CN117814913A - 全功能骨科手术控制*** - Google Patents

Abstract

本申请提供一种全功能骨科手术控制***，包括主控机、导航定位装置和机械臂，主控机包括脊柱应用模块、创伤应用模块和关节应用模块，导航定位装置用于获取患者、机械臂和手术工具之间的空间位置关系；脊柱应用模块用于根据空间位置关系确定目标脊柱手术方案，并根据目标脊柱手术方案向机械臂发送第一控制指令，控制机械臂运动；创伤应用模块用于根据空间位置关系确定目标创伤手术方案，并根据目标创伤手术方案向机械臂发送第二控制指令，控制机械臂运动；关节应用模块用于根据空间位置关系确定目标关节手术方案，并根据目标关节手术方案向机械臂发送第三控制指令，控制机械臂运动。针对不同的骨科手术类型，无需更换相应的设备。

Description

全功能骨科手术控制***

技术领域

本申请涉及医疗仪器技术领域，尤其涉及一种全功能骨科手术控制***。

背景技术

骨科手术，是指骨科医生使用一定的方法对肌肉骨骼***受伤等健康问题进行治疗的手术形式。

传统的骨科手术由医生独立完成，手术效果过于依赖医生的经验，大切口和高辐射量等可能会增加手术风险，且手术的精确性和稳定性不高。基于此，基于骨科手术机器人的骨科手术***应运而生，骨科手术***能够用于辅助医生进行术前规划和术中导航定位及施术，具有精准定位、缩短手术时间、减少医生所受辐射量等优势。

但是，目前的骨科手术***通常是针对某一类骨科手术的，例如适用于脊柱手术的骨科手术***、适用于关节手术的骨科手术***等等。由于骨科手术包括脊柱手术、骨科手术、关节手术等不同类型的骨科手术，目前的骨科手术***无法应用于各种不同的骨科手术类型。

发明内容

本申请提供一种全功能骨科手术控制***，以适用于各种不同的骨科手术类型，解决目前骨科手术***针对不同的骨科手术类型需要更换设备的问题。

第一方面，本申请提供一种全功能骨科手术控制***，包括主控机、导航定位装置和机械臂，所述主控机包括脊柱应用模块、创伤应用模块和关节应用模块，其中：

所述导航定位装置用于获取患者、所述机械臂和手术工具之间的空间位置关系，并向所述主控机发送所述空间位置关系；

所述脊柱应用模块用于根据所述空间位置关系确定目标脊柱手术方案，并根据所述目标脊柱手术方案向所述机械臂发送第一控制指令，控制所述机械臂运动；

所述创伤应用模块用于根据所述空间位置关系确定目标创伤手术方案，并根据所述目标创伤手术方案向所述机械臂发送第二控制指令，控制所述机械臂运动；

所述关节应用模块用于根据所述空间位置关系确定目标关节手术方案，并根据所述目标关节手术方案向所述机械臂发送第三控制指令，控制所述机械臂运动。

在一种可能的实施方式中，所述脊柱应用模块包括术前规划模块，其中：

所述术前规划模块包括第一影像导入子模块、第一影像分割重建子模块、第一脊柱手术规划子模块、第一影像采集子模块、第一图像配准子模块和第一执行子模块；

所述第一影像导入子模块用于导入所述患者的术前脊柱影像；

所述第一影像分割重建子模块用于对所述术前脊柱影像进行影像分割重建处理，得到所述患者的第一脊柱三维模型；

所述第一脊柱手术规划子模块用于基于所述第一脊柱三维模型和所述空间位置关系规划对应的初始脊柱手术方案；

所述第一影像采集子模块用于采集所述患者的术中脊柱影像；

所述第一图像配准子模块用于对所述术前脊柱影像和所述术中脊柱影像进行图像配准处理，得到所述术前脊柱影像和所述术中脊柱影像之间的第一配准数据；

所述第一执行子模块用于根据所述第一配准数据引入所述初始脊柱手术方案，得到所述目标脊柱手术方案，并根据所述目标脊柱手术方案向所述机械臂发送所述第一控制指令。

在一种可能的实施方式中，所述脊柱应用模块包括术中规划模块，其中：

所述术中规划模块包括第二影像采集子模块、第二影像分割重建子模块、第二图像配准子模块、第二脊柱手术规划子模块和第二执行子模块；

所述第二影像采集子模块用于采集所述患者的术中脊柱影像；

所述第二影像分割重建子模块用于对所述术中脊柱影像进行影像分割重建处理，得到所述患者的第二脊柱三维模型；

所述第二脊柱手术规划子模块用于基于所述第二脊柱三维模型和所述空间位置关系规划对应的初始脊柱手术方案；

所述第二图像配准子模块用于对所述术中脊柱影像对应的第一影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，得到所述第一影像坐标系和所述患者空间坐标系之间的第二配准数据；

所述第二执行子模块用于根据所述第二配准数据和所述初始脊柱手术方案，得到所述目标脊柱手术方案，并根据所述目标脊柱手术方案，向所述机械臂发送所述第一控制指令，控制所述机械臂运动。

在一种可能的实施方式中，所述创伤应用模块包括第三影像采集子模块、创伤手术规划子模块、第三图像配准子模块和第三执行子模块，其中：

所述第三影像采集子模块用于采集所述患者的术中创伤影像；

所述创伤手术规划子模块用于根据所述术中创伤影像和所述空间位置关系，获取针对所述患者的创伤区域的初始创伤手术方案；

所述第三图像配准子模块用于对所述术中创伤影像对应的第二影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，确定所述第二影像坐标系和所述患者空间坐标系之间的第三配准数据；

所述第三执行子模块用于根据所述第三配准数据和针对所述患者的创伤区域的初始创伤手术方案，得到所述目标创伤手术方案，并根据所述目标创伤手术方案，向所述机械臂发送所述第二控制指令，控制所述机械臂运动。

在一种可能的实施方式中，所述关节应用模块包括膝关节应用模块和髋关节应用模块，其中：

所述膝关节应用模块用于所述空间位置关系确定目标膝关节手术方案，并根据所述目标膝关节手术方案向所述机械臂发送第四控制指令，控制所述机械臂运动；

所述髋关节应用模块用于所述空间位置关系确定目标髋关节手术方案，并根据所述目标髋关节手术方案向所述机械臂发送第五控制指令，控制所述机械臂运动。

在一种可能的实施方式中，所述***还包括光学探针，所述膝关节应用模块包括第二影像导入子模块、第三影像分割重建子模块、膝关节手术规划子模块、第四图像配准子模块和第四执行子模块；

所述光学探针用于在所述患者的术区骨面确定至少一个第一采集点，并向所述膝关节应用模块发送所述至少一个第一采集点的空间位置；

所述第二影像导入子模块用于导入所述患者的术前膝关节影像；

所述第三影像分割重建子模块用于对所述术前膝关节影像进行影像分割重建处理，获取所述患者的第一骨骼三维模型；

所述膝关节手术规划子模块用于根据所述第一骨骼三维模型和所述空间位置关系，获取初始膝关节手术方案；

所述第四图像配准子模块用于根据所述术前膝关节影像和所述至少一个第一采集点的空间位置，对所述术前膝关节影像对应的第三影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第四配准数据；

所述第四执行子模块用于根据所述第四配准数据和所述初始膝关节手术方案，确定所述目标膝关节手术方案，并根据所述目标膝关节手术方案向所述机械臂发送所述第四控制指令，控制所述机械臂运动。

在一种可能的实施方式中，所述***还包括光学探针，所述髋关节应用模块包括第三影像导入子模块、第四影像分割重建子模块、髋关节手术规划子模块、第五图像配准子模块和第五执行子模块；

所述光学探针用于在所述患者的术区骨面确定至少一个第二采集点，并向所述髋关节应用模块发送所述至少一个第二采集点的空间位置；

所述第三影像导入子模块用于导入所述患者的术前髋关节影像；

所述第四影像分割重建子模块用于对所述术前髋关节影像进行影像分割重建处理，获取所述患者的第二骨骼三维模型；

所述髋关节手术规划子模块用于根据所述第二骨骼三维模型和所述空间位置关系，获取初始髋关节手术方案；

所述第五图像配准子模块用于根据所述术前髋关节影像和所述至少一个第二采集点的空间位置，对所述术前髋关节影像对应的第四影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第五配准数据；

所述第五执行子模块用于根据所述第五配准数据和所述初始髋关节手术方案，确定所述目标髋关节手术方案，并根据所述目标髋关节手术方案向所述机械臂发送所述第五控制指令，控制所述机械臂运动。

在一种可能的实施方式中，所述导航定位装置包括导航相机、患者***、安装于所述机械臂上的机械臂***和安装于所述手术工具上的手术工具***，其中：

所述患者***用于获取所述患者的位姿；

所述机械臂***用于获取所述机械臂的位姿；

所述手术工具***用于获取所述手术工具的位姿；

所述导航相机用于根据所述患者的位姿、所述机械臂的位姿和所述手术工具的位姿，获取所述空间位置关系。

在一种可能的实施方式中，所述***还包括执行器，所述执行器设置于所述机械臂末端，所述执行器与所述机械臂刚性连接，所述执行器用于在所述机械臂的控制下，运动到规划的位置并保持预期姿态。

在一种可能的实施方式中，所述主控机还包括信息输入模块和信息输出模块，其中：

所述信息输入模块用于根据输入的位置调整信息控制调整与所述机械臂连接的执行器模的位置；

所述信息输入模块还用于响应于输入的选择信息，选择对应的手术操作步骤；

所述信息输入模块还用于响应于输入的确认信息，确认对应的手术操作步骤；

所述信息输出模块用于显示所述机械臂的当前状态。

本申请实施例提供的全功能骨科手术控制***，包括主控机、导航定位装置和机械臂，主控机包括脊柱应用模块、创伤应用模块和关节应用模块，导航定位装置用于获取患者、机械臂和手术工具之间的空间位置关系，并向主控机发送空间位置关系；脊柱应用模块用于根据空间位置关系确定目标脊柱手术方案，并根据目标脊柱手术方案向机械臂发送第一控制指令，控制机械臂运动；述创伤应用模块用于根据空间位置关系确定目标创伤手术方案，并根据目标创伤手术方案向机械臂发送第二控制指令，控制机械臂运动；关节应用模块用于根据空间位置关系确定目标关节手术方案，并根据目标关节手术方案向机械臂发送第三控制指令，控制机械臂运动。本申请实施例的方案，在导航定位装置获取了患者、机械臂和手术工具之间的空间位置关系后，脊柱应用模块基于空间位置关系可辅助完成脊柱手术，创伤应用模块基于空间位置关系可辅助完成创伤手术，关节应用模块基于空间位置关系可辅助完成关节手术，针对不同类型的骨科手术，无需更换相应的设备，操作方便快捷。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的全功能骨科手术控制***的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的全功能骨科手术控制***的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的执行器的示意图；

图4为本申请实施例提供的脊柱应用模块的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的创伤应用模块的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的关节应用模块的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

骨科手术，是骨科医生使用手术或者非手术方法对肌肉骨骼***受伤或各种健康问题进行治疗的手术形式。按照手术类型进行划分，骨科手术可分为关节手术、脊柱手术、创伤手术等。

传统骨科手术采用“徒手操作”模式，手术效果过于依赖主刀医生的经验，大切口和高辐射量都可能会增加手术风险，手术的精确性和稳定性有待提高。

骨科手术导航定位***适用于创伤、脊柱、关节等多种骨科手术，用于辅助医生进行术前规划和术中导航定位及施术，具有精准定位、缩短手术时间、减少医生所受辐射剂量等优势。

目前适用于脊柱的手术机器人有Mazor X等，适用于关节的手术机器人有MAKORIO等，尚无适用于包括创伤、脊柱、关节在内的全骨科手术控制***。

基于此，本申请实施例提供一种适用于包括创伤、脊柱、关节在内的全功能骨科手术控制***，基于统一的硬件平台和软件架构，根据术式不同选择不同的配套末端工具，实现辅助医生完成手术的目的。

首先结合图1对本申请实施例提供的全功能骨科手术控制***进行介绍。

图1为本申请实施例提供的全功能骨科手术控制***的结构示意图，如图1所示，包括主控机11、导航定位装置12和机械臂13，所述主控机11包括脊柱应用模块111、创伤应用模块112和关节应用模块113，其中：

导航定位装置12用于获取患者、机械臂13和手术工具之间的空间位置关系，并向主控机发送空间位置关系；

脊柱应用模块111用于根据空间位置关系确定目标脊柱手术方案，并根据目标脊柱手术方案向机械臂13发送第一控制指令，控制机械臂13运动；

创伤应用模块112用于根据空间位置关系确定目标创伤手术方案，并根据目标创伤手术方案向机械臂13发送第二控制指令，控制机械臂13运动；

关节应用模块113用于根据空间位置关系确定目标关节手术方案，并根据目标关节手术方案向机械臂13发送第三控制指令，控制机械臂13运动。

本申请实施例提供一种一体化的全功能骨科手术控制***，可应用于脊柱手术、创伤手术、关节手术等不同类型的骨科手术中，辅助医生进行上述不同类型的骨科手术。

其中，导航定位装置12可用于获取患者、机械臂13和手术工具之间的空间位置关系，并将该空间位置关系发送给主控机11，由主控机11基于该空间位置关系确定相应的手术方案以控制机械臂13运动。

主控机11中包括不同的应用模块，用于辅助执行不同类型的骨科手术。主控机11中包括的脊柱应用模块111可用于辅助执行脊柱手术，具体的，脊柱应用模块111在获取到空间位置关系后，根据该空间位置关系可以确定目标脊柱手术方案，目标脊柱手术方案中可以包括脊柱手术中的各项数据，例如使用的工具、工具型号、脊柱手术流程等等。然后，脊柱应用模块111基于目标脊柱手术方案向机械臂13发送第一控制指令，以控制机械臂13运动。机械臂13连接手术工具，在第一控制指令的控制下，机械臂13可以带动手术工具运动，从而辅助完成脊柱手术。

主控机11中包括的创伤应用模块112可用于辅助执行创伤手术，具体的，创伤应用模块112在获取到空间位置关系后，根据该空间位置关系可以确定目标创伤手术方案。然后，创伤应用模块112基于目标创伤手术方案向机械臂13发送第二控制指令，以控制机械臂13运动。机械臂13在第二控制指令的控制下，带动手术工具运动，从而辅助完成创伤手术。

主控机11中包括的关节应用模块113可用于辅助执行关节手术，具体的，关节应用模块113在获取到空间位置关系后，根据该空间位置关系可以确定目标关节手术方案。然后，关节应用模块113基于目标关节手术方案向机械臂13发送第三控制指令，以控制机械臂13运动。机械臂13在第三控制指令的控制下，带动手术工具运动，从而辅助完成关节手术。

本申请实施例提供的全功能骨科手术控制***，包括主控机、导航定位装置和机械臂，主控机包括脊柱应用模块、创伤应用模块和关节应用模块，导航定位装置用于获取患者、机械臂和手术工具之间的空间位置关系，并向主控机发送空间位置关系；脊柱应用模块用于根据空间位置关系确定目标脊柱手术方案，并根据目标脊柱手术方案向机械臂发送第一控制指令，控制机械臂运动；述创伤应用模块用于根据空间位置关系确定目标创伤手术方案，并根据目标创伤手术方案向机械臂发送第二控制指令，控制机械臂运动；关节应用模块用于根据空间位置关系确定目标关节手术方案，并根据目标关节手术方案向机械臂发送第三控制指令，控制机械臂运动。本申请实施例的方案，在导航定位装置获取了患者、机械臂和手术工具之间的空间位置关系后，脊柱应用模块基于空间位置关系可辅助完成脊柱手术，创伤应用模块基于空间位置关系可辅助完成创伤手术，关节应用模块基于空间位置关系可辅助完成关节手术，针对不同类型的骨科手术，无需更换相应的设备，操作方便快捷。

下面分别结合各个应用模块的结构以及辅助执行相应手术的过程进行介绍。

图2为本申请实施例提供的全功能骨科手术控制***的结构示意图，如图2所示，包括主控机11、导航定位装置12、机械臂13和执行器14，所述主控机11包括脊柱应用模块111、创伤应用模块112和关节应用模块113。

执行器14设置于机械臂13末端，执行器14与机械臂13刚性连接，执行器14用于在机械臂13的控制下，运动到规划的位置并保持预期姿态。

按照手术类型不同，执行器可以分为适用于脊柱手术的执行器、适用于创伤手术的执行器、适用于髋关节手术的执行器和适用于膝关节手术的执行器。图3为本申请实施例提供的执行器的示意图，如图3所示，示例了几种不同的执行器，其中图3右下角的执行器为适用于关节手术的执行器，图3左上角、左下角和右上角的3个执行器为适用于脊柱手术和创伤手术的执行器。根据手术类型不同，还提供不同的手术导航工具与执行器配合使用，例如在脊柱手术中有破皮器、高速磨钻、磨钻套筒、开路器、丝攻等工具。针对其他类型的骨科手术，也可以设置相应的手术导航工具与执行器匹配，此处不再赘述。

主控机11进一步还包括信息输入模块114和信息输出模块115，信息输入模块114和信息输出模块115均可以用于医生与全功能骨科手术控制***之间的互动。具体的，在主控机11中的某个手术应用模块确定了目标手术方案后，若医生需要调整，则可以通过信息输入模块114输入相应的调整信息，然后信息输入模块114根据输入的调整信息调整相应的部件。

例如，医生通过信息输入模块114输入用于调整执行器模块的位置的信息，信息输入模块114根据输入的位置调整信息控制调整与机械臂13连接的执行器模的位置；例如，医生通过信息输入模块114输入用于选择手术操作步骤的信息，信息输入模块114响应于输入的选择信息，选择对应的手术操作步骤；例如，医生通过信息输入模块114输入用于确认手术操作步骤的信息，信息输入模块114还用于响应输入的确认信息，确认对应的手术操作步骤，等等。

信息输出模块115用于显示机械臂13的当前状态，例如机械臂13是否执行到位、精度是否满足***要求、是否可以执行手术操作等。通过以上方式使得医生在手术执行阶段可以抛开医生显示屏，仅专注在手术区域即可通过主控机11完成手术，提高手术操作流畅性和便捷性。

导航定位装置12包括导航相机121、患者***122、安装于机械臂13上的机械臂***123和安装于手术工具上的手术工具***124。患者***122可安装于患者身上，用于获取患者的位姿；机械臂***123用于获取机械臂13的位姿；手术工具***124用于获取手术工具的位姿；而导航相机121可获取患者的位姿、机械臂13的位姿和手术工具的位姿，并根据患者的位姿、机械臂13的位姿和手术工具的位姿，获取患者、机械臂13和手术工具之间的空间位置关系。

主控机11主要功能是与导航定位装置以及机械臂13进行互联和数据通信，获取导航定位装置12输出的空间位置关系，发送控制指令给机械臂13使其按照规划运动。主控机11包括的手术应用模块，可基于患者、机械臂13和手术工具之间的空间位置关系，进行手术方案的规划，从而执行相应的骨科手术。其中，主控机11中的脊柱应用模块111可控制机械臂13运动以对患者进行脊柱手术，创伤应用模块112可控制机械臂13运动以对患者进行创伤手术，关节应用模块113可控制机械臂13运动以对患者进行关节手术，下面分别结合附图进行介绍。

图4为本申请实施例提供的脊柱应用模块的结构示意图，如图4所示，脊柱应用模块包括术前规划模块41和术中规划模块42，术前规划模块41用于基于术前规划辅助执行脊柱手术，而术中规划模块42用于基于术中规划辅助执行脊柱手术。

脊柱手术针对的场景例如可以包括脊柱骨折、腰椎间盘突出、脊柱后侧突出挤压神经等等，针对不同的场景，脊柱手术的规划方式也不同。脊柱手术的规划方式主要包括两种，一种为术前规划方式，由术前规划模块41执行；另一种为术中规划方式，由术中规划模块42执行。

需要说明的是，脊柱手术的规划方式可以根据实际需要设定。例如，医生可通过主控机11中的信息输入模块114选择其中的一种规划方式，然后信息输入模块114响应于医生的选择操作，确定对应的规划方式。

针对术前规划方式的脊柱手术而言，术前规划模块41包括第一影像导入子模块411、第一影像分割重建子模块412、第一脊柱手术规划子模块413、第一影像采集子模块414、第一图像配准子模块415和第一执行子模块416，其中：

第一影像导入子模块411用于导入患者的术前脊柱影像。

术前脊柱影像为在进行脊柱手术之前对患者的脊柱进行拍摄得到的医学影像，术前脊柱影像可以是电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)或磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，MRI)等影像。

第一影像分割重建子模块412用于对术前脊柱影像进行影像分割重建处理，得到患者的第一脊柱三维模型。

第一影像导入子模块411导入了患者的术前脊柱影像后，第一影像分割重建子模块412可以获取该术前脊柱影像，然后根据图像分割和重建算法对术前脊柱影像进行影像分割重建处理，从而获得患者的第一脊柱三维模型。

第一脊柱手术规划子模块413用于基于第一脊柱三维模型和空间位置关系规划对应的初始脊柱手术方案。

在得到第一脊柱三维模型后，第一脊柱手术规划子模块413可以基于第一脊柱三维模型和空间位置关系进行手术方案规划，得到针对第一脊柱三维模型的初始脊柱手术方案，例如可以包括椎弓根螺钉的入点、止点、直径、长度以及椎弓根螺钉的型号和尺寸，椎间隙处理范围、通道、以及椎间融合器的型号和尺寸，减压的手术方案等。

第一影像采集子模块414用于采集患者的术中脊柱影像。

在对患者进行脊柱手术的过程中，需要重新采集患者脊柱手术部位二维或三维影像数据，即术中脊柱影像，采集术中脊柱影像的操作由第一影像采集子模块414完成。第一影像采集子模块414在采集了术中脊柱影像后，将术中脊柱影像发送给第一图像配准子模块415。

第一图像配准子模块415用于对术前脊柱影像和术中脊柱影像进行图像配准处理，得到术前脊柱影像和术中脊柱影像之间的第一配准数据。

第一图像配准子模块415利用图像配准算法将术前脊柱影像与术中脊柱影像进行单节段配准处理，确定术前脊柱影像和术中脊柱影像之间的第一配准数据。得到的第一配准数据，由第一图像配准子模块415发送给第一执行子模块416。

第一执行子模块416用于根据第一配准数据引入初始脊柱手术方案，得到目标脊柱手术方案，并根据目标脊柱手术方案向机械臂发送第一控制指令。

由于初始脊柱手术方案的相关数据是针对第一脊柱三维模型的，第一脊柱三维模型是根据术前脊柱影像得到的，而患者进行手术过程中，其位姿、比例等各项数据与拍摄术前脊柱影像的各项数据可能有差异，因此，需要将初始脊柱手术方案针对手术过程中的术中脊柱影像进行更新。

即，在执行脊柱手术阶段，第一执行子模块416根据第一配准数据和针对第一脊柱三维模型的初始脊柱手术方案，确定目标脊柱手术方案。然后，第一执行子模块416根据目标脊柱手术方案，控制机械臂带动手术工具运动至指定空间位置，辅助医生完成术前规划模式下的脊柱手术。

针对术中规划方式的脊柱手术而言，术中规划模块42包括第二影像采集子模块421、第二影像分割重建子模块422、第二图像配准子模块423、第二脊柱手术规划子模块424和第二执行子模块425，其中：

第二影像采集子模块421用于采集患者的术中脊柱影像。

针对术中规划方式下的脊柱手术，需要获取的医学影像包括患者的术中脊柱影像，术中脊柱影像为在进行脊柱手术过程中拍摄的脊柱影像。第二影像采集子模块421采集患者的术中脊柱影像后，可发送给第二影像分割重建子模块422和第二图像配准子模块423。

第二影像分割重建子模块422用于对术中脊柱影像进行影像分割重建处理，得到患者的第二脊柱三维模型。

在第二影像分割重建子模块422获取术中脊柱影像后，根据图像分割和重建算法对术中脊柱影像进行影像分割重建处理，从而获得患者的第二脊柱三维模型。

第二图像配准子模块423用于对术中脊柱影像对应的第一影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，得到第一影像坐标系和患者空间坐标系之间的第二配准数据。

通过对术中脊柱影像对应的第一影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，从而将第二脊柱三维模型和患者实际的脊柱对应起来。其中，第一影像坐标系是拍摄术中脊柱影像的设备对应的坐标系，患者空间坐标系是以患者的某个位置为基准点建立的坐标系。确定了第一影像坐标系和患者空间坐标系之间的第二配准数据，即确定了第二脊柱三维模型和患者的脊柱之间的对应关系。

第二脊柱手术规划子模块424用于基于第二脊柱三维模型和空间位置关系规划对应的初始脊柱手术方案。

在得到第二脊柱三维模型后，第二脊柱手术规划子模块424可以基于第二脊柱三维模型和空间位置关系进行手术方案规划，得到针对第二脊柱三维模型的初始脊柱手术方案，例如可以包括椎弓根螺钉的入点、止点、直径、长度以及椎弓根螺钉的型号和尺寸，椎间隙处理范围、通道、以及椎间融合器的型号和尺寸，减压的手术方案等。

第二执行子模块425用于根据第二配准数据和初始脊柱手术方案，得到目标脊柱手术方案，并根据空间位置关系和目标脊柱手术方案，向机械臂发送第一控制指令，控制机械臂运动。

第二执行子模块425在手术过程中利用图像配准算法将患者空间坐标系与第一影像坐标***一起来，得到第二配准数据，从而根据第二配准数据和针对第二脊柱三维模型的初始脊柱手术方案，进行手术规划，确定目标脊柱手术方案。然后，第二执行子模块425根据目标脊柱手术方案，控制机械臂带动手术工具运动至指定空间位置，辅助医生完成术中规划模式下的脊柱手术。

在上述实施例中结合图4对脊柱应用模块控制机械臂执行脊柱手术的过程进行了介绍，下面结合图5对创伤应用模块控制机械臂执行创伤手术的过程进行介绍。

图5为本申请实施例提供的创伤应用模块的结构示意图，如图5所示，创伤应用模块包括第三影像采集子模块51、创伤手术规划子模块52、第三图像配准子模块53和第三执行子模块54，其中：

第三影像采集子模块51用于采集患者的术中创伤影像。

创伤手术通常涉及到及时快速的处理创伤，因此主要为术中规划方式，需要由第三影像采集子模块51采集患者的术中创伤影像，然后发送给创伤手术规划子模块52和第三图像配准子模块53。术中创伤影像为在进行创伤手术过程中拍摄的创伤部位的影像。

创伤手术规划子模块52用于根据术中创伤影像，获取针对患者的创伤区域的初始创伤手术方案。

在创伤手术规划子模块52获取术中创伤影像后，根据术中创伤影像和空间位置关系进行分析处理，可以获得针对患者的创伤区域的初始创伤手术方案。

第三图像配准子模块53用于对术中创伤影像对应的第二影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，确定第二影像坐标系和患者空间坐标系之间的第三配准数据。

第三图像配准子模块53对术中创伤影像对应的第二影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，从而将创伤区域和术中创伤影像对应起来。其中，第二影像坐标系是拍摄术中创伤影像的设备对应的坐标系，患者空间坐标系是以患者的某个位置为基准点建立的坐标系。确定了第二影像坐标系和患者空间坐标系之间的第三配准数据，即确定了创伤区域和术中创伤影像之间的对应关系。

第三执行子模块54用于根据第三配准数据和针对患者的创伤区域的初始创伤手术方案，得到目标创伤手术方案，并根据空间位置关系和目标创伤手术方案，向机械臂发送第二控制指令，控制机械臂运动。

第三图像配准子模块53在手术过程中利用图像配准算法将患者坐标系与第二影像坐标***一起来，得到第三配准数据后，可以向第三执行子模块54发送第三配准数据。第三执行子模块54根据空间位置关系、第三配准数据和初始创伤手术方案，进行手术规划，确定针对创伤区域的目标创伤手术方案。然后，第三执行子模块54根据目标创伤手术方案，控制机械臂带动手术工具运动至指定空间位置，辅助医生完成术中规划模式下的创伤手术。

下面结合图6对关节应用模块执行关节手术的过程进行介绍。

图6为本申请实施例提供的关节应用模块的结构示意图，如图6所示，关节应用模块包括膝关节应用模块61和髋关节应用模块62，其中：

膝关节应用模块61用于空间位置关系确定目标膝关节手术方案，并根据目标膝关节手术方案向机械臂发送第四控制指令，控制机械臂运动。

具体的，膝关节应用模块包括第二影像导入子模块611、第三影像分割重建子模块612、膝关节手术规划子模块613、第四图像配准子模块614和第四执行子模块615，其中：

第二影像导入子模块611用于导入患者的术前膝关节影像。

膝关节手术通常为术前规划方式，需要获取的医学影像包括患者的术前膝关节影像，术前膝关节影像为在进行膝关节手术前拍摄的膝关节影像，术前膝关节影像可以是CT或MRI等影像。

第三影像分割重建子模块612用于对术前膝关节影像进行影像分割重建处理，获取患者的第一骨骼三维模型。

在第三影像分割重建子模块612获取术前膝关节影像后，根据图像分割和重建算法对术前膝关节影像进行影像分割重建处理，从而获得患者的第一骨骼三维模型。其中，针对膝关节手术而言，该第一骨骼三维模型为股骨三维模型和胫骨三维模型。

膝关节手术规划子模块613用于根据第一骨骼三维模型和空间位置关系，获取初始膝关节手术方案。

在得到第一骨骼三维模型后，膝关节手术规划子模块613可以基于第一骨骼三维模型进行手术方案规划，得到针对第一骨骼三维模型的初始膝关节手术方案。

进一步的，全功能骨科手术控制***还包括光学探针，光学探针用于在患者的术区骨面确定至少一个第一采集点，并向膝关节应用模块发送至少一个第一采集点的空间位置。针对膝关节手术，第一骨骼三维模型为股骨三维模型时，该术区骨面为股骨骨面；第一骨骼三维模型为胫骨三维模型时，该术区骨面为胫骨骨面。

第四图像配准子模块614用于根据术前膝关节影像和至少一个第一采集点的空间位置，对术前膝关节影像对应的第三影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第四配准数据。

第四图像配准子模块614根据术前膝关节影像和至少一个第一采集点的空间位置，通过图像配准算法对术前膝关节影像对应的第三影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第四配准数据，从而基于第四配准数据将患者空间坐标系和第三影像坐标***一起来。

第四执行子模块615用于根据第四配准数据和初始膝关节手术方案，确定目标膝关节手术方案，并根据目标膝关节手术方案向机械臂发送第四控制指令，控制机械臂运动。

在执行膝关节手术阶段，第四执行子模块615根据第四配准数据和针对第一骨骼三维模型的初始膝关节手术方案，确定目标膝关节手术方案。然后，第四执行子模块615根据目标膝关节手术方案，以及患者、机械臂、手术工具之间的空间位置关系，控制机械臂带动手术工具运动至指定空间位置，辅助医生完成膝关节手术。

髋关节应用模块62用于空间位置关系确定目标髋关节手术方案，并根据目标髋关节手术方案向机械臂发送第五控制指令，控制机械臂运动。

具体的，髋关节应用模块62包括第三影像导入子模块621、第四影像分割重建子模块622、髋关节手术规划子模块623、第五图像配准子模块624和第五执行子模块625，其中：

第三影像导入子模块621用于导入所述患者的术前髋关节影像。

髋关节手术通常为术前规划方式，需要获取的医学影像包括患者的术前髋关节影像，术前髋关节影像为在进行髋关节手术前拍摄的髋关节影像，术前髋关节影像可以是CT或MRI等影像。

第四影像分割重建子模块622用于对术前髋关节影像数据进行影像分割重建处理，获取患者的第二骨骼三维模型。

在第四影像分割重建子模块622获取术前髋关节影像后，根据图像分割和重建算法对术前髋关节影像进行影像分割重建处理，从而获得患者的第二骨骼三维模型。其中，针对髋关节手术而言，该第二骨骼三维模型为骨盆三维模型和股骨三维模型。

髋关节手术规划子模块623用于根据第二骨骼三维模型和空间位置关系，获取初始髋关节手术方案。

在得到第二骨骼三维模型后，髋关节手术规划子模块623可以基于第二骨骼三维模型进行手术方案规划，得到针对第二骨骼三维模型的初始髋关节手术方案。

进一步的，全功能骨科手术控制***还包括光学探针，光学探针用于在患者的术区骨面确定至少一个第二采集点，并向髋关节应用模块发送至少一个第二采集点的空间位置。针对髋关节手术，第二骨骼三维模型为骨盆三维模型时，该术区骨面为骨盆骨面；第二骨骼三维模型为股骨三维模型时，该术区骨面为股骨骨面。

第五图像配准子模块624用于根据术前髋关节影像和至少一个第二采集点的空间位置，对术前髋关节影像对应的第四影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第五配准数据。

第五图像配准子模块624根据术前髋关节影像和至少一个第二采集点的空间位置，通过图像配准算法对术前髋关节影像对应的第四影像坐标系和患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第五配准数据，从而基于第五配准数据将患者空间坐标系和第四影像坐标***一起来。

第五执行子模块625用于根据第五配准数据和初始髋关节手术方案，确定目标髋关节手术方案，并根据目标髋关节手术方案向机械臂发送第五控制指令，控制机械臂运动。

在执行髋关节手术阶段，第五执行子模块625根据第五配准数据和针对第二骨骼三维模型的初始髋关节手术方案，确定目标髋关节手术方案。然后，第五执行子模块625根据目标髋关节手术方案，以及患者、机械臂、手术工具之间的空间位置关系，控制机械臂带动手术工具运动至指定空间位置，辅助医生完成髋关节手术。

进一步的，在机械臂末端安装了全向跟踪装置，通过多组沿基座的周向设置的定位组件，扩大了示踪设备可以被光学测位仪识别的范围。同时，限定同一所述定位组件所包括的各所述示踪元件中，任意两个所述示踪元件的法向夹角小于等于某一预设角度(例如为20°)，使全向跟踪装置在机械臂旋转过程中更容易被光学测位仪所识别，减少机械臂旋转时，光学测位仪丢失全向跟踪装置的位置的情况发生，提高了定位的精准度。

进一步的，导航定位装置中还包括广角红外相机，广角红外相机安装于悬臂上，用于实时采集患者术区影像，通过特征识别定位患者术区和患者***的空间位置。通过广角红外相机与导航相机之间的相对位置关系，自动调整导航相机的横摆角度和俯仰角度，实现自动主动患者***位置的功能。

综上所述，本申请实施例的方案，提供了一种适用于不同类型的骨科手术的全功能骨科手术控制***，主控机根据对应的手术类型和空间位置关系即可发送控制指令以控制机械臂带动手术工具运动，从而辅助医生完成相应的手术，针对不同的骨科手术类型，无需更换相应的设备，操作方便快捷，能够应用于不同类型的骨科手术。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

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方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种全功能骨科手术控制***，其特征在于，包括主控机、导航定位装置和机械臂，所述主控机包括脊柱应用模块、创伤应用模块和关节应用模块，其中：

所述导航定位装置用于获取患者、所述机械臂和手术工具之间的空间位置关系，并向所述主控机发送所述空间位置关系；

所述脊柱应用模块用于根据所述空间位置关系确定目标脊柱手术方案，并根据所述目标脊柱手术方案向所述机械臂发送第一控制指令，控制所述机械臂运动；

所述创伤应用模块用于根据所述空间位置关系确定目标创伤手术方案，并根据所述目标创伤手术方案向所述机械臂发送第二控制指令，控制所述机械臂运动；

所述关节应用模块用于根据所述空间位置关系确定目标关节手术方案，并根据所述目标关节手术方案向所述机械臂发送第三控制指令，控制所述机械臂运动。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述脊柱应用模块包括术前规划模块，其中：

所述术前规划模块包括第一影像导入子模块、第一影像分割重建子模块、第一脊柱手术规划子模块、第一影像采集子模块、第一图像配准子模块和第一执行子模块；

所述第一影像导入子模块用于导入所述患者的术前脊柱影像；

所述第一影像分割重建子模块用于对所述术前脊柱影像进行影像分割重建处理，得到所述患者的第一脊柱三维模型；

所述第一脊柱手术规划子模块用于基于所述第一脊柱三维模型和所述空间位置关系规划对应的初始脊柱手术方案；

所述第一影像采集子模块用于采集所述患者的术中脊柱影像；

所述第一图像配准子模块用于对所述术前脊柱影像和所述术中脊柱影像进行图像配准处理，得到所述术前脊柱影像和所述术中脊柱影像之间的第一配准数据；

所述第一执行子模块用于根据所述第一配准数据引入所述初始脊柱手术方案，得到所述目标脊柱手术方案，并根据所述目标脊柱手术方案向所述机械臂发送所述第一控制指令。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述脊柱应用模块包括术中规划模块，其中：

所述术中规划模块包括第二影像采集子模块、第二影像分割重建子模块、第二图像配准子模块、第二脊柱手术规划子模块和第二执行子模块；

所述第二影像采集子模块用于采集所述患者的术中脊柱影像；

所述第二影像分割重建子模块用于对所述术中脊柱影像进行影像分割重建处理，得到所述患者的第二脊柱三维模型；

所述第二脊柱手术规划子模块用于基于所述第二脊柱三维模型和所述空间位置关系规划对应的初始脊柱手术方案；

所述第二图像配准子模块用于对所述术中脊柱影像对应的第一影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，得到所述第一影像坐标系和所述患者空间坐标系之间的第二配准数据；

所述第二执行子模块用于根据所述第二配准数据和所述初始脊柱手术方案，得到所述目标脊柱手术方案，并根据所述目标脊柱手术方案，向所述机械臂发送所述第一控制指令，控制所述机械臂运动。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述创伤应用模块包括第三影像采集子模块、创伤手术规划子模块、第三图像配准子模块和第三执行子模块，其中：

所述第三影像采集子模块用于采集所述患者的术中创伤影像；

所述创伤手术规划子模块用于根据所述术中创伤影像和所述空间位置关系，获取针对所述患者的创伤区域的初始创伤手术方案；

所述第三图像配准子模块用于对所述术中创伤影像对应的第二影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，确定所述第二影像坐标系和所述患者空间坐标系之间的第三配准数据；

所述第三执行子模块用于根据所述第三配准数据和针对所述患者的创伤区域的初始创伤手术方案，得到所述目标创伤手术方案，并根据所述目标创伤手术方案，向所述机械臂发送所述第二控制指令，控制所述机械臂运动。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述关节应用模块包括膝关节应用模块和髋关节应用模块，其中：

所述膝关节应用模块用于所述空间位置关系确定目标膝关节手术方案，并根据所述目标膝关节手术方案向所述机械臂发送第四控制指令，控制所述机械臂运动；

所述髋关节应用模块用于所述空间位置关系确定目标髋关节手术方案，并根据所述目标髋关节手术方案向所述机械臂发送第五控制指令，控制所述机械臂运动。

6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述***还包括光学探针，所述膝关节应用模块包括第二影像导入子模块、第三影像分割重建子模块、膝关节手术规划子模块、第四图像配准子模块和第四执行子模块；

所述光学探针用于在所述患者的术区骨面确定至少一个第一采集点，并向所述膝关节应用模块发送所述至少一个第一采集点的空间位置；

所述第二影像导入子模块用于导入所述患者的术前膝关节影像；

所述第三影像分割重建子模块用于对所述术前膝关节影像进行影像分割重建处理，获取所述患者的第一骨骼三维模型；

所述膝关节手术规划子模块用于根据所述第一骨骼三维模型和所述空间位置关系，获取初始膝关节手术方案；

所述第四图像配准子模块用于根据所述术前膝关节影像和所述至少一个第一采集点的空间位置，对所述术前膝关节影像对应的第三影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第四配准数据；

所述第四执行子模块用于根据所述第四配准数据和所述初始膝关节手术方案，确定所述目标膝关节手术方案，并根据所述目标膝关节手术方案向所述机械臂发送所述第四控制指令，控制所述机械臂运动。

7.根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述***还包括光学探针，所述髋关节应用模块包括第三影像导入子模块、第四影像分割重建子模块、髋关节手术规划子模块、第五图像配准子模块和第五执行子模块；

所述光学探针用于在所述患者的术区骨面确定至少一个第二采集点，并向所述髋关节应用模块发送所述至少一个第二采集点的空间位置；

所述第三影像导入子模块用于导入所述患者的术前髋关节影像；

所述第四影像分割重建子模块用于对所述术前髋关节影像进行影像分割重建处理，获取所述患者的第二骨骼三维模型；

所述髋关节手术规划子模块用于根据所述第二骨骼三维模型和所述空间位置关系，获取初始髋关节手术方案；

所述第五图像配准子模块用于根据所述术前髋关节影像和所述至少一个第二采集点的空间位置，对所述术前髋关节影像对应的第四影像坐标系和所述患者对应的患者空间坐标系进行配准处理，生成第五配准数据；

所述第五执行子模块用于根据所述第五配准数据和所述初始髋关节手术方案，确定所述目标髋关节手术方案，并根据所述目标髋关节手术方案向所述机械臂发送所述第五控制指令，控制所述机械臂运动。

8.根据权利要求1-7任一项所述的***，其特征在于，所述导航定位装置包括导航相机、患者***、安装于所述机械臂上的机械臂***和安装于所述手术工具上的手术工具***，其中：

所述患者***用于获取所述患者的位姿；

所述机械臂***用于获取所述机械臂的位姿；

所述手术工具***用于获取所述手术工具的位姿；

所述导航相机用于根据所述患者的位姿、所述机械臂的位姿和所述手术工具的位姿，获取所述空间位置关系。

9.根据权利要求1-7任一项所述的***，其特征在于，所述***还包括执行器，所述执行器设置于所述机械臂末端，所述执行器与所述机械臂刚性连接，所述执行器用于在所述机械臂的控制下，运动到规划的位置并保持预期姿态。

10.根据权利要求9所述的***，其特征在于，所述主控机还包括信息输入模块和信息输出模块，其中：

所述信息输入模块用于根据输入的位置调整信息控制调整与所述机械臂连接的执行器模的位置；

所述信息输入模块还用于响应于输入的选择信息，选择对应的手术操作步骤；

所述信息输入模块还用于响应于输入的确认信息，确认对应的手术操作步骤；

所述信息输出模块用于显示所述机械臂的当前状态。