[发明专利]机器人辅助外科手术空间映射方法

摘要

本发明公开了一种机器人辅助外科手术空间映射方法，机器人辅助外科手术空间包括图像空间、机器人空间、手术时病人空间，该方法主要是通过3个或3个以上标识点建立不同空间的仿射坐标系，进行各个空间之间的联系，通过获得每个仿射坐标系的在其基础坐标系的仿射矩阵和原点坐标，实现机器人辅助外科手术空间之间的相互映射。本发明可不依赖任何机械设备就能实现非接触标识点定位，且定位过程迅速，能实现亚秒级定位；此外摄像头坐标系和图像坐标系的相互定位误差小于1mm。

主权项

1、一种机器人辅助外科手术空间映射方法，所述的机器人辅助外科手术空间包括图像空间、机器人空间和手术时病人空间，摄像头空间：是以双目视觉摄像头，上两个摄像头的中间点为原点，两个摄像头的连线为X方向，两个摄像头镜头所在的平面为XY平面，垂直于该平面的轴为Z轴，建立的坐标系；图象空间：由以第一张CT/MR片的左下角为圆点，CT/MR的高度方向为Y轴，宽度方向为X轴，CT/MR序号增加的方向是Z轴，建立的坐标系；机器人空间：以机器人上贴者的摄像头识别标志建立起来的XYZ坐标系，该标志贴在摄像头易于捕获的位置；手术时病人空间：是指手术时病人所在的物理空间；其特征在于该方法包括以下步骤：(1)标识点的建立：利用球体的几何特性，将球体作为定位球，而将其球心作为标识点，标识点的个数为3个或者3个以上；(2)建立图像空间中仿射坐标系：(2.1)在具有定位球截面的CT\MR图像上的定位球的截面内部用鼠标选取一个点，同时设定检测区域，通过边缘检测方法找到所有定位球边界点；所述的检测区域是以选取的点为中心、1.5倍定位球直径折算成像素点数为边长的矩形；(2.2)采用圆的拟合方法，利用找出的定位球边界点求出定位球在该CT\MR截面上的圆心坐标值；(2.3)根据已知的定位球的直径，算出定位球的球心到该张CT\MR片的距离ΔZ，而定位球球心的Z坐标等于圆心Z坐标加上或减去ΔZ，即Z球心＝Z圆心±ΔZ，求出定位球球心的坐标值；所述的加上或减去ΔZ是通过判断前后两张CT\MR片在所述的矩形区域内CT\MR灰度总值的大小，灰度总值大的CT\MR片的方向就是定位球球心所在的方向，总值大时加ΔZ，总值小时减ΔZ；(2.4)利用上述方法找出全部以定位球球心作为标识点的坐标，并以其中的一个标识点作为仿射坐标系的原点，该点与其他标识点的连线作为仿射坐标系的基向量，建立标识点在图像坐标系下的仿射坐标系，得到标识点的仿射坐标矩阵AI。AI是3×3的矩阵，矩阵的列是各个基向量；(3)建立摄像头空间中仿射坐标系：(3.1)在摄像头坐标系下捕捉到3个标识点及两个长短矢量在摄像头坐标系下的坐标值和矢量，叉乘出垂直于该3个标识点构成的标识面的矢量；(3.2)通过预先将定位球置于摄像头可识别的标识下的某一位置，根据向量加法计算出定位球球心，从而获得贴在人体身上的其他标识点在摄像头下的坐标，以其中的一个标识点为坐标原点，建立标识点在摄像头空间中的仿射坐标系和仿射坐标矩阵AC；(4)机器人辅助外科手术空间之间的相互映射：(4.1)贴在人体身上的标识点彼此没有相对运动，在摄像头坐标系及图像坐标系下，其仿射坐标矩阵完全相同，通过获得每个仿射坐标系的在其基础坐标系的仿射矩阵和原点坐标，实现空间之间的相互映射；上述空间相互映射的实现过程如下：式(1)和式(2)分别是摄像头坐标系和图像坐标系下任意一点在标识点仿射坐标系下的仿射坐标值：$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right]{{=A}_C}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_C-x_{\mathrm{OC}}\\ y_C-y_{\mathrm{OC}}\\ z_C-z_{\text{OC}}\end{array}\right]---\left(1\right)$$\left[\begin{array}{c}{x}^{\′\′}\\ y^{\′\′}\\ z^{\′\′}\end{array}\right]{{=A}_I}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_I-x_{\mathrm{OI}}\\ y_I-y_{\mathrm{OI}}\\ z_I-z_{\text{OI}}\end{array}\right]---\left(2\right)$其中(xC，yC，zC)、(xI，yI，zI)分别为摄像头仿射坐标系下的任意一点和其在图像坐标系下的对应点，(xOC，yOC，zOC)、(xOI，yOI，zOI)分别为摄像头坐标系和图像坐标系下作为原点的标识点在其两个基础坐标系下的坐标值，(x′，y′，z′)为(xC，yC，zC)以摄像头坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，(x″，y″，z″)为(xI，yI，zI)以图像坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，(x′，y′，z′)与(x″，y″，z″)理论上完全相同(因为是这是不同坐标系下的同一个点)，合并式(1)和式(2)中的两个矩阵得式(3)：$\left[\begin{array}{c}{x}_I\\ y_I\\ z_I\end{array}\right]=A_I{A_c}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_c-x_{\mathrm{oc}}\\ y_c-y_{\mathrm{oc}}\\ z_c-z_{\mathrm{oc}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{oI}}\\ y_{\mathrm{oI}}\\ z_{\mathrm{oI}}\end{array}\right]=A_I{A_c}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_c\\ y_c\\ z_c\end{array}\right]-A_I{A_c}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{oc}}\\ y_{\mathrm{oc}}\\ z_{\mathrm{oc}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{oI}}\\ y_{\mathrm{oI}}\\ z_{\mathrm{oI}}\end{array}\right]---\left(3\right)$这样即建立了(xC，yC，zC)与(xI，yI，zI)的对应关系，其映射过程是这样的：首先获得手术时病人空间的点在摄像头空间坐标系下的点，将点的坐标值转换成以摄像头空间坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，该值也是以图像坐标系为基坐标系建立的仿射坐标值，再将该值转换到图像坐标系下，即完成了图像坐标系与手术时病人空间坐标系的映射，从而实现图像空间与手术时病人空间的相互映射；(4.2)通过上述方法实现机器人空间与图像空间之间的映射，即在机器人基座上某固定位置放置贴在机器人平台上的标识，在摄像头坐标系下捕获到该标识的仿射矩阵ARC，该标识的长短轴XZ、XY标识均是已知，将XZ和YX分别作为X轴和Y轴，X轴叉乘Y轴作为Z轴，X点作为原点，建立仿射坐标系得到仿射矩阵AR，套用式(1)、式(2)得到式(4)：$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{RC}}\\ y_{\mathrm{RC}}\\ Z_{\mathrm{RC}}\end{array}\right]=A_{\mathrm{RC}}{A_R}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_R-x_{\mathrm{OR}}\\ y_R-y_{\mathrm{OR}}\\ z_R-z_{\mathrm{OR}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ORC}}\\ y_{\mathrm{ORC}}\\ z_{\mathrm{ORC}}\end{array}\right]---\left(4\right)$其中(xR，yR，zR)、(xOR，yOR，zOR)、(xORC，yORC，zORC)、(xRC，yRC，zRC)分别为机器人坐标系下任意一点、机器人坐标系标识点原点、机器人坐标系标识点原点在摄像头坐标下的坐标、机器人坐标系下任意一点映射到摄像头坐标系下的坐标，再带入式(3)中，得到式(5)：$\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{RI}}\\ y_{\mathrm{RI}}\\ z_{\mathrm{RI}}\end{array}\right]=A_I{A_c}^{-1}\left[\begin{array}{c}{A}_{\mathrm{RC}}{A_R}^{-1}\left[\begin{array}{c}{x}_R-x_{\mathrm{OR}}\\ y_R-y_{\mathrm{OR}}\\ z_R-z_{\mathrm{OR}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{ORC}}\\ y_{\mathrm{ORC}}\\ z_{\mathrm{ORC}}\end{array}\right]\begin{array}{c}-x_{\mathrm{oc}}\\ {-y}_{\mathrm{oc}}\\ -z_{\mathrm{oc}}\end{array}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{oI}}\\ y_{\mathrm{oI}}\\ z_{\mathrm{oI}}\end{array}\right]---\left(5\right)$其中，(xRI，yRI，zRI)为机器人坐标系下的点映射到图像坐标系下的坐标，完成机器人空间与图像空间之间的相互映射，这个过程相对以上映射，增加了机器人坐标系下的坐标映射到摄像头坐标的过程。