本发明专利技术属于医疗技术领域，具体涉及一种神经外科穿刺手术导航机器人系统。本发明专利技术的系统包括：手术机械臂模块、机械臂控制模块、内窥镜系统与手术器械、导航与术中显示系统；采用机械臂固定内窥镜和精确调整内窥镜的空间位置以及控制手术器械。所述机械臂控制模块由机械臂控制柜、语音识别模块组成，内窥镜系统与手术器械将反光球固定在内窥镜和手术器械末端，采用光学跟踪仪实时追踪内窥镜与手术器械的空间位置；导航与术中显示系统，根据实时跟踪的手术器械与内窥的空间位置，变换到图像引导空间，进而实现内窥镜图像与术中器械在图像引导空间的实时显示与配准。本发明专利技术能高效、便捷、准确地进行内窥镜校准，内窥镜与手术器械的实时定位与跟踪，有利于提高神经外科穿刺手术的精准性和稳定性。精准性和稳定性。精准性和稳定性。
【技术实现步骤摘要】
一种高精度神经外科微创穿刺手术导航机器人系统
[0001]本专利技术属于医疗器械
，尤其涉及一种神经外科穿刺手术导航机器人系统。
技术介绍
[0002]临床实践显示，微创、准确、省时是现代外科学不断追求的目标。该目标的实现可以明显提高手术质量、减少病人的损伤与痛苦、缩短康复时间。
[0003]脑出血是一种常见、多发的脑血管疾病，其具有病情发展快，死亡率高等特点。目前，临床外科治疗脑出血的方式有多种，其中，微创穿刺治疗已成为主流方法。该方法的关键是血肿定位和穿刺，穿刺针体小(约3mm)，对脑组织创伤小，且无绝对禁忌症，不受患者年龄及脏器状态限制。
[0004]目前国内外对神经外科手术机器人的研究和应用依然不充分，而且手术系统尚未形成闭环控制，没有实现机器人末端执行器位姿的实时监测；一般基于患者头颅外部人为设置标记点的方法实现配准，配准时间长、配准精度有限。脑出血穿刺引流手术需要对脑部血肿进行精确定位，并且需要在穿刺引流时导航从而避开脑叶功能区、血管等，对于安全性要求很高。
[0005]为了实现手术器械的精准定位和在显示器上的实时跟踪，需要将患者的术前影像与患者的空间位置联系起来，该过程称为配准。为了解决基于标记点的配准方法的局限性，可使用面匹配配准技术实现，即在图像引导空间中选取具有丰富解剖标志的表面点云，然后，使用激光扫描仪等设备在病人空间获取相同部位的点云，并以两点云间对应点距离最小为准则，获得两点云间的坐标变换关系，从而完成空间配准任务。智能手术导航技术能够基于影像数据自动分割病灶，规划最佳活检位置，辅助医生利用机器人进行精准、高效地活检，使医生实时掌握手术器械相对于病灶区域的位置和方向，有助于提高病灶定位精度，降低手术创伤，提高手术效率和成功率。
[0006]目前临床实践中，亟需通过融合机器人技术实现机器人末端执行器位姿闭环控制的手术机器人，术前快速、准确的配准技术，以及手术机器人系统主动和被动安全控制策略,进而大幅提高手术质量与安全性是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
[0007]基于现有技术的现状，本申请的专利技术人拟提供一种高精度神经外科微创穿刺手术导航机器人系统，以缓解临床干预中穿刺手术的手术器械精准定位、精准控制和手术安全等技术问题。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的在于基于现有技术的现状，提供一种高精度神经外科微创穿刺手术导航机器人系统，以缓解现有神经外科穿刺手术的手术器械精准定位、精准控制和手术安全等技术问题，使手术导航机器人在临床应用中更精确、实用和方便，缓解医生不足等问题。
[0009]本专利技术提出的一种神经外科穿刺手术导航机器人系统，包括：机械臂模块、模块臂控制模块、内窥镜系统与手术器械和导航与术中显示系统，其中：
[0010]机械臂模块包括第一活动夹爪、第二活动夹爪、第一机械臂、第二机械臂和钻具；所述第一活动夹爪安装于第一机械臂末端，用于夹持内窥镜，第二活动夹爪安装于第二机械臂末端，用于夹持手术器械；用于控制手术器械的第一机械臂固定有钻具；所述机械臂模块通过第一机械臂和第二机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向，实现定位和跟踪；
[0011]机械臂控制模块包括控制柜和语音识别模块；所述控制柜分别连接第一机械臂和第二机械臂，用于发射指令控制用于手术的第一机械臂各自由度的运动与第一机械臂，以及第二机械臂的协调操作；所述语音识别模块用于识别语音控制命令，对手术器械和内窥镜在术中的位置进行精细调整；
[0012]内窥镜系统与手术器械包括内窥镜、手术器械、第一反光球、第二反光球和穿刺针，所述内窥镜固定在第一机械臂上，内窥镜末端固定有不在一条直线上的若干个第一反光球；使用带有第一反光球的探针获取内窥镜前端的位置信息，根据末端第一反光球的位置信息和前端位置信息，获得在光学跟踪仪坐标空间的坐标变换关系；通过手术导航系统和光学跟踪仪实现实时跟踪；所述手术器械固定在第二机械臂上，手术器械末端固定有不在一条直线上的若干个第二反光球；使用带有第二反光球的探针获取手术器械前端的位置信息，根据末端第二反光球的位置信息和前端位置信息，获得在光学跟踪仪坐标空间的坐标变换关系；通过手术导航系统和光学跟踪仪实现实时跟踪；
[0013]导航与术中显示系统包括光学跟踪仪和图像引导空间，光学跟踪仪用于发射红外光线和接受反射光线，用于实时跟踪的手术器械与内窥镜的空间位置，并将其变换到图像引导空间，进而实现内窥镜图像与术中器械在图像引导空间的实时显示与配准。
[0014]本专利技术中，所述第一机械臂和第二机械臂均为多轴机械臂，用于产生第一机械臂和第二机械臂的运动；所述机械臂模块通过第一机械臂和第二机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向，实现定位和跟踪。
[0015]本专利技术中，所述控制柜用于发射指令控制手术机械臂各自由度的运动与两根机械臂的协调操作；所述语音识别模块，识别语音控制命令，对手术器械和内窥镜在术中的位置进行精细调整。
[0016]本专利技术中，所述光学跟踪仪对内窥镜进行实时跟踪，具体地，计算内窥镜前端坐标系S和内窥镜末端反光球参考空间坐标系R的变换矩阵T
SR
，其相对坐标变换关系具体表示为：
[0017]其中，是内窥镜前端的空间坐标，是内窥镜末端反光球参考空间坐标系的空间坐标，T
SR
包含旋转矩阵和平移矩阵。
[0018]本专利技术中，所述光学跟踪仪对手术器械进行实时跟踪，具体地，计算手术器械前端坐标系S1和内窥镜末端反光球参考空间坐标系R1的变换矩阵T
S1R1
，其相对坐标变换关系可具体表示为：
[0019]其中，是手术器械前端的空间坐标，是手术器械末端反光球参考空间坐标系的空间坐标，T
S1R1
包含旋转矩阵和平移矩阵。
[0020]本专利技术中，所述机械臂模块通过第一机械臂和第二机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向，实现定位和跟踪，具体地，计算内窥镜或手术器械反光球参考坐标系S2和活动夹爪参考空间坐标系R2的变换矩阵T
S2R2
，其相对坐标变换关系具体表示为：
[0021]其中，是内窥镜或手术器械反光球参考坐标系坐标，是活动夹爪参考空间坐标系的空间坐标，T
S2R2
包含旋转矩阵和平移矩阵。
[0022]本专利技术中，所述导航系统利用矩阵之间的变换关系，计算得到内窥镜前端坐标系S或手术器械前端坐标系S1与机械臂坐标系C的变换矩阵T
SC
，其具体变换关系为：
[0023][0024][0025]本专利技术的有益效果在于：
[0026]本专利技术手术导航机器人系统，利用双机械臂稳定夹持内窥镜和手术器械，同时采用高精度的内窥镜和手术器械标定、跟踪方法，可通过术前影像、病人空间位置、机械臂空间的配准，完成实时穿刺手术导航，提供可视化手术路径规划；可辅助医生把持内镜，解放医生的双手，从而解决内窥镜不稳定的问题，为医生提供清晰的实时手术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种神经外科穿刺手术导航机器人系统，其特征在于，包括：机械臂模块、模块臂控制模块、内窥镜系统与手术器械和导航与术中显示系统，其中：机械臂模块包括第一活动夹爪、第二活动夹爪、第一机械臂、第二机械臂和钻具；所述第一活动夹爪安装于第一机械臂末端，用于夹持内窥镜，第二活动夹爪安装于第二机械臂末端，用于夹持手术器械；用于控制手术器械的第一机械臂固定有钻具；所述机械臂模块通过第一机械臂和第二机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向，实现定位和跟踪；机械臂控制模块包括控制柜和语音识别模块；所述控制柜分别连接第一机械臂和第二机械臂，用于发射指令控制用于手术的第一机械臂各自由度的运动与第一机械臂，以及第二机械臂的协调操作；所述语音识别模块用于识别语音控制命令，对手术器械和内窥镜在术中的位置进行精细调整；内窥镜系统与手术器械包括内窥镜、手术器械、第一反光球、第二反光球和穿刺针，所述内窥镜固定在第一机械臂上，内窥镜末端固定有不在一条直线上的若干个第一反光球；使用带有第一反光球的探针获取内窥镜前端的位置信息，根据末端第一反光球的位置信息和前端位置信息，获得在光学跟踪仪坐标空间的坐标变换关系；通过手术导航系统和光学跟踪仪实现实时跟踪；所述手术器械固定在第二机械臂上，手术器械末端固定有不在一条直线上的若干个第二反光球；使用带有第二反光球的探针获取手术器械前端的位置信息，根据末端第二反光球的位置信息和前端位置信息，获得在光学跟踪仪坐标空间的坐标变换关系；通过手术导航系统和光学跟踪仪实现实时跟踪；导航与术中显示系统包括光学跟踪仪和图像引导空间，光学跟踪仪用于发射红外光线和接受反射光线，用于实时跟踪的手术器械与内窥镜的空间位置，并将其变换到图像引导空间，进而实现内窥镜图像与术中器械在图像引导空间的实时显示与配准。2.根据权利要求1所述的神经外科穿刺手术导航机器人系统，其特征在于，所述第一机械臂和第二机械臂为多轴机械臂，用于产生第一机械臂和第二机械臂的运动；所述机械臂模块通过第一机械臂和第二机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘东麟，安涌，张翠华，
申请(专利权)人：上海复旦数字医疗科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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