基于表面跟踪的打钉手术机器人系统及控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于表面跟踪的打钉手术机器人系统及控制方法，其中，该系统包括：机械臂、手术器械、表面扫描装置和工作站，其中，机械臂具有平动自由度和旋转自由度，用于移动手术器械；手术器械安装在机械臂前端，用于对手术目标进行钻孔打钉；表面扫描装置，用于获取手术区域物体的表面三维几何信息和颜色信息；工作站通过数据线分别与机械臂和表面扫描装置连接，用于对表面三维几何信息和颜色信息进行处理，得到手术目标和手术器械的相对位姿，对钻孔打钉路径进行规划以及控制机械臂运动。该系统直接根据表面图像进行控制无需额外光学标志，设备简单，操作流程简洁，且可根据术中实时反馈的图像信息进行反馈调整，具有较高打钉精度。

【技术实现步骤摘要】
基于表面跟踪的打钉手术机器人系统及控制方法
本专利技术涉及手术机器人
，特别涉及一种基于表面跟踪的打钉手术机器人系统及控制方法。
技术介绍
精确钻孔是椎弓根螺钉植入等骨科手术中常见的手术步骤。钻孔的精度，包括入钉点的位置和钻孔的方向，都直接影响到手术的最终效果，而不正确的钻孔操作将可能造成对患者的致命伤害。为了提高钻孔操作的精度，机器人和计算机技术近年来逐步应用于临床手术，目前市场上也有众多的手术导航或手术机器人的商用产品可供医生选择。目前大多数用于钻孔打钉操作的手术导航系统或者手术机器人系统都是基于光学定位技术。这些系统中，目标骨骼和手术器械上安装了光学标志，光学定位相机可以通过跟踪这些光学标志的状态来间接得获得目标骨骼和手术器械额位姿，从而为机器人系统或者医生提供导航信息。尽管现有的导航方式借助光学定位技术可以达到相当高的定位精度，但是其缺点也是明显的。首先，光学标志的安装和配准显著增加了操作复杂度和手术时长。其次，手术目标和手术器械的位姿是通过光学标志建立的复杂坐标变换链间接地获得的，而官光学标志的定位误差和配准误差，甚至术中光学标志的以外移动都会导致最终精度的下降，且这些精度的损失常常难以自动地被系统察觉到。此外，光学标志的安装还会带来额外的创伤。基于表面扫描的跟踪技术是克服上述光学标志定位方案缺点的潜在解决方法。借助表面扫描技术，目标的姿态和位置可以通过扫描数据和目标先验几何信息之间的配准来直接确定，而不用借助额外的光学标志。该技术已经被大量用于手术机器人和手术导航系统，特别是神经外科和颌面外科的应用。但目前这些系统对表面扫描技术的应用仍然局限在初始配准上，后续的手术导航仍然依赖于光学标志定位。由于没有完全跳出光学标志定位的方案，这些系统并不能完全克服流程复杂，定位误差难以感知以及标志安装增加患者创伤的缺点。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种基于表面跟踪的打钉手术机器人系统。本专利技术的另一个目的在于在基于表面跟踪的打钉手术机器人系统基础上提出一种打钉控制方法。为达到上述目的，本专利技术一方面实施例提出了基于表面跟踪的打钉手术机器人系统，包括：机械臂、手术器械、表面扫描装置和工作站，其中，所述机械臂具有至少三个平动自由度和两个旋转自由度，用于移动所述手术器械；所述手术器械安装在所述机械臂前端，用于对手术目标进行钻孔打钉；所述表面扫描装置，用于获取手术区域物体的表面三维几何信息和颜色信息；所述工作站通过数据线分别与所述机械臂和所述表面扫描装置连接，用于对所述表面三维几何信息和所述颜色信息进行处理，得到手术目标和手术器械的相对位姿，对钻孔打钉路径进行规划以及控制所述机械臂运动。本专利技术实施例的基于表面跟踪的打钉手术机器人系统，通过表面扫描的方法直接获得手术对象和手术器械表面的三维图像，以此实时跟踪手术对象和手术器械的相对位姿关系并反馈机器人运动，无需额外光学标志，设备简单，操作流程简洁，且可根据术中实施反馈的图像信息进行反馈调整，具有较高打钉精度。另外，根据本专利技术上述实施例的基于表面跟踪的打钉手术机器人系统还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述手术器械为钻孔导向器或电钻。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述手术器械的前端为圆柱形，其上有周向分布的槽、脊、喇叭形或锥形的末端。为达到上述目的，本专利技术另一方面实施例在基于表面跟踪的打钉手术机器人系统的基础上提出一种打钉控制方法，包括以下步骤：S1，预先获取术前三维图像信息，并根据所述术前三维图像信息规划打钉路径；S2，从所述术前三维图像信息中分割出手术目标的表面几何模型，并对所述表面几何模型进行预处理；S3，将所述表面扫面装置放置在预设位置，并调整所述机械臂的位置，使所述手术目标和所述手术器械在所述表面扫描装置的视野内；S4，利用所述表面扫描装置采集手术区域表面数据并传送至所述工作站，通过所述工作站的图形界面手动选取最新采集扫描数据中手术目标所在区域的轮廓；S5，利用奇异值分解法对机械臂基坐标系和表面扫描装置坐标系之间的姿态变换关系进行标定；S6，根据所述表面扫描装置最新扫描数据所述工作站解算目标打钉路径和手术器械间的位置和方向，计算出所述机械臂的运动量并控制所述机械臂运动，运动完成后再次采集手术区域的表面扫描数据；S7，迭代执行步骤S6直至所述目标打钉路径和所述手术器械间的对准误差小于预设的阈值，进行打钉钻孔操作。本专利技术实施例的打钉控制方法，通过表面扫描的方法直接获得手术对象和手术器械表面的三维图像，以此实时跟踪手术对象和手术器械的相对位姿关系并反馈机器人运动，无需额外光学标志，设备简单，操作流程简洁，且可根据术中实施反馈的图像信息进行反馈调整，具有较高打钉精度。另外，根据本专利技术上述实施例的打钉控制方法还可以具有以下附加的技术特征：进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S1中，预先利用CT或MR设备获取所述术前三维图像采集。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述预处理包括但不限于对所述表面几何模型进行数据下采样、降噪及手术时非显露区域的去除。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S5包括以下步骤：记录所述表面扫描装置追踪到的手术器械的初始时的位置和方向，并根据机器人运动学方法计算出初始时机械臂坐标系中手术器械的位置和方向；移动所述机械臂使所述手术器械指向与初始时不同的方向，记录所述表面扫描装置追踪到的手术器械当前的位置和方向，并根据所述机器人运动学方法计算出当前机械臂坐标系中手术器械的位置和方向；利用所述奇异值分解方法处理所述初始时机械臂坐标系中手术器械的位置和方向和所述当前机械臂坐标系中手术器械的位置和方向，以求解所述表面扫描装置坐标系和所述机械臂坐标系之间的姿态变换关系。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S6中，根据所述表面扫描装置的最新扫描数据所述工作站解算目标打钉路径的位置和方向，包括以下步骤：根据所述步骤S4中选取的手术目标所在区域，从所述最新扫描数据中将所选区域对应部分的表面数据分割出来；将分割出来的表面数据和预处理过的表面几何模型进行配准，以得到术前手术目标三维图像坐标系和表面扫描装置坐标系之间的第一位姿变换关系；根据所述第一位姿变换关系和所述术前手术目标三维图像坐标系中定义的目标手术路径的位置和方向，计算出所述表面扫描装置坐标系中目标手术路径的位置和方向。进一步地，在本专利技术的一个实施例中，所述步骤S6中，根据所述表面扫描装置的最新扫描数据所述工作站解算手术器械的位置和方向，包含以下步骤：根据所述手术器械的特殊颜色，通过自适应二值化和形态学运算操作处理所述最新扫描数据，将所述手术器械对应的表面数据分割出来；对分割出来的表面数据和所述手术器械的数模进行配准，以得到手术器械数模坐标系和表面扫描装置坐标系之间的第二位姿变换关系；根据所述第二位姿变换关系以及手术器械数模坐标系中手术器械的位置和方向，计算出所述表面扫描装置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于表面跟踪的打钉手术机器人系统，其特征在于，包括：机械臂、手术器械、表面扫描装置和工作站，其中，/n所述机械臂具有至少三个平动自由度和两个旋转自由度，用于移动所述手术器械；/n所述手术器械安装在所述机械臂前端，用于对手术目标进行钻孔打钉；/n所述表面扫描装置，用于获取手术区域物体的表面三维几何信息和颜色信息；以及/n所述工作站通过数据线分别与所述机械臂和所述表面扫描装置连接，用于对所述表面三维几何信息和所述颜色信息进行处理，得到手术目标和手术器械的相对位姿，对钻孔打钉路径进行规划以及控制所述机械臂运动。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于表面跟踪的打钉手术机器人系统，其特征在于，包括：机械臂、手术器械、表面扫描装置和工作站，其中，
所述机械臂具有至少三个平动自由度和两个旋转自由度，用于移动所述手术器械；
所述手术器械安装在所述机械臂前端，用于对手术目标进行钻孔打钉；
所述表面扫描装置，用于获取手术区域物体的表面三维几何信息和颜色信息；以及
所述工作站通过数据线分别与所述机械臂和所述表面扫描装置连接，用于对所述表面三维几何信息和所述颜色信息进行处理，得到手术目标和手术器械的相对位姿，对钻孔打钉路径进行规划以及控制所述机械臂运动。


2.根据权利要求1所述的基于表面跟踪的打钉手术机器人系统，其特征在于，所述手术器械为钻孔导向器或电钻。


3.根据权利要求1所述的基于表面跟踪的打钉手术机器人系统，其特征在于，所述手术器械的前端为圆柱形，其上有周向分布的槽、脊、喇叭形或锥形的末端。


4.一种基于权利要求1-3所述的基于表面跟踪的打钉手术机器人系统的打钉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，预先获取术前三维图像信息，并根据所述术前三维图像信息规划打钉路径；
S2，从所述术前三维图像信息中分割出手术目标的表面几何模型，并对所述表面几何模型进行预处理；
S3，将所述表面扫面装置放置在预设位置，并调整所述机械臂的位置，使所述手术目标和所述手术器械在所述表面扫描装置的视野内；
S4，利用所述表面扫描装置采集手术区域表面数据并传送至所述工作站，通过所述工作站的图形界面手动选取最新采集扫描数据中手术目标所在区域的轮廓；
S5，利用奇异值分解法对机械臂基坐标系和表面扫描装置坐标系之间的姿态变换关系进行标定；
S6，根据所述表面扫描装置最新扫描数据所述工作站解算目标打钉路径和手术器械间的相对位置和方向，计算出所述机械臂的运动量并控制所述机械臂运动，运动完成后再次采集手术区域的表面扫描数据；
S7，迭代执行步骤S6直至所述目标打钉路径和所述手术器械间的对准误差小于预设的阈值，进行打钉钻孔操作。


5.根据权利要求4所述的打钉控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，预先利用CT或MR设备获取所述术前三维图像采集。


6.根据权利要求4所述的打钉控制方法的控制方法，其特征在于，所述预处理包括但不限于对所述表面几何模型进行数据下采样、降噪及手术时非...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝世杰，郑钢铁，赵喆，潘勇卫，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11