CN117224233B - 一种一体化透视ct及介入手术机器人系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种一体化透视CT及介入机器人系统及其使用方法，包括CT扫描仪、安装于CT扫描仪上的床板、可拆卸地设于所述床板上的多轴穿刺机器人及操作系统，所述床板的两侧等间距地设有若干可被CT扫描仪清晰扫描到的扫描参考点，所述多轴穿刺机器人的穿刺组件上设有可被CT扫描仪清晰扫描到的穿刺定位结构，所述穿刺组件的材质为不影响CT扫描仪影像质量稳定的低密度材料。本发明提供的一体化透视CT及介入手术机器人系统及其使用方法使得医生可以在CT扫描室的控制室内远程实时通过CT扫描观察患者及腹内肿瘤的位置情况，无需患者频繁进入CT扫描仪，并因此避免患者在扫描间隙因呼吸或移动导致拟穿刺部位偏移，提高穿刺手术成功率。
Description
技术领域
本发明属CT扫描介入手术机器人技术领域，特别是涉及一种一体化透视CT及介入手术机器人系统及其使用方法。
背景技术
随着微创手术的不断兴起，手术导航系统也伴随该术不断发展。手术导航系统(Image Guided Surgery，IGS)是指以CT、MRI等医学影像数据为基础，医生在术前利用医学影像设备和计算机图形学的方法，对患者多模式的图像数据进行三维重建和可视化处理，获得三维模型，制定合理、定量的手术计划，开展术前模拟；在术中通过注册操作，把三维模型与患者的实际体位、空间中手术器械的实时位置统一在一个坐标系下，利用三维定位系统，对手术器械在空间中的位置实时采集并显示，医生通过观察三维模型中手术器械与病变部位的相对位置关系，对病人进行导航手术治疗。
传统CT引导下的穿刺手术，医生不借助辅助器械纯靠医生经验进行穿刺手术，流程是（1）先穿刺术前CT扫描；（2）再根据CT影像确认位置与路径；（3）再靠医生经验穿刺进针（盲穿）；（4）再进行CT扫描一次看图像穿刺针与病灶组织距离差多少；（5）再回到前面的步骤确认位置与路径医生进行穿刺进针再CT扫描对比重复234步骤往复直至穿刺针穿到病灶组织完成穿刺手术。这过程中调整次数多，一般需要30~45分钟。
为了节省手术时间、减少CT扫描次数需要实现无需医生亲自操刀的设备全自动穿刺，因此需要克服以下困难：常规的机械臂难以随患者进入狭小的CT扫描仪空间中，且机械臂的金属部件会在CT影像中产生伪影严重影响数据质量；如果要将患者从CT扫描仪中拉出后再行穿刺会导致扫描次数增多，且由于患者移位需要退针重新穿刺；系统难以将CT扫描得到的影响与手术导航系统中的三维模型自动配准，需要反复扫描进行位置确认。此外，常规的机械臂通常设于患者一侧，难以对对侧的患处进行穿刺，灵活度较低，穿刺范围较小，多个病灶需要转移设备并重新规划手术路径，导致手术时间的延长。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种一体化透视CT及介入手术机器人系统及其使用方法，实现设备全自动穿刺手术。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种一体化透视CT及介入机器人系统，包括CT扫描仪，还包括安装于CT扫描仪上的床板、可拆卸地设于所述床板上的多轴穿刺机器人及操作系统，所述床板的两侧等间距地设有若干可被CT扫描仪清晰扫描到的扫描参考点，所述多轴穿刺机器人的下部设有用于容纳患者躯体的空腔，上部设有通过多轴伺服运动机构控制可在所述床板上部移动的穿刺组件，所述穿刺组件上设有可被CT扫描仪清晰扫描到的穿刺定位结构，所述穿刺组件的材质为不影响CT扫描仪影像质量稳定的低密度材料。
优先地，所述床板的一侧设有与所述操作系统相连的图像显示及监视系统，所述图像显示及监视系统包括通过多轴伺服运动支架设置在所述床板一侧的光学摄像头。
优选地，所述多轴穿刺机器人通过设于CT扫描室一侧控制室内的操作系统远程控制，所述操作系统包括系统操作屏、机械臂操控杆及急停按钮，所述操作系统还包括用于控制所述CT扫描仪的鼠标、CT扫描确定键、CT移动床操控杆及CT床退出脚踏板。
为了解决以上问题，本发明还采用一种一体化透视CT及介入机器人系统的使用方法，包括以下步骤：
S1、在CT扫描仪的床板两侧等间距设置若干可被CT扫描仪清晰扫描到的扫描参考点；
S2、对所述床板进行全行程扫描，确认CT扫描行程L与所述扫描参考点之间的关系；
S3、将患者拟穿刺部位与所述扫描参考点对应，并保证其在所述CT扫描行程L内；
S4、根据患部位置对应的扫描参考点位置设置后续CT扫描行程L1；
S5、将多轴穿刺机器人固定在所述床板上，所述多轴穿刺机器人的穿刺范围与所述后续CT扫描行程L1对应；
S6、在所述后续CT扫描行程L1内同时扫描所述床板及多轴穿刺机器人的穿刺组件，利用参考点自适应识别算法分别识别床板参考点C及穿刺组件上设置的穿刺定位结构参考点R，通过参考点的坐标位置信息得出CT扫描仪的坐标系与多轴穿刺机器人坐标系变换矩阵P，其中C=PR；
S7、利用CT扫描仪与多轴穿刺机器人的坐标匹配关系建立三维相对位置坐标模型；
S8、控制所述穿刺组件移动至拟穿刺部位上方，再次运行CT扫描仪扫描所述后续CT扫描行程L1内的数据图像，检验确认操作位置及实际位置误差；
S9、利用所述后续CT扫描行程L1中扫描得到的CT影像识别拟穿刺部位及所述穿刺组件的针尖位置；
S10、设置穿刺深度及穿刺靶点位置，通过路径自适应算法自动生成最佳穿刺路径；
S11、启动多轴穿刺机器人根据所述最佳穿刺路径自动穿刺。
优选地，所述S10中的路径自适应算法，包括以下步骤：
S10.1、将穿刺针移动至穿刺靶点正上方位置，设置正上方位置至靶点的直线连线为初始穿刺路径；
S10.2、根据CT扫描影像判断所述初始穿刺路径是否含有高密度部位；
S10.3、若初始穿刺路径上没有高密度部位则所述初始穿刺路径为最佳穿刺路径，若初始穿刺路径上有高密度部位则水平移动穿刺针位置并重新生成穿刺针至靶点的直线连线重新作为初始穿刺路径；
S10.4、重复S10.2及S10.3，直至确定最佳穿刺路径。
优先地，本发明还包括穿刺组件位置调整方法，所述穿刺组件位置调整方法包括以下步骤：
S12.1、在所述最佳穿刺路径上设置若干断点位置，当穿刺组件的穿刺针针尖在三维模型中移动到断点及靶点位置时启动CT扫描仪在所述后续CT扫描行程L1中扫描；
S12.2、通过S6中求得的变换矩阵P及S12.1中扫描中得到的扫描参考点C，计算得出此时穿刺定位结构的理论位置K0，并将其与利用CT扫描影像扫描到的穿刺定位结构实际位置K1进行误差计算，记运行误差为Δz ，其中Δz=K0-K1；
S12.3、多轴穿刺机器人根据S12.2中求得的运行误差Δz进行自适应姿态调节，所述自适应姿态调节指如果运行误差Δz 大于预设阈值Zmax，则再次运行S12.2；完成一次所述自适应姿态调节后再次利用CT扫描仪扫描数据，确认穿刺定位结构是否达到理论位置，直至确认运行误差Δz小于预设阈值Zmax时，判断多轴穿刺机器人达到理论位置并继续运行下一个断点；
S12.4、对S12.1中剩余的断点位置及靶点位置重复进行S12.2及S12.3，直至靶点位置运行误差小于预设阈值Zmax。
有益效果
本发明提供的一体化透视CT及介入手术机器人系统及其使用方法使得医生可以在CT扫描室的控制室内远程实时通过CT扫描观察患者及腹内肿瘤的位置情况，无需患者频繁进入CT扫描仪，并因此避免患者在扫描间隙因呼吸或移动导致拟穿刺部队偏移，提高穿刺手术成功率。
本发明提供了专用于CT扫描内的手术机器人系统，使穿刺组件可以随患者一同进入CT扫描仪内，通过采用低密度材料避免在CT成像时产生伪影。
本发明提供了专用于CT扫描内的图像配准方法，通过设于床板上的扫描参考点及设于穿刺组件上的穿刺定位结构，系统可以自动识别并将多轴穿刺机器人的坐标系与CT扫描仪的坐标系配准，并在穿刺过程中使穿刺针避开CT扫描中得到的高密度部分如骨骼位置以计算出最佳穿刺路径，仅需根据CT扫描影像设置靶点位置即可实现自动穿刺。
附图说明
图1为一种一体化透视CT及介入手术机器人系统使用流程图。
图2为一种一体化透视CT及介入手术机器人系统平面图。
图3为图2中多轴穿刺机器人结构示意图。
图4为图2中操作系统结构示意图。
图5为图2中床板结构俯视示意图。
其中，1-垂直运动机构；2-纵向运动机构；3-横向运动机构；4-旋转运动机构；5-角度调节机构；6-穿刺组件；7-系统操作屏；8-机械臂操控杆；9-急停按钮；10-鼠标；11-CT移动床操控杆；12-CT床退出脚踏板；13-扫描参考点；14-穿刺定位结构；15-多轴穿刺机器人；16-床板；17-CT扫描仪；18-图像显示及监视系统；19-CT扫描室；20-控制室。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
如图1所示，本发明提供了一种一体化透视CT及介入机器人系统的使用方法，包括以下步骤：
S1、在CT扫描仪的床板两侧等间距设置若干可被CT扫描仪清晰扫描到的扫描参考点；
S2、对所述床板进行全行程扫描，确认CT扫描行程L与所述扫描参考点之间的关系；
S3、将患者拟穿刺部位与所述扫描参考点对应，并保证其在所述CT扫描行程L内；
S4、根据患部位置对应的扫描参考点位置设置后续CT扫描行程L1；
S5、将多轴穿刺机器人固定在所述床板上，所述多轴穿刺机器人的穿刺范围与所述后续CT扫描行程L1对应；
S6、在所述后续CT扫描行程L1内同时扫描所述床板及多轴穿刺机器人的穿刺组件，利用参考点自适应识别算法分别识别床板参考点C及穿刺组件上设置的穿刺定位结构参考点R，通过参考点的坐标位置信息得出CT扫描仪的坐标系与多轴穿刺机器人坐标系变换矩阵P，其中C=PR；
S7、利用CT扫描仪与多轴穿刺机器人的坐标匹配关系建立三维相对位置坐标模型并显示在操作系统的系统操作屏上；
S8、控制所述穿刺组件移动至拟穿刺部位上方，再次运行CT扫描仪扫描所述后续CT扫描行程L1内的数据图像，检验确认操作位置及实际位置误差；
S9、利用所述后续CT扫描行程L1中扫描得到的CT影像识别拟穿刺部位及所述穿刺组件的针尖位置；
S10、设置穿刺深度及穿刺靶点位置，通过路径自适应算法自动生成最佳穿刺路径；
S11、启动多轴穿刺机器人根据所述最佳穿刺路径自动穿刺。
在一种具体实施例中，所述S10中的路径自适应算法，包括以下步骤：
S10.1、将穿刺针移动至穿刺靶点正上方位置，设置正上方位置至靶点的直线连线为初始穿刺路径；
S10.2、根据CT扫描影像判断所述初始穿刺路径是否含有高密度部位；
S10.3、若初始穿刺路径上没有高密度部位则所述初始穿刺路径为最佳穿刺路径，若初始穿刺路径上有高密度部位则水平移动穿刺针位置并重新生成穿刺针至靶点的直线连线重新作为初始穿刺路径；
S10.4、重复S10.2及S10.3，直至确定最佳穿刺路径。
当完成最佳穿刺路径的规划后，本发明还包括一种穿刺组件位置调整方法，用于在术前验证并调整穿刺组件在使用时的位置，所述穿刺组件位置调整方法包括以下步骤：
S12.1、在所述最佳穿刺路径上设置若干断点位置，当穿刺组件的穿刺针针尖在三维模型中移动到断点及靶点位置时启动CT扫描仪在所述后续CT扫描行程L1中扫描；
S12.2、通过S6中求得的变换矩阵P及S12.1中扫描中得到的扫描参考点C，计算得出此时穿刺定位结构的理论位置K0，并将其与利用CT扫描影像扫描到的穿刺定位结构实际位置K1进行误差计算，记运行误差为Δz ，其中Δz=K0-K1；
S12.3、多轴穿刺机器人根据S12.2中求得的运行误差Δz进行自适应姿态调节，所述自适应姿态调节指如果运行误差Δz 大于预设阈值Zmax，则再次运行S12.2；完成一次所述自适应姿态调节后再次利用CT扫描仪扫描数据，确认穿刺定位结构是否达到理论位置，直至确认运行误差Δz小于预设阈值Zmax时，判断多轴穿刺机器人达到理论位置并继续运行下一个断点，其中如果穿刺针进入患者体内后发现位置出现偏差或需要调整穿刺路径，为避免伤害患者可先将穿刺针退出人体，再重复以上流程；
S12.4、对S12.1中剩余的断点位置及靶点位置重复进行S12.2及S12.3，直至靶点位置运行误差小于预设阈值Zmax。
其中，所述预设阈值Zmax根据所需精度设置，通常为0.1~0.5mm。
如图2、5所示，本发明提供了一种可使用上述方法的一体化透视CT及介入机器人系统，包括CT扫描仪、安装于CT扫描仪上的床板、可拆卸地设于所述床板上的多轴穿刺机器人及操作系统，所述床板的两侧等间距地设有若干可被CT扫描仪清晰扫描到的扫描参考点，所述多轴穿刺机器人的下部设有用于容纳患者躯体的空腔，上部设有通过多轴伺服运动机构控制可在所述床板上部移动的穿刺组件，所述穿刺组件上设有可被CT扫描仪清晰扫描到的穿刺定位结构，所述穿刺组件的材质为不影响CT扫描仪影像质量稳定的低密度材料。
在一种具体实施例中，如图3所示，所述多轴伺服运动机构包括三轴运动机构，所述三轴运动机构的端部设有可伸出所述外框架外的旋转运动机构，所述旋转运动机构的旋转轴末端设有带角度调节机构的穿刺组件。所述三轴运动机构包括设于所述多轴穿刺机器人上部的垂直运动机构，所述垂直运动机构上设有可沿患者身高方向运动的纵向运动机构，所述纵向运动机构上设有横向运动机构，所述横向运动机构的末端与所述旋转运动机构相连。在一种具体实施例中，所述垂直运动机构通过伺服电机带动丝杆转动，使所述纵向运动机构在垂直方向移动；所述纵向运动机构为通过伺服电机带动丝杆转动，使所述横向运动机构在患者身高方向移动；所述横向运动机构为通过伺服电机带动丝杆转动，使所述旋转运动机构垂直于患者身高方向移动。在其他实施例中，所述三轴运动机构可换成连杆、同步带、链条等其他传动形式。所述角度调节机构用于调节所述穿刺组件的俯仰角，所述穿刺组件的端部可夹持穿刺针、夹具或刀具中的任意一种，通过设置不同的程序可适用于不同类型的CT扫描下手术，在本实施例中为穿刺针。
在一种具体实施例中，如图5所示，所述穿刺定位结构包括设于所述穿刺组件上的若干阵列布置的定位球，所述定位球的材质可被CT扫描仪清晰扫描到，通过CT扫描得到定位球形成的坐标系作为多轴穿刺机器人的坐标系。所述扫描参考点采用与所述穿刺定位结构同材质的定位球。
在一种具体实施例中，如图4所示，所述多轴穿刺机器人通过设于CT扫描室一侧控制室内的操作系统远程无线控制，所述操作系统包括系统操作屏、机械臂操控杆及急停按钮，所述操作系统还包括用于控制所述CT扫描仪的鼠标、CT扫描确定键、CT移动床操控杆及设于底部的CT床退出脚踏板。
在一种具体实施例中，所述床板为碳纤维床板，所述床板的一侧设有与所述操作系统相连的图像显示及监视系统，所述图像显示及监视系统包括通过多轴伺服运动支架设置在所述床板一侧的光学摄像头。所述图像显示及监视系统用于实时监控患者实际情况，并将监视画面传输至控制系统的系统操作屏上，便于在手术出现异常时医生可以及时停止手术。
Claims (4)
1.一种一体化透视CT及介入机器人系统，包括CT扫描仪，其特征在于，还包括安装于CT扫描仪上的床板、可拆卸地设于所述床板上的多轴穿刺机器人及操作系统，
所述床板的两侧等间距地设有若干可被CT扫描仪清晰扫描到的扫描参考点，
所述多轴穿刺机器人的下部设有用于容纳患者躯体的空腔，上部设有通过多轴伺服运动机构控制可在所述床板上部移动的穿刺组件，所述穿刺组件上设有可被CT扫描仪清晰扫描到的穿刺定位结构，所述穿刺组件的材质为不影响CT扫描仪影像质量稳定的低密度材料，该一体化透视CT及介入机器人系统的使用方法包括以下步骤：
S1、在CT扫描仪的床板两侧等间距设置若干可被CT扫描仪清晰扫描到的扫描参考点；
S2、对所述床板进行全行程扫描，确认CT扫描行程L与所述扫描参考点之间的关系；
S3、将患者拟穿刺部位与所述扫描参考点对应，并保证其在所述CT扫描行程L内；
S4、根据患部位置对应的扫描参考点位置设置后续CT扫描行程L1；
S5、将多轴穿刺机器人固定在所述床板上，所述多轴穿刺机器人的穿刺范围与所述后续CT扫描行程L1对应；
S6、在所述后续CT扫描行程L1内同时扫描所述床板及多轴穿刺机器人的穿刺组件，利用参考点自适应识别算法分别识别床板参考点C及穿刺组件上设置的穿刺定位结构参考点R，通过参考点的坐标位置信息得出CT扫描仪的坐标系与多轴穿刺机器人坐标系变换矩阵P，其中C=PR；
S7、利用CT扫描仪与多轴穿刺机器人的坐标匹配关系建立三维相对位置坐标模型；
S8、控制所述穿刺组件移动至拟穿刺部位上方，再次运行CT扫描仪扫描所述后续CT扫描行程L1内的数据图像，检验确认操作位置及实际位置误差；
S9、利用所述后续CT扫描行程L1中扫描得到的CT影像识别拟穿刺部位及所述穿刺组件的针尖位置；
S10、设置穿刺深度及穿刺靶点位置，通过路径自适应算法自动生成最佳穿刺路径；
S11、启动多轴穿刺机器人根据所述最佳穿刺路径自动穿刺，
其中，所述路径自适应算法包括以下步骤：
S10.1、将穿刺针移动至穿刺靶点正上方位置，设置正上方位置至靶点的直线连线为初始穿刺路径；
S10.2、根据CT扫描影像判断所述初始穿刺路径是否含有高密度部位；
S10.3、若初始穿刺路径上没有高密度部位则所述初始穿刺路径为最佳穿刺路径，若初始穿刺路径上有高密度部位则水平移动穿刺针位置并重新生成穿刺针至靶点的直线连线重新作为初始穿刺路径；
S10.4、重复S10.2及S10.3，直至确定最佳穿刺路径。
2.根据权利要求1所述的一种一体化透视CT及介入机器人系统，其特征在于，所述床板的一侧设有与所述操作系统相连的图像显示及监视系统，所述图像显示及监视系统包括通过多轴伺服运动支架设置在所述床板一侧的光学摄像头。
3.根据权利要求1所述的一种一体化透视CT及介入机器人系统，其特征在于，所述多轴穿刺机器人通过设于CT扫描室一侧控制室内的操作系统远程控制，所述操作系统包括系统操作屏、机械臂操控杆及急停按钮，所述操作系统还包括用于控制所述CT扫描仪的鼠标、CT扫描确定键、CT移动床操控杆及CT床退出脚踏板。
4.根据权利要求1所述的一种一体化透视CT及介入机器人系统，其特征在于，还包括穿刺组件位置调整方法，所述穿刺组件位置调整方法包括以下步骤：
S12.1、在所述最佳穿刺路径上设置若干断点位置，当穿刺组件的穿刺针针尖在三维模型中移动到断点及靶点位置时启动CT扫描仪在所述后续CT扫描行程L1中扫描；
S12.2、通过S6中求得的变换矩阵P及S12.1中扫描中得到的扫描参考点C，计算得出此时穿刺定位结构的理论位置K0，并将其与利用CT扫描影像扫描到的穿刺定位结构实际位置K1进行误差计算，记运行误差为Δz ，其中Δz=K0-K1；
S12.3、多轴穿刺机器人根据S12.2中求得的运行误差Δz进行自适应姿态调节，所述自适应姿态调节指如果运行误差Δz 大于预设阈值Zmax，则再次运行S12.2；完成一次所述自适应姿态调节后再次利用CT扫描仪扫描数据，确认穿刺定位结构是否达到理论位置，直至确认运行误差Δz小于预设阈值Zmax时，判断多轴穿刺机器人达到理论位置并继续运行下一个断点；
S12.4、对S12.1中剩余的断点位置及靶点位置重复进行S12.2及S12.3，直至靶点位置运行误差小于预设阈值Zmax。
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