一种介入手术机器人系统、标定装置及标定方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及医疗器械技术领域，旨在提供一种介入手术机器人系统、标定装置及标定方法。该标定装置包括光学定位仪、标定工具、光学工具和标定板；标定工具的主体呈杆状，其一端设法兰盘用于连接至机械臂末端，杆状主体的末端呈半球体或球体；所述光学工具至少有三个，为带有反光球的刚体；在标定板的表面布设若干个竖向的支柱，支柱顶端具有与标定工具末端形状相配合的球形凹槽。介入手术机器人系统使用本发明专利技术的标定方法可在任意位置进行图像坐标系与机械臂坐标系的转换，减少因机械臂位置移动而带来的误差。而带来的误差。而带来的误差。

【技术实现步骤摘要】
一种介入手术机器人系统、标定装置及标定方法


[0001]本专利技术属于医疗器械
，具体涉及一种介入手术机器人系统、标定装置及标定方法。

技术介绍

[0002]经皮介入手术是指在医学影像(B超、MRI和CT等)的引导下，将手术器械(例如穿刺针、活检针、消融针等)准确置入病人体内器官进行组织提取或治疗，具有创伤小、并发症少及术后恢复快的特点，是传统开放式手术的重大变革。传统的介入手术主要依赖医生的经验和技能，使得治疗效果存在差异性，还存在穿刺过程中定位不准、路径规划困难的问题。
[0003]介入手术机器人通过使用三维路径规划、实时跟踪靶点等技术手段，可以将穿刺介入手术建立在更加科学、可控和具有预见性的基础上。介入手术机器人不仅能提高手术操作的精度，而且减少对医生经验的依赖，降低医生的劳动强度。介入机器人系统实现的关键在于：建立图像坐标系与机械臂坐标系之间的转换关系，建立转换关系的过程称为介入手术机器人的标定过程，在标定过程中需借助一定的工具。
[0004]现有的介入手术机器人的标定通常将光学工具安装在患者体表，利用光学定位仪来获取光学工具的物理空间位置信息，通过求解图像空间对应标记点与光学定位仪所获取的物理空间坐标之间的变换矩阵，实现图像空间与物理空间的统一。但上述标定方法对光学工具的安装位置要求较高，不能存在遮挡，且标定完成后，若机械臂位置发生改变，需重新进行标定。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种介入手术机器人系统、标定装置及标定方法。
[0006]为解决技术问题，本专利技术的解决方案是：
[0007]提供一种用于介入手术机器人的标定装置，包括光学定位仪、标定工具、光学工具和标定板；所述标定工具的主体呈杆状，其一端设法兰盘用于连接至机械臂末端，杆状主体的末端呈半球体或球体；所述光学工具至少有三个，为带有反光球的刚体；在标定板的表面布设若干个竖向的支柱，支柱顶端具有与标定工具末端形状相配合的球形凹槽。
[0008]作为优选方案，所述光学工具的刚体呈十字形，反光球固定在刚体上；刚体上设有螺孔，用于穿过螺钉进行安装。
[0009]作为优选方案，所述标定板为亚克力材料，其两侧设有把手。
[0010]作为优选方案，标定板表面的支柱至少有4个，且其高度各不相同；另配有与支柱数量相同的不透X光的陶瓷球，其直径与支柱顶端的凹槽相配合。
[0011]作为优选方案，所述法兰盘带有定位销。
[0012]本专利技术还提供了一种具有标定功能的介入手术机器人系统，包括导航主控电脑、扫描设备(CT)和带转向关节的机械臂，导航主控电脑通过有线或无线方式分别与扫描设备
和机械臂的驱动电机连接；该系统还包括权利要求1所述的标定装置；其中，光学定位仪与机械臂安装在同一基座上；其中两个光学工具安装在手术室CT床正上方的天花板上不同位置，用于辅助确认光学定位仪的位移情况；另一个光学工具安装在标定工具的杆状主体上，用于辅助确认机械臂的位移情况。
[0013]本专利技术进一步提供了介入手术机器人的标定方法，包括以下步骤：
[0014](1)获取标定工具末端球心在光学定位仪坐标系下的偏移向量；
[0015](2)获取标定工具末端球心在机械臂坐标下的偏移量；
[0016](3)利用步骤(1)、(2)得到的结果，对光学定位仪与机械臂的坐标系进行配准，得到两个坐标系之间的变换矩阵Mnu；
[0017](4)对CT扫描图像与机械臂坐标系进行配准，得到CT扫描图像与机械臂坐标系之间的变换矩阵Miu；
[0018](5)基于步骤(3)、(4)中不同坐标系配准的结果，将CT扫描图像中靶点的坐标转换为机械臂的坐标，从而完成介入手术机器人的标定。
[0019]本专利技术中，所述步骤(1)具体包括：
[0020](1.1)将光学工具安装在标定工具的杆状主体上，然后通过法兰盘将标定工具固定在机械臂的末端；以相同长度的标定工具替代实际将要使用的手术器械，使光学工具位于机械臂的工具中心点(TCP，Tool Central Point)位置，以此为基准进行标定操作；
[0021](1.2)以标定工具末端半球体或球体的球心为中心，通过操控机械臂使标定工具旋转，做小于60度角的锥形运动；同时，利用光学定位仪的配套系统软件获取标定工具末端球心和光学工具的偏移向量。
[0022]本专利技术中，所述步骤(2)具体包括：
[0023]利用机械臂示教器的工具中心点标定功能，以4个不同的姿态将标定工具末端的球心对准空间中的同一个点，获得机械臂的工具中心点与标定工具末端球心偏移向量。
[0024]本专利技术中，所述步骤(3)具体包括：
[0025](3.1)调整机械臂使其呈现K个不同的位姿，并确保标定工具上的光学工具始终面向光学定位仪；
[0026](3.2)根据步骤(1)、(2)得到的结果，得到标定工具末端球心分别在机械臂和光学定位仪坐标系下的K对不同坐标数据{N1,U1},{N2,U2}...{NK,UK}，所述的4≦K≦10；
[0027](3.3)利用K对坐标数据{N1,U1},{N2,U2}...{NK,UK}构建矩阵，对矩阵做奇异值(Singular Value Decomposition，SVD)分解，得到机械臂和光学定位仪坐标系之间的变换矩阵Mnu。
[0028]本专利技术中，所述步骤(4)具体包括：
[0029](4.1)将标定板放置在CT床板上固定不动，在其所有支柱顶端的凹槽中放置不透X光的陶瓷球作为靶点；对标定板进行CT扫描以获得图像，扫描过程中要确保所有的靶点均被包括在图像中；
[0030](4.2)打开标定板的CT扫描图像，识别图像中的球心坐标I1；在机械臂的示教器模式下，将标定工具末端的半球体或球体依次放入每一个支柱的凹槽中；记录机械臂的坐标U1，对CT扫描图像中的所有支柱依次进行上述操作，得到n组图像坐标和机械臂坐标，{I1,U1},{I2,U2},......{In,Un}；所述的4≤n≤10；
[0031](4.3)利用步骤(4.2)获得的n对坐标数据{I1,U1},{I2,U2},......{In,Un}构建矩阵，对矩阵做SVD分解，得到图像和机械臂坐标系之间的变换矩阵Miu。
[0032]作为优选方案，在所述步骤(4.1)中，调整标定板的位置后重新进行扫描；重复该操作获得至少3期CT扫描图像，任选其中一期图像用于步骤(4.2)的操作。
[0033]作为优选方案，所述步骤(5)具体包括：
[0034](5.1)在机械臂台车未移动的情况下，将CT扫描图像中靶点的坐标img0转换为机械臂坐标：u0＝Miu*img0；
[0035](5.2)在机械臂台车移动的情况下，按以下方式将CT扫描图像中靶点的坐标img0转换为机械臂坐标u1：
[0036](5.2.1)利用安装在手术室CT床正上方的天花板上不同位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于介入手术机器人的标定装置，其特征在于，包括光学定位仪、标定工具、光学工具和标定板；所述标定工具的主体呈杆状，其一端设法兰盘用于连接至机械臂末端，杆状主体的末端呈半球体或球体；所述光学工具至少有三个，是带有反光球的刚体；在标定板的表面布设若干个竖向的支柱，支柱顶端具有与标定工具末端形状相配合的球形凹槽。2.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述光学工具的刚体呈十字形，反光球固定在刚体上；刚体上还设有螺孔，用于穿过螺钉进行安装。3.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述标定板为亚克力材料，其两侧设有把手。4.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，标定板表面的支柱至少有4个，且其高度各不相同；另配有与支柱数量相同的不透X光的陶瓷球，其直径与支柱顶端的凹槽相配合。5.根据权利要求1所述的标定装置，其特征在于，所述法兰盘带有定位销。6.一种具有标定功能的介入手术机器人系统，包括导航主控电脑、扫描设备和带转向关节的机械臂，导航主控电脑通过有线或无线方式分别与扫描设备和机械臂的驱动电机连接；其特征在于，该系统还包括权利要求1所述的标定装置；其中，光学定位仪与机械臂安装在同一基座上；其中两个光学工具安装在手术室CT床正上方的天花板上不同位置，用于辅助确认光学定位仪的位移情况；另一个光学工具安装在标定工具的杆状主体上，用于辅助确认机械臂的位移情况。7.一种介入手术机器人的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)获取标定工具末端球心在光学定位仪坐标系下的偏移向量；(2)获取标定工具末端球心在机械臂坐标下的偏移量；(3)利用步骤(1)、(2)得到的结果，对光学定位仪与机械臂的坐标系进行配准，得到两个坐标系之间的变换矩阵Mnu；(4)对CT扫描图像与机械臂坐标系进行配准，得到CT扫描图像与机械臂坐标系之间的变换矩阵Miu；(5)基于步骤(3)、(4)中不同坐标系配准的结果，将CT扫描图像中靶点的坐标转换为机械臂的坐标，从而完成介入手术机器人的标定。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)具体包括：(1.1)将光学工具安装在标定工具的杆状主体上，然后通过法兰盘将标定工具固定在机械臂的末端；以相同长度的标定工具替代实际将要使用的手术器械，使光学工具位于机械臂的工具中心点位置，以此为基准进行标定操作；(1.2)以标定工具末端半球体或球体的球心为中心，通过操控机械臂使标定工具旋转，做小于60度角的锥形运动；同时，利用光学定位仪的配套系统软件获取标定工具末端球心和光学工具的偏移向量。9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括：利用机械臂示教器的工具中心点标定功能，...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡海蓉，
申请(专利权)人：浙江德尚韵兴医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：