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

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穿刺机器人本体标定实验研究

穿刺机器人本体标定实验研究
冯涛;杨向东;熊璟;刘少丽
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2010(000)002
【摘要】使用指数积方法建立了穿刺机器人正运动学模型,在此基础上导出了只需机器人末端位置数据的线性误差模型.根据误差模型特点,设计了简便有效的末端位置标定方案.实际标定实验结果标明,使用此种标定方法能使穿刺机器人在手术常用工作空间内的末端位置精度提高50%以上.
【总页数】3页(P155-157)
【作者】冯涛;杨向东;熊璟;刘少丽
【作者单位】清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084;清华大学精密仪器与机械学系,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TP24
【相关文献】
1.辅助腹腔镜手术机器人穿刺孔位置标定研究 [J], 董九志;张立勋;李艳生
2.六自由度工业机器人本体标定实验的研究 [J], 刘春学;郑哲恩;孙坚;沈斌
3.基于激光跟踪仪的协作机器人标定算法与实验研究 [J], 陈相君;古力那尔·祖农;薛梓;栗大超;班朝;任国营
4.三维表面扫描机器人系统本体标定新方法 [J], 吴德烽;李爱国;马孜;汪洋;吴翔
5.三维表面扫描机器人本体的最优形位标定方法 [J], 吴德烽;李爱国
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穿刺角度调节装置及穿刺辅助机器人[发明专利]

专利名称：穿刺角度调节装置及穿刺辅助机器人专利类型：发明专利
发明人：张博,张磊,张立群,张哲明,黄强,藤江正克申请号：CN201910035409.X
申请日：20190115
公开号：CN111434315A
公开日：
20200721
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及医疗器械技术领域，公开了一种穿刺角度调节装置及穿刺辅助机器人，穿刺角度调节装置包括基座以及设置于基座上的丝杠机构和连杆机构；丝杠机构包括丝杠和套设于丝杠上的螺母；丝杠绕丝杠的轴线可转动地设于基座上，以带动螺母沿丝杠的轴线做直线运动；连杆机构包括传动接块、推杆和回转杆，传动接块的一侧连接于螺母，传动接块的另一侧转动连接于推杆的一端；推杆的另一端转动连接于回转杆的第一连接端，回转杆的第二连接端转动连接于基座，回转杆的第三连接端用于连接穿刺针具组件。

该穿刺角度调节装置通过设置丝杠机构和连杆机构，能够实现穿刺角度的连续调整，并具有角度调整精度高、寿命长、结构紧凑体积小的优点。

申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
代理机构：北京路浩知识产权代理有限公司
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机器人辅助腹腔镜“一步法”半尿路切除术(“大家泌尿网”观看手术视频)

104J Mod Urol,Vol.26No.2Feb.2021•专*+坛•机器人辅助腹腔镜“一步法”半尿路切除术(“大家泌尿网”观看手术视频)吴剑平，陈明，张力杰(东南大学附属中大医院，江苏南京210009&Robot-assisted laparoscopic“one-step"radical nephroureterectomy and bladder cuff excisionWU Jianping,CHEN Ming,ZHANG Lijie(Department of Urology,Zhongda Hospital of Southeast University,Nanjing210009,China)ABSTRACT:Radical nephroureterectomy(RNU)and bladder cuff excision(BCE)is the standard treatment option for upper tract urothelial carcinoma(UTUC).Open surgery is traumatic and needs a long postoperative recovery time.RNU combined wth BCE through a low abdominal incision is less invasive,but changing position of the patients and re-disinfecting the surgical area and draping are time consuming.Robot-assisted RNU(RRNU)and BCE have improved the precision of operation.We have adopted a single position to complete the operation of RNU without re-docking the robot.This article focuses on robot-a s is+edlaparoscopic(one-s+ep"RNU,in+roducing+hesurgicals+epsand+echnicalpoin+s.KEY WORDS:robot；nephroureterectomy；lymph node dissection；upper tract urothelial carcinoma；tumor recurrence摘要：根治性肾输尿管全长及膀胱袖套状切除术是上尿路尿路上皮癌的标准治疗方案，传统开放手术创伤较大、切口长、术后恢复时间长，腹腔镜肾切除术后采用下腹部切口取出标本并行膀胱袖状切除虽减少了手术创伤，但术中仍需要变换体位重新消毒，延长了手术时间。

一种用于手术导航系统的手术器械标定装置及方法[发明专利]

专利名称：一种用于手术导航系统的手术器械标定装置及方法专利类型：发明专利
发明人：陈晓军,涂朴勋,高姚,方君
申请号：CN202011034776.7
申请日：20200927
公开号：CN112022350A
公开日：
20201204
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种用于手术导航系统的手术器械标定装置，包括标定装置本体，设于标定装置本体探针侧的多个探针孔，设于标定装置本体钻头侧的多个规格不同的钻头工具孔，设于标定装置本体锯条侧的多个规格不同的锯条安装槽，设于标定装置本体不同侧面的锯条探针孔和锯条旋转槽。

与现有技术相比，本发明将手术器械和标定物分别安装在标定装置本体上，获取两者的追踪器坐标系，可以快速根据手术器械和标定物之间的轴线和距离关系快速完成手术器械的标定，精度更高，改变追踪器的类型，该装置既能用于光学导航系统，也能用于电磁导航系统，且分别设置了钻头工具孔和锯条安装槽，能够更好地固定待标定的手术钻头和手术锯条，标定过程的稳定性更高。

申请人：上海交通大学
地址：200240 上海市闵行区东川路800号
国籍：CN
代理机构：上海科盛知识产权代理有限公司
代理人：蔡彭君
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机器人辅助的腹腔镜手术临床应用现状

机器人辅助的腹腔镜手术临床应用现状
孙小林;刘雅莉
【期刊名称】《吉林医学》
【年(卷),期】2005(026)008
【摘要】近年来，随着科学技术的发展和腹腔镜技术与设备的不断完善，在欧美等西方国家，机器人辅助的腹腔镜手术已从实验过渡到临床应用，并在一定的范围内广泛开展。

取得了初步的经验。

但机器人辅助的腹腔镜手术的优点尚未广泛为人所知,现将相关的研究结果总结报告如下。

【总页数】2页(P881-882)
【作者】孙小林;刘雅莉
【作者单位】中北大学附属医院普外科,山西太原030051;中国人民解放军第531医院外一科,吉林通化134002
【正文语种】中文
【中图分类】R656
【相关文献】
1.机器人辅助腹腔镜手术在泌尿外科的应用现状 [J], 沈周俊;王先进
2.机器人辅助的腹腔镜手术临床应用现状 [J], 孙小林;刘雅莉
3.机器人辅助McKeown食管癌切除术的临床应用现状及进展 [J], 段晓峰;姜宏景
4.机器人辅助下腹腔镜手术336例临床分析 [J], 呼兵;阮翊;杨运芳;王勇
5.机器人辅助的腹腔镜手术在妇科领域的应用现状 [J], 李晓燕;冷金花
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一种用于锁定髓内钉的图像导航方法

一种用于锁定髓内钉的图像导航方法
孙立宁;张剑;杜志江
【期刊名称】《测试技术学报》
【年(卷),期】2005(019)003
【摘要】图像导航是将机器人用于长骨骨折内固定手术中的关键技术.本文首先使用了一种用于定义和改变图像局部对比度的相似性测量方法,避免了图像的过增强和欠增强,然后用局部法对X光图像进行畸变校正;并提出了一种基于几何模型的对准方法,得到一条能够穿过髓内钉远端孔的三维路径,从而引导串联机器人锁定髓内钉.实验结果表明,该方法能够提高图像质量,有足够的定位精度和稳定性,并可以大大减少手术所需时间,降低医生所受辐射剂量.
【总页数】5页(P294-298)
【作者】孙立宁;张剑;杜志江
【作者单位】哈尔滨工业大学,机器人研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人研究所,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.电磁导航系统与徒手锁定在胫骨髓内钉远端锁定应用中的对比研究 [J], 韩天宇;梁娜;刘欣伟;巩天星;周大鹏;项良碧
2.一种用于辅助导航的快速图像匹配方法 [J], 吴政;冯燕;陈武
3.磁力导航与机械导航交锁髓内钉远端锁定准确性比较 [J], 张华良;靳云乔;何海潮
4.电磁导航系统定位胫骨髓内钉远端锁定治疗胫骨骨折的疗效观察 [J], 吴晗;许新忠;程文丹;吕浩;荆珏华
5.带磁力声控导航锁定加压髓内钉应用于胫骨骨折治疗体会 [J], 范小铁;王大正;张文化;顾平
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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
· 509 ·
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
· 510 ·
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。