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。
2、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。
5、根据权利要求1或4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oijk到达坐标系oi’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：
i.取kk’的公垂线ON，将i绕k轴回转θ角到达ON位置；
ii.将k绕ON回转φ角到达k’；
iii.将ON绕k’回转ψ角到达i′；
则按上述回转变换顺序，有
[i′j′k′]＝EkθEiφEkψ＝E
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 经过共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0系，机器人 坐标系(RBT)为0’系， P点在RBT系坐标 (x’，y’，z’)，位置向量为R’o’，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(1.1)齐次坐标型式
即
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，在光学跟踪仪坐标系的每个位置坐标都可以唯一 而准确地映射到机器人坐标系的相应位置，而机器人坐标 系的每个位置坐标也可以唯一而准确地映射光学跟踪仪 坐标系的相应位置，其转换公式为：
pRBT＝T-1*pNDI pNDI＝T*pRBT
由于所有的转换都是刚体变换，这种映射是一一对应的。
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 医生有清晰的三维空间概念，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：
1、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：本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oijk到达坐标系oi’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i绕k轴回转θ角到达ON位置：
■将k绕ON回转φ中角到达k’；
■将ON绕k’回转ψ角到达i′；
则按上述回转变换顺序，有
[i′j′k′]＝EkθEiφEkψ＝E
[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0系，机器 人坐标系(RBT)为0’系，R0＝ oo′，P点在RBT系坐标 (x’，y’，z’)，位置向量为R’o’，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(1.1)齐次坐标型式
即
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：
pRBT＝T-1*pNDI pNDI＝T*pRBT
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床实践，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。
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，以一例脑外科手术为例，基于P41.6MHz 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，具体步骤如下：
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， 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采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]、S[105 275 -2000]、 R[2 259 -1977]；
3.用NDI光学跟踪仪的定位指针与机器人探针进行握手， 即用NDI光学跟踪仪的定位指针采集空间某一点，如 P[200 -105 -2157]，同时用机器人探针也采集该点坐标 T[-133.434 425.589 -54.3371]，从而形成一握手点对。
4.求出不共原点的两任意坐标系的转换矩阵。设光学设 备(NDI)坐标系为0系，机器人坐标系(RBT)为0’系，R0＝ oo′， P点在RBT系坐标(x’，y’，z’)，位置向量为R’o’，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(1.1)齐次坐标型式
即
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：
pRBT＝T-1*pNDI pNDI＝T*pRBT
由于所有的转换都是刚体变换，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：
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：
Mrk1ndi[64 -89 -2218]、Mrk2ndi[145 -165 -2269]、
Mrk3ndi[161 -20 -2196]、Mrk4ndi[80 -74 -2250]、
6.通过步骤4中生成的转换矩阵，对NDI光学跟踪仪中 采集的坐标变换为机器人系的坐标，变换后Mark点相应 坐标为：
Mrk1rbt[-54.2218 447.289 81.6629]
Mrk2rbt[-55.7565 538.803 0.6629]
Mrk3rbt[-32.8782 378.084 -15.3371]
Mrk4rbt[-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自动运动到 位，辅助医生实施外科手术了。
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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