CN109091229A - 适用于x光下机器人手术导航的柔性定位装置及导航方法 - Google Patents
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Abstract
一种适用于X光下机器人手术导航的柔性定位装置及导航方法，包括：柔性片和若干个在X射线下显影且被红外设备识别的金属标记物，柔性片设有规则或不规则的定位窗口；金属标记物围绕定位窗口非对称、均匀地分布柔性片上；待柔性片通过定位窗口围绕患者的手术部位固定于患者的体表时，若干个金属标记物的空间位置反应了手术部位的空间位置。与现有平面X光图像反复透照相比，本申请可以通过一次X光和红外同时拍摄后建立两者关系，后续红外设备实时读取金属标记物的空间位置数据，将该空间位置数据的动态变化反应到平面X光图像上，以获取X光下患者手术部位的空间姿态变化，进一步将带有红外定位的手术器械或手术机械臂位置反应到X光片上进行导航。
Description
技术领域
本发明涉及X光透射环境中机器人手术导航的技术领域，具体涉及一种适用于X光下机器人手术导航的柔性定位装置及导航方法。
背景技术
机器人在X光透射的环境下进行手术时，需要对手术机器人进行手术导航和定位，但是拍摄的X光图像为平面图像，而现实中，患者的病变部位，如关节等容易发生位移、角度等状态改变，在X光图像中不能体现病变部位的空间变化，为了对这些病变部位进行精确定位，现有的空间定位方法是：在病变部位进行切口，为曝露目标部位，定位标记通过夹具夹持、钉入或共他方式刚性固定在该切口处，通过对金属定位标记进行实时空间定位，以实现对病变部位的位置进行更新，从而实现导航或手术机器人导航的目的。
由以上机器人手术导航、定位方法可知，上述的方法存在如下缺点：
1)为有创的导航、定位，该有创的导航、定位及定位标记通过夹持、钉入等刚性固定方式会给患者带来二次伤害；
2)通过定位标记寻找的是一个定位点，无法对大区域进行整体的位置更新；
3)刚性连接中缺少柔性因素，无法考量术中病变部位的变形超过一定量时对手术造成的影响。
发明内容
根据第一方面，本申请提供一种适用于X光下机器人手术导航的柔性定位装置，包括：
柔性片，为一任意规则或不规则形状，柔性片设有规则或不规则的定位窗口；
若干个在X射线下显影且被红外设备识别的金属标记物，围绕定位窗口非对称、均匀地分布所述柔性片上；
待柔性片通过定位窗口围绕患者的手术部位固定于患者的体表时，若干个金属标记物的空间位置反应了手术部位的空间位置。
一种实施例中，若干个金属标记物中任一金属标记物分别与剩余金属标记物的距离均不等。
一种实施例中，金属标记物为金属反光球，金属反光球包括金属球核和塑料球壳，塑料球壳包覆于金属球核的外表面，塑料球壳的外表面涂覆有反光涂层。
一种实施例中，金属反光球为半球形状或圆球形状。
一种实施例中，金属反光球的直径范围为3-12mm。
一种实施例中，金属标记物为金属反光片。
一种实施例中，金属标记物粘贴于柔性片上。
一种实施例中，还包括支撑件，金属标记物固定于支撑件的顶部，支撑件的底部粘贴于柔性片上。
一种实施例中，柔性片包括背衬层，背衬层上设有定位窗口，背衬层的一面围绕定位窗口粘贴有金属标记物。
一种实施例中，背衬层的另一面围绕定位窗口涂覆有粘性层，并于粘性层上贴有可撕开的防粘层。
根据第二方面，本申请提供一种适用于X光下机器人手术导航方法，包括步骤：
将上述的柔性定位装置通过定位窗口围绕患者的手术部位固定于患者的体表；
通过X光设备和红外设备同时一次拍摄柔性定位装置，获取平面X光图像和红外图像；
分别将平面X光图像和红外图像中的金属标记物的坐标转换至柔性定位装置的局部坐标系中，并在所述局部坐标系中建立平面X光图像中金属标记物坐标与红外图像中金属标记物坐标的相对关系；
通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据，并将所述空间位置数据通过所述相对关系反应到所述平面X光图像上，以获取平面X光图像中患者手术部位的空间姿态变化，根据所述空间姿态变化进行X光下机器人手术定位、导航。
一种实施例中，通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据的同时，还包括实时识别具有红外定位的器械，并将所述器械的空间位置融合在所述平面X光图像中，通过所述器械在所述平面X光图像中的位置对所述器械进行导航。
一种实施例中，通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据的同时，还包括实时识别具有红外定位的机械臂，并将所述机械臂的空间位置融合在所述平面X光图像中，通过所述机械臂在所述平面X光图像中的位置控制所述机械臂移动至手术位置。
依据上述实施例的柔性无创定位装置，在机器人手术时，根据患者的手术部位选择合适的柔性无创定位装置并通过定位窗口围绕患者的手术部位将其固定于患者的体表，与现有的平面X光图像反复透照相比，本申请可以通过一次X光设备和红外设备同时拍摄后，建立两者关系，后续红外设备实时读取金属标记物的空间位置数据，将金属标记物的空间位置数据的动态变化反应到平面X光图像上，以获取X光下患者手术部位的空间姿态变化，同时可进一步将带有红外定位的手术器械或手术机械臂位置反应到X光片上，对机器人手术进行无创定位和导航。
另外，当将柔性无创定位装置应用到X光照射手术中，因，仅需要一次X光设备拍摄柔性无创定位装置，后续仅依靠红外设备实时拍摄柔性无创定位装置，与现有反复X光照射相比，大大减少X光照射次数，不仅减少了患者所遭受的X光辐射造成的伤害，还减少了医护人员执行X光拍摄的工作量。
附图说明
图1为柔性片结构示意图；
图2为金属标记物与柔性片结合示意图；
图3为实施例一的金属标记物结构示意图；
图4为实施例二的金属标记物结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
在本发明实施例中，通过研发一种在X光下对机器人手术导航的柔性无创定位装置，实现对患者的手术部位进行无创定位，进而实现对机器人手术进行导航。
该柔性无创定位装置设有定位窗口及金属标记物，且该柔性无创定位装置具有一定的柔性，使得该柔性无创定位装置可以适用于人体的各个部位，如，肩关节、胸部等，当该柔性无创定位装置通过定位窗口围绕患者的手术部位以粘贴或束缚等无创的方式固定于患者的体表时，在机器人手术期间，若患者的手术部位发生了位移，则该柔性无创定位装置因具有柔性其状态也必然发生相应的变化，且将金属标记物设计为具有在X射线下能显影的特性，因此，金属标记物的空间位置能反应患者手术部位的空间位置，将红外设备读取的金属标记物的空间位置数据反应到平面的X光图像上，进而，能获得X光下手术部位的空间姿态变化，同时可进一步将带有红外定位的手术器械或手术机械臂位置反应到X光片上，对手术器械或手术机械臂进行定位和导航。
下面通过具体的实施例对本例的柔性无创定位装置进行详细描述。
实施例一：
本例提供的柔性无创定位装置包括柔性片1和若干个在X射线下显影且被红外设备识别的金属标记物2，其中，柔性片1设有定位窗口11，若干个金属标记物2围绕定位窗口11非对称、均匀地分布于柔性片1上，待柔性片1通过定位窗口11围绕患者的手术部位固定于患者的体表时，若干个金属标记物2的空间位置反应了手术部位的空间位置。
本例对柔性片1的形状不作具体限定，也即是，柔性片1的形状可以是任意规则或不规则形状，由于人体各部位的结构不同，相应的，定位窗口11的大小及形状也不作具体限定，定位窗口11的形状也可以是规则或不规则形状，总的来说，根据本申请的发明构思，本领域技术人员可以根据机器人手术的患者手术部位制作相应形状的柔性片1及开设相应形状的定位窗口11，最终目的是让柔性片1通过定位窗口11围绕患者手术部位固定于患者的体表。本例的柔性片1及定位窗口11的结构图如图1所示。
本例的柔性片1的材质也不作具体限定，只要具有一定的柔性即可，如，柔性片1可以是橡胶、布料等，相应的，柔性片1固定于人体体表的方式也有很多种形式，如，柔性片1可以是一种柔性贴，直接粘贴于人体的体表，柔性片还可以具有束缚带，通过束缚带束缚于人体的体表。
具体的，本例的柔性片1包括背衬层，该背衬层上设有定位窗口11，背衬层的一面围绕定位窗口11粘贴有金属标记物2，本领域技术人员可以在背衬层上附加束缚带。
若柔性片1采用粘贴的方式贴于人体的体表，相应的，背衬层的另一面围绕定位窗口11涂覆有粘性层，并于粘性层上贴有可撕开的防粘层，当使用柔性片1时，直接将防粘层撕去，将柔性片1的粘性层贴于人体的体表即可。
由于本例是通过金属标记物2的空间位置对平面的X光图像进行3D补偿，以实现对X光下患者的手术部位进行空间定位，在红外设备读取金属标记物2的空间位置数据时，如果若干个金属标记物2对称分布于柔性片1，则，红外设备只能获取金属标记物2的局部姿态变化，为了能获得柔性片1上的金属标记物2的全局姿态变化，本例的金属标记物2在柔性片1上分布时，按照非对称、均匀的原则将各个金属标记物2分布于柔性片1上，待若干个金属标记物2分布于柔性片1上时，使得，若干个金属标记物2中任一金属标记物分别与剩余金属标记物的距离均不等。假如柔性片1上分布有N个金属标记物2，其中N大于3，则，其中任一个金属标记物分别与剩余N-1个金属标记物的距离均不等，本例的金属标记物2在柔性片1上的分布示意图如图2所示。
本例的金属标记物2可以是金属反光球或者金属反光片，金属反光片的表面涂覆有反光涂层，具体采用何种结构，不作具体限定，本例以金属标记物2为金属反光球为例进行说明。
本例的金属反光球包括金属球核21和塑料球壳22，塑料球壳22包覆于金属球核21的外表面，塑料球壳22的外表面涂覆有反光涂层，如图3所示，金属反光球为半球形状，金属反光球通过强力胶粘贴于柔性片1上，如，金属反光球通过3M胶贴粘贴于柔性片1上。
另外，由于柔性片1的空间大小一定，在一定的空间内，金属反光球金属标记物2的数量越多越能精确地反应柔性片1的空间姿态变化，进一步精确地反应手术部位的姿态变化，因此，金属反光球的体积设计非常重要，若体积太大，则一定空间内排布的金属反光球的数量会减小，若体积太小，则小体积的不易被红外设备识别，针对这种情况，本例的的直径为3mm-12mm，其中，直径为3mm的为体积最小的球，直径为12mm的为体积最大的球，本领域技术人员可以根据直径所公开的范围制作其他直径的。
需要说明的是，本例中提及的红外设备是一种发射红外线和接收红外线的设备，也即是，该红外设备是一种红外收发设备，该红外设备向金属标记物2发射红外光，该红外光经金属标记物2的反光涂层后被反射回来，金属标记物2反射的红外光被该红外设备接收，以此达到红外设备实时读取金属标记物2的空间位置数据。
以C臂光机为例，本例的柔性定位装置使用的方式是：根据患者的病变部位选择适用的柔性片1，将柔性片1贴于患者病变部位的体表后，C臂光机对患者进行一次X光照射以获得平面的X光图像和红外设备拍摄获取红外图像，该X光图像中具有金属标记物2的显影，也即是在该X光图像中能看到金属标记物2的位置，建立X光照射和红外拍摄的位置关系，后续，仅通过红外设备实时读取金属标记物2的空间位置数据，并将该空间位置数据反应到平面的X光图像中，以获取X光下患者手术部位的空间姿态变化，也即是，将金属标记物2的三维动态空间位置结合平面的X光图像获得病变部位的空间姿态变化，同时可进一步将带有红外定位的手术器械或手术机械臂位置反应到X光片上，以实现根据该空间姿态变化对机器人手术进行定位和导航。
实施例二：
基于实施例一，本例提供另外一种结构的金属标记物2，如图4所示，本例的金属标记物2为圆球形状的金属反光球，为了配合圆球形状的金属反光球粘贴于柔性片1上，本例还包括支撑件3，本例的支撑件3可以是塑料材质，也可以是在X射线下显影的金属材质，金属反光球金属标记物2固定于支撑件3的顶部，支撑件3的底部粘贴于柔性片1上。
本例中，金属反光球与支撑件3具体配合的安装方式是：金属反光球设有螺纹孔，支撑件3的支撑部呈圆锥状，支撑件3于支撑部的尖端部设有与螺纹孔配合的螺杆，金属反光球通过螺纹孔与支撑件3的螺杆螺接，使金属反光球固定于支撑件3的顶部；支撑件3的支撑部底端通过强力胶贴粘贴于柔性片1上，从而，使金属反光球粘贴于柔性片1上。
在其他实施例中，金属反光球也可以设置非螺纹孔，金属反光球通过非螺纹孔与支撑件3卡扣安装，进而，使金属反光球固定安装于支撑件3上。
与实施例一相比，本例的金属反光球呈圆球形状，与半球形状相比，圆球形状的金属反光球能实现360度反射，使红外设备能在各个角度识别到金属反光球的空间姿态变化。
实施例三：
基于实施例一和实施例二，本例提供一种适用于X光下机器人手术导航方法，具体通过以下步骤来实现。
S1：将实施例一或实施例二的柔性定位装置通过定位窗口围绕患者的手术部位固定于患者的体表。
S2：通过X光设备和红外设备同时一次拍摄柔性定位装置，获取平面X光图像和红外图像。
S3：分别将平面X光图像和红外图像中的金属标记物的坐标转换至柔性定位装置的局部坐标系中，并在所述局部坐标系中建立平面X光图像中金属标记物坐标与红外图像中金属标记物坐标的相对关系。
由于柔性定位装置本身具有一个坐标系，且其设置于局部的手术部位，因此，柔性定位装置的坐标系被定义为本例中的局部坐标系，而X光设备和红外设备分别具有各自的坐标系，为了能实现平面X光图像中病变部位的动态变化，本例中采取，分别将平面X光图像和红外图像中的金属标记物的坐标转换至柔性定位装置的局部坐标系中，然后在局部坐标系中建立平面X光图像中金属标记物坐标与红外图像中金属标记物坐标的相对关系，这样，通过该相对关系就能将柔性片上的金属标记物的空间动态变化反应到平面X光图像中，以此实现将红外设备追踪柔性片上的金属标记物的空间变化应用到X光下的机器人手术中，打破现有X光照射下仅能得到静态的平面X图像。
S4：通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据，并将所述空间位置数据通过所述相对关系反应到所述平面X光图像上，以获取平面X光图像中患者手术部位的空间姿态变化，根据空间姿态变化进行X光下机器人手术定位、导航。
本发明仅通过X光设备一次照射柔性定位装置，而使用红外设备连续拍摄柔性定位装置，与现有反复X光照射相比，大大减少X光照射次数，不仅减少了患者所遭受的X光辐射造成的伤害，还减少了医护人员执行X光拍摄的工作量。
通过上述获取的平面X光图像中患者手术部位的空间姿态变化进行X光下机器人手术定位、导航，同时可进一步将带有红外定位的器械或手术机械臂位置反应到平面X光图像中，进行器械或手术机械臂的导航。
具体的，通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据的同时，还包括实时识别具有红外定位的器械，并将器械的空间位置融合在平面X光图像中，通过器械在平面X光图像中的位置对器械进行导航。
进一步，通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据的同时，还包括实时识别具有红外定位的机械臂，并将机械臂的空间位置融合在平面X光图像中，通过机械臂在平面X光图像中的位置控制机械臂移动至手术位置。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (13)
1.一种适用于X光下机器人手术导航的柔性定位装置，其特征在于，包括：
柔性片，为一任意规则或不规则形状，所述柔性片设有规则或不规则的定位窗口；
若干个在X射线下显影且被红外设备识别的金属标记物，围绕所述定位窗口非对称、均匀地分布所述柔性片上；
待所述柔性片通过所述定位窗口围绕患者的手术部位固定于患者的体表时，所述若干个金属标记物的空间位置反应了手术部位的空间位置。
2.如权利要求1所述的柔性定位装置，其特征在于，若干个所述金属标记物中任一金属标记物分别与剩余金属标记物的距离均不等。
3.如权利要求1所述的柔性定位装置，其特征在于，所述金属标记物为金属反光球，所述金属反光球包括金属球核和塑料球壳，所述塑料球壳包覆于所述金属球核的外表面，所述塑料球壳的外表面涂覆有反光涂层。
4.如权利要求3所述的柔性无创定位装置，其特征在于，所述金属反光球为半球形状或圆球形状。
5.如权利要求4任一项所述的柔性无创定位装置，其特征在于，所述金属反光球的直径范围为3-12mm。
6.如权利要求1所述的柔性无创定位装置，其特征在于，所述金属标记物为金属反光片。
7.如权利要求1所述的柔性无创定位装置，其特征在于，所述金属标记物粘贴于所述柔性片上。
8.如权利要求4所述的柔性无创定位装置，其特征在于，还包括支撑件，所述金属标记物固定于所述支撑件的顶部，所述支撑件的底部粘贴于所述柔性片上。
9.如权利要求1所述的柔性无创定位装置，其特征在于，所述柔性片包括背衬层，所述背衬层上设有所述定位窗口，所述背衬层的一面围绕所述定位窗口粘贴有所述金属标记物。
10.如权利要求9所述的柔性无创定位装置，其特征在于，所述背衬层的另一面围绕所述定位窗口涂覆有粘性层，并于所述粘性层上贴有可撕开的防粘层。
11.一种适用于X光下机器人手术导航方法，其特征在于，包括步骤：
将如权利要求1-10任一项所述的柔性定位装置通过定位窗口围绕患者的手术部位固定于患者的体表；
通过X光设备和红外设备同时一次拍摄柔性定位装置，获取平面X光图像和红外图像；
分别将平面X光图像和红外图像中的金属标记物的坐标转换至柔性定位装置的局部坐标系中，并在所述局部坐标系中建立平面X光图像中金属标记物坐标与红外图像中金属标记物坐标的相对关系；
通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据，并将所述空间位置数据通过所述相对关系反应到所述平面X光图像上，以获取平面X光图像中患者手术部位的空间姿态变化，根据所述空间姿态变化进行X光下机器人手术定位、导航。
12.如权利要求11所述的适用于X光下机器人手术导航方法，其特征在于，通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据的同时，还包括实时识别具有红外定位的器械，并将所述器械的空间位置融合在所述平面X光图像中，通过所述器械在所述平面X光图像中的位置对所述器械进行导航。
13.如权利要求11所述的适用于X光下机器人手术导航方法，其特征在于，通过红外设备实时采集柔性片上的金属标记物的空间位置数据的同时，还包括实时识别具有红外定位的机械臂，并将所述机械臂的空间位置融合在所述平面X光图像中，通过所述机械臂在所述平面X光图像中的位置控制所述机械臂移动至手术位置。
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