外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法技术方案

一种外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法，首先在机器人基座上设计三个标志位，用以标志机器人基准坐标系的两个坐标轴方向；再通过光学跟踪仪定位指针来提取这三个标志，并让机器人探针和光学跟踪仪定位指针对接时同时采集空间同一坐标点；最后通过空间坐标转换算法，实现光学跟踪仪与机器人系统的坐标互换；本发明专利技术克服了主动式医疗机器人不能方便注册病人身上标记点的缺陷，将智能机械臂和光学跟踪仪成功集成用于临床实践，使手术定位更精确，成功率更高；简便有效的空间映射算法，解决了光学跟踪仪、机器人、手术三者空间之间复杂繁琐的映射关系，操作简单实用，对手术环境要求也不高，便于实际推广使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于立体定向外科手术的应用领域，特别涉及的是一种应用于医疗立体定向。
技术介绍
近年来，将机器人技术应用于医疗外科领域已受到世界发达国家的高度重视。机器人技术在外科领域的应用，不仅在手术精确定位、手术最小损伤、手术质量等方面带来一系列的技术变革，而且改变了常规医疗外科的许多概念，对新一代机器人化手术设备研制开发等方面具有十分重要的意义。机器人手术导航系统分为主动和被动两种对于被动式机器人，可以通过人工方式方便驱动机器人采集标记点进行手术空间映射，不过需要人工干预，耗费了医生体力，操作误差较大；对于主动式机器人，不需要人为干预，但是如果直接控制机器人采集病人标记点，效率低，精度差，手术的危险性也很大。天津市华志计算机应用有限公司开发生产的CAS-R-2型无框架立体定向手术系统，已在临床得到广泛应用，成功完成上千例临床手术，创直接经济效益数百万余元，但其技术尚不完善。首先，要求医生有清晰的三维空间概念，同时对被动机器人运动规律有一定的了解，这样在人工操作机器人时，才能较为灵活；其次，在实行手术导航时，采用人工牵引机器人识别标记点的方法，操作过程比较繁杂，需要较长的时间，对医生有一定的体力消耗，在手术过程中是应该尽量减轻的；再次，手术精度的保证是依靠人眼观察计算机屏幕来人为判断的，这样难以避免误差，对手术效果有影响；最后，由于机器人是无动力的，使得系统在技术上的进一步提高比较困难，不能满足外科手术发展的多样化需求。为了解决以上问题，迫切需要开发自动化程度高、安全可靠、成本低廉的新一代产品。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种，它是针对外科手术迫切需要解决的问题，开发自动化程度高、性能可靠的主动式医疗外科机器人手术定位装置及定位方法，使立体定向外科手术更精确，更简便，更广泛。本专利技术是通过以下技术方案实现的一种，首先在机器人基座上设计三个标志位，用以标志机器人基准坐标系的两个坐标轴方向，一般取X轴和Z轴；再通过光学跟踪仪(NDI POLARIS Optical TrackingSystem)定位指针来提取这三个标志，并让机器人与光学跟踪仪进行一次握手，即机器人探针和光学跟踪仪定位指针对接时同时采集空间同一坐标点，形成一个握手点对；最后通过空间坐标转换算法，实现光学跟踪仪与机器人系统的坐标互换。以下对本专利技术方法作进一步的描述，具体内容如下1、机器人基座上三个标志位的设计三个标志位即可以做在机器人本体的基座上，也可以做在特定的标志块上，只要保证标志位所标志的方向与机器人基准坐标系的坐标轴方向一致即可，这部分工作是机器人装配时就可以完成的。2、标志位注册及握手即两坐标系同时采集空间某一点，形成一个握手点对；光学跟踪仪的定位指针轻巧自如，使用方便，并且精度很高，用它来实现对标志位进行注册和与机器人的空间握手，既保证了精度，又省时省力，提高了手术效率，该部分是唯一需要人工干预的。3、坐标转换算法本专利技术提出了不共原点的坐标系坐标变换算法，采用机器人学的共原点坐标系回转变换算法能够快速地将任意的两正交坐标系转换成平行的两坐标系，即坐标轴平行且方向相同然后通过上述空间握手点对求出两坐标系的原点对向量即 最后求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵，从而实现两坐标系的任意坐标互换。具体算法如下采用机器人学的共原点正交坐标系回转变换算法。由坐标系oijk到达坐标系oi’j’k’可用欧拉变换的方法，连续三次绕不同坐标轴转动而得。过程如下■取kk’的公垂线ON，将i绕k轴回转θ角到达ON位置■将k绕ON回转φ中角到达k’；■将ON绕k’回转ψ角到达i′；则按上述回转变换顺序，有 ＝EkθEiφEkψ＝E求出两坐标系的原点对向量即 根据握手点P可知两向量 和 经过共原点正交坐标系回转变换后，oo′→=op→-o′p→;]]>求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵。生成转换矩阵T的方法也很简单，设光学设备(NDI)坐标系为0系，机器人坐标系(RBT)为0’系，R0＝oo′，P点在RBT系坐标(x’，y’，z’)，位置向量为R’o’，则在NDI系中，位置向量R为R＝R0+R’＝R0+E(R’o’)；(1.1)E为回转变换张量表示的变换矩阵，可视绕坐标轴回转或绕任意轴回转或绕原点回转等不同情况确定。式(1.1)齐次坐标型式R1=ER001R′0′1]]>即xyz1=a11a12a13x0a21a22a23y0a31a32a33z00001x′y′z′1]]>这样，光学跟踪仪与机器人的空间坐标建立起一个一一对应关系，在你NDI系的每个位置坐标都可以唯一而准确地映射到RBT系的相应位置，而RBT系的每个位置坐标也可以唯一而准确地映射NDI系的相应位置，其转换公式为pRBT＝T-1*pNDIpNDI＝T*pRBT由于所有的转换都是刚体变换，这种映射是一一对应的。本专利技术具有实质性特点和显著进步，本专利技术克服了主动式医疗机器人不能方便注册病人身上标记点的缺陷，将智能机械臂和光学跟踪仪成功集成用于临床实践，采用高精度的光学跟踪仪辅助定位，使手术定位更精确，成功率更高；简便有效的空间映射算法，解决了光学跟踪仪空间、机器人空间、手术空间之间复杂繁琐的映射关系，该方法操作简单实用，对手术环境要求也不高，便于实际推广使用。附图说明图1是本专利技术NDI与RBT坐标系示意图。具体实施例方式结合本专利技术的内容提供一下实施例，对本专利技术作进一步的陈述。如图1所示，以一例脑外科手术为例，基于P41.6MHz 256内存PC机，以结合NDI光学跟踪仪(NDI POLARIS OpticalTracking System)的机器人系统为例加以说明，具体步骤如下1.装配机器人时，将基座上装置三个标志位以标志机器人基准坐标系的两个方向轴，三个标志分别记为O、S、R， 表示机器人基准坐标系的i轴， 表示k轴；2.用NDI光学跟踪仪的定位指针采集机器人基座上装置的三个标志点，完成对机器人基准坐标系的注册，注册点坐标分别为O、S、R；3.用NDI光学跟踪仪的定位指针与机器人探针进行握手，即用NDI光学跟踪仪的定位指针采集空间某一点，如P，同时用机器人探针也采集该点坐标T，从而形成一握手点对。4.求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵。设光学设备(NDI)坐标系为0系，机器人坐标系(RBT)为0’系，R0＝oo′，P点在RBT系坐标(x’，y’，z’)，位置向量为R’o’，则在NDI系中，位置向量R为R＝R0+R’＝R0+E(R’o’)；(1.1)E为回转变换张量表示的变换矩阵，可视绕坐标轴回转或绕任意轴回转或绕原点回转等不同情况确定。式(1.1)齐次坐标型式R1=ER001R′0′1]]>即 xyz1=a11a12a13x0a21a22a23y0a31a32a33z00001x′y′z′1]]>这样，光学跟踪仪与机器人的空本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法，其特征在于：首先在机器人基座上设计三个标志位，用以标志机器人基准坐标系的两个坐标轴方向，取Ｘ轴和Ｚ轴；再通过光学跟踪仪定位指针来提取这三个标志，并让机器人与光学跟踪仪进行一次握手，即机器人探针和光学跟踪仪定位指针对接时同时采集空间同一坐标点，形成一个握手点对；最后通过空间坐标转换算法，实现光学跟踪仪与机器人系统的坐标互换。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：关伟，王荣军，
申请(专利权)人：天津市华志计算机应用有限公司，
类型：发明
国别省市：12[中国|天津]