位装置(1)被固定支架(3)固定于穿刺针套(2)的尾部。所述穿刺针套信息主要是定位装置(1)和入针点(6)的空间相对位置关系，因此，计算机可以利用高精度红外监控设备(9)传回的定位装置的空间位置坐标，配准计算得到穿刺针套(2)的空间位置。
固定于穿刺针套上的定位装置(1)和人体体表定位装置(5)是可被所述高精度红外监控设备(9)识别的红外定位小球。红外定位小球表面覆盖一层能够反射绝大部分入射红外光线的材料。高精度红外监控设备(9)发射红外光被小球反射回来，监控设备接收反射回来的红外光线，分析数据计算出小球的空间位置坐标，实现了监控定位装置的目的。
计算机根据接收的数据自动规划出几条合适的穿刺路径(7)，有效避开敏感组织或器官。操作者从中选择合适的穿刺路径进行穿刺。
人体定位装置(5)在扫描之前就已经固定在穿刺区域的人体表面，计算机接收扫描图像后自动寻找扫描图像中的定位装置。根据扫描图像配准计算人体体表定位装置(5)与人体内部各个组织和器官、穿刺中心(4)以及穿刺路径(7)的空间相对位置关系，记作初始空间相对位置。
机械臂持置穿刺针套位置确定后，操作者将穿刺针按预先设置好的深度插入，穿刺针到达穿刺中心，穿刺完成。

Claims (8)

1.一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于：所述系统包括机器人模块、穿刺针套模块、人体定位装置模块和监控显示模块：
所述机器人模块包括基于六个以上自由臂的机器人机械臂装置;
所述穿刺针套模块包括穿刺针套和穿刺针套定位装置，穿刺针套定位装置固定于穿刺针套尾部；
所述人体定位装置模块包括固定于人体体表的定位装置；
所述监控显示模块包括高精度红外监控设备和计算机软件，高精度红外监控设备能拍摄获取上述定位装置的位置信息，计算机软件可进行显示、配准、计算的操作。
2.如权利要求1所述的一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于，所述穿刺针套定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，其数量为至少三个。
3.如权利要求1所述的一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于，所述监控显示模块预先定义了不同型号的穿刺针信息，该信息包括不同型号的穿刺针的针尖与穿刺针定位装置之间的三维位置关系。
4.如权利要求1所述的一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于，所述人体定位装置是可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，根据需要在手术前固定在人体表面，其数量至少为三个。
5.如权利要求1所述的一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于，所述监控显示模块中的计算机软件能接收医用扫描设备得到的图像，经过渲染处理重建人体三维模型，并能提供角度和距离的测量功能。
6.如权利要求6所述的一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于，在穿刺过程中，所述计算机软件能够实时显示穿刺针针与穿刺路径之间的偏差。
7.如权利要求6所述的一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于，所述计算机软件能够根据高精度红外监控设备接收的人体定位装置的位置信息，智能地从任意角度合理规划穿刺路径，有效避开敏感器官和组织，并实时在重建的人体三维模型中配准显示。
8.一种基于红外双目相机及机器人机械臂持置针套引导和实现精准穿刺的设备及方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：根据实际需要，在人体体表上的穿刺区域附近粘贴三个以上定位装置，所述定位装置一般是包括但不限于可被所述高精度红外监控设备识别的红外定位小球，安装的定位装置的数量优选是三个及以上，以保证检测到的定位装置的平移和旋转能够充分表现出三维空间中三个自由度的变化；
S2：通过医用扫描系统，获得感兴趣人体区域的图像，重建三维影像模型，在扫描坐标系下定义定位装置、人体内部敏感组织器官及穿刺目标，并通过计算机配准得到人体体表上的定位装置与这些部位的相对位置关系；在计算机中定义穿刺路径，即穿刺中心到体表入针点连接，配准计算出体表定位装置与穿刺中心及穿刺路径之间的相对位置关系；S3：根据实际需要，选择具有6个以上自由度机械臂的高性能和高精度机器人，放置金属穿刺针套，精度在1毫米以内，机械臂及穿刺针套被光学传感器监控，严格控制运动轨迹，设计安全运动区域，保证病人穿刺安全，机械臂的力度在保证病人安全范围之内；
S4：穿刺针套的设计，根据实际情况，设计多种长度的穿刺针套，其尾部安装红外定位小球，固定于穿刺针套尾部的定位装置的数量优选是三个，以保证检测到的定位装置的平移和旋转能够充分表现出三维空间中六个自由度（三维坐标系中三个方向上的平移、旋转）的变化；
S5：穿刺针套是一个具有固定长度、具有方向的矢量，本项目中的优化目标函数是基于两点目标优化，需要计算出每一个机械臂的运动角度或路径，引导机器人达到最优选择，过程中还将能够完成空间障碍区的自主避障和优化，重要的是在多穿刺点的情况下，需要对已经成功的穿刺针进行空间位置储存和规避，需要涉及安全可靠的穿刺顺序，确保安全，算法中需要对六自由度机械臂进行参数化建模，并建立机械臂的正逆运动学模型；再建立机械臂及环境运动障碍区域；然后设置优化函数和搜索精度，采用基于分离轴的碰撞检测算法，在搜索的每一步中判断机械臂是否与环境发生碰撞；再根据关节转动角度之和最小且不发生碰撞的原则，在机械臂的多维关节空间中进行搜索，得到无碰撞的运动路径；
S6：采用六个以上自由度机械臂持置金属针套，确定好穿刺路径和方向后，操作者只需要根据计算机控制的指引信息，将穿刺针插入预先计算设置的深度，即可实现快速准确的穿刺；
S7：穿刺针到达穿刺中心，穿刺完成。
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