[發明專利]一種機器人輔助手術的骨鋸標定方法

在審

• 申請號: 202011443374.2
• 申請日: 2020-12-08
• 公開（公告）號: CN112568995A
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 蘆穎僖;侯禮春;胡秋原
• 申請（專利權）人: 南京凌華微電子科技有限公司
• 主分類號: A61B34/20
• 分類號: A61B34/20
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 龔擁軍

本發明公開了一種機器人輔助手術的骨鋸標定方法，屬于機器人輔助手術領域，所述標定方法結果非常精確；本發明通過光學定位跟蹤系統計算出骨鋸上標志點的實際坐標系坐標，根據標志點坐標可以得出器械坐標系相對于實際坐標系的旋轉、平移矩陣；首先，固定骨鋸上的一個點，并繞此固定點旋轉骨鋸。通常選擇骨鋸的工作點為固定點旋轉骨鋸；其次，利用線性回歸擬合的方法進行球擬合，確定骨鋸的工作點在實際坐標系下的坐標；最后，確定骨鋸的工作點在器械坐標系下的坐標。

技術領域

本發明屬于機器人輔助手術領域，尤其涉及一種機器人輔助手術的骨鋸標定方法。

背景技術

機器人輔助外科手術經常用到骨鋸、探針、植入物等交互式設備,系統通過實時的定位交互式設備的位置和姿態來指導外科手術進行。基于紅外相機的光學跟蹤定位系統因其更高的精度和更好的魯棒性己經被證明可以有效替代其他定位系統,如電磁定位系統、聲學定位系統、激光定位系統及機械定位系統等等。

以骨鋸為例，在骨鋸使用過程中,因其磨損、拉伸甚至損壞等,手術器械上的標志點與工作點的相對位置會發生變化,所以需要在每次骨鋸使用之前實時的確定骨鋸上的標志點與工作點之間的相對位置,即骨鋸標定。

傳統目標為計算手術器械上反光標志點的三維坐標，所以必須由骨鋸上標志點的三維坐標去計算骨鋸工作點的三維坐標；然而，這一工作的前提為確定骨鋸上標志點與工作點的相對位置。由于使用過程中的磨損、拉伸甚至損壞等，骨鋸標志點與工作點的相對位置通常會發生變化，所以在每次使用前都要實時的確定標志點與工作點的相對位置。

發明內容

本發明提供了一種機器人輔助手術的骨鋸標定方法，利用線性回歸擬合的方法進行球擬合，確定骨鋸的工作點在實際坐標系下的坐標，

為實現以上目的，本發明采用以下技術方案：

一種機器人輔助手術的骨鋸標定方法，包括以下步驟：

步驟1：選擇骨鋸的工作點為固定點，并繞此固定點旋轉骨鋸；

步驟2：利用線性回歸擬合的方法進行球擬合，進行球擬合后由球的半徑得到了標志點與工作點的相對位置，在骨鋸上建立骨鋸坐標系，確定骨鋸工作點在器械坐標系中的坐標值。

以上所述步驟中，步驟2利用線性回歸擬合的方法進行球擬合具體包括以下步驟：以鋸片固定點為支點旋轉骨鋸得到一系列位于同一球面上的三維空間點為標志點，每一個標志點經旋轉后得到的復制點均處于同一球面上；由一系列位于同一球面的三維空間點坐標擬合出球的參數：球心坐標及球的半徑；球心坐標即骨鋸的鋸片定位點在實際坐標系中的坐標；而球的半徑即鋸片定位點與標志點的距離；給定一系列位于同一球面上的三維空間點m＞4，求得這些三維空間點所在的球面：(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²＝r²，其中(a，b，c)為球心坐標，r為球的半徑；m和k是數字序列目標終點。

給出式(1)所示的能量函數，利用線性回歸擬合方法在每次迭代后調整球心位置與球半徑大小Li，以使能量函數E最小。

其中：

將能量函數分別對a，b，c，r求偏導б得到：

若要能量函數最小，則要求各偏導數均為零，即：

對L_i中各變量求偏導數可得：

將式(4)代入式(3)，可以得到三個以a，b，c為變量的非線性函數：

其中：