CN116019558B - 电磁导航穿刺机器人系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电磁导航穿刺机器人系统及其定位方法，穿刺机器人系统包括：穿刺机器人、末端工具、电磁定位针、电磁定位装置以及定位探头，所述穿刺机器人上设置有机械臂和深度图像拍摄装置；其定位方法：将患者的空间坐标系、机械臂坐标以及磁场坐标系进行关联，实时定位手术器械相对于人体的位置，并进行二次电磁定位针目标位姿校准。本发明通过采用电磁导航技术，解决了医生无法在手术过程中了解穿刺针在患者体内的情况，并在穿刺过程中进行穿刺校准，增加了可靠性和安全性。

Description

电磁导航穿刺机器人系统及其定位方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，具体地，涉及一种电磁导航穿刺机器人系统及其定位方法。

背景技术

肺癌为最常见的原发性肺部肿瘤，是全球范围内发病率和死亡率增长最快，对人类健康和生命威胁最高的恶性肿瘤。经皮肺穿刺活检可用于诊断肺癌等肺部疾病，传统肺穿刺活检因肺呼吸所带来的软组织漂移等局限性，需要反复X 光成像才能准确定位病灶进行穿刺，期间病人受辐射计量过大、手术复杂耗时，且由于定位不够精确，术后存在并发症比较严重等一系列缺点。电磁导航系统辅助下 CT 引导肺穿刺活检术可缩短定位时间 ,减少调针次数 ,扫描次数,同时可减少患者接受的辐射剂量 ,是一种值得推广的影像引导新方法。穿刺手术通过机器人系统进行操作，不仅可以实现实时的穿刺路径引导，还能够克服人手震颤的影响，极大的提高手术精度。现有的穿刺手术机器人技术存在以下问题：现有的穿刺手术机器人在工作时，通过光学或电磁定位系统来获得穿刺针的空间位置， 再通过术前规划和影像配置引导医生进行手术，由于人体 胸腔会跟随呼吸作用进行上下浮动，造成穿刺针在人体内定位困难，因此在机器人执行穿刺手术时，需要建立机器人保障措施，规避机器人手术所带来的风险。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电磁导航穿刺机器人系统及其定位方法。

根据本发明提供的一种电磁导航穿刺机器人系统，包括：穿刺机器人、末端工具、电磁定位针、 电磁定位装置 以及定位探头；

所述穿刺机器人上设置有机械臂以及深度图像拍摄装置，机械臂的一端与穿刺机器人转动连接，所述末端工具固定在机械臂的另一端，所述电磁定位针安装在末端工具上；

所述电磁定位针、末端工具以及定位探头中均包含 电磁传感器，所述定位探头设置在患者体表上预设点位处 ，用于获取患者的空间定位，所述 电磁定位装置 发射磁场，接收电磁传感器的信号，得到对应的位姿信息。

优选的，所述末端工具上设置有导向套筒，所述电磁定位针设置在导向套筒中，且导向套筒的轴线方向为电磁定位针的穿刺方向。

优选的，所述机械臂采用 六轴机械臂。

优选的，所述电磁定位针为一次性同轴穿刺针。

根据本发明提供的一种电磁导航穿刺机器人定位方法， 包括以下步骤：

步骤 S1：获取患者的 DICOM 影像，所述 DICOM 影像包含至少三个定位探头预设点位，根据 DICOM 影像建立患者空间坐标系；

步骤 S2：将定位探头安装在预设点位处，利用电磁定位装置读取定位探头中电磁传感器的位置信息，并与患者空间坐标系中定位探头预设点位的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵 T1，实现患者空间坐标系与磁场坐标系融合；

步骤 S3：控制机械臂随机移动至少三个位置点，利用电磁定位装置获取末端工具的电磁传感器的位置信息，并与获取的末端工具电磁传感器在机械臂坐标系的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵 T2，实现机械臂坐标系和磁场坐标系融合；

步骤 S4：根据 DICOM 图像生成推荐穿刺路径，包括入针点 A 及目标点 B,依据规划的穿刺路径，确定电磁定位针的第一阶段目标位姿信息以及第二阶段目标位姿信息，所述目标位姿信息包括：电磁定位针的针尖位置和电磁定位针穿刺轴向的方向信息；其中，第一阶段目标位姿：电磁定位针轴向在 BA 方向上，电磁定位针针尖在沿 BA 方向上的，靠近 A 点的安全位置；第二阶段目标位姿：电磁定位针轴向沿 BA 方向，电磁定位针针尖位于 A 点处；获取电磁定位针从初始位姿移动到第一阶段目标位姿的可行路径，并控制机械臂沿计算的可行路径运动到目标位姿；

步骤 S5：获取电磁定位针在磁场坐标系中的实际位姿信息，转化成机械臂坐标系下的实际位姿信息与目标位姿信息进行比较，如超出预设误差范围时，对电磁定位针的位姿进行校正。

优选的，所述步骤 S1 包括：在患者病灶附近皮肤上贴上至少三个的定位贴片，并作为定位探头预设点位，使用 CT 机扫描患者得到 DICOM 影像，识别 DICOM 影像中定位贴片的位置信息，对所述 DICOM 影像进行脏器分割，并进行 3D 重建，得到包含定位贴片位置信息的患者空间坐标系。

优选的，所述步骤 S3 包括：末端工具上电磁传感器相较于机械臂末端的位置为已知，控制机械臂移动至少三个位置点，记录末端工具的电磁传感器的位置信息、机械臂末端位姿信息利用磁场坐标系和机械臂坐标系下传感器的位置点进行配准，完成机械臂坐标系与磁场坐标系的融合，基于线性变换矩阵 T1和线性变换矩阵 T2将患者空间坐标系与机械臂坐标系融合；三个所述位置点不共线，且任意两点之间不同距。

优选的，所述步骤 S5 包括以下子步骤：

步骤 S5.1：获取电磁定位针在机械臂坐标系下第一阶段实际位姿信息；计算第一阶段实际位姿信息与第一阶段目标位姿信息是否存在偏差；当超出预设误差范围时进行位姿校正，当未超出预设误差范围时，则控制机械臂运动到第二阶段目标位姿；

步骤 S5.2：获取电磁定位针在机械臂坐标系下第二阶段实际位姿信息；计算第二阶段实际位姿信息与第二阶段目标位姿信息是否存在偏差；当超出预设误差范围时进行位姿校正。

优选的，所述穿刺路径根据深度图像拍摄装置获取的障碍区域计算所得，所述障碍区域为对机械臂自身、末端工具以及夹持的电磁穿刺针产生干扰的区域，所述障碍区域通过深度图像拍摄装置转换至机械臂坐标系中。

优选的，还包括步骤 S6：实时获取穿刺过程中电磁定位针的状态，当检测到穿刺路径出现偏移时，评估重新调整穿刺方向是否存在风险，若不存在，调整穿刺方向，若存在，停止穿刺并发出警报。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明通过采用 DICOM 影像分割、3D 重建等技术，解决了医生无法高效从二维图像分析患者病情问题，帮助医生清晰了解手术器械与病人解剖结构的位置，辅助医生快速、准确、安全的定位病灶位置，极大减小手术创伤的同时提高成功率。

2、本发明通过采用电磁导航技术，解决了医生无法在手术过程中了解穿刺针在患者体内的情况，增加了可靠性和安全性，大大提高工作效率，降低风险，同时减少病人排队候诊的时间，降低医疗成本，减少患者受到的辐射。

3、本发明通过采用机器臂技术，解决了医生无法快速、准确找到规划入针点和入针方向问题，大大提高工作效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明电磁导航穿刺机器人系统实物结构图；

图2为本发明电磁导航穿刺机器人定位原理示意图；

图3为本发明电磁导航穿刺机器人工作流程示意图。

附图标记说明：1、穿刺机器人，2、末端工具，3、机械臂，4、电磁定位针，5、电磁定位装置，6、深度图像拍摄装置。

实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明公开一种电磁导航穿刺机器人系统，参照图1，包括：穿刺机器人1、末端工具2、电磁定位针4、电磁定位装置5以及定位探头。连接关系如下：

穿刺机器人1上设置有机械臂3以及深度图像拍摄装置6，机械臂3的一端与穿刺机器人1转动连接，末端工具2固定在机械臂3的另一端，电磁定位针4安装在末端工具2上；电磁定位针4以及末端工具2中均包含电磁传感器，定位探头设置在患者体表上预设点位处，用于获取患者的空间定位，电磁定位装置5发射磁场，接收电磁传感器和定位探头的信号，得到对应的位置信息。

在一种具体的实施方式中，末端工具2为导向套筒，电磁定位针设置在导向套筒中，且导向套筒的轴线方向为电磁定位针的穿刺方向。

在一种具体的实施方式中，机械臂3采用6轴机械臂。

在一种具体的实施方式中，电磁定位针4为一次性同轴穿刺针。

在一种具体的实施方式中，深度图像拍摄装置6为深度相机。

机械臂3还能用于控制其他带有6D传感器的电磁工具，以便扩展更多功能，可起到与定位针一样的功能导航定位功能。

电磁导航穿刺机器人的工作原理是以病人的CT、MRI等影像数据为基础，通过建立人与图像的空间定位关系，将手术器械在影像上实时定位显示的技术，帮助医生清晰了解手术器械与病人解剖结构的位置，辅助医生快速、准确、安全的定位病灶位置，极大减小手术创伤的同时提高成功率。

实施例1

参照图 2 和图 3 所示，一种电磁导航穿刺机器人定位方法，包括以下步骤：

步骤 S1：获取患者的 DICOM 影像，所述 DICOM 影像包含至少三个定位探头预设点位，根据 DICOM 影像建立患者空间坐标系。

在一种可行的实施方式中，在患者胸腹部病灶附近周围皮肤贴上至少三个的定位贴片，每个定位贴片上带有两根定位铜柱，作为定位探头预设点位。使用 CT 机扫描患者得到 DICOM 影像，将 DICOM 影像数据通过 PACS 网络传入机器人系统软件中，系统自动识别 DICOM 影像中定位铜柱位置信息。对 DICOM 影像进行组织、器官分割，并进行3D 重建，得到包含定位探头预设点位置信息的患者空间坐标系。

步骤 S2：将定位探头安装在预设点位处，利用电磁定位装置读取定位探头中电磁传感器的位置信息，并与患者空间坐标系中定位探头预设点位的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵 T1，实现患者空间坐标系与磁场坐标系融合。

在一种可行的实施方式中，将电磁定位装置的磁场发生器装置摆放到合适位置，连接定位探头。将定位探头扣在定位贴片上，此时定位探头中的电磁传感器与定位贴片中的两根铜柱中心物理位置重合。系统加载定位探头中的电磁传感器并进行实时通信,进行以下步骤：

读取定位探头中传感器在磁场坐标系中的位置信息 S 点集“点 S1,点 S2,点S3....”与 CT 影像中定位贴片铜柱中心在患者空间坐标系位置信息 T 点集“点 T1,点T2,点 T3....”，分别计算 S 点集及 T 点集中心坐标，记为点集 Sc 及 Tc;将 S 点集和T点集中的所有坐标点进行去中心化处理，计算得到点集 So 及 To；

计算所有点之间的互相关矩阵的累计和 M,其中：其中 Si和 Ti为所 有 Sc 和 Tc 中的点,Ti^T为 Ti 的转置矩阵;计算所需要优化的矩阵 N:

计算矩阵 N 的最大特征值和对应的特征向量λ和e，特征向量e = {w,x,y,z}为旋转角的四元数值，将其转换为矩阵值为：

计算平移量，首先计算待配准点集 S 的中心坐标 Sc 经过旋转变换 K 变换后的位置坐标Sc^r，平移量为Mt = Tc−Sc^r；

得到刚体变换旋转矩阵为：，其中 Mt^T为 Mt 的转置矩阵；

进行配准运算，实现患者空间坐标系和磁场坐标系的融合，即获得患者空间坐标系和磁场坐标系之间的转换矩阵 T¹。

步骤S3：控制机械臂随机移动至少三个位置点，利用电磁定位装置获取末端工具的电磁传感器的位置信息，并与获取的末端工具电磁传感器在机械臂坐标系的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵T²，实现机械臂坐标系和磁场坐标系融合；基于线性变换矩阵T¹和线性变换矩阵T²将患者空间坐标系与机械臂坐标系融合。

本实施例的T²的计算公式与本实施例的T¹的计算公式相同。

三个位置点不共线，且任意两点之间不同距。

在一种可行的实施方式中，使用固定在机械臂末端工具上的电磁传感器，机械臂末端工具上的电磁传感器在机械臂坐标系的位置是已知的。系统软件控制六轴机械臂在半径5cm的范围内随机移动四个位置点，系统将会自动记录固定在机械臂末端工具上的电磁传感器的四个位置点及相对应的机械臂末端工具位姿信息，即末端工具坐标系相对于机械臂坐标系的变换关系。根据末端工具坐标系相对于机械臂坐标系的变换关系计算出机械臂末端工具上的电磁传感器在机械臂坐标系中的变换矩阵T²。利用磁场坐标系和机械臂坐标系下的四个电磁传感器位置点，系统自动完成第二次配准，完成机械臂坐标系和磁场坐标系的融合，即获得机械臂坐标系和磁场坐标系之间的转换矩阵。结合步骤S2中线性变换矩阵T¹，完成患者空间坐标系、机械臂坐标系以及磁场坐标系的统一，即还可以计算出患者空间坐标系和机械臂坐标系之间的转换矩阵。

步骤 S4：根据 DICOM 图像生成推荐穿刺路径，包括入针点 A 及目标点 B,依据规划的穿刺路径，确定电磁定位针的第一阶段目标位姿信息以及第二阶段目标位姿信息，所述目标位姿信息包括：电磁定位针的针尖位置和电磁定位针穿刺轴向的方向信息；其中，第一阶段目标位姿：电磁定位针轴向在 BA 方向上，电磁定位针针尖在沿 BA 方向上的，靠近 A 点的安全位置；第二阶段目标位姿：电磁定位针轴向沿 BA 方向，电磁定位针针尖位于 A 点处；获取电磁定位针从初始位姿移动到第一阶段目标位姿的可行路径，并控制机械臂沿计算的可行路径运动到目标位姿。

步骤S5：获取电磁定位针在磁场坐标系中的实际位姿信息，转化成机械臂坐标系下的实际位姿信息与目标位姿信息进行比较，如超出预设误差范围时，对电磁定位针的位姿进行校正。

实施例2

本实施例公开的电磁导航穿刺机器人定位方法包括以下步骤：

步骤S1：获取患者的DICOM影像，所述DICOM影像包含至少三个定位探头预设点位，根据DICOM影像建立患者空间坐标系。

在一种可行的实施方式中，在患者胸腹部病灶附近周围皮肤贴上至少三个的定位贴片，每个定位贴片上带有两根定位铜柱，作为定位探头预设点位。使用CT机扫描患者得到DICOM影像，将DICOM影像数据通过PACS网络传入机器人系统软件中，系统自动识别DICOM影像中定位铜柱位置信息。对DICOM影像进行组织、器官分割，并进行3D重建，得到包含定位探头预设点位置信息的患者空间坐标系。

步骤S2：将定位探头安装在预设点位处，利用电磁定位装置读取定位探头中电磁传感器的位置信息，并与患者空间坐标系中定位探头预设点位的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵T¹，将患者空间坐标系与磁场坐标系融合。

在一种可行的实施方式中，将电磁定位装置的磁场发生器装置摆放到合适位置，连接定位探头。将定位探头扣在定位贴片上，此时定位探头中的电磁传感器与定位贴片中的两根铜柱中心物理位置重合。系统加载定位探头中的电磁传感器并进行实时通信，读取定位探头中传感器在磁场坐标系中的位置信息“点m₁,点m₂,点m₃....”与CT影像中定位贴片铜柱中心在患者空间坐标系位置信息“点n₁,点n₂,点n₃....”进行第一次配准运算，实现患者空间坐标系和磁场坐标系的融合，即获得患者空间坐标系和磁场坐标系之间的转换矩阵T¹。

步骤S3：控制机械臂随机移动至少三个位置点，利用电磁定位装置获取末端工具的电磁传感器的位置信息，并与获取的末端工具电磁传感器在机械臂坐标系的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵T²，实现机械臂坐标系和磁场坐标系融合；三个位置点不共线，且任意两点之间不同距。

在一种可行的实施方式中，使用固定在机械臂末端工具上的电磁传感器，机械臂末端工具上的电磁传感器在机械臂坐标系的位置是已知的。系统软件控制6轴机械臂在半径5cm的范围内随机移动四个位置点，系统将会自动记录固定在机械臂末端工具上的电磁传感器的四个位置点及相对应的机械臂末端位姿信息，即末端工具坐标系相对于机械臂坐标系的变换关系。根据末端工具坐标系相对于机械臂坐标系的变换关系计算出机械臂末端工具上的电磁传感器在机械臂坐标系中的变换矩阵T²。利用磁场坐标系和机械臂坐标系下的四个电磁传感器位置点，系统自动完成第二次配准，完成机械臂坐标系和磁场坐标系的融合，即获得机械臂坐标系和磁场坐标系之间的转换矩阵。结合步骤S2中线性变换矩阵T¹，完成患者空间坐标系、机械臂坐标系以及磁场坐标系的统一，即还可以计算出患者空间坐标系和机械臂坐标系之间的转换矩阵。

步骤S4：根据DICOM图像生成推荐穿刺路径，包括入针点A及目标点B,依据规划的穿刺路径，确定电磁定位针的第一阶段目标位姿信息以及第二阶段目标位姿信息，所述目标位姿信息包括：电磁定位针的针尖位置和电磁定位针穿刺轴向的方向信息；其中，第一阶段目标位姿：电磁定位针轴向在BA方向上，电磁定位针针尖在沿BA方向上的，靠近A点的安全位置；第二阶段目标位姿：电磁定位针轴向沿BA方向，电磁定位针针尖位于A点处；获取电磁定位针从初始位姿移动到第一阶段目标位姿的可行路径，并控制机械臂沿计算的可行路径运动到目标位姿。

步骤S5：获取电磁定位针在磁场坐标系中的实际位姿信息，转化成机械臂坐标系下的实际位姿信息与目标位姿信息进行比较，如超出预设误差范围时，对电磁定位针的位姿进行校正。

其中，穿刺目标点为穿刺过程中手术器械最终到达的人体内位置，例如核心病灶中心点。入针点为穿刺过程中手术器械进入人体内时经过的人体表面点。入针方向为手术器械经过入针点时的轴向方向。通常情况下，手术器械进入人体后沿轴向方向进行直线运动，即穿刺目标点和入针点位于沿入针方向的同一条直线上。不可穿刺区域为穿刺过程中手术器械不可穿过的区域。不可穿刺区域通常包含不可损伤的重要组织器官如心脏、大血管等，当对刺穿手术过程有一定限制时，还可包括需要使用特殊器械才能穿过的组织器官，如胸骨等。

步骤S5.1：获取电磁定位针在机械臂坐标系下第一阶段实际位姿信息；计算第一阶段实际位姿信息与第一阶段目标位姿信息是否存在偏差；当超出预设误差范围时进行位姿校正，当未超出预设误差范围时，则控制机械臂运动到第二阶段目标位姿。

步骤S5.2：获取电磁定位针在机械臂坐标系下第二阶段实际位姿信息；计算第二阶段实际位姿信息与第二阶段目标位姿信息是否存在偏差；当超出预设误差范围时进行位姿校正。

一种可行的实施方式是：将电磁定位针第一阶段目标位姿确定为电磁定位针轴向与入针方向平行，电磁定位针针尖位于沿入针方向反方向离开入针点3-4cm处。则第一阶段电磁定位针目标位姿可以表示为电磁定位针针尖坐标系与机械臂坐标系的转换关系。

由于当前电磁定位针第一阶段目标位姿只规定了电磁定位针轴向方向，而没有确定电磁定位针绕轴向的转角，电磁定位针第一阶段目标位姿实际上是一组连续变化的位姿的集合。

将电磁定位针第二阶段目标位姿确定为电磁定位针轴向与入针方向平行，电磁定位针针尖位于入针点处。电磁定位针第二阶段目标位姿可以表示为电磁定位针针尖坐标系与机械臂坐标系的转换关系。由于电磁定位针第二阶段目标位姿只规定了电磁定位针轴向方向，而没有确定电磁定位针绕轴向的转角，电磁定位针第二阶段目标位姿实际上是一组连续变化的位姿的集合。

依据电磁定位针第一阶段以及第二阶段目标位姿计算机械臂末端工具第一阶段以及第二阶段目标位姿。电磁定位针第一阶段目标位姿在机械臂坐标系下可以表示为，机械臂末端第一阶段目标位姿在机械臂坐标系下可以表示为/>。电磁定位针第二阶段目标位姿在机械臂坐标系下可以表示为/>，机械臂末端第二阶段目标位姿在机械臂坐标系下可以表示为/>；其中，B为机械臂坐标系，W为即末端工具坐标系，F为电磁定位针针尖坐标系，P为患者空间坐标系，T为坐标系转换矩阵。

控制机械臂沿计算的可行路径运动，使机械臂末端工具位姿达到机械臂末端工具第一阶段目标位姿，利用电磁定位装置获取电磁定位针当前位姿，与第一阶段电磁定位针目标位姿进行比较，当超出预设误差范围时进行位姿校正。

当电磁定位针第一阶段目标位姿正确后，控制机械臂运动，使机械臂末端工具位姿达到第二阶段目标位姿，判断第二阶段目标是否需要位姿校正。

更为具体的，上述的可行路径为：利用深度图像拍摄装置获取障碍区域，计算机械臂运行的可行路径。如机械臂无可行路径，则提示用户调整穿刺机器人或者附近物体摆放位置，直到存在可行路径。

其中，障碍区域为机械臂通过时机械臂自身以及末端工具夹持的手术器械可能与物体发生接触、挤压、碰撞等的区域。例如，障碍区域可以设为患者、床、磁场发生器装置等所在区域及其周围10cm范围内，穿刺必经路径除外。可行路径为在指定约束条件下，由当前位姿到达目标位姿的路径。例如，指定从机械臂起始位姿到达第一阶段目标位姿的约束条件为机械臂以及机械臂末端工具夹持的手术器械任何部位均不得进入障碍区域；而指定从第一阶段目标位姿到达第二阶段目标位姿的约束条件为机械臂以及机械臂末端工具夹持的手术器械任何部位均不得进入障碍区域，并且机械臂末端沿直线运动。当目标位姿为多个位姿的集合时，可行路径为在指定约束条件下，由当前位姿到达目标位姿集合中任一位姿的路径。存在可行路径是指既存在从机械臂起始位姿达到第一阶段目标位姿的可行路径，也存在从第一阶段目标位姿到第二阶段目标位姿的可行路径。

在当前位姿、目标位姿以及约束条件固定的情况下，可能存在多条可行路径或者无可行路径。当存在多条可行路径时，则选取其中一条可行路径作为实施路径，例如，可以选取移动距离最小的路径，或者选取机械臂关节运动状态改变次数最少的路径等。当无可行路径时，则发出提示，由使用者对穿刺机器人或者附近物体的位置进行调整后，再次进行可行路径的计算。若穿刺机器人的位置发生改变，需重新进行磁场坐标系与机械臂坐标系的融合，以及障碍区域的获取。若磁场发生器的位置发生改变，需重新进行患者坐标系、磁场坐标系及机械臂坐标系的融合，以及障碍区域的获取。若其他物体的位置发生改变，需重新进行障碍区域的获取。

由于机械臂和深度图像拍摄装置同设置在穿刺机器人上，已经过事先标定，障碍区域可以方便地由深度图像拍摄装置坐标系转换至机械臂坐标系。

在一种优选的实施方式中，定位方法还包括步骤S6：实时获取穿刺过程中电磁定位针的状态，当检测到穿刺路径出现偏移时，评估重新调整穿刺方向是否存在风险，若不存在，调整穿刺方向，若存在，停止穿刺并发出警报。具体如下：

确认电磁定位针位姿正确后，启动机械臂末端工具上的推送装置，将电磁定位针沿导向套筒刺入人体，并继续沿轴向方向推进至穿刺目标点。期间实时监测电磁定位针状态，当检测到轻微偏离规划的穿刺路径时，评估微调的可能性；当检测到异常或预测可能出现风险时，停止穿刺并发出警报。

在电磁定位针向人体内推送的过程中，利用电磁定位装置实时获取电磁定位针在磁场坐标系下的位姿，并转换到患者空间坐标系下，与规划的穿刺路径进行比较。当检测到穿刺目标点略微偏离电磁定位针轴向延长线时，重新计算到穿刺目标点所需的推进方向，并检测调整为新的穿刺方向后是否会产生风险，如是否经过不可穿刺区域等。如评估为无风险，则对机械臂末端工具位姿进行微调；如可能存在风险，则暂停穿刺并发出风险警报。当检测到穿刺目标点严重偏离电磁定位针轴向延长线时，停止穿刺并发出异常警报。当预测到继续当前推送状态的情况下，电磁定位针会碰到不可穿刺区域时，停止穿刺并发出风险警报。当检测到电磁定位针针尖电磁传感器与机械臂末端工具上固定电磁传感器之间距离的变化超出阈值时，则说明电磁定位针可能出现弯曲形变，停止穿刺并发出异常警报。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例一和实施例二中的特征可以任意相互组合。

Claims (4)

1.一种电磁导航穿刺机器人定位方法，应用于电磁导航穿刺机器人系统上，其特征在于，

电磁导航穿刺机器人系统包括：穿刺机器人、末端工具、电磁定位针、电磁定位装置以及定位探头；

所述穿刺机器人上设置有机械臂以及深度图像拍摄装置，机械臂的一端与穿刺机器人转动连接，所述末端工具固定在机械臂的另一端，所述电磁定位针安装在末端工具上；

所述电磁定位针、末端工具以及定位探头中均包含电磁传感器，所述定位探头设置在患者体表上预设点位处，用于获取患者的空间定位，所述电磁定位装置发射磁场，接收电磁传感器的信号，得到对应的位姿信息；

所述末端工具上设置有导向套筒，所述电磁定位针设置在导向套筒中，且导向套筒的轴线方向为电磁定位针的穿刺方向；

所述机械臂采用六轴机械臂；

所述电磁定位针为一次性同轴穿刺针；

电磁导航穿刺机器人定位方法包括以下步骤：

步骤S1：获取患者的DICOM影像，所述DICOM影像包含至少三个定位探头预设点位，根据DICOM影像建立患者空间坐标系；

步骤S2：将定位探头安装在预设点位处，利用电磁定位装置读取定位探头中电磁传感器的位置信息，并与患者空间坐标系中定位探头预设点位的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵T¹，实现患者空间坐标系与磁场坐标系融合；

步骤S3：控制机械臂随机移动至少三个位置点，利用电磁定位装置获取末端工具的电磁传感器的位置信息，并与获取的末端工具电磁传感器在机械臂坐标系的位置信息进行配准运算，得到线性变换矩阵T²，实现机械臂坐标系和磁场坐标系融合；

步骤S4：根据DICOM图像生成推荐穿刺路径，包括入针点A及目标点B,依据规划的穿刺路径，确定电磁定位针的第一阶段目标位姿信息以及第二阶段目标位姿信息，所述目标位姿信息包括：电磁定位针的针尖位置和电磁定位针穿刺轴向的方向信息；其中，第一阶段目标位姿：电磁定位针轴向在BA方向上，电磁定位针针尖在沿BA方向上的，靠近A点的安全位置；第二阶段目标位姿：电磁定位针轴向沿BA方向，电磁定位针针尖位于A点处；获取电磁定位针从初始位姿移动到第一阶段目标位姿的可行路径，并控制机械臂沿计算的可行路径运动到目标位姿；

步骤S5：获取电磁定位针在磁场坐标系中的实际位姿信息，转化成机械臂坐标系下的实际位姿信息与目标位姿信息进行比较，如超出预设误差范围时，对电磁定位针的位姿进行校正；

其中，所述穿刺路径根据深度图像拍摄装置获取的障碍区域计算所得，所述障碍区域为对机械臂自身、末端工具以及夹持的电磁穿刺针产生干扰的区域，所述障碍区域通过深度图像拍摄装置转换至机械臂坐标系中。

2.根据权利要求1所述的电磁导航穿刺机器人定位方法，其特征在于：所述步骤S1包括：在患者病灶附近皮肤上贴上至少三个的定位贴片，并作为定位探头预设点位，使用CT机扫描患者得到DICOM影像，识别DICOM影像中定位贴片的位置信息，对所述DICOM影像进行脏器分割，并进行3D重建，得到包含定位贴片位置信息的患者空间坐标系。

3.根据权利要求1所述的电磁导航穿刺机器人定位方法，其特征在于：所述步骤S3包括：末端工具上电磁传感器相较于机械臂末端的位置为已知，控制机械臂移动至少三个位置点，记录末端工具的电磁传感器的位置信息、机械臂末端位姿信息利用磁场坐标系和机械臂坐标系下传感器的位置点进行配准，完成机械臂坐标系与磁场坐标系的融合，基于线性变换矩阵T¹和线性变换矩阵T²将患者空间坐标系与机械臂坐标系融合；三个所述位置点不共线，且任意两点之间不同距。

4.根据权利要求1所述的电磁导航穿刺机器人定位方法，其特征在于：所述步骤S5包括以下子步骤：

步骤S5.1：获取电磁定位针在机械臂坐标系下第一阶段实际位姿信息；计算第一阶段实际位姿信息与第一阶段目标位姿信息是否存在偏差；当超出预设误差范围时进行位姿校正，当未超出预设误差范围时，则控制机械臂运动到第二阶段目标位姿；

步骤S5.2：获取电磁定位针在机械臂坐标系下第二阶段实际位姿信息；计算第二阶段实际位姿信息与第二阶段目标位姿信息是否存在偏差；当超出预设误差范围时进行位姿校正。