基于光学跟踪闭环控制脑外科机器人系统及实现方法

摘要

一种基于光学跟踪闭环控制脑外科机器人系统，是进行接收医学影像信息、测定并确定病灶位置、辅助进行手术规划、进行手术导引的脑外科机器人；由计算机、五自由度机器人、光学跟踪设备和被动标识器构成一个闭环的机器人位姿测量与实时反馈控制系统，被动标识器安装在五自由度机器人末端；五自由度机器人包括机械臂和机械臂控制器；辅助手术规划与导引软件包括数字影像输入与预处理模块、病灶提取与三维重构模块、手术规划模块、以及手术实施模块；其优点是：提高机器人系统的轨迹跟踪和定位精度，解决限制外科手术机器人推广使用的绝对精度问题，降低机器人设计和制造成本；简化注册标定过程，减轻医生工作量和出错概率，减轻病人的痛苦。

主权项

1、一种基于光学跟踪闭环控制脑外科机器人系统，包括计算机(1)、五自由度机器人(2)、光学跟踪设备(3)、光学注册工具(4)、被动标识器(5)、医学标志器(6)、塑形枕(7)、和手术床(8)等设备组成的硬件部分，和辅助手术规划与导引软件(9)部分，是进行接收医学影像信息、测定并确定病灶的位置、辅助进行手术规划、并进行手术导引的脑外科机器人；其特征是，由所说的计算机(1)、五自由度机器人(2)、光学跟踪设备(3)、和被动标识器(5)构成一个闭环的机器人位姿测量与实时反馈控制系统，被动标识器(5)安装在五自由度机器人(2)的末端，始终被光学跟踪设备(3)跟踪；所说的五自由度机器人(2)包括五自由度机械臂(11)和机械臂控制器(10)；所说的辅助手术规划与导引软件(9)包括数字影像输入与预处理模块、病灶提取与三维重构模块、手术规划模块、以及手术实施模块；使用本发明进行手术阶段的具体操作步骤是：一.在进行手术前准备时：在病人头颅上粘贴四个医学标志器(6)，对脑部进行医学影像扫描，并将扫描所得医学影像信息输入计算机(1)，运用辅助手术规划与导引软件(9)确定病灶，重构病灶和头颅的三维医学模型，进行手术靶点与医学标志影像位置的标识，并规划手术路径；二.在进行注册标定时：让病人躺在手术床(8)上，头部使用塑形枕(7)与手术床(8)相对固定，一方面用光学注册工具(4)测定病人头颅上的四个医学标志器(6)的坐标，测量值由光学跟踪设备(3)给出，并送入计算机(1)，由计算机(1)计算三维医学模型空间与光学测量空间之间的映射变换；另一方面用本发明设计的标测方法，由五自由度机器人(2)、光学跟踪设备(3)和计算机(1)配合，自动测定五自由度机器人基座坐标空间与光学测量空间之间的映射变换；三.在进行手术实施时：首先，由计算机(1)将在三维医学模型空间预先规划的手术路径变换到光学测量空间，并计算出在当前路径点五自由度机器人末端需要达到的理想位姿；然后，由计算机(1)根据当前路径点的理想位姿，进行由光学测量空间到五自由度机器人基座坐标空间的坐标变换，并通过求解五自由度机器人逆运动学，得到五自由度机器人(2)各个关节的理想位置；然后，由计算机(1)向五自由度机器人(2)输入各个关节的理想位置，控制五自由度机器人(2)运动；同时，由光学跟踪设备(3)和安装在五自由度机器人末端的被动标识器(5)配合，实时测定五自由度机器人的末端位姿并送入计算机(1)，用本发明设计的控制方法对五自由度机器人的末端位姿进行实时控制，实现精确的轨迹跟踪和定位；最后，五自由度机器人(2)锁定，医生在五自由度机器人(2)的辅助下进行手术操作。