CN111467036B - 手术导航***、髋臼截骨的手术机器人***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术导航***、髋臼截骨的手术机器人***及其控制方法，所述手术导航***用于获取髋关节图像的图像数据并基于所述图像数据建立髋关节三维模型，进而得到髋臼窝所在球体的球心位置。本发明能够实现自动搜索并运动至髋臼窝球心，并控制机械臂***末端的末端工具根据运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作，从而提高了手术的准确性；基于机械臂进行手术操作提高了截骨手术操作的稳定性；术中可在安全区域边缘部位停止，保证了手术的安全性；另外，可对旋转截骨手术进行实时导航，从而提升了手术操作的便捷性以及用户的使用体验感。

Description

手术导航***、髋臼截骨的手术机器人***及其控制方法

技术领域

本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种手术导航***、髋臼截骨的手术机器人***及其控制方法。

背景技术

髋臼发育不良(DDH)是引起髋关节继发性骨性关节炎的常见原因。根据统计目前在我国髋臼发育不良的发病率为0.9‰～3.8‰，晚期必须进行人工髋关节置换手术。对于年龄较大的患者是一种较为有效的治疗方法，但是对于年轻以及活动量大的患者，由于人工关节有一定的使用寿命，早期的手术干预，可以十分有效得延缓骨性关节炎的进展，避免或者推迟进行人工关节置换手术。髋臼周围截骨术(PAO)通过改变髋臼朝向，增加髋臼覆盖率，减小应力集中很好地解决了上述问题，是目前在重建髋臼术式中较为常用的一种。髋臼周围截骨术的优点在于畸形纠正彻底，解剖恢复良好；骨盆环完整，术后骨盆变形小；不破坏髋臼的血液循环，利于术后愈合；内固定坚强，术后功能恢复快等。

传统的髋臼周围截骨术是医生使用骨科平摆锯手动在髋臼周围进行多边形截骨，将髋臼从周围的骨盆中分离出来，截取的髋臼可以大幅度移动，使得股骨头的覆盖率得到较大程度的矫正。但是，这种多边形截骨的截骨平面通常为平面，会导致进行角度调整时调整不太灵活，截骨断端通常会产生间隙，进而导致截骨平面不平整，容易造成骨折愈合不良，固定不牢固，并且出现固定物断裂等情况。术中暴露的切口也是相当大的，可能会导致愈合延迟，甚至严重会导致髋臼矫正不良、髋臼坏死。

因此，现有通过医生手持锯片实施髋臼周围截骨手术的方案很难掌握球形截骨的球心，在切割时无法保证截骨区域的球形结构；另外，手动操作环形锯的振动比较大，截骨的反作用力不容易掌握，从而容易导致偏心。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的髋关节的髋臼旋转截骨方案不能满足实际使用需求的缺陷，提供一种手术导航***、髋臼截骨的手术机器人***及其控制方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

本发明提供一种髋关节的手术导航***，所述手术导航***包括手术导航模块；

所述手术导航模块用于获取髋关节图像的图像数据，并基于所述图像数据建立髋关节三维模型；

所述手术导航模块还用于根据所述髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置。

较佳地，所述手术导航模块用于获取所述髋关节三维模型上所述髋臼窝的患侧表面的第一目标特征点，并对所述第一目标特征点拟合处理得到所述髋臼窝所在球体的所述球心位置。

较佳地，所述手术导航模块用于对所述髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，并根据多个所述分割图像对应的图像数据建立所述髋关节三维模型。

较佳地，所述手术导航***包括显示模块；

所述显示模块与所述手术导航模块电连接；

所述手术导航模块用于将所述髋关节三维模型输出至所述显示模块进行显示；和/或，

所述手术导航***还包括主控模块、车体结构和第一可移动支架；

其中，所述车体结构固设在所述第一可移动支架上，所述主控模块固设在所述车体结构内，所述显示模块与所述车体结构固定连接；

所述主控模块与所述手术导航模块电连接；

所述主控模块用于存储所述髋关节图像，所述手术导航模块用于从所述主控模块中获取所述髋关节图像。

本发明还提供一种髋臼旋转截骨的手术机器人***，所述手术机器人***包括上述的髋关节的手术导航***，所述手术机器人***还包括光学定位***和机械臂***；

所述光学定位***分别与所述手术导航***和所述机械臂***通信连接；

所述手术导航***用于根据所述髋关节三维模型生成运动指令序列，并将所述球心位置和所述运动指令序列发送至所述光学定位***；

所述光学定位***用于将所述球心位置转换为患者髋臼的中心点位置，并将所述中心点位置以及所述运动指令序列发送至所述机械臂***；

所述机械臂***用于将末端工具的工具中心移动至所述中心点位置，并控制所述末端工具根据所述运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作。

较佳地，所述手术导航***用于根据所述髋关节三维模型获取三维形态学参数、下肢力线参数、髋臼窝的直径参数、髋臼的边缘形态参数和髋臼的朝向参数；

其中，所述三维形态学参数包括髋臼的前倾角和外展角；

所述手术导航***还用于根据所述三维形态学参数、所述下肢力线参数、所述直径参数、所述边缘形态参数和所述朝向参数确定所述末端工具的目标尺寸。

较佳地，所述手术导航***还用于根据所述球心位置、所述朝向参数以及所述末端工具的目标尺寸确定髋臼旋转截骨手术时的多个截骨线；

其中，每个所述截骨线的参数包括截骨方位参数和截骨深度参数，多个所述截骨线形成截骨区域；

所述手术导航***还用于根据多个所述截骨线生成所述运动指令序列。

较佳地，所述机械臂***包括基座、机械臂本体、末端执行器和所述末端工具；

所述机械臂本体的底部固设在所述基座上，所述末端工具通过所述末端执行器固设在所述机械臂本体的末端；

其中，所述基座上固设有第一基准靶球，所述末端工具上固设有第二基准靶球；

所述光学定位***用于在光学定位基准坐标系下，根据所述第一基准靶球获取所述基座的第一基准坐标系，以及根据所述第二基准靶球获取所述末端工具的工具中心的第二基准坐标系，并根据所述第一基准坐标系和所述第二基准坐标对所述机械臂***进行手眼标定。

较佳地，所述末端执行器包括球形截骨摆锯；

所述末端工具包括所述目标尺寸的球形锯片；

所述球形锯片的内部弧形表面的顶端位置与所述球形截骨摆锯的中心点重合。

较佳地，所述机械臂***还包括运动控制器、电气控制模块和通讯模块；

所述电气控制模块分别与所述运动控制器和所述通讯模块电连接；

所述通讯模块与所述光学定位***通信连接；

所述通讯模块用于所述光学定位***发送的获取所述中心点位置和所述运动指令序列并发送至所述电气控制模块；

所述电气控制模块用于根据所述中心点位置触发所述运动控制器控制所述末端工具的工具中心移动至所述中心点位置，并触发所述末端工具根据所述运动指令序列开启工作；和/或，

所述基座还包括移动锁定机构、控制柜和标记物固定装置；

所述移动锁定机构固设于所述基座的底部，所述控制柜固设于所述基座的内部，所述第一基准靶球通过所述标记物固定装置固定于所述基座上。

较佳地，所述移动锁定机构包括支撑踏板和放松踏板；

所述基座下方设有多个支撑轮和多个移动轮；

当所述支撑踏板开启工作时，所述支撑踏板中的液压装置将支撑柱推出撑起所述基座，所述基座下方的所述移动轮离开地面以固定所述机械臂***；

当所述放松踏板开启工作时，所述放松踏板中的液压装置缩回支撑柱，所述基座下方的所述移动滚轮接触地面以移动所述机械臂***。

较佳地，所述手术机器人***还包括探针；

当在患者髋臼上固设第三基准靶球时，所述光学定位***用于在所述光学定位基准坐标系下，根据所述第三基准靶球获取患者髋臼的第三基准坐标系；

所述光学定位***还用于在所述光学定位基准坐标系下，分别获取所述手术导航***对应的第四基准坐标系以及所述探针对应的第五基准坐标系，并根据所述第五基准坐标系获取所述第三基准坐标系和所述第四基准坐标系之间的转换关系；

所述光学定位***还用于根据所述转换关系将所述球心位置转换为患者髋臼的所述中心点位置。

较佳地，所述手术导航***用于根据所述转换关系在所述髋关节三维模型中对患者髋臼进行实时显示和导航。

较佳地，所述探针与所述光学定位***通信连接；

所述探针用于点选患者骨的第二目标特征点并发送所述光学定位***；

所述光学定位***用于读取所述探针点选的所述第二目标特征点的第一参数信息；

所述光学定位***还用于获取所述髋关节三维模型中所述第二目标特征点对应的第二参数信息，并计算所述第一参数信息和所述第二参数信息的匹配度，并在所述匹配度小于设定阈值时调用所述探针重新在患者髋臼上点选新的所述第二目标特征点，直至所述匹配度大于或者等于所述设定阈值。

较佳地，所述光学定位***包括双目摄像头和第二可移动支架；

所述双目摄像头固设在所述第二可移动支架上；

所述光学定位***通过所述双目摄像头获取所述第一基准坐标系、所述第二基准坐标系、所述第三基准坐标系、所述第四基准坐标系和所述第五基准坐标系。

较佳地，所述光学定位***还用于获取所述机械臂***中所述末端工具的当前执行路径；

所述光学定位***还用于将所述运动指令序列转换为所述第四基准坐标系下的参考路径，并判断所述当前执行路径与所述参考路径是否一致，若是，则继续控制所述末端工具对髋臼进行旋转截骨操作；若否，则退出所述当前执行路径。

本发明还提供一种手术导航方法，所述手术导航方法采用上述的髋关节的手术导航***实现，所述手术导航方法包括：

获取髋关节图像的图像数据；

基于所述图像数据建立髋关节三维模型；

根据所述髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置。

较佳地，所述基于所述图像数据建立髋关节三维模型的步骤包括：

对所述髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像；

根据多个所述分割图像对应的图像数据建立所述髋关节三维模型。

较佳地，所述根据所述髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置的步骤包括：

获取所述髋关节三维模型上所述髋臼窝的患侧表面的第一目标特征点，并对所述第一目标特征点拟合处理得到所述髋臼窝所在球体的所述球心位置。

本发明还提供一种手术机器人***的控制方法，所述控制方法采用上述的髋臼旋转截骨的手术机器人***实现，所述控制方法包括：

所述手术导航***根据所述髋关节三维模型生成运动指令序列，并将所述球心位置和所述运动指令序列发送至所述光学定位***；

所述光学定位***将所述球心位置转换为患者髋臼的中心点位置，并将所述中心点位置以及所述运动指令序列发送至所述机械臂***；

所述机械臂***将末端工具的工具中心移动至所述中心点位置，并控制所述末端工具根据所述运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作。

较佳地，导航子***还用于根据特征点得到髋臼的前倾角及外展角。

本发明的积极进步效果在于：

(1)通过建立髋关节三维模型准确地得到髋臼窝所在球体的球心位置，进而能够根据该球心位置准确获取患者髋臼的实际中心点位置，控制机械臂***末端的末端工具根据运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作，即实现自动搜索并运动至髋臼窝球心，从而提高了手术的准确性；

(2)采用机械臂进行手术操作，可以消除手动操作存在的振动因素，从而提高了截骨手术操作的稳定性和安全性；

(3)术中可在安全区域边缘部位停止，保证了手术的安全性；

(4)通过手术导航***进行监控旋转截骨情况并导航，提升了手术操作的便捷性以及操作人员(如医生)的使用体验感。

附图说明

图1为本发明实施例1的髋关节的手术导航***的第一结构示意图。

图2为本发明实施例1的髋关节的手术导航***的第二结构示意图。

图3为本发明实施例2的髋臼旋转截骨的手术机器人***的结构示意图。

图4为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中机械臂***的结构示意图。

图5为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中机械臂***的第一部分结构示意图。

图6为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中机械臂***的第二部分结构示意图。

图7为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中机械臂***的第三部分结构示意图。

图8为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中末端执行器的结构示意图。

图9为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中末端工具的结构示意图。

图10为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中光学定位***的结构示意图。

图11为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***的结构示意图。

图12为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***在截骨后的第一髋臼状态示意图。

图13为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***在截骨后的第二髋臼状态示意图。

图14为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中球形锯片的第一执行状态示意图。

图15为本发明实施例3的髋臼旋转截骨的手术机器人***中球形锯片的第二执行状态示意图。

图16为本发明实施例4的手术导航方法的流程图。

图17为本发明实施例5的手术机器人***的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例髋关节的手术导航***包括手术导航模块1、显示模块2、主控模块3、车体结构4和第一可移动支架5。

手术导航模块1用于获取髋关节图像的图像数据，并基于图像数据建立髋关节三维模型。

在一种可选的实施方式中，手术导航模块1用于对髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，并根据多个分割图像对应的图像数据建立髋关节三维模型。

其中，图像数据为对患者发育不良的髋臼进行CT(电子计算机断层扫描)扫描图像，具体包括盆骨、股骨部位形状与断面形状等数据，根据这些数据重建髋关节三维模型，即为虚拟骨盆以及股骨，以便于重现患者患处诊断信息，为术前规划、手术评估做好准备。

具体地，基于输入的一组DICOM(医学数字成像和通信)数据即CT数据对其进行三维表面重建与显示。具体地，(1)对患者进行术前CT扫描，按预设的CT成像的层距和层厚获取髋臼和股骨的CT图像数据；(2)分割所输入的CT图像，获得目标骨骼区域信息，通过机器学习的方法先对数据进行粗分割，然后再用基于能量演化的整体的分割方法进一步得到光滑分割结果；(3)获得每张CT对应的分割图像后，利用多个二维分割图像中的信息重建出三维信息，完成骨骼三维模型重建；(4)通过重建的物体表面数据的属性，映射为显示所需的几何数据，再经过渲染即可显示骨骼剖视图。

另外，可以采用但不限于公开图像处理库VTK(可视化工具包)中的MatchingCubes算法(一种三维表面重建算法)可以实现基于CT图像的三维模型的建立。

手术导航模块1还用于根据髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置。

其中，髋臼窝可近似为一球形面，手术导航模块用于获取根据髋关节三维模型的模型参数直接获取髋臼窝所在球体的球心位置。或，

手术导航模块1用于获取髋关节三维模型上髋臼窝的患侧表面的第一目标特征点，并对第一目标特征点拟合处理得到髋臼窝所在球体的球心位置，该球心位置作为后续机器人轨迹规划的基准点。

其中，第一目标特征点包括髂前上棘、髋臼前缘、髋臼后缘、髋臼上缘、髋臼窝表面等。

用户可以用鼠标在髋关节三维模型的髋臼球面上点选采集多个表面点(如10个)数据，然后通过最小二乘法拟合出髋臼窝所在球体的球心位置。

还可以将髋关节三维模型上髋臼窝的健侧表面作为参考，通过手动微调的方式等调整该球心位置以进一步保证手术操作的准确性。

另外，可以采用三维点云数据配准算法如ICP(迭代最近点)算法基于选取的目标特征点，以及神经网络模型得到该三维模型的髋臼窝的球心位置，还可以获取髋臼边缘参数以及直径参数等。

显示模块2与手术导航模块1电连接，手术导航模块1用于将髋关节三维模型输出至显示模块2进行显示。

手术导航***包括服务器和可移动工作台两个部分。其中服务器包括手术导航模块1和主控模块3；可移动工作台包括显示模块2、车体结构4和第一可移动支架5。

在一种可选的实施方式中，如图2所示，车体结构4固设在第一可移动支架5上，主控模块3固设在车体结构4内，显示模块2与车体结构4固定连接。第一可移动支架5包括支架主体和设于支架主体下方的滚轮，以方便用户移动该手术导航***。

主控模块3与手术导航模块1电连接，主控模块3用于存储髋关节图像，手术导航模块1用于从主控模块3中获取髋关节图像。

本实施例髋关节的手术导航***对应术前规划阶段，通过髋关节图像建立髋关节三维模型，根据髋关节三维模型准确地得到髋臼窝所在球体的球心位置，从而保证了后续髋臼旋转截骨手术的准确性和安全性。

实施例2

如图3所示，本实施例的髋臼旋转截骨的手术机器人***包括实施例1的髋关节的手术导航***100，本实施例的髋臼旋转截骨的手术机器人***还包括光学定位***6和机械臂***7。光学定位***6分别与手术导航***100和机械臂***7之间通信连接。

手术导航***100用于根据髋关节三维模型生成运动指令序列，并将球心位置和运动指令序列发送至光学定位***6；

在髋臼旋转截骨手术时，光学定位***6用于将球心位置转换为患者髋臼的中心点位置，并将中心点位置以及运动指令序列发送至机械臂***7；

机械臂***7用于将末端工具的工具中心移动至中心点位置，并控制末端工具根据运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作。

具体地，光学定位***6分别与手术导航***100和机械臂***7之间通过网线通信连接。

手术导航***将数据和用户指令等通过千兆以太网下发至光学定位***；光学定位***在获取信息后将其转化成机械臂坐标下的位置指令，并通过通讯接口下发至机械臂***；再由机械臂***直接通过百兆以太网将目标运动指令传输至机械臂本体，以实现数据交互传输和指令传递、执行。

手术导航***通过光学定位***在将末端工具的工具中心发送给机械臂***，机械臂***在用户手动拖动到一定安全范围内会自动往患者髋臼窝球心方向运动；当运动到机械臂的末端工具的工具中心与患者骨髋臼窝的球心重合后，即到达路径规划基准位置；通过用户手动按住球形摆锯按钮来提供动力，开始执行预设球体运动。

机械臂沿着球体运动过程中可随时被打断，重新手动调整路径；通过术前规划为手术操作提供虚拟夹具，在安全区域边缘部位将立即停止；手术导航***中的显示模块会显示相应的虚拟场景，为用户提供实时图像导航。

本实施例中，通过手术导航***建立髋关节三维模型准确地得到髋臼窝所在球体的球心位置，基于光学定位***根据该球心位置准确获取患者髋臼的实际中心点位置，进而控制机械臂***中的末端工具根据运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作，即实现自动搜索并运动至髋臼窝球心，从而保证了后续髋臼旋转截骨手术的准确性和安全性，提高了截骨手术操作的稳定性。

实施例3

本实施例的髋臼旋转截骨的手术机器人***是对实施例2的进一步改进，具体地：

手术导航***100用于根据髋关节三维模型获取三维形态学参数、下肢力线参数、髋臼窝的直径参数、髋臼的边缘形态参数和髋臼的朝向参数；

其中，三维形态学参数包括髋臼的前倾角和外展角；影像学上的髋臼前倾角为髋臼轴和冠状平面之间的夹角α，外展角为冠状平面上髋臼轴的投影与垂直轴的交角β。

手术导航***100还用于根据三维形态学参数、下肢力线参数、直径参数、边缘形态参数和朝向参数确定末端工具的目标尺寸。

手术导航***100还用于根据球心位置、朝向参数以及末端工具的目标尺寸确定髋臼旋转截骨手术时的多个截骨线。

其中，每个截骨线的参数包括截骨方位参数和截骨深度参数，多个截骨线形成截骨区域，所规划的截骨线将作为术中控制的安全区域边界。

髋臼窝球心为截骨区域球心，末端工具(即球形锯片)直径为截骨区域直径，进而得出所规划的球形虚拟截骨线以及球形虚拟截骨区域。

手术导航***100还用于根据多个截骨线生成运动指令序列。

在完成上述术前规划后，手术导航***将存储对应患者的相关信息，以提供给相关权限操作人员进行调用。手术导航***中的上述操作只需用户在手术前进行，无需在手术室内进行，也无需患者参与。

如图4所示，机械臂***7包括基座8、机械臂本体9、末端执行器10、末端工具11、运动控制器12、电气控制模块13和通讯模块14。

如图5所示，机械臂本体9的底部固设在基座8上，末端执行器10固设在机械臂本体9的末端；如图6和图7所示，末端工具11固设在末端执行器10上。

其中，末端执行器为末端工具提供横向摆动动力，机械臂***在减少振动导致偏心的同时，根据运动指令序列完成绕着髋臼窝球心的旋转截骨操作。

如图8所示，末端执行器10包括球形截骨摆锯，如图9所示，末端工具11包括目标尺寸的球形锯片。

球形锯片的内部弧形表面的顶端位置P与球形截骨摆锯的中心点O重合，然后根据目标尺寸的球形锯片的直径参数将球形锯片的球心位置P0点作为机械臂***中末端工具的工具中心，即通过术前规划的目标尺寸的球形锯片的直径参数，将第二基准坐标系T2平移至球形锯片的球心P0点已完成工具球心的标定。

另外，本实施例中通过采用球形摆锯，并结合对机械臂的精确控制，实现了适配于髋臼窝状结构的球形截骨操作，易于精确调整及固定，可有效地减少原骨盆广泛截骨术对骨质结构的干扰，大幅度地降低了手术创伤。

电气控制模块13分别与运动控制器12和通讯模块14电连接；

通讯模块14与光学定位***6通信连接；

通讯模块14用于光学定位***6发送的获取中心点位置和运动指令序列并发送至电气控制模块13；

电气控制模块13用于根据中心点位置触发运动控制器12控制末端工具11的工具中心移动至中心点位置，并触发末端工具11根据运动指令序列绕着中心点位置开启工作。

机械臂***7还包括移动锁定机构、控制柜和标记物固定装置；

移动锁定机构固设于基座8的底部，控制柜固设于基座8的内部，第一基准靶球通过标记物固定装置固定于基座8上。

述移动锁定机构包括支撑踏板和放松踏板；

基座8下方设有多个支撑轮和多个移动轮；

其中，当踩踏支撑踏板使其开启工作时，支撑踏板中的液压装置将支撑柱推出撑起基座8，基座8下方的移动轮离开地面以固定机械臂***7；

当踩踏放松踏板使其开启工作时，放松踏板中的液压装置缩回支撑柱，基座8下方的移动滚轮接触地面以移动机械臂***7。

标记物固定装置包含固定标记物(第一基准靶球)、标记物支架、固定装置。其中，固定装置的位置可以调节，上面固定的标记物姿态也可调节。固定装置移动方式为伸缩导杆，并且通过卡槽定位，可通过外部旋钮锁紧、放松以固定、移动装置位置；同时，标记物支架末端与固定装置顶部通过夹具夹紧，可通过旋转标记物，在手术前在一定范围调节标记物的姿态，将机械臂***摆放至手术床的一侧以确保患者骨包含在机械臂工作空间内。

如图10所示，光学定位***6包括双目摄像头15和第二可移动支架16，双目摄像头固设在第二可移动支架16上。

在术中控制之前，机械臂***的基座8上固设有第一基准靶球，末端工具11上固设有第二基准靶球。

光学定位***6用于通过标定算法在光学定位基准坐标系T0下，根据第一基准靶球获取基座8的第一基准坐标系T1，以及根据第二基准靶球获取末端工具11的工具中心的第二基准坐标系T2，并根据第一基准坐标系T1和第二基准坐标对机械臂***7进行手眼标定。

如图11所示，手术机器人***还包括探针17，探针17与光学定位***6通信连接。

当在患者髋臼B上固设第三基准靶球时，光学定位***6用于在光学定位基准坐标系T0下，根据第三基准靶球获取患者髋臼的第三基准坐标系T3；

光学定位***6还用于在光学定位基准坐标系T0下，分别获取手术导航***100对应的第四基准坐标系T4以及探针17对应的第五基准坐标系，并根据第五基准坐标系T5获取第三基准坐标系T3和第四基准坐标系T4之间的转换关系。

即将术前规划所得的基于手术导航***100对应的第四基准坐标系T4下的参数信息转换到光学定位基准坐标系T0下，根据各基准坐标系建立的联系使患者髋臼、手术导航***、机械臂***和光学定位***处于同一个坐标系中。

在术前估计阶段中，探针17用于点选患者髋臼上的第二目标特征点并发送光学定位***6；

光学定位***6用于读取探针17点选的第二目标特征点的第一位置参数信息；

光学定位***6还用于获取髋关节三维模型中第二目标特征点对应的第二位置参数信息，并计算第一位置参数信息和第二位置参数信息的匹配度，并在匹配度小于设定阈值时调用探针17重新在患者髋臼上点选新的第二目标特征点，直至匹配度大于或者等于设定阈值，即完成对术前规划的重新调整以保证手术操作的准确性。

在术中控制阶段时，光学定位***6还用于根据转换关系将球心位置转换为患者髋臼的中心点位置。

在髋臼旋转截骨手术时，手术导航***100用于根据转换关系在髋关节三维模型中对患者髋臼进行实时显示和导航，以实时反馈患者髋臼的旋转截骨手术情况，即通过手术导航***100进行监控旋转截骨情况并导航，提升了手术操作的便捷性以及操作人员(如医生)的使用体验感。

在髋臼旋转截骨手术时，光学定位***6还用于获取机械臂***7中末端工具11的当前执行路径；

光学定位***6还用于将运动指令序列转换为第四基准坐标系T4下的参考路径，并判断当前执行路径与参考路径是否一致，若是，则继续控制末端工具11对髋臼进行旋转截骨操作；若否，则退出当前执行路径。

本实施例的手术机器人***从术前规划、术前评估到术中控制、术中实时监测都参与其中，保障了髋臼旋转截骨手术的安全性、准确性和可操作性。

另外，用户可同时根据手术导航***实时显示的髋关节三维模型、锯片中心的相对位置信息，还可以随时中断运动指令，重新调整路径，实现术中导航。

用户在术中操作过程中，光学定位***用于实时监控手术过程，反馈并显示当前截骨位置及深度信息；一旦运动路径超出预定安全区域，机械臂***则立刻停止截骨操作。截骨操作结束后，机械臂***中机械臂主体可按照预设安全路径退出或用户可操作拖动机械臂安全退出，待机械臂移动至安全位置后，完成术中监测。

本实施例中，手术导航***中安装有专用的涵盖术前规划、术中控制的导航***配套软件，以及用于存储患者信息、诊断信息及手术信息的数据库软件。该手术导航***应摆放在手术室远离手术床的位置，用户通过与用户界面交互完成术前的诊断规划、三维重建、下发***指令以控制机械臂***按照指定指令进行手术操作，同时也可实时显示患者三维图像信息和术中动态图像监控。

光学定位***6放置在手术床不容易被遮挡的一侧，配合安装在患者骨盆和机械臂***的基座上的基准靶球使用，能够动态捕捉基准靶球和机械臂***的运动轨迹，实时监控手术状态、动态定位手术操作区域。还可以配合其他手术定位装置，如配套探针以及末端工具上安装的基准靶球使用已完成术中配准和坐标系变换算法的实现，精准定位目标手术位置，实现术中导航。

机械臂***主要用于根据指令完成手术操作，按目标手术路径和器械位姿移动末端执行器。机械臂***摆放在手术床可供操作的一侧，靠近患者患处，末端执行器即球形摆锯固定在机械臂上，安装术前规划设计的匹配患者髋臼形态尺寸的球形截骨摆锯的锯片，通过加工保证球形锯片的内部弧形表面的顶端位置与球形截骨摆锯的中心点重合，则可将末端工具的工具中心(O点)通过锯片的直径参数转换到球形锯片中心P0点；由手术导航***的人机交互指令控制末端工具的运动轨迹，并由光学定位***实时捕捉反馈末端执行器的位姿信息形成闭环控制，由手术机器人***保证锯片中心P0点运动轨迹符合预期的球形截面，最终通过用户手动操作提供动力使球形摆锯摆动完成截骨操作。

本实施例弥补了现有手术导航设备不能在髋臼周围截骨手术时导航的缺陷，拓展了导航设备的适用范围。通过自主开发的世界首套针对髋关节发育不良髋臼覆盖的计算方法及软件评估***，为髋臼手术科学化，规范化进行提供了理论基础。髋臼旋转截骨的手术机器人***适合于各级医院，特别是基层医院使用，此***将有效地提高基层医院的医疗水平，实现医疗资源共享，也能有效降低髋臼周围截骨手术难度，大大缩短学习曲线。

另外，在手术机器人***完成旋转截骨后，需要对截取的骨头旋转一定的角度。具体地，如图12所示，此时髋臼完全被截取下来，然后将截下来的髋臼沿着箭头所示的方向旋转一个规划的旋转角度(如图13所示)，此时使用螺钉在当前方位将髋臼固定至骨盆上，并确定完成手术；其中，基于该方位下股骨头和髋臼的重合情况计算得到髋臼覆盖率。

下面结合实例具体说明：

用户：医院有***管理员角色的用户以及医院有拿到培训证书的手术医生角色的用户。目的：根据用户在可视化界面的操作，完成从术前规划到术后评估的一系列髋臼旋转截骨手术流程。

(1)术前规划阶段

用户开启髋关节的手术导航***，登录查看并加载患者对应基本信息、诊断信息及CT数据信息；

启动根据CT数据信息三维重建获得患者的髋关节三维模型；

在髋关节三维模型上选取特征点，基于特征点自动检测髋臼窝球心和髋臼边缘，计算所需三维形态学参数，以规划末端执行器尺寸；

启动自动规划，自动显示髋臼截骨术截骨区域及骨盆周围情况，自动规划截骨旋转角度；

对髋臼覆盖率参数进行预测评估，当该髋臼覆盖率参数小于设定值时则根据评估结果手动调整方案，重复上一步与本步骤过程直至髋臼覆盖率参数满足手术需求；

以虚拟截骨区域生成机械臂***中末端工具的手术运动规划路径，可根据所显示的骨盆周围情况手动调整截骨位置和深度，重复上一步与本步骤过程直至手术运动规划路径安全可靠，保存术前规划信息并结束该阶段。

(2)术前设备确认阶段

用户开启髋关节的手术导航***，用户操作连接并检查各个***的工作状态；

确认工作状态正常后，在机械臂***的基座上安装第一基准靶球，在末端执行器上安装第二基准靶球，启动设备标定，确定末端执行器对应第二基准坐标系T2；

验证***的综合定位精度，不符合预期则重复上一步与本步骤过程直至满足预设的综合定位精度指标；完成上述确认后结束该阶段；

(3)术中注册阶段

在用户将手术机器人***推入手术室指定位置且患者躺下后，用户检查已经完成术前规划和术前设备确认，如未完成或者需要调整则重复上述两个阶段，直至满足手术需求；

进行探针连接确认，确认无误后在患者髋臼处安装第三基准靶球，实现对患者髋臼位置的动态追踪；

在患者髋臼、CT三维模型上分别选取特征点进行匹配；

基于光学定位***读取探针点选的特征点位置信息完成骨配准，生成患者髋臼的第四基准坐标系T4；

验证骨配准精度，不符合预期则重复上两步与本步骤过程直至满足预设的配准精度；

骨配准精度确认无误后，根据术前规划的末端执行器尺寸完成末端执行器注册，将术前设备确认中标定的末端执行器的第二基准坐标系T2平移至球形锯片的球心位置P0，形成新的末端执行器的基准坐标系；完成上述确认后结束该阶段；

(4)术中规划及术中导航控制阶段

用户检查已经完成前述术前规划、术前设备确认、术中注册后开始；

导出术前规划时的模型信息、位置信息和轨迹规划信息，确认无误后开启术中导航；

基于术前规划的预配准和术中注册的三维配准结果，显示患者髋臼与末端执行器之间的相对位置，并将术前规划的运动路径转换到患者髋臼的第四基准坐标系T4下得到路径一；

采用光学定位***实时捕捉末端执行器的动态路径为路径二；

在用户确认末端执行器相对于患者骨位置无误后，手持末端执行器提供动力；

机器人通过路径二反馈执行路径一，光学定位***实时监控手术过程，反馈并显示截骨位置及深度信息，路径二完成后用户检查位置是否合适；

如果位置不准确则重新调整路径一，重复上两步与本步骤过程直至符合手术预期；

用户操作结束，手动断开末端执行器动力，机械臂按照路径三退出，机械臂移动至安全位置后结束该阶段。

在一种可选的实施方式中，机械臂***中的末端工具执行的运动指令序列具体包括：

如图14所示，机械臂以姿态S1到达手术目标区域上方安全初始位置；

(1)开始截骨运动指令序列，机械臂以姿态S1到达位置A1，即使球形锯片中心点P0与患者髋臼中心点重合，以该中心点为原点，球形锯片轴线为Z轴建立目标坐标系；

(2)保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系垂直于Z轴的方向(如图示Y轴)逆时针旋转至姿态S2；

(3)保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系垂直于Z轴的方向(如图示Y轴)逆时针旋转至姿态Si；

(4)保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系垂直于Z轴的方向(如图示Y轴)逆时针旋转至姿态SN；

(5)保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系垂直于Z轴的方向(如图示Y轴)顺时针旋转返回至姿态Si；

(6)保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系垂直于Z轴的方向(如图示Y轴)顺时针旋转返回至姿态S2；

(7)保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系垂直于Z轴的方向(如图示Y轴)顺时针旋转返回至姿态S1；

(8)以姿态S1返回位置A1后，保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系的Z轴方向顺时针旋转至姿态S2；

(9)重复上述步骤(3)-(8)；

(10)以姿态S1返回位置Ai后，保持球形锯片中心点P0不变，绕目标坐标系的Z轴方向顺时针旋转至姿态Si；

(11)重复上述步骤(3)-(8)；

(12)重复上述步骤(3)-(11)，直至以姿态S1返回位置AN，即位置A1，如图15所示；

以姿态S1返回手术目标区域上方安全初始位置，完成截骨运动指令序列。

本实施例中，通过手术导航***建立髋关节三维模型准确地得到髋臼窝所在球体的球心位置，基于光学定位***根据该球心位置准确获取患者髋臼的实际中心点位置，进而控制机械臂***中的末端工具根据运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作，即实现自动搜索并运动至髋臼窝球心，从而保证了后续髋臼旋转截骨手术的准确性和安全性，提高了截骨手术操作的稳定性。

实施例4

如图16所示，本实施例的手术导航方法采用实施例1中的髋关节的手术导航***实现，手术导航方法包括：

S101、获取髋关节图像的图像数据；

S102、基于图像数据建立髋关节三维模型；

具体地，步骤S102包括：

对髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像；

根据多个分割图像对应的图像数据建立髋关节三维模型。

S103、根据髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置。

具体地，步骤S103包括：

获取髋关节三维模型上髋臼窝的患侧表面的第一目标特征点，并对第一目标特征点拟合处理得到髋臼窝所在球体的球心位置。

本实施例中，通过髋关节图像建立髋关节三维模型，根据髋关节三维模型准确地得到髋臼窝所在球体的球心位置，即实现自动搜索并运动至髋臼窝球心，从而保证了后续髋臼旋转截骨手术的准确性和安全性。

实施例5

如图17所示，本实施例的手术机器人***的控制方法采用实施例2或3中髋臼旋转截骨的手术机器人***实现，控制方法包括：

S201、手术导航***根据髋关节三维模型生成运动指令序列，并将球心位置和运动指令序列发送至光学定位***；

S202、在髋臼旋转截骨手术时，光学定位***将球心位置转换为患者髋臼的中心点位置，并将中心点位置以及运动指令序列发送至机械臂***；

S203、机械臂***将末端工具的工具中心移动至中心点位置，并控制末端工具根据运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作。

本实施例中，通过手术导航***建立髋关节三维模型准确地得到髋臼窝所在球体的球心位置，基于光学定位***根据该球心位置准确获取患者髋臼的实际中心点位置，进而控制机械臂***中的末端工具根据运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作，即实现自动搜索并运动至髋臼窝球心，从而保证了后续髋臼旋转截骨手术的准确性和安全性，提高了截骨手术操作的稳定性；另外，通过手术导航***进行监控旋转截骨情况并导航，提升了手术操作的便捷性以及操作人员(如医生)的使用体验感。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种髋关节的手术导航***，其特征在于，所述手术导航***包括手术导航模块；

所述手术导航模块用于获取髋关节图像的图像数据，并基于所述图像数据建立髋关节三维模型；

其中，所述图像数据包括盆骨、股骨的部位形状数据和断面形状数据；

所述手术导航模块还用于根据所述髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置；

所述手术导航模块用于对所述髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，并根据多个所述分割图像对应的图像数据建立所述髋关节三维模型；

其中，所述分割处理包括依次执行的粗分割处理和光滑分割处理；

所述粗分割处理基于预设机器学习方法对所述髋关节图像的所述图像数据实现；

所述光滑分割处理基于能量演化的整体分割方法对所述粗分割处理后的数据进行处理实现。

2.如权利要求1所述的髋关节的手术导航***，其特征在于，所述手术导航模块用于根据所述髋关节三维模型的模型参数获取所述髋臼窝所在球体的所述球心位置；或，

所述手术导航模块用于获取所述髋关节三维模型上所述髋臼窝的患侧表面的第一目标特征点，并对所述第一目标特征点拟合处理得到所述髋臼窝所在球体的所述球心位置。

3.如权利要求1中所述的髋关节的手术导航***，其特征在于，所述手术导航***包括显示模块；

所述显示模块与所述手术导航模块电连接；

所述手术导航模块用于将所述髋关节三维模型输出至所述显示模块进行显示；和/或，

所述手术导航***还包括主控模块、车体结构和第一可移动支架；

其中，所述车体结构固设在所述第一可移动支架上，所述主控模块固设在所述车体结构内，所述显示模块与所述车体结构固定连接；

所述主控模块与所述手术导航模块电连接；

所述主控模块用于存储所述髋关节图像，所述手术导航模块用于从所述主控模块中获取所述髋关节图像。

4.一种髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述手术机器人***包括权利要求1至3中任意一项所述的髋关节的手术导航***，所述手术机器人***还包括光学定位***和机械臂***；

所述光学定位***分别与所述手术导航***和所述机械臂***通信连接；

所述手术导航***用于根据所述髋关节三维模型生成运动指令序列，并将所述球心位置和所述运动指令序列发送至所述光学定位***；

所述光学定位***用于将所述球心位置转换为患者髋臼的中心点位置，并将所述中心点位置以及所述运动指令序列发送至所述机械臂***；

所述机械臂***用于将末端工具的工具中心移动至所述中心点位置，并控制所述末端工具根据所述运动指令序列对髋臼进行旋转截骨操作。

5.如权利要求4所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述手术导航***用于根据所述髋关节三维模型获取三维形态学参数、下肢力线参数、髋臼窝的直径参数、髋臼的边缘形态参数和髋臼的朝向参数；

其中，所述三维形态学参数包括髋臼的前倾角和外展角；

所述手术导航***还用于根据所述三维形态学参数、所述下肢力线参数、所述直径参数、所述边缘形态参数和所述朝向参数确定所述末端工具的目标尺寸。

6.如权利要求5所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述手术导航***还用于根据所述球心位置、所述朝向参数以及所述末端工具的目标尺寸确定髋臼旋转截骨手术时的多个截骨线；

其中，每个所述截骨线的参数包括截骨方位参数和截骨深度参数，多个所述截骨线形成截骨区域；

所述手术导航***还用于根据多个所述截骨线生成所述运动指令序列。

7.如权利要求6所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述机械臂***包括基座、机械臂本体、末端执行器和所述末端工具；

所述机械臂本体的底部固设在所述基座上，所述末端工具通过所述末端执行器固设在所述机械臂本体的末端；

其中，所述基座上固设有第一基准靶球，所述末端工具上固设有第二基准靶球；

所述光学定位***用于在光学定位基准坐标系下，根据所述第一基准靶球获取所述基座的第一基准坐标系，以及根据所述第二基准靶球获取所述末端工具的工具中心的第二基准坐标系，并根据所述第一基准坐标系和所述第二基准坐标对所述机械臂***进行手眼标定。

8.如权利要求7所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述末端执行器包括球形截骨摆锯，所述末端工具包括所述目标尺寸的球形锯片；

其中，所述球形锯片的内部弧形表面的顶端位置与所述球形截骨摆锯的中心点重合。

9.如权利要求8所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述机械臂***还包括运动控制器、电气控制模块和通讯模块；

所述电气控制模块分别与所述运动控制器和所述通讯模块电连接；

所述通讯模块与所述光学定位***通信连接；

所述通讯模块用于所述光学定位***发送的获取所述中心点位置和所述运动指令序列并发送至所述电气控制模块；

所述电气控制模块用于根据所述中心点位置触发所述运动控制器控制所述末端工具的工具中心移动至所述中心点位置，并触发所述末端工具根据所述运动指令序列绕着所述中心点位置开启工作；和/或，

所述机械臂***还包括移动锁定机构、控制柜和标记物固定装置；

所述移动锁定机构固设于所述基座的底部，所述控制柜固设于所述基座的内部，所述第一基准靶球通过所述标记物固定装置固定于所述基座上。

10.如权利要求9所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述移动锁定机构包括支撑踏板和放松踏板；

所述基座下方设有多个支撑轮和多个移动轮；

其中，当所述支撑踏板开启工作时，所述支撑踏板中的液压装置将支撑柱推出撑起所述基座，所述基座下方的所述移动轮离开地面以固定所述机械臂***；

当所述放松踏板开启工作时，所述放松踏板中的液压装置缩回支撑柱，所述基座下方的所述移动轮接触地面以移动所述机械臂***。

11.如权利要求7所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述手术机器人***还包括探针；

当在患者髋臼上固设第三基准靶球时，所述光学定位***用于在所述光学定位基准坐标系下，根据所述第三基准靶球获取患者髋臼的第三基准坐标系；

所述光学定位***还用于在所述光学定位基准坐标系下，分别获取所述手术导航***对应的第四基准坐标系以及所述探针对应的第五基准坐标系，并根据所述第五基准坐标系获取所述第三基准坐标系和所述第四基准坐标系之间的转换关系；

所述光学定位***还用于根据所述转换关系将所述球心位置转换为患者髋臼的所述中心点位置。

12.如权利要求11所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述手术导航***用于根据所述转换关系在所述髋关节三维模型中对患者髋臼进行实时显示和导航。

13.如权利要求11或12所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述探针与所述光学定位***通信连接；

所述探针用于点选患者髋臼上的第二目标特征点并发送所述光学定位***；

所述光学定位***用于读取所述探针点选的所述第二目标特征点的第一位置参数信息；

所述光学定位***还用于获取所述髋关节三维模型中所述第二目标特征点对应的第二位置参数信息，并计算所述第一位置参数信息和所述第二位置参数信息的匹配度，并在所述匹配度小于设定阈值时调用所述探针重新在患者髋臼上点选新的所述第二目标特征点，直至所述匹配度大于或者等于所述设定阈值。

14.如权利要求13所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述光学定位***包括双目摄像头和第二可移动支架；

所述双目摄像头固设在所述第二可移动支架上；

所述光学定位***通过所述双目摄像头获取所述第一基准坐标系、所述第二基准坐标系、所述第三基准坐标系、所述第四基准坐标系和所述第五基准坐标系。

15.如权利要求11所述的髋臼旋转截骨的手术机器人***，其特征在于，所述光学定位***还用于获取所述机械臂***中所述末端工具的当前执行路径；

所述光学定位***还用于将所述运动指令序列转换为所述第四基准坐标系下的参考路径，并判断所述当前执行路径与所述参考路径是否一致，若是，则继续控制所述末端工具对髋臼进行旋转截骨操作；若否，则退出所述当前执行路径。

16.一种手术导航方法，其特征在于，所述手术导航方法采用权利要求1至3中任意一项所述的髋关节的手术导航***实现，所述手术导航方法包括：

获取髋关节图像的图像数据；

其中，所述图像数据包括盆骨、股骨的部位形状数据和断面形状数据；基于所述图像数据建立髋关节三维模型；

根据所述髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置；

所述基于所述图像数据建立髋关节三维模型的步骤包括：

对所述髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像；

根据多个所述分割图像对应的图像数据建立所述髋关节三维模型；

其中，所述分割处理包括依次执行的粗分割处理和光滑分割处理；

所述粗分割处理基于预设机器学习方法对所述髋关节图像的所述图像数据实现；

所述光滑分割处理基于能量演化的整体分割方法对所述粗分割处理后的数据进行处理实现。

17.如权利要求16所述的手术导航方法，其特征在于，所述根据所述髋关节三维模型获取髋关节中髋臼窝所在球体的球心位置的步骤包括：

获取所述髋关节三维模型上所述髋臼窝的患侧表面的第一目标特征点，并对所述第一目标特征点拟合处理得到所述髋臼窝所在球体的所述球心位置。