[发明专利]一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法

摘要

一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法属于CAD微创骨外科治疗技术领域，其特征在于用固定在C形臂X线机影像增强器上的靶罩代替传统的立体定标架，减少了操作时间和放射量，同时用固定在靶罩上的示踪器，经光学定位子系统获取C形臂X线机成像外透视参数，用DLT方法求解内透视参数，再按极线几何原理和双目视觉算法进行路径规划和重建，在患者和双平面手术机器人上也固定示踪器进行位置跟踪，建立了图像、靶罩、患者和双平面手术机器人之间的空间坐标传递关系，也同时实现了在传统的双平面手术机器人自动精确定位基础上，利用空间变换矩阵，实现了在减少手术操作时间和放射量的同时解决了双平面手术机器人和患者由于相对运动而产生的坐标动态误差问题。

主权项

一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法，其特征在于，是在一种双平面手术机器人运动补偿系统平台，以下简称系统中，依次按以下步骤实现的：步骤(1)，构建一个所述的系统，包括C形臂X线机(1)、靶罩(2)、作为测试对象的股骨模型(3)、光学定位子系统(4)、双平面手术机器人(5)和工作站(6)，其中：C形臂X线机(1)，用于获取手术中所述作为测试对象的股骨模型(3)，通过所述C形臂X线机(1)的转动，能在所述股骨模型(3)水平放置时自底向上地获取股骨颈部位的正位图像，或者从侧面获取所述股骨颈部位的侧位图像，靶罩(2)，由靶罩标志点定标架和靶罩示踪器两部分构成，其中：所述靶罩标志点定标架，用于在所述C形臂X线机(1)获取所述正位图像或侧位图像后对所述C形臂X线机(1)进行标定，所述靶罩标志点定标架包括：所述靶罩(2)的底层塑料板和顶层塑料板，其中：在底层塑料板上，至少安放了作为标志点的6个直径为3mm的钢珠，按数字“4”的形状顺序排列，在顶层塑料班上，至少安放了作为标志点的4个直径为2mm的钢珠，按正方形的形状从左上角开始逆时针方向排列，所述底层塑料板和顶层塑料板上、下平行地同轴放置，中间留有80mm～120mm的间距，且用金属框架固定，构成了所述靶罩标志点定标架，上、下两层所述塑料板上的标志点既不互相遮挡，也不妨碍识别在所述C形臂X线机(1)所获取的二维图像中各所述标志点所对应的像素值，以实现对所述C形臂X线机(1)的标定，所述靶罩示踪器，是垂直地连接在所述金属框架上、下周边之间的所述靶罩(2)的一块侧面面板，上面固定着由刚性十字架连接且在所述刚性十字架的四个端部各装有一个反光球的示踪器，用于跟踪所述靶罩(2)的空间位置，所述靶罩(2)固定在所述C形臂X线机(1)的影像增强器上，所述顶部塑料板面向且平行于所述影像增强器的平面，股骨模型(3)，平放在牵引床上，用以模拟受试患者，在所述股骨模型(3)上端面的几何中心刚性地固定患者示踪器，这是一个四个端部各安装着反光球的刚性十字架，在初始位置，所述靶罩示踪器面对着所述股骨模型(3)的上端面，处于所述光学定位子系统(4)的跟踪范围，光学定位子系统(4)，是一个安装在三脚架上的CCD摄像机，面对所述股骨模型(3)，靠人工移动，双平面手术机器人(5)，在机身侧面固定着一个双平面手术机器人示踪器，也是一个在四个端部各固定着一个反光球的刚性十字架，用于跟踪所述双平面手术机器人(5)的运动，所述双平面手术机器人(5)平行且紧靠着所述牵引床，且使所述双平面手术机器人示踪器面向所述股骨模型(3)的侧面，工作站(6)，是一台上位计算机，三个控制信号输入端分别与所述C形臂X线机(1)、所述光学定位子系统(4)和所述双平面手术机器人(5)对应的输出端相连，所述工作站(6)内部置有：图像输入模块、图形交互模块、数据处理模块和双平面手术机器人注册与控制模块；步骤(2)建立所述双平面手术机器人运动补偿系统内涉及的各个坐标系及其相互变换关系，步骤(2.1)所述坐标系是齐次加一的齐次坐标系，用h表示尺度因子，h＝1：步骤(2.1.1)靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,h),h＝1，原点为其中任意一个反光球的球心，所述靶罩(2)内各个标志点i的坐标为f_i(x,y,z,1),i＝0,1,2,...,9，其余各点的坐标为f(x,y,z,1)，各标志点的总合为I＝10，步骤(2.1.2)患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)，其原点为其中任一反光球球心，各点的坐标为p(x,y,z,1)，步骤(2.1.3)双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)，其原点为其中任一反光球球心，各点的坐标为rt(x,y,z,1)，步骤(2.1.4)双平面手术机器人坐标系R(X,Y,Z,1)，其原点位于所述双平面手术机器人(5)机身的几何中心，各点的坐标为r(x,y,z,1)，步骤(2.1.5)所述股骨模型(3)的正位图像坐标系A(X,Y,1)，左下角为所述坐标系的原点，各点的坐标为a(x,y,1)，步骤(2.1.6)所述股骨模型(3)的侧位图像坐标系L(X,Y,1)，左下角为所述坐标系的原点，各点的坐标为l(x,y,1)，步骤(2.1.7)所述光学定位子系统(4)自定义的坐标系：世界坐标系W(X,Y,Z,1)，是Auto CAD的基本坐标系，各点坐标为w(x,y,z,1)，步骤(2.2)建立各所述坐标系之间的空间变换矩阵：步骤(2.2.1)T_P^(F‑A)表示当所述靶罩(2)的底层塑料板面对所述股骨模型(3)正面以获取所述股骨模型(3)的正位图像时，从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)的4*4空间变换矩阵，步骤(2.2.2)T_P^(F‑L)为当所述靶罩(2)的底层塑料板面对所述股骨模型(3)侧面以获取所述股骨模型(3)的侧位图像时，从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)的4*4空间变换矩阵，步骤(2.2.3)T_3x4(^F‑A)为在获取所述股骨模型(3)的正位图像时从所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到所述股骨模型(3)的正位图像坐标系A(X,Y,1)之间的3*4空间变换矩阵，步骤(2.2.4)T_3x4(^F‑L)为在获取所述股骨模型(3)的侧位图像时从所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到所述股骨模型(3)的侧位图像坐标系L(X,Y,1)之间的3*4空间变换矩阵，步骤(2.2.5)为在获取所述股骨模型(3)的正位图像时从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型(3)的正位图像坐标系A(X,Y,1)之间的3*4空间变换矩阵，步骤(2.2.6)为在获取所述股骨模型(3)的侧位图像时从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型(3)的侧位图像坐标系L(X,Y,1)之间的3*4空间变换矩阵，步骤(2.2.7)T_P^Rt为从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)的4*4空间变换矩阵，步骤(2.2.8)T_Rt^R为从所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)到所述双平面手术机器人坐标系R(X,Y,Z,1)的4*4空间变换矩阵步骤(2.2.9)T_P^(W‑A)为在获取所述股骨模型(3)的正位图像时，从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述世界坐标系W(X,Y,Z,1)之间的空间变换矩阵，步骤(2.2.10)T_F^(W‑A)为在获取所述股骨模型(3)的正位图像时，从所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到所述世界坐标系W(X,Y,Z,1)之间的空间变换矩阵，步骤(2.2.11)T_P^(W‑L)为在获取所述股骨模型(3)的侧位图像时，从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述世界坐标系W(X,Y,Z,1)之间的空间变换矩阵，步骤(2.2.12)T_F^(W‑L)为在获取所述股骨模型(3)的侧位图像时，从所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到所述世界坐标系W(X,Y,Z,1)之间的空间变换矩阵，步骤(2.2.13)T_P^W为所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述世界坐标系W(X,Y,Z,1)之间的空间变换矩阵，步骤(2.2.14)T_Rt^W为所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)到所述世界坐标系W(X,Y,Z,1)之间的空间变换矩阵，变换到所述世界坐标系W(X,Y,Z,1)的各所述空间变换矩阵利用所述光学定位子系统(4)直接获取；步骤(3)所述系统内各组成部分的位置初始化人工移动所述光学定位子系统(4)到离所述股骨模型(3)的距离最近的一端，且使所述光学定位子系统(4)面向所述股骨模型(3)，把所述双平面手术机器人(5)置于所述股骨模型(3)骨折的一侧，把所述C形臂X线机(1)置于所述股骨模型(3)的健康的一侧，把所述靶罩示踪器面向离所述股骨模型(3)最近的一个上端面放置，使所述双平面手术机器人示踪器面向所述光学定位子系统(4)；步骤(4)人工移动所述C形臂X线机(1)，获取引导图像，以求取从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型正位图像坐标系A(X,Y,1)的空间变换矩阵以及从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型侧位图像坐标系L(X,Y,1)的空间变换矩阵步骤(4.1)在所述股骨模型(3)水平放置时，所述C形臂X线机(1)自底向上获取所述股骨模型(3)的正位图像，同时所述工作站(6)控制所述光学定位子系统(4)记录所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到世界坐标系W(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵T_P^(W‑A)，以及所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到世界坐标系W(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵T_F^(W‑A)，并按下式计算在获取正位图像时从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵T_P^(F‑A)：T_P^(F‑A)＝T_P^(W‑A)·(T_F^(W‑A))^‑1，步骤(4.2)在所述股骨模型(3)水平放置时，所述C形臂X线机(1)位于所述股骨模型(3)创伤部位一侧，获取所述侧位图像，同时所述工作站(6)控制所述光学定位子系统(4)记录所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到世界坐标系W(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵T_P^(W‑L)，以及所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到世界坐标系W(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵T_F^(W‑L)，并按下式计算在获取侧位图像时从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵T_P^(F‑L)：T_P^(F‑L)＝T_P^(W‑L)·(T_F^(W‑L))^‑1，所述空间变换矩阵T_P^(F‑A)、T_P^(F‑L)作为所述C形臂X线机(1)成像的外透视参数以求取分别从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到正位图像以及到侧位图像时的空间变换矩阵之用，步骤(4.3)按下式计算从所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到所述股骨模型正位图像坐标系A(X,Y,1)的空间变换矩阵T_3x4^(F‑A)以及从所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)到所述股骨模型侧位图像坐标系L(X,Y,1)的空间变换矩阵T_3x4^(F‑L)，$\left.\begin{array}{c}{a}_i(x,y,1)={T_{3x4}}^{(F-A)}\·f_i(x,y,z,1)\\ l_i(x,y,1)={T_{3x4}}^{(F-L)}\·f_i(x,y,z,1)\end{array}\right\}i=\mathrm{0,1,2},...,9,$其中：f_i(x,y,z,1)为靶罩标志点在所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)中的点坐标，a_i(x,y,1为)所述靶罩标志点i在所述股骨模型正位图像坐标系A(X,Y,1)中的对应点的坐标，l_i(x,y,1为)所述靶罩标志点i在所述股骨模型侧位图像坐标系L(X,Y,1)中的对应点的坐标，所述空间变换矩阵T_3x4^(F‑A)、T_3x4^(F‑L)作为所述C形臂X线机(1)的内透视参数以求取所述的空间变换矩阵步骤(4.4)按下式计算：从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型正位图像坐标系A(X,Y,1)的空间变换矩阵表示从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)再到所述股骨模型正位图像坐标系A(X,Y,1)的坐标转换过程，下同，$M_{3\×4}^L={T_{3x4}}^{(F-L)}\·T_P^{(F-L)};$步骤(5)规划空心加压螺钉的植入路径：步骤(5.1)按下式建立从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型正位图像坐标系A(X,Y,1)的空间变换矩阵的关系式：$a_i(x,y,1)=M_{3\×4}^A\·p_i(x,y,z,1),i\≠\mathrm{0,1,2},...,9,$但在坐标点总数I’内取值，下同同理建立从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型侧位图像坐标系L(X,Y,1)的空间变换矩阵的关系式：$l_i(x,y,1)=M_{3\×4}^L\·p_i(x,y,z,1),i\≠\mathrm{0,1,2},...,9,$步骤(5.2)在规划把空心加压螺钉从创伤端植入所述股骨模型(3)侧面的路径时，设定所述股骨模型(3)正位图像的一条直线作为规划路径，其中每一个点a_i(x,y,1)映射到侧位图像中为一条直线，称为极线，则所述股骨模型(3)正位图像中的每一个路径线段的端点在所述股骨模型(3)侧位图像中对应一条对所述侧位图像中的路径直线进行约束的直线，必定同时满足所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述股骨模型(3)正、侧两个坐标系A(X,Y,1)和L(X,Y,1)的空间变换矩阵，因而对步骤(5.1)中提到的两个联立方程求解，就能解出在所述股骨模型(3)正、侧位图像中规划的路径坐标p_i(x,y,z,1)；步骤(6)把步骤(5.2)规划得到的所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)中的植入路径坐标p_i(x,y,z,1)映射为所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)中的坐标rt_i(x,y,z,1):${\mathrm{rt}}_i(x,y,z,1)=T_P^{\mathrm{Rt}}\·p_i(x,y,z,1),$其中：T_P^Rt＝T_P^W·(T_Rt^W)^‑1，其中：T_P^W为在规划植入路径时，利用所述光学定位子系统(4)获取的从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到世界坐标系W(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵，T_Rt^W为在规划植入路径时，利用所述光学定位子系统(4)获取的从所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)到世界坐标系W(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵，T_P^Rt为从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)的空间变换矩阵；步骤(7)在所述所述双平面手术机器人(5)机身找到四个不同面的注册点，按下式计算从所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)到双平面手术机器人坐标系R(X,Y,Z,1)的坐标传递关系T_Rt^R，把步骤(6)所得的在所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)内的路径坐标注册到所述双平面手术机器人坐标系R(X,Y,Z,1)内的路径坐标，$r_i(x,y,z,1)=T_{\mathrm{Rt}}^R\·{\mathrm{rt}}_i(x,y,z,1),$其中：$\begin{array}{c}{T_{\mathrm{Rt}}}^R=\left[\begin{array}{cccc}{r}_1(x,y,z,1)& r_2(x,y,z,1)& r_3(x,y,z,1)& r_4(x,y,z,1)\end{array}\right]\·\\ {\left[\begin{array}{cccc}{\mathrm{rt}}_1(x,\mathrm{yz},1)& {\mathrm{rt}}_2(x,y,z,1)& {\mathrm{rt}}_3(x,y,z,1)& {\mathrm{rt}}_4(x,y,z,1)\end{array}\right]}^{-1}\end{array},$其中：[r₁(x,y,z,1) r₂(x,y,z,1) r₃(x,y,z,1) r₄(x,y,z,1)]分别为四个注册点在所述双平面手术机器人坐标系R(X,Y,Z,1)中的坐标，[rt₁(x,y,z,1) rt₂(x,y,z,1) rt₃(x,y,z,1) rt₄(x,y,z,1)]分别为四个注册点在所述双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1)中的坐标，以便供所述双平面手术机器人(5)执行植入路径操作；步骤(8)在所述双平面手术机器人(5)和患者之间发生移动时，所述工作站(6)在20秒之内按下式对所述双平面手术机器人(5)进行坐标的运动补偿：$r_i(x,y,z,1)=T_{\mathrm{Rt}}^R\·T_P^{\mathrm{Rt}}\·p_i(x,y,z,1).$