CN117838311A - 基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法及系统，包括步骤：S1、在患者患处对应的皮肤表面放置第一标定工具，扫描得到术前影像；S2、在机械臂末端安装第二标定工具，通过光学定位系统获取第二标定工具的位姿，据此进行手眼标定；S3、通过光学定位系统获取第一标定工具的实时位姿，与术前影像中提取的第一标定工具的位姿进行配准，计算配准误差；S4、以S3的配准误差最小的时刻作为术中与术前位置最接近的时刻，结合术前影像中规划的待消融靶点指导靶点消融。本发明基于配准误差的呼吸追踪，实时追踪病人呼吸状态，可精确定位术中和术前规划的待消融靶点位置最接近的时刻，确保靶点消融的准确性。

Description

基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法及系统

技术领域

本发明涉及手术导航技术领域，尤其涉及一种基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法及系统。

背景技术

基于标记物的光学定位设备是一种利用特殊标记物追踪和定位对象位置的技术。这些标记物通常具有反射性，能够被动反射光信号或主动发出光信号，从而使光学设备能够准确地检测它们的位置。在基于光学定位设备的手术导航系统中，针对特定区域的患者手术位置，会贴上反射标记点。这些标记点可以是小型反射球或其他容易被光学设备识别的标记物。确保标记点的稳固放置，并且能够在呼吸过程中保持固定。

然而，基于光学定位设备的手术导航系统受到呼吸的影响较大。呼吸对于体内器官的追踪有较大的影响。目前，常用的呼吸运动追踪方法包括基于透视影像点、阻抗式传感器、体表光学标记点、电磁传感器以及呼吸潮气量等。

发明内容

发明目的：针对上述不足，本发明提出一种基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法及系统，可以精确定位术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻，确保靶点消融的准确性，大大提高了精度，进而提升了靶点消融的安全性。

技术方案：本发明提供一种基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法，包括步骤：

S1、在患者患处对应的皮肤表面放置第一标定工具，扫描得到患者患处的术前影像；

S2、在机器人的机械臂末端安装第二标定工具，通过光学定位系统获取所述第二标定工具的位姿，并据此进行手眼标定；

S3、通过光学定位系统获取所述第一标定工具的实时位姿，与所述术前影像中提取的第一标定工具的位姿进行配准，并计算配准误差；

S4、以S3中得到的配准误差最小的时刻作为术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻，并据此结合在所述术前影像中规划的待消融靶点指导靶点消融。

具体地，所述第一标定工具为若干非均匀排布的反光球，所述第二标定工具为若干共面不共线排布的反光球。

更具体地，所述S3中，所述配准具体为：

根据S1得到的术前影像中提取的第一标定工具的位姿及光学定位系统获取的第一标定工具的实时位姿，即得到术前影像和光学定位系统中若干反光球的位置，对二者进行配准，计算得到术前影像与光学定位系统之间的变换关系。

进一步地，所述S3中，所述配准误差计算如下：基于所述术前影像与光学定位系统之间的变换关系将若干反光球的位置变换的同一参照下，据此计算所述配准误差。

更进一步地，所述配准误差具体为：

以基于所述术前影像与光学定位系统之间的变换关系将若干反光球的位置变换至同一参照下，以同一参照下两组反光球中对应的反光球之间距离之和作为所述配准误差，或以同一参照下两组反光球中所有对应的反光球之间距离平均值作为所述配准误差。

具体地，所述S2中，所述手眼标定具体为：

控制机械臂改变其末端位姿，并在每次改变后计算其末端位姿；

通过光学定位系统获取机械臂末端上的第二标定工具的实时位姿，进而得到若干组机械臂末端位姿与第二标定工具的实时位姿数据；

通过Tsai标定算法计算得到光学定位系统和机器人之间的变换关系。

具体地，所述S4中，所述指导靶点消融具体为：

S41、根据所述术前影像中规划的待消融靶点计算术中所述待消融靶点的位置，据此计算机械臂末端的目标位姿；

S42、通过光学定位系统获取所述第二标定工具的实时位姿，根据所述S2的手眼标定计算得到机械臂末端的实时位姿，结合所述S41得到的机械臂末端的目标位姿实时控制机械臂。

更具体地，所述S41中，根据所述术前影像中规划的待消融靶点计算术中所述待消融靶点的位置具体为：

在所述术前影像中规划待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置，在所述S3中得到的配准误差最小时，根据对应的配准得到术中待消融靶点p _ot 和对应皮肤表面的入点p _or 的位置。

进一步地，所述S41中，计算所述机械臂末端的目标位姿包括如下步骤：

（1）构建约束条件；

1）安装于机械臂末端上的超声换能器的焦点P位于所述S41得到的待消融靶点p _ot 的位置；

2）所述超声换能器的轴向向量v与向量重合；

3）第一标定工具始终面向光学定位系统；

（2）根据所述步骤（1）构建的约束条件计算机械臂末端的目标位姿。

本发明还提供一种基于前述的靶点消融呼吸门控方法的靶点消融呼吸门控系统，包括：

第一标定工具，放置于患者患处对应的皮肤表面；

第二标定工具，安装于机器人的机械臂末端；

机器人，其机械臂末端上安装有超声换能器；

光学定位系统，用于获取第一标定工具和第二标定工具的实时位姿；

透视影像设备，在术前扫描患者患处，得到对应的术前影像；

机器人将光学定位系统获取的第一标定工具的实时位姿与术前影像中提取的第一标定工具的位姿进行配准，得到配准误差，并选取其中配准误差最小的时刻作为术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻；

机器人在配准误差最小时，根据在术前影像中规划的待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置，进而根据对应的配准得到术中的待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置，据此得到超声换能器焦点位置及超声换能器的轴向向量，进而求得机械臂末端的目标位姿，并据此控制机械臂运动。

有益效果：本发明通过基于配准误差的呼吸追踪，实时追踪病人呼吸状态，可以精确定位术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻，确保靶点消融的准确性，大大提高了精度，进而提升了靶点消融的安全性；同时患者在整个过程中可以自然呼吸，无需特别控制呼吸节律，进而提高了患者的舒适性。

附图说明

图1为本发明的基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法的流程图；

图2为本发明的基于光学定位的靶点消融呼吸门控系统的架构图；

图3为第一标定工具始终面向光学定位系统的中心点的示例图。

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。

本发明的基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法如图1所示，包括步骤：

S1、在患者患处对应的皮肤表面放置第一标定工具，在术前通过透视影像设备扫描患者患处，得到对应的术前影像；

本发明中，可在术前影像中规划得到待消融靶点和对应的皮肤表面的入点，进而得到待消融靶点的静态位置信息。

本发明中，透视影像设备可采用CT影像设备，在术前扫描得到的患者患处的CT影像中规划得到待消融靶点和对应的皮肤表面的入点，进而得到待消融靶点的静态位置信息。

具体地，可通过提取在术前扫描得到的患者患处的CT影像中的第一标定工具的位姿计算得到在影像坐标系C _i 中第一标定工具的位姿。

本发明中，第一标定工具可设置为若干反光球。具体地，该若干反光球非均匀排布。进一步地，可设置为大小不一且非均匀排布，也可设置为大小相同且共面不共线地非均匀排布。

进一步地，可将第一标定工具设计为一固定架，若干反光球固定安装于该固定架上。

S2、在机器人的机械臂末端安装第二标定工具，通过光学定位系统获取所述第二标定工具的位姿，并据此进行手眼标定；

本发明中，第二标定工具为若干共面不共线排布的反光球。进一步地，本发明中，第二标定工具也可以设置为一平面，若干反光球固定安装于该平面上。第二标定工具安装于机器人的机械臂末端上时可被光学定位系统识别，以获取其位姿。

本发明中，手眼标定是求解光学定位系统和机器人之间的变换关系，本实施例中，可定义为光学定位系统坐标系C _o 和机器人基坐标系C _b 之间的变换关系T _ob ，具体如下：

控制机械臂改变其末端位姿，并在每次改变后计算得到其末端位姿；同时通过光学定位系统获取机械臂末端上的第二标定工具的实时位姿，进而得到若干组机械臂末端位姿与第二标定工具的实时位姿数据，由此通过Tsai标定算法计算得到光学定位系统和机器人之间的变换关系，也即得到光学定位系统坐标系C _o 和机器人基坐标系C _b 之间的变换关系T _ob ，进而可以计算得到机械臂末端与第二标定工具之间的变换关系T _e1。

S3、通过光学定位系统获取第一标定工具的实时位姿，与S1的术前影像中提取的第一标定工具的位姿进行配准，得到配准误差；

具体地，在术中，可通过光学定位系统获取第一标定工具的实时位姿，也即得到在光学定位系统坐标系C _o 中第一标定工具的实时位姿。

本发明中，根据S1得到的术前影像中提取得到的第一标定工具的位姿及光学定位系统获取得到的第一标定工具的实时位姿，即可得到术前影像和光学定位系统即术中实际空间中若干反光球的位置，进而对二者进行点云配准，从而计算得到术前影像与光学定位系统之间的变换关系，也即影像坐标系C _i 与光学定位系统坐标系C _o 之间的变换关系T _io ；基于该变换关系将若干反光球的位置变换的同一参照下如影像坐标系C _i 或光学定位系统坐标系C _o 下，进而可以计算得到前述的配准误差。

本发明中，可以以基于术前影像与光学定位系统之间的变换关系将若干反光球的位置变换的同一参照下，以同一参照下两组反光球中对应的反光球之间距离之和作为前述的配准误差，也可以以同一参照下两组反光球中所有对应的反光球之间距离平均值作为前述的配准误差。

S4、以S3中得到的配准误差最小的时刻作为术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻，并据此指导靶点消融；

本发明中，可通过重复S3，根据其中第一标定工具的实时位姿绘制得到患者呼吸曲线，其中配准误差最小时即为术中的待消融靶点和术前规划的待消融靶点之间位置最接近的时刻，并据此指导靶点消融，进而可以有效避免呼吸运动带来的误差问题，提升靶点消融的稳定性。

所述指导靶点消融具体如下：

S41、根据术前影像中规划的待消融靶点计算术中待消融靶点的位置，据此计算机械臂末端的目标位姿Z；

（1）构建约束条件；

1）在S1得到的术前影像中规划的待消融靶点和对应皮肤表面的入点，在S3中得到的配准误差最小时，根据对应的配准得到术中待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置；

具体地，在S1得到的术前影像中规划的待消融靶点p _it 和对应的入点p _ir 的位置，在S3中得到的配准误差最小时，根据对应的配准得到的影像坐标系C _i 与光学定位系统坐标系C _o 之间的变换关系T _io 计算得到术中在光学定位系统坐标系C _o 中待消融靶点p _ot 和对应皮肤表面的入点p _or 的位置，结合其靶点消融要求超声换能器焦点需位于术中待消融靶点的位置处，也即前述位置坐标p _ot ，即超声换能器焦点P=p _ot ；

2）超声换能器安装于机械臂末端，根据超声换能器的参数可以得到其焦距v，由此得到机械臂末端到超声换能器焦点的方向向量v，也即超声换能器的轴向向量，该方向向量需与术中待消融靶点和对应皮肤表面的入点之间的方向向量重合，即：向量v与向量重合；

3）为了得到机械臂末端的目标位姿Z的唯一解，引入如下约束条件：第一标定工具始终面向光学定位系统。

具体地，第一标定工具始终面向光学定位系统的中心点，也即对应的光学定位系统坐标系的原点。

综上，可得示例性的约束条件如下：

其中，k表示实数，表示第一标定工具所在平面的法向量，c ₀表示光学定位系统的中心点，p ₀表示光学定位系统的中心点在第一标定工具所在平面上的投影点。

进一步地，可参照图3，第一标定工具安装于机械臂末端上，因此根据第一标定工具的安装参数可得机械臂末端与第一标定工具之间的变换关系，进而实际上第一标定工具始终面向光学定位系统也可以认为是机械臂末端始终面向光学定位系统，以机械臂末端上一点为原点构建末端坐标系C _e ，则可得机械臂末端的目标位姿Z在末端坐标系的x、y、z三个方向上的分量，该三个分量在光学定位系统坐标系下的向量分别表示为Z _x 、Z _y 、Z _z ，定义S2中构建的光学定位系统坐标系的z轴方向是从光学定位系统坐标系的原点指向末端坐标系的原点，末端坐标系的z轴方向与之同向，故而可通过光学定位系统坐标系的原点、末端坐标系的原点及光学定位系统坐标系的y轴构建得到一平面，从而可以得到该平面的法向量，则可将上述的约束条件表示为：

其中，代表向量Z _z 与向量/>的内积，/>代表向量Z _z 与向量Z _x 的内积，代表向量Z _z 与向量Z _y 的内积。

（2）根据步骤（1）构建的约束条件计算得到机械臂末端的目标位姿。

S42、通过光学定位系统获取第二标定工具的实时位姿，由此计算得到机械臂末端的实时位姿，结合所述S41得到的机械臂末端的目标位姿实时控制机械臂以实现机械臂末端位姿的实时规划；

通过光学定位系统获取第二标定工具的实时位姿，结合S2的手眼标定得到机械臂末端的实时位姿，根据S41得到的机械臂末端的目标位姿对机械臂进行实时规划，并据此控制机械臂运动。

具体地，光学定位系统获取第二标定工具的实时位姿，也即得到在光学定位系统坐标系C _o 中第二标定工具的实时位姿。

具体地，通过光学定位系统获取第二标定工具的实时位姿，根据S2的手眼标定得到的机械臂末端与第二标定工具之间的变换关系T _e1即可得到机械臂末端的实时位姿。

本发明通过对机械臂位姿的实时规划，形成闭环反馈，通过不断监测和调整机械臂末端的位姿，以确保它与目标位姿的一致性。

本发明还提供一种基于前述的靶点消融呼吸门控方法的靶点消融呼吸门控系统，如图2所示，包括：

第一标定工具，放置于患者患处对应的皮肤表面，为若干非均匀排布的反光球；

第二标定工具，安装于机器人机械臂末端，为若干共面不共线的反光球；

机器人，其机械臂末端上安装有超声换能器；

光学定位系统，用于获取第一标定工具和第二标定工具的实时位姿；

透视影像设备，在术前扫描患者患处，得到对应的术前影像。其中，透视影像设备可采用CT影像设备。

机器人将光学定位系统获取的第一标定工具的实时位姿与术前影像中提取的第一标定工具的位姿进行配准，得到配准误差，并选取其中配准误差最小的时刻作为术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻；

机器人在配准误差最小时，根据在术前影像中规划的待消融靶点和对应皮肤表面的入点，进而根据对应的配准得到术中的待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置，据此得到超声换能器焦点的位置及超声换能器的轴向向量，进而求得机械臂末端的目标位姿，并据此控制机械臂运动。

本发明中，在求得机械臂末端的目标位姿时，为了得到机械臂末端的目标位姿Z的唯一解，引入如下约束条件，即第一标定工具始终面向光学定位系统的中心点。

机器人根据光学定位系统获取的第二标定工具的位姿进行手眼标定，在控制机械臂运动过程中，机器人根据光学定位系统获取的第二标定工具的实时位姿得到机械臂末端的实时位姿，结合前述的机械臂末端的目标位姿对机械臂进行实时规划，并据此控制机械臂运动。

本发明通过基于配准误差的呼吸追踪，实时追踪病人呼吸状态，可以精确定位术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻，确保靶点消融的准确性，大大提高了精度，进而提升了靶点消融的安全性；同时患者在整个过程中可以自然呼吸，无需特别控制呼吸节律，进而提高了患者的舒适性。此外，本发明通过基于视觉伺服的实时矫正，能够实现对机械臂末端位姿的动态调整，以适应患者呼吸引起的待消融靶点的位置变化，保证机器人导航系统与患者体内待消融靶点的实时位置保持一致，有效解决了由于长时间过程导致的位置变化带来的导航偏差问题，确保靶点消融的准确性和稳定性。

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 (10)

1.基于光学定位的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，包括步骤：

S1、在患者患处对应的皮肤表面放置第一标定工具，扫描得到患者患处的术前影像；

S2、在机器人的机械臂末端安装第二标定工具，通过光学定位系统获取所述第二标定工具的位姿，并据此进行手眼标定；

S3、通过光学定位系统获取所述第一标定工具的实时位姿，与所述术前影像中提取的第一标定工具的位姿进行配准，并计算配准误差；

S4、以S3中得到的配准误差最小的时刻作为术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻，并据此结合在所述术前影像中规划的待消融靶点指导靶点消融。

2.根据权利要求1所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述第一标定工具为若干非均匀排布的反光球，所述第二标定工具为若干共面不共线排布的反光球。

3.根据权利要求2所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述S3中，所述配准具体为：

根据S1得到的术前影像中提取的第一标定工具的位姿及光学定位系统获取的第一标定工具的实时位姿，即得到术前影像和光学定位系统中若干反光球的位置，对二者进行配准，计算得到术前影像与光学定位系统之间的变换关系。

4.根据权利要求3所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述S3中，所述配准误差计算如下：基于所述术前影像与光学定位系统之间的变换关系将若干反光球的位置变换的同一参照下，据此计算所述配准误差。

5.根据权利要求4所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述配准误差具体为：

以基于所述术前影像与光学定位系统之间的变换关系将若干反光球的位置变换至同一参照下，以同一参照下两组反光球中对应的反光球之间距离之和作为所述配准误差，或以同一参照下两组反光球中所有对应的反光球之间距离平均值作为所述配准误差。

6.根据权利要求1所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述S2中，所述手眼标定具体为：

控制机械臂改变其末端位姿，并在每次改变后计算其末端位姿；

通过光学定位系统获取机械臂末端上的第二标定工具的实时位姿，进而得到若干组机械臂末端位姿与第二标定工具的实时位姿数据；

通过Tsai标定算法计算得到光学定位系统和机器人之间的变换关系。

7.根据权利要求1所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述S4中，所述指导靶点消融具体为：

S41、根据所述术前影像中规划的待消融靶点计算术中所述待消融靶点的位置，据此计算机械臂末端的目标位姿；

S42、通过光学定位系统获取所述第二标定工具的实时位姿，根据所述S2的手眼标定计算得到机械臂末端的实时位姿，结合所述S41得到的机械臂末端的目标位姿实时控制机械臂。

8.根据权利要求7所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述S41中，根据所述术前影像中规划的待消融靶点计算术中所述待消融靶点的位置具体为：

在所述术前影像中规划待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置，在所述S3中得到的配准误差最小时，根据对应的配准得到术中待消融靶点p _ot 和对应皮肤表面的入点p _or 的位置。

9.根据权利要求8所述的靶点消融呼吸门控方法，其特征在于，所述S41中，计算所述机械臂末端的目标位姿包括如下步骤：

（1）构建约束条件；

1）安装于机械臂末端上的超声换能器的焦点P位于所述S41得到的待消融靶点p _ot 的位置；

2）所述超声换能器的轴向向量v与向量重合；

3）第一标定工具始终面向光学定位系统；

（2）根据所述步骤（1）构建的约束条件计算机械臂末端的目标位姿。

10.一种基于权利要求1-9任一所述的靶点消融呼吸门控方法的靶点消融呼吸门控系统，其特征在于，包括：

第一标定工具，放置于患者患处对应的皮肤表面；

第二标定工具，安装于机器人的机械臂末端；

机器人，其机械臂末端上安装有超声换能器；

光学定位系统，用于获取第一标定工具和第二标定工具的实时位姿；

透视影像设备，在术前扫描患者患处，得到对应的术前影像；

机器人将光学定位系统获取的第一标定工具的实时位姿与术前影像中提取的第一标定工具的位姿进行配准，得到配准误差，并选取其中配准误差最小的时刻作为术中的待消融靶点与术前的待消融靶点之间位置最接近的时刻；

机器人在配准误差最小时，根据在术前影像中规划的待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置，进而根据对应的配准得到术中的待消融靶点和对应皮肤表面的入点的位置，据此得到超声换能器焦点位置及超声换能器的轴向向量，进而求得机械臂末端的目标位姿，并据此控制机械臂运动。