一种应用于实时穿刺手术机器人的配准方法与流程

1.本发明属于人工智能技术领域，涉及一种应用于实时穿刺手术机器人的配准方法，适用于肝胆外科或神经外科等，在核磁或ct影像引导下的、经皮穿刺的消融治疗或活检取样等微创介入手术领域。


背景技术：

2.肝脏等部位的恶性肿瘤或脑神经功能性疾病等是严重威胁人类健康和生活质量的重大疾病，而基于微波或射频的热消融技术作为有效的微创介入治疗手段之一，近年来已广泛应用于临床。其中，实现对消融针高精度穿刺的路径规划和执行，是最为重要的要求以及保证治疗效果的关键。
3.在实现手术机器人自动手术的现有技术中，机械臂通过进入到ct、mri扫描孔内，在扫描时或扫描结束后进行诊疗操作。但是这些现有技术往往存在以下问题：
4.现有技术中的机械臂无法进入到医学影像设备的扫描孔内，无法实现机械臂与医学影像的直接配准，因此，通常都需要用到光学跟踪器。利用光学跟踪器识别机械臂与患者的相对位置，并通过患者的术前医学影像，才能将机械臂坐标与医学影像坐标配准。
5.现有技术为了实现三者配准，通常运用的是术前扫描的医学图像实现机械臂与患者，以及医学影像与患者之间的两次配准，无法实现机械臂、医学影像、患者三者的单次配准，进而无法避免术前影像与术中影像不一致而导致的配准误差。
6.因此，如何提供一种能够有效对实时穿刺手术机器人的标记点进行单次配准的方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提出了一种应用于实时穿刺手术机器人的配准方法，解决现有技术中的技术问题。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.本发明公开了一种应用于实时穿刺手术机器人的配准方法，显影装置位于机器人末端执行机构，显影装置上具有n个显影点，n＞3；包括如下步骤：
10.实时获取显影点在机器人坐标系下的位置坐标点集；
11.对所述显影点进行同步实时扫描显影，即时获取m个显影点在图像坐标系下的位置坐标点集，m＜n；
12.以两个点集在配准后的平均距离最小为目标函数，计算机器人坐标系到图像坐标系的旋转矩阵：
[0013][0014]
[0015][0016]
其中，u、v为正交矩阵，为机器人空间点云质心，为图像空间点云质心。
[0017]
优选的，获取m个显影点包括：获取清晰度大于设定阈值的m个显影点。
[0018]
优选的，对机器人坐标系下的位置坐标点集{ptr}构造长度为n= sizeof ({ps}) 的全排列组合, 获得全排列组合子集{}，{ps}为图像坐标系下的位置坐标点集；全排列组合个数为，每一个全排列组合子集{}与{ps}对应一个旋转矩阵。
[0019]
优选的，利用旋转矩阵计算已知图像坐标系下的位置坐标点集{ps}转换到机器人空间下的点集：
[0020][0021]
求解每组与之间的欧氏距离，当欧氏距离满足设定欧氏距离阈值要求时，则该组解所用到的旋转矩阵即为配准结果。
[0022]
本发明还提供了一种服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行所述的应用于实时穿刺手术机器人的配准方法。
[0023]
本发明还提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现所述的应用于实时穿刺手术机器人的配准方法的步骤。
[0024]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
[0025]
本发明提供支持应用于实时穿刺手术机器人的配准方法，适用于磁共振或ct引导下的穿刺手术，尤其是配合手术机器人使用时，无需借助光学跟踪器，且能够实现机械臂与患者实时扫描，三者即时配准，从而既省略了术前扫描的步骤，又避免了术前影像与术中影像不一致而导致的配准误差，有助于完成精准的空间位置配准过程，避免了系统误差造成的配准失效。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图；
[0027]
图1为本发明一种实施例提供的应用于实时穿刺手术机器人的配准方法的流程图；
[0028]
图2为本发明一种实施例提供的显影装置的结构示意图。
具体实施方式
[0029]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0030]
如图1所示，本发明实施例第一方面提供了一种应用于实时穿刺手术机器人的配准方法，包括机器人与核磁共振设备的配准方法，核磁共振设备对执行穿刺手术机器人手术过程中的显影装置进行成像，即为图像空间，进而作用于后续的病灶区域图像空间坐标与机器人执行终端的坐标实时转换过程中。
[0031]
配准即得到机器人坐标系与核磁共振坐标系之间的转换关系，这样就可以根据核磁扫描出的影像，把病灶点在核磁共振设备坐标系下的位姿信息转换到机器人坐标系下，机器人根据病灶点的位置进行相应的操作，从而获得准确的手术操作效果。
[0032]
显影装置位于机器人末端执行机构，显影装置上具有n个显影点，n＞3；包括如下步骤：
[0033]
实时获取显影点在机器人坐标系下的位置坐标点集；
[0034]
对所述显影点进行同步实时扫描显影，即时获取m个显影点在图像坐标系下的位置坐标点集，m＜n；
[0035]
以两个点集在配准后的平均距离最小为目标函数，计算机器人坐标系到图像坐标系的旋转矩阵：
[0036][0037][0038][0039]
其中，u、v为正交矩阵，为机器人空间点云质心，为图像空间点云质心。
[0040]
本实施例中，在机器人的末端执行机构（机械臂）上安装有显影装置，其形状在核磁成像设备上扫描到并通过影像处理模块接收到的图像中可见。
[0041]
显影点可以为若干个独立的含有特定液体（例如油、水或显影剂等）的小球，也可以是其它的构型，例如线段、交叉、网格等。显影点中任意三点不共线，其连线非对称，且是显影装置是刚性结构，即显影点间相对位置不变。
[0042]
如图2所示，显影装置1上设有6个显影点10，显影点10设置于显影装置1上的显影点放置槽11。显影装置固定于机械臂的末端执行机构上。
[0043]
在一个实施例中，根据机械设计已知各个显影点在机器人坐标系下的坐标，以点集{ptr} 来表示，在图像空间中选择若干个清晰度满足要求的点，即清晰度排名前m位的显影点，标记其球心位置，形成图像空间中候选显影点的点集{ps}。
[0044]
在一个实施例中，随机构建机器人空间下对应图像空间下点集中显影点数量的点云子集，对机器人坐标系下的位置坐标点集{ptr}构造长度为n= sizeof ({ps})的全排列组合, 获得全排列组合子集{}，{ps}为图像坐标系下的位置坐标点集；全排列组合个数为，每一个全排列组合子集{}与{ps}对应一个旋转矩阵。
[0045]
在一个实施例中，利用旋转矩阵计算已知图像坐标系下的位置坐标点集{ps}转换到机器人空间下的点集：
[0046][0047]
求解每组与之间的欧氏距离，当欧氏距离满足设定欧氏距离阈值要求时，则该组解所用到的旋转矩阵即为配准结果。
[0048]
本实施例中，求解每组与之间的欧氏距离，设定欧氏距离阈值dis_max, 距离最近的一组解如果小于dis_max，则该组解所用到的旋转矩阵即为配准结果。如果大于dis_max，则配准失败。
[0049]
在一个实施例中，根据机器人空间和图像空间下的两个相等大小子集求解图像空间到机器人空间的转换矩阵，其中，r为3
×
3矩阵，t为3
×
1矩阵。下面根据以下公式求解r,t
[0050]
由
[0051][0052]
得
[0053][0054]
两个点集在配准后的平均距离最小：
[0055][0056][0057]
令：
[0058][0059]
f(t)对t求偏导，得：
[0060][0061]
令，得：
[0062]
[0063]
根据两个空间点集分别求平均值得图像空间点云质心，机器人空间点云质心，
[0064]
因此：
[0065][0066]
将t代入f(t)可得：
[0067][0068]
即目标函数变为:
[0069]
,
[0070][0071][0072]
求解r
[0073][0074][0075]
由是1*3向量，是3*3向量，是3*1向量，因此是标量，对于任意标量a,都满足,因此
[0076][0076][0077]
带入目标函数：
[0078]
[0079][0080]
因此：
[0081][0082]
其中，x和y为3
×
n维矩阵。
[0083]
定义协方差矩阵,对s做svd分解：
[0084][0085]
计算的特征值，以及对应的特征向量，得：
[0086][0087][0088]
因而，求解问题变为使下式最大化：
[0089][0090]
令,其是正交矩阵，其列向量是正交向量，即，因此对m的所有元素都有。
[0091]
[0092]
当时，最大；m又是正交矩阵，因此m必为单位阵。
[0093][0094][0095]
下面给出本实施例的具体应用算例：
[0096]
在机器人的末端执行机构上安装有显影装置，其形状在核磁成像设备上扫描到并通过影像处理模块接收到的图像中可见。机器人安装在扫描床上，通过扫面得到带有显影点的影像，手动或自动标记n=4个显影点，得到显影点集。
[0097]
显影装置上一共设置h=5个显影点，根据机械设计已知显影点相对于末端执行机构的位置为，根据机器人当前的角度得到h=5个显影点在机器人基坐标系的表示为：
[0098][0099]
对 {} 构造长度为n的全排列组合, 显影点集个数为
[0100]
， 定义点集为
[0101]
定义图像空间到机器人空间的转换矩阵为，其中
[0102][0103]
由
[0104][0105]
得
[0106][0107]
根据两个空间点集分别求平均值得图像空间点云质心，机器人空间点云质心，
[0108][0109][0110][0111][0112]
对h进行svd分解得：
[0113]
从而得：
[0114]
[0115][0116]
与 {}得到一组旋转矩阵，根据该旋转矩阵求解已知影像集{}转换到机器人空间下的点集，
[0117][0118]
求解每组与之间的欧氏距离，设定欧氏距离阈值dis_max, 距离最近的一组解如果小于dis_max，则该组解所用到的旋转矩阵即为配准结果。如果大于dis_max，则配准失败。
[0119]
即时配准的旋转矩阵用于穿刺手术过程中图像坐标中病灶区域至机器人坐标系中的转换。
[0120]
本实施第二方面提供了一种服务器，服务器包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并在所述处理器上运行本实施例第一方面提供的应用于实时穿刺手术机器人的配准方法。
[0121]
本发明第三方面提供了一种非瞬时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现本实施例第一方面提供的应用于实时穿刺手术机器人的配准方法的步骤。
[0122]
以上对本发明所提供的应用于实时穿刺手术机器人的配准方法进行了详细介绍，本实施例中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0123]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本实施例中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本实施例所示的这些实施例，而是要符合与本实施例所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。