一种用于手术磨削的机器人的控制方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明适用于自动控制领域，提供了一种用于手术磨削的机器人的控制方法和装置，该方法包括：获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息；根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型；根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面；在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数；当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元；根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作，使得手术机器人根据所述待磨削网格单元进行磨削操作，不会致使待磨削对象出现磨穿现象，提高磨削的精确和安全性。
【专利说明】一种用于手术磨削的机器人的控制方法和装置
【技术领域】[0001]本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种用于手术磨削的机器人的控制方法及装置。
【背景技术】
[0002]近年来骨科手术机器人已成为骨科医学和机器人领域交叉学科的研究热点。各种用途的骨科手术机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。相比于医生手工操作，机器人在某些方面具有极大的优势。机器人高精确的定位可以改善过去医生单凭主观判断和手术经验来完成手术操作的状况。机器人代替医生进行手术可以避免外科医生长时间手术操作而带来的疲劳，以及可能造成医生手臂颤动。而且机器人还具有稳定高性、不怕辐射和感染等特点。正由于机器人的上述优点，针对不同手术的医疗机器人的控制方法和控制设备也应运而生。使用高精度的脊柱手术机器人系统进行脊椎磨削操作可以有效地避免因医生操作疲劳而造成手术失败，从而提高手术的精度和降低手术风险。
[0003]在现有的手术机器人进行手术操作控制时，一般通过多种自适应机械结构，如伸缩机构、刀具旋转机构、导向保护机构等，或者通过视觉传感器来控制机器人的操作状态，虽然控制方式较为灵活，但由于缺少对操作路径的规划，不利于提高磨削的精度和安全性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种用于手术磨削的机器人的控制方法，以解决现有技术中手术机器人在进行手术操作时，因缺少对操作路径的规划，不利于提高磨削的精度和安全性的缺陷。
[0005]本发明是这样实现的，一种用于手术磨削的机器人的控制方法，所述方法包括:
[0006]获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息；
[0007]根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型；
[0008]根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面；
[0009]在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数；
[0010]当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元；
[0011]根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作。
[0012]本发明另一目的在于提供一种用于手术磨削的机器人的控制装置，其特征在于，所述装置包括:
[0013]获取单元，用于获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息；
[0014]三维点云模型生成单元，用于根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型；
[0015]磨削截面生成单元，用于根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面；[0016]记录单元，用于在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数；
[0017]标记单元，用于当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元；
[0018]磨削单元，用于根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作。
[0019]在本发明，通过获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息，根据所述多个视图的CT图像生成三维点云模型，根据所述磨削位置信息生成在所述三维点云模型中的磨削截面，在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格中包含的点的个数，根据所述磨削截面中点的数目查找待磨削网格单元，从而使得手术机器人根据所述待磨削网格单元进行磨削操作，不会致使待磨削对象出现磨穿现象，提高磨削的精确和安全性。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明第一实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制方法的实现流程图；
[0021]图2是本发明第二实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制方法的实现流程图；
[0022]图3是本发明第三实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制方法的实现流程图；
[0023]图4为本发明第四实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制装置的结构框图。【具体实施方式】
[0024]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理`解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0025]本发明实施例主要可用于现有的用于手术磨削的机器人的操作控制，针对现有技术中缺少对磨削区域的界定，容易导致磨削精度不高，容易出现磨削安全问题。所述用于手术磨削的机器人的控制方法，包括:
[0026]获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息；
[0027]根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型；
[0028]根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面；
[0029]在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数；
[0030]当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元；
[0031]根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作。
[0032]通过获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息，根据所述多个视图的CT图像生成三维点云模型，根据所述磨削位置信息生成在所述三维点云模型中的磨削截面，在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格中包含的点的个数，根据所述磨削截面中点的数目查找待磨削网格单元，从而使得手术机器人根据所述待磨削网格单元进行磨削操作，不会致使待磨削对象出现磨穿现象，提高磨削的精确和安全性。
[0033]实施例一:
[0034]图1示出了本发明第一实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制方法的实现流程，详述如下:
[0035]在步骤SlOl中，获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息。
[0036]具体的，所述待磨削对象，可以为用于手术磨削的机器人所实施的对象，如椎板手术中的椎板的磨削等。
[0037]所述CT可以是X射线CT、放射性核素CT、超声CT或核磁共振CT等对待磨削对象的层面进行扫描，以X射线为例，由探测器接收透过该层面的X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器(analog/digital converter)转为数字,输入计算机处理。
[0038]扫描所得信息经计算而获得X射线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵(digital matrix),数字矩阵可存忙于磁盘或光盘中。经数字/模拟转换器(digital/analog converter)把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素(pixel),并按矩阵排列，即构成CT图像。
[0039]所述CT图像上的磨削位置信息，可以通过在CT图像所处的坐标系中通过坐标进行标识，对于包括多个CT视图的三维重建中，可以对每个视图中相应的记录磨削位置信息的坐标。
[0040]在步骤S102中，根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型。
[0041]根据所述CT图像，即二维断层图像绘制得到三维点云模型，为实现更为精确的绘制，一般采用多个CT图像，以CT图像的坐标作为三维图像的坐标，根据所述CT图像的视图
方向，建立三维点云模型。
[0042]在步骤S103中，根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面。
[0043]本发明实施例所述待磨削对象，可以为椎板骨头，其中部包括一通孔，必须严格保证通孔的周壁不被磨穿。
[0044]优选的，在所述CT图像上，一般包括设置于多个CT图像的视图的标记，如可设置于主视图、左视图和右视图等中的线标记等，得到所需要磨削的部位信息。
[0045]根据所述多个CT图像的视图的标记，获取所需要磨削的部位信息；
[0046]根据所述部位信息生成所述待磨削对象的径向的磨削截面。
[0047]所述磨削的起始位置由所述CT图像上的磨削位置信息确定，如对于椎板磨削手术中，由磨削位置信息可以确定所需要磨削的椎板的位置。所述磨削截面为沿待磨削对象的径向所作的剖面。
[0048]在步骤S104中，在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数。
[0049]具体的，对于所述三维点云模型，其由多个密集度不同的点所构成，在截面上会表现为不同的点密度，通过截面的函数表达式，可以查找位于所述磨削截面中点的个数。一种较优的实施方式为，设置所述磨削截面与坐标轴中的其中两个坐标轴构成的平面平行，这样可以更加方便的表述所述磨削截面的函数表达式，查找也更加方便。
[0050]在步骤S105中，当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元。
[0051]所述预设值，可以根据待磨削对象的磨削深度要求，进行灵活的设定。在一般的磨削手术中，所磨削的对象，如骨头的密度一般为中间层最大，两边较小，在确定网格单元中包含的点的个数大于预设值时，选定的待磨削网格单元一般为中部的网格单元，此时，根据磨削需要，需要先将位于外表面的小于预设的点的个数的待磨削对象进行磨削操作，此为本领域一般技术人员可以理解的基本操作。
[0052]在步骤S106中，根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作。
[0053]在获取到所述磨削路径后，用于手术磨削的机器人可以根据所述待磨削网格单元进行磨削。通过待磨削网格单元的设定，可以使得磨削过程中按照预定的网格进行磨削，从而能够有效的保证其可对待磨削对象进行安全的磨削，能够提高磨削的精度和安全性。
[0054]实施例二:
[0055]图2示出了本发明第二实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制方法的实现流程，详述如下:
[0056]在步骤S201中，获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信
肩、O
[0057]在步骤S202中，根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型。
·[0058]在步骤S203中，根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面。
[0059]在步骤S204中，在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数。
[0060]在步骤S205中，当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元。
[0061]步骤S201至步骤S205与实施例一中所述步骤SlOl至S105相同，在此不作重复赘述。
[0062]在步骤S206中，根据所述待磨削网格单元中包含的点的个数，对所述待磨削网格单兀进行排序。
[0063]根据所述待磨削对象的密度特点，所述排序包括逐渐增加的排序过程和逐渐减小的排序过程。两个排序过程的界线为所述待磨削对象的中部密度最大位置处。为避免增加排序与减小排序相互混淆，首先需要找出密度最大值在所述磨削截面中的分界线，然后根据分界线进行排序。
[0064]在步骤S207中，根据所述排序后的待磨削网格单元生成磨削路径。
[0065]根据所述排序好的待磨削网格单元，依次连接即可构成磨削路径。为便于磨削操作，所述磨削路径的连接方式，对于相同点的个数的情况，以就近的同一层面优先的方式连接，便于往复磨削操作，提高磨削效率。
[0066]在步骤S208中，根据由所述待磨削网格单元生成的磨削路径，在所述待磨削对象上进行磨削。
[0067]在步骤S209中，当所述网格单元中包含的点的个数小于或等于预设值时，将此网格单元标记为保留网格单元。
[0068]所述保留网格单元为终止磨削的网格单元，对其标记为保留网格单元，当磨削至保留网格单元与待磨削网格单元的分界处时，即发送终止对该位置磨削的指令，提高磨削的安全性。
[0069]本发明实施例与实施例一的区别之处在于，在实施例一所述待磨削网格单元的基础上，进一步对所述网格单元进行排序，能够有效的保证对所述待磨削对象进行等量磨削，进一步提高磨削的精度的安全性。
[0070]实施例三:
[0071]图3示出了本发明第三实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制方法的实现流程，详述如下:
[0072]在步骤S301中，获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息。
[0073]在步骤S302中，根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型。
[0074]在步骤S303中，根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面。
[0075]在步骤S304中，根据所述三维点云模型中的磨削截面中的点的密度数据排序生成磨削路径。
[0076]步骤S301至步骤S304与实施例一中所述步骤SlOl至S104相同，在此不作重复赘述。
[0077]在步骤S305中，根据设置于所述待磨削对象以及机器人末端器械的靶点，在根据所述磨削路径对所述待磨削对象进行磨削操作时，实时监测所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离。
[0078]在步骤S306中，当所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离小于预设值，完成对所述待磨削对象的磨削。
[0079]通过设置于机器人末端器械和待磨削对象上的靶点，可以通过监测设备对所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械间的距离进行实时监控，当所监测的距离偏离预设的安全值范围时，停止对所述待磨削对象的磨削操作。其中，所述保留网格单元与机器人末端器械间的距离，是指机器人末端器械与其距离最近的保留网格单元之间的距离。
[0080]本发明实施例与实施例一的区别之处在于，通过对待磨削对象以及机器人末端器械的靶点进行监测，从而可以进一步保证磨削的安全性，本领域一般技术人员可以明白，本发明实施例所述区别特征同样可以用于实施例二，取得相同的技术效果。
[0081]实施例四:
[0082]图4示出了本发明第四实施例提供的用于手术磨削的机器人的控制装置的实现框图，详述如下:
[0083]本发明实施例所述用于手术磨削的机器人的控制装置，包括:
[0084]获取单元401，用于获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置
信息；
[0085]三维点云模型生成单元402，用于根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型；[0086]磨削截面生成单元403，用于根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面；
[0087]记录单元404，用于在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数；
[0088]标记单元405，用于当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元；
[0089]磨削单元406，用于根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作。
[0090]具体的，所述装置还包括:
[0091]排序单元，用于根据所述待磨削网格单元中包含的点的个数，对所述待磨削网格单兀进行排序；
[0092]路径生成单元，用于根据所述排序后的待磨削网格单元生成磨削路径；
[0093]所述磨削单元406用于根据由所述待磨削网格单元生成的磨削路径，在所述待磨削对象上进行磨削。
[0094]具体的，在所述获取单元中，所述CT图像上的磨削位置信息包括设置于多个CT图像的视图的标记；
[0095]所述磨削截面生成单元403包括:
[0096]获取子单元，用于根据所述多个CT图像的视图的标记，获取所需要磨削的部位信息；
[0097]磨削截面生成子单元，根据所述部位信息生成所述待磨削对象的径向的磨削截面。
[0098]可选的，所述装置还包括:
[0099]第二标记单元，用于当所述网格单元中包含的点的个数小于或等于预设值时，将此网格单元标记为保留网格单元。
[0100]可选的，所述磨削单元405包括:
[0101]监测子单元，用于根据设置于所述待磨削对象以及机器人末端器械的靶点，在根据所述磨削路径对所述待磨削对象进行磨削操作时，实时监测所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离；
[0102]终止磨削子单元，当所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离小于预设值，终止对所述待磨削对象的磨削。
[0103]本发明实施例为与实施例一至实施例三所述方法相对应装置实施例，在此不作重复赘述。
[0104]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、 等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于手术磨削的机器人的控制方法，其特征在于，所述方法包括: 获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息； 根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型； 根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面； 在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数； 当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元; 根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作。
2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元步骤之后，所述方法还包括: 根据所述待磨削网格单元中包含的点的个数，对所述待磨削网格单元进行排序； 根据所述排序后的待磨削网格单元生成磨削路径； 所述根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作步骤具体为: 根据由所述待磨削网格单元生成的磨削路径，在所述待磨削对象上进行磨削。
3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息步骤中，所述CT图像上的磨削位置信息包括设置于多个CT图像的视图的标记； 所述根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面步骤具体为: 根据所述多个CT图像的视图的标记，获取所需要磨削的部位信息； 根据所述部位信息生成所述待磨削对象的径向的磨削截面。
4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数步骤之后，所述方法还包括: 当所述网格单元中包含的点的个数小于或等于预设值时，将此网格单元标记为保留网格单元。
5.根据权利要求4所述方法，其特征在于，在所述根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作步骤包括: 根据设置于所述待磨削对象以及机器人末端器械的靶点，在根据所述磨削路径对所述待磨削对象进行磨削操作时，实时监测所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离； 当所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离小于预设值，终止对所述待磨削对象的磨削。
6.一种用于手术磨削的机器人的控制装置，其特征在于，所述装置包括: 获取单元，用于获取待磨削对象的CT图像以及位于所述CT图像上的磨削位置信息；三维点云模型生成单元，用于根据所述待磨削对象的CT图像生成三维点云模型；磨削截面生成单元，用于根据所述CT图像上的磨削位置信息生成所述三维点云模型中的磨削截面； 记录单元，用于在所述磨削截面中加载直线网格，记录每个网格单元所包含的点的个数；标记单元，用于当所述网格单元中包含的点的个数大于预设值时，将此网格单元标记为待磨削网格单元； 磨削单元，用于根据所述标记的待磨削网格对所述待磨削对象进行磨削操作。
7.根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述装置还包括: 排序单元，用于根据所述待磨削网格单元中包含的点的个数，对所述待磨削网格单元进行排序； 路径生成单元，用于根据所述排序后的待磨削网格单元生成磨削路径； 所述磨削单元用于根据由所述待磨削网格单元生成的磨削路径，在所述待磨削对象上进行磨削。
8.根据权利要求6所述装置，其特征在于，在所述获取单元中，所述CT图像上的磨削位置信息包括设置于多个CT图像的视图的标记； 所述磨削截面生成单元包括: 获取子单元，用于根据所述多个CT图像的视图的标记，获取所需要磨削的部位信息； 磨削截面生成子单元，根据所述部位信息生成所述待磨削对象的径向的磨削截面。
9.根据权利要求6所述装置，其特征在于，所述装置还包括: 第二标记单元，用于当所述网格单元中包含的点的个数小于或等于预设值时，将此网格单元标记为保留网格单元。
10.根据权利要求6所述装 置，其特征在于，所述磨削单元包括: 监测子单元，用于根据设置于所述待磨削对象以及机器人末端器械的靶点，在根据所述磨削路径对所述待磨削对象进行磨削操作时，实时监测所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离； 终止磨削子单元，用于当所述待磨削对象的保留网格单元与机器人末端器械之间的距离小于预设值，终止对所述待磨削对象的磨削。
【文档编号】A61B17/16GK103654911SQ201310676770
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】胡颖, 靳海洋, 张朋, 高鹏, 张建伟 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院