CN112603538A - 骨科导航定位***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种骨科导航定位***及方法，其中骨科导航定位***包括：机械臂，其末端安装有执行器及示踪器；精度验证装置，用于配合C臂机和光学***对***导航精度进行验证及优化；光学***，用于采集各设备上示踪器位置，并得到相应设备的位置信息；C臂机，用于扫描生成术前3D影像，并与术中2D透视影像进行配准；上位机，用于在术前3D影像规划路径，并在其与术中2D透视影像配准后控制机械臂运动至目标位置，进行手术。本发明通过精准定位可以使人和机械臂的操作精度最大化，减少病人的创伤，同时可以加快手术的流程，减少医生和病人所受的辐射。

Description

骨科导航定位***及方法
技术领域
本发明涉及手术导航定位领域，尤其涉及一种骨科导航定位***及方法。
背景技术
目前，脊椎骨科手术要求医生使用术前以及术中的医学影像实现病患位置的精确定位，以便对病患位置进行处理，例如，置钉或推注骨水泥等，而这些操作的必要前置操作便是在所需位置钻孔。传统脊椎手术中，需要外科医生手动地进行定位，并保持定位钻孔导引管的位置。此手动过程有如下一些缺点：
1、医生操作手术器械精度较低导致手术定位过程复杂且安全性较低；
2、医生目光需要不断在显示屏与病人之间切换，容易造成误伤，产生并发症；
3、需要反复拍摄X光图片用于定位，增加手术时间并对医生和患者造成不必要的辐射损伤。
4、手术的成功大部分取决于外科医生的灵巧性和熟练性。
发明内容
发明目的：本发明针对上述不足，提出了一种骨科导航定位***及方法，可以辅助外科医生在患者身体内进行定位并执行手术程序。
技术方案：
一种骨科导航定位***，包括：
机械臂，其末端安装有执行器及示踪器；
精度验证装置，用于配合C臂机和光学***对***导航精度进行验证及优化；
光学***，用于采集各设备上示踪器位置，并得到相应设备的位置信息；
C臂机，用于扫描生成术前3D影像，并与术中2D透视影像进行配准；
上位机，用于在术前3D影像规划路径，并在其与术中2D透视影像配准后控制机械臂运动至目标位置，进行手术。
所述精度验证装置包括精度验证工装及验证件，其中所述精度验证工装包括承载体及验证示踪器，在所述承载体上设置有倾斜的承载面；在所述承载面上开设有若干不同直径的验证孔，所述验证孔贯穿承载体形成验证通道；在所述承载体上设置有若干按设定规则排布的所述配准点，所述配准点采用不透X光材料制作而成。
在所述C臂机的成像路径上安装有配准工装，在所述配准工装上设置有至少两个互相平行的平面结构件，在所述平面结构件上设置有配准示踪器及若干注册点。
一种骨科导航定位方法，其特征在于：包括步骤：
(1)通过前述精度验证装置配合C臂机和光学***对***导航精度进行验证及优化；
(2)通过C臂机扫描患者患处得到术前3D影像，并在术前3D影像上规划手术路径；
(3)在术中通过C臂机对患者患处进行透视成像，并将其与步骤(2)得到的术前3D影像进行配准；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)得到配准后的手术路径，并据此控制机械臂运动至目标位姿，进行手术。
所述步骤(1)中对***导航精度进行验证及优化具体如下：
(11)C臂机扫描精度验证工装的3D影像，并获取得到其上配准点的影像坐标；
(12)通过光学***获取精度验证工装上的工装示踪器位姿，并根据设计参数计算得到其上配准点的空间坐标，进而计算得到影像坐标系与光学***坐标系之间的变换关系；
(13)选取精度验证工装中某一验证通道作为规划通道，根据步骤(12)计算得到安装在末端执行器上的验证件的目标位姿；
(14)根据末端执行器及验证的安装参数计算得到验证件与机械臂末端示踪器之间的变换关系；
(15)根据步骤(13)和(14)规划机械臂运动至目标位置；
(16)通过验证件进行验证，计算验证件与验证通道之间误差，并判断其是否满足精度误差范围；若满足，则允许手术操作；若不满足，则需重新调试，直至验证件与验证通道之间误差满足精度误差范围为止。
所述步骤(3)中的配准如下：
(21)通过C臂机扫描其成像路径上安装的平面结构件得到其上注册点的影像坐标，并根据平面结构件设计参数得到其上注册点的平面坐标，据此得到平面与影像之间的变换关系；
(22)根据平面与影像之间的变换关系得到术中2D透视影像上设置的标定点在不同平面上的坐标，并根据透视投影原理得到X射线源中心；
(23)以步骤(22)得到X射线源中心为光心，以其中某一平面结构件所在平面作为虚拟成像平面构建C臂机空间定位模型，并据此对术前3D影像生成DRR 影像，并据此进行术中2D透视影像及术前3D影像配准。
所述步骤(4)中，目标位姿计算如下：
(31)计算规划通道的两个端点在的影像坐标，根据光学***获取得到的患者示踪器的位姿及前述配准结果得到规划通道的两个端点的空间坐标；
(32)根据步骤(31)及末端示踪器的安装参数计算出机械臂末端的目标位姿。
有益效果：本发明通过精准定位可以使人和机械臂的操作精度最大化，减少病人的创伤，同时可以加快手术的流程，减少医生和病人所受的辐射。
附图说明
图1为本发明的***架构图。
图2为本发明的精度验证工装示意图。
图3为本发明的验证件安装示意图。
图4为本发明的术前规划示意图。
图5为本发明构建C臂机空间定位模型示意图。
图6为本发明的运动规划示意图。
其中，10为执行控制组件,20为精度验证装置,30为光学***，40为C 臂机，50为手术平台，60为注册工装，70为规划通道；
101为机械臂末端，102为末端执行器,103为末端示踪器；201为验证示踪器，202为配准点，203为验证通道，204为验证件；401为配准工装；501为患者患处，502为患者示踪器；601为末端注册器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明的***架构图，如图1所示，本发明的骨科导航定位***包括机器人、精度验证装置20、光学***30、C臂机40以及上位机，上位机分别与机器人、光学***30及C臂机40连接。
在机器人的机械臂末端101安装有末端执行器102和末端示踪器103，机器人根据规划路径控制机械臂运动。
如图2、3所示，本发明的精度验证装置20包括精度验证工装及验证件204，其中精度验证工装包括承载体、配准点202及验证示踪器201，在承载体上设置有倾斜的承载面；在承载面上开设有若干不同直径的验证孔，验证孔贯穿承载体形成验证通道203；在承载体上设置有若干按设定规则排布的配准点202，配准点202采用不透X光材料制作而成；在本发明中，配准点202为直径为2～4mm 的钢珠；在承载体上还安装有验证示踪器201，验证示踪器201包括至少三个可以被光学***30识别出的共面不共线的验证球，验证球可以是主动发光球，也可以是反光球。在本发明中，验证示踪器201具有4个共面不共线的反光球，其中一个反光球用于校准其他发光球的位置，并可在其中任一反光球被遮挡情况下实现示踪功能；验证件204与末端执行器102配合安装。
本发明在手术之前通过该精度验证装置20进行精度验证，以确保***的可用性，具体包括如下步骤：
(11)通过C臂机40扫描精度验证工装的3D影像，并获取得到其上配准点 202在影像坐标系下的坐标；通过光学***30获取精度验证工装上的工装示踪器201位姿，并根据精度验证工装的设计参数计算得到其上配准点在光学***坐标系下的坐标，进而计算得到影像坐标系与光学***坐标系之间的变换关系；
(12)选取精度验证工装中某一验证通道203作为规划通道，并将其变换至光学***坐标系下，据此计算得到安装在末端执行器102上的验证件204的目标位姿；
(13)根据末端执行器102及验证件204的安装参数计算得到验证件204 与机械臂末端示踪器之间的变换关系；
(14)根据步骤(12)和(13)规划机械臂运动至目标位置；
(15)通过验证件进行验证，计算验证件与验证通道之间误差，并判断其是否满足精度误差范围；若满足，则允许手术操作；若不满足，则需重新调试，直至验证件与验证通道之间误差满足精度误差范围为止。
图4为本发明的术前规划示意图，如图4所示，在C臂机40的成像路径上安装有配准工装401，在配准工装401上设置有至少两个互相平行的平面结构件，在平面结构件上设置有配准示踪器及若干注册点。
本发明通过在术前3D影像中进行手术规划得到规划通道，并通过术中2D 透视影像及术前3D影像进行配准，得到手术路径，并据此进行手术操作。
本发明中，术中2D透视影像及术前3D影像进行配准具体如下：
(21)通过C臂机扫描平面结构件得到其上注册点的影像坐标，并根据平面结构件设计参数得到其上注册点的平面坐标，据此得到平面与影像之间的变换关系；
(22)根据平面与影像之间的变换关系得到术中2D透视影像上设置的标定点在不同平面上的坐标，并根据透视投影原理得到X射线源中心；
(23)以步骤(22)得到X射线源中心为光心，以其中某一平面结构件所在平面作为虚拟成像平面构建C臂机空间定位模型，如图5所示，并据此对术前 3D影像生成DRR影像，并据此进行术中2D透视影像及术前3D影像配准。
到此，可以将术前3D影像对齐到术中2D透视影像，并可以将术前在术前 3D影像中的规划通道与术中2D透视影像对齐，根据配准结果引导控制机械臂执行至目标位姿，进行手术操作。
其中，末端执行器102的目标位姿计算如下：
(31)计算规划通道70的两个端点在影像坐标系中的坐标，根据光学***30获取得到的患者示踪器502的位姿及前述配准结果得到规划通道70的两个端点在光学***坐标系下的坐标；
(32)通过光学***30可以同时看到患者示踪器502和末端示踪器103，进而根据步骤(31)及末端示踪器103的安装参数可以计算出机械臂末端应该达到的位置，控制机械臂末端达到计算的理论值，并通过光学***30实时获取患者示踪器502和末端示踪器103的位姿，对机械臂末端的位置进行不断补偿和调整，最终达到规划位置，如图6所示。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种骨科导航定位***，其特征在于：包括：
机械臂，其末端安装有执行器及示踪器；
精度验证装置，用于配合C臂机和光学***对***导航精度进行验证及优化；
光学***，用于采集各设备上示踪器位置，并得到相应设备的位置信息；
C臂机，用于扫描生成术前3D影像，并与术中2D透视影像进行配准；
上位机，用于在术前3D影像规划路径，并在其与术中2D透视影像配准后控制机械臂运动至目标位置，进行手术。
2.根据权利要求1所述的骨科导航定位***，其特征在于：所述精度验证装置包括精度验证工装及验证件，其中所述精度验证工装包括承载体及验证示踪器，在所述承载体上设置有倾斜的承载面；在所述承载面上开设有若干不同直径的验证孔，所述验证孔贯穿承载体形成验证通道；在所述承载体上设置有若干按设定规则排布的所述配准点，所述配准点采用不透X光材料制作而成。
3.根据权利要求1所述的骨科导航定位***，其特征在于：在所述C臂机的成像路径上安装有配准工装，在所述配准工装上设置有至少两个互相平行的平面结构件，在所述平面结构件上设置有配准示踪器及若干注册点。
4.一种采用权利要求1～3任一所述的骨科导航定位***的骨科导航定位方法，其特征在于：包括步骤：
(1)通过前述精度验证装置配合C臂机和光学***对***导航精度进行验证及优化；
(2)通过C臂机扫描患者患处得到术前3D影像，并在术前3D影像上规划手术路径；
(3)在术中通过C臂机对患者患处进行透视成像，并将其与步骤(2)得到的术前3D影像进行配准；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)得到配准后的手术路径，并据此控制机械臂运动至目标位姿，进行手术。
5.根据权利要求4所述的骨科导航定位方法，其特征在于：所述步骤(1)中对***导航精度进行验证及优化具体如下：
(11)C臂机扫描精度验证工装的3D影像，并获取得到其上配准点的影像坐标；
(12)通过光学***获取精度验证工装上的工装示踪器位姿，并根据设计参数计算得到其上配准点的空间坐标，进而计算得到影像坐标系与光学***坐标系之间的变换关系；
(13)选取精度验证工装中某一验证通道作为规划通道，根据步骤(12)计算得到安装在末端执行器上的验证件的目标位姿；
(14)根据末端执行器及验证的安装参数计算得到验证件与机械臂末端示踪器之间的变换关系；
(15)根据步骤(13)和(14)规划机械臂运动至目标位置；
(16)通过验证件进行验证，计算验证件与验证通道之间误差，并判断其是否满足精度误差范围；若满足，则允许手术操作；若不满足，则需重新调试，直至验证件与验证通道之间误差满足精度误差范围为止。
6.根据权利要求4所述的骨科导航定位方法，其特征在于：所述步骤(3)中的配准如下：
(21)通过C臂机扫描其成像路径上安装的平面结构件得到其上注册点的影像坐标，并根据平面结构件设计参数得到其上注册点的平面坐标，据此得到平面与影像之间的变换关系；
(22)根据平面与影像之间的变换关系得到术中2D透视影像上设置的标定点在不同平面上的坐标，并根据透视投影原理得到X射线源中心；
(23)以步骤(22)得到X射线源中心为光心，以其中某一平面结构件所在平面作为虚拟成像平面构建C臂机空间定位模型，并据此对术前3D影像生成DRR影像，并据此进行术中2D透视影像及术前3D影像配准。
7.根据权利要求4所述的骨科导航定位方法，其特征在于：所述步骤(4)中，目标位姿计算如下：
(31)计算规划通道的两个端点在的影像坐标，根据光学***获取得到的患者示踪器的位姿及前述配准结果得到规划通道的两个端点的空间坐标；
(32)根据步骤(31)及末端示踪器的安装参数计算出机械臂末端的目标位姿。
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