机器人脑外科设备系统及其实现方法

本发明是一种借助于机器人和计算机来辅助进行人体头部手术的 特种医疗设备系统及其实现方法。它涉及到计算机、机器人、机械、 自动化、及医疗设备工程等技术学科领域。

机器人脑外科设备系统，在医疗设备工程领域正发挥着越来越重 要的作用。常规的立体定向脑外科手术是借助一种带有N字形定位标 记的立体定位仪框架(标定设备)，将它固定在病人的颅骨上，通过 CT扫描或有关X光设备成象，将CT片上脑组织的病灶点信息与立体定 位仪框架坐标建立相应的几何变换关系，再借助于一种专用坐标刻度 盘和定位尺设备，可从刻度盘上读出病灶靶点在立体定位仪坐标系中 的三维坐标值。在此基础上，将一个弓型手术器械引导装置安装在立 体定位仪框架，通过已知的病灶靶点的坐标值和该引导装置便可在颅 骨上钻一个小孔，并将探针或其它更精细、复杂的外科器件引入脑内， 对病灶点进行活检、放疗、切除等操作。

现有这种外科手术取得了许多重要成果，但也存在着一些不足：

A.是病人从CT扫描开始直到手术结束始终都要戴着笨重金属头架， 特别是要安装的弓型手术引导操作臂，不仅使病人不舒服，而且占用 手术操作的空间。

B.是目前使用的坐标刻度盘和定位尺设备只限用于一种特定大小 的CT片，而不能适用于各种CT机拍成的CT片，特别是不能适用目前普 遍使用的一张9幅脑图CT片。

C.是这种方法很难在不同方向上提供对目标(肿瘤)的轨迹规划；

D.是手术者从框架标尺读取靶点的坐标到对框架进行调整的操作 繁琐、时间长。

E.是将CT室作为手术室，利用机器人与CT扫描床固定联接，完成 立体定向神经外科手术定位操作，这种方法不符合我们国家的国情， 价格昂贵的CT机往往是面向医院各个医疗科室，很难作为手术室。

F.在手术中，医务人员直接进行放射物的注入操作，还会造 成医务人员的辐射伤害。

为此，人们迫切希望借助计算机与机器人高新技术，寻一种新 的、更快、更灵活、更可靠、更精确、成本低的机器人脑外科设备系 统及其实现方法。

本发明的机器人脑外科设备系统及其实现方法地目的是利用机器 人和电脑的先进高技术，对手术操作的直线轨迹进行规划，选择一个 最小损伤的手术路径，同时又避免伤害脑内重要的血管、神经，在机 器人1末端机械手延伸装置27的引导下，将其它更精细、复杂的外科 器件引入脑内(如探针等)，辅助有关人员对病灶点进行活检、放疗、 切除等精细手术操作。

我们目的是：

1.利用计算机图像处理，使常规各种脑立体定向仪的靶点定位适 用于各种CT机拍成的CT片，如一张9幅脑图的CT片，并省去坐标刻度 盘和定位尺的繁杂操作。

2.本发明的机器人脑外科设备系统及其实现方法在手术时不占用 CT室，可以节约大量的经费，更符合中国国情。

3.提出一种微损失映射方法，解决医疗图像空间与临床手术操作 空间非结构化环境的复杂繁琐标定。提出了无损伤手术病灶测定和操 作方法，更大地保护了病人的利益。

4.利用机器人操作，取消框架仪的弓型操作臂，实现不同方向的 直线穿刺轨迹规划，并为医务人员提供更大的手术空间。

5.设计一种注射器的推进机构，替代医务人员直接进行放射 物的注入操作，以减轻对医务人员的辐射伤害。

本发明提出的机器人脑外科设备系统及其实现方法的具体内容如 下：机器人脑外科设备系统它是由计算机4(选用型号PC586)、机器 人1(选用型号PUMA262)、机械手延伸装置27、手术床28、和标定设 备29等设备构成，是进行接受信息、测定并确定病灶的位置、辅助进 行手术和进行的脑外科设备系统，其特征在于，其机械手延伸装 置27(见图1和图2)包括测量标定机械接口70、标测钉71、手术器械夹 持具60、双层模板50、注射器推进机构30和六关节机械臂9等设备， 该系统还包括CT图片26、扫描仪5(选用型号UNISCAN)和C形X光机8 等设备，其标定设备29使用的是定位框架3。不同的步骤选用的设备 不同，

一.在进行标测定位时：将病人的头部固定在带有N字形标记的 立体定位框架3上，对机器人1及有关相联接的周边设备进行消毒，诸 如测量标定机械接口70(见图8)，一端呈尖形的棒体标测钉71，手术 器械夹持具60，双层模板50，注射器推进机构30等，测量标定机械接 口70是为和机器人末端衔接的接口，是由有四个衔接螺口75形似法蓝 盘的底座73和中心有固定孔72的固定件74组成，底座73和固定件74是 固定连接，在固定件74上配有固定用的螺钉。让病人躺在手术床上， 一方面利用扫描仪5将CT图片26数据输入计算机4，用本发明研究开发 的图像引导软件系统测定脑病灶的三维坐标；另一方面用本发明设计 的测量标定方法，用测量标定机械接口70和标测钉71、或双层模板50， 完成手术操作空间与图像规划空间之间映射变换，之后，将机器人末 端的手术器械夹持具60装置，利用机器人1辅助完成不同方向的直线 轨迹规划，实现立体定向手术的精确定位。

二.在进行相关手术时：控制机器人1按最佳的直线轨迹运动到 脑颅附近，借助本发明设计的手术器械夹持具60，进行钻孔并插入探 针，并在计算机4控制下机器人1进行微动精细地前进或后退运动定位， 进行有关病灶点的活检和囊液的抽取等。

三.在辅助时：在手术器械夹持具60上安装本发明设计的注 射推进机构30，在计算机4的控制下，完成放射性同位素的注射。

应当这样说：我们的技术方案主要由图像引导定位方法、医疗图 像模型与临床手术环境的标定方法、机器人辅助立体定向运动控制及 放射物注入控制等四大部分组成。现在这四大块分别加以说明。

一.图像引导定位方法：

对于脑立体定向手术，为了准确地将探针或其它更精细复杂的外 科器件引入脑内病灶点，进行活检、放疗、切除等操作，必须准确地 确定病灶点的位置，以及在颅骨上钻孔位置姿态。因此，首先一个重 要任务就是，利用计算机进行脑图像的手术靶点定位，并在此基础上 进行多条直线轨迹外科手术的规划，选择最佳的手术方案。

为了准确地定位，本发明设计了两套方案，一个是面向二维图像 引引导定位系统，另一个是面向三维图象引导定位系统。

A：本发明设计的借助于PC586 Window平台，利用Visual C++技 术，我们设计了二维图像引导定位方法是：借助于PC586 Window平台， 利用Visual C++技术实现五个图标驱动下的可视化引导病灶点的定位， 既：

a.图标功能之一是读写文件操作，它负责将CT或MRI图像数据读 入缓冲区并显示在屏幕上，或者将修改的CT或MRI图像数据存入文件， 或者将完成定位的参数、病例报告输出打印。

b.图标功能之二是在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示 一个带有标尺的框架，利用鼠标拖动这个显示框架，以便对准CT或 MRI图像显示的病人头部带有立体定向框架的四个角，从而确定计算 机屏幕上CT或MRI图像显示与实际脑部位置的坐标变换关系。

c.图标功能之三是在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示 带有刻度的横向标尺，利用鼠标拖动这个标尺，以便对准CT或MRI图 像显示的病人头部带有N字形标记点，从而确定计算机屏幕上CT或MRI 图像显示Z轴深度的坐标。

d.图标功能之四是在计算机显示的CT或MRI图像上，再叠加显示 带有刻度的十字标尺，利用鼠标拖动这个标尺，以便对准CT或MRI图 像显示的病人脑部病灶点，从而确定计算机屏幕上CT或MRI图像显示X、 Y轴的坐标。

e.图标功能之五是根据图标功能之二到之四的操作，通过几何变 换，计算出相对于立体定向框架仪的X、Y、Z坐标。

这一技术方案的突出特点是适用于各种CT机7拍成的CT片，如一 张9幅脑图的CT片，可以完成脑靶点定位，即可用于机器人1辅助脑外 科系统，也可以配合常规的各种脑立体定向仪的定位框架3，在保持 同样精度的条件下，实时计算靶点的X、Y、Z坐标位置，同时还具有 省去坐标刻度盘和定位尺设备与操作等优点。

B：面向三维图像引导定位软件系统是借助本发明设计的六关节 机械臂9作为观测棒，在OpenGL软件开发环境下，实现我们的这一技 术方案。

现在来说明一下本发明所设计的六关节机械臂9的结构，作为人 机交互装置的观测棒，主要用于手术操作空间点的测量和三维图像的 操作。六自由度关节式机械臂9(见图3和图4)，采用无动力源方式， 它及各关节均采用经过表面处理的航空铝型材料进行制作，主要硬件 结构组成如下：

在机座10上装配有关节一11，其关节一11下端内部采用精密轴， 心轴94与机座10用螺钉96进行固定，心轴轴向定位由挡环92、垫圈93 与关节一11进行固定，心轴94的径向定位由铜制衬套与关节一11进行 固定，铜制衬套97的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润 滑剂，保证关节一11的转动灵活。与电位计20的联结是通过紧固在心 轴94中凸塞99插入电位计的轴槽，实现心轴与电位计20轴连动的，而 电位计的外壳紧固在关节一11的接头91上，以保证电位计准确地与关 节一11保持同步转动。

关节二12的右端与关节一11的左端相连，其关节二12的心轴94与 关节一11用螺钉96进行固定，心轴94轴向定位由挡环92、垫圈93与关 节二12进行固定，心轴94的径向定位由铜制衬套97与关节二12进行固 定，铜制衬套97的作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑 剂，保证关节二12的转动灵活；与电位计21的联结是通过紧固在心轴 94中凸塞99插入电位计的轴槽，实现心轴94与电位计21轴连动的，而 电位计的外壳紧固在关节二12的接头91上，以保证电位计准确地与关 节二12保持同步转动；关节二12的上端与大臂13一端进行固定相连 (以下两两关节的内在连接和联结都是相同的和类同的，下面就不一 一叙述了)。

关节三14的下端与大臂13另一端进行固定相连，关节三14的右端 与关节四15的左端相连，其关节三14的心轴与关节四15用螺钉进行固 定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节三14进行固定，心轴的径向定 位由铜制衬套与关节三14进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承， 在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节三14的转动灵活；与电位 计22的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计的轴槽，实现心轴与 电位计22轴连动的，而电位计的外壳紧固在关节三14的接头上，以保 证电位计准确地与关节三14保持同步转动。

关节四15的下端与小臂16一端进行固定相连，关节四15的右端与 关节三14的右端相连，其关节四15的心轴与小臂16一端用螺钉进行固 定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节四15进行固定，心轴的径向定 位由铜制衬套与关节四15进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承， 在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节四15的转动灵活；与电位 计23的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计的轴槽，实现心轴与 电位计23轴连动的，而电位计的外壳紧固在关节四15的接头上，以保 证电位计准确地与关节四15保持同步转动。

关节五17的上端与小臂16另一端进行固定相连，关节五17的右端 与关节六18的左端相连，其关节五17的心轴与关节六18进行固定，心 轴轴向定位由挡环、垫圈与关节五17进行固定，心轴的径向定位由铜 制衬套与关节五17进行固定，铜制衬套的作用犹如滑动轴承，在轴与 轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节五17的转动灵活；与电位计24的 联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计的轴槽，实现心轴与电位计 24轴连动的，而电位计的外壳紧固在关节五17的接头上，以保证电位 计准确地与关节五17保持同步转动。

关节六18的下端与锥形探测工具19进行相连，其关节六18的心轴 与探测工具19进行固定，心轴轴向定位由挡环、垫圈与关节六18进行 固定，心轴的径向定位由铜制衬套与关节六18进行固定，铜制衬套的 作用犹如滑动轴承，在轴与轴承之间有石墨作润滑剂，保证关节六18 的转动灵活；与电位计25的联结是通过紧固在心轴中凸塞插入电位计 的轴槽，实现心轴与电位计25轴连动的，而电位计的外壳紧固在关节 六18的接头上，以保证电位计准确地与关节六18保持同步转动。

面向三维图像引导定位方法是：

本发明设计的借助于计算机WindowsNT和SGI工作站的OpenGL软件 技术，设计的三维图像引导定位方法是：用六关节机械臂9作为观测 棒，在计算机WindowsNT和SGI工作站的OpenGL软件开发环境平台上， 可以实现一个三维图像引导的立体定向外科手术规划系统。它首先可 以完成二维图像数据预处理，包括直方图显示、灰度范围校准(线性 灰度变换、非线性灰度变换)、组织划分、一系列CT扫描脑图像对齐 校准以及CT层间的插值处理等。然后，在此基础上实现三维图像的重 构，并在计算机屏幕上用不同颜显示脑内的不同解剖组织结构。利 用本发明设计的六关节机械臂9作为观测棒，可以实现三维图像的平 移旋转、放大缩小、任意切割平面等操作，并可以从不同角度，对预 行手术操作的部位进行测量定位，通过计算机程序，进行坐标变换， 计算出机械臂末端的坐标值，对手术穿刺直线轨迹在计算机的人脑三 维图像中进行虚拟演示与规划，观察手术操作轨迹是否可能对重要的 脑组织或脑血管造成严重的影响，模拟同位素内放疗的结果等。

明确地说：我们可以利用六关节机械臂9，借助于六个关节上的 电位器，测量出各个关节的角度，通过计算机4的A/D卡采集转换为数 字量，再利用计算机4的程序，进行空间几何坐标转换，就可以算出 机械臂末端的姿态和位置。对六关节机械臂9的操纵，对实际病人头 部表面的测量，就可以

A.利用六关节机械臂9末端的姿态和位置，控制计算机4屏幕上 三维图象的旋转

B.利用六关节机械臂9末端与实际病人头部的远近，可以控制计 算机4屏幕上三维图象的放大或缩小；

C.以六关节机械臂9末端的姿态定义一个平面，对计算机4屏幕 上三维图象进行切割，便于观察人体脑内部的病灶靶点；

基于上述三个功能，就可以借助对六关节机械臂9的操作，以其 坐标系为基点，来分析、观察机器人手术穿刺直线的最佳位置和姿态， 其手术操作直线轨迹是否可能对重要的脑组织或脑血管造成严重的影 响等；这一技术的凸出特点是借助于六关节机械臂9作为观测棒，可 以方便建立图像操作的良好界面，以实现虚拟手术的操作和规划，选 择最佳手术方案。 二.医疗图像三维模型与临床手术环境的标定方法

在计算机与机器人辅助外科手术中，首先需要解决的问题是如何 实现脑图像三维模型与临床手术操作环境的标定，即将CT图片上的预 定病灶点位置映射到机器人操作的具体病灶点位置。在这里借助于本 发明设计的测量标定机械接口70和标测钉71、双层模板50，利用计算 机控制的机器人力控制人机交互操作界面，我们提出了微创伤和无创 伤的两种映射变换方法。

A：微创伤映射变换方法：

一般我们定义虚拟空间是基于CT的图像空间，现实空间是机器人 和病人所在的空间。为了建立两个空间的映射关系，我们通过定义立 体框架上的三个定位标记点，来构造一个与颅骨固连的参考坐标系， 实现了两个空间的匹配映射。

对于微创伤映射变换方法，机器人1可以将目标靶点从CT图像坐 标系、定位框架3坐标系映射到机器人1基坐标系、机器人末端的手术 器械夹持具60坐标系。本发明设计了用于测量标定的标测钉71工具和 测量标定机械接口70，测量标定机械接口70的一端通过螺钉可以固定 在机器人末端力传感器2，测量标定机械接口70的另一端通过螺钉可 以固定锥形标测钉，目的是为了利用机器人1末端安装的标测钉71直 接获取手术操作空间的标记点坐标。

本发明设计的借助于CT扫描，获得CT图象，借助于在CT图象空间 坐标系中，已知道了定位框架3上的三个标记点，我们所设计的微创 伤定位的方法是：首先在人体头部安装的定位框架3上选择定义三个 标记点，然后进行CT扫描，获得CT图象；由于在CT图象空间坐标系中， 知道上述个标记点，以这三个标记点可以构造一个空间坐标系，称之 为CT图象空间的标记点三坐标系，从而可以通过空间几何变换，将CT 图象空间所所关心的病灶点映射到CT图象中的标记点坐标系中。

另一方面，当带着定位框架3的病人躺在手术床上以后，我们将 测量标定机械接口70的一端，通过螺钉固定在机器人末端力传感器2 上，再将测量标定机械接口70的另一端安装固定一个锥形标测钉71， 可以测量获得手术操作空间的三个标记点，以这三个标定的标记点又 可以构造一个空间坐标系，称之为手术操作空间中的标记点坐标系。 由机器人在手术操作空间中通知上述三个标记点，从而可以通过几何 变换，将手术操作空间中所关心的病灶点映射到标记点坐标系中，而 且这种逆变换也是存在的，即标记点坐标系中的病灶点映射到机器人 手术操作空间中。

通过上述方法，CT图象空间映射变换到CT图象空间中的标记点坐 标系中，CT图象空间中的标记点坐标系与机器人手术操作空间中的标 记点坐标系完全等价，从而再将上述变换将机器人手术操作空间中标 记点坐标系映射变换到机器人手术操作空间，这就实现了CT图象空间 大到手术操作空间的变换。

因此，在手术操作空间中，只要借助我们设计安装在机器人末端 的测量标定机械接口70和标测钉71，通过计算机4，实现PUMA260机器 人1力控制方式，用机器人1可以直接从定位框架3上识别获得手术操 作空间中定义的三个定位标记点。在虚拟空间中定义的三个定位标记 点坐标位置，可以从定位框架3刻度上直接获得。可以看出，只要三 个定位标记点不同线，基于可以使用的软件，就可以构造这两个空间 映射关系的几何变换矩阵。

我们所提出的微损失映射方法较好地解决了医疗图像空间与临床 手术操作空间非结构化环境的复杂繁琐标定，使手术不占用CT室，这 样符合中国国情，并为无框架立体定向神经外科手术的进一步研究奠 定重要的基础。

B.关于无创伤映射变换方法：

我们提出了利用成像设备C形X光机8，不在病人身上设置有损伤 的标记点，实现医疗图像空间与临床手术操作空间非结构化环境映射 变换。设想任何一幅X光医疗图像是一个三维的透视图，图像中的目 标点可以看成是该点在空间沿着X光线方向的投影点，一条投影线上 的每一点都对应同一个投影点。显然，如果在两幅图像中都到一条 通过目标点的投影直线，那么这两条直线的交点就是我们要求的空间 目标点位置。

为了解决这一问题，我们设计了一种双层模板50(见图6)。它的 结构是：上层模板51和下层模板的材料用有机玻璃，上层模板51和下 层模板52之间的距离是确定的，上层模板51和下层模板52之间的联接 固定是通过螺钉54、55、56、57紧固，上层模板51的标记点的位置我 们采用正方形网格排列，每两点之间的距离是确定的，下层模板52的 标记点在板中心的若干个同心圆上，这些标记点在双层模板50中的坐 标系位置是精确的和确定的，而且它们的投影在图象中是可见的，标 记点的材料选用1mm直径的铅丝制成。

如果给出具体的数值，则模板的一种设计是：模板的尺寸为 200mm×200mm，上层模板51和下层模板的材料用有机玻璃，厚度为 4mm，上层模板51和下层模板52之间的距离为53mm，上层模板51和下 层模板52之间的联接固定是通过螺钉54、55、56、57紧固的。上层模 板51的标记点我们采用正方形网格排列，每两点之间的距离为40mm， 下层模板52的标记点采用圆形排列，共有两个圆周，小圆半径为50mm， 大圆半径为70mm；每个圆周上有16个标记点。

双层模板50与机器人末端的测量标定机械接口70联接是通过双层 模板50的机械接口53固定联接的，然后通过双层模板50上金属标记在 X光图象中的投影关系，可以测量和计算空间未知点在模板坐标系的 坐标，再基于机器人1基坐标的变换矩阵，则可从两幅投影图象中分 别确立两条空间直线，他们的相交点即为我们所待求的空间位置，从 而实现一种快速有效的定位算法。双层模板50的结构是基于求解投影 线上两个点的想法，以建立空间直线方程而专门设计的。

双层模板50结构是：上层模板51和下层模板的材料用有机玻璃， 上层模板51和下层模板52之间的距离是确定的，上层模板51和下层模 板52之间的联接固定是通过螺钉54、55、56、57紧固，上层模板51的 标记点的位置我们采用正方形网格排列，每两点之间的距离是确定的， 下层模板52的标记点在板中心的若干个同心圆上，这些标记点在双层 模板50中的坐标系位置是精确的和确定的，而且它们的投影在图象中 是可见的，标记点的材料选用1mm直径的铅丝制成。在使用时，首先 将双层模板50与机器人末端的测量标定机械接口70通过螺钉固定连接， 利用计算机4将机器人末端的双层模板运动到待测部位的上方，然后 将来成象设备C形X光机8移动到机器人末端双层模板50的上方进行拍 照成象。由于双层模板50上的标记点不仅在X光图象上是可见的，而 且它们之间的位置关系在机器人坐标中也是固定和已知的，从而可以 通过双层模板50上的标记点，构造一条穿过病灶靶点的空间直线族。 然后，按上述方法将机器人末端双层模板50和C形X光机8移动到待测 部位的另一方位，又可以构造出另一条穿过病灶靶点的空间直线族， 当病灶点是唯一的，则两条空间直线族的交点就是我们待测分三维坐 标病灶靶点。这种方法在病人身上没有有损伤的标记点，而是借助于 本发明设计的双层模板50，实现了医疗图象与临床手术操作间非结构 化的映射变换。

因此，我们所提出的非损伤映射技术方案突出特点是借助我们设 计的双层模板50，可以巧妙地将医疗成象设备与图象引导定位系统分 离开来，定位算法中不需要考虑医疗成象设备C形X光机8的有关参数 和姿态，这不仅使定位问题简单化，而且使得这种定位系统变得更加 实用。 三.机器人辅助立体定向的操作控制：

我们是以UNIMATION公司的PUMA260机器人1为硬件平台，研究开 发了机器人辅助立体定向操作控制，这方面的技术方案包括本发明设 计的与机器人末端联接的手术器械夹持具、机器人轨迹规划、机器人 运动控制算法和通讯程序。另外还实现了具有基于实时力控制的人机 交互界面，医生可以直接抓持机器人的末端，控制机器人达到医生所 期望的位置和姿态，方便了医务人员对机器人定位的操作。

UNIMATION公司的PUMA260机器人1是一种可编程的体积较小、便 于搬运的通用机器人，它能以0.05mm的重复精度完成复杂的工作，并 能保持稳定的轨迹。它主要由操作机、控制器、示教盒、监视器等系 统连接组成。它的运动与人体相类似，如可以以腕、肩、肘、腰部位 并行或分别旋转操作。六个关节分别配有永磁电机和伺服驱动系统。 每个关节都能进行大范围角位移。另外，PUMA260机器人1具有较好的 安全性，当它的电气或机械失效后，在腰、肩、肘安装的弹簧机制可 以有刹车制动作。为了使机器人与病人保持固定的联系，机器人1基 座与手术床的位置距离在手术过程中保持不变，安装在病人头部的定 位框架3与手术床固定联接。

将测量标定机械接口70替换为手术机械夹持具60，利用计算机4 控制程序可以实现机器人1辅助下的不同方向直线轨迹规划，以选择 最佳的手术方案。手术机械夹持具60(见图7)的硬件结构组成是机械 接口61与引导机构62精密固定配合，机械接口61的功能是与机器人末 端力传感器进行联接。引导机构62功能是在上位夹持具63和下位夹持 具64配合下，保证各种手术器械工具，在引导机构62引导的方向上进 行相应的手术操作，其中上位夹持具63和下位夹持具64是可以按手术 器械的粗细、大小进行更换，螺钉65和螺钉66负责对更换的上位夹持 具63和下位夹持具64进行固定。在分析比较确定机器人1规划的最佳 穿刺直线路径后，确定一条避开脑部重要功能区和血管组织的近似轨 迹，机器人1可以根据选择的不同方向，调整姿态，然后进行直线轨 迹的运动，并将探针指向靶点。实现立体定向手术的精确定位，并控 制机器人1按最佳的直线轨迹运动到脑颅附近。机器人1可以实时、准 确地计算出需要到达预定目标区域的距离，提供工作人员参考。经再 三对比，对机器人计算的结果进行分析、讨论、评价，并根据手术实 际情况进行修正。机器人1按准确修正后的速度和距离，准确地沿直 线前进或后退运动。然后，工作人员用电钻借助本发明设计的手术器 械夹持具沿着预定轨迹在头滑上钻孔，接着用一根穿刺针完成对病变 的处理。机器人1也可以进行微动精细地前进或后退运动定位。现在， 到达预定目标区域的距离可以由机器人1计算得到，但通过探针支持 器插入探针的工作还是由医生人工操作进行的。

四.放射物注入机构和控制：

考虑减轻注射同位素对外科医务工作人员的辐射伤害，我们在机 器人末端的手术器械夹持具60上，专门设计了一种用于遥控操作的 注射器推进机构30(见图5)，辅助工作人员在远距高进行放射性同位 素药物的注射操作。注射器推进机构30的夹具33功能是在螺钉31、32 的紧固配合下，将推进机构本体34与手术器械夹持具60固定联接。直 流电机37固定安装在推进机构本体34上，直流电机37轴承与一个转动 轮35固定联接，通过一条钢丝绳36与滑板相连。当直流电机37带动转 动轮35正转或反转，滑板38在滑槽39上也跟着上下移动。滑板与一个 连杆40固定联接，连杆40的顶部通过一个螺钉41又与一个挡板42相连。 当螺钉41松动时，挡板42可以左右转动，便于安装不同大小粗细的注 射器6。当螺钉41紧固时，挡板42也将固定，从而可以随连杆40上下 移动，推动注射器6完成放射物的注入。直流电机37的驱动是利 用计算机4程序，通过计算机4的A/D卡进行控制的。

本发明有以下优点：

a.充分利用影像信息(如9幅普通CT片)，扫描定位靶点精确，可 重复性好，减少了人工测量靶点的误差。

b.适用于各种CT机拍成的CT片，如一张9幅脑图的CT片，可以完 成脑靶点定位，即可用于机器人辅助脑外科系统，也可以配合常规的 各种脑立体定向仪，在保持同样精度的条件下，实时计算靶点的X、Y、 Z坐标位置，同时还具有省去坐标刻度盘和定位尺设备与操作等优点。

c.国外一般所采用的映射标定方法是将CT扫描室直接作为手术室， 在手术操作之前，将机器人机座与CT床的机座牢牢相连，从而可以完 成CT机扫描的空间坐标系与机器人基坐标系之间的映射变换。这种方 法显然不符合我们国家的国情，价格昂贵的CT机往往是面向医院各个 医疗科室，很难作为手术室。因此，我们所提出的微损失映射方法较 好地解决了医疗图像空间与临床手术操作空间非结构化环境的复杂繁 琐标定，使手术不占用CT室，这样符合中国国情。

d.本发明所提出的非损失映射技术方案突出特点是借助本发明设 计的模板，可以巧妙地将医疗成象设备与图象引导定位系统分离开来， 定位算法中不需要考虑医疗成象设备的有关参数和姿态，这不仅使定 位问题简单化，而且使得这种定位系统变得更加实用。

e.利用先进机器人技术，取消框架仪的弓型操作臂，为工作人员 提供更大的手术空间。

f.利用机器人技术，替代医务人员直接进行放射物的注入操 作，以减轻对工作人员的辐射伤害。通过电检和手检，没有文献给予 报道。

g.利用机器人技术，可以进行不同方向的直线穿刺轨迹规划，以 保证手术方案的最佳性。

h.由于实施的微创伤外科，所以减少了病人的手术危险和痛苦， 缩短了所需康复的时间，同时也降低了医疗费用。

我们提出的映射标定方法重要意义是为无框架立体定向神经外科 手术研究将奠定重要的基础。这种方法的优点在于可以减小病人的外 伤，使病人摆脱笨重的框架和弓型手术引导装置，扩大医生手术操作 的空间，克服病人从CT扫描开始直到手术结束都要戴着头架的缺点， 并且常规方法难以在不同方向上提供对目标(肿瘤)的轨迹规划。

从长远来看，机器人技术应用于立体定向神经外科定位，拓宽了 立体定向手术的范围，代表着立体定向手术的发展方向，为实施脑深 部肿瘤的外科、开展无框架立体定向神经外科提供了新的途径。 它不仅使手术更加安全可靠，而且减轻了创伤，缩短了病人的康复时 间，还可避免放射物注入过程中对医务人员的伤害，使立体定向 手术更加方便、省时、高效。本发明有以下附图：

图1是本发明的机器人脑外科设备系统结构示意图；

设备组成和图中各标号的含义是，它是由机器人1，计算机4，扫描 仪5，C形X光机8，CT图片26，机械手延伸装置27，手术床28和标定设备29 组成的。

图2是本发明的机器人脑外科设备系统部分设备在工作状态下的示 的意图；

设备组成和图中各标号的含义是，力传感器2，定位框架3，注射器 6和注射器推进机构30组成。

图3是本发明设计的六关节机械臂示意图；

设备组成和图中各标号的含义是，它是由机座10，关节一11，关节 二12大臂13，关节三14，关节15，小臂16，关节五17，关节六18，探测工具 19，电位计20，电位计21，电位计22，电位计23，电位计24和电位计25组成。

图4是本发明设计的六关节机械臂第一和第二关节部件的剖视件示 意图；

设备组成和图中各标号的含义是，它是由接头91，挡环92，垫圈93， 心轴94，螺钉96，衬套97，连接套98和凸塞99组成。

图5是本发明设计的注射器推进机构的示意图；

设备组成和图中各标号的含义是，它是由螺钉31，螺钉32，夹具33， 推进机构本体34，转动轮35，钢丝绳36，直流电机37，滑板38，滑槽39，连 杆40，螺钉41，挡板42和卡口43组成。

图6是本发明设计的双层模板的示意图；

设备组成和图中各标号的含义是，它是由上层模板51，下层模板52， 机械接口53，螺钉54，螺钉55，螺钉56，螺钉57，和固定棒58组成。

图7是本发明设计的手术器械夹持具示意图；

设备组成和图中各标号的含义是，它是由机械接口61，引导机构62， 上位夹持具63，下位夹持具64，紧固螺钉65，紧固螺钉66，支架67，和衔接 口68组成。

图8是本发明设计的测量标定机械接口示意图，

设备组成和图中各标号的含义是，它是由标测钉71，固定孔72，底 座73，固定件74和衔接螺口75组成。

图9是本发明所使用的标测钉示意图；

本发明的实施内容，已经在前面的叙述中完整、清楚地叙述过， 就不再在实施例中重复了。