本發(fā)明屬于鼻內(nèi)鏡位姿調(diào)節(jié)的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：鼻內(nèi)鏡手術(shù)是治療鼻腔鼻竇炎癥、徹底清除鼻腔鼻竇病灶(如息肉、腫瘤)的有效方法。現(xiàn)有鼻內(nèi)鏡手術(shù)是醫(yī)生左手持鼻內(nèi)鏡，右手持手術(shù)器械進行手術(shù)操作，這種手術(shù)方式存在如下問題：第一，單手操作只能使用一種手術(shù)器械，當需要更換手術(shù)器械時，必須反復(fù)的拿起和放下手術(shù)器械，這大大延長了手術(shù)時間。且單手操作難以完成比較復(fù)雜的手術(shù)操作，此時，必須由助手把持鼻內(nèi)鏡，醫(yī)生用雙手完成手術(shù)。第二，當醫(yī)生需要改變手術(shù)視野時，需要頻繁的用手調(diào)整鼻內(nèi)鏡。頻繁的調(diào)整造成正常手術(shù)操作的多次中斷，延長手術(shù)時間，降低手術(shù)效率。另外，長時間的保持一個持鏡姿勢容易導致醫(yī)生疲勞，手部顫抖導致術(shù)區(qū)成像模糊，降低手術(shù)質(zhì)量。中國專利CN201510157545.8設(shè)計的隨動式鼻內(nèi)鏡手術(shù)輔助機器人，包括位置調(diào)整機構(gòu)和姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)，其設(shè)計沒有考慮鼻內(nèi)鏡在手術(shù)中如何實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的問題，依然靠醫(yī)生或者助手手動調(diào)節(jié)機械臂改變鼻內(nèi)鏡的位置和姿態(tài)，鼻內(nèi)鏡不能實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)。上述問題亟待解決。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)鼻內(nèi)鏡不能自動調(diào)節(jié)，當醫(yī)生需要改變手術(shù)視野時，需要頻繁用手調(diào)整鼻內(nèi)鏡，造成正常手術(shù)操作的多次中斷，延長手術(shù)時間的缺陷，本發(fā)明實施例提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法，包括：通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在所述手術(shù)器械上的定位靶點獲取所述手術(shù)器械的位姿；根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿；根據(jù)所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內(nèi)鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量；根據(jù)所述持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量控制所述各關(guān)節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的運動，以使所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。優(yōu)選的，所述通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在所述手術(shù)器械上的定位靶點獲取所述手術(shù)器械的位姿具體包括：預(yù)先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉(zhuǎn)動為x軸方向，以繞前后方向的轉(zhuǎn)動為y軸方向，以繞左右方向的轉(zhuǎn)動為z軸方向，以手術(shù)器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在手術(shù)器械上的定位靶點獲取手術(shù)器械相對于所述基坐標系的位姿。優(yōu)選的，根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿具體包括：采用運動學分析方法根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿。優(yōu)選的，根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿之后還包括：在所述鼻內(nèi)鏡的末端和所述手術(shù)器械的末端建立基于虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基于虛擬彈簧的相互作用力模型用于輔助所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。優(yōu)選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),x≥l0]]>其中，l0表示鼻內(nèi)鏡的目標位置，x表示鼻內(nèi)鏡與手術(shù)器械的空間距離，c是策略系數(shù)。本發(fā)明還提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的系統(tǒng)，包括：獲取模塊，用于通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在所述手術(shù)器械上的定位靶點獲取所述手術(shù)器械的位姿；計算模塊，用于根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿；逆解模塊，用于根據(jù)所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內(nèi)鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量；調(diào)整模塊，用于根據(jù)所述持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量控制所述各關(guān)節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的運動，以使所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。優(yōu)選的，所述獲取模塊具體包括：建立單元，用于預(yù)先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉(zhuǎn)動為x軸方向，以繞前后方向的轉(zhuǎn)動為y軸方向，以繞左右方向的轉(zhuǎn)動為z軸方向，以手術(shù)器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；第一獲取單元，用于通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在手術(shù)器械上的定位靶點獲取手術(shù)器械相對于所述基坐標系的位姿。優(yōu)選的，計算模塊具體包括：計算單元，用于采用運動學分析方法根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿。優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括：建立模塊，用于在所述鼻內(nèi)鏡的末端和所述手術(shù)器械的末端建立基于虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基于虛擬彈簧的相互作用力模型用于輔助所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。優(yōu)選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),x≥l0]]>其中，l0表示鼻內(nèi)鏡的目標位置，x表示鼻內(nèi)鏡與手術(shù)器械的空間距離，c是策略系數(shù)。有益效果：本發(fā)明提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法和系統(tǒng)，鼻內(nèi)鏡由主動機械臂把持，通過光學定位設(shè)備跟蹤手術(shù)器械運動，使用運動學分析方法計算出鼻內(nèi)鏡的目標位姿并發(fā)送給持鏡臂，控制鼻內(nèi)鏡對手術(shù)器械進行跟隨運動，從而保持鼻內(nèi)鏡和手術(shù)器械間相對穩(wěn)定的位置關(guān)系，為醫(yī)生提供清晰術(shù)區(qū)圖像。且醫(yī)生不需頻繁手動調(diào)整鼻內(nèi)鏡，可以用雙手完成復(fù)雜的手術(shù)操作，提高了手術(shù)效率和質(zhì)量，縮短手術(shù)時間。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例提供的自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法步驟圖；圖2為本發(fā)明另一實施例提供的鼻內(nèi)鏡和手術(shù)器械之間相互作用力模型的示意圖；圖3為圖2中鼻內(nèi)鏡的運動方向分解示意圖；圖4為本發(fā)明另一實施例提供的自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法步驟圖；圖5為本發(fā)明另一實施例提供的手術(shù)器械運動方向分解示意圖；圖6為本發(fā)明另一實施例提供的鼻內(nèi)鏡和手術(shù)器械之間相互位姿角度示意圖；圖7為本發(fā)明實施例提供的自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖8為本發(fā)明另一實施例提供的自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的系統(tǒng)內(nèi)獲取模塊的結(jié)構(gòu)圖；圖9為本發(fā)明另一實施例提供的自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的系統(tǒng)內(nèi)計算模塊的結(jié)構(gòu)圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法，如圖1所示，包括：S100、通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在所述手術(shù)器械上的定位靶點獲取所述手術(shù)器械的位姿；S200、根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿；S300、根據(jù)所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內(nèi)鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量；具體的，在鼻內(nèi)鏡手術(shù)中，對鼻內(nèi)鏡的運動進行分析。鼻內(nèi)鏡經(jīng)過鼻孔插入到鼻腔內(nèi)，由于鼻孔直徑很小，且在手術(shù)的過程中，鼻孔位置不變。將鼻內(nèi)鏡的運動看作繞著鼻孔的轉(zhuǎn)動和沿著鼻腔方向的進給運動。其它方向的運動忽略，這種簡化符合手術(shù)要求，限制其它方向的運動最大限度的保護了病人的安全。S400、根據(jù)所述持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量控制所述各關(guān)節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的運動，以使所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。具體的，如圖2所示，在鼻內(nèi)鏡跟隨手術(shù)器械過程中，在鼻內(nèi)鏡距離目標位置較遠時，它們之間的相互作用力較大，使鼻內(nèi)鏡可以快速運動到理想位置，當?shù)竭_理想位置后，它們之間的相互作用力基本為零，使鼻內(nèi)鏡可以保持自身的位姿，為醫(yī)生提供清晰穩(wěn)定的手術(shù)視野。對鼻內(nèi)鏡的的運動進行分析，主要為繞著繞著鼻孔的轉(zhuǎn)動和沿著鼻腔方向的進給運動，如圖3所示。當開始跟隨操作時，光學定位設(shè)備會不斷的讀取固定在手術(shù)器械上的光學靶點信息，根據(jù)這些靶點信息計算出手術(shù)器械在固定坐標系下的運動分量，并根據(jù)這些運動分量計算出鼻內(nèi)鏡的理想的目標位姿。根據(jù)目標位姿逆解出持鏡壁上各關(guān)節(jié)的理想運動位置并驅(qū)動各關(guān)節(jié)到達該位置。當?shù)竭_該位置后若結(jié)束跟隨，鼻內(nèi)鏡將會保持最后的位姿不變，否則，將循環(huán)執(zhí)行上述操作。優(yōu)選的，如圖4所示，所述通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在所述手術(shù)器械上的定位靶點獲取所述手術(shù)器械的位姿具體包括：S101、預(yù)先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉(zhuǎn)動為x軸方向，以繞前后方向的轉(zhuǎn)動為y軸方向，以繞左右方向的轉(zhuǎn)動為z軸方向，以手術(shù)器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；S102、通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在手術(shù)器械上的定位靶點獲取手術(shù)器械相對于所述基坐標系的位姿。具體的，在鼻內(nèi)鏡手術(shù)中，病人的體位一般不發(fā)生變化，所以將鼻孔認為是空間中的一個固定點。對手術(shù)器械的運動進行分析，由于鼻孔很小，可以將手術(shù)器械的運動看作繞著鼻孔的轉(zhuǎn)動和沿著鼻腔方向的進給運動，其它方向的運動可以忽略不計。在手術(shù)器械上固定可以供光學定位設(shè)備識別的定位靶點，這樣手術(shù)器械在空間中的位置和姿態(tài)就可以通過該光學定位靶點得到。通過位置和姿態(tài)信息就可以得到手術(shù)器械相對于固定坐標系三個坐標軸方向的平移和轉(zhuǎn)動分量。在鼻孔入口處建立如圖5所示的坐標系后，手術(shù)器械的運動分解分別為繞x,y,z軸三個方向的轉(zhuǎn)動，和沿手術(shù)器械自身軸線方向的深度進給運動，其它方向的移動可以忽略不計。在手術(shù)器械上固定供光學定位裝置定位的目標靶點后，集成在系統(tǒng)內(nèi)的光學定位裝置可以實時獲取手術(shù)器械相對于基坐標系的位姿矩陣，通過計算可以得到手術(shù)器械在各坐標軸上的運動分量。優(yōu)選的，根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿具體包括：采用運動學分析方法根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿。所述運動學分析方法具體包括：所述光學定位設(shè)備實時獲取所述手術(shù)器械相對于基坐標系的位姿矩陣；根據(jù)所述位姿矩陣計算得到所述手術(shù)器械在各坐標軸上的移動分量；根據(jù)所述移動分量計算出所述鼻內(nèi)鏡相對的目標位姿。具體的，如圖6所示，為了保證手術(shù)器械末端在鼻內(nèi)鏡視野中心，手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡應(yīng)處于同一平面，并且手術(shù)器械末端在鼻內(nèi)鏡延長線上。二者之間的相對位姿由末端的相對距離d和二者之間的夾角θ組成。優(yōu)選的，根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿之后還包括：在所述鼻內(nèi)鏡的末端和所述手術(shù)器械的末端建立基于虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基于虛擬彈簧的相互作用力模型用于輔助所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。具體的，當內(nèi)鏡的末端和所述手術(shù)器械的末端之間的距離小于預(yù)設(shè)閾值時，鼻內(nèi)鏡減緩運動速度直至到達所述目標位姿；當它們之間的距離大于預(yù)設(shè)閾值時，所述持鏡臂加快速度調(diào)整鼻內(nèi)鏡至目標位姿。優(yōu)選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),x≥l0]]>其中，l0表示鼻內(nèi)鏡的目標位置，x表示鼻內(nèi)鏡與手術(shù)器械的空間距離，c是策略系數(shù)。本發(fā)明實施例提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的方法，鼻內(nèi)鏡由主動機械臂把持，通過光學定位設(shè)備跟蹤手術(shù)器械運動，使用運動學分析方法計算出鼻內(nèi)鏡的目標位姿并發(fā)送給持鏡臂，控制鼻內(nèi)鏡對手術(shù)器械進行跟隨運動，從而保持鼻內(nèi)鏡和手術(shù)器械間相對穩(wěn)定的位置關(guān)系，為醫(yī)生提供清晰術(shù)區(qū)圖像。且醫(yī)生不需頻繁手動調(diào)整鼻內(nèi)鏡，可以用雙手完成復(fù)雜的手術(shù)操作，提高了手術(shù)效率和質(zhì)量，縮短手術(shù)時間。本發(fā)明還提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的系統(tǒng)，如圖7所示，包括：獲取模塊100，用于通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在所述手術(shù)器械上的定位靶點獲取所述手術(shù)器械的位姿；計算模塊200，用于根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿；逆解模塊300，用于根據(jù)所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿和獲取的所述鼻內(nèi)鏡的當前位姿逆解出持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量；調(diào)整模塊400，用于根據(jù)所述持鏡機器人各關(guān)節(jié)的運動量控制所述各關(guān)節(jié)執(zhí)行相應(yīng)的運動，以使所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。優(yōu)選的，如圖8所示，所述獲取模塊100具體包括：建立單元101，用于預(yù)先在鼻孔入口處建立基坐標系，所述基坐標系以鼻孔入口處為原點、以繞上下方向的轉(zhuǎn)動為x軸方向，以繞前后方向的轉(zhuǎn)動為y軸方向，以繞左右方向的轉(zhuǎn)動為z軸方向，以手術(shù)器械自身軸線的深度進給運動方向為沿z軸的平移方向；第一獲取單元102，用于通過光學定位設(shè)備和設(shè)置在手術(shù)器械上的定位靶點獲取手術(shù)器械相對于所述基坐標系的位姿。優(yōu)選的，如圖9所示，計算模塊200具體包括：計算單元201，用于采用運動學分析方法根據(jù)所述手術(shù)器械的位姿和預(yù)設(shè)的手術(shù)器械與鼻內(nèi)鏡的相對位姿關(guān)系計算得出所述鼻內(nèi)鏡的目標位姿。優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括：建立模塊，用于在所述鼻內(nèi)鏡的末端和所述手術(shù)器械的末端建立基于虛擬彈簧的相互作用力模型，所述基于虛擬彈簧的相互作用力模型用于輔助所述鼻內(nèi)鏡自動調(diào)整至所述目標位姿。優(yōu)選的，所述相互作用力模型的公式為：F=1-ec(-x+l0),x<l0-1+ec(x-l0),x≥l0]]>其中，l0表示鼻內(nèi)鏡的目標位置，x表示鼻內(nèi)鏡與手術(shù)器械的空間距離，c是策略系數(shù)。需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的上述系統(tǒng)中各個模塊，由于與本發(fā)明方法實施例基于同一構(gòu)思，其帶來的技術(shù)效果與本發(fā)明方法實施例相同，具體內(nèi)容可參見本發(fā)明方法實施例中的敘述，此處不再贅述。本發(fā)明實施例提供一種自動調(diào)節(jié)鼻內(nèi)鏡位姿的系統(tǒng)，鼻內(nèi)鏡由主動機械臂把持，通過光學定位設(shè)備跟蹤手術(shù)器械運動，使用運動學分析方法計算出鼻內(nèi)鏡的目標位姿并發(fā)送給持鏡臂，控制鼻內(nèi)鏡對手術(shù)器械進行跟隨運動，從而保持鼻內(nèi)鏡和手術(shù)器械間相對穩(wěn)定的位置關(guān)系，為醫(yī)生提供清晰術(shù)區(qū)圖像。且醫(yī)生不需頻繁手動調(diào)整鼻內(nèi)鏡，可以用雙手完成復(fù)雜的手術(shù)操作，提高了手術(shù)效率和質(zhì)量，縮短手術(shù)時間。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3