CN117598784A - 一种手术机器人导航定位方法、装置及机器人系统 - Google Patents

一种手术机器人导航定位方法、装置及机器人系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种手术机器人导航定位方法、装置及机器人系统，其方法包括以下步骤：1)获得机械臂坐标系和定位标识坐标系间的第一转换关系；2)采集获得目标对象和定位标识的二维图像；3)识别图像中定位标识物特征并匹配其在定位标识坐标系中的位置；4)获得图像坐标系与定位标识坐标系间的第二转换关系；5)根据规划的目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位；本发明实现了在整个手术过程中无需进行配准操作，直接使用原有操作的器械进行手术，从而实现提高手术效率、减少术者的学习时间，解决了当前导航定位手术机器人在手术过程中，图像配准操作会增加术操作复杂度和手术时间、定制的带识别标识的手术器械会提高患者的手术费用等问题。

Description

一种手术机器人导航定位方法、装置及机器人系统
[技术领域]
本发明涉及医疗器械技术领域，具体地说是一种手术机器人导航定位方法、装置及机器人系统。
[背景技术]
目前，适用于神经外科手术、骨科手术、穿刺手术等术式的导航定位手术机器人因其提高手术精准度的优势在临床应用中不断扩大，临床应用的导航定位系统主要包括光学导航定位系统或者电磁导航定位系统。光学导航定位通过采集光学信号，来获得各位置的空间位置数据，并将其反馈到导航系统中对导航图像进行校准，从而完成导航；电磁导航定位通过发射的磁场获得各个目标点的位置实时数据，经过处理将各部分空间位置显示与导航影像中。
两种手术机器人在术前均需要在患者体表粘贴或安装标记物，术中利用标记物进行图像配准操作，手术器械也需要是定制的带有识别标识或者传感器的器械，相较于传统手术不仅提高了手术操作的复杂度和增加了手术时间，定制耗材也大大提高了患者的手术费用。另外，光学导航定位要求在摄像头可视范围内且不能遮挡，该方法操作空间受到限制；电磁磁导航传感器精度易受周围环境的影响，该方法使用环境受到限制。
[发明内容]
本发明的目的就是要解决上述的不足而提供一种手术机器人导航定位方法，实现了在整个手术过程中无需进行配准操作，直接使用原有操作的器械进行手术，从而实现提高手术效率、减少术者的学习时间。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种手术机器人导航定位方法，包括以下步骤：
1)获得机械臂坐标系和定位标识坐标系间的第一转换关系；
2)采集获得目标对象和定位标识的二维图像；
3)识别图像中定位标识物特征并匹配其在定位标识坐标系中的位置；
4)获得图像坐标系与定位标识坐标系间的第二转换关系；
5)根据规划的目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
进一步地，步骤1)中，根据手术机器人的机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的空间位置关系，获得机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的第一转换关系，其中定位标识坐标系为定位标识的自身坐标系。
进一步地，步骤2)中，获取图像采集设备采集的一个系列二维图像，获得目标对象和定位标识的图像，其中，图像采集设备采集的视野范围包括目标对象以及目标对象区域内的定位标识，定位标识与目标对象的相对位置保持不变。
进一步地，步骤3)中，识别采集的二维图像中的定位标识，获得定位标识在图像坐标系中的位置信息和定位标识自身特征的参数信息，通过定位标识自身特征的参数信息匹配定位标识在定位标识坐标系中的位置信息。
进一步地，步骤4)中，根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和在定位标识坐标系中的位置信息，计算图像坐标系和定位标识坐标系之间的第二转换关系，定位标识自身特征为定位标识上固有的位置识别特征。
进一步地，步骤5)中，手术机器人的机械臂末端安装手术器械固定器，获得在机械臂坐标系下手术器械固定器的初始位姿数据，手术器械固定器为用于手术过程中安装或定位手术器械的接口；根据第一转换关系和第二转换关系，将手术器械位姿数据转换为手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，其中手术器械位姿数据为在图像中规划的对目标对象使用的手术器械的位姿数据；根据手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
另一方面，本发明提供了一种手术机器人导航定位装置，包括：
图像获得模块，用于获得图像采集设备采集的一个系列的二维图像，并获得目标对象以及定位标识的位置信息，所述图像采集设备采集的视野范围包括目标对象以及目标对象区域内的定位标识；
第一计算模块，用于根据机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的空间位置关系计算出机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的第一转换关系，所述定位标识坐标系为定位标识的自身坐标系；
图像配准模块，用于根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和定位标识自身特征的参数信息，通过定位标识自身特征的参数信息获得定位标识在定位标识坐标系中的位置信息，根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和在定位标识坐标系中的位置信息，计算图像坐标系和定位标识坐标系之间的第二转换关系，定位标识自身特征为定位标识上固有的位置识别特征；
第二计算模块，用于根据第一转换关系和第二转换关系，将手术器械位姿数据转换为手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，其中手术器械位姿数据为在图像中规划的对目标对象使用的手术器械的位姿数据；
图像交互模块，用于向用户展示根据获得的图像，并用于用户规划对目标对象的手术器械的位姿；
导航定位模块，用于根据在机械臂坐标系下手术器械固定器的初始位姿数据和目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
第三方面，本发明提供了一种手术机器人导航定位系统，包括机械臂4、机架5、器械固定器6、带标识物的固定板3、图像采集设备1以及控制台7；
所述图像采集设备1，用于采集目标对象2和带标识物的固定板3的一系列二维图像，获得目标对象2和带标识物的固定板3中定位标识的图像，所述图像采集设备1采集的视野范围包括目标对象2以及区域内带标识物的固定板3中的定位标识；所述带标识物的固定板3安装于图像采集设备1的患者支撑平台8上，所述目标对象2在手术过程中以固定体位躺卧于带标识物的固定板3上；
所述机械臂4安装在机架5上，所述机架5安装于带标识物的固定板3上，所述器械固定器6安装于机械臂4末端，所述机械臂4和机架5的组合运动实现器械固定器6的定位，从而用于手术器械的定位；
所述控制台7，用于根据上述方法步骤，根据医生在操作界面上规划的手术路径控制带有机械臂4的机架5进行手术器械的导航定位。
本发明还提供了一种手术机器人导航定位系统，包括机械臂4、器械固定器6、带标识物的固定板3、图像采集设备1以及控制台7；
所述图像采集设备1，用于采集目标对象2和带标识物的固定板3的一系列二维图像，获得目标对象2和带标识物的固定板3中定位标识的图像，所述图像采集设备1采集的视野范围包括目标对象2以及区域内带标识物的固定板3中的定位标识；所述带标识物的固定板3安装于图像采集设备1的患者支撑平台8上，所述目标对象2在手术过程中以固定体位躺卧于带标识物的固定板3上；
所述机械臂4安装在控制台7上，所述器械固定器6安装于机械臂4末端，所述机械臂4和机架5的组合运动实现器械固定器6的定位，从而用于手术器械的定位；
所述控制台7，用于根据上述方法步骤，根据医生在操作界面上规划的手术路径控制带有机械臂4的机架5进行手术器械的导航定位。
本发明同现有技术相比，具有如下优点：
(1)本发明实现了手术机器人在术中的导航定位，通过标识物与目标对象一体成像，自动识别定位标志并进行坐标匹配，医生只需规划手术路径，手术机器人就能自主完成手术器械固定器的导航与定位，医生便可开展手术操作；
(2)本发明大大提高了手术机器人辅助手术定位操作的便捷性、舒适性、准确性和安全性，缩短了手术时间，所提供的手术机器人导航定位系统操作方便、易学，易于实施与推广；
(3)本发明解决了当前导航定位手术机器人在手术过程中，图像配准操作会增加术操作复杂度和手术时间、定制的带识别标识的手术器械会提高患者的手术费用，导航定位设备对于使用场景和环境也有一定的要求，以及配准操作需要操作新的设备，改变了原有的手术工作流，增加了术者的学习时间等问题；
(4)本发明实现了在整个手术过程中无需进行配准操作，直接使用原有操作的器械进行手术，从而实现提高手术效率、减少术者的学习时间。
[附图说明]
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明系统的结构示意图一；
图3是图2所述系统图像采集示意图；
图4是图2所述系统手术机器人导航定位示意图；
图5是本发明系统的结构示意图二；
图中：1、图像采集设备 2、目标对象 3、带标识物的固定板 4、机械臂 5、机架 6、器械固定器 7、控制台 8、患者支撑平台。
[具体实施方式]
针对当前导航定位手术机器人在手术过程中，图像配准操作会增加术操作复杂度和手术时间、定制的带识别标识的手术器械会提高患者的手术费用，导航定位设备对于使用场景和环境也有一定的要求；另外，配准操作需要操作新的设备，改变了原有的手术工作流，增加了术者的学习时间。
本发明提出了一种手术机器人导航定位方法、装置及机器人系统，在整个手术过程中无需进行配准操作，直接使用原有操作的器械进行手术，从而实现提高手术效率、减少术者的学习时间。
下面结合附图和具体实施例对本发明作以下进一步说明：
第一方面，本发明提供了一种手术机器人导航定位方法，如附图1所示，包括以下步骤：
1)获得机械臂坐标系和定位标识坐标系间的第一转换关系；
2)采集获得目标对象和定位标识的二维图像；
3)识别图像中定位标识物特征并匹配其在定位标识坐标系中的位置；
4)获得图像坐标系与定位标识坐标系间的第二转换关系；
5)根据规划的目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
作为进一步的实施例，本发明手术机器人导航定位方法，具体步骤如下：
(1)根据手术机器人的机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的空间位置关系，获得机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的第一转换关系，定位标识坐标系为：定位标识的自身坐标系；
(2)获取图像采集设备采集的一个系列二维图像，获得目标对象和定位标识的图像，其中，图像采集设备采集的视野范围包括：目标对象以及目标对象区域内的定位标识，定位标识与目标对象的相对位置保持不变；
(3)识别采集的二维图像中的定位标识，获得定位标识在图像坐标系中的位置信息和定位标识自身特征的参数信息，通过定位标识自身特征的参数信息匹配定位标识在定位标识坐标系中的位置信息，根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和在定位标识坐标系中的位置信息，计算图像坐标系和定位标识坐标系之间的第二转换关系，定位标识自身特征是定位标识上固有的位置识别特征；
(4)手术机器人的机械臂末端安装手术器械固定器，获得在机械臂坐标系下手术器械固定器的初始位姿数据，手术器械固定器为用于手术过程中安装或定位手术器械的接口；
(5)根据第一转换关系和第二转换关系，将手术器械位姿数据转换为手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，其中手术器械位姿数据为：在图像中规划的对目标对象使用的手术器械的位姿数据；
(6)根据手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
第二方面，本发明实施例提供了一种手术机器人导航定位装置，包括：
图像获得模块，用于获得图像采集设备采集的一个系列的二维图像，并获得目标对象以及定位标识的位置信息，图像采集设备采集的视野范围内包括：目标对象以及目标对象区域内的定位标识；
第一计算模块，用于根据机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的空间位置关系计算出机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的第一转换关系，定位标识坐标系为：定位标识的自身坐标系；
图像配准模块，用于根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和定位标识自身特征的参数信息，通过定位标识自身特征的参数信息获得定位标识在定位标识坐标系中的位置信息，根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和在定位标识坐标系中的位置信息，计算图像坐标系和定位标识坐标系之间的第二转换关系，定位标识自身特征是定位标识上固有的位置识别特征；
第二计算模块，用于根据第一转换关系和第二转换关系，将手术器械位姿数据转换为手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，其中手术器械位姿数据为：在图像中规划的对目标对象使用的手术器械的位姿数据；
图像交互模块，用于向用户展示根据获得的图像，并用于用户规划对目标对象的手术器械的位姿；
导航定位模块，用于根据在机械臂坐标系下手术器械固定器的初始位姿数据和目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
第三方面，本发明实施例提供了一种手术机器人导航定位系统(如附图2所示)，包括：机械臂4、机架5、器械固定器6、带标识物的固定板3、图像采集设备1以及控制台7，其中，
图像采集设备，用于采集目标对象2和带标识物的固定板的一系列二维图像，获得目标对象和带标识物的固定板中定位标识的图像；图像采集设备采集的视野范围包括：目标对象以及区域内带标识物的固定板中的定位标识，带标识物的固定板安装于图像采集设备的患者支撑平台8上，目标对象手术过程中以固定体位躺卧于带标识物的固定板上；
机械臂安装在机架上，机架安装于带标识物的固定板上，器械固定器安装于机械臂末端，通过机械臂和机架的组合运动实现器械固定器的定位，从而用于手术器械的定位；
控制台，用于根据上述第一方面方法步骤，根据医生在操作界面上规划的手术路径控制带有机械臂的机架进行手术器械的导航定位；
本发明实施例还提供了另一种手术机器人导航定位系统(如附图5所示)，包括：机械臂4、器械固定器6、带标识物的固定板3、图像采集设备1以及控制台7，其中，
图像采集设备，用于采集目标对象2和带标识物的固定板的一系列二维图像，获得目标对象和带标识物的固定板中定位标识的图像；图像采集设备采集的视野范围包括：目标对象以及区域内带标识物的固定板中的定位标识，带标识物的固定板安装于图像采集设备的患者支撑平台8上，目标对象手术过程中以固定体位躺卧于带标识物的固定板上；
机械臂安装在控制台上，器械固定器安装于机械臂末端，通过机械臂和机架的组合运动实现器械固定器的定位，从而用于手术器械的定位；
控制台，用于根据上述第一方面方法步骤，根据医生在操作界面上规划的手术路径控制带有机械臂的机架进行手术器械的导航定位。
综上，本发明实现了手术机器人在术中的导航定位，通过标识物与目标对象一体成像，自动识别定位标志并进行坐标匹配，医生只需规划手术路径，手术机器人就能自主完成手术器械固定器的导航与定位，医生便可开展手术操作，大大提高了手术机器人辅助手术定位操作的便捷性、舒适性、准确性和安全性，缩短了手术时间。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，其使用到的标准零件均可以从市场上购买，异形件根据说明书和附图的记载均可以进行订制，各个零件的具体连接方式均采用现有技术中成熟的螺栓、铆钉、焊接等常规手段，机械、零件和设备均采用现有技术中常规的型号，电路连接采用现有技术中常规的连接方式，在此不再详述。
本发明并不受上述实施方式的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种手术机器人导航定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获得机械臂坐标系和定位标识坐标系间的第一转换关系；
2)采集获得目标对象和定位标识的二维图像；
3)识别图像中定位标识物特征并匹配其在定位标识坐标系中的位置；
4)获得图像坐标系与定位标识坐标系间的第二转换关系；
5)根据规划的目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，根据手术机器人的机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的空间位置关系，获得机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的第一转换关系，其中定位标识坐标系为定位标识的自身坐标系。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)中，获取图像采集设备采集的一个系列二维图像，获得目标对象和定位标识的图像，其中，图像采集设备采集的视野范围包括目标对象以及目标对象区域内的定位标识，定位标识与目标对象的相对位置保持不变。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3)中，识别采集的二维图像中的定位标识，获得定位标识在图像坐标系中的位置信息和定位标识自身特征的参数信息，通过定位标识自身特征的参数信息匹配定位标识在定位标识坐标系中的位置信息。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤4)中，根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和在定位标识坐标系中的位置信息，计算图像坐标系和定位标识坐标系之间的第二转换关系，定位标识自身特征为定位标识上固有的位置识别特征。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤5)中，手术机器人的机械臂末端安装手术器械固定器，获得在机械臂坐标系下手术器械固定器的初始位姿数据，手术器械固定器为用于手术过程中安装或定位手术器械的接口；根据第一转换关系和第二转换关系，将手术器械位姿数据转换为手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，其中手术器械位姿数据为在图像中规划的对目标对象使用的手术器械的位姿数据；根据手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
7.一种手术机器人导航定位装置，其特征在于，包括：
图像获得模块，用于获得图像采集设备采集的一个系列的二维图像，并获得目标对象以及定位标识的位置信息，所述图像采集设备采集的视野范围包括目标对象以及目标对象区域内的定位标识；
第一计算模块，用于根据机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的空间位置关系计算出机械臂坐标系和定位标识坐标系之间的第一转换关系，所述定位标识坐标系为定位标识的自身坐标系；
图像配准模块，用于根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和定位标识自身特征的参数信息，通过定位标识自身特征的参数信息获得定位标识在定位标识坐标系中的位置信息，根据定位标识在图像坐标系中的位置信息和在定位标识坐标系中的位置信息，计算图像坐标系和定位标识坐标系之间的第二转换关系，定位标识自身特征为定位标识上固有的位置识别特征；
第二计算模块，用于根据第一转换关系和第二转换关系，将手术器械位姿数据转换为手术器械固定器在机械臂坐标系下的目标位姿数据，其中手术器械位姿数据为在图像中规划的对目标对象使用的手术器械的位姿数据；
图像交互模块，用于向用户展示根据获得的图像，并用于用户规划对目标对象的手术器械的位姿；
导航定位模块，用于根据在机械臂坐标系下手术器械固定器的初始位姿数据和目标位姿数据，对手术机器人进行导航定位。
8.一种如权利要求1至6中任一项所述方法用机器人系统，其特征在于：
包括机械臂(4)、机架(5)、器械固定器(6)、带标识物的固定板(3)、图像采集设备(1)以及控制台(7)；
所述图像采集设备(1)，用于采集目标对象(2)和带标识物的固定板(3)的一系列二维图像，获得目标对象(2)和带标识物的固定板(3)中定位标识的图像，所述图像采集设备(1)采集的视野范围包括目标对象(2)以及区域内带标识物的固定板(3)中的定位标识；所述带标识物的固定板(3)安装于图像采集设备(1)的患者支撑平台(8)上，所述目标对象(2)在手术过程中以固定体位躺卧于带标识物的固定板(3)上；
所述机械臂(4)安装在机架(5)上，所述机架(5)安装于带标识物的固定板(3)上，所述器械固定器(6)安装于机械臂(4)末端，所述机械臂(4)和机架(5)的组合运动实现器械固定器(6)的定位，从而用于手术器械的定位；
所述控制台(7)，用于根据上述方法步骤，根据医生在操作界面上规划的手术路径控制带有机械臂(4)的机架(5)进行手术器械的导航定位。
9.一种如权利要求1至6中任一项所述方法用机器人系统，其特征在于：
包括机械臂(4)、器械固定器(6)、带标识物的固定板(3)、图像采集设备(1)以及控制台(7)；
所述图像采集设备(1)，用于采集目标对象(2)和带标识物的固定板(3)的一系列二维图像，获得目标对象(2)和带标识物的固定板(3)中定位标识的图像，所述图像采集设备(1)采集的视野范围包括目标对象(2)以及区域内带标识物的固定板(3)中的定位标识；所述带标识物的固定板(3)安装于图像采集设备(1)的患者支撑平台(8)上，所述目标对象(2)在手术过程中以固定体位躺卧于带标识物的固定板(3)上；
所述机械臂(4)安装在控制台(7)上，所述器械固定器(6)安装于机械臂(4)末端，所述机械臂(4)和机架(5)的组合运动实现器械固定器(6)的定位，从而用于手术器械的定位；
所述控制台(7)，用于根据上述方法步骤，根据医生在操作界面上规划的手术路径控制带有机械臂(4)的机架(5)进行手术器械的导航定位。
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