一种穿刺手术机器人CT三维可视化系统

一种穿刺手术机器人ct三维可视化系统
技术领域
1.本发明属于医疗设备技术领域，具体涉及一种穿刺手术机器人ct三维可视化系统。


背景技术：

2.穿刺手术因创伤小，疼痛轻，手术并发症少恢复快等优点越来越收到医生及患者的青睐，而临床中多以超声图像来引导穿刺手术，但是临床手动穿刺手术常常因准确度、精确度不高等问题，产生一定的局限性，因此，图像引导穿刺机器人的手术方式急需推广应用，而图像引导的方式，对其所构造的三维立体图像有着较大的要求。因此，需要一种图像精度高，定位精确度高的穿刺手术机器人ct三维可视化系统。


技术实现要素：

3.本发明要解决的问题在于提供一种图像精度高，定位精确度高的穿刺手术机器人ct三维可视化系统。
4.本发明提供的穿刺手术机器人ct三维可视化系统，包括：超声仪系统，空间定位系统，图像采集系统，计算机系统；其中：
5.所述超声仪系统，用于获取实施的b型超声图像；
6.所述空间定位系统，采用电磁定位，确定穿刺针的空间定位；
7.所述图像采集系统，用于将二维图像采集到计算机中，以便进行三维图像的重建；
8.所述计算机系统，用于接收其余系统的数据并将其三维重建以及可视化。
9.进一步的，所述空间定位系统，包括电磁发射器、电磁接收器、电子单元；所述电磁发射器、电磁接收器分别与所述电子单元连接，用于发射和接收位姿数据。
10.进一步的，所述电磁接收器包括超声探头电磁接收器、穿刺针末端电磁接收器；所述超声探头电磁接收器用于确定二维超声图像中的像素在三维晶格中的空间位置；所述穿刺针末端电磁接收器是用来实施监控穿刺针的位姿。
11.所述电磁发射器相对于手术机器人底座和手术床固定，所述电磁接收器分别固定在超声探头上以及穿刺针的末端，以此来发射和接收信号。
12.进一步的，所述计算机系统，包括运行于计算机上的软件系统，软件系统包括2d超声图像及其位置采集模块，2d超声图像预处理及特征点提取模块，体素灰体计算及三维晶体可视化模块，穿刺机器人运动参数计算模块，穿刺机器人运动控制模块。通过获取病灶的2d图像及位姿信息，并且利用三维重建技术建立病灶的三维模型，以便医生能够在病灶的三维重建模型上进行手术规划，指定合适的进针路线。
13.所述2d超声图像及其位置采集模块：通过在基于电磁定位的freehand三维超声系统内，软件需要同时采集病灶区域的2d超声图像及每张图像对应的位姿数据，以便建立病灶的三维模型。
14.所述2d超声图像预处理及特征点提取模块：由于b超中含有很多无用信息区域，为
了减少三维重建的计算量，该软件模块需要保留高密度的重要信息区域图像，剔除无用区域的图像。超声探头标定时需要提取图像上的5个亮点区，软件需要确定5个点在图像坐标系中的坐标即为特征点。
15.所述体素灰体计算及三维晶体可视化模块：该软件模块首先根据探头标定结果及电磁发射器与三维图像的坐标变换关系计算出二维图像中的像素点在三维晶格中的坐标，然后根据三维晶格中体素与像素的空间位置关系计算体素灰度，最后通过三维可视化技术显示填充体素后的三维晶格，并允许医生对三维晶格进行剖切和测量等交互操作，以便选择最佳进针路径。
16.所述穿刺机器人运动参数计算模块：该软件模块首先通过坐标变换将三维图像中的进针路径映射到机器人空间，然后根据机器人与进针路径、穿刺针的几何关系计算出机器人的运动参数：手臂的三个平移量、手腕的两个旋转角以及进针深度。
17.所述穿刺机器人运动控制模块：基于机器人的运动规划，该软件模块实现了机器人穿刺手术所需要的运动功能。机器人运动按先后顺序可分为手臂平移运动、手腕旋转运动、进针运动以及退针运动。其中，手臂平移运动是通过机器人外力拖动方式实现的，与临床手动穿刺相类似。为了使手腕在调整穿刺针方位时保持针尖点不动，该软件通过针尖位移补偿算法”参见《基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究》”实现机器人定点调姿功能。机器人进针时要考虑安全性及软组织变形等问题，该软件实现了基于力/位反馈的机器人进针速度模糊控制。在完成组织提取或治疗后，机器人快速将穿刺针沿进针路径退出到安全位置。
18.所述穿刺机器人运动参数计算模块中，机器人所需位置可以在拉普拉斯域中的表示如下：首先，对于其所用到的阻抗控制位置模型建立模块如下：
19.fh＝md(x
d-xc)+bd(x
d-xc)+kd(x
d-xc)；
20.其中：xc表示当前位置，xd表示期望位置，md表示机器人的虚拟惯性矩阵，bd表示机器人的虚拟阻尼矩阵，kd表示机器人的虚拟刚度矩阵，模型中的md，kd为机器人的阻抗特性系数，都为对角阵。md虚拟惯性矩阵对冲击力较强，速度变换较大的运动过程有较大影响；bd虚拟阻尼矩阵对外界干扰以及位置变化较快的运动有较大的影响；虚拟刚度矩阵对低速运动或静止状态附近的运动影响较大。
21.于是，机器人所需位置可以在拉普拉斯域中表示为：
22.△
x
(s)
＝fh(s)/mds2+bds+kd＝fh(s)h(s)；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
23.其中，
△
x
(s)
是
△
x的拉普拉斯变换，fh(s)是fh和s的拉普拉斯变换。s是通过六维力传感器得到机器人位置；h(s)通过六维力传感器得到外部的机器人高度上的位置；
24.通过上述分析,机器人关节空间的柔顺位置控制器为:
[0025][0026]
其中，f为六维力传感器得到外部的作用力。
[0027]
通过使用向后差分的方法得到速度与加速度的表达式：
[0028]
△
x(k)＝a0△
f(k)+a1△
x(k-1)+a2△
x(k-2)；
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0029]
其中：
[0030]
[0031]
其中：fh＝md(x
d-xc)+bd(x
d-xc)+kd(x
d-xc)；
[0032]
xc表示当前位置，xd表示期望位置，md表示机器人的虚拟惯性矩阵，bd表示机器人的虚拟阻尼矩阵，kd表示机器人的虚拟刚度矩阵，t是采样时间。
[0033]
进一步的，所述三维晶体可视化模块中，采用ray-casting算法。ray-casting算法即光线透射法，属于体绘制算法，图像质量较高较清晰。光线投射法(ray-casting)的基本原理是根据视觉成像机理，首先构造出理想化的物理模型(即将每个体素都看成是能够投射、发射和反射光线的粒子)，然后依据光照模型、明暗模型及体素的介质属性为每个体素分配特定的颜色值v i((灰度图像为灰度值，也称光强度)和不透明度(阻光度)。然后从屏幕上的每个像素点出发，沿设定的视线方向发出一条射线。该射线穿过三维体数据场并与很多体素相交，在射线上选择若干个等距或不等距采样点，并用插值方法(最近邻插值或三线性插值)求出该射线上所有采样点的颜色值和不透明度。参见《基于三维超声图像的穿刺手术机器人辅助系统研究》。
[0034]
本发明的有益效果是：
[0035]
通过电磁定位的效果，定位能力强，抗干扰能力强，并且体积微型，在手术下能够获得较好的精度效果，对对后期三维可视化起到一个更好的精度保证效果，保证后期三维效果更加精确，在穿刺手术中可以获得精确的路径规划。
附图说明
[0036]
图1是本发明一种穿刺手术机器人ct三维可视化系统的结构图示。
[0037]
图2是本发明一种穿刺手术机器人ct三维可视化系统的电磁定位系统数据采集流程图示。
[0038]
图3是本发明一种穿刺手术机器人ct三维可视化系统的三维可视化步骤图示。
具体实施方式
[0039]
下面结合具体实施例，对本发明的内容做进一步的详细说明：
[0040]
本发明要解决的问题在于提供一种图像精度高，定位精确度高的穿刺手术机器人ct三维可视化软件系统。
[0041]
如图1所示，为了保证在使用过程中，能够保证图像精度高，定位精确度高，本发明涉及了一种穿刺手术机器人ct三维可视化软件系统，包括：
[0042]
超声仪系统，空间定位系统，图像采集系统，计算机系统；
[0043]
所述超声仪系统用于获取实施的b型超声图像；所述空间定位系统采用电磁定位系统，用于确定穿刺针的空间定位；所述图像采集系统用于将二维图像采集到的计算机中，以便进行三维图像的重建；所述计算机用于接收其余系统的数据并将其三维重建以及可视化。
[0044]
本发明的有益效果是，通过电磁定位的效果，定位能力强，抗干扰能力强，并且体积微型，在手术下能够获得较好的精度效果，对对后期三维可视化起到一个更好的精度保证效果，保证后期三维效果更加精确，在穿刺手术中可以获得精确的路径规划。
[0045]
如图2所示，进一步的，所述电磁定位系统包括电磁发射器，电磁接收器，电子单元；所述电磁发射器、电磁接收器分别与所述电子单元连接，用于发射和接受位姿数据。
[0046]
进一步的，所述电磁接收器包括超声探头电磁接收器，穿刺针末端电磁接收器；所述超声探头电磁接收器用于确定二维超声图像中的像素在三维晶格中的空间位置；所述穿刺针末端电磁接收器是用来实施监控穿刺针的位姿。发射器相对于手术机器人底座和手术床固定，接收器分别固定在超声探头上以及穿刺针的末端，以此来发射和接收信号。
[0047]
如图3所示，进一步的，所述计算机系统包括2d超声图像及其位置采集模块，2d超声图像预处理及特征点提取模块，体素灰体计算及三维晶体可视化模块，穿刺机器人运动参数计算模块，穿刺机器人运动控制模块。通过获取病灶的2d图像及位姿信息，并且利用三维重建技术建立病灶的三维模型，以便医生能够在病灶的三维重建模型上进行手术规划，指定合适的进针路线。
[0048]
在实际操作中，通过2d超声图像及其位置采集模块，用来采集病灶区域的的2d超声图像及每张图像对应的位姿数据，以便建立病灶的三维图像，通过2d超声图像预处理及特征点提取模块去除b超中无用的信息区域，减少三维重建的计算量。通过体素灰体计算及三维晶体可视化模块根据探头标定结果以及电磁发射器与三维图像的坐标变换关系计算出二维图像的像素点在三维晶格中的坐标，然后根据三维晶格中体素与像素的空间位置关系计算体素灰度，最后通过三维可视化技术显示填充体素后的三维晶格，并允许医生对三维晶格进行剖切和测量等交互操作，以便选取最佳进针路径。
[0049]
进一步的，所述三维晶体可视化模块采用ray-casting算法。ray-casting算法即光线透射法，属于体绘制算法，图像质量较高较清晰。
[0050]
在实际操作中，光线透射法根据视觉呈像机理首先构造出理想化的物理模型，然后依照光照模型，明暗模型机及体素的介质属性为每个体素分配特定的颜色值和不同的透明度，然后从屏幕上的每个像素点出发，沿设定的射线方向发出一条射线，该射线穿过三维体数据场并与很多体素相交，在射线上选择若干个等距或者不等距采样点，并用差值方法求出该射线上所有采样点的颜色值和不透明度，把射线和体素的交点设为采样点，最后采用右后向前或者由前向后的顺序将射线上所有采样点的颜色值和不透明度进行分别合成和累积，当阻光度累积到1或者射线穿过三维体数据场时停止射线传播，并把当前合成的颜色值作为屏幕上该像素点的颜色值。
[0051]
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，本文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文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和特点相一致的最宽的范围。