CN112641510A - 关节置换手术机器人导航定位***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种关节置换手术机器人导航定位***及方法，所述***包括：术前规划模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，进行术前规划，确定手术方案；光学导航定位模块，用于根据手术方案生成导航指令，根据患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；机械臂控制模块，用于将末端执行器移动至患者骨骼手术位置，并控制末端执行器根据导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。通过骨科手术机器人执行术前规划，高水准的完成手术操作，能大大减低医师的作业强度，节约手术时间，提高作业精度。

Description

关节置换手术机器人导航定位***及方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种关节置换手术机器人导航定位***及方法。
背景技术
近年来，髋关节置换术作为治疗髋关节疾病最有效的治疗方法，在国内外得到了广泛的开展。我国是髋关节疾病的高发国家，亚洲预计将新增近千万罹患各类髋关节相关疾病的患者。然而，传统关节置换手术术前规划不完善，术前准备不充分，缺乏术中精准导航定位，严重依赖医生的手术经验，操作繁琐，可重复性差，造成较高的术后并发症发生率，严重制约了髋关节置换手术的效果。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提供一种关节置换手术机器人导航定位***及方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种关节置换手术机器人导航定位***，包括：术前规划模块、光学导航定位模块和机械臂控制模块；
术前规划模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；
光学导航定位模块，用于根据手术方案生成导航指令，以及，根据光学定位仪，患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；
机械臂控制模块，用于将末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
进一步地，所述术前规划模块包括：数据获取子模块、三维模型重建子模块、髋臼侧计划确定子模块、股骨侧计划确定子模块和计划方案确认子模块；
其中，所述数据获取子模块，用于获取髋关节医学图像数据；
所述三维模型重建子模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型；
所述髋臼侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，并根据髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角以及髋臼外展角，综合考虑髋臼杯覆盖率，确定髋臼侧植入假体的大小型号以及位置；
所述股骨侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角，并根据股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角确定股骨侧假体植入大小型号及位置，同时考虑腿长差和股骨联合偏心距；
所述计划方案确认子模块，用于确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适，若否，则触发所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块重新确定髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划，若是，则将所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划作为术前规划方案。
进一步地，所述光学导航定位模块，具体用于：
根据骨盆参考架和股骨参考架确定患者髋关节的空间位置，以及，根据患者髋关节和机械臂的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置和机械臂的实时位姿。
进一步地，所述光学导航定位模块包括光学跟踪子模块；
所述光学跟踪子模块，用于根据机械臂与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节实体模型进行配准，并根据配准后的髋关节实体模型对机械臂模型位置进行校准。
进一步地，所述光学跟踪子模块在根据机械臂与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系对所述髋关节实体模型进行配准时，具体用于：
以三角形为配准过程中的最小单元，若医生术中标记的点为A、B、C三点，对应的术前规划点为a、b、c，其中，医生标记的点都在人体组织表面上；
在a、b、c分别对应的邻域空间点集中筛选出对应的点a’、b’、c’，使三角形ABC和三角形a’b’c’全等，其中，a’b’c’三点都在人体组织表面上；其中，由a’、b、’c’组成的三角形与A、B、C组成的三角形是全等三角形；
将术前规划的a、b、c的空间位置修正到a’、b、’c’的空间位置，并运用配准方法将术中标记的点和术前规划的点进行配准，以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
进一步地，所述机械臂控制模块包括机械臂位置定位子模块；
所述机械臂位置定位子模块，用于将机械臂的位置和姿态信息发送至所述光学跟踪子模块，以使光学跟踪子模块实时获取机械臂的空间位置信息。
进一步地，所述机械臂控制模块在进行磨锉操作时，具体用于：
确定安全操作范围和锥形立体定向边界；
当机械臂的操作超过所述安全操作范围时，控制加力产生所述锥形立体定向边界以控制所述机械臂在所述锥形立体定向边界内进行磨锉；
其中，当髋臼锉靠近计划的髋臼内的髋臼杯位置时，所述锥形立体定向边界出现，边界设计为特定的锥形形状，当髋臼锉靠近靶点位时显示边界的横截面进行机械臂的限制，当髋臼锉偏离所述锥形立体定向边界，引导回到所述锥形立体定向边界内，同时当机械臂在锥形立体定向边界应用时，在定位控制范围内依据同轴完成操作，机械臂支持动力完成高速磨钻操作，若机械臂移出所述锥形立体定向边界以外预设角度，控制髋臼锉的电源切断停止磨锉操作。
进一步地，所述机械臂控制模块在进行压配操作时，具体用于：
在进行压配髋臼时，将压配杆移入髋臼位置时，所述锥形立体定向边界将启动，实时对齐前倾角、外展角使之与术前规划的前倾角、外展角匹配并进行效果展示；
其中，髋臼锉头端和靶深度在上下、内外、前后方向的距离在各方向都是0mm时停止操作，同时更新压配图和所述锥形立体定向边界；
其中，在操作过程中，实时监测患者是否发生***移动，如果监测***移动机械臂将会进行位置实时补偿，在补偿模式下提供引导操作辅助完成操作。
进一步地，所述关节置换手术机器人导航定位***还包括显示模块；
所述显示模块与所述光学导航定位模块通信连接，用于将所述髋关节实体模型的即时状态显示于人机交互显示屏。
进一步地，所述光学导航定位模块通过手术探针采集患者骨骼上至少三个标识点的空间位置，以使根据患者骨骼上标识点和患者髋关节的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型。
进一步地，所述光学导航定位模块还包括术后验证子模块；
所述术后验证子模块用于，在所述髋关节三维模型完成配准后，通过手术探针再次采集患者骨骼上至少三个标识点的空间位置，验证配准后的标识点位置是否正确。
第二方面，本发明实施例还提供了一种关节置换手术机器人导航定位方法，包括：
根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；
根据手术方案生成导航指令，以及，根据光学定位仪，患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；
将机械臂的末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所述关节置换手术机器人导航定位方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述关节置换手术机器人导航定位方法的步骤。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***及方法，术前根据髋关节医学图像数据得到髋关节的三维模型，进而根据髋关节三维模型进行手术规划，确定手术方案，术中根据手术方案生成导航指令，并根据患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，使得通过髋关节三维模型能准确反映患者髋关节的结构构造，进而准确定位患者骨骼手术位置，以使手术机器人根据导航指令和手术位置进行手术操作。由此可见，本发明实施例通过三维模型进行术前规划，以及，利用空间定位方法进行术中导航定位，以使手术机器人借助其高精度的三维模型进行最优化手术路径规划，并通过高自由度机械臂操作进行路径实现，从而辅助骨科手术医师完成截骨、磨削、固定等操作。本发明实施例在提高手术成功率的同时，很大程度减少软组织和骨组织的损伤，使得患者出血少、创伤小，术后髋关节功能的康复会更快。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***光学定位模块的结构示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***机械臂控制模块的结构示意图；
图4是本发明一实施例提供的另一种关节置换手术机器人导航定位***的结构示意图；
图5是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位方法的流程图；
图6是本发明一实施例提供的另一种关节置换手术机器人导航定位方法的流程图；
图7是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***髋臼杯植入计划示意图；
图8是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***股骨柄植入计划示意图；
图9是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***截骨操作示意图；
图10是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***磨锉操作示意图；
图11是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***压配操作示意图；
图12是本发明一实施例提供的另一种关节置换手术机器人导航定位***在锥形立体定向边界内进行安全磨锉的操作示意图；
图13是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***复位操作示意图；
图14是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***的配准过程示意图；
图15是本发明一实施例提供的一种骨科手术机器人的应用场景示意图；
图16是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***磨锉场景示意图；
图17是本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***压配场景示意图；
图18是本发明一实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***的结构示意图，下面结合图1对本发明实施例提供的关节置换手术机器人导航定位***进行详细解释和说明。
如图1所示，本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***，包括：术前规划模块1、光学导航定位模块2和机械臂控制模块3；
术前规划模块1，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；
光学导航定位模块2，用于根据手术方案生成导航指令，以及，根据光学定位仪，患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；
机械臂控制模块3，用于将末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
在本实施例中，可以通过成像设备(CT/MRI/X线)对病人的骨盆及双下肢进行术前扫描，生成术前骨盆及双下肢的三维视图。可选的，手术导航***在术前读入DICOM格式CT图像，并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重建个体化复杂髋关节三维模型(这一步可以根据现有算法实现)，包括虚拟骨盆和股骨，以使手术人员通过髋关节三维模型在术前充分评估病人情况、利用***软件规划手术入路和模拟髋关节(股骨侧、髋臼侧)手术方案。所述手术方案包括假体植入的位置、大小和角度等手术信息。本发明实施例可以在普通计算机上实现医学图像处理，使医生可以对可视化三维图像任意剖分。在手术导航***中，病灶信息在视觉上清晰可见，而且便于手术操作。
在本实施例中，需要说明的是，通过计算机***导入手术导航***，包括测量髋臼形态、骨量、髋臼外展角及前倾角、腿长差异和偏心距。术中可根据实际测量数据并及时在电脑中显示对所有数据进行模板化，以确定假体的大小和位置。
在本实施例中，如图7本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***髋臼杯植入计划示意图和图8本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***股骨柄植入计划示意图所示，术前规划确定假体植入的方案，包括：模拟髋臼杯和股骨柄植入后的实况，并显示假体相关信息。
在本实施例中，骨盆参考架和股骨参考架可手动安置在髋臼侧和股骨侧，利用***的导航相机跟踪骨盆参考架和股骨参考架上的示踪元件，确定患者的髋关节的骨盆和股骨的空间位置。相应的，在手术探针进行采点时导航相机跟踪手术探针尾部的示踪元件，通过算法计算出所采集点的空间位置，进而将手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置集成到一个共同的坐标***中，对髋关节三维模型进行配准。此时，在髋关节三维模型中会显示出相应的采集点，通过点云配准算法，分别实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。可以理解的是，术中导航模块2需要将术中病人***与术前扫描数据(如CT和MRI)进行坐标系配准，从而找到术前扫描数据与术中病人***的转换关系，进而根据术中病人***对术前规划生成的髋关节三维模型进行修正，以降低术前规划过程中标记点空间位置的误差，从而极大的提高配准精度。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述术前规划模块包括：数据获取子模块、三维模型重建子模块、髋臼侧计划确定子模块、股骨侧计划确定子模块和计划方案确认子模块；
其中，所述数据获取子模块，用于获取髋关节医学图像数据；
所述三维模型重建子模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型；
所述髋臼侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，并根据髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，以及髋臼杯覆盖率，确定髋臼侧植入假体的大小型号以及位置；
举例来说，当髋关节三维模型髋臼直径为50mm，确定相应的髋臼侧植入假体的大小型号约为50mm，当髋臼前倾角为20°，髋臼外展角为40°，根据髋臼旋转中心位置及保证髋臼杯覆盖率大于70％情况，确定髋臼植入假体的具***置。
所述股骨侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴和股骨颈干角，并根据股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴和股骨颈干角，确定股骨侧假体植入大小型号及位置，同时考虑腿长差和股骨联合偏心距；
具体地，可以根据股骨头旋转中心，确定股骨侧假体旋转中心，并根据股骨髓腔解剖轴确定股骨侧假体轴线，根据股骨髓腔形态及颈干角确定股骨侧假体大小号。
所述计划方案确认子模块，用于确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适，若否，则触发所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块重新确定髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划，若是，则将所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划作为术前规划方案。
在本实施例中，在确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适时，具体是指：
髋臼侧假体大小型号合适标准：髋臼杯直径近似于髋臼直径相等，髋臼杯与髋臼前后径贴合但又不过多磨损骨质，保证髋臼杯覆盖率大于70％。髋臼杯位置合适的标准：髋臼杯放置在安全区。股骨合适的标准：股骨侧假体与股骨贴合。
在本发明实施例中，采用一种优选的实施方式，将术前在扫描数据上选定的点云与术中医生标定的点云进行拟合，找出最合适的旋转矩阵，其中医生在病人人体上标定的点会参照术前选定的点，当医生标定的点和术前选定的点在人体上不在同一位置时，需要根据医生标记的点云的空间位置关系和结构来实时修正术前选定的点云的位置，使最终配准结果达到较高的精度。其中，点云配准算法如下：
以使用手术探针采集至少三个病人解剖结构上的点为例，此时配准算法的最小单元为三角形，假设医生术中标记的点为A B C三点，对应的术前规划点为a b c，可以默认医生标记的点都在人体组织表面上，则我们需要在a b c的邻域中找到点a’,b’,c’，使三角形ABC和三角形a’b’c’全等，其中a’b’c’点都在人体组织表面上，这样a’b’c’三点与ABC三点在人体组织上的位置重合度极高，因为三角形具有唯一性。如图14所示，本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***的配准过程示意图。图中左侧A、B、C为医生术中标记的点，右侧a、b、c为术前规划的点，可以看出，(A、B、C)和(a、b、c)有明显的空间位置误差，右侧空白标记点为a、b、c邻域空间的点集。在大量空白标记点中筛选出a’、b、’c’，由a’、b、’c’组成的三角形与A、B、C组成的三角形基本上是全等三角形，此时将术前规划的a、b、c的空间位置修正到a’、b、’c’的空间位置，并运用ICP配准方法即可将术中标记的点和术前规划的点进行配准，以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
可以理解的是，由于三角形具有唯一性和足够的稳定性，因此在配准时采用三角形作为配准最小单元能够有效提高配准的准确性，从而可以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
在本实施例中，需要说明的是，在完成股骨侧和髋臼侧表面的精确配准后，操纵机械臂实现对骨骼的定位，机械臂结合配套的手术工具完成操作，为髋关节置换的精准操作提供保障，同时术中还能进行手术计划的微调，突破传统的手术工具的限制，实现患者的个性化设计，完成假体置换，以恢复关节的自然运动。具体的，将机械臂的末端执行器移动至患者骨骼手术位置，并控制末端执行器根据导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作，如图9、图10、图11和图12所示。其中，导航指令匹配术前规划模块1制定的手术方案。
在本实施例中，需要说明的是，机械臂控制模块3涉及的机器人本体包括可移动基座、七自由度机械臂和机器人末端执行器。其中，可移动基座作为整个装置的基座，七自由度机械臂固定安装于可移动基座的上方，通过信号电缆与控制器相连并接受其控制信号，机器人末端执行器固定安装于机械臂末端的机械接口上，并通过导线与控制器相连以接收控制信号，机器人末端执行器作为机器人的作业工具，包括手术用的骨锯、骨钻和夹持工具。
在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例的性能指标包括定位误差、重复定位精度、机械臂距离测量误差、机械臂工作范围、机械臂负载位移、机械臂头端受力方向移动、软件功能(含患者序列管理、三维浏览、图像配准、三维重建、手术计划制定、患者注册、术中定向定位)，可辅助完成髋关节置换的骨科手术，完成截骨、磨搓、固定等操作。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述机械臂控制模块在进行磨锉操作时，具体用于：
确定安全操作范围和锥形立体定向边界；
当机械臂的操作超过所述安全操作范围时，控制加力产生所述锥形立体定向边界以控制所述机械臂在所述锥形立体定向边界内进行磨锉；
其中，当髋臼锉靠近计划的髋臼内的髋臼杯位置时，所述锥形立体定向边界出现，边界设计为特定的锥形形状，当髋臼锉靠近靶点位时显示边界的横截面进行机械臂的限制，当髋臼锉偏离所述锥形立体定向边界，引导回到所述锥形立体定向边界内，同时当机械臂在锥形立体定向边界应用时，在定位控制范围内依据同轴完成操作(同轴的设置能够有效保证手术操作的一致性以及安全性)，机械臂支持动力完成高速磨钻操作，若机械臂移出所述锥形立体定向边界以外预设角度，控制髋臼锉的电源切断停止磨锉操作。
在本实施例中，髋臼侧在机械臂的引导下进行可视化磨锉，保留骨量较少出血，如图12所示，***设置了安全范围及立体定向边界来指导机械臂操作，如果用户试图在计划外进行操作，***会出现加力产生一个锥形壁垒(立体定向边界)，当髋臼锉足够靠近计划的髋臼内的髋臼杯位置时，边界会自动出现，边界设计为特定形状，当髋臼锉靠近靶点位时候会显示边界的横截面进行机械臂的限制，当髋臼锉偏离立体定向边界，***会进行引导用户回到计划的边界内，同时当机械臂时在立体定向边界应用时候，在定位控制范围内需要依据同轴完成操作，机械臂支持动力完成高速磨钻操作，如果机械臂移出定位控制以外5度，钻的电源会被切断停止磨锉操作，对于立体定向边界没有应用的时候，用户可以任意倾斜和偏转角度进行扩锉。由此可见，本实施例通过锥形立体定向边界来约束机械臂的操作过程，有效保证了通过机械臂进行手术操作的安全性。本实施例能够很大程度减少软组织和骨组织的损伤，使得患者出血少、创伤小，术后髋关节功能的康复会更快。
在本实施例中，可以理解的是，锥形立体定向边界的角度范围大约在10-15°，这里的角度是指偏离髋臼轴的角度，以保证患者的安全。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述机械臂控制模块在进行压配操作时，具体用于：
在进行压配髋臼时，将压配杆移入髋臼位置时，所述锥形立体定向边界将启动，实时对齐前倾角、外展角使之与术前规划的前倾角、外展角匹配并进行效果展示；
其中，髋臼锉头端和靶深度在上下、内外、前后方向的距离在各方向都是0mm时停止操作，同时更新压配图和所述锥形立体定向边界。
在本实施例中，机械臂引导下定位髋臼杯位置，通过视觉效果及力反馈辅助医生准确植入，在进行压配髋臼时，将压配杆移入髋臼位置时，立体定向边界将会启动，实时对齐前倾角、外展角使之与屏幕计划的角度匹配并进行效果展示(例如：前倾20度、外展40度)，即髋臼锉头端和靶深度在上下、内外、前后方向的距离在各方向都是0mm时用户停止操作，***同时更新压配图和立体定向边界，在用户操作过程中，利用术中导航***能够实时监测患者是否发生***移动，如果监测***移动机械臂将会进行位置的实时补偿，在补偿模式下提供引导操作辅助医生完成操作。在本申请中，机械臂为7自由度活动关节，在使用操作过程中存在两种状态，包含：“自由臂”状态，机械臂不受约束能够进行机械臂的自由移动，不受立体定向边界的限制、“固定臂”状态，机械臂只能是在约定的范围内进行移动，同时也为机械臂提供了一个安全静息状态，较自由臂相比存在更多的阻力。同时，***设定了多重控制及保护机制，显示器进行压配前倾20外展40的实时效果展示引导用户操作同时设定边界保护，模型动力可根据在边界保护范围内实现自动停止及声音提示，同时可支持用户完成急停，机械保护、断电保护等功能操作。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，本发明实施例还可以包括以下几部分——机械臂***、光学导航定位***、计算机控制***及配套辅助工具组成。通过“机械臂+导航”模式实现光学导航下的机械臂实时定位和操作。对机器人辅助导航***的全空间坐标转换技术，研究了图像中规划的工具投影变换到患骨坐标系下的方法，并基于光学定位***建立了患骨坐标系与机器人基坐标系之间的映射关系，从而建立图像坐标系到机器人坐标系的变换。具体的，术前/术中获取患者损伤部位的影像并上传到主控台完成识别，医生通过主控台规划手术路径设计。医生将机械臂拖动至术区后，机械臂按照规划好的手术路径进行精准定位，并完成术中操作。其中，计算机***可针对CT数据进行重建、分割完成术前计划，同时具有自动识别3D图像的体表特征标记点的功能，并通过标志点配准实现患者空间、机器人空间、图像空间的坐标映射，利用七自由度机构的运动控制算法，包括快速定位的点位控制及精确轨迹控制，实现控制机器人运动，并依据设定的参考位置调整机器人运动轨迹规划。光学导航定位***一般是由测量仪器、传感器、光学定位仪等计算机软件构成。建模与规划阶段主要依靠影像***完成图像的采集、处理与特征分析，确定手术实施策略，此阶段主要由机器人的规划导航定位部分来确保手术的操作与运行。其中计算机***的中央控制模块通过局域网络与光学跟踪***相连接，接受来自导航装置的导航指令，并将机器人位置、姿态等自身信息输出到光学跟踪***，中央控制模块通过PCI总线与多轴运动控制模块相连接，中央控制模块完成机器人运动规划，并将指令发送到多轴运动控制模块，由后者具体实现机器人运动控制。机械臂为多自由度臂，依靠机械臂配合专用手术器械，根据术前规划参数无需更改机位即可完全覆盖整个全髋关节置换手术所涉及的空间范围，完成精准定位。
在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例涉及的手术辅助机器人能自主实现手术术前规划的操作动作，并可在手术中由医师随时进行调整，并且机械手的定位准确、稳定且有力，可以避免外科医生长时间手术而带来的疲劳，以及可能造成医生手臂颤动，从而提高了手术的精度、稳定性以及安全性。此外，本发明实施例自由度高，适用性强。现有骨科手术辅助机器人***都是为特定手术作业设计的，而本发明实施例涉及的手术辅助机器人有7自由度，灵活性高，还具有冗余自由度，便于与医师协同作业。
在本实施例中，需要说明的是，功能模块之间采用快速接口技术(数据接口及机械接口)，以方便组装框架及连接驱动电机和线缆。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，本发明实施例可以采用上下位机的控制结构，上位机采用计算机***，根据术前计划内容向下位机发送运动控制信号；下位机是7自由度机械臂，接收上位机传来的控制指令，从而实现机器人的连接与运动。在***控制同时使用了自动控制和手动控制两种不同的控制方式：采用自动控制时，用计算机***作为上位机，完成和医生的人机交互工作，并将控制信息发送给下位机器人；采用手动控制时，用手控面板作为上位机，由医生直接通过按钮来控制导航单元和牵引单元的运动。这样的设计实现了控制***的冗余：在通常情况下可以使用计算机***自动控制来方便的控制导航单元和机器人定位单元的运动：一旦计算机***出现故障，还可以使用手控面板，这样就提高了控制***的可靠性和稳定性。
在本实施例中，需要说明是，本发明实施例结构开放，能够作为基础平台与导航***完美结合。操作方式灵活，既可以与自动导航装置连接，在导航装置的引导下作为执行机构完成术前规划的操作，也可以作为独立的手术辅助器械在医师的操作下实现截骨、磨削等手术操作，并且极大提高了实时跟踪数据流的质量和防抖动功能。
在本实施例中，如图15本发明一实施例提供的一种骨科手术机器人的应用场景示意图所示，a表示主控台车显示器，用于完成术前规划和显示整个手术过程的实况信息；b表示主控台车，用于承载主控台车显示器a，可任意移动；i表示光学导航仪，用于追踪机械臂d、探针c、股骨参考架l和髋臼参考架m的空间位置；c表示手术探针，用于收集患者解剖结构上的一些点；d表示骨科手术机器人的机械臂，所述机械臂为7自由度机械臂，固定安装于可移动基座的上方，通过信号电缆与控制器相连并接受其控制信号。e表示磨锉杆，用于通过机械臂d实现磨锉操作；f表示机械臂标定支架，用于承载机械臂d；g表示机械臂动力，可根据头端受力方向移动，完成截骨和固定等操作；h表示手术床，用于承载手术患者；m表示髋臼参考架，用于定位患者髋臼侧位置；l表示股骨参考架，用于定位患者股骨位置；j表示光学导航仪显示器，用于显示由光学导航仪i捕捉到的机械臂d、探针c、股骨参考架l和髋臼参考架m的空间姿态；k表示光学导航底座，用于承载光学导航仪i和光学导航仪显示器j，可任意移动。如图16和图17所示，本发明实施例先进行磨锉操作，后进行压配操作。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，本发明实施例在假体植入后，还可以包括用于确认是否进行手术复位的复位确定子模块，参见图13，本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***复位操作示意图。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***，术前根据髋关节医学图像数据得到髋关节的三维模型，进而根据髋关节三维模型进行手术规划，确定手术方案，术中根据手术方案生成导航指令，并根据患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，使得通过髋关节三维模型能准确反映患者髋关节的结构构造，进而准确定位患者骨骼手术位置，以使手术机器人根据导航指令和手术位置进行手术操作。由此可见，本发明实施例通过三维模型进行术前规划，以及，利用空间定位方法进行术中导航定位，以使手术机器人借助其高精度的三维模型进行最优化手术路径规划，并通过高自由度机械臂操作进行路径实现，从而辅助骨科手术医师完成截骨、磨削、固定等操作。本发明实施例在提高手术成功率的同时，很大程度减少软组织和骨组织的损伤，使得患者出血少、创伤小，术后髋关节功能的康复会更快。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光学导航定位模块，具体用于：
根据骨盆参考架和股骨参考架确定患者髋关节的空间位置，以及，根据患者髋关节和机械臂的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置和机械臂的实时位姿。
在本实施例中，如图2本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***光学定位模块的结构示意图所示，骨盆参考架和股骨参考架可手动安置在髋臼侧和股骨侧，利用***的导航相机跟踪骨盆参考架和股骨参考架上的示踪元件，确定患者的骨盆和股骨的空间位置。相应的，在机械臂进入***导航相机追踪范围时，通过机械臂上的示踪元件确定机械臂所在空间位置，进而将机械臂与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置集成到一个共同的坐标***中，对髋关节三维模型进行配准。此时，在髋关节三维模型中可以实时显示机械臂的姿态和位置信息。由此可见，本发明实施例通过术前/术中获得的待手术区的基准位置与机械臂所在的实时位置进行比对和标定，从而实现对机械臂的追踪和导航。而现有的髋关节置换技术，术中将影像与患者实际骨组织进行实际空间位置配准注册的过程操作难度系数大，不能对机械臂进行位置校准，存在机械臂位置误差的情况。
在本实施例中，需要说明的是，由于骨组织附着有皮肤、肌肉且处于较深处，手术中难以充分暴露，肉眼难以透视，为获取准确施术位置，传统手术需要借助术中多次CT扫描，通过结合图像、人眼观察及医生经验才能确定手术位点，造成误差较大且对医生经验依赖较重。骨科机器人需要通过术前/术中获得的待手术区的基准位置与手术器械所在的实时位置进行比对和标定，从而实现对手术器械的追踪和导航。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光学导航定位模块包括光学跟踪子模块4；
所述光学跟踪子模块，用于根据机械臂与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节实体模型进行配准，并根据配准后的髋关节实体模型对机械臂模型位置进行校准；
在本实施例中，如图15本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***的机械臂标定示意图所示，在根据患者髋关节和机械臂的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置和机械臂的实时位姿后，对机械臂模型的位置进行校准。光学跟踪子模块4负责术中实时定位监测，对定位误差进行实时动态调整，引导机械臂自动调整。而现有技术有关导航机器人***的涉及，还无法满足手术计划的微调，无法突破传统的手术工具带来的限制。由此可见，本发明实施例可以对机械臂及手术器械进行位置校准，精准计算不同手术器械的工具坐标系，通过软件实现标志点的识别和不同坐标系的转换。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图3本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位***机械臂控制模块的结构示意图所示，所述机械臂控制模块包括机械臂位置定位子模块5；
所述机械臂位置定位子模块5，用于将机械臂的位置和姿态信息发送至所述光学跟踪子模块，以使光学跟踪子模块实时获取机械臂的空间位置信息。
在本实施例中，机械臂位置定位子模块5可以将获取的有关机械臂的位置和姿态信息发送至光学跟踪子模块4，以使光学跟踪子模块实时获取机械臂的空间位置信息，从而根据机械臂的空间位置信息对机械臂进行误差校准。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图4本发明一实施例提供的另一种关节置换手术机器人导航定位***的结构示意图所示，所述关节置换手术机器人导航定位***还包括显示模块6；
所述显示模块6与所述光学导航定位模块2通信连接，用于将所述髋关节实体模型的即时状态显示于人机交互显示屏。
在本实施例中，显示模块6用于通过人机交互显示屏将髋关节书中的实体模型的即时状态进行显示，以便医生进行参考和把控。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述光学导航定位模块通过手术探针采集患者骨骼上至少三个标识点的空间位置，以使根据患者骨骼上标识点和患者髋关节的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型。
在本实施例中，需要说明的是，术中利用手术探针的针尖点触髋臼侧和股骨测上至少三个不同位置，以使根据手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的股骨进行配准，以及，根据手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图4本发明一实施例提供的另一种关节置换手术机器人导航定位***的结构示意图所示，所述关节置换手术机器人导航定位***还包括术后验证子模块6；
所述术后验证子模块6用于，在所述髋关节三维模型完成配准后，通过手术探针再次采集患者骨骼上至少三个标识点的空间位置，验证配准后的标识点位置是否正确。
在本实施例中，需要说明的是，在髋臼侧和股骨侧配准完成后，根据配准后的采集点距离骨表面的距离验证配准是否正确。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种关节置换手术机器人导航定位方法，如图5本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位方法的流程图和图6本发明一实施例提供的另一种关节置换手术机器人导航定位方法的流程图所示，所述方法包括：
步骤501：根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；
在本步骤中，可以通过成像设备(CT/MRI/X线)对病人的骨盆及双下肢进行术前扫描，生成术前骨盆及双下肢的三维视图。可选的，手术导航***在术前读入DICOM格式CT图像，并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重建个体化复杂髋关节三维模型，包括虚拟骨盆和股骨，以使手术人员通过髋关节三维模型在术前充分评估病人情况、利用***软件规划手术入路和模拟髋关节(股骨侧、髋臼侧)手术方案。所述手术方案包括假体植入的位置、大小和角度等手术信息。本发明实施例可以在普通计算机上实现医学图像处理，使医生可以对可视化三维图像任意剖分。在手术导航***中，病灶信息在视觉上清晰可见，而且便于手术操作。
步骤502：根据手术方案生成导航指令，以及，根据光学定位仪，患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；
在本步骤中，骨盆参考架和股骨参考架可手动安置在髋臼侧和股骨侧，利用***的导航相机跟踪骨盆参考架和股骨参考架上的示踪元件，确定患者的髋关节的骨盆和股骨的空间位置。相应的，在手术探针进行采点时导航相机跟踪手术探针尾部的示踪元件，通过算法计算出所采集点的空间位置，进而将手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置集成到一个共同的坐标***中，对髋关节三维模型进行配准。此时，在髋关节三维模型中会显示出相应的采集点，通过点云配准算法，分别实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。可以理解的是，术中需要术中病人***与术前扫描数据(如CT和MRI)进行坐标系配准，从而找到术前扫描数据与术中病人***的转换关系，进而根据术中病人***对术前规划生成的髋关节三维模型进行修正，以降低术前规划过程中标记点空间位置的误差，从而极大的提高配准精度。
步骤503：将机械臂的末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
在本步骤中，在完成股骨侧和髋臼侧表面的精确配准后，操纵机械臂实现对骨骼的定位，机械臂结合配套的手术工具完成操作，为髋关节置换的精准操作提供保障，同时术中还能进行手术计划的微调，突破传统的手术工具的限制，实现患者的个性化设计，完成假体置换，以恢复关节的自然运动。具体的，将机械臂的末端执行器移动至患者骨骼手术位置，并控制末端执行器根据导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。其中，导航指令匹配术前规划制定的手术方案。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位方法，术前根据髋关节医学图像数据得到髋关节的三维模型，进而根据髋关节三维模型进行手术规划，确定手术方案，术中根据手术方案生成导航指令，并根据患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，使得通过髋关节三维模型能准确反映患者髋关节的结构构造，进而准确定位患者骨骼手术位置，以使手术机器人根据导航指令和手术位置进行手术操作。由此可见，本发明实施例通过三维模型进行术前规划，以及，利用空间定位方法进行术中导航定位，以使手术机器人借助其高精度的三维模型进行最优化手术路径规划，并通过高自由度机械臂操作进行路径实现，从而辅助骨科手术医师完成截骨、磨削、固定等操作。本发明实施例在提高手术成功率的同时，很大程度减少软组织和骨组织的损伤，使得患者出血少、创伤小，术后髋关节功能的康复会更快。
本实施例所述的关节置换手术机器人导航定位方法可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备，参见图18所述电子设备的结构示意图，具体包括如下内容：处理器1901、存储器1902、通信接口1903和通信总线1904；
其中，所述处理器1901、存储器1902、通信接口1903通过所述通信总线1904完成相互间的通信；所述通信接口1903用于实现各设备之间的信息传输；
所述处理器1901用于调用所述存储器1902中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种关节置换手术机器人导航定位方法的全部步骤，例如，根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；根据手术方案生成导航指令，以及，根据患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；将机械臂的末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述一种关节置换手术机器人导航定位方法的全部步骤，例如，根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；根据手术方案生成导航指令，以及，根据患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；将机械臂的末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的关节置换手术机器人导航定位方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (14)

1.一种关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，包括：术前规划模块、光学导航定位模块和机械臂控制模块；
术前规划模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；
光学导航定位模块，用于根据手术方案生成导航指令，以及，根据光学定位仪，患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；
机械臂控制模块，用于将末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
2.根据权利要求1所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述术前规划模块包括：数据获取子模块、三维模型重建子模块、髋臼侧计划确定子模块、股骨侧计划确定子模块和计划方案确认子模块；
其中，所述数据获取子模块，用于获取髋关节医学图像数据；
所述三维模型重建子模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型；
所述髋臼侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，并根据髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角以及髋臼外展角，综合考虑髋臼杯覆盖率，确定髋臼侧植入假体的大小型号以及位置；
所述股骨侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角，并根据股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角确定股骨侧假体植入大小型号及位置，同时考虑腿长差和股骨联合偏心距；
所述计划方案确认子模块，用于确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适，若否，则触发所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块重新确定髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划，若是，则将所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划作为术前规划方案。
3.根据权利要求1所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述光学导航定位模块，具体用于：
根据骨盆参考架和股骨参考架确定患者髋关节的空间位置，以及，根据患者髋关节和机械臂的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置和机械臂的实时位姿。
4.根据权利要求3所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述光学导航定位模块包括光学跟踪子模块；
所述光学跟踪子模块，用于根据机械臂与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节实体模型进行配准，并根据配准后的髋关节实体模型对机械臂模型位置进行校准。
5.根据权利要求4所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述光学跟踪子模块在根据机械臂与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系对所述髋关节实体模型进行配准时，具体用于：
以三角形为配准过程中的最小单元，若医生术中标记的点为A、B、C三点，对应的术前规划点为a、b、c，其中，医生标记的点都在人体组织表面上；
在a、b、c分别对应的邻域空间点集中筛选出对应的点a’、b’、c’，使三角形ABC和三角形a’b’c’全等，其中，a’b’c’三点都在人体组织表面上；其中，由a’、b、’c’组成的三角形与A、B、C组成的三角形是全等三角形；
将术前规划的a、b、c的空间位置修正到a’、b、’c’的空间位置，并运用配准方法将术中标记的点和术前规划的点进行配准，以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
6.根据权利要求1所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述机械臂控制模块包括机械臂位置定位子模块；
所述机械臂位置定位子模块，用于将机械臂的位置和姿态信息发送至所述光学跟踪子模块，以使光学跟踪子模块实时获取机械臂的空间位置信息。
7.根据权利要求1所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述机械臂控制模块在进行磨锉操作时，具体用于：
确定安全操作范围和锥形立体定向边界；
当机械臂的操作超过所述安全操作范围时，控制加力产生所述锥形立体定向边界以控制所述机械臂在所述锥形立体定向边界内进行磨锉；
其中，当髋臼锉靠近计划的髋臼内的髋臼杯位置时，所述锥形立体定向边界出现，边界设计为特定的锥形形状，当髋臼锉靠近靶点位时显示边界的横截面进行机械臂的限制，当髋臼锉偏离所述锥形立体定向边界，引导回到所述锥形立体定向边界内，同时当机械臂在锥形立体定向边界应用时，在定位控制范围内依据同轴完成操作，机械臂支持动力完成高速磨钻操作，若机械臂移出所述锥形立体定向边界以外预设角度，控制髋臼锉的电源切断停止磨锉操作。
8.根据权利要求7所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述机械臂控制模块在进行压配操作时，具体用于：
在进行压配髋臼时，将压配杆移入髋臼位置时，所述锥形立体定向边界将启动，实时对齐前倾角、外展角使之与术前规划的前倾角、外展角匹配并进行效果展示；
其中，髋臼锉头端和靶深度在上下、内外、前后方向的距离在各方向都是0mm时停止操作，同时更新压配图和所述锥形立体定向边界；
其中，在操作过程中，实时监测患者是否发生***移动，如果监测***移动机械臂将会进行位置实时补偿，在补偿模式下提供引导操作辅助完成操作。
9.根据权利要求1所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述关节置换手术机器人导航定位***还包括显示模块；
所述显示模块与所述光学导航定位模块通信连接，用于将所述髋关节实体模型的即时状态显示于人机交互显示屏。
10.根据权利要求1所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述光学导航定位模块通过手术探针采集患者骨骼上至少三个标识点的空间位置，以使根据患者骨骼上标识点和患者髋关节的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型。
11.根据权利要求1所述的关节置换手术机器人导航定位***，其特征在于，所述光学导航定位模块还包括术后验证子模块；
所述术后验证子模块用于，在所述髋关节三维模型完成配准后，通过手术探针再次采集患者骨骼上至少三个标识点的空间位置，验证配准后的标识点位置是否正确。
12.一种关节置换手术机器人导航定位方法，其特征在于，包括：
根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定手术方案；
根据手术方案生成导航指令，以及，根据光学定位仪，患者髋关节和手术探针的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配，并根据所述髋关节实体模型，确定患者骨骼手术位置；
将机械臂的末端执行器移动至所述患者骨骼手术位置，并控制所述末端执行器根据所述导航指令对髋关节进行截骨、磨锉和压配操作。
13.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求12所述关节置换手术机器人导航定位方法的步骤。
14.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求12所述关节置换手术机器人导航定位方法的步骤。
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GR01 Patent grant
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Inventor after: Zhang Yiling

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Inventor before: Liu Xingyu

Inventor before: An Yicheng

CB03 Change of inventor or designer information
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Address after: 100176 402, 4th floor, building 28, yard 18, Kechuang 13th Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing

Patentee after: Beijing Changmugu Medical Technology Co.,Ltd.

Patentee after: Zhang Yiling

Address before: 100176 402, 4th floor, building 28, yard 18, Kechuang 13th Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing

Patentee before: BEIJING CHANGMUGU MEDICAL TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Patentee before: Zhang Yiling

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