[发明专利]机器人辅助外科手术空间映射方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人辅助外科手术空间映射方法。

背景技术

目前，机器人辅助手术不同系统空间坐标系之间的相互定位方法大体有以下几种：

①通过记录机器人各个关节角的值，反算出相对于机器人基座位置；用机器人末端点击注册点，实施注册。

②基于磁定位器的机器人辅助手术系统，机器人末端安装了一个磁定位发射器，在机器人的基座上安装了机器人接收器；也需要将机器人末端点击Marker，实施注册。

③采用双目视觉摄像头，进行被动注册；即用摄像头识别的探针一个一个点击预先贴在人体身上的标识点(Marker)，实施注册。

这些方法的缺点主要有：定位方法繁琐，耗时较长；均采用了接触标示点的方式实现定位，接触标识点时，改变了标示点的位置，影响了定位精度。无论人持工具定位，还是机器人定位，都会存在误差(人定位时，手会晃动，机器人定位时，记录的各个关节角由于存在机械加工误差，和装配间隙，与实际的关节角不完全同，则关节越多，反求出的标识点在机器人坐标系下的坐标值，与标示点在机器人坐标系下的真实值误差越大，如①所述。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种定位时不接触标识点，且定位迅速、误差小的机器人辅助外科手术空间映射方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

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A_I。A_I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A_C；

(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：