一种辅助腹腔镜手术机器人图像导航的穿刺孔定位方法_张立勋

Key words:assi st ant laparoscope surgical ro bo t ;puncture location ;posture locat ion model ;image navig ation
0 引言
腹腔镜手术是指外科医生制造 CO2 人工气 腹后 , 通过在患者腹部开的腹壁穿刺孔建立可视 通道(腹腔镜通道)和操作通道 , 借助对腹腔镜拍 摄图像的观察 , 利用腹腔镜及其器械进行的微创 手术 。与传统的开放手术相比 , 腹腔镜手术具有 创伤小 , 能减轻患者痛苦 , 术后恢复快 , 手术风险 和医疗成本低等优点[ 1-3] 。 然而 , 腹腔镜手术也存 在一些问题 , 如手术中需要有一名专职医生手持 腹腔镜 , 为外科医生提供患者器官不同角度的图 像 , 时间一长 , 持镜医生会因手臂疲劳而颤抖导致 图像晃动 , 影响图像质量 , 有时持镜医生不得不选 择一个极不舒服的姿势去控制腹腔镜以配合外科 医生进行手术 , 这样持镜医生更容易疲劳从而导 致图像晃动[ 4-5] 。
为了消除畸变 , 本文采用考虑了轴对称畸变 、 偏心畸变和薄棱镜畸变的 Weng' s 方法[ 9] , 畸变
模型为
x
=
xd
+(g 1
+ g3)x2d
+g4
xd y d
+g
1
y
ห้องสมุดไป่ตู้
2 d
+g5
xd(x2d
+y
2 d
)
y
= yd
+g2 x2d
+ g3 x dy d
+(g 2
+
g
4)y
2 d
+g5 y d(x2d
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位姿的准确控制 。这 种方法的优点 在于结构简 单 、有效 , 获取腹腔镜姿态准确 , 便于对腹腔镜位 姿进行精确控制以配合外科医生完成手术 。
1 辅助腹腔镜手术机器人结构
1 .1 辅助腹 腔镜手 术机 器人工 作空 间及 功能 要求
手术中腹腔镜插入深度约为 10cm , 它与皮肤 的夹角为 15°～ 70°之间 。 对于辅助腹腔镜手术机 器人 , 其工作空间为腹腔镜末端在患者腹腔内能 到达的所有空间 。由图 1 可知 , 腹腔镜的可操作 空间为一锥形空间 。在功能上 , 辅助腹腔镜手术 机器人应具备对腹腔镜进行操作的基本功能 , 即 实现腹腔镜通过腹壁穿刺孔进入患者体内后的定 位及姿态的不断变换调整 。
基础坐标系中的位置(qx , qy , qz )。
由腹腔镜位姿模型可知 , 机器人小臂末端球
铰链球心的坐标(xm , ym , zm)已知 , 即
xm = a2 co sθ2 +a3 co s(θ2 +θ3) ym = a2 sinθ2 +a3 sin(θ2 +θ3) zm = d1
由定位系统结构得穿刺孔的坐标为
(2)
3 图像导航原理
3 .1 图像畸变校正 手术前医生在患者腹部开孔处标记一个直径
约为 10mm 的红色圆形标记 。定位过程中需计算 标记圆和两个光斑投影面积 、距离和所在矢量 。由 于摄像机在生产制造中存在各种误差 , 导致图像 产生明显的畸变 , 为了保证精度 , 必须对图像进行 畸变校正[ 8] 。
Abstract :On the basis o f charact eri stics of laparo sco pic robot w it h act ive and passive joi nt s , a method based o n geo met ric model and im age t o locate t he relati ve po sitio n of patient' s punct ure to the robot w as provided .T he met ho d of fered the laparoscope po st ure inf o rm ation fo r t he robot to cont ro l laparoscope po st ure precisely .T he lo catio n sy stem included t w o laser and one mi rco CCD camera .Experimental resul ts i ndicate that the met ho d can get the puncture lo catio n preci sely .T he process of punct ure locat ion is completed by t he robot autom atical ly .It can save surgical ti me , improve ef ficiency and avoid t he e rrors caused by the do ct or s .
图 1 工作空间
腹腔镜通过固定的穿刺孔进入患者腹腔 , 为 医生提供所观察器官的不同角度图像 。 腹腔镜进 入腹腔后只有 4 个自由度 :一个沿腹腔镜轴线直 线运动的自由度 , 一个绕自身轴线转动的自由度 , 两个绕穿刺孔转动的自由度 , 如图 2 所示 。
中国机械工程第 20 卷第 5 期 2009 年 3 月上半月
py = a2 sinθ2 +a3 sin(θ2 +θ3)+ d6 co s(θ2 +θ3)co sθ5 d6 sin(θ2 +θ3)sinθ4 sinθ5
pz = d1 - d6 co sθ4 sinθ5
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一种辅助腹腔镜手术机器人图像导航的穿刺孔定位方法——— 张立勋 董九志 邹 戈等
(1)
qx = a2 co sθ2 +(a3 +l4)cos(θ2 +θ3) qy = a2 sinθ2 +(a3 + l4)sin(θ2 +θ3) qz = d1 - l3
由图 5 可知 l4 = l3/ tanφ1 -(a3 -l1 ), 即
qx = a2 co sθ2 +(l3/ tanφ1 + l1)cos(θ2 +θ3) qy = a2 sinθ2 +(l3/ tanφ1 + l1)sin(θ2 +θ3) qz = d1 -l3
与人类相比 , 机器人 具有状态 稳定 、定位准
收稿日期 :2008 — 07 — 22 基金项目 :中国博士后科学基金资助项目(20080430889)
确 、灵活性好 、工作范围大 、不怕辐射和病菌感染 等优点[ 6-7] 。 本文介绍了一种带有主被动关节的 新型辅助腹腔镜手术机器人 , 该机器人共有 6 个 关节 , 其中 , 3 个位置关节为主 动关节 , 由电机驱 动 ;3 个姿态关节为球铰链结构 , 为被动关节 , 没 有驱动电机 。 主动关节可改变辅助腹腔镜手术机 器人末端的空间位置 , 被动关节可实现随动运动 , 用于手术中 腹腔镜的位姿控制 , 其 结构紧凑 、灵 活 , 占用空间小 , 可避免与手术医生发生干涉 。这 种结构能够模拟持镜 医生的手臂姿 态以配合手 术 , 被动关节的设计使辅助腹腔镜手术机器人更 加适应实际手术的要求 。 针对该机器人存在的被 动关节运动状态难以被获取从而影响其对腹腔镜 位姿进行准确控制的问题 , 结合腹腔镜轴线通过 被动关节球心的特点 , 提出了一种基于几何模型 和图像导航的穿刺孔定位方法 , 通过几何模型求 解穿刺孔的深度 , 获得穿刺孔在辅助腹腔镜手术 机器人基础坐标系中的位置坐标 , 实现对腹腔镜
腹腔镜位姿模型问题是已知辅助腹腔镜手术 机器人各个关节的关节角 , 求腹腔镜的位姿 。建 立的各关节参考坐标系如图 4 所示 , 图中 , 被动姿 态关节由 3 个相互垂直的转动关节表示 , 腹腔镜 绕自身轴线的转动关节是为了便于医生观察 , 但 对腹腔镜末端位置无影响 , 因此在图中未标出 。
图 2 腹腔镜在穿刺孔处的自由度 示意图
+ y2d)
(3)
g1 =ρ1 +s1 g2 = ρ2 +s2
g3 = 2ρ1 g4 = 2ρ2 g5 = k 1
式中 , xd 、yd 为图 像点 实际 坐 标 ;ρ1 、ρ2 为偏 心误 差 系数 ;
s1 、s2 为薄棱镜误差系数 ;k1 为轴对称误差系 数 。
以有一系列均匀分布垂直交叉的直线 、各线
图 4 辅助腹腔镜手术机器人各连杆坐标系
腹腔镜坐 标系相对于基 坐标系的变 换矩阵
0 6
T
=01 T12
T
2 3
T
3 4
T
4 5
T
5 6
T
。由于辅助腹腔镜手术机器人
姿态关节为球铰链 , 故 a4 =0 , 可得
px = a2 cosθ2 +a3 cos(θ2 +θ3)-d6 sin(θ2 +θ3)cosθ5 d6 cos(θ2 +θ3)sinθ4 sinθ5
2 .2 定位系统结构 定位系统包括 2 个红光激光器和 1 个 CCD 微
型摄像机 。安装在辅助腹腔镜手术机器人小臂下 方的 2 个激光器的倾角分别为 φ1 和 φ2 , 激光器与 摄像机的位置关系如图 5 所示 , 两激光束的交点 位于摄像机的光轴上 。
图 5 辅助腹腔镜手术机器人定位系统结构简图
一种辅助腹腔镜手术机器人图像导航的穿刺孔定位方法——— 张立勋 董九志 邹 戈等
一种辅助腹腔镜手术机器人 图像导航的穿刺孔定位方法
张立勋1 董九志1 邹 戈2 赵国文1 于凌涛1
1 .哈尔滨工程大学 , 哈尔滨 , 150001 2 .广州番禺人民医院 , 广州 , 511400
机器人自动完成 , 缩短了手术时间 , 提高了手术效率 , 避免了由手术医生仅通过激光器手动操作辅助腹 腔镜手术机器人进行穿刺孔定位时产生人为误差的现象 。