基于定位板的机器人辅助穿刺系统及穿刺轨迹获取方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于定位板的机器人辅助穿刺系统及穿刺轨迹获取方法，包括CT扫描仪、机器人、机器人控制器以及定位板；定位板的长轴中心线开设凹槽，并置入钢丝，在顶端上设置有钢丝作为标记物；定位板放置于CT扫描仪机床正确位置；用于辅助CT扫描仪获取扫描对象空间坐标；同时建立的定位板和扫描影像坐标系；机器人末端执行器连接穿刺针，通过定位板坐标系与机器人基坐标系转换，可获取末端执行器中穿刺针的穿刺轨迹；随之机器人可根据轨迹坐标指令进行移动穿刺；本发明专利技术可协助医护人员进行穿刺，有助于极大地减少穿刺手术对医护人员经验的依赖，且可精确且简单地获取目标空间坐标，快速形成穿刺轨迹，无需反复调节穿刺角度和穿刺深度。

【技术实现步骤摘要】
基于定位板的机器人辅助穿刺系统及穿刺轨迹获取方法
本专利技术属于医疗器械领域，具体涉及一种基于定位板的机器人辅助穿刺系统及穿刺轨迹获取方法。
技术介绍
随着放射学和介入技术的不断发展，CT引导介入穿刺已被广泛应用于临床。计算机断层扫描(CT)具有较高的空间分辨率和密度分辨率，可以快速，清晰地显示身体各部位病变的解剖位置和结构。然而，采用传统的CT引导穿刺方法，需进行反复的CT扫描验证，以确保穿刺的准确性，由此便增加患者的辐射剂量和并发症。近年来，机器人穿刺技术已逐渐应用于临床，该技术的核心是为提高穿刺的准确性，且不增加对病人的损伤。故该技术涉及病变的定位精度，穿刺路径设计的合理性以及机机器人运动的准确性。目前，市面上常见的穿刺机器人有iSYSMedizintechnik、MAXIO和Zerobot，但这些机器人都不具备坐标定位的功能，无法将靶区目标点转换为实际的空间坐标。在实际操作中，仍存在定位不准确、操作繁琐等缺点；故研究一种简单可行的穿刺系统用于辅助临床上的穿刺显得尤为重要。
技术实现思路
为了解决了现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于定位板的机器人辅助穿刺系统，解决临床上对病灶位置定位不准确、穿刺过度依赖经验的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是，一种基于定位板的机器人辅助穿刺系统，包括CT扫描仪、机器人、机器人控制器以及定位板；CT扫描仪用于获取穿刺过程中目标区域的扫描图像；机器人控制器与机器人通过I/O接口连接，机器人控制器用于控制机器人的输出端沿着预设路径移动至目标区域；定位板设置在CT扫描仪上，CT扫描仪能扫描得到垂直于定位板的影像；所述扫描面垂直于定位板的长度方向，沿定位板的中心线开设凹槽，所述凹槽中设置有钢丝，定位板上设置有标记物；定位板设置在CT扫描仪机床上；定位板用于辅助CT扫描仪的扫描面用于建立定位板和扫描影像坐标系；机器人机械臂的自由端设置机器人末端执行器，机器人末端执行器连接穿刺针，机器人末端执行器带动穿刺针向目标区域执行穿刺动作。所述凹槽的深度为2mm，钢丝的长度为75～85cm，直径为2mm。定位板的材质为有机玻璃。机器人设置在CT扫描仪的一侧，机器人底部设置有滑轨，机器人采用KR5sixxR65、Viper650或VisionrobotVR6。机器人的自由端设置有机器人末端执行器，末端执行器包括法兰盘和连接杆，法兰盘与机器人机械臂自由端连接，法兰盘中心开设有连接螺纹孔，连接杆与法兰盘螺纹连接，连接杆的端部开设穿刺针孔，穿刺针孔垂直穿过连接杆的中心轴线，穿刺针孔处设置紧固螺钉，穿刺针装入穿刺针孔用紧固螺钉压紧。标记物采用金属材质；标记物设置在定位板的边缘靠近机器人的一角，标记物的设置深度与钢丝在定位板上的深度相同。机器人控制器采用电脑。基于本专利技术所述机器人辅助穿刺系统的穿刺轨迹建立方法，包括以下步骤：步骤1，将定位板安装在CT扫描仪上；步骤2，将CT扫描仪发射的示踪信号与定位板上的标记物重合；定位板的长边与CT扫描仪的纵轴平行，并标记物视为定位板的原点；步骤3，建立以步骤2所述标记物为原点的穿刺针运动轨迹的坐标系，获取目标穿刺针运动轨迹的空间坐标，根据标记物的所在切面和穿刺目标点切面，分别得出标记物与穿刺目标点在Y轴方向的距离y，穿刺针目标点包括穿刺针起点和终点；根据CT扫描仪的扫描影像确定穿刺针的起点和终点；步骤4，转换定位板与扫描影像坐标系与机器人基坐标系，根据机器人基坐标系与定位板坐标系之间的转换关系，得到穿刺针与A点与B点重合的轨迹。步骤3中，标记物所在切面中，标记物至金属丝的距离x1，目标点切面中，标记物与目标点之间的距离x2，得出标记物与目标点X轴方向的距离为x＝x1-x2；同理，得到A点和B点与标记物的Z轴距离，进而得出目标点在定位板和扫描影像坐标系中的坐标为(x,y,z)；进一步得到A点与B点相对于标记物的空间坐标：(xa,ya,za)和(xb,yb,zb)。步骤4具体如下：S1，对机器人建立笛卡尔坐标系，获取机器人杆件的几何参数、关节变量以及D-H参数；S2，根据S1中建立的关于机器人的笛卡尔坐标系，以基座标系和机器人的第一关节坐标系：基座标系和机器人的第一关节坐标系之间的关系可以通过如下变换：先绕Z0轴转动θ1角度，其次沿Z0轴平移d1单位距离，然后沿着X0轴平移l1单位距离，最后绕X0轴转动α1角度，得到基座标系和机器人的第一关节坐标系的坐标变换关系：式中，sθ1＝sinθ1，sa1＝sinα1，cθ1＝cosθ1，cα1＝cosα1；同理可以得到第一关节坐标系与第二关节坐标系之间的坐标变换关系1A2、第二关节坐标系与第三关节坐标系之间的坐标变换关系2A3、第三关节坐标系与第四关节坐标系之间的坐标变换关系3A4、第四关节坐标系与第五关节坐标系之间的坐标变换关系4A5以及第五关节坐标系与第二关节坐标系之间的坐标变换关系5A6；机器人末端执行器坐标系与基坐标系之间的转换关系为：0T6＝0A11A22A33A44A55A6；S3，定位板和扫描影像坐标系之间的转换关系具体为：定位板绕Z轴旋转θ角，再分别沿X,Y,Z轴平移dx，dy和dz与机器人基坐标系重合，根据坐标变换可以得到基坐标系与定位板坐标系之间的关系如下：S4，结合S3所得定位板与扫描影像坐标系之间的转换关系以及S2所得机器人末端执行器坐标系与基坐标系之间的转换关系，得到机器人末端执行器7与位板和扫描影像坐标系之间的转换关系：T＝0T6*T'。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：通过基于定位板的机器人辅助穿刺系统，可将穿刺目标固定于定位板上，定位板上设置钢丝和标记物，在扫描过程中，标记物和钢丝很清晰得显示在扫描图像中，对定位板以及待扫描区域在水平方向进行定位，通过CT扫描仪及自制的定位板结合能建立待穿刺区域的坐标系，能实现对待穿刺区域进行准确地空间定位，穿刺轨迹在可在多个扫描层面进行设计，也弥补了传统CT导航只能在单层层面设计穿刺的劣势；采用本系统能实现定位板和扫描影像辅助坐标定位，可以从多个维度分析穿刺最终的误差；采用机器人执行穿刺过程，就不存在视觉盲区，不存在人为有助于提高准确性，还能降低医师的工作强度，还能减少穿刺过程对高水平临床医生的依赖性基于本专利技术所述系统，结合定位板和CT扫描仪获得的扫描图像，建立基于定位板的空间坐标系，可快捷方便获取皮肤入刺点与靶区穿刺点相对于定位板原点空间坐标；采用坐标变换将待穿刺区域的坐标系和机器人末端的穿刺针坐标系进行统一，获取穿刺针的移动轨迹，通过定位板和扫描影像配合机器人定位穿刺，有利于提高穿刺路径的精准性，从而不需要反复地调节穿刺角度和穿刺深度，如此便减少了CT扫描次数，患者承受的辐射剂量也由此减小；在获得准确定位以及穿刺轨迹的情况下，穿刺过程由机器人执行。附图说明图1为本专利技术实施例提供的定位板的结构示意图；图2为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，包括CT扫描仪(3)、机器人(5)、机器人控制器(6)以及定位板(1)；CT扫描仪(3)用于获取穿刺过程中目标区域的扫描图像；机器人控制器(6)与机器人(5)通过I/O接口连接，机器人控制器(6)用于控制机器人(5)的输出端沿着预设路径移动至目标区域；/n定位板(1)设置在CT扫描仪(3)上，CT扫描仪(3)能扫描得到垂直于定位板(1)的影像；所述扫描面垂直于定位板(1)的长度方向，沿定位板(1)的中心线开设凹槽，所述凹槽中设置有钢丝(2)，定位板(1)上设置有标记物(12)；定位板(1)设置在CT扫描仪机床(4)上；定位板(1)用于辅助CT扫描仪(3)的扫描面用于建立定位板和扫描影像坐标系；/n机器人(5)机械臂的自由端设置机器人末端执行器(7)，机器人末端执行器(7)连接穿刺针(8)，机器人末端执行器(7)带动穿刺针(8)向目标区域执行穿刺动作。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，包括CT扫描仪(3)、机器人(5)、机器人控制器(6)以及定位板(1)；CT扫描仪(3)用于获取穿刺过程中目标区域的扫描图像；机器人控制器(6)与机器人(5)通过I/O接口连接，机器人控制器(6)用于控制机器人(5)的输出端沿着预设路径移动至目标区域；
定位板(1)设置在CT扫描仪(3)上，CT扫描仪(3)能扫描得到垂直于定位板(1)的影像；所述扫描面垂直于定位板(1)的长度方向，沿定位板(1)的中心线开设凹槽，所述凹槽中设置有钢丝(2)，定位板(1)上设置有标记物(12)；定位板(1)设置在CT扫描仪机床(4)上；定位板(1)用于辅助CT扫描仪(3)的扫描面用于建立定位板和扫描影像坐标系；
机器人(5)机械臂的自由端设置机器人末端执行器(7)，机器人末端执行器(7)连接穿刺针(8)，机器人末端执行器(7)带动穿刺针(8)向目标区域执行穿刺动作。


2.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，所述凹槽的深度为2mm，钢丝(2)的长度为75～85cm，直径为2mm。


3.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，定位板(1)的材质为有机玻璃。


4.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，机器人设置在CT扫描仪(3)的一侧，机器人底部设置有滑轨，机器人采用KR5sixxR65、Viper650或VisionrobotVR6。


5.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，机器人(5)的自由端设置有机器人末端执行器(7)，末端执行器(7)包括法兰盘和连接杆，法兰盘与机器人机械臂自由端连接，法兰盘中心开设有连接螺纹孔，连接杆与法兰盘螺纹连接，连接杆的端部开设穿刺针孔，穿刺针孔垂直穿过连接杆的中心轴线，穿刺针孔处设置紧固螺钉，穿刺针(8)装入穿刺针孔用紧固螺钉压紧。


6.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，标记物(12)采用金属材质；标记物(12)设置在定位板的边缘靠近机器人的一角，标记物(12)的设置深度与钢丝(2)在定位板(1)上的深度相同。


7.根据权利要求1所述的基于定位板的机器人辅助穿刺系统，其特征在于，机器人控制器(6)采用电脑。


8.基于权利要求1所述机器人辅助穿刺系统的穿刺轨迹建立方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将定位板(1)安装在CT扫描仪(3)上；
步骤2，将CT扫描仪(3)发射的示踪信号与定位板(1)上的标记物(12)重合；定位板(1)的长边与CT扫描仪(3)的纵轴平行，并标记物(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏鹏，张惟帆，李小虎，牛刚，刘世杰，黄晓玮，赵欣惠，刘昭，党慧，
申请(专利权)人：西安交通大学医学院第一附属医院，
类型：发明
国别省市：陕西;61