外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法
2023-12-05 18:32:11 2
專利名稱：外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法
技術領域：
本發明屬於立體定向外科手術的應用領域，特別涉及的是一種應用於醫療立體定向外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法。
背景技術：
近年來，將機器人技術應用於醫療外科領域已受到世界發達國家的高度重視。機器人技術在外科領域的應用，不僅在手術精確定位、手術最小損傷、手術質量等方面帶來一系列的技術變革，而且改變了常規醫療外科的許多概念，對新一代機器人化手術設備研製開發等方面具有十分重要的意義。
機器人手術導航系統分為主動和被動兩種對於被動式機器人，可以通過人工方式方便驅動機器人採集標記點進行手術空間映射，不過需要人工幹預，耗費了醫生體力，操作誤差較大；對於主動式機器人，不需要人為幹預，但是如果直接控制機器人採集病人標記點，效率低，精度差，手術的危險性也很大。
天津市華志計算機應用有限公司開發生產的CAS-R-2型無框架立體定向手術系統，已在臨床得到廣泛應用，成功完成上千例臨床手術，創直接經濟效益數百萬餘元，但其技術尚不完善。首先，要求醫生有清晰的三維空間概念，同時對被動機器人運動規律有一定的了解，這樣在人工操作機器人時，才能較為靈活；其次，在實行手術導航時，採用人工牽引機器人識別標記點的方法，操作過程比較繁雜，需要較長的時間，對醫生有一定的體力消耗，在手術過程中是應該儘量減輕的；再次，手術精度的保證是依靠人眼觀察計算機屏幕來人為判斷的，這樣難以避免誤差，對手術效果有影響；最後，由於機器人是無動力的，使得系統在技術上的進一步提高比較困難，不能滿足外科手術發展的多樣化需求。為了解決以上問題，迫切需要開發自動化程度高、安全可靠、成本低廉的新一代產品。
發明內容
本發明的目的是提供一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，它是針對外科手術迫切需要解決的問題，開發自動化程度高、性能可靠的主動式醫療外科機器人手術定位裝置及定位方法，使立體定向外科手術更精確，更簡便，更廣泛。
本發明是通過以下技術方案實現的一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，首先在機器人基座上設計三個標誌位，用以標誌機器人基準坐標系的兩個坐標軸方向，一般取X軸和Z軸；再通過光學跟蹤儀(NDI POLARIS Optical TrackingSystem)定位指針來提取這三個標誌，並讓機器人與光學跟蹤儀進行一次握手，即機器人探針和光學跟蹤儀定位指針對接時同時採集空間同一坐標點，形成一個握手點對；最後通過空間坐標轉換算法，實現光學跟蹤儀與機器人系統的坐標互換。
以下對本發明方法作進一步的描述，具體內容如下1、機器人基座上三個標誌位的設計三個標誌位即可以做在機器人本體的基座上，也可以做在特定的標誌塊上，只要保證標誌位所標誌的方向與機器人基準坐標系的坐標軸方向一致即可，這部分工作是機器人裝配時就可以完成的。
2、標誌位註冊及握手即兩坐標系同時採集空間某一點，形成一個握手點對；光學跟蹤儀的定位指針輕巧自如，使用方便，並且精度很高，用它來實現對標誌位進行註冊和與機器人的空間握手，既保證了精度，又省時省力，提高了手術效率，該部分是唯一需要人工幹預的。
3、坐標轉換算法本發明提出了不共原點的坐標系坐標變換算法，採用機器人學的共原點坐標系迴轉變換算法能夠快速地將任意的兩正交坐標系轉換成平行的兩坐標系，即坐標軸平行且方向相同然後通過上述空間握手點對求出兩坐標系的原點對向量即 最後求出不共原點的兩任意坐標系的轉換矩陣，從而實現兩坐標系的任意坐標互換。具體算法如下[1]採用機器人學的共原點正交坐標系迴轉變換算法。由坐標系oijk到達坐標系oi』j』k』可用歐拉變換的方法，連續三次繞不同坐標軸轉動而得。過程如下■取kk』的公垂線ON，將i繞k軸迴轉θ角到達ON位置■將k繞ON迴轉φ中角到達k』；■將ON繞k』迴轉ψ角到達i′；則按上述迴轉變換順序，有 ＝EkθEiφEkψ＝E[2]求出兩坐標系的原點對向量即 根據握手點P可知兩向量 和 經過共原點正交坐標系迴轉變換後，oo=op-op;]]>[3]求出不共原點的兩任意坐標系的轉換矩陣。生成轉換矩陣T的方法也很簡單，設光學設備(NDI)坐標係為0系，機器人坐標系(RBT)為0』系，R0＝oo′，P點在RBT系坐標(x』，y』，z』)，位置向量為R』o』，則在NDI系中，位置向量R為R＝R0+R』＝R0+E(R』o』)；(1.1)E為迴轉變換張量表示的變換矩陣，可視繞坐標軸迴轉或繞任意軸迴轉或繞原點迴轉等不同情況確定。
式(1.1)齊次坐標型式R1=ER001R01]]>即xyz1=a11a12a13x0a21a22a23y0a31a32a33z00001xyz1]]>這樣，光學跟蹤儀與機器人的空間坐標建立起一個一一對應關係，在你NDI系的每個位置坐標都可以唯一而準確地映射到RBT系的相應位置，而RBT系的每個位置坐標也可以唯一而準確地映射NDI系的相應位置，其轉換公式為pRBT＝T-1*pNDIpNDI＝T*pRBT由於所有的轉換都是剛體變換，這種映射是一一對應的。
本發明具有實質性特點和顯著進步，本發明克服了主動式醫療機器人不能方便註冊病人身上標記點的缺陷，將智能機械臂和光學跟蹤儀成功集成用於臨床實踐，採用高精度的光學跟蹤儀輔助定位，使手術定位更精確，成功率更高；簡便有效的空間映射算法，解決了光學跟蹤儀空間、機器人空間、手術空間之間複雜繁瑣的映射關係，該方法操作簡單實用，對手術環境要求也不高，便於實際推廣使用。
圖1是本發明NDI與RBT坐標系示意圖。
具體實施例方式
結合本發明的內容提供一下實施例，對本發明作進一步的陳述。
如圖1所示，以一例腦外科手術為例，基於P41.6MHz 256內存PC機，以結合NDI光學跟蹤儀(NDI POLARIS OpticalTracking System)的機器人系統為例加以說明，具體步驟如下1.裝配機器人時，將基座上裝置三個標誌位以標誌機器人基準坐標系的兩個方向軸，三個標誌分別記為O、S、R， 表示機器人基準坐標系的i軸， 表示k軸；2.用NDI光學跟蹤儀的定位指針採集機器人基座上裝置的三個標誌點，完成對機器人基準坐標系的註冊，註冊點坐標分別為O[105 259 -1977]、S[105 275 -2000]、R[2 259 -1977]；3.用NDI光學跟蹤儀的定位指針與機器人探針進行握手，即用NDI光學跟蹤儀的定位指針採集空間某一點，如P[200 -105 -2157]，同時用機器人探針也採集該點坐標T[-133.434 425.589 -54.3371]，從而形成一握手點對。
4.求出不共原點的兩任意坐標系的轉換矩陣。設光學設備(NDI)坐標係為0系，機器人坐標系(RBT)為0』系，R0＝oo′，P點在RBT系坐標(x』，y』，z』)，位置向量為R』o』，則在NDI系中，位置向量R為R＝R0+R』＝R0+E(R』o』)；(1.1)E為迴轉變換張量表示的變換矩陣，可視繞坐標軸迴轉或繞任意軸迴轉或繞原點迴轉等不同情況確定。
式(1.1)齊次坐標型式R1=ER001R01]]>即
xyz1=a11a12a13x0a21a22a23y0a31a32a33z00001xyz1]]>這樣，光學跟蹤儀與機器人的空間坐標建立起一個一一對應關係，在你NDI系的每個位置坐標都可以唯一而準確地映射到RBT系的相應位置，而RBT系的每個位置坐標也可以唯一而準確地映射NDI系的相應位置，其轉換公式為pRBT＝T-1*pNDIpNDI＝T*pRBT由於所有的轉換都是剛體變換，這種映射是一一對應的；採用上述算法生成坐標轉換矩陣E，生成的矩陣如下E=00.5711-0.8209-1824.16470-0.8209-0.5711-829.3921-100145.66290001]]>5.然後用NDI光學跟蹤儀的定位指針採集貼在病人頭部的四個Mark點，其相應坐標為Mrk1ndi[64 -89 -2218]、Mrk2ndi[145 -165 -2269]、Mrk3ndi[161 -20 -2196]、Mrk4ndi[80 -74 -2250]、6.通過步驟4中生成的轉換矩陣，對NDI光學跟蹤儀中採集的坐標變換為機器人系的坐標，變換後Mark點相應坐標為Mrk1rbt[-54.2218 447.289 81.6629]Mrk2rbt[-55.7565 538.803 0.6629]Mrk3rbt[-32.8782 378.084 -15.3371]Mrk4rbt[-19.3868 453.25 65.6629]這樣就完成了機器人對病人頭部的四個Mark點註冊功能，從而機器人就可以根據醫生設計的手術路逕自動運動到位，輔助醫生實施外科手術了。
本發明不局限於該實施例中的腦外科手術，它適用於立體定向外科手術。
實施效果該例的結果是通過NDI光學跟蹤儀採集轉換為機器人坐標的定位誤差是2.5mm，基本滿足臨床應用的要求(小於2mm)，如果再採用一些工程的優化方法，對轉換矩陣做一些優化，可以極大的消減定位誤差，使之更符合臨床應用要求；該例的執行時間為T≤2秒。
權利要求
1.一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，其特徵在於首先在機器人基座上設計三個標誌位，用以標誌機器人基準坐標系的兩個坐標軸方向，取X軸和Z軸；再通過光學跟蹤儀定位指針來提取這三個標誌，並讓機器人與光學跟蹤儀進行一次握手，即機器人探針和光學跟蹤儀定位指針對接時同時採集空間同一坐標點，形成一個握手點對；最後通過空間坐標轉換算法，實現光學跟蹤儀與機器人系統的坐標互換。
2.根據權利要求1所述的一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，其特徵在於所述的在機器人基座上設計三個標誌位，具體方法如下三個標誌位做在機器人本體的基座上，或做在特定的標誌塊上，保證標誌位所標誌的方向與機器人基準坐標系的坐標軸方向一致。
3.根據權利要求1所述的一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，其特徵在於所述的標誌位註冊及握手即兩坐標系同時採集空間某一點，形成一個握手點對。
4.根據權利要求1所述的一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，其特徵在於所述的坐標轉換算法是採用不共原點的坐標系坐標變換算法，採用機器人學的共原點坐標系迴轉變換算法能夠快速地將任意的兩正交坐標系轉換成平行的兩坐標系，即坐標軸平行且方向相同；然後通過上面提到的空間握手點對求出兩坐標系的原點對向量即 最後求出不共原點的兩任意坐標系的轉換矩陣，從而實現兩坐標系的任意坐標互換。
5.根據權利要求1或4所述的一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，其特徵在於所述的不共原點的坐標系坐標變換算法，具體算法如下a)採用機器人學的共原點正交坐標系迴轉變換算法由坐標系oijk到達坐標系oi』j』k』可用歐拉變換的方法，連續三次繞不同坐標軸轉動而得；過程如下i.取kk』的公垂線ON，將i繞k軸迴轉θ角到達ON位置；ii.將k繞ON迴轉φ角到達k』；iii.將ON繞k』迴轉ψ角到達i′；則按上述迴轉變換順序，有[i′j′k′]＝EkθEiφEkψ＝Eb)求出兩坐標系的原點對向量即 根據握手點P可知兩向量 和 經過共原點正交坐標系迴轉變換後，oo=op-op;]]>c)求出不共原點的兩任意坐標系的轉換矩陣生成轉換矩陣T的方法也很簡單，設光學儀(NDI)坐標係為0系，機器人坐標系(RBT)為0』系，R0=oo,]]>P點在RBT系坐標(x』，y』，z』)，位置向量為R』o』，則在NDI系中，位置向量R為R＝R0+R』＝R0+E(R』o』)；(1.1)E為迴轉變換張量表示的變換矩陣，可視繞坐標軸迴轉或繞任意軸迴轉或繞原點迴轉等不同情況確定；式(1.1)齊次坐標型式R1=ER001R01]]>即xyz1=a11a12a13x0a21a22a23y0a31a32a33z00001xyz1]]>這樣，光學跟蹤儀與機器人的空間坐標建立起一個一一對應關係，在光學跟蹤儀坐標系的每個位置坐標都可以唯一而準確地映射到機器人坐標系的相應位置，而機器人坐標系的每個位置坐標也可以唯一而準確地映射光學跟蹤儀坐標系的相應位置，其轉換公式為pRBT＝T-1*pNDIpNDI＝T*pRBT由於所有的轉換都是剛體變換，這種映射是一一對應的。
全文摘要
一種外科手術導航系統基於光學定位的機器人手術定位方法，首先在機器人基座上設計三個標誌位，用以標誌機器人基準坐標系的兩個坐標軸方向；再通過光學跟蹤儀定位指針來提取這三個標誌，並讓機器人探針和光學跟蹤儀定位指針對接時同時採集空間同一坐標點；最後通過空間坐標轉換算法，實現光學跟蹤儀與機器人系統的坐標互換；本發明克服了主動式醫療機器人不能方便註冊病人身上標記點的缺陷，將智能機械臂和光學跟蹤儀成功集成用於臨床實踐，使手術定位更精確，成功率更高；簡便有效的空間映射算法，解決了光學跟蹤儀、機器人、手術三者空間之間複雜繁瑣的映射關係，操作簡單實用，對手術環境要求也不高，便於實際推廣使用。
文檔編號A61B19/00GK1650813SQ200510013190
公開日2005年8月10日 申請日期2005年2月6日 優先權日2005年2月6日
發明者關偉, 王榮軍 申請人:天津市華志計算機應用有限公司