CN114041875A - 一种一体式手术定位导航*** - Google Patents

一种一体式手术定位导航*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一体式手术定位导航***，该***包括成像设备、俯仰自适应装置以及标记物三个部分，俯仰自适应装置连接成像设备，搭载于手术机器人上，标记物分别置于末端执行器表面和患者病灶上方体表，标定确定多自由度机械臂各自由度精确运动方向，统一成像设备坐标系与机器人坐标系，基于对病灶标记物的检测和成像设备的测量位置进行多自由度机械臂在病灶远端的运动导航，基于对病灶标志物和执行器标记物的检测计算相对空间几何关系，执行多自由度机械臂在病灶近端的运动导航。本发明结构紧凑、流程简单，提高了手术机器人的智能化，自动化以及一体化程度；同时，通过实时追踪手术器械与病灶，对于病人位置移动有良好的鲁棒性。

Description

一种一体式手术定位导航***
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体为一种一体式手术定位导航***。
背景技术
机器人辅助外科手术是通过手术机器人代替医生完成一些传统的手术任务。机器人可以由医生操控或由医生经验训练。机器人辅助外科手术在结合医生经验的同时，具有精度高，工作稳定，无人手颤抖，简化工作步骤，规避辐射损伤，最小化手术损伤，减轻患者痛苦等优点。手术机器人的精准工作需要保证获取手术中病灶与手术器械的确切位置，来规划和引导机器人的动作执行。
当前的医学影像技术可以完成对患者病灶的检查和观察。常见的影像技术有CT扫描(Computer Tomography，计算机断层扫描)、MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像)，超声成像等技术。其中CT与MRI具有较高的分辨率可以获取精细的三维图像，但是缺乏实时导航能力，而且拍摄流程复杂；CT有辐射可能对患者造成损伤。超声成像可以实时获取病灶区域画面，但图像分辨率较低。这些成像技术可以实现对病灶附近组织器官的成像，不具备对病灶远端机器人的成像和导航。因此机器人辅助外科手术的完成除了需要医学影像技术之外，还需要在机器人端架设具备定位能力的导航***，追踪病灶和手术器械，与医学影像结合，完成全程手术操作。
当前常见的手术导航***根据空间定位原理的不同，可以大致分为光学导航和电磁导航两大类。光学导航是通过多个光学成像设备拍摄目标物体，或计算光线发射和从目标物返回的时间，然后通过几何关系计算出记号点的空间坐标。
专利CN 110025891A提出一种基于双目的手术视觉导航装置，利用双目视差的原理，测量手术器械和病人的标记物位置，实现追踪。
专利CN 113229937A提出一种通过结构光的成像设备进行手术导航，利用结构光扫描得到实时三维点云数据，***械和病灶，完成导航任务。
电磁导航一般利用空间线圈不同方向排列方式建立三维磁场空间，通过磁电敏感探头检测并计算出探头的空间参数。
专利CN113069206A提出一种基于电磁定位的增强现实手术导航***标定方法。该发明用于手术现场的快速标定，提高虚实融合的精度。
此外，也有将光学导航和电磁导航结合的工作，专利CN110537983A提出一种光磁一体的穿刺手术导航平台，同步采用电磁手术导航技术和光学手术导航技术，追踪穿刺针尖端，并将穿刺针进行三维重建。
然而，以上所述的导航设备主要采用独立的设计，一般与手术机器人分离架设，操作流程较为复杂，占据空间较大，此外，临床上现有的导航设备价格高昂，不利于普及。
发明内容
本发明的目的是提出一种一体式手术定位导航***，该***基于深度信息，采用手术定位导航装置与机械臂一体化的设计，可以在手术中实时追踪患者病灶的位置、机器人机械臂末端器械的位置和姿态等信息，为手术机器人提供精准的实时定位导航。
本发明的手术定位导航***分为成像设备，俯仰自适应装置以及标记物三个部分，成像设备与俯仰自适应装置连接，搭载在多自由度机械臂上，标记物是分别设置在患者病灶上方体表的点集(点数为M)和末端执行器外壳上的点集(点数为E)。成像设备捕捉深度和RGB图像信息，通过处理得到患者病灶的位置、机器人机械臂末端器械的坐标和姿态等信息，俯仰自适应装置根据病灶位置信息自动调节成像设备拍摄角度，可以实现手术全程的病灶追踪和手术器械导航。俯仰自适应装置调节成像设备拍摄方向，保持病灶标记物在视野中；成像设备识别并测量标记物，通过处理几何关系，确定病灶相对机器人的空间位置关系。其中成像设备可以同时获取深度信息和RGB图像信息，深度信息与RGB图像信息相匹配，图像用于识别标记物，并获得其中心位置，利用深度信息获得该中心位置在相机坐标系当中的坐标。末端执行器标记物与病灶标记物被区分。病灶标记物与病灶以及穿刺路径的相对几何关系在术前通过CT等医学影像已计算获得。病灶标记物点集坐标用于计算病灶以及穿刺路径位于机器人坐标系中的坐标，或末端执行器相对病灶的几何关系。俯仰自适应装置根据病灶坐标自动调节成像设备朝向，保证病灶标记物始终位于成像视野中。所述成像设备具体可采取双目立体视觉相机，结构光立体视觉相机或激光雷达加RGB摄像头的方式。所述的俯仰自适应装置由电机驱动模块，旋转编码器，联轴器和相机固定支架组成。电机驱动模块包括电机和驱动器，相机固定支架包括一组固定支架，用于连接电机，成像设备，编码器和机械臂。工作中，驱动器驱动电机控制成像设备旋转，成像设备的旋转被旋转编码器即时测量读取，用于姿态调节的闭环控制，电机根据成像设备测量得到的病灶标记物空间位置坐标，实时控制成像设备的俯仰，保持病灶标记物持续在视野中。
在本发明中，成像设备可以采用一组激光雷达和一个RGB相机组成。激光雷达遥感技术是基于TOF激光测距的原理，利用激光发射器和接收器测量激光从成像设备到目标物体的飞行时间从而获知距离，并采用微型微机电***控制反射镜扫描空间场景，获取全视野内物体点的深度信息，构建以雷达为原心的球坐标系，实现高分辨率的实时三维成像。RGB相机与激光雷达相机视场相对应。本发明利用RGB相机获取手术图像，识别患者体表和末端执行器上的标记物点集在RGB手术图像中的位置，激光雷达获取该位置的坐标作为该标记物点集的空间坐标。通过处理标记物点集坐标信息，获取病灶和手术器械的空间位置和姿态。
俯仰自适应装置包括电机，编码器，联轴器和相机支架。相机支架连接多自由度机械臂、电机、成像设备和编码器，成像设备通过联轴器分别与电机和编码器连接。电机驱动成像设备旋转，编码器测量成像设备旋转角度。手术过程中，成像设备实时获取病灶位置，俯仰自适应装置控制成像设备旋转，使病灶标记物点集始终保持在视野内居中的位置。一体式手术定位导航即指成像设备连接在多自由度机械臂上工作，而非分离摆放。俯仰自适应装置的目的是保证成像设备在跟随机械臂移动时始终保持对病灶的摄录和位置测量。
标记物分为病灶标记物和末端执行器标记物两类，均由若干个形状固定的图案块组成。病灶标记物为一组贴纸，由医生在术前分散地贴在患者胸腔内病灶上方的身体表面上，数目为M,M可以取4，也可以取其他数值。末端执行器标记物是末端执行器外壳表面的一组标记点图案，数目为E,E可以取12，也可以取其他数值。
多自由度机械臂包含底盘、XYZ三维移动平台、三轴云台模块，以及机械臂闭环控制模块。底盘底部配有重心水平可调节的万向轮，可实现穿刺机器人整体的移动和定点锚定。XYZ三维移动平台使用滚珠丝杆制动，精度高，稳定性强，用于将手术末端执行器移动至指定空间位置。三轴云台模块包含偏航调节单元、滚转调节单元与俯仰调节单元，用于调节末端执行器至指定姿态。多自由度机械臂目的是实现末端执行器在手术区域的全维位置与姿态调整。
本发明提出的一种一体式手术定位导航***工作原理包括标定导航坐标系，远端导航和近端导航三部分。手术期间，多自由度机械臂带动末端执行器由远及近地向病灶移动，对于一体式手术定位导航***而言，手术前期，多自由度机械臂和末端执行器距离病灶较远，在保证病灶标记物点集处于成像设备视野内时不能同时保证末端执行器也在成像设备视野内，这一阶段采用远端导航进行处理。手术后期，末端执行器向病灶移动，当病灶标记物与末端执行器标记物同处于成像设备视野内时，可采用近端导航进行处理。该设计的目的是保证一体式手术定位导航***在手术各个阶段完成精确的定位与导航。
标定导航坐标系的目的是确定多自由度机械臂各自由度精确运动方向，统一成像***坐标系与机器人坐标系。首先建立机械臂世界坐标系，即机器人坐标系，确定坐标系坐标原点位置，测量成像设备旋转中心与成像设备原点的空间位置。其次，分别控制多自由度机械臂三维平台移动，通过测量一个固定位置标记物的在成像设备中的移动方向来确定多自由度机械臂三维移动平台各自由度的移动方向。最后，控制末端执行器在成像设备视野内多次旋转，通过测量标记点的旋转方向来确定多自由度机械臂三轴云台各自由度的移动方向。
远端导航是指在手术前期，首先，多自由度机械臂处于复位状态时，启动导航模块，调整成像设备角度，将病人病灶标记物至于成像设备视野中央。接着，通过RGB图像识别病灶标记物点集，成像设备检测病灶标记物点集空间位置，获取其在成像***坐标系下的具***置。然后，通过坐标转换关系，将病灶标记物在成像***坐标系下位置转换为机器人坐标系坐标。接着通过将成像设备获取的病灶标记物点集的坐标与CT图像三维重建获得的病灶标记物点集坐标进行配准，得到对应的变换矩阵，利用该矩阵求得病灶和穿刺路径在机器人坐标系下位置，实现对机器人坐标系下病灶位置和穿刺路径的远端定位。
近端导航是指在手术后期，控制机械臂，将末端执行器移动到病灶近端，此时，成像设备视野内同时出现末端执行器标记物和病灶标记物。此时，首先，成像设备识别检测两类标记物，并获取对应位置信息，从中可以得到末端执行器标记物和病灶标记物之间相对关系，即末端执行器和病灶标记物的相对位置。然后同样通过点配准和矩阵变换将病灶投影进成像***坐标系，并对点云信息进行卡尔曼滤波处理消除噪声，从而可以得到病灶相对末端执行器的位置关系，以末端执行器上的器械尖端点为原点建立器械尖端坐标系，坐标系方向与机器人坐标系方向一致，实现对器械尖端坐标系下病灶位置和穿刺路径的近端定位。
本发明提出的一体式手术定位导航***结构紧凑，避免了分体式手术导航***的复杂度，提高易用性；同时简化了手术导航***使用条件，使手术机器人可以独立工作，增加使用场景；另外，本发明提出可以采用激光雷达与RGB图像融合的信息定位目标，能够精准引导手术器械，成本大大降低；通过实时追踪手术器械与病灶，对于病人位置移动有良好的鲁棒性；本发明为非接触式引导方案，提高手术效率以及智能化水平。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明手术定位导航***搭载在多自由度手术机器人的整机结构图。
图2是多自由度机械臂基底与Z轴移动平台的结构图。
图3是多自由度机械臂装置XY轴移动平台的结构图。
图4是机械臂云台及手术末端执行器的结构图。
图5是本发明手术定位导航***的结构图。
图6是本发明手术定位导航***的工作原理图。
图7是本发明远端导航示意图。
图8是本发明近端导航示意图。
图9是本发明坐标***示意图。
具体实施方法
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明一种实例，如图1所示为一种一体式手术定位导航手术机器人。该手术机器人由多自由度机械臂装置1，手术定位导航***2，手术末端执行器装置3组成。多自由度机械臂装置1包含底盘单元4，Z轴移动平台5，X轴移动平台6，Y轴移动平台7，滚转调节单元8，偏航调节单元9，俯仰调节单元10。多自由度机械臂装置1由以上单元逐一来连接而搭建。
图2所示底盘单元4主要由车体铝架11和万向快速锚定轮组12组成，万向快速锚定轮组12为四个附加支撑盘的万向轮，万向轮18移动到位后，可以旋转支撑盘19，与万向轮架20通过螺纹连接，旋转可降低高度，支撑地面，保持手术机器人位置。万向快速锚定轮通过与底板固连，底盘与车体铝架固连，使得底盘可以万向移动，到达目标位置后可以快速固定位置，调节机器水平情况。
Z轴移动平台5的滑动部分是由两道方型导轨平行固定在底盘铝架11上两根平行铝管上。如图3所示，X轴移动平台6，Y轴移动平台7的滑动部分别是由两道方型导轨28平行固定在平台铝架上的两根平行铝管上。Z轴移动平台5的滑台与X轴移动平台6，X轴移动平台6的滑台与Y轴移动平台7的滑台相连构成XYZ三维移动平台。该三维移动平台制动部分均配置有SFU-1605滚珠丝杆22，23，24，导程为4mm，由步进电机21，25，26驱动。(若配合57步进电机，可实现6cm/s的进针速度，可控精度小于0.1mm)。三维移动平台的滚珠丝杆均通过联轴器29，30与编码器27相连，闭环控制滑台移动。XYZ三维移动平台可实现末端执行器装置3在CT机病床上方目标穿刺位置的定位。
如图4所示，手术末端执行器装置3在CT机上方定位的同时，需要根据由CT图像得出的病灶位置及穿刺进针路径调整穿刺进针执行器的角度。所以利用滚转调节单元8、偏航调节单元9、俯仰调节单元10三个调节单元来调整末端执行器的最佳进针角度。滚转调节单元8，偏航调节单元9，俯仰调节单元10均采用回转轴承31搭建旋转中心，与轴承盒39固连，制动部分均采用涡轮蜗杆(如32)，步进电机(如33，37)驱动蜗杆，三个调节单元滑台34，35，36均与编码器(如40)相连(其中，34为滚转调节单元滑台，35为偏航调节单元滑台，36为俯仰调节单元滑台)，用于实现旋转的闭环控制。滚转调节单元8的基座与Y轴移动平台连接。滚转调节单元8的滑台与偏航调节单元9基座连接，偏航调节单元9的滑台与俯仰调节单元10基座连接，构成手术末端执行器装置云台，手术末端执行器装置3与云台上俯仰调节单元滑台36连接。通过三个调节单元的并行调用，可以实现手术末端执行器装置3的空间三维姿态调节。末端执行器标记物41贴在末端执行器外壳。
如图5所示，手术定位导航***2连接在Y轴移动平台7的下方中段，手术定位导航***主要包括两部分，一是用来获取深度信息和图像信息的成像设备，二是成像设备的姿态调节模块。本实例采用的一种成像设备方案为激光雷达与RGB相机结合的激光雷达相机13，姿态调节模块具体为俯仰调节装置14。激光雷达相机13采用TOF激光测距技术获取空间物体深度信息，采用RGB相机获取2D图像，空间物体深度信息与2D图像被匹配融合。本发明通过处理空间物体深度信息和2D图像，确定视野中目标物在相机坐标系中的坐标。俯仰调节装置14是由相机固定支架15连接Y轴移动平台7，步进电机16与编码器17，步进电机16和编码器17分别通过联轴器(如38)与激光雷达相机13连接，以实现相机成像视野的的俯仰调节。
成像设备具体还可采取双目立体视觉相机。双目立体视觉相机的成像是基于视差原理并利用相机从不同的位置拍摄含标记物的手术图像，标记物图案可以从图像中被分割出来，通过计算左右相机图像对应标记物点间的位置偏差，来获取标记物的三维几何信息。通过处理标记物点集三维坐标信息，可以获取病灶，穿刺路径和手术器械的空间位置和姿态，以及穿刺路径的空间位置。
成像设备采用结构光立体视觉相机也是一种可实施方法，结构光立体视觉相机的基本原理是，通过投影设备，将具有一定结构特征的光线投射到被拍摄物体上(即病人胸腔与机器人末端执行器)，再由摄像头对投影对象进行摄录。建立摄像头为原点的球坐标系作为成像***坐标系，为投射在目标物体上的光线，会因被摄物体表面深度不同，返回不同的图像相位信息，然后通过计算将这种相位的变化换算成深度信息，从而获得三维位置信息。标记物的位置会通过摄像头拍摄图像分割得到，通过相位计算，获取分割出来的标记物在空间中的位置信息。同样的，通过处理标记物点集三维位置信息，也可以获取病灶和手术器械的空间位置和姿态，以及穿刺路径的空间位置。
图6展示的是手术定位导航***的工作原理的一种实例，该工作原理包含标定导航坐标系，远端导航和近端导航三个部分。手术定位导航***以及手术机器人投入使用前，首先进行导航坐标系标定108。标定的目的是确定手术机器人运动坐标系方向以及激光雷达俯仰点坐标与旋转方向，当多自由度机械臂装置1的XYZ三轴都处于初始位置即零状态时，设Z轴移动平台顶部中心点为机器人坐标系103原点
Figure BDA0003371564100000071
机器人运动坐标系方向为
Figure BDA0003371564100000072
和
Figure BDA0003371564100000073
(
Figure BDA0003371564100000074
和
Figure BDA0003371564100000075
分别表示XYZ三维移动平台与滚转，偏航，俯仰三轴云台的运动方向)，激光雷达俯仰旋转点坐标Q为
Figure BDA0003371564100000076
激光雷达获取视野内物体的深度信息，并将其投影在成像***坐标系(即激光雷达球坐标系)102中。使用一个带有标记物的固定位置物块C标定
Figure BDA0003371564100000077
物块标记点Ch在成像***坐标系中坐标为
Figure BDA0003371564100000078
h为标记点序号,数目为G,G＝10(G取10为一种实例，也可以取其他值)，手术末端执行器A上标记物点坐标Af为
Figure BDA0003371564100000079
f为标记点序号,数目为E，E＝12(E取12为一种实例，也可以取其他值)。标定XYZ三轴移动方向时，采用物块标记点Ch作为参照物，计算移动单轴时标记物相对移动方向即为该轴方向。逐次移动X轴、Y轴或Z轴，分别计算物块标记点Ch平均坐标差
Figure BDA00033715641000000710
(Δrch、Δθch、Δφch分别表示移动平台运动前和运动后两个时刻下物块标记点坐标差)，并转换至直角坐标系，分别得到
Figure BDA0003371564100000081
作为
Figure BDA0003371564100000082
标定滚转俯仰偏航三轴移动方向时，采用手术末端执行器上标记点Af作为参照物，逐次旋转单轴，计算标记点轨迹在空间内所处的平面，三个平面即代表云台运动的三个方向。此外，测量获得激光雷达俯仰旋转点坐标Q。手术前会通过CT机获取病患肺部图像116，通过对CT图像进行图像分割105和三维重建106，得到CT坐标系101下病灶标记物点,病灶点云位置以及医生确认的穿刺路径107(穿刺路径起点位于胸腔表面，终点位于病灶中心)。
手术执行期间，机械臂先进行初始化112，完成设备自检。多自由度机械臂装置带动手术末端执行器装置由远及近地向病灶运动。手术前期，多自由度机械臂装置和手术末端执行器装置距离病灶较远，仅能保证病灶标记物处于成像设备视野内109，此时采用远端导航113，如图7所示，成像设备识别病灶标记物点集203，通过成像***坐标系102与机器人坐标系103的转换，将病灶标记物点集位置投影至机器人坐标系，再将机器人坐标系与CT坐标系下的病灶标记物点集进行点云配准201，获得变换矩阵并将病灶点202与穿刺路径起点206转换至机器人坐标系103，从而实现对机械臂运动的导航。工作中，激光雷达在X轴移动距离D，激光雷达相机实际信号接收端与激光雷达俯仰旋转点坐标Q之间距离L，俯仰调节角度为θ，此时，激光雷达相机实际接收点坐标为
Figure BDA0003371564100000083
进行远端导航，激光雷达观察病患病灶周围的标记物点集203，并返回病灶标记物点集坐标204为
Figure BDA0003371564100000084
u为病灶标记物序号，数量为M,M＝4，(M取4为一种实例，也可以取其他值)，Pu是以R为中心的成像***坐标系上的点。将成像***坐标系上的点Pu转换为R为原点的直角坐标系中点
Figure BDA0003371564100000085
Figure BDA0003371564100000086
即病灶标记物点集在机器人坐标系下坐标应为R和
Figure BDA0003371564100000087
对应xyz分量之和，为
Figure BDA0003371564100000091
从CT图像中获取到的各标记物点坐标205为
Figure BDA0003371564100000092
对Mu和Nu进行点集的配准201，104。
当手术末端执行器装置移动至病患病灶近端时，如图8所示，执行近端导航114，利用激光雷达相机同时观察(110)末端执行器装置和病灶附近两类标记物304，203，同时获取其坐标系信息，由此可以求得末端执行器标记物点集Af 302与病灶周围标记物303位置关系。匹配成像***坐标系中的和CT坐标系转换到球坐标系后中的病灶标记物点集301，即对点云
Figure BDA0003371564100000093
303与点云
Figure BDA0003371564100000094
305(Nu *是Nu在球坐标系下的投影)匹配301，104。代入已完成点云配准的最优旋转矩阵、平移矩阵，求出病灶与手术末端执行器装置之间的位置关系，即完成了不存在俯仰平移误差的病灶坐标B0的求解。考虑到手术末端执行器装置上末端执行器坐标的确立因人工操作而存在***误差，故本阶段内不再将病灶位置还原到机器人坐标系103中，转而将通过激光雷达测量末端执行器与病灶之间的相对位置关系控制末端执行器在三维空间上的移动实现对病灶的穿刺，该坐标系是在器械尖端上一固定点T′建立的器械尖端坐标系，坐标系方向与机器人坐标系方向一致。在末端执行器穿刺进针的过程中，激光雷达将始终追踪两类标记物，利用上述算法实现对病灶位置坐标的实施求解追踪,并计算穿刺路径起点坐标。其中，标记点测量存在噪声，利用卡尔曼滤波的方式，估算出最优的位置值。最后，将末端执行器与病灶的向量关系转换为机械臂各自由度运动量，调整机械臂，运动到准备进针位115。在整个进针过程，成像设备始终跟踪两类标记物，实现对病灶坐标和穿刺路径起点坐标的实时确认和修正111。
所述标定导航坐标系进行多自由度机械臂各自由度实际运动方向计算方法具体为：多次以单自由度移动末端执行器，通过成像设备测量和追踪标记物，计算标记物移动方向，作为机械臂各自由度实际运动方向，构建实际机器人坐标系。
所述远端导航进行病灶在机器人坐标系的坐标计算方法具体为：使用CNN卷积神经网络处理成像设备RGB图像，分割病灶标记物图案，提取轮廓计算中心点，获取病灶标记物点集在成像***坐标系(即深度相机球坐标系)中的坐标后，通过病灶标记物与病灶的相对几何关系计算病灶位于成像***坐标系中的坐标，通过成像***坐标系与机器人坐标系的转换矩阵，将病灶坐标投影至机器人坐标系。
所述近端导航进行手术器械与病灶的相对空间位置关系计算方法具体为：分割检测出病灶标记物和末端执行器标记物，以手术器械尖端为原点建立器械尖端坐标系，坐标轴方向与机械臂自由度运动方向一致。将病灶在成像***坐标系的坐标转换到器械尖端坐标系，以这个坐标系引导多自由度机械臂向病灶运动。
图9所示点云配准的一种具体实施方案，以图8中Pu和Nu *进行点集的配准301为例。配准的思想是根据两个待配准点集数据Pu和Nu *，首先构造局部几何特征，然后再根据局部几何特征进行点云数据重定位401，主要利用迭代算法402对Pu和Nu *两个点集数据进行配准。两个点集的对齐配准转换应使以下目标函数最小
Figure BDA0003371564100000101
其中S为旋转矩阵，T为平移矩阵,M为病灶标记物点数，||·||表示范数计算)，就是找到的待配准点云数据与参考点云数据之间的旋转参数和平移参数，使得两点集数据之间满足某种度量准则下的最优匹配403。在求出最优匹配的旋转矩阵S和平移矩阵T，对CT图像中求得的病灶中心坐标V0进行旋转和平移操作，得到在机器人坐标系下的病灶坐标404B0＝V0S+T，同理可以计算穿刺路径起点坐标。在已知病灶与穿刺路径起点在器械尖端坐标系坐标后，控制末端执行器移动至病患病灶。此外，图7中点云配准201采用相同方法，区别为配准点云为点集Mu与点集Nu 205。
本发明公开的一种一体式手术定位导航装置包括成像设备、俯仰自适应装置以及标记物三个部分。俯仰自适应装置连接成像设备，搭载于手术机器人上。标记物分别置于末端执行器表面和患者病灶上方体表。标定确定多自由度机械臂各自由度精确运动方向，统一成像设备坐标系与机器人坐标系。基于对病灶标记物的检测和成像设备的测量位置进行多自由度机械臂在病灶远端的运动导航。基于对病灶标志物和执行器标记物的检测计算他们的相对空间几何关系，执行多自由度机械臂在病灶近端的运动导航。实现一体式定位导航***对手术全程的实时精确导航，结构紧凑，流程简单，提高了手术机器人的智能化，自动化以及一体化程度。
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都-属于本发明保护的范围。本发明旨在采用一体式的手术定位导航***完成手术中对手术器械和操作的精确导航。

Claims (5)

1.一种一体式手术定位导航***，其特征在于，该手术定位导航***分为成像设备、俯仰自适应装置以及标记物三个部分，成像设备与俯仰自适应装置连接，搭载在多自由度机械臂上，标记物是分别设置在患者病灶上方体表的患者病灶标记物点集和末端执行器外壳上的末端执行器标记物点集，成像设备捕捉深度和RGB图像信息，通过处理得到患者病灶的位置、多自由度机械臂末端器械的坐标和姿态信息，俯仰自适应装置根据病灶位置信息自动调节成像设备拍摄角度，实现手术全程的病灶追踪和手术器械导航；所述成像设备和俯仰自适应装置构成导航装置，所述导航装置与多自由度机械臂固连，形成一体式手术机器人，而非导航装置与多自由度机械臂分离架设；
所述成像设备的一种具体实现方式是由一组激光雷达和一个RGB相机组成，激光雷达遥感技术是基于TOF激光测距的原理，利用激光发射器和接收器测量激光从成像设备到目标物体的飞行时间从而获知距离，并采用微型微机电***控制反射镜扫描空间场景，获取全视野内物体点的深度信息，构建以雷达为原心的球坐标系，实现高分辨率的实时三维成像，RGB相机与激光雷达相机视场相对应，利用RGB相机获取2D手术图像，空间物体深度信息与2D图像被匹配融合；识别患者病灶和末端执行器标记物点集在RGB手术图像中的位置，激光雷达获取该位置的坐标作为标记物点集的空间坐标；通过处理标记物点集坐标信息，获取病灶和手术器械的空间位置和姿态，以及穿刺路径的空间位置；
所述俯仰自适应装置包括电机、编码器、联轴器和相机支架，相机支架连接多自由度机械臂、电机、成像设备和编码器，成像设备通过联轴器分别与电机和编码器连接；电机驱动成像设备旋转，编码器测量成像设备旋转角度，实现旋转控制闭环；手术过程中，成像设备实时获取病灶位置，俯仰自适应装置控制成像设备旋转，使患者病灶标记物点集始终保持在视野内居中的位置；一体式手术定位导航即指成像设备直接连接在多自由度机械臂一固定位置上工作，而非分离摆放，俯仰自适应装置的目的是保证成像设备在跟随机械臂移动时始终保持对病灶的摄录和位置测量；
标记物分为患者病灶标记物和末端执行器标记物两类，均由若干个形状固定的图案块组成，患者病灶标记物为一组贴纸，由医生在术前分散地贴在患者胸腔内病灶上方的身体表面上，数目为M，M取大于或等于1的整数；末端执行器标记物是末端执行器外壳表面的一组标记点图案，数目为E，E取大于或等于1的整数；
所述手术定位导航***的工作原理主要包括标定导航***、远端导航和近端导航；标定导航***是指在术前测量成像设备中心与旋转轴与机器人坐标系原点的相对空间距离与转换矩阵，测量末端执行器标记物与手术器械尖端的相对空间距离，计算多自由度机械臂各自由度实际运动方向；手术中定位导航采用阶段式导航方法，利用远端导航和近端导航组合完成手术器械运动的导航：在机械臂末端距离病灶较远，即末端执行器不在成像设备视野时，启用远端导航，只识别和追踪病灶标记物，计算病灶以及穿刺路径在机器人坐标系的坐标；在机械臂末端距离病灶较近，即末端执行器进入成像设备视野时，启用近端导航模块，同时识别和追踪末端执行器和病灶标记物，计算手术器械与病灶的相对空间位置关系，并计算穿刺路径的位置坐标。
2.根据权利要求1所述的一体式手术定位导航***，其特征在于，所述多自由度机械臂包含底盘、XYZ三轴移动平台、三轴云台模块，以及机械臂闭环控制模块，多自由度机械臂装置由以上模块逐一连接搭建而成；底盘单元(4)主要由车体铝架(11)和万向快速锚定轮组(12)组成，万向快速锚定轮组(12)为四个附加支撑盘的万向轮，万向轮(18)移动到位后，旋转支撑盘(19)，与万向轮架(20)通过螺纹连接，旋转用于降低高度，支撑地面，万向快速锚定轮通过与底板固连，底盘与车体铝架固连，使得底盘能够万向移动，到达目标位置后快速锚定位置，并能调节机器水平情况；XYZ三维移动平台使用滚珠丝杆制动，精度高，稳定性强，用于实现末端执行器装置(3)在CT机病床上方目标穿刺位置的定位；Z轴移动平台(5)的滑动部分是由两道方型导轨平行固定在底盘铝架(11)上两根平行铝管上，X轴移动平台(6)、Y轴移动平台(7)的滑动部分别是由两道方型导轨(28)平行固定在平台铝架上的两根平行铝管上，Z轴移动平台(5)的滑台与X轴移动平台(6)，X轴移动平台(6)的滑台与Y轴移动平台(7)的滑台相连构成XYZ三轴移动平台，该XYZ三轴移动平台制动部分均配置有SFU-1605滚珠丝杆(22)、(23)、(24)，导程为4mm，由步进电机(21)、(25)、(26)驱动，所述XYZ三维移动平台的滚珠丝杆均通过联轴器(29)，(30)与编码器(27)相连，闭环控制滑台移动；
末端执行器装置(3)在CT机上方定位的同时，需要根据由CT图像得出的病灶路径及穿刺进针路径调整穿刺进针执行器的角度，利用滚转调节单元(8)、偏航调节单元(9)、俯仰调节单元(10)三个调节单元组成的三轴云台模块来调整末端执行器的最佳进针角度；滚转调节单元(8)，偏航调节单元(9)，俯仰调节单元(10)均采用回转轴承(31)搭建旋转中心，与轴承盒(39)固连，制动部分均采用涡轮蜗杆(32)，步进电机(33)、(37)驱动蜗杆，三个调节单元滑台(34)、(35)、(36)均与编码器(40)相连，其中，(34)为滚转调节单元滑台，(35)为偏航调节单元滑台，(36)为俯仰调节单元滑台，用于实现旋转的闭环控制；滚转调节单元(8)的基座与Y轴移动平台连接，滚转调节单元(8)的滑台与偏航调节单元(9)基座连接，偏航调节单元(9)的滑台与俯仰调节单元(10)基座连接，构成手术末端执行器装置云台，手术末端执行器装置(3)与云台上俯仰调节单元滑台(34)连接，通过三个调节单元的并行调用，实现手术末端执行器装置(3)的空间三维姿态调节；多自由度机械臂目的是实现末端执行器(3)在手术区域的全维位置与姿态调整。
3.根据权利要求2所述的一体式手术定位导航***，其特征在于，所述手术定位导航***的工作原理具体包括：
所述手术定位导航包含标定导航坐标系，远端导航和近端导航三个部分，手术定位导航***以及手术机器人投入使用前，首先进行导航坐标系标定(108)，标定的目的是确定手术机器人坐标系方向以及激光雷达俯仰点坐标与旋转方向，当多自由度机械臂装置(1)的XYZ三轴都处于初始位置即零状态时，设Z轴移动平台顶部中心点为机器人坐标系(103)原点
Figure FDA0003371564090000031
Figure FDA0003371564090000032
机器人坐标系方向为
Figure FDA0003371564090000033
和
Figure FDA0003371564090000034
其中
Figure FDA0003371564090000035
和
Figure FDA0003371564090000036
分别表示XYZ三维移动平台与滚转，偏航，俯仰三轴云台的运动方向，激光雷达俯仰旋转点坐标Q为
Figure FDA0003371564090000037
激光雷达获取视野内物体的深度信息，并将其投影在成像***坐标系(102)中，使用一个带有标记物的固定位置物块C标定
Figure FDA0003371564090000038
物块标记点Ch在成像***坐标系中坐标为
Figure FDA0003371564090000039
h为标记点序号，h＝1,2,…,G，手术末端执行器A上标记物点坐标Af为
Figure FDA00033715640900000310
f为标记点序号，f＝1,2,…,E，标定XYZ三轴移动方向时，采用物块标记点Ch作为参照物，计算移动单轴时标记物相对移动方向即为该轴方向，逐次移动X轴、Y轴或Z轴，分别计算物块标记点Ch平均坐标差
Figure FDA0003371564090000041
其中Δrch、Δθch、Δφch分别表示移动平台运动前和运动后两个时刻下物块标记点Ch的坐标差，并转换至直角坐标系，分别得到
Figure FDA0003371564090000042
作为
Figure FDA0003371564090000043
标定滚转俯仰偏航三轴移动方向时，采用手术末端执行器上标记点Af作为参照物，逐次旋转单轴，计算标记点轨迹在空间内所处的平面，三个平面即代表云台运动的三个方向，此外，测量获得激光雷达俯仰旋转点坐标Q，手术前会通过CT机获取病患肺部图像(116)，通过对CT图像进行图像分割(105)和三维重建(106)，得到CT坐标系(101)下病灶标记物点与病灶点云位置以及医生确认的穿刺路径(107)；
手术执行期间，机械臂先进行初始化(112)，完成设备自检，多自由度机械臂装置带动手术末端执行器装置由远及近地向病灶运动；手术前期，多自由度机械臂装置和手术末端执行器装置距离病灶较远，仅能保证病灶标记物处于成像设备视野内(109)，此时采用远端导航(113)，成像设备识别患者病灶标记物点集(203)，通过成像***坐标系(102)与机器人坐标系(103)的转换，将患者病灶标记物点集位置投影至机器人坐标系，再将机器人坐标系与CT坐标系下的病灶标记物点集进行点云配准(201)，获得变换矩阵并将病灶点(202)转换至机器人坐标系(103)，从而实现对机械臂运动的导航；在此过程中，激光雷达在X轴移动距离D，激光雷达相机实际信号接收端与激光雷达俯仰旋转点坐标Q之间距离L，俯仰调节角度为θ，此时，激光雷达相机实际接收点坐标为
Figure FDA0003371564090000044
进行远端导航，激光雷达观察病患病灶周围的标记物点集(203)，并返回病灶标记物点集坐标(204)为
Figure FDA0003371564090000045
u为病灶标记物序号，u＝1,2,…,M，Pu是以R为中心的成像***坐标系上的点，将成像***坐标系上的点Pu转换为R为原点的直角坐标系中点
Figure FDA0003371564090000051
即病灶标记物点集在机器人坐标系下坐标应为R和
Figure FDA0003371564090000052
对应xyz分量之和，为
Figure FDA0003371564090000053
从CT图像中获取到的各标记物点坐标(205)为
Figure FDA0003371564090000054
对Mu和Nu进行点集的配准(201)或(104)；
当手术末端执行器装置移动至病患病灶近端时，执行近端导航(114)，利用激光雷达相机同时观察(110)手术末端执行器装置和病灶附近两类标记物(304)和(203)，同时获取其坐标系信息，由此求得手术末端执行器标记物点集Af(302)与病灶周围标记物(303)位置关系，匹配成像***坐标系中的和CT坐标系转换到成像***坐标系后中的病灶标记物点集(301)，即对点云
Figure FDA0003371564090000055
与点云
Figure FDA0003371564090000056
匹配(301)或(104)，其中Nu *是Nu在成像***坐标系下的投影；代入已完成点云配准的最优旋转矩阵、平移矩阵，求出病灶与手术末端执行器装置之间的位置关系，即完成了不存在俯仰平移误差的病灶坐标B0的求解；考虑到手术末端执行器装置上末端执行器坐标的确立因人工操作而存在***误差，不再将病灶位置还原到机器人坐标系(103)中，转而将通过激光雷达测量末端执行器与病灶之间的相对位置关系控制末端执行器在三维空间上的移动实现对病灶的穿刺，在器械尖端上一固定点T′建立的器械尖端坐标系，坐标系方向与机器人坐标系方向一致，在末端执行器穿刺进针的过程中，激光雷达将始终追踪两类标记物，利用上述方法实现对病灶位置坐标的实施求解追踪，并计算穿刺路径起点坐标，其中，标记物点集测量存在噪声，利用卡尔曼滤波的方式，估算出最优的位置值，最后，将末端执行器与病灶的向量关系转换为机械臂各自由度运动量，调整机械臂，运动到准备进针位(115)，在整个进针过程，成像设备始终跟踪两类标记物，实现对病灶坐标和穿刺路径起点坐标的实时确认和修正(111)。
4.根据权利要求3所述的一体式手术定位导航***，其特征在于，以Pu和Nu *进行点集配准的(301)为例的点云配准的一种实施方法的工作原理为：根据两个待配准点集数据Pu和Nu *，首先构造局部几何特征，然后再根据局部几何特征进行点云数据重定位(401)，主要利用迭代算法(402)对Pu和Nu *两个点集数据进行配准，两个点集的对齐配准转换应使以下目标函数最小
Figure FDA0003371564090000061
就是找到待配准点云数据与参考点云数据之间的旋转参数和平移参数，使得两点集数据之间满足某种度量准则下的最优匹配(403)，其中S为旋转矩阵，T为平移矩阵，||·||表示范数计算；在求出最优匹配的旋转矩阵S和平移矩阵T后，对CT图像中求得的病灶中心坐标V0进行旋转和平移操作，得到在机器人坐标系下的病灶坐标(404)B0＝V0S+T；在已知病灶在机器人坐标系坐标后，控制末端执行器移动至病患病灶，此外，点云配准(201)采用相同方法，区别为配准点云为点集Mu与点集Nu(205)。
5.根据权利要求4所述的一体式手术定位导航***，其特征在于，所述成像设备可替换为采用双目立体视觉相机或结构光立体视觉相机的方式，其中，双目立体视觉相机的成像是基于视差原理并利用相机从不同的位置拍摄含标记物的手术图像，标记物图案从图像中被分割出来，通过计算左右相机图像对应标记物点间的位置偏差，来获取标记物的三维几何信息，通过处理标记物点集三维坐标信息，能够获取病灶、穿刺路径和手术器械的空间位置和姿态，以及穿刺路径的空间位置；
另外，结构光立体视觉相机的基本原理是：通过投影设备，将具有一定结构特征的光线投射到被拍摄物体上，再由摄像头对投影对象进行摄录，建立摄像头为原点的球坐标系作为成像***坐标系，为投射在目标物体上的光线，会因被摄物体表面深度不同，返回不同的图像相位信息，然后通过计算将这种相位的变化换算成深度信息，从而获得三维位置信息；标记物的位置会通过摄像头拍摄图像分割得到，通过相位计算，获取分割出来的标记物在空间中的位置信息；同样的，通过处理标记物点集三维位置信息，能够获取病灶和手术器械的空间位置和姿态，以及穿刺路径的空间位置，其中，所述拍摄物体为病人胸腔与末端执行器。
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