CN117653291A - 一种平移式穿刺手术机器人系统及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种平移式穿刺手术机器人系统包括：操作台、电动直线滑台模组、延伸臂、双目光学定位相机、穿刺针定位套筒、PC机；两个电动直线滑台模组X、Y构成两自由度平移机构，延伸臂将穿刺针定位套筒延伸至操作台中央区域，双目光学定位相机对视场范围内的光学标记物进行跟踪和定位，对穿刺针定位套筒和模组X、Y的平移方向进行标定，PC机将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，医生规划目标靶点后，PC机根据目标靶点的坐标发送控制命令，控制模组X和模组Y移动，带动穿刺针定位套筒的中心轴线的延长线穿过目标靶点，最终建立起能到达目标靶点的路径通道。本发明通过对穿刺套筒的2D平移建立穿刺通道。

Description

一种平移式穿刺手术机器人系统及其定位方法

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，更为具体地讲，涉及一种平移式穿刺手术机器人系统及其定位方法。

背景技术

穿刺手术是常见的外科手术之一，它通常用于获取样本、引导导管或药物的深度注射等目的。穿刺手术定位是一种用于在手术中精确定位目标区域并引导穿刺的技术，这种系统可以用于多种医疗领域，如肿瘤治疗、神经外科手术、介入性心脏手术等。现代穿刺手术定位通常基于影像引导，如CT、MRI、超声等，这些系统可以实时显示解剖结构，帮助医生精确定位需要穿刺的区域，甚至能追踪穿刺器械的位置，帮助医生调整穿刺路径。

一场成功的手术不仅需要医生高超的技术水平，更离不开辅助设备的帮助。医学手术中常使用床旁固定支架或六关节机械臂进行穿刺手术辅助定位。固定支架需要医生手动调整不够精准，调整过程也浪费了宝贵的手术时间；而六关节机械臂存在机械结构复杂、安装部署困难、成本高、安全性难以保障以及空间限制等缺点，限制了其在医疗实践中的广泛应用。

为此，本发明设计了一种结构简单、可靠性高、成本低、安装部署便捷的两自由度平移式穿刺手术机器人系统。系统的电动执行机构结构简单，仅由两个电动直线滑台模组组成；系统的运动空间被限定在人体上方的平面内，具有较高的安全性；医护人员可以更快速地设置和操作机器人，为穿刺手术带来更高效和安全的体验。该种机器人系统促进穿刺手术机器人的自主化和产业化，为未来的手术机器人行业发展提供了新的方向和思路，具有广阔的市场潜力。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种平移式穿刺手术机器人系统及其定位方法，可以快速地设置和操作机器人，使其快速精确定位穿刺区域，并追踪穿刺器械的位置，实现定位导航。

为实现上述发明目的，本发明一种平移式穿刺手术机器人系统，其特征在于，包括：操作台、电动直线滑台模组、延伸臂、双目光学定位相机、穿刺针定位套筒、PC机；

所述操作台用于支撑患者，并根据需要调整体位；

所述电动直线滑台模组包括两组，记为模组X和模组Y；模组Y的基座固定在操作台的长边侧，模组Y的滑台可沿操作台的长边方向平移，平移方向定义为DY方向；模组X的基座可直接或通过“L”型连接件固定在模组Y的滑台上，模组X的滑台可沿操作台的短边方向平移，平移方向定义为DX方向；模组X和模组Y响应PC机的位置指令，从而带动穿刺针定位套筒实现两自由度的平移；

所述延伸臂为刚性连接机构，其一端固定在模组X的滑台上，另一端通过可锁止的万向球连接穿刺针定位套筒，从而通过延伸臂将穿刺针定位套筒延伸至操作台中央区域，同时还能通过万向球手动调整穿刺针定位套筒的姿态，以提供合适的入针角度；

所述双目光学定位相机为光学定位设备，通过刚性的支架固定在操作台的任意一角；双目光学定位相机在使用前经过标定，然后用于对视场范围内的光学标记物进行跟踪和定位；在双目光学定位相机上定义测量坐标系O1，则通过双目光学定位相机可实时获取光学标记物在O1下的三维坐标；

所述穿刺针定位套筒为中空的圆筒，筒身表面固定多个光学标记物；在穿刺针定位套筒上定义器械坐标系O2，记穿刺针定位套筒的两端圆环形截面中心点为Pa和Pb，两点的连线为穿刺针定位套筒的中心轴线，记为L_ab，穿刺针定位套筒在使用前先经过标定，从而得到筒身表面光学标记物在O2下的坐标，以及穿刺针定位套筒的中心轴线L_ab在O2下的坐标；

所述PC机加载患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，配准完成后，医生在医学图像上规划目标靶点；然后，PC机根据目标靶点的坐标发送控制命令，控制模组X和模组Y移动，带动穿刺针定位套筒使其中心轴线的延长线穿过目标靶点，从而建立起能到达目标靶点的路径通道。

本发明还提供一种平移式穿刺手术机器人系统精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、系统使用前，完成双目光学定位相机标定，记双目光学定位相机的测量坐标系为O1，记录相机的标定参数；完成穿刺针定位套筒的标定，记器械坐标系为O2，记录套筒筒身光学标记物、套筒两端圆环形截面中心点Pa和Pb在O2下的坐标；完成模组X和模组Y运动方向的标定，记录模组X、Y在O1下的运动方向向量DX、DY；

(2)、PC机导入患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，建立起医学图像坐标系到测量坐标系O1的变换关系；

(3)、医生在患者医学图像上规划目标靶点，根据步骤(2)建立的变换关系，计算目标靶点在O1下的三维坐标，记为P0；

(4)、通过调节延伸臂末端的万向球，手动调整并锁止穿刺针定位套筒的姿态；

(5)、利用光学定位相机获得筒身光学标记物在O1坐标系下的坐标，根据步骤(1)标定得到的光学标记物在O2下的坐标，计算O2到O1的变换矩阵，然后根据变换矩阵计算出套筒两端中心点Pa、Pb在O1坐标系下的坐标；

(6)、定义过P0点且与方向向量DX和DY平行的平面为控制规划平面，记为S；定义穿过Pa和Pb的直线(即穿刺针定位套筒的中心轴线)为L_ab；计算直线L_ab与平面S在O1坐标系下的交点坐标，记为P1；

(7)、将P1到P0的偏差向量ΔP＝P0-P1在DX和DY方向上进行分解，得到分解向量ΔX和ΔY，PC机根据计算结果驱动模组X沿DX方向移动ΔX，驱动模组Y沿DY方向移动ΔY；

(8)、重复步骤(5)～(7)，对定位套筒进行连续多次的平移，直到P1与P0之间的距离小于预设阈值或重复平移次数达到预设上限，完成对定位套筒的位置调整。

本发明的发明目的是这样实现的：

一种平移式穿刺手术机器人系统包括：操作台、电动直线滑台模组、延伸臂、双目光学定位相机、穿刺针定位套筒、PC机。两个电动直线滑台模组X、Y构成两自由度平移机构，延伸臂将穿刺针定位套筒延伸至操作台中央区域，双目光学定位相机对视场范围内的光学标记物进行跟踪和定位，对穿刺针定位套筒和模组X、Y的平移方向进行标定，PC机将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，医生规划目标靶点后，PC机根据目标靶点的坐标发送控制命令，控制模组X和模组Y移动，带动穿刺针定位套筒的中心轴线的延长线穿过目标靶点，最终建立起能到达目标靶点的路径通道。本发明通过对穿刺套筒的2D平移建立穿刺通道，相比已有的基于六关节机械臂的穿刺手术机器人，本机器人系统具有机电结构简单、安装部署方便、安全可靠以及成本低等优点。

同时，本发明一种平移式穿刺手术机器人系统及其定位方法还具有以下有益效果：

(1)、首先，本发明基于两平移自由度的设计，结构简单，部署方便，医护人员熟悉系统后可以轻松完成整套操作流程；其生产成本较低，提高了可用性和普及性；另外，本发明精简了手术过程，降低了其他手术设备的需求，减少其他不必要的经济支出。

(2)、由于模组X、Y与延伸臂的运动空间均限定在操作台上方靠边缘的空间范围内，并且系统的自由度受平移机构限制，减少了机器人与人体碰撞的可能，避免在手术过程中因误动或失控造成的意外损伤风险；另外，本发明与人体接触的机构较少、接触时间较短，排斥性较低，更易被人体接受。

(3)、本发明机器人系统的易用性非常高，PC端界面简洁明了，操作过程仅需要医生简单调整万向节、规划目标靶点，自动化操作大大减少手术时间，并提高整个手术团队的工作效率，使医生进行更多的手术操作，更好地为患者服务，进一步提高手术的安全性。

附图说明

图1是本发明一种平移式穿刺手术机器人系统采用直接连接法的示意图；

图2是本发明一种平移式穿刺手术机器人系统采用“L”型连接件的示意图；

图3是规划平面S的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

在本实施例中，一种平移式穿刺手术机器人系统，包括：操作台、电动直线滑台模组、延伸臂、双目光学定位相机、穿刺针定位套筒、PC机；

操作台用于支撑患者，并根据需要调整体位；

电动直线滑台模组包括两组，记为模组X和模组Y；模组Y的基座固定在操作台的长边侧，模组Y的滑台可沿操作台的长边方向平移，平移方向定义为DY方向；模组X的基座可直接或通过“L”型连接件固定在模组Y的滑台上，模组X的滑台可沿操作台的短边方向平移，平移方向定义为DX方向；模组X和模组Y响应PC机的位置指令，从而带动穿刺针定位套筒实现两自由度的平移；

在本实施例中，电机可采用开环控制的步进电机，PC机发送脉冲数，电机旋转对应角度；或采用闭环控制的伺服电机，PC机发送指定时长的脉冲，电机旋转对应角度，编码器向PC机返回旋转角度值。

在本实施例中，电动直线滑台模组包括电机及其驱动和控制模块、含轴承的丝杆座、丝杆、滑台、直线导轨框架及基座；其中，电机及其驱动和控制模块固定在基座的一侧，基座的电机侧和远电机侧安装有两个含轴承的丝杆座，丝杆穿过滑台安装在两个丝杆座上，通过轴承定位并受电机驱动转动，滑台上的导轨与直线导轨框架互相嵌合，限制滑台沿丝杆方向直线运动。

延伸臂为刚性连接机构，其一端固定在模组X的滑台上，另一端通过可锁止的万向球连接穿刺针定位套筒，从而通过延伸臂将穿刺针定位套筒延伸至操作台中央区域，同时还能通过万向球手动调整穿刺针定位套筒的姿态，以提供合适的入针角度；

双目光学定位相机为光学定位设备，通过刚性的支架固定在操作台的任意一角；双目光学定位相机在使用前经过标定，然后用于对视场范围内的光学标记物进行跟踪和定位；在双目光学定位相机上定义测量坐标系O1，则通过双目光学定位相机可实时获取光学标记物在O1下的三维坐标；

在本实施例中，光学定位相机标定可采用(但不限于)《A Flexible NewTechnique for Camera Calibration》(Zhengyou Zhang)提出的多相机标定方法；由于各相机之间刚性连接，相对位姿不变，相机标定是一次性的，可在产品出厂前完成标定。

穿刺针定位套筒为中空的圆筒，筒身表面固定多个光学标记物，光学标记物可以选用带红外感光涂层的标记球或可见光标记靶；在穿刺针定位套筒上定义器械坐标系O2，记穿刺针定位套筒的两端圆环形截面中心点为Pa和Pb，两点的连线为穿刺针定位套筒的中心轴线，记为L_ab，穿刺针定位套筒在使用前先经过标定，即得到光学标记物和Pa、Pb点在O2坐标系下的坐标；在本实例中，上述坐标可通过(但不限于)套筒的结构设计图纸获得；

所述PC机加载患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，配准完成后，医生在医学图像上规划目标靶点；然后，PC机根据目标靶点的坐标发送控制命令，控制模组X和模组Y移动，带动穿刺针定位套筒使其中心轴线的延长线穿过目标靶点，从而建立起能到达目标靶点的路径通道。在本实例中，具体配准技术可采用(但不限于)向华等在文献《手术导航三维空间配准技术研究》提出的配准技术。

下面我们对平移式穿刺手术机器人系统进行精确定位的过程进行详细描述，包括以下步骤：

(1)、系统使用前，完成双目光学定位相机标定，记双目光学定位相机的测量坐标系为O1，记录相机的标定参数；完成穿刺针定位套筒的标定，记器械坐标系为O2，记录套筒筒身光学标记物、套筒两端圆环形截面中心点Pa和Pb在O2下的坐标；完成模组X和模组Y运动方向的标定，记录模组X、Y在O1下的运动方向向量DX、DY；其中，O1坐标系下方向向量DX或DY的标定可采用(但不限于)以下方法实现：控制模组X沿DX方向运动，记录筒身光学标记物在O1坐标系下的运动轨迹，拟合出一条最能代表运动轨迹的直线，从而获得DX方向向量，同理控制模组Y沿DY方向运动，获得DY方向向量；需要注意的是，定位的准确性和精度会受到多种因素的影响，包括光学系统的精度、标定误差、光学标记小球的数量和分布等。因此，在实际应用中需要进行一定的误差分析和校正。

(2)、PC机导入患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，建立起医学图像坐标系到测量坐标系O1的变换关系；

(3)、医生在患者医学图像上规划目标靶点，根据步骤(2)建立的变换关系，计算目标靶点在O1下的三维坐标，记为P0；

(4)、通过调节延伸臂末端的万向球，手动调整并锁止穿刺针定位套筒的姿态；

(5)、利用光学定位相机获得筒身光学标记物在O1坐标系下的坐标，根据步骤(1)标定得到的光学标记物在O2下的坐标，计算O2到O1的变换矩阵，然后根据变换矩阵计算出套筒两端中心点Pa、Pb在O1坐标系下的坐标；

(6)、定义过P0点且与方向向量DX和DY平行的平面为控制规划平面，记为S；定义穿过Pa和Pb的直线(即穿刺针定位套筒的中心轴线)为L_ab；计算直线L_ab与平面S在O1坐标系下的交点坐标，记为P1；

(7)、将P1到P0的偏差向量ΔP＝P0-P1在DX和DY方向上进行分解，得到分解向量ΔX和ΔY，PC机根据计算结果驱动模组X沿DX方向移动ΔX，驱动模组Y沿DY方向移动ΔY；

(8)、重复步骤(5)～(7)，对定位套筒进行连续多次的平移，直到P1与P0之间的距离小于预设阈值或重复平移次数达到预设上限，完成对定位套筒的位置调整。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种平移式穿刺手术机器人系统，其特征在于，包括：操作台、电动直线滑台模组、延伸臂、双目光学定位相机、穿刺针定位套筒、PC机；

所述操作台用于支撑患者，并根据需要调整体位；

所述电动直线滑台模组包括两组，记为模组X和模组Y；模组Y的基座固定在操作台的长边侧，模组Y的滑台可沿操作台的长边方向平移，平移方向定义为DY方向；模组X的基座可直接或通过“L”型连接件固定在模组Y的滑台上，模组X的滑台可沿操作台的短边方向平移，平移方向定义为DX方向；模组X和模组Y响应PC机的位置指令，从而带动穿刺针定位套筒实现两自由度的平移；

所述延伸臂为刚性连接机构，其一端固定在模组X的滑台上，另一端通过可锁止的万向球连接穿刺针定位套筒，从而通过延伸臂将穿刺针定位套筒延伸至操作台中央区域，同时还能通过万向球手动调整穿刺针定位套筒的姿态，以提供合适的入针角度；

所述双目光学定位相机为光学定位设备，通过刚性的支架固定在操作台的任意一角；双目光学定位相机在使用前经过标定，然后用于对视场范围内的光学标记物进行跟踪和定位；在双目光学定位相机上定义测量坐标系O1，则通过双目光学定位相机可实时获取光学标记物在O1下的三维坐标；

所述穿刺针定位套筒为中空的圆筒，筒身表面固定多个光学标记物；在穿刺针定位套筒上定义器械坐标系O2，记穿刺针定位套筒的两端圆环形截面中心点为Pa和Pb，两点的连线为穿刺针定位套筒的中心轴线，记为L_ab，穿刺针定位套筒在使用前先经过标定，从而得到筒身表面光学标记物在O2下的坐标，以及穿刺针定位套筒的中心轴线L_ab在O2下的坐标；

所述PC机加载患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，配准完成后，医生在医学图像上规划目标靶点；然后，PC机根据目标靶点的坐标发送控制命令，控制模组X和模组Y移动，带动穿刺针定位套筒使其中心轴线的延长线穿过目标靶点，从而建立起能到达目标靶点的路径通道。

2.根据权利要求1所述的一种平移式穿刺手术机器人系统，其特征在于，其中，所述模组X的底座与模组Y的滑台直接连接时，模组X与模组Y距离较近，部署在操作台的同侧；所述模组X的底座与模组Y的滑台采用“L”型连接件连接时，模组X被延伸到操作台上方，不占用操作台长边侧空间。

3.根据权利要求1所述的一种平移式穿刺手术机器人系统，其特征在于，其中，所述穿刺针定位套筒的筒身表面至少固定4个光学标记物。

4.根据权利要求1所述的一种平移式穿刺手术机器人系统，其特征在于，其中，所述电动直线滑台模组包括电机及其驱动和控制模块、含轴承的丝杆座、丝杆、滑台、直线导轨框架及基座；

其中，电机及其驱动和控制模块固定在基座的一侧，基座的电机侧和远电机侧安装有两个含轴承的丝杆座，丝杆穿过滑台安装在两个丝杆座上，通过轴承定位并受电机驱动转动，滑台上的导轨与直线导轨框架互相嵌合，限制滑台沿丝杆方向直线运动。

5.一种平移式穿刺手术机器人系统精确定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、系统使用前，完成双目光学定位相机标定，记双目光学定位相机的测量坐标系为O1，记录相机的标定参数；完成穿刺针定位套筒的标定，记器械坐标系为O2，记录套筒筒身光学标记物、套筒两端圆环形截面中心点Pa和Pb在O2下的坐标；完成模组X和模组Y运动方向的标定，记录模组X、Y在O1下的运动方向向量DX、DY；

(2)、PC机导入患者医学图像，将医学图像与双目光学定位相机的测量坐标系O1进行术前配准，建立起医学图像坐标系到测量坐标系O1的变换关系；

(3)、医生在患者医学图像上规划目标靶点，根据步骤(2)建立的变换关系，计算目标靶点在O1下的三维坐标，记为P0；

(4)、通过调节延伸臂末端的万向球，手动调整并锁止穿刺针定位套筒的姿态；

(5)、利用光学定位相机获得筒身光学标记物在O1坐标系下的坐标，根据步骤(1)标定得到的光学标记物在O2下的坐标，计算O2到O1的变换矩阵，然后根据变换矩阵计算出套筒两端中心点Pa、Pb在O1坐标系下的坐标；

(6)、定义过P0点且与方向向量DX和DY平行的平面为控制规划平面，记为S；定义穿过Pa和Pb的直线，即穿刺针定位套筒的中心轴为L_ab；计算直线L_ab与平面S在O1坐标系下的交点坐标，记为P1；

(7)、将P1到P0的偏差向量ΔP＝P0-P1在DX和DY方向上进行分解，得到分解向量ΔX和ΔY，PC机根据计算结果驱动模组X沿DX方向移动ΔX，驱动模组Y沿DY方向移动ΔY；

(8)、重复步骤(5)～(7)，对定位套筒进行连续多次的平移，直到P1与P0之间的距离小于预设阈值或重复平移次数达到预设上限，完成对定位套筒的位置调整。