[发明专利]采用人工智能技术的颅颌面外科手术机器人辅助系统

权利要求书

1.一种采用人工智能技术的颅颌面外科手术机器人辅助系统，其特征在于，包括术前手术方案规划子系统、术中导航定位子系统和机器人控制子系统；所述术前手术方案规划子系统利用术前影像学数据进行截骨手术方案的设计；所述术中导航定位子系统在机器视觉技术的辅助下，对手术区域的解剖结构和器械人体进行实时避障，以完成自动达到设计的导航区域；所述机器人控制子系统根据得到的导航区域对机械臂的运动轨迹进行优化；所述术前手术方案规划子系统包括影像学数据库、训练样本集模块、测试样本集模块和截骨手术方案确定模块；所述影像学数据库从相应手术患者的影像学数据中排除与相应手术无关的数据，建立以DICOM数据源为核心的数据库资料；所述训练样本集模块用于建立点云数据模型，具体为通过逐层标记的方式对下颌骨进行3D重建，通过标定截骨面得到下颌角截骨模块，并对下颌角截骨模块建立点云数据模型；所述测试样本集模块用于完成截骨设计；所述截骨手术方案确定模块根据训练样本集模块的数据对测试样本集模块得到的截骨设计进行参数修正；所述测试样本集模块将原始点云数据通过一个深度神经网络模型完成截骨点云的准确分割，其中，每个点提取128个特征信息，利用多层感知机进行融合，实现下颌骨点云的分割；通过计算点与点之间的欧氏距离获取边缘点，即原始点云数据通过深度神经网络模型被分割成非特征点与特征点，计算特征点中所有点与非特征点中的所有点之间的欧氏距离，取距离小于某值的点为边缘点；通过k-means聚类算法分割两端的边缘点；通过拟合交界点，获取平面，即获取左右两组交界点之后，需要分别对两组交界点进行拟合，从而获取截骨平面，利用最小二乘法通过最小化点与平面之间的距离的平方和来拟合截骨平面，完成截骨设计。

2.根据权利要求1所述的采用人工智能技术的颅颌面外科手术机器人辅助系统，其特征在于，所述截骨手术方案确定模块对训练样本集模块中的人工截骨与点云截骨精确度进行比较，并建立精确度与点云模型点数的关系，通过比较人工截骨与点云截骨速度，对测试样本集模块拟合的截骨平面进行参数修正。

3.根据权利要求1所述的采用人工智能技术的颅颌面外科手术机器人辅助系统，其特征在于，所述术中导航定位子系统包括磁导航模块和自动避障模块，所述磁导航模块利用模式识别算法自动识别影像空间坐标系下自动配准牙套装置中金属球的空间坐标，使用空间变换方法获得自动配准牙套装置中金属球在磁定位仪坐标系下的空间坐标，建立影像空间坐标系和磁定位仪坐标系之间的配准转换关系；影像空间坐标系和磁定位仪坐标系之间的转换关系随着患者运动实时计算更新，始终保持正确的配准关系；所述自动避障模块使用避障路径算法使空间多自由度机械臂从初始点至目标点自主地搜索到一条与障碍物不发生碰撞的最优路径。

4.根据权利要求3所述的采用人工智能技术的颅颌面外科手术机器人辅助系统，其特征在于，所述自动配准牙套装置包括牙套本体，所述牙套本体内置有六个金属球，牙套本体内还设置有一个可插拔的5自由度磁定位传感器，所述5自由度磁定位传感器和六个金属球的位置关系固定，六个金属球之间的相互空间距离唯一且不重复。

5.根据权利要求3所述的采用人工智能技术的颅颌面外科手术机器人辅助系统，其特征在于，所述自动避障模块采用基于空间几何体包络的碰撞模型检测方法进行碰撞检测，具体为：根据D-H表示法对机械臂建模，并用最小直径的圆柱体包络机械臂各连杆；对于不规则的三维障碍物，使用球形包络；在进行碰撞检测时，机械臂连杆的径向最大半径叠加到障碍物的厚度上，使得机械臂与障碍物两个实体间的碰撞问题转化为空间直线段与球体之间的位置关系判断；对于术中存在多个障碍物的情况时，进一步转化为基于球心和球半径描述的球体序列，如此将机械臂各连杆空间直线段与障碍物实体间的位置关系判断转化为空间直线段与一系列球心点之问的距离判断；如果机械臂各杆件与其运动范围内设置的球体障碍物球体序列的球心之间的垂直距离都大于球体半径，则机械臂与障碍物不会发生碰撞；如果机械臂各杆件与其运动范围内设置的球体障碍物球体序列的球心之间的垂直距离有小于球体半径的，则机械臂与障碍物发生碰撞。