[發(fā)明專利]基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)定位方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110221070.6
• 申請日: 2011-08-03
• 公開（公告）號: CN102429726A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發(fā)明（設計）人: 吳冬梅;杜志江;王偉東;趙俊
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: A61B19/00
• 分類號: A61B19/00;A61B17/56
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

1.一種基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)定位方法，所述定位方法是基于光學定位系統(tǒng)、并聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人磨鉆(5)和計算機來實現(xiàn)的，所述光學定位系統(tǒng)包含有兩個反光件(4)和一個光學定位儀(1)和一個探針，所述的并聯(lián)機器人、光學定位儀與計算機相連，并聯(lián)機器人磨鉆(5)的鉆柄上安裝有一個反光件(4)；其特征在于：所述方法的具體過程為：

步驟A、利用三維重建軟件由所述計算機完成對患者病灶處的頸椎骨CT圖像的三維重建，得到病患處頸椎骨的三維模型，同時用solidworks軟件對磨鉆進行建模，并將磨鉆模型導入頸椎骨三維模型的圖像空間內(nèi)；

步驟B、采用三點對刀方法，由醫(yī)生在虛擬環(huán)境中設定術(shù)前磨鉆相對于頸椎骨的位姿關(guān)系并設置磨鉆的進給方向；所述三點對刀方法具體步驟如下：在圖像空間{V}中，P₁、P₂和P₃是頸椎骨矢狀面上不在一條直線上的三點，分別表示進刀路徑的起點，進刀路徑的終點和確定刀具位姿的第三點，P₁、P₂和P₃三點確定一個平面，以P₁為刀具規(guī)劃坐標系K(x_k，y_k，z_k)的原點K，沿方向為刀具規(guī)劃坐標系K(x_k，y_k，z_k)的z_k方向，P₃為刀具規(guī)劃坐標系y_kKz_k平面上位于y_k軸正方向一側(cè)的一個點，該點用來確定y_k軸的方向，刀具規(guī)劃坐標系x_k軸則由向量向到向量的向量積來確定，則刀具規(guī)劃坐標系K(x_k，y_k，z_k)相對于圖像空間{V}的配準變換矩陣^VT_K的表達式為：

TkV=l1m1n1Kxl2m2n2Kyl3m3n3Kz0001]]>

其中，(n1,n2,n3)=P2P1→|P2P1→|,]]>

(l1,l2,l3)=P1P2→×P1P3→|P1P2→×P1P3→|,]]>

(m1,m2,m3)=P2P1→×(P1P2→×P1P3→)|P2P1→×(P1P2→×P1P3→)|;]]>

(K_x，K_y，K_z)為K點在圖像空間{V}中的坐標表示；

步驟C、基于光學定位系統(tǒng)，對并聯(lián)機器人與患者進行位姿的標定，得到“圖像-患者-機器人”三者之間的位姿關(guān)系；具體過程為：

步驟C1、建立并聯(lián)機器人與光學坐標系之間的位置和姿態(tài)關(guān)系：

首先，利用旋轉(zhuǎn)標定法對所述探針的針尖進行標定，在磨鉆根部安裝一個反光件(4)，利用旋轉(zhuǎn)標定法對所述磨鉆末端進行標定，可以得到磨鉆末端在光學系統(tǒng)中的光學坐標系的位置坐標；

然后，利用所述探針對并聯(lián)機器人動平臺(3)的六個平面及上平面進行標定，得到動平臺中心點：所述并聯(lián)機器人動平臺(3)的外形呈圓柱狀，并聯(lián)機器人動平臺(3)的外側(cè)表面為了安裝球鉸而銑有六個平面，每兩個相鄰平面為一組，三組平面均布設置；具體方法為：使用所述探針在六個平面中的任意相鄰兩個平面以及動平臺上表面各取三個點用以確定這三個平面在光學坐標系下的表達式，并聯(lián)機器人動平臺(3)的上表面與三組平面相交形成三個點構(gòu)成的等邊三角形中心點設為動平臺坐標系原點，動平臺中心點與鉆頭末端的連線即為動平臺坐標系z軸，y軸與動平臺設計時所取的y軸相一致，x軸根據(jù)右手法則得到；

最后，再根據(jù)設計尺寸，將并聯(lián)機器人動平臺坐標系沿z軸平移，得到并聯(lián)機器人靜平臺坐標系，從而建立手術(shù)并聯(lián)機器人與光學定位系統(tǒng)之間的位置和姿態(tài)映射關(guān)系；

步驟C2、建立圖像空間坐標系{V}與患者坐標系之間的位置和姿態(tài)關(guān)系：

首先，在手術(shù)臺上安裝帶有三坐標系的被動剛體與反光球作為患者坐標系，此被動剛體的三坐標軸方向與病患拍攝CT圖像時CT儀的內(nèi)部坐標系的三坐標軸方向相同；

然后利用上述已標定的探針拾取真實骨骼表面的點集，并與病患骨骼的CT片中點集進行對比，利用ICP算法得到術(shù)前CT片生成的三維頸椎模型在圖像空間中的位姿關(guān)系與病患骨骼在患者坐標系中的位姿關(guān)系之間的變換矩陣；

步驟C3、患者坐標系由被動剛體在光學坐標系的位姿關(guān)系可由光學儀器直接得到；

至此得到了“圖像-患者-機器人”三者之間的位置和姿態(tài)映射關(guān)系；

步驟D.、根據(jù)并聯(lián)機器人逆運動學，控制并聯(lián)機器人運動，使得實際磨鉆與實際患者間的位姿關(guān)系與虛擬環(huán)境中的磨鉆與患者的位姿關(guān)系相一致，從而完成定位。