[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

说明书

本发明公开了一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，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，本发明能够对穿刺装置进行运动学建模，并进行了正逆运动学求解；并且初步验证所设计的机器人自由度、构型、几何参数可以满足乳腺活检穿刺的要求，通过基于坐标尺度计算的ICP迭代配准算法，并进行了配准算法仿真实验，解决了坐标空间尺度不一致的问题；基于OptiTrack运动捕捉系统和3ds Max三维动画软件搭建了导航实验平台，完成了被动定位探针标定和图像空间配准，实现了穿刺针位姿的可视化和定位跟踪。

技术领域

本发明属于医疗机器人技术领域，具体涉及一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法。

背景技术

乳腺癌是常见的女性恶性肿瘤，严重危害女性的身体健康和生命安全，据最新癌症数据统计显示乳腺癌目前仍位居女性新发恶性肿瘤第一位，所以早期发现，早期诊断，及时治疗乳腺癌对降低病死率及提高生存质量具有非常重要的现实意义。

随着机器人技术和医学图像技术的发展，国内外诸多研究单位就机器人辅助医生手术展开了研究并已有相关产品落地，手术机器人已成为机器人领域重要的分支，我国已将手术机器人列入国家重大发展战略计划之中。

申请号为202011199915.1的发明专利公开了一种新型乳腺肿瘤穿刺活检装置，包括固定支架、滚轮装置、圆弧板轨道、连接架、旋转关节、第一旋转架、第二旋转架、活检枪；所述旋转关节与固定支架连接，所述连接架与旋转关节通过螺栓螺母连接，圆弧板轨道与连接架固定连接，滚轮装置安装在圆弧板轨道上，第一旋转架与滚轮装置通过螺栓螺母连接，第二旋转架与第一旋转架通过螺栓螺母连接，活检枪安装在第二旋转架上；当螺母松开时，第一旋转架、第二旋转架、旋转关节可以转动，当螺母锁紧时，位置固定。

该发明专利采用X轴直线模组、Z轴直线模组、Y轴直线模组组成的三坐标定位装置具有运动稳定性高、定位精度高、工作范围大的优点；穿刺针姿态调整机构根据乳腺组织的生理形状进行设计，可以实现穿刺针的多姿态运动，在乳腺组织三维重建、穿刺路径规划以及术中导航技术的基础上医生操作本装置可以更好的实施活检手术，有效弥补手工穿刺的不足，提高穿刺手术的准确度和活检成功率，但该装置仍需医生手持穿刺末端，手动推动活检枪实施穿刺，无法弥补被动关节设计的局限性，无法保证穿刺点定位精度和肿瘤穿刺精度；该发明专利虽然也公开了该装置还需要搭配图像三维重建软件、路径规划算法和光学定位导航系统来实现乳腺肿瘤精准安全的穿刺活检，但手术过程存在过多的人为操作环节，降低了工作效率，降低了手术精准度，增加了病人的痛苦。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题是提供一种主被动自由度相结合，穿刺点定位精度和肿瘤穿刺精度高，完成被动定位探针标定和图像空间配准，实现了穿刺针位姿的可视化和定位跟踪的乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

一种乳腺微创介入手术机器人空间配准与实时导航方法，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。

以下是本发明对上述技术方案的进一步优化：

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：

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