[發(fā)明專利]一種雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)標(biāo)定方法及系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110324432.8
• 申請(qǐng)日: 2021-03-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113133832B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 熊璟;李強(qiáng)云;夏澤洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院
• 主分類號(hào): G16H30/00
• 分類號(hào): G16H30/00;A61B34/30;A61B34/20;A61B34/10;A61B17/34;A61B90/00
• 代理公司: 深圳市科進(jìn)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 44316
• 代理人: 魏毅宏

本申請(qǐng)涉及一種雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)標(biāo)定方法及系統(tǒng)。包括：對(duì)雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到所述雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)的待標(biāo)定參數(shù)；使用多點(diǎn)法對(duì)穿刺針的第一初始參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)所述穿刺針的針尖進(jìn)行雙平面超聲成像，根據(jù)雙平面超聲成像對(duì)所述超聲探頭的第二初始參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；利用所述超聲探頭獲取兩個(gè)相互垂直的S平面超聲圖像和T平面超聲圖像，使用所述S平面超聲圖像和T平面超聲圖像分別跟蹤超聲探頭和穿刺針的運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)軌跡擬合對(duì)所述第一平移參數(shù)、第二平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。本申請(qǐng)實(shí)施例能夠高效地對(duì)雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)的穿刺針和經(jīng)直腸超聲探頭同時(shí)進(jìn)行標(biāo)定，且無(wú)需采用第三方跟蹤設(shè)備。

技術(shù)領(lǐng)域

本申請(qǐng)屬于醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)標(biāo)定方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)和醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)的高速發(fā)展，使得影像引導(dǎo)的機(jī)器人在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域取得了優(yōu)秀的成果。特別是具有多自由度末端的雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能分開(kāi)控制超聲探頭與穿刺針，實(shí)現(xiàn)在狹小的手術(shù)空間內(nèi)靈活地控制入針角度與姿態(tài)；而且能提供三維影像，實(shí)現(xiàn)高精度的影像定位與良好的視覺(jué)效果。

目前，多自由度末端的雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)標(biāo)定方案主要包括：

一、采用定位傳感器和標(biāo)定模板進(jìn)行標(biāo)定。該方法在機(jī)器人的左右末端法蘭分別安裝定位傳感器，通過(guò)機(jī)器人手眼標(biāo)定，完成定位傳感器的標(biāo)定；然后控制機(jī)器人以不同的姿態(tài)讓超聲探頭掃描標(biāo)定模板，通過(guò)定位傳感器建立超聲圖像和標(biāo)定模板之間的坐標(biāo)變換等式，通過(guò)解最小二乘問(wèn)題，得到超聲圖像坐標(biāo)系至定位傳感器坐標(biāo)系間的坐標(biāo)變換矩陣。

二、使用機(jī)器人操作和平面校準(zhǔn)裝置的超聲探頭標(biāo)定方法。該方法通過(guò)使用機(jī)器人操作超聲探頭掃描平面校準(zhǔn)裝置，進(jìn)而建立超聲圖像和對(duì)應(yīng)平面校準(zhǔn)裝置實(shí)際物理位置之間標(biāo)定的方程式組合，然后采用方程式求解出超聲圖像坐標(biāo)系到機(jī)器人操作器坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換矩陣。

然而，綜上所述的標(biāo)定方法通常面向零自由度末端的雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，難以高效地完成對(duì)多自由度末端的雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。同時(shí)，現(xiàn)有標(biāo)定方法常需要借助定位傳感器、相機(jī)、模型等第三方跟蹤設(shè)備，這些設(shè)備本身的定位和尺寸具有一定誤差，且成本較高。

發(fā)明內(nèi)容

本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)標(biāo)定方法及系統(tǒng)，旨在至少在一定程度上解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題之一。

為了解決上述問(wèn)題，本申請(qǐng)?zhí)峁┝巳缦录夹g(shù)方案：

一種雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)標(biāo)定方法，包括：

對(duì)雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得到所述雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)的待標(biāo)定參數(shù)；所述待標(biāo)定參數(shù)包括穿刺針的第一初始參數(shù)、第一平移參數(shù)，以及超聲探頭的第二初始參數(shù)、第二平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)；

使用多點(diǎn)法對(duì)所述穿刺針的第一初始參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并對(duì)所述穿刺針的針尖進(jìn)行雙平面超聲成像，根據(jù)所述雙平面超聲成像對(duì)所述超聲探頭的第二初始參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定；

利用所述超聲探頭獲取兩個(gè)相互垂直的S平面超聲圖像和T平面超聲圖像，使用所述S平面超聲圖像和T平面超聲圖像分別跟蹤超聲探頭和穿刺針的運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過(guò)軌跡擬合對(duì)所述第一平移參數(shù)、第二平移參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

本申請(qǐng)實(shí)施例采取的技術(shù)方案還包括：所述對(duì)雙臂機(jī)器人穿刺系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括：

對(duì)所述穿刺針進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；所述穿刺針繞自身旋轉(zhuǎn)不改變自身的位置，所述穿刺針的位置^BP(d_n)由其初始位置^RP(0)和平移距離d_n決定，所述穿刺針的運(yùn)動(dòng)學(xué)等式為：

^BP(d_n)＝^BT_R·^RP(d_n)