機器人腦外科設備系統及其實現方法

專利名稱：機器人腦外科設備系統及其實現方法
技術領域：
本發明是一種借助于機器人和計算機來輔助進行人體頭部手術的特種醫療設備系統及其實現方法。它涉及到計算機、機器人、機械、自動化、及醫療設備工程等技術學科領域。
機器人腦外科設備系統，在醫療設備工程領域正發揮著越來越重要的作用。常規的立體定向腦外科手術是借助一種帶有N字形定位標記的立體定位儀框架(標定設備)，將它固定在病人的顱骨上，通過CT掃描或有關X光設備成象，將CT片上腦組織的病灶點信息與立體定位儀框架坐標建立相應的幾何變換關系，再借助于一種專用坐標刻度盤和定位尺設備，可從刻度盤上讀出病灶靶點在立體定位儀坐標系中的三維坐標值。在此基礎上，將一個弓型手術器械引導裝置安裝在立體定位儀框架，通過已知的病灶靶點的坐標值和該引導裝置便可在顱骨上鉆一個小孔，并將探針或其它更精細、復雜的外科器件引入腦內，對病灶點進行活檢、放療、切除等操作。
現有這種外科手術取得了許多重要成果，但也存在著一些不足A.是病人從CT掃描開始直到手術結束始終都要戴著笨重金屬頭架，特別是要安裝的弓型手術引導操作臂，不僅使病人不舒服，而且占用手術操作的空間。
B.是目前使用的坐標刻度盤和定位尺設備只限用于一種特定大小的CT片，而不能適用于各種CT機拍成的CT片，特別是不能適用目前普遍使用的一張9幅腦圖CT片。
C.是這種方法很難在不同方向上提供對目標(腫瘤)的軌跡規劃；D.是手術者從框架標尺讀取靶點的坐標到對框架進行調整的操作繁瑣、時間長。
E.是將CT室作為手術室，利用機器人與CT掃描床固定聯接，完成立體定向神經外科手術定位操作，這種方法不符合我們國家的國情，價格昂貴的CT機往往是面向醫院各個醫療科室，很難作為手術室。
F.在手術中，醫務人員直接進行放射性藥物的注入操作，還會造成醫務人員的輻射傷害。
為此，人們迫切希望借助計算機與機器人高新技術，尋找一種新的、更快、更靈活、更可靠、更精確、成本低的機器人腦外科設備系統及其實現方法。
本發明的機器人腦外科設備系統及其實現方法的目的是利用機器人和電腦的先進高技術，對手術操作的直線軌跡進行規劃，選擇一個最小損傷的手術路徑，同時又避免傷害腦內重要的血管、神經，在機器人1末端機械手延伸裝置27的引導下，將其它更精細、復雜的外科器件引入腦內(如探針等)，輔助有關人員對病灶點進行活檢、放療、切除等精細手術操作。
我們目的是1.利用計算機圖像處理，使常規各種腦立體定向儀的靶點定位適用于各種CT機拍成的CT片，如一張9幅腦圖的CT片，并省去坐標刻度盤和定位尺的繁雜操作。
2.本發明的機器人腦外科設備系統及其實現方法在手術時不占用CT室，可以節約大量的經費，更符合中國國情。
3.提出一種微損失映射方法，解決醫療圖像空間與臨床手術操作空間非結構化環境的復雜繁瑣標定。提出了無損傷手術病灶測定和操作方法，更大地保護了病人的利益。
4.利用機器人操作，取消框架儀的弓型操作臂，實現不同方向的直線穿刺軌跡規劃，并為醫務人員提供更大的手術空間。
5.設計一種注射器的推進機構，替代醫務人員直接進行放射性藥物的注入操作，以減輕對醫務人員的輻射傷害。
本發明提出的機器人腦外科設備系統及其實現方法的具體內容如下機器人腦外科設備系統它是由計算機4(選用型號PC586)、機器人1(選用型號PUMA262)、機械手延伸裝置27、手術床28、和標定設備29等設備構成，是進行接受信息、測定并確定病灶的位置、輔助進行手術和進行治療的腦外科設備系統，其特征在于，其機械手延伸裝置27(見

圖1和圖2)包括測量標定機械接口70、標測釘71、手術器械夾持具60、雙層模板50、注射器推進機構30和六關節機械臂9等設備，該系統還包括CT圖片26、掃描儀5(選用型號UNISCAN)和C形X光機8等設備，其標定設備29使用的是定位框架3。不同的步驟選用的設備不同，一.在進行標測定位時將病人的頭部固定在帶有N字形標記的立體定位框架3上，對機器人1及有關相聯接的周邊設備進行消毒，諸如測量標定機械接口70(見圖8)，一端呈尖形的棒體標測釘71，手術器械夾持具60，雙層模板50，注射器推進機構30等，測量標定機械接口70是為和機器人末端銜接的接口，是由有四個銜接螺口75形似法藍盤的底座73和中心有固定孔72的固定件74組成，底座73和固定件74是固定連接，在固定件74上配有固定用的螺釘。讓病人躺在手術床上，一方面利用掃描儀5將CT圖片26數據輸入計算機4，用本發明研究開發的圖像引導軟件系統測定腦病灶的三維坐標；另一方面用本發明設計的測量標定方法，用測量標定機械接口70和標測釘71、或雙層模板50，完成手術操作空間與圖像規劃空間之間映射變換，之后，將機器人末端的手術器械夾持具60裝置，利用機器人1輔助完成不同方向的直線軌跡規劃，實現立體定向手術的精確定位。
二.在進行相關手術時控制機器人1按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近，借助本發明設計的手術器械夾持具60，進行鉆孔并插入探針，并在計算機4控制下機器人1進行微動精細地前進或后退運動定位，進行有關病灶點的活檢和囊液的抽取等。
三.在輔助治療時在手術器械夾持具60上安裝本發明設計的注射推進機構30，在計算機4的控制下，完成放射性同位素的注射。
應當這樣說我們的技術方案主要由圖像引導定位方法、醫療圖像模型與臨床手術環境的標定方法、機器人輔助立體定向運動控制及放射性藥物注入控制等四大部分組成。現在這四大塊分別加以說明。
一.圖像引導定位方法對于腦立體定向手術，為了準確地將探針或其它更精細復雜的外科器件引入腦內病灶點，進行活檢、放療、切除等操作，必須準確地確定病灶點的位置，以及在顱骨上鉆孔位置姿態。因此，首先一個重要任務就是，利用計算機進行腦圖像的手術靶點定位，并在此基礎上進行多條直線軌跡外科手術的規劃，選擇最佳的手術方案。
為了準確地定位，本發明設計了兩套方案，一個是面向二維圖像引引導定位系統，另一個是面向三維圖象引導定位系統。
A本發明設計的借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術，我們設計了二維圖像引導定位方法是借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術實現五個圖標驅動下的可視化引導病灶點的定位，既a.圖標功能之一是讀寫文件操作，它負責將CT或MRI圖像數據讀入緩沖區并顯示在屏幕上，或者將修改的CT或MRI圖像數據存入文件，或者將完成定位的參數、病例報告輸出打印。
b.圖標功能之二是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示一個帶有標尺的框架，利用鼠標拖動這個顯示框架，以便對準CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有立體定向框架的四個角，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示與實際腦部位置的坐標變換關系。
c.圖標功能之三是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的橫向標尺，利用鼠標拖動這個標尺，以便對準CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有N字形標記點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示Z軸深度的坐標。
d.圖標功能之四是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的十字標尺，利用鼠標拖動這個標尺，以便對準CT或MRI圖像顯示的病人腦部病灶點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示X、Y軸的坐標。
e.圖標功能之五是根據圖標功能之二到之四的操作，通過幾何變換，計算出相對于立體定向框架儀的X、Y、Z坐標。
這一技術方案的突出特點是適用于各種CT機7拍成的CT片，如一張9幅腦圖的CT片，可以完成腦靶點定位，即可用于機器人1輔助腦外科系統，也可以配合常規的各種腦立體定向儀的定位框架3，在保持同樣精度的條件下，實時計算靶點的X、Y、Z坐標位置，同時還具有省去坐標刻度盤和定位尺設備與操作等優點。
B面向三維圖像引導定位軟件系統是借助本發明設計的六關節機械臂9作為觀測棒，在OpenGL軟件開發環境下，實現我們的這一技術方案。
現在來說明一下本發明所設計的六關節機械臂9的結構，作為人機交互裝置的觀測棒，主要用于手術操作空間點的測量和三維圖像的操作。六自由度關節式機械臂9(見圖3和圖4)，采用無動力源方式，它及各關節均采用經過表面處理的航空鋁型材料進行制作，主要硬件結構組成如下在機座10上裝配有關節一11，其關節一11下端內部采用精密軸，心軸94與機座10用螺釘96進行固定，心軸軸向定位由擋環92、墊圈93與關節一11進行固定，心軸94的徑向定位由銅制襯套與關節一11進行固定，銅制襯套97的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節一11的轉動靈活。與電位計20的聯結是通過緊固在心軸94中凸塞99插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計20軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節一11的接頭91上，以保證電位計準確地與關節一11保持同步轉動。
關節二12的右端與關節一11的左端相連，其關節二12的心軸94與關節一11用螺釘96進行固定，心軸94軸向定位由擋環92、墊圈93與關節二12進行固定，心軸94的徑向定位由銅制襯套97與關節二12進行固定，銅制襯套97的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節二12的轉動靈活；與電位計21的聯結是通過緊固在心軸94中凸塞99插入電位計的軸槽，實現心軸94與電位計21軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節二12的接頭91上，以保證電位計準確地與關節二12保持同步轉動；關節二12的上端與大臂13一端進行固定相連(以下兩兩關節的內在連接和聯結都是相同的和類同的，下面就不一一敘述了)。
關節三14的下端與大臂13另一端進行固定相連，關節三14的右端與關節四15的左端相連，其關節三14的心軸與關節四15用螺釘進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節三14進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節三14進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節三14的轉動靈活；與電位計22的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計22軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節三14的接頭上，以保證電位計準確地與關節三14保持同步轉動。
關節四15的下端與小臂16一端進行固定相連，關節四15的右端與關節三14的右端相連，其關節四15的心軸與小臂16一端用螺釘進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節四15進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節四15進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節四15的轉動靈活；與電位計23的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計23軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節四15的接頭上，以保證電位計準確地與關節四15保持同步轉動。
關節五17的上端與小臂16另一端進行固定相連，關節五17的右端與關節六18的左端相連，其關節五17的心軸與關節六18進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節五17進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節五17進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節五17的轉動靈活；與電位計24的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計24軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節五17的接頭上，以保證電位計準確地與關節五17保持同步轉動。
關節六18的下端與錐形探測工具19進行相連，其關節六18的心軸與探測工具19進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節六18進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節六18進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節六18的轉動靈活；與電位計25的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計25軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節六18的接頭上，以保證電位計準確地與關節六18保持同步轉動。
面向三維圖像引導定位方法是本發明設計的借助于計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件技術，設計的三維圖像引導定位方法是用六關節機械臂9作為觀測棒，在計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件開發環境平臺上，可以實現一個三維圖像引導的立體定向外科手術規劃系統。它首先可以完成二維圖像數據預處理，包括直方圖顯示、灰度范圍校準(線性灰度變換、非線性灰度變換)、組織劃分、一系列CT掃描腦圖像對齊校準以及CT層間的插值處理等。然后，在此基礎上實現三維圖像的重構，并在計算機屏幕上用不同顏色顯示腦內的不同解剖組織結構。利用本發明設計的六關節機械臂9作為觀測棒，可以實現三維圖像的平移旋轉、放大縮小、任意切割平面等操作，并可以從不同角度，對預行手術操作的部位進行測量定位，通過計算機程序，進行坐標變換，計算出機械臂末端的坐標值，對手術穿刺直線軌跡在計算機的人腦三維圖像中進行虛擬演示與規劃，觀察手術操作軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴重的影響，模擬同位素內放療的結果等。
明確地說我們可以利用六關節機械臂9，借助于六個關節上的電位器，測量出各個關節的角度，通過計算機4的A/D卡采集轉換為數字量，再利用計算機4的程序，進行空間幾何坐標轉換，就可以算出機械臂末端的姿態和位置。對六關節機械臂9的操縱，對實際病人頭部表面的測量，就可以A.利用六關節機械臂9末端的姿態和位置，控制計算機4屏幕上三維圖象的旋轉B.利用六關節機械臂9末端與實際病人頭部的遠近，可以控制計算機4屏幕上三維圖象的放大或縮小；C.以六關節機械臂9末端的姿態定義一個平面，對計算機4屏幕上三維圖象進行切割，便于觀察人體腦內部的病灶靶點；基于上述三個功能，就可以借助對六關節機械臂9的操作，以其坐標系為基點，來分析、觀察機器人手術穿刺直線的最佳位置和姿態，其手術操作直線軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴重的影響等；這一技術的凸出特點是借助于六關節機械臂9作為觀測棒，可以方便建立圖像操作的良好界面，以實現虛擬手術的操作和規劃，選擇最佳手術方案。二.醫療圖像三維模型與臨床手術環境的標定方法在計算機與機器人輔助外科手術中，首先需要解決的問題是如何實現腦圖像三維模型與臨床手術操作環境的標定，即將CT圖片上的預定病灶點位置映射到機器人操作的具體病灶點位置。在這里借助于本發明設計的測量標定機械接口70和標測釘71、雙層模板50，利用計算機控制的機器人力控制人機交互操作界面，我們提出了微創傷和無創傷的兩種映射變換方法。
A微創傷映射變換方法一般我們定義虛擬空間是基于CT的圖像空間，現實空間是機器人和病人所在的空間。為了建立兩個空間的映射關系，我們通過定義立體框架上的三個定位標記點，來構造一個與顱骨固連的參考坐標系，實現了兩個空間的匹配映射。
對于微創傷映射變換方法，機器人1可以將目標靶點從CT圖像坐標系、定位框架3坐標系映射到機器人1基坐標系、機器人末端的手術器械夾持具60坐標系。本發明設計了用于測量標定的標測釘71工具和測量標定機械接口70，測量標定機械接口70的一端通過螺釘可以固定在機器人末端力傳感器2，測量標定機械接口70的另一端通過螺釘可以固定錐形標測釘，目的是為了利用機器人1末端安裝的標測釘71直接獲取手術操作空間的標記點坐標。
本發明設計的借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標系中，已知道了定位框架3上的三個標記點，我們所設計的微創傷定位的方法是首先在人體頭部安裝的定位框架3上選擇定義三個標記點，然后進行CT掃描，獲得CT圖象；由于在CT圖象空間坐標系中，知道上述個標記點，以這三個標記點可以構造一個空間坐標系，稱之為CT圖象空間的標記點三坐標系，從而可以通過空間幾何變換，將CT圖象空間所所關心的病灶點映射到CT圖象中的標記點坐標系中。
另一方面，當帶著定位框架3的病人躺在手術床上以后，我們將測量標定機械接口70的一端，通過螺釘固定在機器人末端力傳感器2上，再將測量標定機械接口70的另一端安裝固定一個錐形標測釘71，可以測量獲得手術操作空間的三個標記點，以這三個標定的標記點又可以構造一個空間坐標系，稱之為手術操作空間中的標記點坐標系。由機器人在手術操作空間中通知上述三個標記點，從而可以通過幾何變換，將手術操作空間中所關心的病灶點映射到標記點坐標系中，而且這種逆變換也是存在的，即標記點坐標系中的病灶點映射到機器人手術操作空間中。
通過上述方法，CT圖象空間映射變換到CT圖象空間中的標記點坐標系中，CT圖象空間中的標記點坐標系與機器人手術操作空間中的標記點坐標系完全等價，從而再將上述變換將機器人手術操作空間中標記點坐標系映射變換到機器人手術操作空間，這就實現了CT圖象空間大到手術操作空間的變換。
因此，在手術操作空間中，只要借助我們設計安裝在機器人末端的測量標定機械接口70和標測釘71，通過計算機4，實現PUMA260機器人1力控制方式，用機器人1可以直接從定位框架3上識別獲得手術操作空間中定義的三個定位標記點。在虛擬空間中定義的三個定位標記點坐標位置，可以從定位框架3刻度上直接獲得。可以看出，只要三個定位標記點不同線，基于可以使用的軟件，就可以構造這兩個空間映射關系的幾何變換矩陣。
我們所提出的微損失映射方法較好地解決了醫療圖像空間與臨床手術操作空間非結構化環境的復雜繁瑣標定，使手術不占用CT室，這樣符合中國國情，并為無框架立體定向神經外科手術的進一步研究奠定重要的基礎。
B.關于無創傷映射變換方法我們提出了利用成像設備C形X光機8，不在病人身上設置有損傷的標記點，實現醫療圖像空間與臨床手術操作空間非結構化環境映射變換。設想任何一幅X光醫療圖像是一個三維的透視圖，圖像中的目標點可以看成是該點在空間沿著X光線方向的投影點，一條投影線上的每一點都對應同一個投影點。顯然，如果在兩幅圖像中都找到一條通過目標點的投影直線，那么這兩條直線的交點就是我們要求的空間目標點位置。
為了解決這一問題，我們設計了一種雙層模板50(見圖6)。它的結構是上層模板51和下層模板的材料用有機玻璃，上層模板51和下層模板52之間的距離是確定的，上層模板51和下層模板52之間的聯接固定是通過螺釘54、55、56、57緊固，上層模板51的標記點的位置我們采用正方形網格排列，每兩點之間的距離是確定的，下層模板52的標記點在板中心的若干個同心圓上，這些標記點在雙層模板50中的坐標系位置是精確的和確定的，而且它們的投影在圖象中是可見的，標記點的材料選用1mm直徑的鉛絲制成。
如果給出具體的數值，則模板的一種設計是模板的尺寸為200mm×200mm，上層模板51和下層模板的材料用有機玻璃，厚度為4mm，上層模板51和下層模板52之間的距離為53mm，上層模板51和下層模板52之間的聯接固定是通過螺釘54、55、56、57緊固的。上層模板51的標記點我們采用正方形網格排列，每兩點之間的距離為40mm，下層模板52的標記點采用圓形排列，共有兩個圓周，小圓半徑為50mm，大圓半徑為70mm；每個圓周上有16個標記點。
雙層模板50與機器人末端的測量標定機械接口70聯接是通過雙層模板50的機械接口53固定聯接的，然后通過雙層模板50上金屬標記在X光圖象中的投影關系，可以測量和計算空間未知點在模板坐標系的坐標，再基于機器人1基坐標的變換矩陣，則可從兩幅投影圖象中分別確立兩條空間直線，他們的相交點即為我們所待求的空間位置，從而實現一種快速有效的定位算法。雙層模板50的結構是基于求解投影線上兩個點的想法，以建立空間直線方程而專門設計的。
雙層模板50結構是上層模板51和下層模板的材料用有機玻璃，上層模板51和下層模板52之間的距離是確定的，上層模板51和下層模板52之間的聯接固定是通過螺釘54、55、56、57緊固，上層模板51的標記點的位置我們采用正方形網格排列，每兩點之間的距離是確定的，下層模板52的標記點在板中心的若干個同心圓上，這些標記點在雙層模板50中的坐標系位置是精確的和確定的，而且它們的投影在圖象中是可見的，標記點的材料選用1mm直徑的鉛絲制成。在使用時，首先將雙層模板50與機器人末端的測量標定機械接口70通過螺釘固定連接，利用計算機4將機器人末端的雙層模板運動到待測部位的上方，然后將來成象設備C形X光機8移動到機器人末端雙層模板50的上方進行拍照成象。由于雙層模板50上的標記點不僅在X光圖象上是可見的，而且它們之間的位置關系在機器人坐標中也是固定和已知的，從而可以通過雙層模板50上的標記點，構造一條穿過病灶靶點的空間直線族。然后，按上述方法將機器人末端雙層模板50和C形X光機8移動到待測部位的另一方位，又可以構造出另一條穿過病灶靶點的空間直線族，當病灶點是唯一的，則兩條空間直線族的交點就是我們待測分三維坐標病灶靶點。這種方法在病人身上沒有有損傷的標記點，而是借助于本發明設計的雙層模板50，實現了醫療圖象與臨床手術操作間非結構化的映射變換。
因此，我們所提出的非損傷映射技術方案突出特點是借助我們設計的雙層模板50，可以巧妙地將醫療成象設備與圖象引導定位系統分離開來，定位算法中不需要考慮醫療成象設備C形X光機8的有關參數和姿態，這不僅使定位問題簡單化，而且使得這種定位系統變得更加實用。三.機器人輔助立體定向的操作控制我們是以UNIMATION公司的PUMA260機器人1為硬件平臺，研究開發了機器人輔助立體定向操作控制，這方面的技術方案包括本發明設計的與機器人末端聯接的手術器械夾持具、機器人軌跡規劃、機器人運動控制算法和通訊程序。另外還實現了具有基于實時力控制的人機交互界面，醫生可以直接抓持機器人的末端，控制機器人達到醫生所期望的位置和姿態，方便了醫務人員對機器人定位的操作。
UNIMATION公司的PUMA260機器人1是一種可編程的體積較小、便于搬運的通用機器人，它能以0.05mm的重復精度完成復雜的工作，并能保持穩定的軌跡。它主要由操作機、控制器、示教盒、監視器等系統連接組成。它的運動與人體相類似，如可以以腕、肩、肘、腰部位并行或分別旋轉操作。六個關節分別配有永磁電機和伺服驅動系統。每個關節都能進行大范圍角位移。另外，PUMA260機器人1具有較好的安全性，當它的電氣或機械失效后，在腰、肩、肘安裝的彈簧機制可以有剎車制動作。為了使機器人與病人保持固定的聯系，機器人1基座與手術床的位置距離在手術過程中保持不變，安裝在病人頭部的定位框架3與手術床固定聯接。
將測量標定機械接口70替換為手術機械夾持具60，利用計算機4控制程序可以實現機器人1輔助下的不同方向直線軌跡規劃，以選擇最佳的手術方案。手術機械夾持具60(見圖7)的硬件結構組成是機械接口61與引導機構62精密固定配合，機械接口61的功能是與機器人末端力傳感器進行聯接。引導機構62功能是在上位夾持具63和下位夾持具64配合下，保證各種手術器械工具，在引導機構62引導的方向上進行相應的手術操作，其中上位夾持具63和下位夾持具64是可以按手術器械的粗細、大小進行更換，螺釘65和螺釘66負責對更換的上位夾持具63和下位夾持具64進行固定。在分析比較確定機器人1規劃的最佳穿刺直線路徑后，確定一條避開腦部重要功能區和血管組織的近似軌跡，機器人1可以根據選擇的不同方向，調整姿態，然后進行直線軌跡的運動，并將探針指向靶點。實現立體定向手術的精確定位，并控制機器人1按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近。機器人1可以實時、準確地計算出需要到達預定目標區域的距離，提供工作人員參考。經再三對比，對機器人計算的結果進行分析、討論、評價，并根據手術實際情況進行修正。機器人1按準確修正后的速度和距離，準確地沿直線前進或后退運動。然后，工作人員用電鉆借助本發明設計的手術器械夾持具沿著預定軌跡在頭滑上鉆孔，接著用一根穿刺針完成對病變的處理。機器人1也可以進行微動精細地前進或后退運動定位。現在，到達預定目標區域的距離可以由機器人1計算得到，但通過探針支持器插入探針的工作還是由醫生人工操作進行的。
四.放射性藥物注入機構和控制考慮減輕注射同位素對外科醫務工作人員的輻射傷害，我們在機器人末端的手術器械夾持具60上，專門設計了一種用于遙控操作的注射器推進機構30(見圖5)，輔助工作人員在遠距高進行放射性同位素藥物的注射操作。注射器推進機構30的夾具33功能是在螺釘31、32的緊固配合下，將推進機構本體34與手術器械夾持具60固定聯接。直流電機37固定安裝在推進機構本體34上，直流電機37軸承與一個轉動輪35固定聯接，通過一條鋼絲繩36與滑板相連。當直流電機37帶動轉動輪35正轉或反轉，滑板38在滑槽39上也跟著上下移動。滑板與一個連桿40固定聯接，連桿40的頂部通過一個螺釘41又與一個擋板42相連。當螺釘41松動時，擋板42可以左右轉動，便于安裝不同大小粗細的注射器6。當螺釘41緊固時，擋板42也將固定，從而可以隨連桿40上下移動，推動注射器6完成放射性藥物的注入。直流電機37的驅動是利用計算機4程序，通過計算機4的A/D卡進行控制的。
本發明有以下優點a.充分利用影像信息(如9幅普通CT片)，掃描定位靶點精確，可重復性好，減少了人工測量靶點的誤差。
b.適用于各種CT機拍成的CT片，如一張9幅腦圖的CT片，可以完成腦靶點定位，即可用于機器人輔助腦外科系統，也可以配合常規的各種腦立體定向儀，在保持同樣精度的條件下，實時計算靶點的X、Y、Z坐標位置，同時還具有省去坐標刻度盤和定位尺設備與操作等優點。
c.國外一般所采用的映射標定方法是將CT掃描室直接作為手術室，在手術操作之前，將機器人機座與CT床的機座牢牢相連，從而可以完成CT機掃描的空間坐標系與機器人基坐標系之間的映射變換。這種方法顯然不符合我們國家的國情，價格昂貴的CT機往往是面向醫院各個醫療科室，很難作為手術室。因此，我們所提出的微損失映射方法較好地解決了醫療圖像空間與臨床手術操作空間非結構化環境的復雜繁瑣標定，使手術不占用CT室，這樣符合中國國情。
d.本發明所提出的非損失映射技術方案突出特點是借助本發明設計的模板，可以巧妙地將醫療成象設備與圖象引導定位系統分離開來，定位算法中不需要考慮醫療成象設備的有關參數和姿態，這不僅使定位問題簡單化，而且使得這種定位系統變得更加實用。
e.利用先進機器人技術，取消框架儀的弓型操作臂，為工作人員提供更大的手術空間。
f.利用機器人技術，替代醫務人員直接進行放射性藥物的注入操作，以減輕對工作人員的輻射傷害。通過電檢和手檢，沒有文獻給予報道。
g.利用機器人技術，可以進行不同方向的直線穿刺軌跡規劃，以保證手術方案的最佳性。
h.由于實施的微創傷外科，所以減少了病人的手術危險和痛苦，縮短了所需康復的時間，同時也降低了醫療費用。
我們提出的映射標定方法重要意義是為無框架立體定向神經外科手術研究將奠定重要的基礎。這種方法的優點在于可以減小病人的外傷，使病人擺脫笨重的框架和弓型手術引導裝置，擴大醫生手術操作的空間，克服病人從CT掃描開始直到手術結束都要戴著頭架的缺點，并且常規方法難以在不同方向上提供對目標(腫瘤)的軌跡規劃。
從長遠來看，機器人技術應用于立體定向神經外科定位，拓寬了立體定向手術的范圍，代表著立體定向手術的發展方向，為實施腦深部腫瘤的外科治療、開展無框架立體定向神經外科提供了新的途徑。它不僅使手術更加安全可靠，而且減輕了創傷，縮短了病人的康復時間，還可避免放射性藥物注入過程中對醫務人員的傷害，使立體定向手術更加方便、省時、高效。本發明有以下附圖圖1是本發明的機器人腦外科設備系統結構示意圖；設備組成和圖中各標號的含義是，它是由機器人1，計算機4，掃描儀5，C形X光機8，CT圖片26，機械手延伸裝置27，手術床28和標定設備29組成的。
圖2是本發明的機器人腦外科設備系統部分設備在工作狀態下的示的意圖；設備組成和圖中各標號的含義是，力傳感器2，定位框架3，注射器6和注射器推進機構30組成。
圖3是本發明設計的六關節機械臂示意圖；設備組成和圖中各標號的含義是，它是由機座10，關節一11，關節二12大臂13，關節三14，關節15，小臂16，關節五17，關節六18，探測工具19，電位計20，電位計21，電位計22，電位計23，電位計24和電位計25組成。
圖4是本發明設計的六關節機械臂第一和第二關節部件的剖視件示意圖；設備組成和圖中各標號的含義是，它是由接頭91，擋環92，墊圈93，心軸94，螺釘96，襯套97，連接套98和凸塞99組成。
圖5是本發明設計的注射器推進機構的示意圖；設備組成和圖中各標號的含義是，它是由螺釘31，螺釘32，夾具33，推進機構本體34，轉動輪35，鋼絲繩36，直流電機37，滑板38，滑槽39，連桿40，螺釘41，擋板42和卡口43組成。
圖6是本發明設計的雙層模板的示意圖；設備組成和圖中各標號的含義是，它是由上層模板51，下層模板52，機械接口53，螺釘54，螺釘55，螺釘56，螺釘57，和固定棒58組成。
圖7是本發明設計的手術器械夾持具示意圖；設備組成和圖中各標號的含義是，它是由機械接口61，引導機構62，上位夾持具63，下位夾持具64，緊固螺釘65，緊固螺釘66，支架67，和銜接口68組成。
圖8是本發明設計的測量標定機械接口示意圖，設備組成和圖中各標號的含義是，它是由標測釘71，固定孔72，底座73，固定件74和銜接螺口75組成。
圖9是本發明所使用的標測釘示意圖；本發明的實施內容，已經在前面的敘述中完整、清楚地敘述過，就不再在實施例中重復了。
權利要求
1.機器人腦外科設備系統它是由計算機(4)、機器人(1)、機械手延伸裝置(27)、手術床(28)、和標定設備(29)等設備構成，是進行接受信息、測定并確定病灶的位置、輔助進行手術和進行治療的腦外科設備系統，其特征在于，其機械手延伸裝置(27)包括測量標定機械接口(70)、標測釘(71)、手術器械夾持具(60)、雙層模板(50)、注射器推進機構(30)和六關節機械臂(9)等設備，該系統還包括CT圖片(26)、掃描儀(5)和C形X光機(8)等設備，其標定設備(29)使用的是定位框架(3)；一.在進行標測定位時將病人的頭部固定在帶有N字形標記的立體定位框架(3)上，對機器人1及有關相聯接的周邊設備進行消毒，諸如測量標定機械接口(70)，一端呈尖形的棒體標測釘(71)，手術器械夾持具(60)，雙層模板(50)，注射器推進機構(30)等，測量標定機械接口(70)是為和機器人末端銜接的接口，是由有四個銜接螺口(75)形似法藍盤的底座(73)和中心有固定孔(72)的固定件(74)組成，底座(73)和固定件(74)是固定連接，在固定件(74)上配有固定用的螺釘。讓病人躺在手術床上，一方面利用掃描儀(5)將CT圖片(26)數據輸入計算機(4)，用本發明研究開發的圖像引導軟件系統測定腦病灶的三維坐標；另一方面用本發明設計的測量標定方法，用測量標定機械接口(70)和標測釘(71)、或雙層模板(50)，完成手術操作空間與圖像規劃空間之間映射變換，之后，將機器人末端的手術器械夾持具(60)裝置，利用機器人(1)輔助完成不同方向的直線軌跡規劃，實現立體定向手術的精確定位；二.在進行相關手術時控制機器人1按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近，借助本發明設計的手術器械夾持具(60)，進行鉆孔并插入探針，并在計算機(4)控制下機器人(1)進行微動精細地前進或后退運動定位，進行有關病灶點的活檢和囊液的抽取等；三.在輔助治療時在手術器械夾持具(60)上安裝本發明設計的注射推進機構(30)，在計算機(4)的控制下，完成放射性同位素的注射。
2.根據權利要求1所說的腦外科設備系統，其特征是，六關節機械臂(9)的結構是在機座(10)上裝配有關節一(11)，其關節一(11)下端內部采用精密軸，心軸(94)與機座(10)用螺釘(96)進行固定，心軸軸向定位由擋環(92)、墊圈(93)與關節一(11)進行固定，心軸(94)的徑向定位由銅制襯套與關節一(11)進行固定，銅制襯套(97)的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節一(11)的轉動靈活；與電位計(20)的聯結是通過緊固在心軸(94)中凸塞(99)插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計(20)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節一(11)的接頭(91)上，以保證電位計準確地與關節一(11)保持同步轉動；關節二(12)的右端與關節一(11)的左端相連，其關節二(12)的心軸94與關節一(11)用螺釘96進行固定，心軸94軸向定位由擋環92、墊圈93與關節二(12)進行固定，心軸94的徑向定位由銅制襯套97與關節二(12)進行固定，銅制襯套97的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節二(12)的轉動靈活；與電位計(21)的聯結是通過緊固在心軸94中凸塞99插入電位計的軸槽，實現心軸94與電位計(21)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節二(12)的接頭91上，以保證電位計準確地與關節二(12)保持同步轉動；關節二(12)的上端與大臂(13)一端進行固定相連；關節三(14)的下端與大臂(13)另一端進行固定相連，關節三(14)的右端與關節四(15)的左端相連，其關節三(14)的心軸與關節四(15)用螺釘進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節三(14)進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節三(14)進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節三(14)的轉動靈活；與電位計(22)的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計(22)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節三(14)的接頭上，以保證電位計準確地與關節三(14)保持同步轉動；關節四(15)的下端與小臂(16)一端進行固定相連，關節四(15)的右端與關節三(14)的右端相連，其關節四(15)的心軸與小臂(16)一端用螺釘進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節四(15)進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節四(15)進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節四(15)的轉動靈活；與電位計(23)的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計(23)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節四(15)的接頭上，以保證電位計準確地與關節四(15)保持同步轉動；關節五(17)的上端與小臂(16)另一端進行固定相連，關節五(17)的右端與關節六(18)的左端相連，其關節五(17)的心軸與關節六(18)進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節五(17)進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節五(17)進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節五(17)的轉動靈活；與電位計(24)的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計(24)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節五(17)的接頭上，以保證電位計準確地與關節五(17)保持同步轉動；關節六(18)的下端與錐形探測工具(19)進行相連，其關節六(18)的心軸與探測工具(19)進行固定，心軸軸向定位由擋環、墊圈與關節六(18)進行固定，心軸的徑向定位由銅制襯套與關節六(18)進行固定，銅制襯套的作用猶如滑動軸承，在軸與軸承之間有石墨作潤滑劑，保證關節六(18)的轉動靈活；與電位計(25)的聯結是通過緊固在心軸中凸塞插入電位計的軸槽，實現心軸與電位計(25)軸連動的，而電位計的外殼緊固在關節六(18)的接頭上，以保證電位計準確地與關節六(18)保持同步轉動。
3.根據權利要求1所說的腦外科設備系統，其特征是，雙層模板(50)結構是上層模板(51)和下層模板的材料用有機玻璃，上層模板(51)和下層模板(52)之間的距離是確定的，上層模板(51)和下層模板(52)之間的聯接固定是通過螺釘(54)、(55)、(56)、(57)緊固，上層模板(51)的標記點的位置我們采用正方形網格排列，每兩點之間的距離是確定的，下層模板(52)的標記點在板中心的若干個同心圓上，這些標記點在雙層模板(50)中的坐標系位置是精確的和確定的，而且它們的投影在圖象中是可見的，標記點的材料選用1mm直徑的鉛絲制成。
4.根據權利要求3所說的模板，其特征是，模板的一種設計是模板的尺寸為200mm×200mm，上層模板(51)和下層模板的材料用有機玻璃，厚度為4mm，上層模板(51)和下層模板(52)之間的距離為53mm，上層模板(51)和下層模板(52)之間的聯接固定是通過螺釘(54)、(55)、(56)、(57)緊固的；上層模板(51)的標記點我們采用正方形網格排列，每兩點之間的距離為40mm，下層模板(52)的標記點采用圓形排列，共有兩個圓周，小圓半徑為50mm，大圓半徑為70mm；每個圓周上有16個標記點。
5.根據權利要求1所說的腦外科設備系統，其特征是，手術機械夾持具(60)是由機械接口(61)、支架(67)和引導機構(62)構成在機械接口(61)形似法藍盤，上面有四個銜接口(68)、(61)、(62)和(67)是固定連接，機械接口(61)的可與機器人末端力傳感器進行聯接，引導機構(62)呈凹形，凸出部分形成上位夾持具(63)和下位夾持具(64)，在上位夾持具(63)和下位夾持具(64)配合下，可以夾持各種手術器械工具，在引導機構(62)引導的方向上進行相應的手術操作，其中上位夾持具(63)和下位夾持具(64)是可以按手術器械的粗細、大小進行更換，螺釘(65)和螺釘(66)負責對更換的上位夾持具(63)和下位夾持具(64)進行固定。
6.根據權利要求1所說的腦外科設備系統，其特征是，注射器推進機構(30)的結構是夾具(33)所形成的卡口(43)，在螺釘(31)、(32)的緊固配合下，將推進機構本體(34)與手術器械夾持具(60)固定聯接，直流電機(37)固定安裝在推進機構本體(34)上，直流電機(37)軸承與一個轉動輪(35)固定聯接，通過一條鋼絲繩(36)與滑板相連，當直流電機(37)帶動轉動輪(35)正轉或反轉，滑板(38)可沿滑槽(39)上下移動；滑板與一個連桿(40)固定聯接，連桿(40)的頂部通過一個螺釘(41)又與一個擋板(42)相連；當螺釘(41)松動時，擋板(42)可以左右轉動，便于安裝不同大小粗細的注射器(6)；當螺釘(41)緊固時，擋板(42)也將固定，從而可以隨連桿(40)上下移動，推動注射器(6)完成放射性藥物的注入；是通過計算機(4)程序，應用計算機(4)的A/D卡驅動直流電機(37)的。
7.機器人腦外科設備系統的實現方法，其特征在于，本發明設計了標測定位、輔助手術和輔助治療的步驟和借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術，我們設計了二維圖像引導定位方法；借助于計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件技術，我們設計了三維圖像引導定位方法；借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標系中，已知道了定位框架(3)上的三個標記點，我們所設計的微創傷定位的方法；和借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標系中，已知道了定位框架(3)上的三個標記點，我們所設計的無創傷定位的方法。
8.根據權利要求7所說的方法，其特征在于本發明設計的標測定位、輔助手術和輔助治療的步驟是(一)進行標測定位將病人的頭部固定在帶有N字形標記的立體定位框架(3)上，讓病人躺在CT機(7)床上，進行CT掃描(手術室之外的)，獲得若干相關的CT片；與此同時，對機器人(1)及有關相聯接的周邊設備進行消毒，諸如測量標定機械接口(70)，標測釘(71)，手術器械夾持具(60)，雙層模板(50)，注射器推進機構(30)等；然后，將病人推出CT室，推進手術室，再讓病人躺在手術床；一方面利用掃描儀(5)將CT圖片(26)數據輸入計算機(4)，用本發明研究開發的圖像引導軟件系統可以測定腦瘤的三維坐標。另一方面將病人頭部定位框架(3)與手術床固定聯接，再通過本發明實現的力控制人機交互技術，用本發明設計的測量標定方法，用本發明設計的測量標定機械接口(70)和標測釘(71)、或雙層模板(50)，完成手術操作空間與圖像規劃空間之間映射變換。然后，將機器人末端的有關測量標定工具替換為本發明設計的手術器械夾持具(60)裝置，利用機器人(1)輔助完成不同方向的直線軌跡規劃，但始終在手術器械夾持具(60)的引導下，將手術器械的探針保持將探針指向靶點。在分析比較確定機器人(1)規劃的最佳穿刺直線路徑后，實現立體定向手術的精確定位；(二)進行相關手術控制機器人(1)按最佳的直線軌跡運動到腦顱附近。在對病人顱骨上進行局部麻醉后，借助本發明設計的手術器械夾持具(60)，進行鉆孔并插入探針，并在計算機(4)控制下機器人(1)可以進行微動精細地前進或后退運動定位。獲得有關病灶點的活檢和囊液的抽取等；(三)注入放射液在手術器械夾持具(60)上安裝本發明設計的注射推進機構(30)，在計算機(4)的控制下，完成放射性同位素的注射。
9.根據權利要求7所說的方法，其特征在于本發明設計的借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術，我們設計了二維圖像引導定位方法是借助于PC586 Window平臺，利用Visual C++技術實現五個圖標驅動下的可視化引導病灶點的定位，既a.圖標功能之一是讀寫文件操作，它負責將CT或MRI圖像數據讀入緩沖區并顯示在屏幕上，或者將修改的CT或MRI圖像數據存入文件，或者將完成定位的參數、病例報告輸出打印；b.圖標功能之二是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示一個帶有標尺的框架，利用鼠標拖動這個顯示框架，以便對準CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有立體定向框架的四個角，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示與實際腦部位置的坐標變換關系；c.圖標功能之三是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的橫向標尺，利用鼠標拖動這個標尺，以便對準CT或MRI圖像顯示的病人頭部帶有N字形標記點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示Z軸深度的坐標；d.圖標功能之四是在計算機顯示的CT或MRI圖像上，再疊加顯示帶有刻度的十字標尺，利用鼠標拖動這個標尺，以便對準CT或MRI圖像顯示的病人腦部病灶點，從而確定計算機屏幕上CT或MRI圖像顯示X、Y軸的坐標；e.圖標功能之五是根據圖標功能之二到之四的操作，通過幾何變換，計算出相對于立體定向框架儀的X、Y、Z坐標。
10.根據權利要求7所說的方法，其特征在于本發明設計的借助于計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件技術，設計的三維圖像引導定位方法是用六關節機械臂(9)作為觀測棒，在計算機WindowsNT和SGI工作站的OpenGL軟件開發環境平臺上，可以實現一個三維圖像引導的立體定向外科手術規劃系統；它首先可以完成二維圖像數據預處理，包括直方圖顯示、灰度范圍校準(線性灰度變換、非線性灰度變換)、組織劃分、一系列CT掃描腦圖像對齊校準以及CT層間的插值處理等；然后，在此基礎上實現三維圖像的重構，并在計算機屏幕上用不同顏色顯示腦內的不同解剖組織結構；利用本發明設計的六關節機械臂(9)作為觀測棒，可以實現三維圖像的平移旋轉、放大縮小、任意切割平面等操作，并可以從不同角度，對預行手術操作的部位進行測量定位，通過計算機程序，進行坐標變換，計算出機械臂末端的坐標值，對手術穿刺直線軌跡在計算機的人腦三維圖像中進行虛擬演示與規劃，觀察手術操作軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴重的影響，模擬同位素內放療的結果等；明確地說我們可以利用六關節機械臂(9)，借助于六個關節上的電位器，測量出各個關節的角度，通過計算機(4)的A/D卡采集轉換為數字量，再利用計算機(4)的程序，進行空間幾何坐標轉換，就可以算出機械臂末端的姿態和位置；對六關節機械臂(9)的操縱，對實際病人頭部表面的測量，就可以A.利用六關節機械臂(9)末端的姿態和位置，控制計算機(4)屏幕上三維圖象的旋轉；B.利用六關節機械臂(9)末端與實際病人頭部的遠近，可以控制計算機4屏幕上三維圖象的放大或縮小；C.以六關節機械臂(9)末端的姿態定義一個平面，對計算機(4)屏幕上三維圖象進行切割，便于觀察人體腦內部的病灶靶點；基于上述三個功能，就可以借助對六關節機械臂(9)的操作，以其坐標系為基點，來分析、觀察機器人手術穿刺直線的最佳位置和姿態，其手術操作直線軌跡是否可能對重要的腦組織或腦血管造成嚴重的影響等；這一技術的凸出特點是借助于六關節機械臂(9)作為觀測棒，可以方便建立圖像操作的良好界面，以實現虛擬手術的操作和規劃，選擇最佳手術方案。
11.根據權利要求7所說的方法，其特征在于本發明設計的借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標系中，已知道了定位框架(3)上的三個標記點，我們所設計的微創傷定位的方法是首先在人體頭部安裝的定位框架(3)上選擇定義三個標記點，然后進行CT掃描，獲得CT圖象；由于在CT圖象空間坐標系中，知道上述個標記點，以這三個標記點可以構造一個空間坐標系，稱之為CT圖象空間的標記點三坐標系，從而可以通過空間幾何變換，將CT圖象空間所所關心的病灶點映射到CT圖象中的標記點坐標系中；另一方面，當帶著定位框架(3)的病人躺在手術床上以后，我們將測量標定機械接口(70)的一端，通過螺釘固定在機器人末端力傳感器(2)上，再將測量標定機械接口(70)的另一端安裝固定一個錐形標測釘(71)，可以測量獲得手術操作空間的三個標記點，以這三個標定的標記點又可以構造一個空間坐標系，稱之為手術操作空間中的標記點坐標系；由機器人在手術操作空間中通知上述三個標記點，從而可以通過幾何變換，將手術操作空間中所關心的病灶點映射到標記點坐標系中，而且這種逆變換也是存在的，即標記點坐標系中的病灶點映射到機器人手術操作空間中；通過上述方法，CT圖象空間映射變換到CT圖象空間中的標記點坐標系中，CT圖象空間中的標記點坐標系與機器人手術操作空間中的標記點坐標系完全等價，從而再將上述變換將機器人手術操作空間中標記點坐標系映射變換到機器人手術操作空間，這就實現了CT圖象空間大到手術操作空間的變換。
12.根據權利要求7所說的方法，其特征在于本發明設計的借助于CT掃描，獲得CT圖象，借助于在CT圖象空間坐標系中，已知道了定位框架(3)上的三個標記點，我們所設計的無創傷定位的方法是首先將雙層模板(50)與機器人末端的測量標定機械接口(70)通過螺釘固定連接，利用計算機(4)將機器人末端的雙層模板運動到待測部位的上方，然后將來成象設備C形X光機8移動到機器人末端雙層模板(50)的上方進行拍照成象；由于雙層模板(50)上的標記點不僅在X光圖象上是可見的，而且它們之間的位置關系在機器人坐標中也是固定和已知的，從而可以通過雙層模板(50)上的標記點，構造一條穿過病灶靶點的空間直線族；然后，按上述方法將機器人末端雙層模板(50)和C形X光機(8)移動到待測部位的另一方位，又可以構造出另一條穿過病灶靶點的空間直線族；當病灶點是唯一的，則兩條空間直線族的交點就是我們待測量的三維坐標病灶靶點；這種方法在病人身上沒有有損傷的標記點，而是借助于本發明設計的雙層模板(50)，實現了醫療圖象與臨床手術操作空間的映射變換。
全文摘要
本發明公開了一套進行腦外科手術的設備系統,它是借助于計算機和機器人,利用CT圖象,在本發明所設計的二維圖像引導定位方法、三維圖象引導定位方法、微創傷定位的方法、無創傷定位的方法的指導下,來準確地測定腦病灶的位置,確定手術和內治療的方案,并輔助進行活檢、切除和腦內放射液的注射等精細手術,是利用高新技術,尋找到的一種新的、更快、更靈活、更可靠、更精確、成本低的機器人腦外科設備系統及其實現方法。
文檔編號B25J9/00GK1243690SQ97115258
公開日2000年2月9日 申請日期1997年8月27日 優先權日1997年8月27日
發明者王田苗, 田增民, 胡磊, 陳夢東, 佟國治 申請人:北京航空航天大學