CN101069964A - 一种导航***引导下的外科手术机器人*** - Google Patents

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田伟
史文勇
刘亚军
张毓笠
朱俊华
刘波
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Beijing Jishuitan Hospital
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Abstract

一种导航***引导下的外科手术机器人***，该***包括机器人的机械臂、器械适配器、外科手术器械和手术导航***，所述的手术导航***用于引导机器人的机械臂驱动各种手术器械，沿着计划的手术途径，对患者进行手术。本发明还涉及一种导航***引导下，利用外科手术的机器人***进行外科手术的方法。

Description

一种导航***引导下的外科手术机器人***
技术领域
本发明涉及一种医疗手术机器人***，它采用光学导航***进行机器人机械臂上所夹持的手术器械的定位跟踪，用于外科手术。
背景技术
随着计算机和微电子技术以及医学科学的迅猛发展，各种用途的医用机器人正在医学领域中得到越来越广泛的应用。它集机器人、电子通讯、图像处理、虚拟现实、微创手术等诸多技术于一身。医疗手术机器人是其中的前沿研究热点之一。目前，医疗机器人已经在脑神经外科、心脏修复、胆囊摘除手术、人工关节置换、整形外科、泌尿外科手术等方面取得了广泛的应用，在提高手术效果和精度的同时，也不断开创新的手术，并向其他领域扩展。
与医生手工操作相比在某些方面具有极大的优势，因为机械手的定位比人准确、有力得多，手术过程中外科医生不必长时间地站在病人周围，从而避免手术带来地疲劳。长时间的手术可能造成外科医生手臂颤动，而机械手绝不会出现这种情况。正由于机器人的上述优点，手术机器人的临床应用已经扩展到外科的各个领域。
外科手术导航***是今年来新兴的一种手术***，是一种以影像学(CT、MRI)为基础的无框架立体定向导航***。它融立体定向技术，计算机医学影像技术，人工智能技术和微侵袭技术为一体。在术前通过CT、MRI获得病人的三维图像，然后通过光学***在虚拟的数字化影像与***经***解剖结构之间建立起动态的联系，在整个脑手术过程中提供实时定位导航，有利于选择最佳手术入路、术中病灶精确定位，以最小的损伤，达到病灶的满意切除。它代表了影像导向神经外科的最新进展，体现了神经影像技术、显微外科和计算机技术的综合发展水平，是微侵袭神经外科的重要组成部分。具有以下优点：术前设计手术方案；准确定出手术实时的三维位置；显示术野周围的结构；指出目前手术位置与靶灶的空间关系；术中实时调整手术入路；显示手术入路可能遇到的结构；显示重要结构；显示病灶切除范围。
现有的手术机器人***，如已公开的美国专利6999852，美国专利6728599和中国专利200410093829.7等，用于腹腔外科手术。它们都是在内窥镜或者显微镜引导下，由外科医生控制手术机器人完成各种手术操作。在这些已有的技术中，手术机器人的机械臂所夹持的手术器械以及患者需要进行手术操作的部位，都必须以“真实”成像或者直视的方式呈现在手术医生的面前，以帮助医生实时地通过手术机器人控制手术器械，完成各种操作。
然而，在一些外科手术的场合，如脊柱椎弓根钉的植入，髋关节置换等手术当中，不能通过内窥镜，或者显微镜来确定手术的路径、器械的方位等重要参数。例如在脊柱椎弓根钉植入时，手术者需要根据患者脊柱椎弓根的结构与形态，确定一个安全的椎弓根钉植入路径，以避免螺钉植入过程中，误伤患者的脊髓神经或者椎动脉血管，造成严重术中并发症或者手术失败。在这样的手术中，内窥镜或者显微镜就无法用来确定手术的路径。
光学手术导航***是近年来发展起来一项新技术，它可以通过一套红外线的光学定位、跟踪***，确定手术器械的路径和方位，同时把已经确定的手术器械的路径和方位以图像的方式与患者病变部位的CT或MRI三维重建图像匹配重合，呈现给手术大夫，从而引导外科医生沿着安全、准确手术路径和方位进行手术，避免术中损伤正常组织。手术导航***呈现的图像不同于内窥镜和显微镜，是一种“虚拟”重建的图像，但却是实时的。
现有的手术光学导航***引导手术医生进行手术时，手术器械是由手术医生手工直接操纵的。这种手术方式的局限性在于：当手术导航***确定了最佳的手术器械的路径和方位以后，由于手术者手工操作器械引起的器械抖动、偏差，往往导致手术器械偏离预定的手术路径和方位，对患者造成威胁。另外，依靠手术医生手工控制手术器械，长时间也会造成手术者身体疲劳，致使对手术器械的操作精确度下降。
本发明将手术光学导航***与手术机器人***相结合，组成一个如图2所示的新的手术***。整个***由两部分组成，即光学手术导航***和机器人***。光学手术导航***主要由两个红外摄像机组成，在手术器械上固定有若干红外标志点，红外摄像机捕捉手术器械上的红外标志点，根据各标志点在摄像机上成像的位置差异确定标志点在空间的位置，从而确定手术器械的位置。手术医生根据该位置信息控制手术机器人的机械臂的运动达到规定位置，完成对手术器械的精确控制。这样，既保证了术中手术器械的路径和方位的精确选择，又保证了在手术过程中机械臂精确、安全地操纵手术器械，完成精细的手术操作。
发明内容
本发明提供了一种结合光学手术导航***的可用于外科手术的手术机器人***。通过在机械臂所持的手术器具上固定的红外标志点，测量机器人所胁持的手术器械相对于病人的姿态和位置，以提高机器人的定位精度；通过该手术机器人可以夹持、定位手术器械运动至所需要的手术位置，以引导或者辅助医生进行手术。整个***由两部分组成，光学手术导航***和机器人***。光学手术导航***主要由两个红外摄像机组成，在手术器械上固定有若干红外标志点，红外摄像机捕捉手术器械上的红外标志点，根据各标志点在摄像机上成像的位置差异确定标志点在空间的位置，从而确定手术器械的位置。手术机器人根据该位置信息控制机械臂的运动达到规定位置，实现了对手术器械的精确控制。
由于机器人采用的是手术器械终端定位，导航定位***直接定位手术器械的位置，因此与传统的机器人定位测量方法相比，机器人关节的测量误差不会传递放大到手术器械，精度较高，因此更适于进行外科等精密手术。
本发明的目的：提供一种结合光学手术导航***的可用于外科手术的手术机器人***。手术者通过光学手术导航***，控制引导手术机器人用所夹持的手术器械进行精密的外科手术。
技术方案：整个***由两部分组成，光学手术导航***和机器人***。光学手术导航***主要由两个红外摄像机组成，在手术器械上固定有若干红外标志点，红外摄像机捕捉手术器械上的红外标志点，根据各标志点在摄像机上成像的位置差异确定标志点在空间的位置，从而确定手术器械的位置。手术医生根据该位置信息控制手术机器人的机械臂的运动达到规定位置，实现了对手术器械的精确控制。
本发明的获益：可以实现术中手术器械的路径和方位的正确选择，避免术中损伤正常组织；可以避免手术者人为的误差以及长时间手工操作手术后疲劳引起的失误，对患者带来的手术风险，提高手术的成功率，减少术中并发症的发生。
附图说明
图1是一个具有多个自由度的关节型的手术机器人***的示意图。
图2是导航***引导下的外科手术机器人***的原理框图。
图3是光学导航***引导下的手术器械定位跟踪的示意图。
图4(a)是一个典型的红外线光学示踪器的示意图。
图4(b)是一个安装红外光学示踪器的手术器械的示意图。
图5是通过夹具安装在器械适配器上的有红外线示踪器的手术器械的示意图。
图6是脊柱椎弓根钉植入手术的示意图。
图7是髋关节置换手术的示意图。
具体实施方式
以下描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。
本发明所描述的是一种用于外科手术的机器人***，如图1所示，手术机器人***1是一个具有多个自由度的关节型的机器人。手术器械3(超声手术刀)前端装有手术刀具5，通过器械适配器4连接到手术机器人1的机械臂2上，通过精确控制多自由度关节型机器人1的机械臂2，可以完成对手术器械3的精确控制，实现精细复杂的外科手术。
本发明所描述的手术机器人***可以与手术导航***结合，完成精细的外科手术。虽然手术机器人可以精确地控制手术器械完成各种复杂精细的外科手术，但由于外科手术越来越向微创化发展，逐渐取代传统的大切口“直视”手术，因此近年来微创化精细手术发展为：在术前通过对患者CT、MRI等影像资料的研究，制定术前手术计划；在术中，通过术中CT对患者病变部位的解剖结构进行重建，再由手术导航***精确跟踪手术器械的位置，使得术者在微创的情况下，通过导航***重建的患者病变部位的解剖结构以及导航***指示的手术器械的位置，实现对患者实施微创手术。具体的原理如图2所示。术中CT将患者术中实时的病变部位的影像资料传递给CT工作站，CT工作站将这些影像资料传递给导航***，由导航***重建成三维的反映患者解剖结构的图像，同时将手术器械的位置叠加在患者的三维解剖图像中。手术者可以通过控制机器人，实现在微创条件下对手术器械准确精密的控制，减少对患者的创伤和术中并发症的发生。
本发明所采用的手术导航***，是基于光学原理的导航定位和跟踪***。如图3。在手术器械3上，通过夹具9和紧固螺钉10安装上红外线示踪器7，导航***6上安装有两个以上的红外线摄像机11。红外摄像机11实时跟踪示踪器7上的反光球8，从而确定手术器械3上安装手术刀具5的前端点12的位置。图4(a)给出一个典型的红外线光学示踪器，它包含红外线发光(或者反光)球8，器械夹具9和紧固螺钉10。图4(b)给出了一个安装红外光学示踪器的手术器械3(图中所示为超声刀)，手术刀具5安装在手术器械3的前端。
安装有红外线示踪器的手术器械通过手术适配器安装在手术机器人的机械臂上。如图5所示。安装有红外线示踪器的手术器械3，通过夹具8安装在器械适配器4上。夹具的夹口13上，用锁紧螺钉18把手术器械3锁紧在器械夹具8上，以保证手术过程中器械牢固、稳定。连接器14和紧固螺钉16将器械夹具固定在器械适配器的底座15上。连接器27通过安装孔17把器械适配器4固定在手术机器人1的机械臂2上。
本发明专利还涉及一种在导航***引导下，利用图1所示的手术机器人进行外科手术的方法。特殊地，利用图1所示的手术机器人可以进行如图6所示脊柱椎弓根钉植入手术。手术机器人可以分为三个步骤：
①通过器械适配器控制电动、气动磨钻或者超声刀等手术器械由患者的脊柱(颈椎、腰椎等)部位的椎弓根22处先沿一定方向钻如一个孔27；
②在器械适配器上更换攻丝器械(电动或者非电动)，由攻丝器械在孔27攻上螺纹；
③在器械适配器上更换改锥器械(电动或非电动)，由改锥器械把椎弓根钉19植入患者椎弓根22和椎体20中。
在以上3个步骤中，手术者均要通过机器人精确控制各种手术器械进入椎弓根和椎体的位置，以免损伤了患者的脊髓21。
特殊地，利用图1所示的手术机器人可以进行如图7所示的髋关节置换手术中，安装金属臼底24所用的患者盆骨23上的螺钉孔25的形成中。固定螺钉孔25由机器人机械臂控制下的手术器械3上的手术刀具5在患者盆骨23上钻出，其方向的精确度可以由机械臂的精密控制获得，保证了人工髋关节的精确安装。
本发明上述实例和实施方式可认为是实例性的，而不是限定性的，而且本发明并不局限于本说明书所给出的细节，而是在随附权利要求书及其等同替换的范围之内，可以进行改进。

Claims (4)

1.一种导航***引导下的外科手术机器人***，该***包括机器人的机械臂、器械适配器、外科手术器械和手术导航***，所述的手术导航***用于引导机器人的机械臂驱动各种手术器械，沿着计划的手术途径，对患者进行手术。
2.如权利要求1所述，所述的器械适配器用于将外科手术器械夹持到机器人的机械臂上。
3.如权利要求1所述，所述的外科手术器械在机器人机械臂的驱动下，完成各种外科手术。
4.一种利用如权利要求1所述的外科手术的机器人***进行外科手术的方法。该方法包括：
将外科手术器械通过器械适配器夹持到机器人的机械臂上；
在手术导航***的引导下，将手术器械的精确定位提供给手术医生；
手术医生控制手术机器人，通过机器人机械臂的驱动手术器械，完成各种外科手术。
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