CN113069207A - 一种机器人辅助髋关节置换手术导航*** - Google Patents

一种机器人辅助髋关节置换手术导航*** Download PDF

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文理为
杜思傲
甘博涵
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Abstract

本发明公开了一种机器人辅助髋关节置换手术导航***，包括手术方案加载模块，用于支持手术方案管理、手术方案预览以及手术方案微调；机器人准备模块，所述机器人准备模块包括设备连接状态监测、安装末端工具、末端工具自动标定、安装连杆及追踪器、机械臂自动标定等机器人准备操作；股骨注册模块，用于进行股骨注册，实现点云数据与患者股骨的配准；髋骨注册模块，用于进行髋骨注册，实现点云数据与患者髋骨的配准；髋臼打磨模块，按照术前计划进行髋臼窝打磨。该机器人辅助髋关节置换手术导航***操作简单，减轻手术繁琐度并节省手术时间，提高了手术的精度和手术实际操作与手术计划的契合度。

Description

一种机器人辅助髋关节置换手术导航***
技术领域：
本发明涉及骨科医用机器人领域，具体讲是一种机器人辅助髋关节置换手术导航***。
背景技术：
机器人辅助手术导航是近年医学领域的热点项目，髋关节置换手术导航***是其中之一。目前国内外的主要的髋关节置换手术导航***的股骨注册和髋骨注册需要选取大量的特征点(超过40个)，这在实际临床应用中不但会增加外科医生的手术工作量，同时也会使得手术过程过于繁琐，影响手术精度。其次，目前国内外的主要髋关节置换手术***在髋臼打磨和髋臼杯安装时都是采用机械臂被动模式，这不仅会增加外科医生的操作难度，同时也无法保证手术过程按照术前计划进行，从而无法保证手术精度。再次，目前国内外主要的髋关节置换手术***都未提供股骨侧的操作指导。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种操作简单，减轻手术繁琐度并节省手术时间的机器人辅助髋关节置换手术导航***，该机器人辅助髋关节置换手术导航***提高了手术的精度和手术实际操作与手术计划的契合度。
本发明的技术解决方案是，提供一种机器人辅助髋关节置换手术导航***，包括
手术方案加载模块，用于支持手术方案管理(添加/删除)、手术方案预览以及手术方案微调，外科医生可以根据手术中的实际情况对术前规划好的前倾角、外展角等特征值进行微调；
机器人准备模块，所述机器人准备模块包括设备连接状态监测(机械臂和双目视觉相机)、安装末端工具、末端工具自动标定、安装连杆及追踪器、机械臂自动标定等机器人准备操作；
股骨注册模块，用于进行股骨注册，实现点云数据与患者股骨的配准；
髋骨注册模块，用于进行髋骨注册，实现点云数据与患者髋骨的配准；
髋臼打磨模块，按照术前计划进行髋臼窝打磨；
髋臼杯安装模块，按照术前计划进行髋臼杯安装；
术后验证模块，验证术前/术后的髋长度以及偏移量。
作为优选的技术方案，还包括股骨切割模块，股骨切割模块包括股骨切割和股骨柄安装。
作为优选的技术方案，对于机器人准备模块，外科医生按照机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示安装好末端工具后，点击操作页面末端工具自动标定按钮，机械臂将贴着标定钢球表面运动10个位置，从而实现末端工具的标定；外科医生在按照机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示安装好连杆及追踪器后，点击机械臂自动标定按钮，机械臂将在双目视觉相机视野空间内主动运动30个位置，从而实现机械臂标定。
作为优选的技术方案，对于股骨注册模块，首先需要外科医生在患者股骨上固定一个追踪器，然后根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示，使用特定的探针在患者股骨表面采集特定数量的特征点，采集的数据经过计算验证满足设定的误差阈值才允许进行下一步操作。
作为优选的技术方案，对于髋骨注册模块，首先需要外科医生在患者髋骨上固定一个追踪器，然后根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示使用特定的探针在患者髋骨表面采集特定数量的特征点，采集的数据经过计算验证满足设定的误差阈值才允许进行下一步操作。
作为优选的技术方案，髋臼打磨模块采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，确保手术精度以及手术的安全性；对于髋臼打磨模块，外科医生首先需要将连杆安装到末端工具并将于患者匹配的髋臼锉安装到连杆末端，再将机械臂在被动模式下拖动到患者病灶区域附近，然后机械臂在主动模式下调整末端工具的入路角度为术前规划设置值，并主动停止运动，然后再将钻枪安装到末端工具的特定位置，此时机械臂启动被动限位模式和安全边界，外科医生可根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示采用定点、定线、自由三种磨削方式对髋臼窝进行打磨，同时在软件界面会实时渲染出打磨效果，在到达安全边界时，页面会有相应的警告提示同时机械臂将作出相应反馈，阻止外科医生继续推进机械臂。
作为优选的技术方案，髋臼杯安装模块采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，确保手术精度以及手术的安全性；外科医生首先需要将末端工具的连杆换位髋臼安装连杆并把与患者匹配的髋臼杯安装在连杆上，然后将机械臂在被动模式下拖动到患者病灶区域附近，机械臂在主动模式下调整末端工具的入路角度为术前规划设置值，并主动停止运动；同时，外科医生可以根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面显示，实时获取髋臼杯安装的前倾角/外展角的数值，以及髋臼杯与患者病灶的相对位置，并且当髋臼杯的的摆放位置达到术前计划值后，采用特定外科手术工具将髋臼杯固定在患者髋臼窝，并撤出机械臂。
进一步的，股骨切割采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，以保证手术精度和保障手术的安全性。
进一步的，外科医生首先将机械臂在被动模式下拖动到患者股骨待切割区域附近，然后机械臂在主动模式下按照术前计划调整导板的位姿后停止运动。股骨切割完后外科医生自主对患者股骨髓腔进行处理，安装股骨柄。
采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明的软件界面简洁明了，操作简单；软件操作流程既结合自身解决方案的特点，又考虑了实际外科手术的可操作性。软件中的股骨注册、髋骨注册模块相对于其他同类产品，所需特征点数量更少，精度更高，且只需要进行一次注册操作，大大减轻手术的繁琐度，节约了手术时间。软件中的髋臼打磨、髋臼杯安装和股骨切割模块采用机械臂主被动结合的方式，大大提高了手术的精度和手术实际操作与手术计划的契合度。本软件首次在业内加入了股骨切割模块，给外科医生提供了更多的操作选择。
附图说明：
图1为本发明的机器人辅助髋关节置换手术导航***软件流程图。
具体实施方式：
下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种机器人辅助髋关节置换手术导航***，包括8个模块，根据手术操作流程依次如下，
手术方案加载模块，用于支持手术方案管理(添加/删除)、手术方案预览以及手术方案微调，外科医生可以根据手术中的实际情况对术前规划好的前倾角、外展角等特征值进行微调。
机器人准备模块，所述机器人准备模块包括设备连接状态监测(机械臂和双目视觉相机)、安装末端工具、末端工具自动标定、安装连杆及追踪器、机械臂自动标定等机器人准备操作。外科医生按照机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示安装好末端工具后，点击操作页面末端工具自动标定按钮，机械臂将贴着标定钢球表面运动10个位置，从而实现末端工具的标定。外科医生在按照机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示安装好连杆及追踪器后，点击机械臂自动标定按钮，机械臂将在双目视觉相机视野空间内主动运动30个位置，从而实现机械臂标定。
股骨注册模块，用于进行股骨注册，实现点云数据与患者股骨的配准；该步骤首先需要外科医生在患者股骨上固定一个追踪器，然后根据髋关节置换手术导航***页面提示，使用特定的探针在患者股骨表面采集特定数量(3个精配准点，15个粗配准点)的特征点，采集的数据经过计算验证满足设定的误差阈值才允许进行下一步操作；
髋骨注册模块，用于进行髋骨注册，实现点云数据与患者髋骨的配准；该步骤首先需要外科医生在患者髋骨上固定一个追踪器，然后根据髋关节置换手术导航***页面提示使用特定的探针在患者髋骨表面采集特定数量(3个精配准点，25个粗配准点)的特征点，采集的数据经过计算验证满足设定的误差阈值才允许进行下一步操作。
髋臼打磨模块，按照术前计划进行髋臼窝打磨。该步骤采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，既能保证手术精度又能保障手术的安全性。外科医生首先需要将连杆安装到末端工具并将于患者匹配的髋臼锉安装到连杆末端，再将机械臂在被动模式下拖动到患者病灶区域附近，然后机械臂在主动模式下调整末端工具的入路角度为术前规划设置值，并主动停止运动，然后再将钻枪安装到末端工具的特定位置。此时机械臂启动被动限位模式和安全边界，外科医生可根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示采用定点、定线、自由三种磨削方式对髋臼窝进行打磨，同时在软件界面会实时渲染出打磨效果，在到达安全边界时，页面会有相应的警告提示同时机械臂将作出相应反馈，阻止外科医生继续推进机械臂。
髋臼杯安装模块，按照术前计划进行髋臼杯安装。该步骤采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，既能保证手术精度又能保障手术的安全性。外科医生首先需要将末端工具的连杆换位髋臼安装连杆并把与患者匹配的髋臼杯安装在连杆上，然后将机械臂在被动模式下拖动到患者病灶区域附近，机械臂在主动模式下调整末端工具的入路角度为术前规划设置值，并主动停止运动。外科医生可以根据髋关节置换手术导航***页面显示，实时获取髋臼杯安装的前倾角/外展角的数值，以及髋臼杯与患者病灶的相对位置。当髋臼杯的的摆放位置达到术前计划值后，采用特定外科手术工具将髋臼杯固定在患者髋臼窝，并撤出机械臂；
股骨切割模块，股骨切割模块包括股骨切割和股骨柄安装。股骨切割采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，既能保证手术精度又能保障手术的安全性。外科医生首先将机械臂在被动模式下拖动到患者股骨待切割区域附近，然后机械臂在主动模式下按照术前计划调整导板的位姿后停止运动。股骨切割完后外科医生自主对患者股骨髓腔进行处理，安装股骨柄。
术后验证模块，根据术中选择的特征点验证术前/术后的髋长度以及偏移量。
本发明具有如下优点，本发明的软件界面简洁明了，操作简单；软件操作流程既结合自身解决方案的特点，又考虑了实际外科手术的可操作性。软件中的股骨注册、髋骨注册模块相对于其他同类产品，所需特征点数量更少，精度更高，且只需要进行一次注册操作，大大减轻手术的繁琐度，节约了手术时间。软件中的髋臼打磨、髋臼杯安装和股骨切割模块采用机械臂主被动结合的方式，大大提高了手术的精度和手术实际操作与手术计划的契合度。本软件首次在业内加入了股骨切割模块，给外科医生提供了更多的操作选择。
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：包括
手术方案加载模块，用于支持手术方案管理、手术方案预览以及手术方案微调；
机器人准备模块，所述机器人准备模块包括设备连接状态监测、安装末端工具、末端工具自动标定、安装连杆及追踪器、机械臂自动标定；
股骨注册模块，用于进行股骨注册，实现点云数据与患者股骨的配准；
髋骨注册模块，用于进行髋骨注册，实现点云数据与患者髋骨的配准；
髋臼打磨模块，按照术前计划进行髋臼窝打磨；
髋臼杯安装模块，按照术前计划进行髋臼杯安装；
术后验证模块，验证术前/术后的髋长度以及偏移量。
2.根据权利要求1所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：还包括股骨切割模块，所述股骨切割模块包括股骨切割和股骨柄安装。
3.根据权利要求1所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：对于机器人准备模块，外科医生按照机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示安装好末端工具后，点击操作页面末端工具自动标定按钮，机械臂将贴着标定钢球表面运动10个位置，从而实现末端工具的标定；外科医生在按照机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示安装好连杆及追踪器后，点击机械臂自动标定按钮，机械臂将在双目视觉相机视野空间内主动运动30个位置，从而实现机械臂标定。
4.根据权利要求1所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：对于股骨注册模块，首先需要外科医生在患者股骨上固定一个追踪器，然后根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示，使用特定的探针在患者股骨表面采集特定数量的特征点，采集的数据经过计算验证满足设定的误差阈值才允许进行下一步操作。
5.根据权利要求1所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：对于髋骨注册模块，首先需要外科医生在患者髋骨上固定一个追踪器，然后根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示使用特定的探针在患者髋骨表面采集特定数量的特征点，采集的数据经过计算验证满足设定的误差阈值才允许进行下一步操作。
6.根据权利要求1所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：髋臼打磨模块采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，确保手术精度以及手术的安全性；对于髋臼打磨模块，外科医生首先需要将连杆安装到末端工具并将与患者匹配的髋臼锉安装到连杆末端，再将机械臂在被动模式下拖动到患者病灶区域附近，然后机械臂在主动模式下调整末端工具的入路角度为术前规划设置值，并主动停止运动，然后再将钻枪安装到末端工具的特定位置，此时机械臂启动被动限位模式和安全边界，外科医生可根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面提示采用定点、定线、自由三种磨削方式对髋臼窝进行打磨，同时在软件界面会实时渲染出打磨效果，在到达安全边界时，页面会有相应的警告提示同时机械臂将作出相应反馈，阻止外科医生继续推进机械臂。
7.根据权利要求1所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：髋臼杯安装模块采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，确保手术精度以及手术的安全性；外科医生首先需要将末端工具的连杆换位髋臼安装连杆并把与患者匹配的髋臼杯安装在连杆上，然后将机械臂在被动模式下拖动到患者病灶区域附近，机械臂在主动模式下调整末端工具的入路角度为术前规划设置值，并主动停止运动；同时，外科医生可以根据机器人辅助髋关节置换手术导航***页面显示，实时获取髋臼杯安装的前倾角/外展角的数值，以及髋臼杯与患者病灶的相对位置，并且当髋臼杯的的摆放位置达到术前计划值后，采用特定外科手术工具将髋臼杯固定在患者髋臼窝，并撤出机械臂。
8.根据权利要求2所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：股骨切割采用机械臂主被动结合的方式，使手术操作能够最大限度的按照术前计划进行，以保证手术精度和保障手术的安全性。
9.根据权利要求2所述的机器人辅助髋关节置换手术导航***，其特征在于：外科医生首先将机械臂在被动模式下拖动到患者股骨待切割区域附近，然后机械臂在主动模式下按照术前计划调整导板的位姿后停止运动，股骨切割完后外科医生自主对患者股骨髓腔进行处理，安装股骨柄。
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