CN104758066B - 用于手术导航的设备及手术机器人 - Google Patents
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Abstract
提供一种用于手术导航的设备及手术机器人。所述设备包括：光学跟踪定位装置，用于检测待定位装置的第一空间位置和第一姿态；加速度跟踪定位装置，用于检测待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度；融合定位装置，用于根据检测到的第一空间位置和第一姿态以及待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度确定待定位装置的第二空间位置和第二姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。根据所述设备，能够实现对手术中的待定位装置进行连续的、精确的空间定位，且成本低、运算量小。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地讲，涉及一种用于手术导航的设备及手术机器人。
背景技术
机器人不仅应用于工业领域，在医疗领域也已得到推广应用。手术机器人(Surgical Robot)的问世不过短短10年，已经取得重大进展。手术机器人是一组器械的组合装置，它通常由一个探头(内窥镜或超声探头等)、手术器械、微型摄像头、操纵杆、多个机械臂等器件组装而成，此外，还包括手术导航系统。目前使用的手术机器人的工作原理是：医生坐在电脑显示屏前，通过显示屏观察病人体内的病灶情况，通过远程操控机器人手中的手术器械将病灶精确切除(或修复)。
图1示出现有的手术机器人的示例，包括远程操纵杆、手术器械、超声探头、多个机械臂(分别用于夹持手术器械、超声探头等)以及手术导航系统，医生通过远程操纵杆来控制机械臂(即控制被夹持在机械臂末端的手术器械和超声探头)来进行手术，在医生面前显示的是实时超声图像，图像中有对应于实际位置的人体手术区域以及手术器械模型，医生以实时超声图像提供的信息为依据操纵机械臂进行手术操作。显而易见，想要顺利地进行手术，必须要获取手术器械与人体手术区域的实时的、精确的空间位置关系。
手术导航系统即在手术中提供手术器械与人体手术区域实时空间位置关系的设备，图1所示出的手术机器人的手术导航系统为最常见的NDI Polaris光学跟踪定位系统，使用方式如下：机械臂处于初始状态，机械臂末端分别夹持有手术器械和超声探头，手术器械和超声探头分别固连有定位标志点阵列(例如，被动刚体)，将定位传感器安置在三角支架上，将支架放置在合适的位置后不再移动，以其作为世界坐标系的参考点；开启定位传感器，获取手术器械的初始位置和超声探头的初始位置(即，在世界坐标系下的绝对位置)；开始实际操作，利用超声探头获取人体手术区域的在世界坐标系中的空间位置和姿态，以及手术器械在世界坐标系中的空间位置和姿态，为医生提供实时的导航信息(计算机根据此空间位置信息以三维形式生成并显示人体手术区域的超声画面和手术器械模型。
然而，现有的光学跟踪定位系统还存在一定的弊端，主要集中在：手术过程中无法保证光学跟踪定位系统对待定位装置进行连续有效的定位(即，无法保证一直定位正常)，而一旦定位失效，手术就会因医生无法获取待定位装置的实时位置信息而中断。
发明内容
本发明的示例性实施例在于提供一种用于手术导航的设备及手术机器人，以克服现有的手术导航系统无法保证对待定位装置进行连续定位的问题。
根据本发明的一方面，提供一种用于手术导航的设备，所述设备包括：光学跟踪定位装置，用于检测待定位装置的第一空间位置和第一姿态；加速度跟踪定位装置，用于检测待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度；融合定位装置，用于根据检测到的第一空间位置和第一姿态以及待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度确定待定位装置的第二空间位置和第二姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
可选地，融合定位装置根据在第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第一姿态以及在第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度，确定待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态，其中，第一时刻早于第二时刻。
可选地，第一时刻是光学跟踪定位装置开始处于定位失效状态之前最后一次检测到第一空间位置和第一姿态的时刻，第二时刻是光学跟踪定位装置开始处于定位失效状态时或之后的时刻，其中，在光学跟踪定位装置处于定位失效状态之前，融合定位装置将第一空间位置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
可选地，融合定位装置根据第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第一时刻与第二时刻之间的空间位置变化和姿态变化，并根据第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第一姿态，以及在第一时刻与第二时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态。
可选地，融合定位装置根据第i时刻与第i-1时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化，并根据计算得到的第i-1时刻的待定位装置的第二空间位置和第二姿态，以及在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第i时刻的第二空间位置和第二姿态，其中，i为大于等于3的整数，第i-1时刻早于第i时刻。
可选地，在光学跟踪定位装置处于定位正常状态时，融合定位装置将第一空间位置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
可选地，光学跟踪定位装置包括定位传感器和定位标志点阵列，其中，当定位传感器检测不到定位标志点阵列，或者定位传感器检测到定位标志点阵列处于特定姿态时，融合定位装置确定光学跟踪定位装置处于定位失效状态；当定位传感器检测到定位标志点阵列且检测到定位标志点阵列没有处于特定姿态时，融合定位装置确定光学跟踪定位装置处于定位正常状态。
可选地，加速度跟踪定位装置包括空间三向陀螺仪、空间三向加速度传感器、无线通信装置和电源，其中，无线通信装置将包括空间三向加速度传感器检测到的待定位装置的空间线性加速度、空间三向陀螺仪检测到的待定位装置的空间角加速度、以及加速度跟踪定位装置的标识信息的信息发送到融合定位装置。
可选地，所述设备还包括：报警装置，当光学跟踪定位装置处于定位失效状态超过预定时间段时，提示操作者光学跟踪定位装置处于定位失效状态已超过预定时间段。
可选地，所述预定时间段通过下述方式确定：从一时刻开始，对待定位装置的第一空间位置和第一姿态、第二空间位置和第二姿态进行连续检测，将空间位置误差初次大于空间位置误差阈值或姿态误差初次大于姿态误差阈值的时刻与所述一时刻之间的时间差作为预定时间段，其中，空间位置误差为在同一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置与第二空间位置之间的误差，姿态误差为在同一时刻检测到的待定位装置的第一姿态与第二姿态之间的误差。
可选地，光学跟踪定位装置以定位传感器的位置为参考点来检测第一空间位置和第一姿态，其中，定位传感器被固定于手术室的预定位置。
可选地，加速度跟踪定位装置固定于待定位装置上或固定于夹持待定位装置的机械臂末端上。
可选地，待定位装置包括手术器械和手术成像设备中的至少一个。
根据本发明的另一方面，提供一种手术机器人，包括：用于夹持待定位装置的机械臂，以及所述用于手术导航的设备。
根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备及手术机器人，能够实现对手术中的待定位装置进行连续的、精确的空间定位，且成本低、运算量小。
将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
附图说明
图1示出根据本发明示例性实施例的现有的手术机器人的示例；
图2示出根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备的结构框图。
具体实施方式
现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指的是相同的部件。以下将通过参照附图来说明所述实施例，以便解释本发明。
图2示出根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备的结构框图。如图2所示，根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备包括：光学跟踪定位装置10、加速度跟踪定位装置20和融合定位装置30。这些装置可由数字信号处理器、现场可编程门阵列等通用硬件处理器来实现，也可通过专用芯片等专用硬件处理器来实现，还可完全通过计算机程序来以软件方式实现。
具体说来，光学跟踪定位装置10用于检测待定位装置的第一空间位置和第一姿态。
这里，第一空间位置为通过光学跟踪定位装置10检测到的待定位装置的位置，相应地，第一姿态为通过光学跟踪定位装置10检测到的待定位装置的姿态。
光学跟踪定位装置10可通过现有的光学跟踪定位系统来实现，例如，可包括定位传感器(例如，双目红外摄像机等)和定位标志点阵列(例如，红外反光标记球、被动刚体等)。定位标志点阵列的各定位标志点可在同一平面内且以特定的构型(例如，各定位标志点的姿态均不同)被固定连接在一起，可被固定于待定位装置上或固定于夹持待定位装置的机械臂末端上(即，与待定位装置保持相对静止)，定位传感器基于定位标志点阵列的构型，通过检测定位标志点阵列的空间位置和姿态来确定待定位装置的空间位置和姿态。
待定位装置可以是手术成像设备(例如，超声探头等)、手术器械等手术中需要进行定位的装置，对此不作限制。
加速度跟踪定位装置20用于检测待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度。具体说来，加速度跟踪定位装置20检测待定位装置分别沿三个相互垂直的方向(例如，光学跟踪定位装置10所基于的世界坐标系(即，参考坐标系)的三个坐标轴的方向)的线性加速度，以及待定位装置的三个角加速度(即，俯仰角、滚转角以及偏航角的加速度)。
可被固定于待定位装置上或固定于夹持待定位装置的机械臂末端上(即，与待定位装置保持相对静止)。
加速度跟踪定位装置20可通过各种能够检测空间线性加速度和空间角速度的装置来实现。作为示例，加速度跟踪定位装置20可包括：空间三向陀螺仪(未示出)、空间三向加速度传感器(未示出)、无线通信装置(未示出)和电源(未示出)，其中，无线通信装置将包括空间三向加速度传感器检测到的待定位装置的空间线性加速度、空间三向陀螺仪检测到的待定位装置的空间角加速度、以及加速度跟踪定位装置20的标识信息的信息发送到融合定位装置30。
这里，加速度跟踪定位装置20的标识信息为指示该加速度跟踪定位装置20的信息(例如，该加速度跟踪定位装置20的ID等)。无线通信装置以无线通信方式(例如，蓝牙、WIFI等方式)将上述信息发送到融合定位装置30。电源为空间三向陀螺仪、空间三向加速度传感器和无线通信装置供电。
融合定位装置30用于根据检测到的第一空间位置和第一姿态以及待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度确定待定位装置的第二空间位置和第二姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
这里，第二空间位置为根据光学跟踪定位装置10检测到的第一空间位置，以及加速度跟踪定位装置20检测到的待定位装置的空间线性加速度所确定的待定位装置的空间位置。相应地，第二姿态为根据光学跟踪定位装置10检测到的第一姿态，以及加速度跟踪定位装置20检测到的待定位装置的空间角加速度所确定的待定位装置的姿态。
作为示例，融合定位装置30可根据在第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第一姿态以及在第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度，确定待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态，其中，第一时刻早于第二时刻。
例如，融合定位装置30可根据第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第一时刻与第二时刻之间的空间位置变化和姿态变化，并根据第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第一姿态，以及在第一时刻与第二时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态。
具体说来，融合定位装置30可通过对第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度进行二次积分，来得到待定位装置在第二时刻相较于第一时刻的相对空间位置变化，然后结合第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置确定出待定位装置在第二时刻的第二空间位置；相应地，融合定位装置30可通过对第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间角加速度进行二次积分，来得到待定位装置在第二时刻相较于第一时刻的相对姿态变化，然后结合第一时刻检测到的待定位装置的第一姿态确定出待定位装置在第二时刻的第二姿态。
作为示例，第一时刻可以是光学跟踪定位装置10开始处于定位失效状态之前最后一次检测到第一空间位置和第一姿态的时刻，第二时刻可以是光学跟踪定位装置10开始处于定位失效状态时或之后的时刻，其中，在光学跟踪定位装置10处于定位失效状态之前，融合定位装置30将第一空间位置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
换言之，在光学跟踪定位装置10处于定位失效状态之前一直通过光学跟踪定位装置10来确定待定位装置的空间位置和姿态，一旦光学跟踪定位装置10处于定位失效状态，融合定位装置30将基于光学跟踪定位装置10处于定位失效状态之前最后一次检测到的第一空间位置和第一姿态作为起始空间位置和姿态，结合加速度跟踪定位装置20在第一时刻相较于第二时刻的空间位置变化和姿态变化来确定的待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态，作为待定位装置在第二时刻的空间位置和第二姿态。
这里，光学跟踪定位装置10处于定位失效状态即光学跟踪定位装置10不能够准确检测待定位装置的空间位置和姿态。例如，当定位传感器检测不到定位标志点阵列，或者定位传感器检测到定位标志点阵列处于特定姿态(例如，定位传感器检测到定位标志点阵列处于一条直线的姿态等)时，融合定位装置30可确定光学跟踪定位装置处于定位失效状态。当定位传感器检测到定位标志点阵列且检测到定位标志点阵列没有处于特定姿态时，融合定位装置30可确定光学跟踪定位装置处于定位正常状态。
例如，如果定位标志点阵列超出定位传感器的有效检测范围、定位传感器与定位标志点阵列之间的光学通路受到遮挡，则定位传感器检测不到定位标志点阵列。
此外，融合定位装置30还可根据第i时刻与第i-1时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化，并根据计算得到的第i-1时刻的待定位装置的第二空间位置和第二姿态，以及在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第i时刻的第二空间位置和第二姿态，其中，i为大于等于3的整数，第i-1时刻早于第i时刻。
即，在第二时刻之后的时刻，可以计算得到的上一时刻的第二空间位置和第二姿态作为起始空间位置和姿态，结合当前时刻相对于上一时刻的待定位装置的空间位置变化和姿态变化来确定当前时刻的待定位装置的第二空间位置和第二姿态。通过上述方式，可降低运算量、提高运算速度。
此外，融合定位装置30也可根据第i时刻与第一时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第一时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化，并根据第一时刻的待定位装置的第一空间位置和第一姿态，以及在第一时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第i时刻的第二空间位置和第二姿态。
此外，作为示例，在光学跟踪定位装置10处于定位正常状态时，融合定位装置30可将第一空间位置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。即，只要光学跟踪定位装置10处于定位正常状态，就通过光学跟踪定位装置10来确定待定位装置的空间位置和姿态，只要光学跟踪定位装置10处于定位失效状态，就将融合定位装置30根据光学跟踪定位装置10处于定位失效状态之前最后一次检测到的第一空间位置和第一姿态作为起始空间位置和姿态，结合加速度跟踪定位装置20检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算得到的第二空间位置和第二姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
通过上述方式能够实现在传统的光学跟踪定位装置10无法有效、准确地检测待定位装置的空间位置和姿态的情况下，仍能够准确、有效地检测待定位装置的空间位置和姿态，从而实现手术过程的连续定位，不会使手术过程由于光学跟踪定位装置10的定位失效而受到影响。并且，成本较低、运算量较小，便于实际应用和推广。
此外，考虑到加速度跟踪定位装置20随着时间的增加检测精度会降低，检测一定时间段后将无法满足精度要求，可在光学跟踪定位装置10处于定位正常状态时，将光学跟踪定位装置10检测到的数据作为待定位装置的空间位置和姿态，既保证手术过程中的定位连续性，也保证手术过程中的定位准确性。
此外，根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备还可包括：报警装置(未示出)。
报警装置用于当光学跟踪定位装置10处于定位失效状态超过预定时间段时，提示操作者光学跟踪定位装置10处于定位失效状态已超过预定时间段。从而，操作者可进行相应的处理以保证光学跟踪定位装置10进入定位正常状态，从而保证定位的精确性。
所述预定时间段与选用的加速度跟踪定位装置20(例如，空间三向陀螺仪、空间三向加速度传感器)有关，作为示例，所述预定时间段可通过下述方式确定：从一时刻开始，对待定位装置的第一空间位置和第一姿态、第二空间位置和第二姿态进行连续检测，将空间位置误差Error_distance初次大于空间位置误差阈值或姿态误差Error_angle初次大于姿态误差阈值的时刻与所述一时刻之间的时间差作为预定时间段，其中，空间位置误差Error_distance为在同一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置与第二空间位置之间的误差，姿态误差Error_angle为在同一时刻检测到的待定位装置的第一姿态与第二姿态之间的误差，例如，可通过下述公式计算得到：
其中，x0,y0,z0指示某一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置，x1,y1,z1指示该某一时刻检测到的待定位装置的第二空间位置，Tx0,Ty0,Tz0指示该某一时刻检测到的待定位装置的第一姿态，Tx1,Ty1,Tz1指示该某一时刻检测到的待定位装置的第二姿态。
应该理解，所述一时刻可以是任意时刻，也可以是特定时刻。所述某一时刻为所述一时刻之后的时刻。空间位置误差阈值及姿态误差阈值可以根据具体实际情况等进行设定。
此外，现有技术中一般会将定位传感器的位置作为世界坐标系的参考点，定位传感器通常被放置于距手术台距离较近的三角支架上，以尽量保证定位标志点阵列在定位传感器的检测范围内，然而，容易出现在手术过程中定位传感器被意外移动的情况，而这将导致世界坐标系的改变，进而影响定位的准确性。
作为示例，光学跟踪定位装置10可以定位传感器的位置为参考点来检测第一空间位置和第一姿态，其中，定位传感器被固定于手术室的预定位置。
由于根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备能够保证：即使定位标志点阵列偶尔超出定位传感器的检测范围，也能够利用加速度跟踪定位装置20进行定位。因此，可适当降低对定位传感器的放置位置的要求，可考虑将定位传感器固定于手术室内距手术台距离稍远的、较偏僻的预定位置，以大大降低被移动的可能性，从而保证整个定位过程中的世界坐标系(即，参考坐标系)的稳定性，提高定位的准确性。
此外，根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备可被包括在手术机器人中，手术机器人还可包括：用于夹持待定位装置的机械臂。
应该理解，手术机器人除具有根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备、用于夹持待定位装置的机械臂之外，还可具有其作为手术机器人执行其自身功能的其他器件，对此不作限制。
根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备及手术机器人，能够实现对手术中的待定位装置进行连续的、精确的空间定位，且成本低、运算量小。
虽然已表示和描述了本发明的一些示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。
Claims (9)
1.一种用于手术导航的设备，其特征在于，包括：
光学跟踪定位装置，用于检测待定位装置的第一空间位置和第一姿态；
加速度跟踪定位装置，用于检测待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度；
融合定位装置，用于根据检测到的第一空间位置和第一姿态以及待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度确定待定位装置的第二空间位置和第二姿态作为待定位装置的空间位置和姿态；
融合定位装置根据在第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第一姿态以及在第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度，确定待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态，其中，第一时刻早于第二时刻；
第一时刻是光学跟踪定位装置开始处于定位失效状态之前最后一次检测到第一空间位置和第一姿态的时刻，第二时刻是光学跟踪定位装置开始处于定位失效状态时或之后的时刻，
其中，在光学跟踪定位装置处于定位失效状态之前，融合定位装置将第一空间位置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，融合定位装置根据第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第一时刻与第二时刻之间的空间位置变化和姿态变化，并根据第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第一姿态，以及在第一时刻与第二时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，融合定位装置根据第i时刻与第i-1时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化，并根据计算得到的第i-1时刻的待定位装置的第二空间位置和第二姿态，以及在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第i时刻的第二空间位置和第二姿态，
其中，i为大于等于3的整数，第i-1时刻早于第i时刻。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，在光学跟踪定位装置处于定位正常状态时，融合定位装置将第一空间位置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，光学跟踪定位装置包括定位传感器和定位标志点阵列，
其中，当定位传感器检测不到定位标志点阵列，或者定位传感器检测到定位标志点阵列处于特定姿态时，融合定位装置确定光学跟踪定位装置处于定位失效状态；
当定位传感器检测到定位标志点阵列且检测到定位标志点阵列没有处于特定姿态时，融合定位装置确定光学跟踪定位装置处于定位正常状态。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括：
报警装置，当光学跟踪定位装置处于定位失效状态超过预定时间段时，提示操作者光学跟踪定位装置处于定位失效状态已超过预定时间段。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述预定时间段通过下述方式确定：
从一时刻开始，对待定位装置的第一空间位置和第一姿态、第二空间位置和第二姿态进行连续检测，将空间位置误差初次大于空间位置误差阈值或姿态误差初次大于姿态误差阈值的时刻与所述一时刻之间的时间差作为预定时间段，
其中，空间位置误差为在同一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置与第二空间位置之间的误差，姿态误差为在同一时刻检测到的待定位装置的第一姿态与第二姿态之间的误差。
8.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，光学跟踪定位装置以定位传感器的位置为参考点来检测第一空间位置和第一姿态，其中，定位传感器被固定于手术室的预定位置。
9.一种手术机器人，其特征在于，包括：
用于夹持待定位装置的机械臂，以及
权利要求1至8中任一权利要求所述的用于手术导航的设备。
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