自動調節鼻內鏡位姿的方法和系統與流程
2024-02-09 09:03:15 1
本發明屬於鼻內鏡位姿調節的
技術領域：
，尤其涉及一種自動調節鼻內鏡位姿的方法和系統。
背景技術：
：鼻內鏡手術是治療鼻腔鼻竇炎症、徹底清除鼻腔鼻竇病灶(如息肉、腫瘤)的有效方法。現有鼻內鏡手術是醫生左手持鼻內鏡，右手持手術器械進行手術操作，這種手術方式存在如下問題：第一，單手操作只能使用一種手術器械，當需要更換手術器械時，必須反覆的拿起和放下手術器械，這大大延長了手術時間。且單手操作難以完成比較複雜的手術操作，此時，必須由助手把持鼻內鏡，醫生用雙手完成手術。第二，當醫生需要改變手術視野時，需要頻繁的用手調整鼻內鏡。頻繁的調整造成正常手術操作的多次中斷，延長手術時間，降低手術效率。另外，長時間的保持一個持鏡姿勢容易導致醫生疲勞，手部顫抖導致術區成像模糊，降低手術質量。中國專利CN201510157545.8設計的隨動式鼻內鏡手術輔助機器人，包括位置調整機構和姿態調整機構，其設計沒有考慮鼻內鏡在手術中如何實現自動調節的問題，依然靠醫生或者助手手動調節機械臂改變鼻內鏡的位置和姿態，鼻內鏡不能實現自動調節。上述問題亟待解決。技術實現要素：針對現有技術鼻內鏡不能自動調節，當醫生需要改變手術視野時，需要頻繁用手調整鼻內鏡，造成正常手術操作的多次中斷，延長手術時間的缺陷，本發明實施例提供一種自動調節鼻內鏡位姿的方法和系統。本發明提供一種自動調節鼻內鏡位姿的方法，包括：通過光學定位設備和設置在所述手術器械上的定位靶點獲取所述手術器械的位姿；根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿；根據所述鼻內鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關節的運動量；根據所述持鏡機器人各關節的運動量控制所述各關節執行相應的運動，以使所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。優選的，所述通過光學定位設備和設置在所述手術器械上的定位靶點獲取所述手術器械的位姿具體包括：預先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉動為x軸方向，以繞前後方向的轉動為y軸方向，以繞左右方向的轉動為z軸方向，以手術器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；通過光學定位設備和設置在手術器械上的定位靶點獲取手術器械相對於所述基坐標系的位姿。優選的，根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿具體包括：採用運動學分析方法根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿。優選的，根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿之後還包括：在所述鼻內鏡的末端和所述手術器械的末端建立基於虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基於虛擬彈簧的相互作用力模型用於輔助所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。優選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),xl0]]>其中，l0表示鼻內鏡的目標位置，x表示鼻內鏡與手術器械的空間距離，c是策略係數。本發明還提供一種自動調節鼻內鏡位姿的系統，包括：獲取模塊，用於通過光學定位設備和設置在所述手術器械上的定位靶點獲取所述手術器械的位姿；計算模塊，用於根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿；逆解模塊，用於根據所述鼻內鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關節的運動量；調整模塊，用於根據所述持鏡機器人各關節的運動量控制所述各關節執行相應的運動，以使所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。優選的，所述獲取模塊具體包括：建立單元，用於預先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉動為x軸方向，以繞前後方向的轉動為y軸方向，以繞左右方向的轉動為z軸方向，以手術器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；第一獲取單元，用於通過光學定位設備和設置在手術器械上的定位靶點獲取手術器械相對於所述基坐標系的位姿。優選的，計算模塊具體包括：計算單元，用於採用運動學分析方法根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿。優選的，所述系統還包括：建立模塊，用於在所述鼻內鏡的末端和所述手術器械的末端建立基於虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基於虛擬彈簧的相互作用力模型用於輔助所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。優選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),xl0]]>其中，l0表示鼻內鏡的目標位置，x表示鼻內鏡與手術器械的空間距離，c是策略係數。有益效果：本發明提供一種自動調節鼻內鏡位姿的方法和系統，鼻內鏡由主動機械臂把持，通過光學定位設備跟蹤手術器械運動，使用運動學分析方法計算出鼻內鏡的目標位姿並發送給持鏡臂，控制鼻內鏡對手術器械進行跟隨運動，從而保持鼻內鏡和手術器械間相對穩定的位置關係，為醫生提供清晰術區圖像。且醫生不需頻繁手動調整鼻內鏡，可以用雙手完成複雜的手術操作，提高了手術效率和質量，縮短手術時間。附圖說明圖1為本發明實施例提供的自動調節鼻內鏡位姿的方法步驟圖；圖2為本發明另一實施例提供的鼻內鏡和手術器械之間相互作用力模型的示意圖；圖3為圖2中鼻內鏡的運動方向分解示意圖；圖4為本發明另一實施例提供的自動調節鼻內鏡位姿的方法步驟圖；圖5為本發明另一實施例提供的手術器械運動方向分解示意圖；圖6為本發明另一實施例提供的鼻內鏡和手術器械之間相互位姿角度示意圖；圖7為本發明實施例提供的自動調節鼻內鏡位姿的系統結構圖；圖8為本發明另一實施例提供的自動調節鼻內鏡位姿的系統內獲取模塊的結構圖；圖9為本發明另一實施例提供的自動調節鼻內鏡位姿的系統內計算模塊的結構圖。具體實施方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明提供一種自動調節鼻內鏡位姿的方法，如圖1所示，包括：S100、通過光學定位設備和設置在所述手術器械上的定位靶點獲取所述手術器械的位姿；S200、根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿；S300、根據所述鼻內鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關節的運動量；具體的，在鼻內鏡手術中，對鼻內鏡的運動進行分析。鼻內鏡經過鼻孔插入到鼻腔內，由於鼻孔直徑很小，且在手術的過程中，鼻孔位置不變。將鼻內鏡的運動看作繞著鼻孔的轉動和沿著鼻腔方向的進給運動。其它方向的運動忽略，這種簡化符合手術要求，限制其它方向的運動最大限度的保護了病人的安全。S400、根據所述持鏡機器人各關節的運動量控制所述各關節執行相應的運動，以使所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。具體的，如圖2所示，在鼻內鏡跟隨手術器械過程中，在鼻內鏡距離目標位置較遠時，它們之間的相互作用力較大，使鼻內鏡可以快速運動到理想位置，當到達理想位置後，它們之間的相互作用力基本為零，使鼻內鏡可以保持自身的位姿，為醫生提供清晰穩定的手術視野。對鼻內鏡的的運動進行分析，主要為繞著繞著鼻孔的轉動和沿著鼻腔方向的進給運動，如圖3所示。當開始跟隨操作時，光學定位設備會不斷的讀取固定在手術器械上的光學靶點信息，根據這些靶點信息計算出手術器械在固定坐標系下的運動分量，並根據這些運動分量計算出鼻內鏡的理想的目標位姿。根據目標位姿逆解出持鏡壁上各關節的理想運動位置並驅動各關節到達該位置。當到達該位置後若結束跟隨，鼻內鏡將會保持最後的位姿不變，否則，將循環執行上述操作。優選的，如圖4所示，所述通過光學定位設備和設置在所述手術器械上的定位靶點獲取所述手術器械的位姿具體包括：S101、預先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉動為x軸方向，以繞前後方向的轉動為y軸方向，以繞左右方向的轉動為z軸方向，以手術器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；S102、通過光學定位設備和設置在手術器械上的定位靶點獲取手術器械相對於所述基坐標系的位姿。具體的，在鼻內鏡手術中，病人的體位一般不發生變化，所以將鼻孔認為是空間中的一個固定點。對手術器械的運動進行分析，由於鼻孔很小，可以將手術器械的運動看作繞著鼻孔的轉動和沿著鼻腔方向的進給運動，其它方向的運動可以忽略不計。在手術器械上固定可以供光學定位設備識別的定位靶點，這樣手術器械在空間中的位置和姿態就可以通過該光學定位靶點得到。通過位置和姿態信息就可以得到手術器械相對於固定坐標系三個坐標軸方向的平移和轉動分量。在鼻孔入口處建立如圖5所示的坐標系後，手術器械的運動分解分別為繞x,y,z軸三個方向的轉動，和沿手術器械自身軸線方向的深度進給運動，其它方向的移動可以忽略不計。在手術器械上固定供光學定位裝置定位的目標靶點後，集成在系統內的光學定位裝置可以實時獲取手術器械相對於基坐標系的位姿矩陣，通過計算可以得到手術器械在各坐標軸上的運動分量。優選的，根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿具體包括：採用運動學分析方法根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿。所述運動學分析方法具體包括：所述光學定位設備實時獲取所述手術器械相對於基坐標系的位姿矩陣；根據所述位姿矩陣計算得到所述手術器械在各坐標軸上的移動分量；根據所述移動分量計算出所述鼻內鏡相對的目標位姿。具體的，如圖6所示，為了保證手術器械末端在鼻內鏡視野中心，手術器械與鼻內鏡應處於同一平面，並且手術器械末端在鼻內鏡延長線上。二者之間的相對位姿由末端的相對距離d和二者之間的夾角θ組成。優選的，根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿之後還包括：在所述鼻內鏡的末端和所述手術器械的末端建立基於虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基於虛擬彈簧的相互作用力模型用於輔助所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。具體的，當內鏡的末端和所述手術器械的末端之間的距離小於預設閾值時，鼻內鏡減緩運動速度直至到達所述目標位姿；當它們之間的距離大於預設閾值時，所述持鏡臂加快速度調整鼻內鏡至目標位姿。優選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),xl0]]>其中，l0表示鼻內鏡的目標位置，x表示鼻內鏡與手術器械的空間距離，c是策略係數。本發明實施例提供一種自動調節鼻內鏡位姿的方法，鼻內鏡由主動機械臂把持，通過光學定位設備跟蹤手術器械運動，使用運動學分析方法計算出鼻內鏡的目標位姿並發送給持鏡臂，控制鼻內鏡對手術器械進行跟隨運動，從而保持鼻內鏡和手術器械間相對穩定的位置關係，為醫生提供清晰術區圖像。且醫生不需頻繁手動調整鼻內鏡，可以用雙手完成複雜的手術操作，提高了手術效率和質量，縮短手術時間。本發明還提供一種自動調節鼻內鏡位姿的系統，如圖7所示，包括：獲取模塊100，用於通過光學定位設備和設置在所述手術器械上的定位靶點獲取所述手術器械的位姿；計算模塊200，用於根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿；逆解模塊300，用於根據所述鼻內鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關節的運動量；調整模塊400，用於根據所述持鏡機器人各關節的運動量控制所述各關節執行相應的運動，以使所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。優選的，如圖8所示，所述獲取模塊100具體包括：建立單元101，用於預先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉動為x軸方向，以繞前後方向的轉動為y軸方向，以繞左右方向的轉動為z軸方向，以手術器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；第一獲取單元102，用於通過光學定位設備和設置在手術器械上的定位靶點獲取手術器械相對於所述基坐標系的位姿。優選的，如圖9所示，計算模塊200具體包括：計算單元201，用於採用運動學分析方法根據所述手術器械的位姿和預設的手術器械與鼻內鏡的相對位姿關係計算得出所述鼻內鏡的目標位姿。優選的，所述系統還包括：建立模塊，用於在所述鼻內鏡的末端和所述手術器械的末端建立基於虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基於虛擬彈簧的相互作用力模型用於輔助所述鼻內鏡自動調整至所述目標位姿。優選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),xl0]]>其中，l0表示鼻內鏡的目標位置，x表示鼻內鏡與手術器械的空間距離，c是策略係數。需要說明的是，本發明實施例提供的上述系統中各個模塊，由於與本發明方法實施例基於同一構思，其帶來的技術效果與本發明方法實施例相同，具體內容可參見本發明方法實施例中的敘述，此處不再贅述。本發明實施例提供一種自動調節鼻內鏡位姿的系統，鼻內鏡由主動機械臂把持，通過光學定位設備跟蹤手術器械運動，使用運動學分析方法計算出鼻內鏡的目標位姿並發送給持鏡臂，控制鼻內鏡對手術器械進行跟隨運動，從而保持鼻內鏡和手術器械間相對穩定的位置關係，為醫生提供清晰術區圖像。且醫生不需頻繁手動調整鼻內鏡，可以用雙手完成複雜的手術操作，提高了手術效率和質量，縮短手術時間。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。當前第1頁1 2 3