[发明专利]一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法

权利要求书

1.一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：该方法包括：S1、机器人运动学建模与仿真；S2、导航系统定位与配准；S3、坐标尺度计算和ICP配准算法的空间注册；S4、穿刺针位姿实时定位。

2.根据权利要求2所述的一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：所述机器人运动学建模与仿真包括： D-H建模；所述D-H建模，首先使用D-H法则为机器人的基座、末端以及各连杆放置一个坐标系，任意两个关节之间均由一个连杆连接，当前关节的标号为i-1，指定坐标系为Zi-1，下一个关节为i，指定坐标系为Zi，关节i-1和关节i之间的连杆标号为i-1,建立坐标系，得到相邻两连杆之间四类D-H几何参数，带入齐次坐标变换通用公式中得到相邻两连杆的变换矩阵，通过矩阵连乘运算得到机器人基坐标系与工具末端坐标系的位姿变换矩阵；

齐次坐标变换通用公式为：

。

3.根据权利要求2所述的一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：所述D-H建模的坐标系如下建立：（1）首先确认Z轴，Z轴与关节轴共线；（2）确定坐标原点；（3）确定X轴；（4）按照右手定则确定Y轴。

4.根据权利要求3所述的一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：所述机器人运动学建模与仿真还包括正运动学建模，正运动学建模为根据关节运动范围，仿真得到穿刺针针尖的空间位置点集合；进行DH坐标系的分配。

5.根据权利要求4所述的一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：计算各相邻关节之间的齐次变换矩阵为：

将6个齐次变换矩阵依次相乘得到穿刺针末端坐标系与基坐标系的位姿变换关系：

，

其中：；

其中子阵N表示姿态信息，另一个子阵P表示位置信息，将各个变换矩阵带入公式：中，得两个子阵的成员值；

。

6.根据权利要求5所述的一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：机器人运动学建模与仿真还包括：逆运动学建模：通过穿刺针位姿调整机构的逆运动学模型，在穿刺针位置和姿态已知的情况下得到各个关节的运动量，穿刺针的位置和姿态由最优穿刺路径规划得到；该逆运动学建模得到所有关节变量的表达式为：

。

7.根据权利要求6所述的一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：导航系统定位与配准：包括：导航定位、导航配准；

导航定位是对机器人、患者或手术执行末端的空间定位，导航定位方法分为机械导航系统、超声导航系统、电磁导航系统和光学导航系统；

导航配准是通过识别点集中各点的坐标来建立相应系统的坐标系，通过搜索各点集坐标之间的联系建立两系统坐标系之间的联系；空间配准方法分为空间点的配准和空间表面的配准。

8.根据权利要求7所述的一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，其特征在于：坐标尺度计算：在配准算法中引入度量尺度s，在计算两点集的最优变换矩阵之前，将图像空间点集引入尺度度量s，得到消除尺度误差的新点集，再进行空间配准。