手术机器人追踪和移动的方法及系统技术方案

本申请公开了一种手术机器人追踪和移动的方法及系统。该方法包括：对预先获取的骨骼的三维模型所在的三维模型坐标系与实体的骨骼所在的世界坐标系进行配准，以将世界坐标系配准到三维模型坐标系，得到配准结果；根据追踪相机实时获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的位置，确定机械臂末端的执行器、骨骼在世界坐标系下的实时空间位置，根据配准结果将其转换到三维模型坐标系中，获得执行器、骨骼在三维模型坐标系中的空间位置；根据当前目标区域的空间位置、机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内。本申请能够提高手术精准性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
手术机器人追踪和移动的方法及系统


[0001]本申请涉及计算机
，具体而言，涉及一种手术机器人追踪和移动方法及系统。

技术介绍

[0002]传统骨骼手术，例如，TKA手术(全膝关节置换术)，主要参考患者术前的影像学X线片，术中骨性标志进行测量后，手动放置截骨板进行操作，其操作主要依靠手术医生的技术与经验来判断截骨、假体位置和软组织的平衡情况，导致手术精准性较低。

技术实现思路

[0003]本申请的主要目的在于提供一种能够提高手术精准性的手术机器人追踪和移动的方法及系统。
[0004]为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种手术机器人追踪和移动的方法。根据本申请的手术机器人追踪和移动的方法包括：
[0005]对预先获取的骨骼的三维模型所在的三维模型坐标系与实体的骨骼所在的世界坐标系进行配准，以将世界坐标系配准到三维模型坐标系，得到配准结果；
[0006]根据追踪相机实时获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的位置，确定机械臂末端的执行器、骨骼在世界坐标系下的实时空间位置，根据配准结果将其转换到三维模型坐标系中，获得执行器、骨骼在三维模型坐标系中的空间位置；
[0007]根据当前目标区域的空间位置、机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内。
[0008]进一步的，所述方法还包括：
[0009]在执行器运行前，当机械臂运动至骨骼处时，根据执行器、当前目标区域在三维实体模型中的当前空间位置确定执行器的调节路径；
[0010]在三维模型中显示调节路径，以使操作者根据调节路径操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器的平面与当前目标区域共面。
[0011]进一步的，根据当前目标区域的空间位置、机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内的步骤包括：
[0012]在执行器的平面与当前目标区域共面之后，在机械臂被操作时，运行执行器；
[0013]启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上执行器相对于当前目标区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，F＝Δx*C，从而将执行器的运动限定在当前目标区域内。
[0014]进一步的，执行器向当前目标区域切入的方向记为进深方向，在当前目标区域内并与切入方向垂直的方向记为横向，与当前目标区域垂直的方向记为垂直方向；偏移量包括进深方向的偏移值、横向的偏移值、垂直方向的偏移值、绕进深方向旋转的偏移值、绕横
向旋转的偏移值、绕垂直方向旋转的偏移值；
[0015]进深方向上的虚拟弹簧的预设刚度值、横向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围均为0N/m～500N/m；
[0016]垂直方向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围为4000N/m～5000N/m；
[0017]以垂直方向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围为0Nm/rad～20Nm/rad；
[0018]以进深方向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的预设刚度值、以横向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的刚度值的取值范围均为200Nm/rad～300Nm/rad。
[0019]进一步的，对预先获取的骨骼的三维模型所在的三维模型坐标系与实体的骨骼所在的世界坐标系进行配准，以将世界坐标系配准到三维模型坐标系的步骤包括：
[0020]根据追踪相机获取的手术探针在世界坐标系的空间位置，确定手术探针在实体的骨骼上进行采点操作时的术中标记点在世界坐标系的空间位置；
[0021]获取骨骼的三维模型中骨骼上的术前规划点在三维模型坐标系的空间位置；
[0022]将术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准，得到粗配准矩阵；
[0023]根据追踪相机获取的手术探针在世界坐标系的空间位置，确定手术探针在实体的骨骼上进行划线操作时的划线点集在世界坐标系的空间位置；
[0024]根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维模型进行精配准，得到配准结果。
[0025]为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一种手术机器人追踪和移动的系统。
[0026]根据本申请的手术机器人追踪和移动的系统包括：
[0027]配准模块，被配置为对预先获取的骨骼的三维模型所在的三维模型坐标系与实体的骨骼所在的世界坐标系进行配准，以将世界坐标系配准到三维模型坐标系，得到配准结果；
[0028]追踪模块，被配置为根据追踪相机实时获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的位置，确定机械臂末端的执行器、骨骼在世界坐标系下的实时空间位置，根据配准结果将其转换到三维模型坐标系中，获得执行器、骨骼在三维模型坐标系中的空间位置；
[0029]运动控制模块，被配置为根据当前目标区域的空间位置、机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内。
[0030]进一步的，所述系统还包括：
[0031]平面对齐模块，被配置为在执行器运行前，当机械臂运动至骨骼处时，根据执行器、当前目标区域在三维实体模型中的当前空间位置确定执行器的调节路径；
[0032]显示模块，被配置为在三维模型中显示调节路径，以使操作者根据调节路径操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器的平面与当前目标区域共面。
[0033]进一步的，所述运动控制模块还被配置为：
[0034]在执行器的平面与当前目标区域共面之后，在机械臂被操作时，运行所述执行器；
[0035]启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度
方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上执行器相对于当前目标区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，F＝Δx*C，从而将执行器的运动限定在当前目标区域内。
[0036]一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。
[0037]一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。
[0038]上述手术机器人追踪和移动的方法、系统、计算机设备和存储介质，对预先获取的骨骼的三维模型所在的三维模型坐标系与实体的骨骼所在的世界坐标系进行配准，实现将世界坐标系配准到三维模型坐标系，可以在截骨过程中，实时追踪执行器、骨骼在世界坐标系下的实时空间位置，从而根据配准结果获得执行器、骨骼在三维模型坐标系中的空间位置，进而确定当前目标区域的空间位置、机械臂末端的执行器的空间位置，以控制机械臂，将执行器的运动限定在当前目标区域内。既可以防止对韧带、血管、神经等组织的损伤，也可以有效避免截骨量过多，提高了手本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种手术机器人追踪和移动的方法，其特征在于，包括：对预先获取的骨骼的三维模型所在的三维模型坐标系与实体的骨骼所在的世界坐标系进行配准，以将世界坐标系配准到三维模型坐标系，得到配准结果；根据追踪相机实时获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的位置，确定机械臂末端的执行器、骨骼在世界坐标系下的实时空间位置，根据配准结果将其转换到三维模型坐标系中，获得执行器、骨骼在三维模型坐标系中的空间位置；根据当前目标区域的空间位置、机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在执行器运行前，当机械臂运动至骨骼处时，根据执行器、当前目标区域在三维实体模型中的当前空间位置确定执行器的调节路径；在三维模型中显示调节路径，以使操作者根据调节路径操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器的平面与当前目标区域共面。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据当前目标区域的空间位置、机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内的步骤包括：在执行器的平面与当前目标区域共面之后，在机械臂被操作时，运行执行器；启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上执行器相对于当前目标区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，F＝Δx*C，从而将执行器的运动限定在当前目标区域内。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，执行器向当前目标区域切入的方向记为进深方向，在当前目标区域内并与切入方向垂直的方向记为横向，与当前目标区域垂直的方向记为垂直方向；偏移量包括进深方向的偏移值、横向的偏移值、垂直方向的偏移值、绕进深方向旋转的偏移值、绕横向旋转的偏移值、绕垂直方向旋转的偏移值；进深方向上的虚拟弹簧的预设刚度值、横向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围均为0N/m～500N/m；垂直方向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围为4000N/m～5000N/m；以垂直方向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围为0Nm/rad～20Nm/rad；以进深方向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的预设刚度值、以横向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的刚度值的取值范围均为200Nm/rad～300Nm/rad。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对预先获取的骨骼的三维模型所在的三维模型坐标系与实体的骨骼所在的世界坐标系进行配准，以将世界坐标系配准到三维模型坐...

【专利技术属性】
技术研发人员：张逸凌，刘星宇，
申请(专利权)人：张逸凌，
类型：发明
国别省市：