[发明专利]一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法

说明书

本发明一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法，方法涉及手术机器人空间导航方法，具体的说是一种把基于医学图像的三维建模与患者的位姿进行配准。所谓配准是指空间同一个点在两个不同的坐标系的坐标值之间的一对一的映射或转换，即在两个不同坐标系中分别描述同一个点，该点在两种坐标之间的映射。在颅颌面肿瘤手术中，空间配准(又称术中配准)是关乎手术成功与否的关键因素，通过立体定位跟踪系统，在手术中确定机器人末端手术操作器械与患者的对应关系，并与术前重建的医学图像整合显示在一起，这样医学图像才能被有效地用来实时引导机器人定位及辅助穿刺手术的进行。本文选用基于固定在病人头骨上的外部标记点的配准方法来实现颅颌面肿瘤手术机器人的术中空间配准。

技术领域

本发明属于手术机器人空间导航领域，特别涉及一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法。

背景技术

随着医学理论的不断发展与进步，外科手术也朝着越来越精细、越来越复杂的方向发展。微创手术是目前外科手术领域的主要发展方向。传统医学知识因为技术上存在的种种不足，而难以满足临床手术需求。近几十年来，医用机器人技术逐渐应用与传统医学手术中。当前，先进的机器人技术在一些外科手术，如手术设计、手术模拟、微创准确快速定位、无创诊断和探测、新型的手术治疗方法等方面都有广泛的应用，不仅促进了传统医学的革命性进步，同时也带动了一些新技术、新理论的长足发展。

在实现手术机器人自动手术的过程中，一个重要的技术就是空间配准。根据配准过程所使用的点集类型的不同，空间配准方法可分为框架配准法、基于解剖特征点的配准、基于外部标志点的配准和基于表面的空间配准。由于基于外部标志点的配准方法精度高，稳定性好，常用于口腔颌面部疾病手术中空间配准。因此，本方法选用基于固定在病人头骨上的外部标记点的配准方法来实现颅颌面肿瘤手术机器人的术中空间配准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法，通过立体定位跟踪系统，在手术中确定机器人末端手术操作器械与患者的对应关系，并与术前重建的医学图像整合显示在一起，这样医学图像能被有效地用来实时引导机器人定位及辅助穿刺手术的进行，增加装置的适用性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种应用于手术机器人前规划的空间配准方法，包括以下步骤：步骤a、计算病人坐标系{P}与光学测量坐标系{O}之间的转换关系T_OP；步骤b、计算三维图像坐标系{V}与病人坐标系{P}之间的转换关系T_PV；步骤c、计算光学测量坐标系{O}与机器人坐标系{R}之间的转换关系T_RO；步骤d、计算三维重建图像坐标系{V}与机器人坐标系{R}之间的转换矩阵可表示为：T_RV＝T_ROT_OPT_PV；步骤e、计算目标靶点位姿在所述机器人坐标系{R}中的位姿矩阵R_target，根据坐标转换原理，R_target＝T_RVV_target；其中，V_target表示为目标靶点位姿在所述三维重建图像坐标系{V}中的位姿。

优选的，计算所述T_OP包括以下步骤：将安装在头部的定位支架作为所述病人坐标系{P}，利用光学导航仪可以直接获取所述定位支架在所述光学测量坐标系{O}下的位姿，由导航软件以四元数给出。

优选的，计算所述T_PV包括以下步骤：步骤b1、将病人头部摆放一个合适的位置，用头架固定，用光学导航仪探针点取病人头骨标记点，获得标记点在光学导航仪下的坐标，利用病人坐标系{P}与光学测量坐标系{O}之间的转换关系T_OP将所述坐标转换为病人坐标系{P}下的坐标；步骤b2、利用术前标记点的获取方法获取标记点在三维重建图像坐标系{V}下的坐标，根据光学导航系统控制算法得到所述三维重建图像坐标系{V}与病人坐标系{P}之间的转换关系T_PV。