CN108289720A - 识别整形外科手术标记的位置的***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于识别整形外科手术标记的位置的***和方法，其中该***包括具有不同传感方案的主传感器和辅传感器，从而在整形外科手术期间可以灵活地处理单个传感器失效或者不能接收到传感信号的情况，从而准确地识别标记的位置和姿势。根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法的技术特征在于包括以下步骤：(a)利用第一位置检测部件检测传感器部件的第一传感器的位置以及利用第二位置检测部件来检测传感器部件的第二传感器的位置，其中传感器部件被安装在手术部位附近和外科手术机器人的一个部件上；(b)接收由第一位置检测部件和第二位置检测部件检测到的位置信号，并利用控制部件的传感器位置同步部件将辅传感器的位置与被设置为主传感器的传感器的坐标系进行同步；(c)利用位置跟踪部件跟踪传感器部件的位置和姿势。

Description

识别整形外科手术标记的位置的***及方法
技术领域
本发明涉及识别整形外科手术标记的位置的技术，更具体地，涉及使用具有不同传感模式的主传感器和辅传感器来灵活地处理单个传感器故障或信号接收错误的异常状态并且准确地识别整形外科手术标记的位置和姿势的***和方法。
背景技术
随着医疗技术的发展，如今，采用机器人和计算机***的导航外科手术已经得到了更加积极的引入，并且已经被应用于人工关节外科手术领域。
对于膝关节，当由于任何感染或损伤导致疼痛和行为障碍时，整形外科手术通过更换全部或部分膝关节来治疗膝关节，并且10％-30％的患者遭受膝内关节的磨损并经历了膝关节的部分置换外科手术。
一种ROBODOC类型的自动驱动CAD/CAM机器人可以作为用于整形关节外科手术的机器人的一个例子。那些整形外科手术机器人沿着预先规划的路线切割骨骼，因此在切割时固定骨骼是重要的。
在迄今为止利用整形外科手术机器人进行膝关节置换外科手术的过程中，例如在韩国专利登记公报第10-1154100号(2012年05月31日)中公开的那样，安装了一些光学标记，在对操作进行监视的情况下光学标记的位置和姿势由导航仪的光学传感器跟踪，并且然后外科手术机器人被放置在准确的外科手术位置上。
但是，在外科手术的过程中，外科手术机器人的机器手臂、医疗团队的移动以及其他障碍物可能会阻挡导航仪的光学传感器的视线，从而不能识别患者或外科手术机器人的位置。在这种情况下，由于应该停止外科手术并且应该检查光学传感器的操作，所以外科手术被有问题地延迟。
最近，如韩国专利公开号No.10-2014-0056772(2012年10月13日)所公开的那样，操作者操纵用于插针的介入治疗机器人(“插针机器人”)的操作部件。
发明内容
技术挑战
本发明是为了解决现有技术的上述问题，并且根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***和方法的目的在于提供一种具有主传感器和辅传感器的***，主传感器和辅传感器具有不同的传感模式，使得即使在主传感器或辅传感器操作异常时也能实时跟踪标记的位置和姿势。
本发明的解决方案
根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***包括：传感器部件，所述传感器部件被安装在外科手术部位附近和整形外科手术机器人上并且包括第一传感器和第二传感器；第一位置检测部件，用于检测第一传感器的位置；第二位置检测部件，用于检测第二传感器的位置；以及控制部件，用于接收由第一位置检测部件和第二位置检测部件检测到的位置信号，以基于第一传感器和第二传感器的操作状态将第一传感器和第二传感器设置为主传感器或辅传感器。
根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法包括以下步骤：(a)利用第一位置检测部件检测传感器部件的第一传感器的位置以及利用第二位置检测部件检测所述传感器部件的第二传感器的位置，其中所述传感器部件被安装在外科手术部位附近和外科手术机器人的一个部件上；(b)接收由第一位置检测部件和第二位置检测部件检测到的位置信号，以便利用控制部件中的传感器位置匹配部件来定位辅传感器在被设置为主传感器的传感器的坐标系中的位置；以及(c)利用位置跟踪部件来跟踪传感器部件的位置和姿势。
本发明的有益效果
如上所述，即使在主传感器和辅传感器操作异常时，根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***和方法也可以跟踪所述标记的位置和姿势，并且因此可以使外科手术暂停最小化且能够通过根据传感器的异常操作控制整形外科手术机器人的速度来快速且主动地对传感器检测故障作出反应。
附图说明
图1是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***的整体组成的图示。
图2是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***的控制部件的详细组成的图示。
图3是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法的流程图。
图4是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法中的步骤S300的详细流程的流程图。
图5是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法中的步骤S310的详细流程的流程图。
图6是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法中的步骤S400的详细流程的流程图。
图7是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法中的步骤S400的另一详细流程的流程图。
具体实施方式
在下文中，将描述实现根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***和方法的详细内容。
图1是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***的整体组成的图示，包括传感器部件3、第一位置检测部件15、第二位置检测部件25、控制部件40和整形外科手术机器人50。
传感器部件3包括安装在股骨1上的第一传感器构件31、安装在胫骨2上的第二传感器构件32和安装在整形外科手术机器人50上的第三传感器构件33，并且每一个传感器构件31、32、33都包括第一传感器11、12、13中的一者和具有倾斜传感器和加速度传感器的第二传感器21、22、23中的一者。
在本发明的示例性实施例中，第一传感器11、12、13可以是具有从中心点沿不同方向延伸的三个或四个棒的光学标记，并且高反射率的球形标记被安装在棒的末端。
第一位置检测部件15是在三维坐标空间中检测第一传感器11、12、13的位置和姿势并将检测到的信号发送给控制部件40的光学跟踪传感器。在该实施例中，第一位置检测部件15被包括在立体红外相机中。
第二传感器21、22、23在其内部包括倾斜传感器和加速度传感器，利用倾斜传感器检测第一传感器11、12、13的位置，并且减小倾斜信号的误差以互补地获取第一传感器11、12、13的位置信息。
第二位置检测部件25是传感器信号接收器，用于利用从第二传感器21、22、23发送的信号来检测第二传感器21、22、23的位置。由第二位置检测部件25检测到的位置信号将被发送给控制部件40。
控制部件40接收由第一位置检测部件15和第二位置检测部件25检测到的位置信号，定位同一坐标系上的第一传感器11、12、13和第二传感器21、22、23的位置，并且基于第一传感器11、12、13和第二传感器21、22、23的操作状态设置主传感器和辅传感器。
根据本发明的控制部件40包括：传感器位置匹配部件41，用于接收由第一位置检测部件15和第二位置检测部件25检测到的位置信号，以定位辅传感器在主传感器的坐标系中的位置；位置跟踪部件42，用于跟踪第一传感器构件31、第二传感器构件32和第三传感器构件33的位置和姿势；传感器故障判定部件43，用于当第一位置检测部件15或第二位置检测部件25操作异常时将操作正常的传感器设置为主传感器；以及传感器故障警报部件44，用于在传感器故障发生时显示传感器故障通知。第一位置检测部件15的异常操作可能由第一传感器11、12、13中的至少一个或第一位置检测部件15的损坏或破坏引起。此外，第二位置检测部件25的异常操作可能由第二传感器21、22、23中的至少一个或第二位置检测部件25的损坏或破坏引起。
根据本发明，当第一位置检测部件15或第二位置检测部件25中的至少一个操作异常时，传感器故障判定部件43能够生成机器人停止信号或机器人减速信号并将其发送给整形外科手术机器人50。
下面解释根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***的操作。
图3是根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的方法的流程图。
根据本发明实施例的方法包括安装传感器部件3的步骤S100。即，第一传感器构件31被安装在股骨1上，第二传感器构件32被安装在胫骨2上，以及第三传感器构件33被安装在整形外科手术机器人50上。
之后，在步骤S200中，第一位置检测部件15检测安装在外科手术部位附近的传感器构件31、32、33的第一传感器11、12、13的位置，以及第二位置检测部件25检测传感器构件31、32、33的第二传感器21、22、23的位置。
接着，在步骤S300中，控制部件40的传感器位置匹配部件41接收由第一位置检测部件15和第二位置检测部件25检测到的位置信号，并定位辅传感器在被设置为主传感器的传感器的坐标系中的位置。
如图4所示，步骤S300可以包括步骤S310，其中，基于由第一位置检测部件15检测到的位置信号来检测传感器构件31、32、33的被设置为主传感器的第一传感器11、12、13的位置和姿势。而且，如图5所示，根据本发明的步骤S310可以包括：步骤S311，检查由第一位置检测部件15检测到的位置信号的变化是否低于预设阈值；步骤S312，当在步骤S311中由第一位置检测部件15检测到的位置信号的变化低于预设阈值时，记录第一传感器11、12、13的位置和姿势。步骤S311也即检查由第一位置检测部件15检测到的位置信号的变化是否低于预设阈值也可以通过确定由第一位置检测部件15检测到的第一传感器11、12、13的位置和姿势是否稳定来执行。
在与步骤S310同时进行的步骤S320中，被设置为辅传感器的第二位置检测部件25获取第二传感器21、22、23的位置信号。
在步骤S320中，包括倾斜传感器和加速度传感器的第二传感器21、22、23利用倾斜传感器检测第一传感器的位置，并利用加速度传感器的输出信号来减小倾斜信号的误差，这有助于互补地获取第一传感器11、12、13的位置信息。
然后，在步骤S330中，由被设置为辅传感器的第二位置检测部件25检测到的第二传感器21、22、23的位置被定位于第一传感器11、12、13的坐标系中。
之后，在步骤S400中，通过位置跟踪部件42跟踪第一传感器构件31、第二传感器构件32以及第三传感器构件33的位置和姿势。
如图6所示，根据本发明的步骤S400运行步骤S411和步骤S412，在步骤S411中，利用传感器故障判定部件43确定主传感器的第一位置检测部件15是否正常操作，在步骤S412中，当在步骤S411中确定第一位置检测部件15的操作正常时确定辅传感器的第二位置检测部件25是否正常操作。如果在步骤S412中确定第二位置检测部件25的操作正常，则在步骤413和430中，基于由第一位置检测部件15和第二位置检测部件25检测到的位置信号来识别第一传感器11、12、13的位置和姿势并输出。这里，在步骤S412中，可以通过确定第二传感器21、22、23的操作是否正常来实现对第二位置检测部件25的操作是否正常的确定。
另外，如果在步骤S412中确定第二位置检测部件25的操作异常，则在步骤S421中，基于主传感器的第一位置检测部件15的检测来识别第一传感器11、12、13的位置和姿势，以及在步骤S422中，由传感器故障警报部件44显示辅传感器的第二位置检测部件25的故障通知，并且在步骤S430中，输出检测到的第一传感器11、12、13的位置和姿势。
如果在步骤S411中确定第一位置检测部件15的操作异常，则在步骤S431中确定第二位置检测部件25的操作是否正常。因此，如果在步骤S431中确定第二位置检测部件25的操作正常，则在步骤S432中，识别由辅传感器的第二位置检测部件25检测到的第一传感器11、12、13的位置和姿势，以及在步骤S433中，通过传感器故障警报部件44显示主传感器的第一位置检测部件15的故障通知，以及在步骤S430中，输出检测到的第一传感器11、12、13的位置和姿势。
另外，如果在步骤S411中确定第一位置检测部件15的操作异常，则在步骤S431中，确定第二位置检测部件25的操作是否正常。因此，如果在步骤S431中确定第二位置检测部件25的操作异常，则在步骤S440中，生成机器人停止信号并将其发送给整形外科手术机器人50，并且在步骤S450中，由传感器故障警报部件44显示主传感器的第一位置检测部件15和辅传感器的第二位置检测部件25的故障通知。
图7示出了步骤S400的另一示例性实施例，其中如果在步骤S461中传感器故障判定部件43确定第一位置检测部件15的操作异常并确定第二位置检测部件25的操作正常，则在步骤S462中生成机器人停止信号并将其发送给整形外科手术机器人，并在步骤S463中检查用户是否在预设时间内输入了确认，并且如果是，则在步骤S471中基于由第二位置检测部件25检测到的位置信号来输出第一传感器11、12、13的位置和姿势，并且在步骤S472中生成机器人操作速度的恢复信号并将其发送给整形外科手术机器人。
另外，如果在步骤S463中没有在预设时间内输入用户确认信号，则在步骤S481中生成机器人停止信号并将其发送给整形外科手术机器人50，并且在步骤S482中由传感器故障警报部件44显示第一位置检测部件15的故障通知。
如上所述，根据本发明的用于识别整形外科手术标记的位置的***和方法，即使当主传感器或辅传感器异常操作时，也可以实时跟踪标记的位置和姿势。
此外，可以使外科手术暂停最小化，并且可以通过根据传感器的异常操作来控制整形外科手术机器人的速度来快速、主动地对传感器检测故障做出反应。
尽管以上已经说明了本发明的示例性实施例，但是本发明不限于上述实施例，并且用于识别整形外科手术标记的位置的***和方法可以以落入本发明的技术思想内的各种方式来实现。

Claims (14)

1.一种用于识别整形外科手术标记的位置的***，包括：
传感器部件，所述传感器部件被安装在外科手术部位附近以及整形外科手术机器人上，且包括第一传感器和第二传感器；
第一位置检测部件，用于检测所述第一传感器的位置；
第二位置检测部件，用于检测所述第二传感器的位置；以及
控制部件，用于接收由所述第一位置检测部件和所述第二位置检测部件检测到的位置信号，以基于所述第一传感器和所述第二传感器的操作状态将所述第一传感器和所述第二传感器设置为主传感器或辅传感器。
2.根据权利要求1所述的用于识别整形外科手术标记的位置的***，其中，所述控制部件接收所述位置信号以在坐标系中定位所述第一传感器和所述第二传感器的位置。
3.根据权利要求2所述的用于识别整形外科手术标记的位置的***，所述控制部件包括：
传感器位置匹配部件，用于接收所述位置信号以定位所述辅传感器在所述主传感器的坐标系中的位置；
位置跟踪部件，用于连接所述传感器位置匹配部件，以跟踪所述传感器部件的位置和姿势；以及
传感器故障判定部件，用于连接所述位置跟踪部件，以当所述第一位置检测部件和所述第二位置检测部件之一操作异常时，将所述第一位置检测部件和所述第二位置检测部件中操作正常的一者设置为主传感器。
4.根据权利要求3所述的用于识别整形外科手术标记的位置的***，其中，所述传感器故障判定部件在所述第一位置检测部件和所述第二位置检测部件中的至少一者操作异常时生成机器人停止信号或机器人减速信号，并将其发送给所述整形外科手术机器人。
5.根据权利要求4所述的用于识别整形外科手术标记的位置的***，该***还包括传感器故障警报部件，用于连接所述传感器故障判定部件，用以在传感器故障发生时显示传感器故障通知消息。
6.一种用于识别整形外科手术标记的位置的方法，包括以下步骤：
(a)利用第一位置检测部件检测传感器部件的第一传感器的位置，并利用第二位置检测部件检测所述传感器部件的第二传感器的位置，其中所述传感器部件被安装于外科手术部位附近和外科手术机器人的一个部件上；
(b)接收由所述第一位置检测部件和所述第二位置检测部件检测到的位置信号，以利用控制部件的传感器位置匹配部件来定位辅传感器在被设置为主传感器的传感器的坐标系中的位置；以及
(c)利用位置跟踪部件跟踪所述传感器部件的位置和姿势。
7.根据权利要求6所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中步骤(b)包括以下步骤：
(b-1)由所述第一位置检测部件识别所述第一传感器的所述位置和所述姿势，其中所述第一位置检测部件被设置为所述主传感器；
(b-2)在步骤(b-1)执行的同时，由所述第二位置检测部件识别所述第二传感器的所述位置，其中所述第二位置检测部件被设置为辅传感器；以及
(b-3)在所述第一传感器的坐标系中定位由被设置为辅传感器的所述第二位置检测部件检测到的所述第二传感器的所述位置。
8.根据权利要求7所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中步骤(b-1)包括以下步骤：
(b-1-1)检查由所述第一位置检测部件检测到的位置信号的变化是否低于预定阈值；以及
(b-1-2)当在步骤(b-1-1)中，所述第一位置检测部件检测到的所述位置信号的变化低于所述阈值时记录所述第一传感器的所述位置和所述姿势。
9.根据权利要求6所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中步骤(c)包括以下步骤：
(c-1)利用传感器故障判定部件确定被设置为主传感器的所述第一位置检测部件是否操作正常；
(c-2)当在步骤(c-1)中确定所述第一位置检测部件的操作正常时，确定被设置为辅传感器的所述第二位置检测部件是否操作正常；以及
(c-3)当在步骤(c-2)中确定所述第二位置检测部件的操作正常时，基于由所述第一位置检测部件和所述第二位置检测部件检测到的位置信号识别并输出所述第一传感器的位置和姿势。
10.根据权利要求9所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中步骤(c)还包括以下步骤：
(c-4)当在步骤(c-1)中确定所述第一位置检测部件的操作异常时，确定被设置为辅传感器的所述第二位置检测部件是否操作正常；
(c-5)当在步骤(c-4)中确定所述第二位置检测部件的操作正常时，基于所述第二传感器的位置信号值识别所述第一传感器的位置和姿势；以及
(c-6)利用传感器故障警报部件显示所述第一位置检测部件的故障通知。
11.根据权利要求9所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中步骤(c)还包括以下步骤：
(c-7)当在步骤(c-2)中确定所述第二位置检测部件的操作异常时，识别由所述第一位置检测部件检测到的所述第一传感器的位置和姿势；以及
(c-8)利用传感器故障警报部件显示所述第二位置检测部件的故障通知。
12.根据权利要求9所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中，步骤(c)还包括以下步骤：
(c-9)当在步骤(c-1)中确定所述第一位置检测部件的操作异常时，确定被设置为辅传感器的所述第二位置检测部件是否操作正常；
(c-10)当在步骤(c-9)中确定所述第二位置检测部件的操作异常时，生成机器人停止信号并将其发送给所述整形外科手术机器人；以及
(c-11)利用传感器故障警报部件显示所述第一位置检测部件和所述第二位置检测部件的故障通知。
13.根据权利要求6所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中步骤(c)包括以下步骤：
(c-12)利用传感器故障判定部件确定被设置为主传感器的所述第一位置检测部件是否操作正常；
(c-13)当在步骤(c-12)中确定所述第一位置检测部件的操作异常时，确定被设置为辅传感器的所述第二位置检测部件是否操作正常；
(c-14)当在步骤(c-13)中确定所述第二位置检测部件的操作正常时，生成机器人减速信号并将其发送给所述整形外科手术机器人；
(c-15)检查用户是否在预设时间内输入确认信号；
(c-16)当在步骤(c-15)中在所述预设时间内输入所述用户的确认信号时，基于所述第二传感器的位置检测信号识别所述第一传感器的位置和姿势；以及
(c-17)生成机器人操作速度的恢复信号并将其发送给所述整形外科手术机器人。
14.根据权利要求13所述的用于识别整形外科手术标记的位置的方法，其中步骤(c)还包括以下步骤：
(c-18)当在步骤(c-15)中没有在所述预设时间内输入所述用户的确认信号时，生成机器人停止信号并将其发送给所述整形外科手术机器人；以及
(c-19)利用传感器故障警报部件显示所述第一位置检测部件的故障通知。
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