[发明专利]基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法

摘要

基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法，它属于并联机器人在外科手术领域中的应用，为了保证实际手术磨钻与患者的位姿关系符合虚拟环境中由医生确定的虚拟磨钻与患者模型的位姿关系。技术要点：利用VTK软件包对CT图像进行三维重建，得到患者病患处颈椎骨的三维模型。在图像空间中导入虚拟磨钻，然后由医生在计算机上完成虚拟定位。利用光学定位系统及ICP算法，建立“图像-患者-机器人”三者之间的位置和姿态映射关系。控制并联机器人运动，最终完成并联机器人磨钻与患者的定位。

主权项

1.一种基于图像导航的并联机器人辅助人工颈椎间盘置换手术定位方法，所述定位方法是基于光学定位系统、并联机器人、并联机器人磨钻(5)和计算机来实现的，所述光学定位系统包含有两个反光件(4)和一个光学定位仪(1)和一个探针，所述的并联机器人、光学定位仪与计算机相连，并联机器人磨钻(5)的钻柄上安装有一个反光件(4)；其特征在于：所述方法的具体过程为：步骤A、利用三维重建软件由所述计算机完成对患者病灶处的颈椎骨CT图像的三维重建，得到病患处颈椎骨的三维模型，同时用solidworks软件对磨钻进行建模，并将磨钻模型导入颈椎骨三维模型的图像空间内；步骤B、采用三点对刀方法，由医生在虚拟环境中设定术前磨钻相对于颈椎骨的位姿关系并设置磨钻的进给方向；所述三点对刀方法具体步骤如下：在图像空间{V}中，P₁、P₂和P₃是颈椎骨矢状面上不在一条直线上的三点，分别表示进刀路径的起点，进刀路径的终点和确定刀具位姿的第三点，P₁、P₂和P₃三点确定一个平面，以P₁为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的原点K，沿方向为刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)的z_k方向，P₃为刀具规划坐标系y_kKz_k平面上位于y_k轴正方向一侧的一个点，该点用来确定y_k轴的方向，刀具规划坐标系x_k轴则由向量向到向量的向量积来确定，则刀具规划坐标系K(x_k，y_k，z_k)相对于图像空间{V}的配准变换矩阵^VT_K的表达式为：TkV=l1m1n1Kxl2m2n2Kyl3m3n3Kz0001]]>其中，(n1,n2,n3)=P2P1→|P2P1→|,]]>(l1,l2,l3)=P1P2→×P1P3→|P1P2→×P1P3→|,]]>(m1,m2,m3)=P2P1→×(P1P2→×P1P3→)|P2P1→×(P1P2→×P1P3→)|;]]>(K_x，K_y，K_z)为K点在图像空间{V}中的坐标表示；步骤C、基于光学定位系统，对并联机器人与患者进行位姿的标定，得到“图像-患者-机器人”三者之间的位姿关系；具体过程为：步骤C1、建立并联机器人与光学坐标系之间的位置和姿态关系：首先，利用旋转标定法对所述探针的针尖进行标定，在磨钻根部安装一个反光件(4)，利用旋转标定法对所述磨钻末端进行标定，可以得到磨钻末端在光学系统中的光学坐标系的位置坐标；然后，利用所述探针对并联机器人动平台(3)的六个平面及上平面进行标定，得到动平台中心点：所述并联机器人动平台(3)的外形呈圆柱状，并联机器人动平台(3)的外侧表面为了安装球铰而铣有六个平面，每两个相邻平面为一组，三组平面均布设置；具体方法为：使用所述探针在六个平面中的任意相邻两个平面以及动平台上表面各取三个点用以确定这三个平面在光学坐标系下的表达式，并联机器人动平台(3)的上表面与三组平面相交形成三个点构成的等边三角形中心点设为动平台坐标系原点，动平台中心点与钻头末端的连线即为动平台坐标系z轴，y轴与动平台设计时所取的y轴相一致，x轴根据右手法则得到；最后，再根据设计尺寸，将并联机器人动平台坐标系沿z轴平移，得到并联机器人静平台坐标系，从而建立手术并联机器人与光学定位系统之间的位置和姿态映射关系；步骤C2、建立图像空间坐标系{V}与患者坐标系之间的位置和姿态关系：首先，在手术台上安装带有三坐标系的被动刚体与反光球作为患者坐标系，此被动刚体的三坐标轴方向与病患拍摄CT图像时CT仪的内部坐标系的三坐标轴方向相同；然后利用上述已标定的探针拾取真实骨骼表面的点集，并与病患骨骼的CT片中点集进行对比，利用ICP算法得到术前CT片生成的三维颈椎模型在图像空间中的位姿关系与病患骨骼在患者坐标系中的位姿关系之间的变换矩阵；步骤C3、患者坐标系由被动刚体在光学坐标系的位姿关系可由光学仪器直接得到；至此得到了“图像-患者-机器人”三者之间的位置和姿态映射关系；步骤D.、根据并联机器人逆运动学，控制并联机器人运动，使得实际磨钻与实际患者间的位姿关系与虚拟环境中的磨钻与患者的位姿关系相一致，从而完成定位。