CN102485181A - 基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人 - Google Patents

Abstract

一种脊柱导航手术机器人，它由机器人本体、X线透视设备、主控系统、线配准器、十字配准器、双置入机器手、单置入机器手等部分组成。其特征在于：将设定在人椎骨内的虚拟标识和体外配准器上同样的虚拟标识通过X线进行配准，引导经椎弓根置入或穿刺。它具有定位精度高、不需要多坐标系相互匹配、操作简便、能降低医生的工作强度、可进行远程手术等优点，适用于多种脊柱手术。

Description

基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人

本发明属于一种医疗手术器械。 

尽管脊柱手术的治疗方式有多种多样，如脊柱骨折椎弓根钉内固定、脊柱滑脱椎弓根钉内固定、脊柱侧弯矫形术、椎体成形术等，但大多数都要通过椎弓根这一途径置入螺钉内固定或穿刺方能实现。所谓椎弓根就是连接人椎骨椎体和椎弓较窄的、呈不规则圆柱状、半中空的骨性结构，左右侧各有一个，从腰椎到颈椎，其宽度和高度逐渐减小，其周围是脊髓、血管和脏器等重要组织。毫无疑问，经椎弓根置入螺钉内固定或穿刺存在一定风险，穿透其骨皮质即有可能损伤神经、血管和脏器，造成瘫痪等灾难性后果。因此，准确的经椎弓根置入在脊柱外科领域具有十分重要的意义。目前最为常用的经椎弓根途径置入方法是人工置入，采用X线正、侧位透视引导，手感调整角度，精度较差，文献报道其失误率可达6-41％。近年来，许多不同的方法应用于提高经椎弓根途径置入的精确性，如诱发电位(SEP)、术中电诱发肌电图监测(EMG)，电阻抗、计算机辅助导航(computer aided surgery navigation system，CASNS)、个体化导向模板或数字化导向模板、电磁导航(EM)、手术机器人等。SEP、EMG、电阻抗等是以将要突破椎弓根骨皮质时发出警报的方式提醒术者调整置入方向，这类技术的不足是发现失误时可能为时已晚。个体化导向模板或数字化导向模板是利用逆向工程原理制作三维模板及引导管，模板与椎骨后表面配合后引导椎弓根置入。CASNS、EM等将术前获取的脊柱CT、MRI图像三维重建后数据存于“虚拟世界坐标空间”，术中定位器实时地将目标椎骨和手术器械的空间位置建立在“现实世界坐标系”中，通过这两个坐标空间的匹配引导经椎弓根置入。根据影像采集的方式不同，CASNS可分为两种：(1)基于CT的导航系统。术前进行手术部位脊柱CT扫描并三维重建。术者通过重新格式化和几何测量选择合适的进针点，术中根据系统的引导减少手术的盲目性。(2)基于C形臂X线机透视的导航系统。无需术前CT扫描，手术时将数据收集环安装到影像增强器并扫描数据收集环空影像，然后将参考架连接到需要手术的脊柱位置开始扫描。选择并激活图像，术者根据多幅图像显示的手术器械位置，模拟手术操作的路径，可谓是脊柱外科真正意义的实时导航。CASNS虽显著提高了置入的准确性，但仍存在6％的失误率，还存在影像易漂移(漂移发生率为66％)、追踪系统易受干扰、操作繁琐费时、定位方法有创、不能动态实时监测等不足。1995年以来，国外相继研发了几种用于椎弓根置入的机器人，如以色列的脊柱助理 (Spineass iant)、韩国的SPINEBOT以及德国的一种机器人等，都要依赖于上述CASNS进行定位和姿态控制，这样CASNS的不足在它们身上都可能会有体现。包含CASNS的手术机器人，不仅构成更加复杂，置入精度也难以进一步提高。综上所述，尽管这些引导置入的方法形式迥异，但无一例外都要参照或依赖椎骨表面的解剖标志。由于脊柱外科手术时，椎骨表面的解剖标志可能被破坏，组织也会发生变形(如椎板切除减压硬脊膜膨隆)，这样它们会偏离术前图像重建所确定的位置，偏离范围有时甚至可达几个厘米，使术前配准和融合形成的数据在术中出现偏差，这样无疑会影响导航的精度。而纠正这种组织变形产生误差的最佳方法就是术中应用实时超声、术中CT和MRI实时成像技术、实时更新定位影像，及时发现和纠正偏差。这无疑将使整个手术系统更加复杂，操作也更为繁琐费时，临床上难以推广应用。 

本发明的目的是提供一种基于基于椎骨内虚拟标识配准操控的、准确高效、操作简便的脊柱导航手术机器人。 

本发明的技术方案是这样实现的。该脊柱导航手术机器人由机器人本体、X线透视设备、主控系统、线配准器、十字配准器、双置入机器手、单置入机器手等部分组成。机器人本体包括手术台车和两个六自由度移动单元，可分别使机器人本体连接器和X线透视设备沿X方向(指手术台长轴方向)、Y方向(指手术台短轴方向)、Z(指与手术台垂直方向)方向移动和旋转。X线透视设备包括球管、影像接收器等。主控系统由控制台、计算机、手控器、外部场景显示系统、电机驱动器、控制软件等组成。线配准器包括固定器、刻度尺、定位滑块等。十字配准器包括固定器、四个透X线刻度板和金属配准球及距离调节锁紧装置等。双置入机器手包括定位器、两个导针及距离调整机构、角度调整机构和旋转下降机构等。定位器包括两个定位杆、信号开关、复位弹簧等。单置入机器手包括一个导针及旋转升降机构等。由于临床上以颈椎和上胸椎的椎弓根置入最为困难，下面分别以寰椎和第一胸椎为例说明该机器人的椎弓根置入过程。(1)寰椎“椎弓根”置入：寰椎由前后两弓及两个侧块相互连成，呈环状。前弓前部中央有前结节，后弓后部粗隆为后结节。解剖学上寰椎并无椎弓根结构，其两个侧块相当于其他椎骨的椎弓根。术前在头尾向等分寰椎的CT扫描剖面上，进行以下测定：(1)左右“椎弓根”置入点间距。(2)左右“椎弓根”中心轴线(即在头尾向和内外向均等分椎弓根的轴线)与寰椎正中线的夹角。(3)在寰椎正中线两侧、后弓弧形骨线上选取两点，其距切过后弓后结节最远点的水平线的垂直距离相等。测量该两点的间距，其联线为一虚拟标识即第一虚拟线段；测量两点向切过后结节最远点的水平线所作垂线的长 度，其也为一虚拟标识即第二虚拟线段。术中设定(1)定位器两定位杆相互平行并始终与X线透视设备的中心投照线垂直，两定位杆尖端投影恰好位于该中心投照线上。(2)令两定位杆尖端间的距离与后弓弧形骨线上选取的两点长度相等。两个定位杆尖端之间的联线为一虚拟标识即第三虚拟线段。(3)将线配准器固定于X线透视设备，刻度尺的最远端影恰好位于X线透视设备的中心投照线上。(4)调整定位滑块，使其最下端至刻度尺最远端的距离与第二虚拟线段的长度相等，定位滑块最下端与刻度尺最远端之间的联线为一虚拟标识，即第四虚拟线段。(5)用X线透视设备对寰椎进行侧位投照，使左、右椎弓根投影重合。(6)通过手控器将双置入机器手运动至寰椎后弓正上方，透视下调整两定位杆，使其中心轴线头尾向等分寰椎“椎弓根”，两定位杆的投影完全重合，且其尖端紧压寰椎后弓骨面，二者上移至接通信号开关。(7)微调双置入机器手和X线透视设备，使定位滑块最下端的投影和寰椎后结节最远点的投影刚好接触。定位滑块的外径必须大于两定位杆的外径，否则无法观察滑块的下缘的投影。当(5)、(6)、(7)三个状态同时满足时，第三虚拟线段与第一虚拟线段、第四虚拟线段第二虚拟线段即实现准确配准。由于第四和第二虚拟线段在空间上具有相当远的距离，寰椎或机器人与X线透视设备的位置稍有变化，定位滑块最下端的投影就会偏离寰椎后结节最远点的投影，如此配准的精度就很高。(4)调整令双置入机器手两导针中心轴线的距离与左右“椎弓根”置入点的间距相等、两导针中心轴线与正中面的夹角与左右“椎弓根”中心轴线与寰椎正中线的夹角相等。(5)启动电机旋入导针并实时动态监测，即在置入过程中透视观察保持上述(5)、(6)、(7)三个状态不变，导针即能沿椎弓根中心轴线准确置入。第一胸椎椎弓根置入：椎弓根最为狭窄的部分即椎弓根峡部，如从椎弓根标准轴位即沿中心轴线投照，椎弓根峡部骨壁的内侧缘必然投影为椎弓根投影的内缘。术前(1)在头尾向等分寰椎的CT扫描剖面上，测量位于椎弓根峡部内、外侧壁内面之间的、与椎弓根中心轴线垂直的最短线的长度，此线为第一虚拟线段。(2)在内外向等分寰椎的CT扫描剖面上，测量位于椎弓根峡部头、尾侧壁内面之间的、与椎弓根中心轴线垂直的最短线的长度，此线为第二虚拟线段。第一与第二虚拟线段相互垂直，构成了一个虚拟十字标识即第一虚拟十字标识。术中(1)保持X线透视设备的中心投照线与单置入机器手的导针的中心轴线始终重合。(2)将十字配准器固定于X线透视设备，四个金属配准球外缘间的距离按内外和头尾向调整与上述第一和第二虚拟线段的长度相等，这两条虚拟线段相互垂直，就在四个金属配准球外缘间形成另一个虚拟十字标识即第二虚拟十字标识。(3)用X线透视设备从轴位对第一胸椎椎弓根投照，调整X线 透视设备与单置入机器手，使四个金属配准球投影的外缘恰好触及内、外和头、尾侧壁投影的内缘，这样就实现了第二和第一虚拟十字标识的配准。由于第二和第一虚拟十字标识在空间上具有相当远的距离，第一胸椎或X线透视设备与单置入机器手的位置稍有变化，四个金属配准球投影的外缘即会偏离内、外和头、尾侧壁投影的内缘，如此配准的精度就很高。(4)启动电机旋入导针并实时动态监测，即始终保持四个金属配准球投影的外缘恰好触及内、外和头、尾侧壁投影的内缘，这样导针即能沿椎弓根中心轴线准确置入。 

本发明的结构结合附图详述如下。 

基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人由机器人本体、X线透视设备、主控系统、线配准器、十字配准器、双置入机器手、单置入机器手等部分组成。机器人本体包括手术台车1和两个六自由度移动单元，可分别使机器人本体连接器2和X线透视设备沿X方向(指手术台长轴方向)、Y方向(指手术台短轴方向)、Z(指与手术台垂直方向)方向移动和旋转。X线透视设备包括影像接收器3、球管4。机器人本体连接器2左右各有一个，以便双或单机器手插接。主控系统由控制台、计算机、手控器、外部场景显示系统、电机驱动器、控制软件等组成。线配准器包括固定器5、刻度尺6、定位滑块7等。固定器5可将线配准器固定于影像接收器3上。十字配准器包括固定器8、四个透X线刻度板9、四个金属配准球10及距离调节锁紧装置11等。固定器8同样可将线配准器固定于影像接收器3上。双置入机器手包括定位器12、两个导针13及距离调整机构(由螺纹杆14，15和手柄16等组成)、角度调整机构(由刻度盘17、转轴18、锁紧螺母19组成)、旋转下降机构(由电机20、同步带21、带轮22，轴承23、底座24组成)和连接柱25。导针13的前段外部为螺纹，安装于底座24的螺纹孔26内，后段为方形，尾部有一槽。带轮22内部为方形，其旋转可使导针13旋转下降。尾部的槽42以便人工转动使导针13与机器手脱离。定位器12包括两个定位杆27、信号开关28、复位弹簧29、距离调节螺纹杆及手柄30等。转动手柄30可调节两定位杆27间的距离。单置入机器手包括一个导针31、旋转升降机构(包括电机32、同步带33、带轮34，轴承35、底座36、透射线底托37、旋转管38)和连接柱39。旋转管38前段外为螺纹，后段外为方形结构，其内中空可透过射线。透射线底托37安装于旋转管38底部的孔40内。带轮34内亦为方形结构，其旋转可使导针31旋转下降。导针31的后段外部为螺纹，尾部有一槽41以便人工旋转使之与机器手脱开。由于临床上以颈椎和上胸椎的椎弓根置入最为困难，下面分别以寰椎和第一胸椎为例说明该机器人的椎弓根置入过程。(1)寰椎“椎弓根”置 入：寰椎由前后两弓及两个侧块相互连成，呈环状。前弓前部中央有前结节，后弓后部粗隆为后结节。解剖学上寰椎并无椎弓根结构，其两个侧块相当于其他椎骨的椎弓根。术前在头尾向等分寰椎的CT扫描剖面上，进行以下测定：(1)左右“椎弓根”置入点43间距。(2)左右“椎弓根”中心轴线44(即在头尾向和内外向均等分椎弓根的轴线)与寰椎正中线的夹角。(3)在寰椎正中线两侧、后弓弧形骨线上选取两点，其距切过后结节最远点的水平线的垂直距离相等。测量该两点的间距，其联线为一虚拟标识即第一虚拟线段45；测量两点向切过后结节最远点的水平线所作垂线的长度，其也为一虚拟标识即第二虚拟线段46。术中设定(1)定位器两定位杆27相互平行并始终与X线透视设备的中心投照线垂直，两定位杆27尖端投影恰好位于该中心投照线上。(2)令两定位杆27尖端间的距离与后弓弧形骨线上选取的两点长度相等。两个定位杆27尖端之间的联线为一虚拟标识即第三虚拟线段47。(3)将线配准器固定于X线透视的设备影像接收器3上，刻度尺6的最远端影恰好位于X线透视设备的中心投照线上。(4)调整定位滑块7，使其最下端至刻度尺6最远端的距离与第二虚拟线段46的长度相等，定位滑块7最下端与刻度尺最6远端之间的联线为一虚拟标识，即第四虚拟线段48。(5)用X线透视设备对寰椎进行侧位投照，使左、右椎弓根投影重合。(6)通过手控器将双置入机器手运动至寰椎后弓正上方，透视下调整两定位杆27，使其中心轴线头尾向等分寰椎“椎弓根”，两定位杆27的投影完全重合，且其尖端紧压寰椎后弓骨面，二者上移至接通信号开关28。(7)微调双置入机器手和X线透视设备，使定位滑块7最下端的投影和寰椎后结节最远点的投影刚好接触。定位滑块7的外径必须大于两定位杆27的外径，否则无法观察滑块的下缘的投影。当(5)、(6)、(7)三个状态同时满足时，第三虚拟线段47与第一虚拟线段45、第四虚拟线段48第二虚拟线段46即实现准确配准。由于第四48和第二虚拟线段46在空间上具有相当远的距离，寰椎或机器人与X线透视设备的位置稍有变化，定位滑块7最下端的投影就会偏离寰椎后结节最远点的投影，如此配准的精度就很高。(4)调整令双置入机器手两导针中心轴线的距离与左右“椎弓根”置入点的间距相等、两导针13中心轴线与正中面的夹角与左右“椎弓根”中心轴线与寰椎正中线的夹角相等。(5)启动电机20旋入导针13并实时动态监测，即在置入过程中透视观察保持上述(5)、(6)、(7)三个状态不变，导针13即能沿椎弓根中心轴线准确置入。第一胸椎椎弓根置入：椎弓根最为狭窄的部分即椎弓根峡部，如从椎弓根标准轴位即沿中心轴线投照，椎弓根峡部骨壁的内侧缘必然投影为椎弓根投影的内缘。术前(1)在头尾向等分寰椎的CT扫描剖面上，测量位于椎弓根峡部内、外侧壁内面之 间的、与椎弓根中心轴线垂直的最短线的长度，此线为第一虚拟线段49。(2)在内外向等分寰椎的CT扫描剖面上，测量位于椎弓根峡部头、尾侧壁内面之间的、与椎弓根中心轴线垂直的最短线的长度，此线为第二虚拟线段50。第一与第二虚拟线段相互垂直，构成了一个虚拟十字标识即第一虚拟十字标识51。术中(1)保持X线透视设备的中心投照线与单置入机器手的导针31的中心轴线始终重合。(2)将十字配准器固定于X线透视设备的影像接收器3，四个金属配准球10外缘间的距离按内外和头尾向调整与上述第一49和第二虚拟线段50的长度相等，这两条虚拟线段相互垂直，就在四个金属配准球外缘间形成另一个虚拟十字标识即第二虚拟十字标识52。(3)用X线透视设备从轴位对第一胸椎椎弓根投照，调整X线透视设备与单置入机器手，使四个金属配准球10投影的外缘恰好触及内、外和头、尾侧壁投影的内缘，这样就实现了第二52和第一虚拟十字标识51的配准。由于第二52和第一虚拟十字标识51在空间上具有相当远的距离，第一胸椎X线透视设备与单置入机器手的位置稍有变化，四个金属配准球10投影的外缘即会偏离内、外和头、尾侧壁投影的内缘，如此配准的精度就很高。(4)启动电机32旋入导针31并实时动态监测，即始终保持四个金属配准球10投影的外缘恰好触及内、外和头、尾侧壁投影的内缘，这样导针即能沿椎弓根中心轴线准确置入。 

本发明具有以下优点：定位精度高，不需要多坐标系相互匹配，操作简便，能降低医生的工作强度，可进行远程手术，适用于多种脊柱手术。 

说明书附图说明： 

1.手术台车2.机器人本体连接器3.影像接收器4.球管5.线配准器固定器6.刻度尺7.定位滑块8.十字配准器固定器9.透X线刻度板10.金属配准球11.配准球距离调节锁紧装置12.双置入机器手定位器13.导针14.螺纹杆15.螺纹杆16.手柄17.刻度盘18.转轴19.锁紧螺母20.电机21.同步带22.带轮23.轴承24.底座25.双置入机器手连接柱26.螺纹孔27.定位杆28.信号开关29.复位弹簧30.手柄31.单置入机器手导针32.电机33.同步带34.带轮35.轴承36.底座37.透射线底托38.旋转管39.单置入机器手连接柱40.螺纹孔41.单置入机器手导针尾槽42.双置入机器手导针尾槽43.“椎弓根”置入点44.“椎弓根”中心轴线45.第一虚拟线段(寰椎)46.第二虚拟线段(寰椎)47.第三虚拟线段(寰椎)48.第四虚拟线段(寰椎)49.第一虚拟线段(第一胸椎)50.第二虚拟线段(第一胸椎)51.第一虚拟十字标识52.第二虚拟十字标识 

图1：基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人        主视图 

图2：基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人        俯视图 

图3：基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人        侧视图 

图4：线配准器 

图5：十字配准器 

图6：双置入机器手                                    俯视图 

图7：双置入机器手                                    侧视图 

图8：单置入机器手                                    侧视图 

图9：寰椎“椎弓根”双置入                            示意图。 

Claims (7)

1.一种基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人，它由机器人本体、X线透视设备、主控系统、线配准器、十字配准器、双置入机器手、单置入机器手等部分组成。其特征在于：将设定在人椎骨内的虚拟标识和体外配准器上同样的虚拟标识通过X线进行配准，引导经椎弓根置入或穿刺。

2.根据权力要求1所述的基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人，其特征在于：虚拟标识可以为虚拟线段或其他虚拟形式。

3.根据权力要求1所述的基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人，其特征在于：机器人本体包括手术台车和两个六自由度移动单元，可分别使机器人本体连接器和X线透视设备沿X、Y、Z方向移动和旋转。

4.根据权力要求1所述的基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人，其特征在于：机器人本体连接器左右各有一个，方便机器手插接。

5.根据权力要求1所述的基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人，其特征在于：线配准器的定位滑块可成各种形状，其外径大于定位器的定位杆的外径。

6.根据权力要求1所述的基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人，其特征在于：十字配准器金属配准球也可以为其他各种形状的、不透射线的材料所制成。

7.根据权力要求1所述的基于虚拟标识配准操控的脊柱导航手术机器人，其特征在于：双置入机器手定位器的定位杆为两个或以上。

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