一种提高手术机械臂定位精度的方法技术

本发明专利技术公开了一种提高手术机械臂定位精度的方法，包括：建立CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系以及CBCT影像空间坐标系与机械臂坐标系的映射关系；在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，确定机械臂器械尖端最终的定位点位姿；判断A点与P点坐标是否超过偏差阈值，若机械臂尖端最终的定位点P与目标点A具有偏差，则获取A点和P点光学定位系统坐标系下的坐标，得到补偿后的定位点的目标运动位姿，从而减小定位点和目标点的定位偏差；本发明专利技术首先经过粗定位，机械臂末端相对病灶点的位移为毫米级，其经过坐标系转换后的误差积累大大减小，保障了手术安全。

【技术实现步骤摘要】
一种提高手术机械臂定位精度的方法
本专利技术涉及机械臂定位精度调节
，特别是涉及一种提高手术机械臂定位精度的方法。
技术介绍
随着科学技术水平的提高，在外科手术领域逐渐发展出手术机械臂，其主要配套设备有CBCT机和红外双目相机，在手术机械臂、CBCT机和病人病灶点附近的肢体上安装反光球，利用双目相机成像建立三者统一的空间坐标系，并以该坐标系为中介，将基于CBCT影像空间的病灶点坐标转换到基于机械臂空间坐标系的坐标，以实现机械臂定位病灶点。由于误差积累，病灶点距离机械臂越远，最终的定位误差越大，严重影响了手术安全。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种提高手术机械臂定位精度的方法，解决了机械臂定位误差大的问题。技术方案：一种提高手术机械臂定位精度的方法，包括：获取病灶点影像：将病人跟踪器固定在病人病灶点附近，并将CBCT机瞄准所述病人病灶点，保证CBCT机的靶罩和病人跟踪器均在光学定位系统的视野范围内，建立CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系；手术设备摆位：移走CBCT机，将机械臂移到病灶点附近，调整光学定位系统的监测方位，保证病人跟踪器和机械臂跟踪器均在其视野范围；配准：预设多个非共线且非共面的点，机械臂跟踪器依次运动到各个点，并自动读取各个点在机械臂尖端处的基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标，进而得到CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系R1；粗定位：在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，其中，B点为病灶点，A点为病人体表上方一点，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，从而确定机械臂尖端最终的定位点位姿；精定位：判断A点与P点坐标是否超过偏差阈值，若机械臂尖端最终的定位点P与目标点A具有偏差，则获取A点和P点光学定位系统坐标系下的坐标，进而得到补偿后的定位点的目标运动位姿，从而减小定位点和目标点的定位偏差。进一步的，包括：预设n个非共线且非共面的点，各个点基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标分别表示为pr1,pr2,pr3,......,prn；CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为：机械臂运动到每个点后通过TCP/IP通知导航读取机械臂尖端在光学定位系统坐标系的笛卡尔坐标，分别记为pe1,pe2,pe3,......,pen，设机械臂坐标系与导航坐标系的映射关系为R2，则其中，为R2的共轭，因此，得到R2，进一步的，CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为R3＝R1R2。进一步的，包括：其中，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，分别表示为Ar＝AcR3,Br＝BcR3，机械臂尖端最终的定位点P位姿为P(Ar,V)，其中，V为旋转矢量。进一步的，包括：旋转矢量为V＝Lθ/|L|，其中，L为旋转轴，表示为L＝D1×D2，θ为旋转角度，表示为θ＝cos-1(D1·D2/|D1·D2|)，D1＝Ar-Br，D2＝(0,0,|D1|)。进一步的，包括：将A点和P点进行补偿，通过光学定位系统获取A点和P点的坐标Ae，Pe，然后计算两者的相对位置Δe＝Ae-Pe，再将该相对位置转换到机械臂坐标系Δr＝ΔeR3，则补偿后的机械臂目标位姿为Q(Ar+Δr,V)。有益效果：本专利技术公开了一种提高手术机械臂定位精度的方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：本专利技术首先经过粗定位，机械臂末端相对病灶点的位移为毫米级，其经过坐标系转换后的误差积累大大减小，以此实现闭环定位，最终的定位精度可提高到0.5mm以内，保障了手术安全。附图说明图1为本专利技术具体实施方式中相关手术设备的结构图；图2为本专利技术具体实施方式中机械臂精定位示意图。具体实施方式下面结合具体实施方式和附图，对本专利技术的技术方案做进一步的介绍。本具体实施方式公开了一种提高手术机械臂定位精度的方法，该方法基于的手术设备包括：CBCT机1、机械臂2、光学定位系统3和病人跟踪器4，机械臂上设置有跟踪器，CBCT机上有靶罩11，靶罩是一种表面安装有反光小球的罩壳，用于光学定位器识别跟踪使用，其安装有反光小球，以便光学定位系统的识别，光学定位系统即为红外双目相机，病人跟踪器和机械臂跟踪器上也均安装有反光小球。跟踪器是一种安装有反光小球的医学定位装置，固定在病人身上就称它病人跟踪器，装在机械臂上就称它为机械臂跟踪器。机械臂跟踪器装在机械臂末端附近，尖端是机械臂最终定位的点，机械臂跟踪器只是安装在机械臂上辅助光学定位系统定位机械臂尖端。具体的，该方法包括：获取病灶点影像：将病人跟踪器固定在病灶点附近，并将CBCT机瞄准病人病灶点，移动光学定位系统到合适的位置，保证CBCT机的靶罩和病人跟踪器均在其视野范围，启动CBCT机扫描病灶点采集数据，并重建得到三维影像，于此同时便建立了CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系R1。手术设备摆位：移走CBCT机，将机械臂移到病灶点附近，根据光学定位系统捕获的影像，调整光学定位系统的监测方位，保证病人跟踪器和机械臂跟踪器均在其视野范围。配准：预设多个非共线且非共面的点，机械臂依次运动到各个点并自动读取各个点在机械臂尖端处的基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标，进而得到CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系。预设n个非共线且非共面的点，各个点基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标分别表示为pr1,pr2,pr3,......,prn；CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系表示为：机械臂运动到每个点后通过TCP/IP通知导航读取机械臂尖端在光学定位系统坐标系的笛卡尔坐标，分别记为pe1,pe2,pe3,......,pen，根据实验n＝5，定位精度最高。设机械臂坐标系与导航坐标系的映射关系为R2，则其中，为R2的共轭。根据奇异值分解法解析得到R2，因此，CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系为R3＝R1R2。粗定位：在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，其中，B点为病灶点，A点为病人体表附近一点，机械臂先运动到体表A点，再沿AB微调到体内B点，如果不进行补偿则机械臂会运动到非B点，本专利技术设该点为P点，对应的P点微调到C点，进而无法准确到达病灶点，将AP两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，从而确定机械臂跟踪器最终的定位点位姿。其中，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，分别表示为Ar＝AcR3,Br＝BcR3，通过两点计算机械臂尖端的位姿，旋转轴为L＝D1×D2，旋转角度为θ＝cos-1(D1·D2/|D1·D2|)则旋转矢量为V＝Lθ/|L|，其中，D1＝Ar-Br，D2＝(0,0,|D1|)，故机械臂尖端最终的定位点P位姿为P(Ar,V)。精定位：由于误差积累，机械臂末端一般只能到达A点附近的P点，AP约1～5mm，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高手术机械臂定位精度的方法，其特征在于：包括：/n获取病灶点影像：将病人跟踪器固定在病人病灶点附近，并将CBCT机瞄准所述病人病灶点，保证CBCT机的靶罩和病人跟踪器均在光学定位系统的视野范围内，建立CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系；/n手术设备摆位：移走CBCT机，将机械臂移到病灶点附近，调整光学定位系统的监测方位，保证病人跟踪器和机械臂跟踪器均在其视野范围；/n配准：预设多个非共线且非共面的点，机械臂跟踪器依次运动到各个点，并自动读取各个点在机械臂尖端处的基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标，进而得到CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系R

【技术特征摘要】
1.一种提高手术机械臂定位精度的方法，其特征在于：包括：
获取病灶点影像：将病人跟踪器固定在病人病灶点附近，并将CBCT机瞄准所述病人病灶点，保证CBCT机的靶罩和病人跟踪器均在光学定位系统的视野范围内，建立CBCT影像空间坐标系与光学定位系统坐标系的映射关系；
手术设备摆位：移走CBCT机，将机械臂移到病灶点附近，调整光学定位系统的监测方位，保证病人跟踪器和机械臂跟踪器均在其视野范围；
配准：预设多个非共线且非共面的点，机械臂跟踪器依次运动到各个点，并自动读取各个点在机械臂尖端处的基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标，进而得到CBCT影像空间坐标系到机械臂坐标系的转换关系R1；
粗定位：在CBCT机得到的影像中规划两点A、B，其中，B点为病灶点，A点为病人体表上方一点，将两点在CBCT影像空间坐标系中的坐标映射到机械臂坐标系中的坐标，从而确定机械臂尖端最终的定位点位姿；
精定位：判断A点与P点坐标是否超过偏差阈值，若机械臂尖端最终的定位点P与目标点A具有偏差，则获取A点和P点光学定位系统坐标系下的坐标，进而得到补偿后的定位点的目标运动位姿，从而减小定位点和目标点的定位偏差。


2.根据权利要求1所述的提高手术机械臂定位精度的方法，其特征在于：预设n个非共线且非共面的点，各个点基于机械臂坐标系的笛卡尔坐标分别表示为pr1,pr2,pr3,......,...

【专利技术属性】
技术研发人员：李劲生，程浩，
申请(专利权)人：南京普爱医疗设备股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32