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CN113520603A - 一种基于内窥镜的微创手术机器人系统 - Google Patents

一种基于内窥镜的微创手术机器人系统 Download PDF

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CN113520603A CN202110988731.1A CN202110988731A CN113520603A CN 113520603 A CN113520603 A CN 113520603A CN 202110988731 A CN202110988731 A CN 202110988731A CN 113520603 A CN113520603 A CN 113520603A
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陈欣荣
王杰
张子群
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Fudan University
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Abstract

本发明公开一种基于内窥镜的微创手术机器人系统，包括：手术机械臂模块与内窥镜标定系统；内窥镜手术机械臂用于夹持内窥镜和精确调整内窥镜的空间位置，从而不需要医生长时间地手持内窥镜；内窥镜标定系统采用被动式光学定位法，将反光球固定在内窥镜和医疗器械上，采用手术导航模块通过捕获反射光源来实时追踪目标的空间位置，进而实现术中器械的实时跟踪与配准。本发明能够高效、便捷、准确地进行内窥镜校准，可用于实时的手术导航，便于临床应用，有利于提高内窥镜手术的灵活性和稳定性。

Description

一种基于内窥镜的微创手术机器人系统
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于内窥镜的微创手术机器人系统。
背景技术
微创及无创外科手术是当代临床医学最主要的发展趋势之一，它可以大大提高手术质量、减轻病人的痛苦、缩短康复时间。
鼻内镜手术具有创伤小、出血少、恢复快等优点，在临床上得到了广泛应用。但人体鼻腔解剖结构复杂且手术通道狭窄细长，鼻内镜手术操作难度大、具有较高风险。传统的鼻内镜手术一般是医生一只手持内镜、另一只手操作手术器械实施手术，内镜到达术区高度依赖医生的经验，而且医生长时间徒手持镜易产生疲劳抖动，造成术中内镜画面不稳定。对于一些复杂手术，还需要助手辅助持镜、主刀医生双手操作手术器械，这非常考验二者的协调配合。
为了实现手术器械的定位并将其在显示器上显示，需要将患者的术前影像与患者的空间位置联系起来，这个过程称为配准。配准过程通常是利用基准标记实现的，基准标记可以是患者身体之外的标志，也可以是患者面部或头骨上的解剖标志点。通过将空间中的这些标记与患者术前图像上的放射标记相匹配，外科医师可以根据它进行内镜手术导航。手术导航技术能够将患者的医学影像数据和不透明的病灶通过定位装置联系起来直观地呈现到仪器屏幕上，让医生实时掌握手术器械相对于病灶区域的位置和方向，有助于提高病灶定位精度，降低手术创伤，提高手术效率和成功率。
目前亟需通过融合机器人技术来辅助医生把持内镜，充当医生的第三只手，使得主刀医生在鼻外科手术中可以进行双手操作；同时如何克服现有的内窥镜标定缺陷来实现实时内镜导航手术，进而大幅提高手术质量与安全性是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于内窥镜的微创手术机器人系统，以缓解现有内窥镜手术中的内窥镜标定不精确和内窥镜夹持不稳定的技术问题，使手术导航和内窥镜在临床应用中更精确、实用和方便。
为实现上述目的，本发明一种基于内窥镜的微创手术机器人系统，采用如下的技术方案：
机械臂模块，用于夹持内窥镜且调整内窥镜的空间位置，所述机械臂模块包含：承载基座、活动夹爪、机械臂和控制柜。
内窥镜标定系统，用于完成内窥镜标定，包含：内窥镜模块、标定模板模块、光学跟踪模块以及手术导航模块。所述内窥镜模块包含：内窥镜和位于内窥镜相机通道内的相机；所述标定模板模块为带有棋盘网格的标定平板；所述光学跟踪模块包含：安置在内窥镜上的光学跟踪器、附加在标定模板上的光学跟踪器以及光学位置传感器；所述手术导航模块包含：手术导航系统、红外定位仪。
作为优选，所述内窥镜固定在机械臂可活动夹爪上，内窥镜上固定有光学跟踪模块；所述红外定位仪用于发射红外光线和接受反射光线；所述光学位置传感器用于实时地获取固定在内窥镜前端的光学跟踪器以及附加在标定模板的光学跟踪器的位置信息；通过手术导航系统和红外定位仪进行光学跟踪实现实时配准。
作为优选，所述机械臂模块包含：承载基座、活动夹爪、机械臂及控制柜；其中，所述承载基座用于承载机械臂；所述可活动夹爪安装在机械臂末端，用于夹持内窥镜及手术器械；机械臂为7轴机械臂，用于产生机械臂的运动；所述控制柜用于发射指令控制手术机械臂各自由度的运动。所述机械臂模块通过机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向，实现定位和跟踪。
作为优选，所述手术导航系统和红外定位仪进行光学跟踪实现实时配准，具体为：分别建立光学跟踪器、光学位置传感器、标定模板的棋盘网格以及内窥镜相机的坐标系统，根据光学跟踪器与光学位置传感器之间的相对坐标关系、光学位置传感器与棋盘网格的相对坐标关系和棋盘网格与内窥镜相机的相对坐标关系计算得到光学跟踪器与内窥镜相机之间的相对坐标关系。
作为优选，所述手术导航系统捕获内窥镜前端反射的红外反射光线来追踪目标的空间位置，实现手术中实时的器械跟踪与配准，具体地，导航系统用于计算得到固定在内窥镜前端的光学跟踪器的坐标系 S和光学位置传感器的系统参考空间坐标系R的变换矩阵TSR，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure BDA0003231741290000031
其中，
Figure BDA0003231741290000032
是固定在内窥镜上的光学跟踪器的空间坐标，
Figure BDA0003231741290000041
是光学位置传感器的系统参考空间的空间坐标，TSR包含旋转矩阵和平移矩阵。
作为优选，所述导航系统用于计算得到光学位置传感器的系统参考空间坐标系R与标定模板的棋盘网格的坐标系G的变换矩阵TRG，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure BDA0003231741290000042
其中，
Figure BDA0003231741290000043
是系统参考空间的空间坐标，
Figure BDA0003231741290000044
是标定模板的棋盘网格的空间坐标，TRG包含旋转矩阵和平移矩阵。
作为优选，所述导航系统用于计算得到标定模板的棋盘网格的坐标系G与内窥镜相机坐标系C的变换矩阵TGC，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure BDA0003231741290000045
其中，
Figure BDA0003231741290000046
是标定模板的棋盘网格的空间坐标，
Figure BDA0003231741290000047
是内窥镜相机的空间坐标，TGC包含旋转矩阵和平移矩阵。
作为优选，所述导航系统用于利用矩阵之间的变换关系，计算得到固定在内窥镜前端的光学跟踪器的坐标系S与内窥镜相机坐标系C 的变换矩阵TSC，其具体变换关系为：
TSC＝TSR·TRG·TGC
作为优选，所述7轴机械臂系统来对机械臂进行精确控制。
本发明手术机器人系统，利用机械臂稳定夹持内窥镜，同时采用高精度的内窥镜标定方法，可通过患者术前影像与患者空间位置的配准，完成实时内镜手术导航，提供可视化手术路径规划；可辅助医生把持内镜，解放医生的双手，从而解决长时间术中内镜画面不稳定的问题，为医生提供清晰的实时手术视野，辅助医生高质量地完成手术。
附图说明
图1是本发明微创手术机器人系统的结构示意；
图2是本发明微创手术机器人系统的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及鼻颅底内窥镜手术为例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供一种微创手术机器人系统包括：机械臂模块、内窥镜标定系统。
所述机械臂模块包含：承载基座、活动夹爪、机械臂及控制柜。所述机械臂模块用于夹持内窥镜并能精准灵活地调整内窥镜的空间位置，从而不需要医生长时间地手持内窥镜，解放医生的双手，进而获得稳定而精确的内窥镜画面。所述承载基座用于承载机械臂；所述可活动夹爪安装在机械臂末端，用于夹持内窥镜及手术器械；机械臂为7轴机械臂，所述7轴机械臂为七自由度臂体，用于产生机械臂的运动；所述控制柜用于发射指令控制手术机械臂各自由度的运动。所述机械臂模块用于结合计算机控制技术与机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向，达到定位和跟踪的目的。所述 7轴机械臂系统来对机械臂进行精确控制。
所述内窥镜标定系统包含：内窥镜模块、标定模板模块、光学跟踪模块及手术导航模块。其中，所述内窥镜模块包括内窥镜和位于内窥镜相机通道内的相机；所述标定模板模块为带有棋盘网格的标定平板；所述光学跟踪模块包括安装在内窥镜前端上的光学跟踪器、附加在标定模板上的光学跟踪器以及光学位置传感器，所述光学位置传感器用于实时地获取光学跟踪器的位置信息，所述光学跟踪器上有光反射球，可实时地被光学传感器检测；所述手术导航模块包括手术导航系统和红外定位仪。该内窥镜标定系统用于完成内窥镜标定，进而实现术中实时的器械跟踪与配准。
所述内窥镜固定在机械臂可活动夹爪上，内窥镜上固定有光学跟踪模块；所述红外定位仪用于发射红外光线和接受反射光线；所述光学位置传感器用于实时地获取固定在内窥镜前端的光学跟踪器以及附加在标定模板的光学跟踪器的位置信息；通过手术导航系统和红外定位仪进行光学跟踪来保证实时配准，具体地，分别建立光学跟踪器、光学位置传感器、标定模板的棋盘网格以及内窥镜相机的坐标系统，根据光学跟踪器与光学位置传感器之间的相对坐标关系、光学位置传感器与棋盘网格的相对坐标关系和棋盘网格与内窥镜相机的相对坐标关系计算得到光学跟踪器与内窥镜相机之间的相对坐标关系。
如图2所示，本发明基于内窥镜的微创手术机器人系统的具体工作流程如下：
首先是启动机械臂，并利用机械臂末端的可活动夹爪夹持内窥镜，接着红外定位仪发射红外光线，光学跟踪模块接收并反射红外光线，然后进入内窥镜标定。
在内窥镜标定过程中，包含四个坐标空间，分别为光学跟踪器的坐标系S、光学位置传感器的系统参考空间坐标系R、标定模板的棋盘网格的坐标系G以及内窥镜相机坐标系C。其中光学跟踪器的坐标系S和光学位置传感器的系统参考空间坐标系R的变换矩阵为TSR，光学位置传感器的系统参考空间坐标系R与标定模板的棋盘网格的坐标系G的变换矩阵为TRG，标定模板的棋盘网格的坐标系G与内窥镜相机坐标系C的变换矩阵为TGC，内窥镜前端的光学跟踪器的坐标系S与内窥镜相机坐标系C的变换矩阵为TSC，每个变换矩阵都包含旋转和平移矩阵。
所述手术导航模块用于计算得到固定在内窥镜前端的光学跟踪器的坐标系S和光学位置传感器的系统参考空间坐标系R的变换矩阵 TSR，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure BDA0003231741290000071
其中，
Figure BDA0003231741290000072
是固定在内窥镜上的光学跟踪器的空间坐标，
Figure BDA0003231741290000073
是光学位置传感器的系统参考空间的空间坐标，TSR包含旋转矩阵和平移矩阵。
所述手术导航模块还用于计算得到光学位置传感器的系统参考空间坐标系R与标定模板的棋盘网格的坐标系G的变换矩阵TRG，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure BDA0003231741290000081
其中，
Figure BDA0003231741290000082
是系统参考空间的空间坐标，
Figure BDA0003231741290000083
是标定模板的棋盘网格的空间坐标，TRG包含旋转矩阵和平移矩阵。
所述手术导航模块还用于计算得到标定模板的棋盘网格的坐标系G与内窥镜相机坐标系C的变换矩阵TGC，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure BDA0003231741290000084
其中，
Figure BDA0003231741290000085
是标定模板的棋盘网格的空间坐标，
Figure BDA0003231741290000086
是内窥镜相机的空间坐标，TGC包含旋转矩阵和平移矩阵。
所述手术导航模块还用于利用矩阵之间的变换关系，计算得到固定在内窥镜前端的光学跟踪器的坐标系S与内窥镜相机坐标系C的变换矩阵TSC，其具体变换关系为：TSC＝TSR·TRG·TGC。
至此，内窥镜标定完成，在手术导航过程中，通过光学跟踪器的坐标位置信息，得到坐标变换矩阵TSC，我们可以高效、快捷和准确地得到此时内窥镜相机的坐标位置信息，进而可以精确地调整机械臂，得到清晰的实时手术视野。
本发明采用机械臂夹持内窥镜并通过机械臂系统来精准灵活地调整内窥镜的空间位置，并结合导航系统完成内窥镜的标定来进一步提高配准精度，进而提高病灶定位精度，降低手术创伤，提高手术效率和成功率。其中，内窥镜标定系统由内窥镜模块、标定模板模块、光学跟踪模块以及手术导航模块构成，将光学跟踪器固定在手术器械和内窥镜上，手术导航系统通过捕获反射光源来实时追踪目标的空间位置，进而实现术中实时的器械跟踪与配准。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，包括：
机械臂模块，用于夹持内窥镜且调整内窥镜的空间位置；
内窥镜标定系统，用于完成内窥镜标定，包含：内窥镜模块、标定模板模块、光学跟踪模块以及手术导航模块，所述内窥镜模块包含：内窥镜和位于内窥镜相机通道内的相机；所述标定模板模块为带有棋盘网格的标定平板；所述光学跟踪模块包含：安置在内窥镜上的光学跟踪器、附加在标定模板上的光学跟踪器以及光学位置传感器；所述手术导航模块包含：手术导航系统、红外定位仪。
2.如权利要求1所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述内窥镜固定在机械臂可活动夹爪上，内窥镜上固定有光学跟踪模块；所述红外定位仪用于发射红外光线和接受反射光线；所述光学位置传感器用于实时地获取固定在内窥镜前端的光学跟踪器以及附加在标定模板的光学跟踪器的位置信息；通过手术导航系统和红外定位仪进行光学跟踪实现实时配准。
3.如权利要求1所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述机械臂模块包含：承载基座、活动夹爪、机械臂及控制柜；其中，所述承载基座用于承载机械臂；所述可活动夹爪安装在机械臂末端，用于夹持内窥镜及手术器械；机械臂为7轴机械臂，用于产生机械臂的运动；所述控制柜用于发射指令控制手术机械臂各自由度的运动；所述机械臂模块通过机械臂来夹持并控制内窥镜与手术器械的空间位置和旋转方向，实现定位和跟踪。
4.如权利要求2所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述手术导航系统和红外定位仪进行光学跟踪实现实时配准，具体为：分别建立光学跟踪器、光学位置传感器、标定模板的棋盘网格以及内窥镜相机的坐标系统，根据光学跟踪器与光学位置传感器之间的相对坐标关系、光学位置传感器与棋盘网格的相对坐标关系和棋盘网格与内窥镜相机的相对坐标关系计算得到光学跟踪器与内窥镜相机之间的相对坐标关系。
5.如权利要求4所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述手术导航系统捕获内窥镜前端反射的红外反射光线来追踪目标的空间位置，实现手术中实时的器械跟踪与配准，具体地，导航系统用于计算得到固定在内窥镜前端的光学跟踪器的坐标系S和光学位置传感器的系统参考空间坐标系R的变换矩阵TSR，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure FDA0003231741280000021
其中，
Figure FDA0003231741280000022
是固定在内窥镜上的光学跟踪器的空间坐标，
Figure FDA0003231741280000023
是光学位置传感器的系统参考空间的空间坐标，TSR包含旋转矩阵和平移矩阵。
6.如权利要求5所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述导航系统用于计算得到光学位置传感器的系统参考空间坐标系R与标定模板的棋盘网格的坐标系G的变换矩阵TRG，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure FDA0003231741280000031
其中，
Figure FDA0003231741280000032
是系统参考空间的空间坐标，
Figure FDA0003231741280000033
是标定模板的棋盘网格的空间坐标，TRG包含旋转矩阵和平移矩阵。
7.如权利要求6所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述导航系统用于计算得到标定模板的棋盘网格的坐标系G与内窥镜相机坐标系C的变换矩阵TGC，其相对坐标变换关系可具体表示为：
Figure FDA0003231741280000034
其中，
Figure FDA0003231741280000035
是标定模板的棋盘网格的空间坐标，
Figure FDA0003231741280000036
是内窥镜相机的空间坐标，TGC包含旋转矩阵和平移矩阵。
8.如权利要求7所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述导航系统用于利用矩阵之间的变换关系，计算得到固定在内窥镜前端的光学跟踪器的坐标系S与内窥镜相机坐标系C的变换矩阵TSC，其具体变换关系为：
TSC＝TSR·TRG·TGC。
9.如权利要求3所述基于内窥镜的微创手术机器人系统，其特征在于，所述7轴机械臂系统对机械臂进行精确控制。
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