[发明专利]一种基于毫米波导航的手术机器人定位系统

说明书

本发明公开一种基于毫米波导航的手术机器人定位系统，其中，将相对低频的信号源通过上变频方式扩展至毫米波频段，对毫米波信号进行超外差式处理；采用基于频域的RM算法获得目标的图像信息；选取高斯滤波先对目标图像进行平滑处理；采用Canny边缘检测算法对使用高斯平滑处理后的图像进行非极值抑制处理，得到边缘图像；对比分析扫描的图像和标准的模板，数据信息反馈到总控制器中，计算坐标点；系统对运动轨迹进行三次B样条曲线优化，保证在折线位置点的平滑过渡，实现轨迹参数的连续变化，提升了运动的的稳定性和准确性。

技术领域

本发明属于机器人交互技术领域，涉及基于毫米波导航的手术机器人定位系统。

背景技术

随着医学理论的不断进步与发展，外科手术朝着越来越精细、复杂的方向发展。由于技术上的种种不足，传统的医学知识难以满足手术需要。几十年来，高速发展的医学成像技术、图像处理技术、机器人技术及计算机辅助外科手术技术等已逐渐应用于医学领域。目前，手术机器人已在神经外科、骨科、泌尿科、胆囊摘除等方面取得了广泛的应用。利用机器人进行手术操作的定位更为准确、机械臂的抓取更为稳定且有力，可以避免外科医生长时间手术而带来的疲劳，提高了手术的精度、稳定性以及安全性。

在手术机器人的导航定位过程中，通过图像处理手段识别标尺上的特定标志点，然后根据标志点特征建立机器人坐标系与手术空间坐标系之间的映射关系，在此基础上进行手术路径规划和定位。目前，常见的成像系统大部分是基于X射线的成像系统。X射线的波长位于0.01nm至10nm之间，成像系统的分辨率高，但是，在手术过程中辐射出的大量X射线容易对患者和手术医生的健康造成伤害。另一种常见的成像系统是基于超声波实现的，超声波成像系统的横向分辨率可以达到亚毫米级别，但是，使用超声波成像时，需要耦合介质把超声波耦合到待检测的物体中，所以限制了该技术的应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对目前手术机器人采用X射线成像的现状，提出了一种基于毫米波的手术导航系统及其使用方法。解决病人和医生在手术过程中受到的X射线损伤。本发明采用Canny边缘检测算法就是在去除噪声，克服定位过程中的较大误差。本发明采用三次B样条插值算法做曲线平滑规划研究。保证在折线位置点的平滑过渡，实现轨迹参数的连续变化，大大提升了运动的的稳定性。

本发明的技术方案如下：

本发明将相对低频的信号源通过上变频方式扩展至毫米波频段，对标志物所在区域进行扫描。

本发明对目标的高频反射信号进行滤波处理，并利用高频放大器将其放大；其次，将放大之后的回波信号与振荡器混频，使回波信号频率降至中频，并将所得中频信号进行放大；然后对中频信号进行多次下频处理得到所需基带信号，最后经由低频放大器输出信号。

本发明改进了传统的基于频域的RM算法，对数据做方向维的傅里叶变换；

将傅里叶变换后的数据乘以匹配滤波函数；进行STOLT插值，将（Kx ,Kr)域的数据转换到(Kx,Ky)域中；STOLT插值后，做二维逆傅里叶变换得到目标图像。

本发明采用高斯滤波对目标图像进行平滑处理；对于空间域滤波处理，空间域滤波针对图像中的单个像素周围区域的像素灰度值进行加权求值计算。

本发明采用Canny边缘检测算法在去除噪声和精确定位之间寻求最优解决方法；高斯函数平滑原始图像；用一阶导数计算梯度和方向；对梯度幅值进行非极大值抑制；用双阈值算法检测和连接边缘。

本发明给定模板和搜索图像，将模板叠放在待检测图像上，移动模板计算每个位置的相似度，将区域左上角的点设为参考点，通过比较模板和被模板覆盖区域的相似性来完成模板匹配的过程。

本发明通过对扫描的图像进行处理，和标准的模板进行比较分析，数据信息反馈到总控制器中，控制器控制电机转动，机械手运动，并且将各个电机上编码器的值作为反馈，构成闭环控制，提高机器人运动精度。