CN114176787B - 一种基于手术机器人有效工作空间的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于手术机器人有效工作空间的控制方法，包括步骤：（1）获取手术机器人的有效工作空间；（2）根据病灶至手术机器人的有效工作空间的距离计算得到CT影像设备的CT床的移动量；（3）医生根据步骤（2）计算得到的移动量移动CT床，使得病灶位于手术机器人的有效工作空间内，并通过手术机器人执行手术操作。本发明解决了在手术导航中存在的有效工作空间不足的问题，通过计算手术机器人有效工作空间与CT影像空间的转换关系，可直接计算CT床移动量，医生通过移动CT床实现规划通道达到手术机器人可执行的有效工作空间内。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于手术机器人有效工作空间的控制方法。
背景技术
在采用手术机器人进行手术的过程中，为节约制造成本和降低手术机器人的运动空间以尽可能地使用手术机器人能够适用于空间较小的手术室，通常会将手术机器人设计的尽可能简单和紧凑，因此会存在手术机器人有效工作空间不足的情况，使得患者的病灶未处于手术机器人的有效工作空间（即机器人在穿刺通道姿态范围内，支持XYZ方向平移的最大空间）内，导致手术机器人无法进行手术。
因此，需要提供一种能够将患者病灶置于手术机器人的有效工作空间内的方法。
另外，手术导航机器人配合多种不同的3D医学影像设备（如CT、MRI、超声等）使用，而手术机器人坐标系和影像坐标系是相互独立的，医生在影像坐标系下规划手术通道，而手术机器人执行手术操作要基于手术机器人坐标系进行一系列轨迹路径规划，因此，在手术导航机器人与三维医学影像设备建立统一的变换关系是不可避免的。
目前常用的方式是基于光学导航或磁导航等方式建立中间坐标系过渡，例如：分别使用患者示踪器和手术机器人末端示踪器，采用NDI同时观察到两者以生成手术机器人坐标系与影像坐标系之间的转换关系，以此创建影像和手术机器人之间空间位姿的关联。此方式的弊端是光学导航在执行过程中不能被遮挡、磁导航环境下存在铁磁性干扰等问题，因此有必要提供一种更简便且在任意环境下均可实施的配准方法。
发明内容
发明目的：本发明针对上述技术问题，提出一种解决手术机器人的有效工作空间不足问题的控制方法，在不增加额外设备的基础上，通过将CT床移动合适的距离而使得病灶被置于手术机器人的有效工作空间内。
技术方案：
一种基于手术机器人有效工作空间的控制方法，包括步骤：
（1）获取手术机器人的有效工作空间；
（2）根据病灶至手术机器人的有效工作空间的距离计算得到CT影像设备的CT床的移动量；
（3）医生根据步骤（2）计算得到的移动量移动CT床，使得病灶位于手术机器人的有效工作空间内，并通过手术机器人执行手术操作。
所述步骤（1）中获取手术机器人的有效工作空间具体为：以手术机器人基坐标系中与CT床的移动方向垂直的坐标轴为手术机器人有效工作空间的中线，通过手术机器人的设计参数结合运动学原理计算得到手术机器人的有效工作空间。
所述步骤（2）中计算CT床的移动量具体为：
（21）在所述CT影像设备内安装激光器，在CT床上放置标定工装，所述标定工装上设有标记线，且在所述标定工装置于所述CT床上时所述激光器发射的激光线平行于所述标记线；
（22）移动CT床使得所述激光器发射的激光线与所述标记线重合，记录此时CT床所在位置；
（23）移动CT床至所述手术机器人基坐标系垂直于所述CT床移动方向的坐标轴与所述标记线重合，记录此时CT床的位置；
（24）根据步骤（22）和（23）计算所述CT床的移动量，得到所述CT影像设备与所述手术机器人有效工作空间之间的位置关系；
（25）医生在患者CT影像上进行通道规划，并根据步骤（24）得到的所述CT影像设备与所述手术机器人有效工作空间之间的位置关系及规划通道在CT影像中位置计算得到CT床的实际移动量。
所述步骤（23）中，在所述手术机器人上设置一发射的激光线与手术机器人有效工作空间中线重合的激光器，根据所述手术机器人上的所述激光器发射的激光线与所述标记线是否重合判断所述CT床是否移动到位。
所述步骤（25）中，根据所述CT影像的方向矩阵M ori [2,2]和所述规划通道在影像坐标系C image 中的位置Dis plane ，结合步骤（24）得到的CT影像设备与手术机器人有效工作空间之间的位置关系将规划通道变换至手术机器人有效工作空间内，并计算得到CT床的实际移动量Dis Abs =M ori [2,2]*Dis plane ＋Off CT-robot ，其中，Off CT-robot 表示步骤（24）计算得到的所述CT床的移动量。
所述步骤（25）中，针对每次新序列扫描会重新设定CT床基准的CT影像设备，扫描获取其CT影像，根据其中透视像原点作为清零基准并清零，并据此计算得到CT床的实际移动量D Rela =M ori [2,2]*(Off CT-robot －Dis CT-Ref )＋Off CT-robot ，其中，Dis CT-Ref 表示清零时CT床相对于其初始位置的位置。
所述步骤（2）中计算CT床的移动量具体为：计算CT影像设备坐标系与手术机器人基坐标系之间的变换关系，并根据医生在CT影像上的规划通道及规划通道在CT影像中位置将规划通道变换至手术机器人基坐标系下，并根据所述手术机器人有效工作空间计算得到CT床的实际移动量。
所述计算CT影像设备坐标系与手术机器人基坐标系之间的变换关系具体如下：
（21）在所述CT床上放置标定工装，所述标定工装包括主体、设置于所述主体上的影像标记物及工装示踪器；
（22）根据标定工装设计参数计算得到影像标记物与工装示踪器之间的转换关系；
（23）进行CT扫描，并记录扫描时CT床的位置；移动CT床使得所述工装示踪器和所述手术机器人的末端示踪器位于光学跟踪系统的视野范围内，并记录此时CT床的位置；根据对应CT床的移动量计算得到影像坐标系的平移变换向量；
（24）提取CT影像中影像标记物的质心并建立影像标记物坐标系，得到影像坐标系到影像标记物坐标系的转换关系；
（25）光学跟踪系统获取得到工装示踪器的位姿，并根据步骤（22）得到的影像标记物与工装示踪器之间的转换关系及步骤（24）得到的影像坐标系到影像标记物坐标系的转换关系，计算得到光学跟踪系统到影像坐标系的转换关系；
（26）光学跟踪系统获取得到所述手术机器人的末端示踪器的位姿，并结合机器人机械臂运动学求解得到的所述末端示踪器与手术机器人基坐标系之间的转换关系，计算得到光学跟踪系统到手术机器人基坐标系的转换关系；
（27）根据步骤（26）得到的光学跟踪系统到影像坐标系的转换关系及步骤（27）得到的光学跟踪系统到手术机器人基坐标系的转换关系计算得到影像坐标系到手术机器人基坐标系的转换关系，也即得到CT影像设备坐标系和手术机器人基坐标系之间的转换关系。
所述步骤（21）中，所述影像标记物数量为若干，各所述影像标记物按Y字形排布，且形成的各直线之间角度相差120°，相邻两所述影像标记物之间相距5cm。
所述影像标记物采用钛合金球。
有益效果：
本发明解决了在手术导航中存在的有效工作空间不足的问题，例如，机器人执行有效范围有限，3D导航追踪仪器（如双目光学导航测量仪、电磁导航测量仪）可视范围有限等，通过计算上述设备有效工作空间中间位置与CT影像空间的转换关系，可直接计算CT床移动量，医生或技师通过移动CT床实现规划通道达到手术机器人可执行的有效工作空间内；且本发明通过建立CT设备坐标系和手术机器人坐标系的统一转换关系，使得医生在影像中规划通道，在不借助第三方3D导航测量设备的情况下，移动规划通道至手术机器人有效工作空间内。
附图说明
图1为本发明其中一实施例的标定方法的流程示意图。
图2为本发明另一实施例的标定方法的流程示意图。
图3为本发明的标定工装示意图。
图4为各设备坐标系转换关系示意图。
其中，1为标定工装，11为标记线，12为示踪球，13为影像标记物。
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。
本发明以常用CT设备为例，但并不止于此，采用其他3D医学影像设备同样可以实现本发明的技术方案与技术效果。
针对手术机器人有效工作空间不足的问题，本发明通过移动CT床使病灶移动至手术机器人有效工作空间内的方案解决该问题，具体地，本发明基于手术机器人有效工作空间的控制方法包括如下步骤：
（1）获取手术机器人的有效工作空间；
手术机器人的有效工作空间获取具体如下：
（a）以手术机器人基坐标系中与CT床的移动方向垂直的坐标轴为手术机器人有效工作空间的中线；
（b）通过手术机器人的设计参数结合运动学原理计算得到手术机器人的有效工作空间；
（2）根据病灶至手术机器人的有效工作空间的距离计算得到CT床的移动量；
（3）医生根据步骤（2）计算得到的CT床的移动量移动CT床，使得病灶位于手术机器人的有效工作空间内，并通过手术机器人执行手术操作。
其中，步骤（2）中计算CT床的移动量如图1、2所示，借助标定工装计算CT床的移动量，其中，标定工装1包括主体、设置于主体顶面的标记线11和影像标记物13以及设置于主体侧面的示踪球12，至少三个共面不共线的示踪球12组成工装示踪器；
步骤（2）进一步包括如下步骤：
（21）标定工装放置：在CT影像设备内安装激光器，将标定工装放置于CT床上，使得激光器发射的激光线与其标记线平行；
（22）将CT激光线与标记线重合：移动CT床使得激光器发射的激光线与标定工装上的标记重合，并记录此时CT床所在位置，记为Dis CT ；
（23）将CT床移动至手术机器人的有效工作空间中线：将手术机器人置于其工作位置处，且手术机器人基坐标系某一坐标轴垂直于CT床移动方向；移动CT床使得手术机器人有效工作空间中线（即手术机器人基坐标系垂直于CT床移动方向的坐标轴）与标定工装的标记线重合，并记录此时CT床的位置，记为Dis robot ，为便于判断手术机器人有效空间中线是否与标定工装的标记线重合，可以在手术机器人上设置一发射的激光线与手术机器人有效空间中线重合的激光器，从而可以根据手术机器人上激光器发射的激光线与标定工具的标记线是否重合来判断CT床是否移动到位；
（24）通过计算手术机器人有效空间中线与CT影像设备上激光器发射的激光线之间的距离得到CT床的移动量，记为Off CT-robot =Dis CT －Dis robot ，也即CT影像设备与手术机器人有效空间之间的位置关系；
（25）根据CT影像的方向矩阵M ori [2,2]（决定影像空间方向与CT影像设备空间方向对应关系，为2×2的矩阵）和规划通道在影像坐标系C image 中的位置Dis plane ，结合步骤（24）得到的CT影像设备与手术机器人有效空间之间的位置关系将规划通道变换至手术机器人有效空间内，并计算得到CT床实际移动量Dis Abs =M ori [2,2]*Dis plane ＋Off CT-robot ；
所述步骤（25）中，针对某些厂家CT，每次新序列扫描会重新设定CT床基准，医生看着CT显示屏移动CT床位置，会出现超行程问题，为此，获取CT序列扫描中的透视影像，记录当前的扫描得到的透视图像中的原点位置作为清零基准并清零，此时CT床的移动量为D Rela =M ori [2,2]*(Off CT-robot －Dis CT-Ref )＋Off CT-robot ，其中，Dis CT-Ref 表示清零时CT床的位置；
（26）经过上述方式校准后，医生在CT扫描得到的患者CT影像上进行通道规划，并根据步骤（25）计算得到CT床的移动量Dis Abs 或D Rela ，医生或技师根据CT显示屏的指示直接操作CT床移动相应距离，手术机器人执行操作。
前述方法操作和计算方便，首次计算得到CT床的移动量后，在后期的使用过程中，不需要借助外接光学或电磁导航系统，在CT影像中规划好规划通道后，直接移动CT床即可，此实施例中的方法主要是针对手术机器人有效空间范围较大的情况下使用。针对手术机器人有效空间范围较小的情况，本发明还提供了另一实施例的CT床移动量的计算方法，如图2所示，包括如下步骤：
（21’）将上述标定工装放置于CT床上，其中，上述标定工装中，影像标记物数量为若干，采用钛合金球，用以减少CT扫描中的伪影，各钛合金球按Y字形排布，且形成的各直线之间角度相差120°，相邻两钛合金珠之间相距5cm，如图3所示；工装示踪器用于双目光学相机追踪其位姿，材质选择和拓扑设计标准参见相机设计指南；
（22’）使用高精度三坐标测量仪测量在手术机器人基坐标系下的标定工装上影像标记物和工装示踪器的坐标，并分别各自建立影像标记物坐标系C fixture-image 和工装示踪器坐标系C fixture-tracer ，其中，工装示踪器采用双目光学导航测量仪或电磁导航测量仪跟踪，根据测量得到的匹配点对，采用最小二乘法计算得到二个坐标系之间的转换关系
；
（23’）进行CT扫描，并记录扫描时CT床的位置D image ，为保证双目光学相机能够同时观察到工装示踪器和手术机器人末端安装的示踪器，移动CT床使得工装示踪器和手术机器人末端示踪器位于双目光学相机视野范围内，记录此时CT床的位置D image-CT ，进而得到影像坐标系从C image 平移到可观测位置C image-CT 时二者之间的转换关系
，该转换关系仅与CT床移动方向上的移动量（即CT床的移动量），记
；
（24’）提取CT影像中影像标记物得到各球体质心，本发明采用阈值法等常规的质心提取方法，并根据步骤（22’）得到影像空间中的影像标记物坐标系C fixture-image ，得到影像坐标系C image-CT 到影像标记物坐标系C fixture-image 的转换关系
；
（25’）计算双目光学相机到CT影像空间的转换关系：双目光学相机获取得到在双目光学相机坐标系C Navi 下工装示踪器的6DoF位姿，得到双目光学相机坐标系C Navi 至工装示踪器坐标系C fixture-tracer 的转换关系为
，则根据步骤（22’）得到的影像标记物坐标系C fixture-image 和工装示踪器坐标系C fixture-tracer 之间的转换关系
计算得到双目光学相机坐标系C Navi 到影像标记物坐标系C fixture-image 的转换关系
，结合步骤（23’）得到的转换关系
和步骤（24’）得到的转换关系
计算得到双目光学相机坐标系C Navi 和影像坐标系C image 的转换关系
（26’）计算双目光学相机坐标系C Navi 到手术机器人基坐标系的转换关系：双目光学相机获取得到手术机器人末端示踪器的6DoF位姿，可得到双目光学相机坐标系C Navi 和手术机器人末端示踪器坐标系C robot-end 的转换关系
，此时解算手术机器人位姿得到手术机器人基坐标系C robot-base 和手术机器人末端示踪器坐标系C robot-end 的转换关系
；综上，计算得到双目光学相机坐标系C Navi 和手术机器人基坐标系C robot-base 的转换关系
；
（27’）将CT影像设备坐标系与手术机器人基坐标系进行对齐：结合步骤（25）和（26）计算得到CT影像设备坐标系和手术机器人基坐标系之间的转换关系
，各坐标系之间关系如图4所示；
（28’）坐标系标定应用：
通过CT扫描获取患者CT影像并规划穿刺通道，根据步骤（27’）计算得到的CT影像设备坐标系和手术机器人基坐标系的转换关系
将规划穿刺通道变换至手术机器人基坐标系下。
采用本实施例的方法计算CT床移动量，可以精确建立CT床和手术机器人的空间标定，一方面解决了手术机器人有效工作空间不足的问题，另一方面，在不使用其他第三方介质的情况下，直接在影像中规划手术通道，使得手术机器人能够直接精确到达规划通道进行手术。
本发明采用移动CT床的办法解决因机器人结构简化而导致手术机器人有效工作空间不做的问题，不会额外增加成本，且通过一次计算获得相应的计算参数和转换关系之后即可撤除相关辅助设备，无需后期再借助相关辅助设备进行重复计算，成本低且效率高，另外，避免了出现手术室内因存在辅助设备导致的空间不足、视线被遮挡的情况。
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 (7)
1.一种基于手术机器人有效工作空间的控制方法，其特征在于：包括步骤：
（1）获取手术机器人的有效工作空间；
（2）根据病灶至手术机器人的有效工作空间的距离计算得到CT影像设备的CT床的移动量；
其中，计算CT床的移动量采用如下两种方式中的任一：
方式一：
（21）在所述CT影像设备内安装激光器，在CT床上放置标定工装，所述标定工装上设有标记线，且在所述标定工装置于所述CT床上时所述激光器发射的激光线平行于所述标记线；
（22）移动CT床使得所述激光器发射的激光线与所述标记线重合，记录此时CT床所在位置；
（23）移动CT床至所述手术机器人基坐标系垂直于所述CT床移动方向的坐标轴与所述标记线重合，记录此时CT床的位置；
（24）根据步骤（22）和（23）计算所述CT床的移动量，得到所述CT影像设备与所述手术机器人有效工作空间之间的位置关系；
（25）医生在患者CT影像上进行通道规划，并根据步骤（24）得到的所述CT影像设备与所述手术机器人有效工作空间之间的位置关系及规划通道在CT影像中位置计算得到CT床的实际移动量；
方式二：
计算CT影像设备坐标系与手术机器人基坐标系之间的变换关系，并根据医生在CT影像上的规划通道及规划通道在CT影像中位置将规划通道变换至手术机器人基坐标系下，并根据所述手术机器人有效工作空间计算得到CT床的实际移动量；其中，计算CT影像设备坐标系与手术机器人基坐标系之间的变换关系具体如下：
a.在所述CT床上放置标定工装，所述标定工装包括主体、设置于所述主体上的影像标记物及工装示踪器；
b.根据标定工装设计参数计算得到影像标记物与工装示踪器之间的转换关系；
c.进行CT扫描，并记录扫描时CT床的位置；移动CT床使得所述工装示踪器和所述手术机器人的末端示踪器位于光学跟踪系统的视野范围内，并记录此时CT床的位置；根据对应CT床的移动量计算得到影像坐标系的平移变换向量；
d.提取CT影像中影像标记物的质心并建立影像标记物坐标系，得到影像坐标系到影像标记物坐标系的转换关系；
e.光学跟踪系统获取得到工装示踪器的位姿，并根据步骤b得到的影像标记物与工装示踪器之间的转换关系及步骤d得到的影像坐标系到影像标记物坐标系的转换关系，计算得到光学跟踪系统到影像坐标系的转换关系；
f.光学跟踪系统获取得到所述手术机器人的末端示踪器的位姿，并结合机器人机械臂运动学求解得到的所述末端示踪器与手术机器人基坐标系之间的转换关系，计算得到光学跟踪系统到手术机器人基坐标系的转换关系；
g.根据步骤e得到的光学跟踪系统到影像坐标系的转换关系及步骤f得到的光学跟踪系统到手术机器人基坐标系的转换关系计算得到影像坐标系到手术机器人基坐标系的转换关系，也即得到CT影像设备坐标系和手术机器人基坐标系之间的转换关系；
（3）医生根据步骤（2）计算得到的移动量移动CT床，使得病灶位于手术机器人的有效工作空间内。
2.根据权利要求1所述的基于手术机器人有效工作空间的控制方法，其特征在于：所述步骤（1）中获取手术机器人的有效工作空间具体为：以手术机器人基坐标系中与CT床的移动方向垂直的坐标轴为手术机器人有效工作空间的中线，通过手术机器人的设计参数结合运动学原理计算得到手术机器人的有效工作空间。
3.根据权利要求1所述的基于手术机器人有效工作空间的控制方法，其特征在于：所述方式一的步骤（23）中，在所述手术机器人上设置一发射的激光线与手术机器人有效工作空间中线重合的激光器，根据所述手术机器人上的所述激光器发射的激光线与所述标记线是否重合判断所述CT床是否移动到位。
4.根据权利要求1所述的基于手术机器人有效工作空间的控制方法，其特征在于：所述方式一的步骤（25）中，根据所述CT影像的方向矩阵M ori [2,2]和所述规划通道在影像坐标系C image 中的位置Dis plane ，结合该方式的步骤（24）得到的CT影像设备与手术机器人有效工作空间之间的位置关系将规划通道变换至手术机器人有效工作空间内，并计算得到CT床的实际移动量Dis Abs =M ori [2,2]*Dis plane ＋Off CT-robot ，其中，Off CT-robot 表示计算得到的所述CT床的移动量。
5.根据权利要求4所述的基于手术机器人有效工作空间的控制方法，其特征在于：所述方式一的步骤（25）中，针对每次新序列扫描会重新设定CT床基准的CT影像设备，扫描获取其CT影像，根据其中透视像原点作为清零基准并清零，并据此计算得到CT床的实际移动量D Rela =M ori [2,2]*(Off CT-robot －Dis CT-Ref )＋Off CT-robot ，其中，Dis CT-Ref 表示清零时CT床相对于其初始位置的位置。
6.根据权利要求1所述的基于手术机器人有效工作空间的控制方法，其特征在于：所述方式二的步骤a中，所述影像标记物数量为若干，各所述影像标记物按Y字形排布，且形成的各直线之间角度相差120°，相邻两所述影像标记物之间相距5cm。
7.根据权利要求6所述基于手术机器人有效工作空间的控制方法，其特征在于：所述方式二中的影像标记物采用钛合金球。
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