CN114098968B - 一种辅助机器人的快速定位跟踪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辅助机器人的快速定位跟踪方法，包括以下步骤：S1、通过MRI图像确定目标尺寸和骨性标志点的位置关系；S2、建立体表定位板与目标靶点之间的第一坐标系以及体表定位板与辅助机器人视觉定位装置之间的第二坐标系，并以体表定位板为标准通过计算将两个坐标系校正为一个标准坐标系，依据标准坐标系控制辅助机器人定位；S3、通过MRI图像测量，结合手术过程中实时拍摄的X光图片进行图像融合测算，获得目标靶点在体表定位板上的实时数据，辅助机器人的视觉定位装置根据体表定位板上靶点的位置数据进行精确穿刺定位以及跟踪目标靶点移动，同时公开相应的装置，整体原理简单，降低机器人系统成本，实现机器人高效运作，降低操作难度。

Description

一种辅助机器人的快速定位跟踪装置

技术领域

本发明涉及机器人导航定位和跟踪技术领域，具体涉及一种辅助机器人的快速定位跟踪方法，还涉及一种辅助机器人的快速定位跟踪装置。

背景技术

在辅助机器人的使用过程中，针对靶点的精确穿刺和定位、以及快速跟踪靶点移动是医学机器人应用的主要要点。现有定位技术主要采用使用前规划，使用时图像及导航装置控制机器人定位和移动，靶点的精确定位跟踪需要将影像，导航，机器人三个独立坐标系建立一个统一的坐标，这个过程通过计算机的动态计算实现。不同坐标系中任意坐标点位移都将导致重新计算过程，由于计算量大，计算机算力限制，导致机器人获得数据延迟，当术中靶点发生频繁位移时(如呼吸运动)，会造成机器人无法及时动态跟踪，从而导致这类机器人在手术中注册时间延长甚至导致注册失败。如专利号为CN112932667A公开的一种手术导航系统，其采用的便是现有机器人技术中通常采用的技术光学导航技术，存在着光学定位板需要采用克氏针固定，旋转后定位可能存在偏差(定位板单点固定且选装装置复杂，对比专利同样引入光学导航第三坐标系用于跟踪定位，同样无法实现快速跟踪等问题，同时专用定位标尺在人体上的定位也操作麻烦，定位精度差。因此，一种采用更少坐标系并通过极简算法控制机器人实现快速定位和跟踪的技术是机器人辅助手术在确保操作精度和稳定性前提下，能同时提高辅助医学使用效率的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种辅助机器人的快速定位跟踪方法及装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明第一方面公开一种辅助机器人的快速定位跟踪方法，包括以下步骤：

S1、通过MRI图像建立和确定目标尺寸和骨性标志点的位置关系；

S2、建立体表定位板与目标靶点之间的第一坐标系以及体表定位板与辅助机器人三维全景视觉跟踪定位装置之间的第二坐标系，并以体表定位板为标准通过计算将两个坐标系校正为一个标准坐标系，依据标准坐标系控制辅助机器人定位；

S3、通过MRI图像测量，结合使用过程中所拍摄的X光图片进行图像融合，获得目标靶点在体表定位板上的实时数据，辅助机器人的三维全景视觉跟踪定位装置根据体表定位板上靶点的位置数据进行精确穿刺定位以及跟踪目标靶点移动。

优选的，所述步骤S1还包括，目标尺寸和骨性标志点位置关系作为原始数据供使用过程中所拍摄的X光图片进行校正，目标尺寸和骨性标志点的位置关系作为辅助机器人定位到靶点移动的数据。

优选的，所述步骤S2还包括：在第一坐标系内体表定位板与靶点位置相锁定，即使靶点位置移动，相对坐标固定不变；且第二坐标系内辅助机器人与辅助机器人三维全景视觉跟踪定位装置之间的相互坐标也固定不变。

本发明第二方面公开一种辅助机器人的快速定位跟踪装置，包括体表定位板、辅助机器人、X光机和三维全景视觉跟踪定位装置。所述体表定位板位于三维全景视觉跟踪定位装置正下方，所述三维全景视觉跟踪定位装置位于辅助机器人工作端，且所述体表定位板、所述X光机、所述X光成像板以及所述三维全景视觉跟踪定位装置和患者手术部位存在一个重叠的三维区域。

优选的，所述三维全景视觉定位跟踪装置包括设置于中心位置的工作锁定孔，以及均布在所述工作锁定孔圆周范围内的若干个360°无遮挡全景三维摄像头，所述360°无遮挡全景三维摄像头与所述工作锁定孔之间设置有激光十字。

优选的，所述体表定位板上设置有中心靶点，在所述体表定位板上设置有方向靶。

优选的，所述三维全景视觉跟踪定位装置上激光十字的十字标与所述体表定位板上中心靶点的十字标对准。

优选的，所述体表定位板为刚性或柔性结构，且可以通过调节所述体表定位板的分隔密度来调整定位精度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明中用到的三维成像和测量机器人具有可视化定位骨性结构校正功能，结合手术中X光显影，追踪体表定位板即可锁定并追踪人体定位靶点，并实现图像360°无遮挡可视化呈现。

2.本发明通过追踪固定的体表定位板即可锁定追踪人体定位目标靶点，不需因目标靶点位移而调整监控区域，简化手术步骤，节省手术时间，降低了术中X光辐射的风险。

3.本发明不需要额外的第三方导航系统，通过体表定位板建立单一坐标系即可实现定位追踪，缩减了因第三方导航系统而建立的坐标系，减少了因多个坐标系增加的计算量。

4.本发明与传统机器人导航技术相比较，体表定位板与人体目标靶点结合术前MRI的数据测量换算建立一个稳定坐标系(第一坐标系)，定位摄像头、三维摄像、激光辅助定位与体表定位板建立一个坐标系(第二坐标系)，第一坐标系和第二坐标系内部坐标固定不变。人体移动和体表定位板移动相关，机器人视觉和激光十字只需要跟踪体表定位板移动，此方法数据量小，降低了计算量，可实现快速跟踪，避免因坐标系多，频繁移动及动态图像融合增加的计算量而导致的机器人反应时间延迟。

5.本发明体表定位板可采用钢性或柔性结构，增加临床的可选择性，柔性结构的体表定位板可实现无缝贴合体表，实现更高精度定位。

本发明的体表定位板可根据手术要求选择不同分隔密度的体表定位板，通过调节分隔密度调整定位精度。

附图说明

图1为本发明一实施方式的第一坐标系组成结构示意图；

图2为本发明一实施方式的手术辅助机器人结构示意图；

图3为本发明一实施方式的MRI测量目标结构数据示意图；

图4为本发明一实施方式的视觉定位装置结构示意图；

图5为本发明一实施方式的体表定位板结构示意图。

图中：1、X光机；2、体表定位板；3、X光成像板；4、目标靶点；5、工作台；6、辅助机器人；7、三维全景视觉跟踪定位装置；8、目标靶点到体表定位板底部的长度；9、体表定位板顶部到视觉定位装置的距离长度；10、根据MRI测量出的以机器人旋转中心点旋转的角度；11、激光十字；12、360°无遮挡全景三维摄像头；13、中心靶点；14、方向靶；15、十字激光坐标；16、工作锁定孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明涉及辅助机器人导航定位和跟踪技术领域，是一种采用使用前MRI图像测量和使用时X光图像静态融合以及位于机器人工作端的三维视觉成像测量、激光辅助定位、视觉跟踪定位技术，实现机器人在手术中无需依赖专用的导航设备实现自主快速定位和跟踪操作。具体请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种辅助机器人的快速定位跟踪方法，包括以下步骤：

S1、通过MRI图像确定目标尺寸和骨性标志点的位置关系；

具体是，通过术前MRI等图像确定目标尺寸和骨性标志点的位置关系，其中尺寸及标志点作为术中X光机获得的图像进行校正测量，位置关系作为机器人定位到靶点移动的数据(这些数据获得后输入机器人，不会因术中坐标移动而需要更新数据)。

S2、建立体表定位板与目标靶点之间的第一坐标系以及体表定位板与辅助机器人三维全景视觉跟踪定位装置之间的第二坐标系，并以体表定位板为标准通过计算将两个坐标系校正为一个标准坐标系，依据标准坐标系控制辅助机器人定位；

具体是，建立体表定位板与目标靶点的坐标系(坐标一)以及体表定位板与机器人三维全景视觉跟踪定位装置的坐标系(坐标系二)，再通过计算将体表定位板作为标准，将两个坐标系校正为一个坐标系，依据统一坐标系及术前规划测量数据移动机器人定位和跟踪目标靶点。

S3、通过MRI图像测量，结合使用过程中所拍摄的X光图片进行图像融合，获得目标靶点在体表定位板上的实时数据，辅助机器人的三维全景视觉跟踪定位装置根据体表定位板上靶点的位置数据进行精确穿刺定位以及跟踪目标靶点移动。

具体是，通过术前MRI等图像测量，结合手术中的X光图片进行图像融合计算测量获得第一坐标系体表定位板，目标位置的X光图片校正后的数据，通过辅助机器人视觉跟踪体表定位板进行手术靶点的精确穿刺和定位以及快速跟踪目标靶点移动。

作为本发明一优选实施方案，所述步骤S1还包括，目标尺寸和骨性标志点位置关系作为原始数据供使用过程中所拍摄的X光图片进行校正。

更具体地说，参阅图3，L1为目标靶点到固定在人体的体表定位板底部的长度(假设体表定位板与人体体表紧贴)；L2为体表定位板顶部到三维全景视觉跟踪定位装置的距离长度；角度θ为术前规划中根据MRI测量出的以目标靶点旋转的角度(这一角度根据手术方法测量如脊柱钉棒手术中的外倾角和脊柱内镜手术中的背侧腹侧倾角)；通过机器人视觉可测算出机器人三维摄像头到体表定位板(通常厚度1mm以内，可以根据需要忽略不计)的距离L2，以及体表定位板到目标靶点的距离L1，结合术前MRI图像测量及规划可以获得机器人以目标靶点旋转的半径及旋转角度。

作为本发明一优选实施方案，所述步骤S2还包括：在第一坐标系内体表定位板与目标靶点位置相锁定，第二坐标系内体表定位板与辅助机器人三维全景视觉跟踪定位装置之间的相互坐标也固定不变，即使目标靶点位置移动，相对坐标固定不变。

同时公开一种辅助机器人的快速定位跟踪装置，包括体表定位板、辅助机器人、X光机和三维全景视觉跟踪定位装置，所述体表定位板位于三维全景视觉跟踪定位装置正下方，所述三维全景视觉跟踪定位装置位于辅助机器人工作端，且所述体表定位板、所述X光机、所述X光成像板以及所述三维全景视觉跟踪定位装置和患者手术部位存在同一个重叠的三维立体区域。

具体地说，本发明通过使用前MRI或CT图像测量建立目标靶点穿刺定位所需的靶点尺寸和标志测量点(X光显影的骨性结构标志点)，术中通过X光测量和术前MRI数据换算建立体表定位板与骨性结构标志测量点的图像关系建立体表定位板与人体目标靶点的坐标系(即第一坐标系)，通过位于机器人工作端的三维全景机器人视觉跟踪定位装置(传统采用位于一侧独立的光学跟踪装置，如对专利CN112932667),且本专利采用的全景三维视觉跟踪定位装置同时具有跟踪和测量定位功能，与体表定位板建立另一个坐标系(即第二坐标系)，通过同一个体表定位板将上述二个坐标系校正为同一个坐标系，此过程中第一坐标系内体表定位板与目标位置固定，即使人体移动，其相对坐标固定不变，而第二坐标系内负责图像跟踪的机器视觉和辅助激光定位装置和体表定位板相互坐标也固定不变，因此，视觉跟踪只需要测量和跟踪体表定位板的位移，并将数据传输给机器人实现术中快速跟踪定位目标靶点。

术中机器视觉跟踪体表定位板单个移动坐标、通过极简算法，计算数据量远小于需要进行三维动态图像融合的导航技术，避免了传统机器人导航技术基于三个坐标系计算量大导致的手术机器人反应迟缓，无法快速跟踪频繁移动目标靶点的技术难点。

本装置方法原理简单，不需要第三方的导航系统，不仅大幅降低机器人系统成本，且实现机器人高效运作，也大幅降低了医务人员的操作繁琐和难度。

本装置的体表定位板可采用钢性(平面体表)或柔性结构(非平面体表)，采用X显影的不同材质，根据不同的手术需要进行设计和选择，增加了机器人手术的适应性。

作为本发明一优选实施方案，所述三维全景视觉跟踪定位装置包括设置于中心位置的工作锁定孔，以及均布在所述工作锁定孔圆周范围内的若干个360°无遮挡全景三维摄像头，每个所述360°无遮挡全景三维摄像头与所述工作锁定孔之间设置有激光十字。

作为本发明一优选实施方案，所述体表定位板上设置有中心靶点，所述中心靶点与手术目标靶点的位置相对应，在所述体表定位板上设置有方向靶。

作为本发明一优选实施方案，所述三维全景视觉跟踪定位装置上激光十字的十字标与所述体表定位板上中心靶点的十字标对准。

作为本发明一优选实施方案，所述体表定位板为刚性或柔性结构，且可以通过调节所述体表定位板的分隔密度来调整定位精度。

与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果：

1.本发明中用到的三维成像和测量机器人具有可视化定位骨性结构校正功能，结合手术中X光显影，追踪体表定位板即可锁定并追踪人体定位靶点，并实现图像360°无遮挡可视化呈现。

2.本发明通过追踪体表定位板即可锁定追踪人体定位目标靶点，不需因目标靶点位移而调整监控区域，简化手术步骤，节省手术时间，降低了术中X光辐射的风险。

3.本发明不需要额外的第三方导航系统，通过体表定位板建立单一坐标系即可实现定位追踪，缩减了因第三方导航系统而建立的坐标系，减少了因多个坐标系增加的计算量。

4.本发明与传统机器人导航技术相比较，体表定位板与人体目标靶点结合术前MRI的数据测量换算建立一个稳定坐标系(第一坐标系)，定位摄像头、三维摄像、激光辅助定位与体表定位板建立一个坐标系(第二坐标系)，第一坐标系和第二坐标系内部坐标固定不变。人体移动和体表定位板移动相关，机器人视觉和激光十字只需要跟踪体表定位板移动，此方法数据量小，降低了计算量，可实现快速跟踪，避免因坐标系多，频繁移动及动态图像融合增加的计算量而导致的机器人反应时间延迟。

5.本发明体表定位板可采用钢性或柔性结构，增加临床的可选择性，柔性结构的体表定位板可实现无缝贴合体表，实现更高精度定位。

6.本发明的体表定位板可根据手术要求选择不同分隔密度的体表定位板，通过调节分隔密度调整定位精度。

Claims (5)

1.一种辅助机器人的快速定位跟踪装置，其特征在于，包括体表定位板、辅助机器人、X光机和三维全景视觉跟踪定位装置，所述体表定位板位于所述三维全景视觉跟踪定位装置正下方和患者手术区域体表，所述三维全景视觉跟踪定位装置位于辅助机器人工作端且与机器人坐标固定，所述体表定位板、所述X光机以及所述三维全景视觉跟踪定位装置和患者手术部位存在同一个重叠的三维立体区域。

2.根据权利要求1所述的一种辅助机器人的快速定位跟踪装置，其特征在于，所述三维全景视觉定位装置包括设置于中心位置的工作锁定孔，以及均布在所述工作锁定孔圆周范围内的若干个360°无遮挡全景三维摄像头，每个所述360°无遮挡全景三维摄像头与所述工作锁定孔之间设置有激光十字。

3.根据权利要求2所述的一种辅助机器人的快速定位跟踪装置，其特征在于，所述体表定位板上设置有中心靶点，所述中心靶点与目标靶点的位置相对应，在所述体表定位板上设置有方向靶。

4.根据权利要求3所述的一种辅助机器人的快速定位跟踪装置，其特征在于，所述三维全景视觉定位装置上激光十字的十字标与所述体表定位板上中心靶点的十字标对准。

5.根据权利要求3所述的一种辅助机器人的快速定位跟踪装置，其特征在于，所述体表定位板为刚性或柔性结构，且可以通过调节所述体表定位板的分隔密度来调整定位精度。

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