外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法
专利汇可以提供外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种外科 手术导航 系统基于光学 定位 的 机器人 手术定位方法，首先在机器人 基座 上设计三个标志位，用以标志机器人基准 坐标系 的两个坐标轴方向；再通过光学 跟踪 仪定位 指针 来提取这三个标志，并让机器人探针和光学跟踪仪定位指针对接时同时采集空间同一坐标点；最后通过空间坐标转换 算法 ，实现光学跟踪仪与机器人系统的坐标互换；本 发明 克服了主动式医疗机器人不能方便注册病人身上标记点的 缺陷 ，将智能 机械臂 和光学跟踪仪成功集成用于临床实践，使手术定位更精确，成功率更高；简便有效的空间映射算法，解决了光学跟踪仪、机器人、手术三者空间之间复杂繁琐的映射关系，操作简单实用，对 手术环境 要求也不高，便于实际推广使用。，下面是外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法专利的具体信息内容。
1、一种外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法，其特征在于：首先在机器人基座上设计三个标志位，用以标志机器人基准坐标系的两个坐标轴方向，取X轴和Z轴；再通过光学跟踪仪定位指针来提取这三个标志，并让机器人与光学跟踪仪进行一次握手，即机器人探针和光学跟踪仪定位指针对接时同时采集空间同一坐标点，形成一个握手点对；最后通过空间坐标转换算法，实现光学跟踪仪与机器人系统的坐标互换，所述的坐标转换算法是采用不共原点的坐标系坐标变换算法，采用机器人学的共原点坐标系回转变换算法能够快速地将任意的两正交坐标系转换成平行的两坐标系，即坐标轴平行且方向相同；然后通过上面提到的空间握手点对求出两坐标系的原点对向量即；最后求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵，从而实现两坐标系的任意坐标互换。
2、 根fe权利要求1所述的一种外科手术导航系统基于光学定位 的机器人手术定位方法，其特征在于：所述的在机器人基座上设计 三个标志位，具体方法如下：三个标志位做在机器人本体的基座上， 或做在特定的标志块上，保证标志位所标志的方向与机器人基准坐 标系的坐标轴方向一致。
3、 根据权利要求1所述的一种外科手术导航系统基于光学定位 的机器人手术定位方法，其特征在于：所述的标志位注册及握手-即两坐标系同时采集空间某一点，形成 一个握手点对。
4、根据权利要求r所述的一种外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法，其特征在于：•所述的不共原点的坐标系 坐标变换算法，具体算法如下：a) '采用机器人学的共原点正交坐标系回转变换算法：由坐标系Oljk到达坐标系Ol'J'k'可用欧拉变换的方法，连续三 次绕不同坐标轴转动而得；过程如下： 取kk'的公垂线ON，将1绕k轴回转8角到达ON位置；将k绕ON回转d)角到达k';将ON绕k'回转V角到达i'; 则按上述回转变换顺序，有b) 求出两坐标系的原点对向量即^':根据握手点P可知两向量^和T^，经壤^原点正交坐标系回转变换后， C)求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵：生成转换矩阵T的方法也很简单,设光学仪(NDI)坐标系为o系，机器 人坐标系(RBT)为o，系，i?。 =^"', P点在RBT系坐标 (x，,y',z')，位置向量为R，。,，则在NDI系中，位置向量R为： !^R。+R^Ro+E(R，。,)； (1.1)E为回转变换张量表示的变换矩阵，可视绕坐标轴回转 或绕任意轴回转或绕原点回转等不同情况确定；式(l.t)齐次坐标型式 >。,- 1_ 0 1 1 邻 义 "" au 少 〜 "23 少o /z z0 丄 _ 0 0 0 1 一 1这样，光学跟踪仪与机器人的空间坐标建立起一个一一 对应关.舉，在光学跟踪仪坐标系的每个位置坐标都可以 难一而准确地映射到机器人坐标系的相应位s，而机器 人坐标系的每个位置坐标也可以唯一而准辨地映射光学跟踪仪坐标系的相应位置"其转换公式为： P縱，T * ^層 P丽=T * P朋r由于所有的转换都是刚体变换，这种映射是一一对应的。
外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术定位方法 技术领域
本发明属于立体定向外科手术的应用领域，特别涉及的是一种 应用于医疗立体定向外科手术导航系统基于光学定位的机器人手术 定位方法。.
背景技术
机器人手术导航系统分为主动和被动两种：对于被动式机器 人，可以通过人工方式方便驱动机器人采集标记点进行手术空间映 射，不过需要人工干预，耗费了医生体力，操作误差较大；对于主 动式机器人，不需要人为干预，但是如果直接控制机器人采集病人 标记点，效率低，精度差，手术的危险性也很大。
天津市华志计算机应用有限公司开发生产的CAS-R-2型无框架 .立体定向手术系统，已在临床得到广泛应用，成功完成上千例临床 .手术，创直接经济效益数百万余元，但其技术尚不完善。:首先，要 求医生有清晰的三维fe间概念，同时对被动机器人运动规律有一定 的了解，这样在人工操作机器人时，才能较为灵活；其次，在实行 手术导航时，采用人工牵引机器人识别标记点的方法，操作过程比 较繁杂，需要较长的时间，对医生有一定的体力消耗，在手术过程 中是应该尽量减轻的；再次，手术精度的保证是依靠人眼观察计算 机屏幕来人为判断的，这样难以避免误差，对手术效果有影响；最 后，由于机器人是无动力的，使得系统在技术上的进一步提高比较 困难，不能满足外科手术发展的多样化需求。为了解决以上问题， 迫切需要开发自动化程度高、安全可靠、成本低廉的新一代产品。
发明内容
本发明是通过以下技术方案实现的： 一种外科手术导航系统基 于光学定位的机器人手术定位方法，首先在机器人基座上设计三个 标志位，用以标志机器人基准坐标系的两个坐标轴方向,一般取X
轴和Z轴；再通过光学跟踪仪（NDI POLARIS Optical Tracking System )定位指针来提取这三个标志，并让机器人与光学跟踪仪 进行一次握手，即机器人探针和光学跟踪仪定位指针对接时同时采 集空间同一坐标点，形成一个握手点对；最后通过空间坐标转换算 法，实现光学跟踪仪与机器人系统的坐标互换。
以下对本发明方法作进一步的描述，具体内容如下： K机器人基座上三个标志位的设计：三个标志位即可以做在 机器人本体的基座上，也可以做在特定的标志块上，只要保证标志 位所标志的方向与机器人基准坐标系的坐标轴方向一致即可，这部 分工作是机器人装配时就可以完成的。
2、 标志位注册及握手：即两坐标系同时采集空间某一点，形 成一个握手点对；光学跟踪仪的定位指针轻巧自如，使用方便，并 且精度很高，用它来实现对标志位进行注册和与机器人的空间握 手，既保证了精度，又省时省力，提高了手术效率，该部分是唯一 需要人工干预的。
3、 .坐标转换算法:.水发明提出了不共原点的坐标系坐标变换 算法，采用机器人学的共原点坐标系回转变换算法能够快速地将任 意的两正交坐标系转换成平行的两坐标系，即坐标轴平行且方向相 同；然后通过上述空间握手点对求出两坐标系的原点对向量即：'； 最后求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵，从而实现两坐标系 的任意坐标互换。具体算法如下：
[1]采用机器人学的共原点正交坐标系回转变换算法。由坐 标系Oljk到达坐标系Ol'J'k'可用欧拉变换的方法，连续三 次绕不同坐标轴转动而得。过程如下：
取kk'的公垂线C3N，将i绕k轴回转9角到达ON位置r:
将k绕0N回转4)角到达k'; • 将ON绕k'回转V角到达1';
则按上述回转变换顺序，有[2]求出两坐标系的原点对向量即：'。根据握手点P可知两 向量^和^，经过共原点正交坐标系回转变换后， ;
[3]求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵。生成转换矩 阵T的方法也很简单,设光学设备(NDI).坐标系为o系,机 器人坐标系(RBT)为o'系,R。-^,P点在RBT系坐标 (x，,y，,z，),位置向韋为R，。,，则在NDI系中，位置向量R为： R=R。+R，=RQ+E(RV);
.(1.1)
E为回转变换张量表示的变换矩阵，可视绕坐标轴回转 或绕任意轴回转或绕原点回转等不同情况确定。 式(l.l)齐次坐标型式
-£ R。—
1」 0' i _ 1
即
义 a12 a13 x0
a21 a22 a 23 •>''
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1- _ 0 0 0 1 1
这样，光学跟踪仪与机器人的空间坐标建立起一个一一
对应关系,..在你NDI ,.系的每个位置坐标都可以唯一而准. 确地映射到RBT系的相应位置，而RBT系的每个位置 坐标也可以唯一而准确地映射NDI系的相应位置，.其转: 换公式为：
P朋r 二 T * Avz?/ 尸舰=^ * P朋r
由于所有的转换都是刚体变换，这种映射是一一对应的。 本发明具有实质性特点和显著进步，本发明克服了主动式医 疗机器人不能方便注册病人身上标记点的缺陷，将智能机械臂 和光学跟踪仪成功集成用于临^^实践，采用高精度的光学跟踪
仪辅助定位，使手术定位更精确，成功率更高；简便有效i的空 间映射算法，解决了光学跟踪仪空间、机器人空间、手术空间 之间复杂繁琐的映射关系，该方法操作简单实用，对手术环境 要求也不高，便于实际推广使用。
6附图说明
图1是本发明NDI与RBT坐标系示意图。
具体实施方式
如图1所示，以〃例脑外科手术为例，基于P4 1.6MHz 256 内存PC机，以结合NDI光学跟踪仪（NDI POLARIS Optical Tracking System )的机器人系统为例加以说明，具体歩骤如下：
1. 装配机器人时，将基座上装置三个标志位以标志机器 人基准坐标系的两个方向轴，三个标志分别记为O.、 S、 'R，. S表示机器人基准坐标系的i轴，^表示k轴；
2。 用NDI光学跟踪仪的定位指针釆集机器人基座上装置 的三个标志点，完成对机器人基准坐标系的注册，注册 点坐标分别为O [105 259 -1977]、
4. 求出不共原点;的两任意坐标系飽转换矩阵。设光学设. 备(NDI)坐标系为o系，机器人坐标系(RBT)为o'系，尺=Zo?5 E 点在RBT系坐标(x，,y',z'),位置向量为,RV，则在NDI系中，
位置向量R为：
R=R0+R'=R0+E(R,o,》 (1.1)
E为回转变换张量表示的变换矩阵:，可视绕坐标轴回转 或绕任意轴回转或绕原点回转等不同情况确定。 式(l.l)齐次坐标型式
这样，光学跟踪仪与机器人的空间坐标建立起一个一一
对应关系，在你NDI系的每个位置坐标都可以唯一而准 确地映射到RBT系的相应位置，而RBT系的每个位置 坐标也可以唯一而准确地映射NDI系的相应位置，其转 换公式为^
P朋r 二 T * P層 = T * ^fW
由于所有的转换都是刚体变f奂，这种映射是一一对应的； 采用上述算法生成坐标转换矩阵E，生成的矩阵如下-
」.p .0.5711 -0.8209 • -1824.1647—
0 -0.8209, —0.5711 —892.3921
一l 0 0 145.6629
0 0 0 1
五=
5. 然后用NDI光学跟踪仪的定位指针采集贴在病人头部 的四个Mark点，其相应坐标为： .
[64 —89 —2218]、 M^2,w [145 —165 —2269J、
:80 -74 :-22.50〗、 对Nt)I'光学跟踪仪中 变换后'Mark点相应
扁,化 [- 54.2218 447.289 81.6629]
[- -55.7565 538.803 0.6629]
阔,， [- -.32.8782 • 378.084 -15.3371]
續4;6, [一 -19.3868 453.25 65.6629]
这样就完成了机器人对病人头部的四个Mark点注册功 能，从而机器人就可以根据医生设计的手术路径启动运动到 位，辅助医生实施外科手术了。
嵐3,w [16-1 -20 -2196]、嵐4威| •6. 通过步骤'4中生成的转换矩阵， 采集的坐标变换为机器人系的坐标, 坐标为：本发明不局限于该实施例中的脑外科手术，它适用于立 体定向外科手术。
实施效果：该例的结果是通过NDI光学跟踪仪采集转换
为机器人坐标的定位误差是2.5mm，基本满足临床应用的要 求（小于2mm)，如果再采用一些工程的优化方法，对转换 矩阵做一些优化，可以极大的消减定位误差，使之更符合临 床应用要求；该例的执行时间为T《2秒。
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