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申请/专利权人：华中科技大学;华中科技大学同济医学院附属协和医院

摘要：本发明属于腹腔镜运镜技术领域，并公开了一种基于图像经验的腹腔镜手术机器人自主运镜方法。包括：对器械进行标记，对腹腔镜相机进行多点标定，在RCM约束条件下，根据腹腔镜采集得到的图像，估计器械标记的三维坐标；采集得到手术场景中的器械频率图，得到器械在腹腔镜视图下关于器械位置的评价函数；构建腹腔镜相机坐标系在视觉坐标系的姿态，构建腹腔镜姿态需要满足的直觉性约束模型；以评价函数为目标，根据RCM约束以及直觉性约束模型，构建腹腔镜位姿优化模型，以获取最优的腹腔镜位姿；将最优的腹腔镜位姿作为期望的腔镜位姿，并将该期望的腔镜位姿转化为机器人末端位姿。本发明运镜策略更加符合主刀医生的意图，方法简单，泛化能力强。

主权项：1.一种基于图像经验的腹腔镜手术机器人自主运镜方法，其特征在于，包括以下步骤：S100对器械进行标记，对腹腔镜相机进行多点标定，确定相机参数以及相机相对于机器人末端的齐次变换矩阵，所述相机参数包括腹腔镜相机内参系数以及腹腔镜相机畸变系数；S200在RCM约束条件下，根据腹腔镜采集得到的图像，估计器械标记的三维坐标；S300采集得到手术场景中的器械频率图，得到器械在腹腔镜视图下关于器械位置的评价函数；步骤S300具体包括以下步骤：S31将手术视频进行语义分割，抽离出器械尖端的掩膜；S32将抽离出的掩膜图像进行叠加，得到器械在图像上的频率分布图；S33使用高斯分布对器械的频率分布图进行拟合、归一化处理，得到高斯分布的参数；S34以器械的三位位置为输入，根据不同器械的权重，构建判断运镜视场好坏的评价函数：Jx＝-WS·Gpi式中，Jx为评价函数，WS为器械的权重，G为统计得到的高斯分布，pi为手术器械尖端在腹腔镜图像中的像素位置；S400构建腹腔镜相机坐标系在视觉坐标系的姿态，同时，以相机坐标系中X轴在视觉坐标系Y轴的投影为约束，构建腹腔镜姿态需要满足的直觉性约束模型；所述直觉性约束模型为： 式中，θ为图像旋转的角度；为视觉坐标系到腹腔镜相机坐标系的变换矩；X＝[1,0,0]T为操作平面中X的方向；α和β为满足和为1的常数；Qx＝[1,0,0]T为提取旋转矩阵中X方向的矩阵，Qz＝[0,0,1]T为提取旋转矩阵中Y方向的矩阵；Rzθ表示坐标系绕Z轴旋转θ；S500以评价函数为目标，根据RCM约束以及直觉性约束模型，构建腹腔镜位姿优化模型，以获取最优的腹腔镜位姿；所述腹腔镜位姿优化模型为：minJx＝-Ws·Gpis.t.fx＝0hSi,pi,x＝0 式中，Jx为评价函数，WS为器械的权重，fx为直觉性准则模型；hSi,si,x为器械尖端的三维坐标与图像像素坐标的转换关系，Si为器械尖端在腹腔镜坐标系中的三维坐标，pi为手术器械尖端在腹腔镜图像中的像素位置；D为腹腔镜满足RCM约束下的可达区域；x为腹腔镜的自由度变量；S600将最优的腹腔镜位姿作为期望的腔镜位姿，并将该期望的腔镜位姿转化为机器人末端位姿。

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