一种基于影像的介入导航机器人系统及其方法与流程

本技术属于半导体制造设备中的运动控制，尤其涉及一种基于影像的介入导航机器人系统及其方法。

背景技术：

1、在前列腺介入诊疗（如穿刺活检、靶向消融）中，术前mri影像能够清晰呈现前列腺内部结构、癌灶位置与腺体轮廓，具备极高的组织分辨率与形态保真度，常作为手术规划的金标准参考；术中实时超声影像具备成像快、无辐射、术中适配性强的优势，可实时反映腺体位姿变化，是临床术中导航的主流影像数据源。实现术前mri前列腺模型与术中超声前列腺模型的精准点云配准，是打通术前规划至术中执行、保障机器人穿刺精准性的核心技术环节。

2、当前临床与科研领域常用的点云配准技术主要分为两类，均存在明显技术缺陷，难以同时满足介入手术对精度、鲁棒性、实时性及临床可观测性的综合需求。第一类为传统刚性迭代最近点配准方法及其变体。此类方法以迭代最近点匹配为核心，仅通过点到点欧氏距离误差构建优化目标，求解旋转和平移刚体变换。其缺陷在于：仅依赖单点距离误差评价配准优劣，完全忽略脏器整体形态重合度与局部特征一致性，易受噪声、点云密度不均及非重叠区域干扰，极易出现局部距离小但整体器官错位的伪收敛现象；且距离误差为局部微观指标，医生无法通过数值变化直观判断整体配准是否有效，临床可用性较差。第二类为基于形变场的影像或点云配准方法，是当前软组织配准的主流研究方向。此类方法在前列腺介入导航场景下同样存在显著劣势：计算复杂度高、迭代耗时长，难以满足术中实时导航需求；过度拟合形变场会引入虚假组织变形，破坏腺体解剖结构真实性，干扰穿刺路径规划；对影像噪声及初始位姿偏差敏感，配准结果缺乏解剖合理性；且参数复杂、可解释性差，缺乏直观量化评价指标，医生无法快速核验配准有效性，不利于手术追溯与质量控制。

3、临床实践已充分验证：mri重建的前列腺腺体与超声重建的前列腺腺体，在整体形态、轮廓走势及体积大小上具备极高固有相似性，二者真实解剖结构高度一致。当两组点云存在角度偏差或平移偏差时，点云重叠率的恶化速度远快于单点平均距离误差，且呈现显著的非线性放大趋势。然而，传统迭代最近点方法仅依赖距离误差，无法有效反映这种整体错位；而形变场配准方法因过度拟合反而掩盖真实错位，二者均难以实现可靠、直观且可核验的精准配准。此外，现有介入导航机器人系统普遍存在流程碎片化、导航融合不紧密、穿刺过程不可追溯等问题。因此，亟需一种基于影像的介入导航机器人系统及其方法，以应对现有技术中的上述问题。

技术实现思路

1、本技术实施例的目的在于提供一种基于影像的介入导航机器人系统及其方法，以解决现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本技术实施例提供如下技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种基于影像的介入导航机器人系统，包括依次通信连接的影像采集模块、点云配准模块、导航融合模块以及记录报告模块，其中：

4、所述影像采集模块用于获取术前磁共振影像与术中超声影像，分别重建为术前磁共振三维点云和术中超声三维点云；

5、所述点云配准模块用于以术前磁共振三维点云为目标点云、以术中超声三维点云为源点云，采用刚体变换迭代最近点配准框架，在每轮迭代中，将变换后的源点云中的每一个点，与目标点云中距离其欧氏距离最近的点，构成匹配点对，并构建综合配准误差函数，且以最小化所述综合配准误差函数为目标求解最优旋转矩阵与平移向量；其中，所述综合配准误差函数由位置误差项、特征点法向量误差项以及重叠率项加权求和构成，所述位置误差项基于所述匹配点对之间的欧氏距离计算，所述特征点法向量误差项基于所述匹配点对之间的法向量夹角计算，所述重叠率项基于两组三维点云的空间体积交并比计算；

6、所述导航融合模块用于根据所述最优旋转矩阵与平移向量，建立术前磁共振规划坐标系、术中超声解剖坐标系与机器人世界坐标系之间的统一映射关系，并将术前规划的穿刺靶点映射至所述机器人运动空间；

7、所述记录报告模块用于基于从所述导航融合模块获取的穿刺针实时位姿、靶点偏差及进针轨道信息，以及从所述点云配准模块获取的综合配准误差，记录并生成报告。

8、第二方面，本发明提供一种基于影像的介入导航机器人配准方法，包括以下步骤：

9、获取术前磁共振影像与术中超声影像，分别重建为术前磁共振三维点云和术中超声三维点云；

10、以术前磁共振三维点云为目标点云、以术中超声三维点云为源点云，采用刚体变换迭代最近点配准框架，在每轮迭代中，将变换后的源点云中的每一个点，与目标点云中距离其欧氏距离最近的点，构成匹配点对，并构建综合配准误差函数，且以最小化所述综合配准误差函数为目标求解最优旋转矩阵与平移向量；其中，所述综合配准误差函数由位置误差项、特征点法向量误差项以及重叠率项加权求和构成，所述位置误差项基于所述匹配点对之间的欧氏距离计算，所述特征点法向量误差项基于所述匹配点对之间的法向量夹角计算，所述重叠率项基于两组三维点云的空间体积交并比计算；

11、根据所述最优旋转矩阵与平移向量，建立术前磁共振规划坐标系、术中超声解剖坐标系与机器人世界坐标系之间的统一映射关系，将术前规划的穿刺靶点映射至机器人运动空间；

12、根据所述最优旋转矩阵与平移向量，获取穿刺针实时位姿、靶点偏差及进针轨道信息，并从所述综合配准误差函数获取综合配准误差，记录上述数据并生成报告。

13、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：

14、一个或多个处理器；

15、存储器；

16、一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中并被配置为由欧式一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序配置用于执行上述所述的基于影像的介入导航机器人配准方法中的步骤。

17、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述所述的方法中的步骤。

18、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述所述基于影像的介入导航机器人配准方法中的步骤。

19、与现有技术相比，本技术实施例的有益效果是：通过设置依次通信连接的影像采集模块、点云配准模块、导航融合模块及记录报告模块，其中影像采集模块将术前磁共振影像与术中超声影像分别重建为两组三维点云，点云配准模块以术前磁共振点云为目标点云、以术中超声点云为源点云，采用刚体变换迭代最近点配准框架，在每轮迭代中基于欧氏距离最近原则构成匹配点对，并构建由位置误差项、特征点法向量误差项及重叠率项加权求和构成的综合配准误差函数，以最小化该函数为目标求解最优旋转矩阵与平移向量，导航融合模块据此建立多坐标系之间的统一映射关系并将术前规划的穿刺靶点映射至机器人运动空间，记录报告模块基于从导航融合模块获取的穿刺针实时位姿、靶点偏差及进针轨道信息以及从点云配准模块获取的综合配准误差进行记录与报告生成，从而在前列腺介入导航中实现高精度、高鲁棒性的刚体点云配准，同时满足术中实时性要求，并提供可追溯的配准质量记录。