CN102727312A - 基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，所述骨骼基准确定方法包括步骤：11)将体外标志物与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；12)确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物，获取所述参照物在影像坐标系中的坐标，并获取所述目标骨骼的基准与所述参照物的相对位置；13)根据所述相对位置获取所述目标骨骼的基准在影像坐标系中的坐标，以便在手术时将手术机器人坐标系与所述影像坐标系配准，并以所述目标骨骼的基准的坐标引导或控制手术机器人进行手术。这种基准确定方法能够实现对骨骼基准的准确定位，以保证骨骼手术的安全性和疗效。

Description

基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法

技术领域

本发明属于一种医疗技术，尤其涉及一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法。

背景技术

目前每年全世界都有成千上万的患者进行各种与骨骼有关的手术，如骨科手术、神经外科手术等，这些手术的安全性与疗效果无疑和手术定位及操作的精度紧密相关。例如，脊柱椎弓根钉内固定手术，由于椎弓根周围是脊髓、血管和脏器等重要组织，经椎弓根置入螺钉内固定存在一定风险，穿透其骨皮质造成血管、脏器和神经损伤，发生瘫痪。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。但目前最为常用的经椎弓根途径置入方法是人工置入，依据体内骨表面标志精度较差，文献报道其失误率可达6-41％。又例如，人工膝关节置换手术，由于股骨、胫骨形状不规则，缺乏可靠的骨表面标志，术中定位困难，势必影响手术精度的精度，而对于这种人工膝关节置换，精准的下肢力线重建非常重要，是术后获得满意疗效和假体长期存活的关键。生理状态下，当人体站立时，股骨头中心、膝关节中心及踝关节中心处于同一条直线，此直线即下肢力线(也称机械轴)。轻微的力线不良即可引发早期松动、平台塑件磨损和关节功能不良。研究表明，下肢力线偏差在±3°以内的假体10年存留率可达到90％，超过±3°则降为73％。下肢力线偏离膝关节中心与假体的无菌性松动也有密切关系，下肢力线偏差如果在±3°之内，术后12年假体松动率为3％，如果下肢力线偏差超过±4°则松动率增加至24％。下肢力线内翻时还会增加聚乙烯衬垫的磨损，当膝关节内翻5°或更多时，聚乙烯衬垫的磨损将增加到0.105～0.125mm/y。为保证术后下肢力线的精度，目前有髓内定位法、髓外定位法和计算机导航辅助定位法应用于人工膝关节置换。髓内及髓外定位法依靠大量的体内骨性标志，如经股骨髁上轴线、Whiteside线、股骨后髁轴线、胫骨结节内侧缘、内上髁最高点、外上髁最高点、胫骨后髁线、胫骨经髁线、胫骨中沟线、踝间线、第2跖骨线和胫骨结节中内1/3线等，准确率为65％～89.1％。计算机导航辅助定位分为CT、X射线影像依赖型和非依赖型，但都需要录入下肢的体内的骨性标志方能实现。再例如，脊柱骨折、脊柱肿瘤、脊柱侧弯、椎间盘突出、椎管狭窄、脊柱滑脱等多种脊柱疾患，尽管其减压手术方法多种多样，但均面临一个同样的风险，即手术可能发生神经损伤、造成灾难性的后果，其原因主要还是和不能精准地进行骨骼基准确定及手术操作有关。

综上所述，尽管涉及骨骼的各种手术方法形式迥异，但无一例外都要参照或依赖体内骨骼表面的标志。由于这些标志可能受到解剖变异、骨赘增生、肥胖、过多的软组织、畸形等因素的影响，会造成目测判读或触摸困难，这样无疑将影响定位精度导致偏差，进而影响手术的安全与疗效。

此外，现有技术中一些其他的定位方法，如框架定位，由于有创目前已趋于淘汰。基于特定底框内CT、MRI扫描的立体定向手术系统，利用扫描罩注册精度较高，但手术只能在CT或MRI室进行，应用受到局限；采用体表马克注册，由于不能保证术中及术前体位一致及皮肤的移动而定位精度较低，只能用于精度要求不高的骨科手术。

有鉴于此，亟待针对上述技术问题，另辟蹊径设计一种手术机器人骨骼基准确定方法，实现对骨骼基准的准确定位，以保证骨骼手术的安全性和疗效。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的骨骼手术点、线或面等参照标志的确定方法，从而为各种需要精确操作包括数字化切割的骨骼手术提供基准，保证手术精度，提高手术的安全和疗效。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，它由体外标志物、机器人本体、手术台、移动单元、操控台、探针、三维重建软件及编程控制软件、刀具等组成；其特征在于：术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其“绑定”进行影像学检查，数据资料传输并储存于计算机；术中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面一个或以上的点的坐标，与上述储存的数据资料进行比对后，在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点、线或面的坐标，再以这些点、线或面等作为基准，引导或控制机器人进行精确手术。

优选地，体外标志物可用多种材料之制成，可呈矩形或其他任何形状，其上的点、线或面等均可作为骨骼手术参照基准。

优选地，以体外标志物上的点、线或面等作为骨骼手术参照基准的各种编程控制软件。

优选地，所述骨骼基准确定方法包括步骤：

11)将体外标志物与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

12)确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物，获取所述参照物在影像坐标系中的坐标，并获取所述目标骨骼的基准点与所述参照物的相对位置；

13)根据所述相对位置获取所述基准点在影像坐标系中的坐标，以便在手术时将手术机器人坐标系与所述影像坐标系配准，并以所述基准点的坐标引导手术机器人进行手术。

优选地，所述目标骨骼为寰椎，所述基准确定方法的各个步骤具体为：

11)将所述体外标志物、所述寰椎和与所述寰椎相邻的枢椎作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

12)确定所述寰椎、所述枢椎的内外等分剖面在所述体外标志物表面的投影为参照线，获取所述参照线在所述影像坐标系中的坐标；获取所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点的坐标，以及该点到所述参照线的第一高度，获取所述寰椎、所述枢椎的寰枢关节中心点到所述参照线的第二高度，并测量所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点与所述寰枢关节中心点的水平距离；

13)根据所述第一高度与所述第二高度的差值，以及所述水平距离获取所述寰枢关节中心点在所述影像坐标系中的坐标。

优选地，所述步骤13)后还包括：

14)将所述手术机器人的机器手以所述寰枢关节中心点为圆心，以大于所述寰枢关节中心点至寰椎左椎弓根置入点、寰椎右椎弓根置入点的距离，且小于所述寰枢关节中心点至所述寰椎左边缘点、所述寰椎右边缘点的距离为半径转动，使所述机器手的导针与所述寰椎后弓左、右触碰，生成两触点的中心点的坐标；

15)将导针沿所述寰枢关节中心点与所述两触点的中心点的连线运动，再继续向左或向右移动所述寰椎置入点到正中面的距离；

16)按照预先测量的左、右椎弓根置入角度调整姿态，以便进行手术。

优选地，所述目标骨骼为股骨，所述基准确定方法的各个步骤具体为：

11)将所述体外标志物、所述股骨作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

12)以所述体外标志物上的水平面为参照面，确定所述股骨上的第一预设点，，确定所述参照面上的第二预设点、第三预设点，第四预设点，并确定所述参照面在所述影像坐标系中的坐标；

获取在所述股骨最大截面处截取所述股骨的第一水平剖面到所述参照面的距离，确定第二预设点、第三预设点分别在所述第一水平剖面图的第一投影点、第二投影点的位置，并测量所述股骨头中心点、所述第一投影点、第二投影点两两之间的距离；

获取通过所述股骨的髁间窝的第二水平剖面到所述参照面的距离，确定所述第二预设点、第三预设点分别在所述第二水平剖面图上的第三投影点、第四投影点的位置，并测量所述股骨髁间窝中心点、所述第三投影点、所述第四投影点两两之间的距离；

13)根据所述股骨头中心点、所述第一投影点、第二投影点两两之间的距离获取所述股骨头中心点的坐标；根据所述股骨髁间窝中心点、所述第三投影点、所述第四投影点两两之间的距离获取所述股骨髁间窝中心点的坐标；获取所述股骨头中心点与所述股骨髁间窝中心点的第一连线。

优选地，所述步骤12)中还包括：

获取通过距骨顶点中心的第三水平剖面到所述参照面的距离，确定所述第二预设点、第三预设点分别在所述第三水平剖面上的第五投影点、第六投影点的位置，并测量所述距骨顶点中心、所述第五投影点、所述第六投影点两两之间的距离；

所述步骤13)中还包括：

根据所述距骨顶点中心、所述第五投影点、所述第六投影点两两之间的距离获取所述距骨中心点的坐标，获取所述股骨髁间窝中心点与所述距骨顶点中心的第二连线。

优选地，所述第一预设点为所述股骨髁的滋养孔或其他具有类似作用的结构，或者所述第一预设点采用穿刺针在所述股骨上扎刺获得。

优选地，所述步骤11)具体为：

先采用固定装置通过无创伤的方式固定所述体外标志物和所述目标骨骼，再将所述体外标志物与所述目标骨骼作为整体进行CT扫描，建立影像坐标系。

本发明提供一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其“绑定”进行影像学检查，数据资料传输并储存于计算机；术中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面多点的坐标，与上述储存的数据资料进行比对后，在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点、线或面的坐标，再以这些点、线或面等作为基准，引导或控制机器人进行精确手术。

采用这种方法能够准确地获取目标骨骼的基准点，提高骨骼手术的准确度和疗效。

附图说明

图1为体外标志物及骨骼“绑定”CT扫描示意图；

图2为手术机器人端视图；

图3为手术机器人侧视图；

图4为手术机器人俯视图；

图5为手术机器人的操控台结构示意图；

图6为本发明所提供基准确定方法的一种具体实施方式的流程框图；

图7为本发明所提供基准确定方法的另一种具体实施方式流程框图；

图8为寰、枢椎内外等分剖视图；

图9为枢椎端视图；

图10为寰、枢椎俯视图；

图11为寰椎端视图；

图12为本发明所提供基准确定方法的第三种具体实施方式的流程框图；

图13为体外标志物与股骨、胫骨“绑定”基准构建示意图；

图14为体外标志物与股骨、胫骨“绑定”基准构建侧视图；

图15为图14的K向示意图；

图16为体外标志物与股骨、胫骨“绑定”基准构建俯视图；

图17为坐标系配准胫骨截骨后膝关节屈曲状态示意图。

图1至图17中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1体外标志物；11矩形板；12侧圆柱；13基准线；14基准点；15基准面；

2机器人；22机器人本体；23手术台；24移动单元；25操控台；26探针；27显示器；28电机；

3寰椎；31寰枢椎左右等分剖面；32正中面；寰枢椎关节中心点O；N寰椎左置入点；N′寰椎右置入点；n垂直距离；α寰椎左椎弓根置入角度；α′寰椎右椎弓根置入角度；K寰椎左边缘点；K′寰椎右边缘点；L寰椎后弓左侧触点；L′寰椎后弓右侧触点；D中心点；

4枢椎；M枢椎左置入点；M′枢椎右置入点；A中点；h′第一高度；

5、股骨；51第一预设点；E股骨头中心点；B股骨内弧线点；B′股骨外弧线点；G髁间窝中心点；P股骨内侧后髁最低点；P′股骨外侧后髁最低点；距骨顶点中心E′；

6胫骨；u，u′水平距离；w，w′水平距离；Q内踝触点；Q′外踝触点；

7固定装置；71固定板；72固定座；73底座；75固定螺钉；76固定带；77挡板；78滑槽；79钢针；710固定架；711锁紧装置；712压力传感器。

具体实施方式

本发明的核心为提供一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，该方法能够对目标骨骼的基准进行准确定位，以提高骨骼手术的安全性和疗效。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图2至图5所示，图2为手术机器人端视图；图3为手术机器人侧视图；图4为手术机器人俯视图；图5为手术机器人的操控台。

在一种具体实施方式中，如图2至图5所示，手术机器人2由机器人本体22、手术台23、移动单元24、操控台25、探针26、三维重建软件及编程控制软件、刀具等组成。体外标志物1由不影响CT扫描的材料组成，其可以呈矩形、表面光滑且平整，可依据其上的点、线或面等作为基准参照标志。手术台23可沿X轴、Y轴、Z轴平移或升降。移动单元24由多根导轨、电机28、驱动器、传感器等组成。操控台25由计算机、显示器27、三维重建软件及编程控制软件等组成。探针26由电机28、驱动器、移动机构、传感器等组成。

如图1所示，该图1为体外标志物及骨骼“绑定”CT扫描示意图；以股骨5远端截骨为例，术前将体外标志物1放置在股骨5上方体外合适位置并固定牢稳，体外标志物1与股骨5一并进行CT扫描并三维重建，数据资料传输并储存于计算机。以基准面15为参照面，在距其垂直高度为a的通过股骨头的最大CT剖面图上，确定股骨头的中心点E，股骨5内弧线上选取点B，外弧线上选取点B′。测量EB、EB′、B B′的长度。术中显露部分股骨5，手术台23平移，探针26上下多次运动，探测并记录体外标志物1下方股骨5上表面多点的坐标。计算机与上述储存的数据资料进行比对后，在其坐标系中自动生成体外标志物1空间点、线或面等坐标位置。以之为参照，探针26运动至点B、B′并自动记录这些点的坐标，以之为基准，由于EB、EB′及BB′的长度为已知，这样机器人2的计算机系统即可自动生成股骨头中心E的坐标。同样以基准面15为参照面，自动生成股骨5髁间窝中心点G的坐标，EG连线即下肢力线的股骨段。以该下肢力线为参照，机器人2在编程控制软件的控制下，其刀具自动完成股骨5远端五个端面的数字化截骨。

本发明构思巧妙，骨骼基准建立的过程中既无创伤，也不受解剖变异、骨赘增生、畸形等因素的影响，精确度高，可靠简便，适用范围广。

请参考图6，图6为本发明所提供基准确定方法的一种具体实施方式的流程框图；

在一种具体实施方式中，如图6所示，本发明所提供的基于体外标志物1的手术机器人2骨骼基准确定方法，该骨骼基准确定方法包括如下步骤：

S11：将体外标志物1与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

S12：确定体外标志物1上的点或线或面为参照物，获取参照物在影像坐标系中的坐标，并获取目标骨骼的基准点与参照物的相对位置；

S13：根据相对位置获取目标骨骼的基准在影像坐标系中的坐标，以便在手术时将手术机器人2坐标系与影像坐标系配准，并以目标骨骼的基准的坐标引导或控制手术机器人2进行手术。

上述基准确定方法首先将体外标志物1和目标骨骼置于同一坐标系中，体外标志物1相当于一块形状规则、且位置固定的“骨骼”设置该坐标系中，然后将体外标志物1的一部分作为参照物，该参照物在影像坐标系中的坐标可以通过测量等手段获取；再通过测量目标骨骼的基准与参照物的相对位置获取目标骨骼的基准在影像坐标系中的坐标。

采用这种基准确定方法，设置位置固定、形状规则的体外标志物1的参照物作为中介桥梁，通过依次确定参照物的坐标-基准与参照物的相对位置-基准的坐标的方法，巧妙地解决了手术过程中某些目标骨骼的基准在CT坐标下无法直接测量确定的难题，实现了对目标骨骼的基准进行准确定位的效果，以便后续手术机器人2依照该基准进行手术，能够大大提高骨骼手术的安全性和疗效。

需要说明的是，上述参照物可以具体为体外标志物1上的参照点或参照线或参照面。这样，通过灵活地设置参照物能够为基准确定方法提供最大程度的便利。

上述手术机器人2基准确定方法的应用极为广泛，其可以适用于多种骨骼手术中，例如脊椎骨手术，四肢骨手术，颌骨，颅骨，甚至还可以用于整形美容手术等。下面具体以寰椎手术和股骨手术为例具体介绍上述基准确定方法的具体执行过程。

请参考图7至图11，图7为本发明所提供基准确定方法的另一种具体实施方式流程框图；图8为寰椎、枢椎内外等分剖视图；图9为枢椎端视图；图10为寰、枢椎俯视图；图11为寰椎端视图。

在另一种具体实施方式中，如图7所示，具体步骤为：

S21：如图8所示，将体外标志物1设置于寰椎3和与寰椎3相邻的枢椎4的下方，并将三者作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

S22：确定寰椎3、枢椎4的内外等分剖面在体外标志物1表面的投影为参照线13，通过测量获取参照线在影像坐标系中的坐标；获取枢椎4左、右椎弓根置入点M、M′连线的中点A的坐标，以及该点A到参照线的第一高度h′，获取寰椎3、枢椎4的寰枢关节中心点O到参照线13的第二高度h，并测量左、右椎弓根置入点M、M′连线的中点A与寰枢关节中心点O的水平距离。

由于该参照线13正对寰椎3、枢椎4的内外等分剖面31，使其对寰椎3、枢椎4的可参照性较高，并有利于后续相对位置的确定和距离的测量。该步骤获取枢椎4左、右椎弓根置入点M、M′连线中点A的坐标的方法为已知技术，具体可以参考ZL201110417113.8，并通过CT剖面图直接测量上述第一高度h′、第二高度h。

S23：根据第一高度h′与第二高度h的差值，以及水平距离获取寰枢关节中心点O在影像坐标系中的坐标，即通过检测寰枢关节中心O相对于枢椎4左、右椎弓根置入点M、M′连线的中点A的水平偏差、竖直偏差获取寰枢关节中心点O的坐标。

采用这种方法，更进一步借助枢椎4作为中间桥梁，利用寰枢关节中心点O是寰椎3和第二枢椎4的共同点这一特性，采用依次获取基准线13坐标-枢椎4左、右椎弓根置入点M、M′连线的中点O与基准线13相对位置-寰枢关节中心点O与枢椎4左、右椎弓根置入点M、M′连线中点A的水平偏差、竖直偏差-寰枢关节中心点坐标的顺序获取寰椎3关节点。这种将枢椎4和寰椎3，以及体外标志物1三者作为整体扫描，利用在枢椎4上检测到的已知点的坐标获取寰椎3与参考线的位置关系，进而确定寰椎3在影像坐标系的坐标的方法，巧妙地解决了寰椎3由于其本身的基准点不易测量导致其基准难以确定的问题，大大提高了寰椎3手术的安全性和疗效。

在另一种具体实施方式中，上述基准确定方法还可以包括如下步骤：

S24：将机器手以寰枢关节中心点O为圆心，以大于寰枢关节中心点O至寰椎3左椎弓根置入点N、寰椎3右椎弓根置入点N′的距离，且小于寰枢关节中心点O至寰椎3左边缘点K、寰椎3右边缘点K′的距离为半径转动，使机器手的导针与寰椎3后弓左、右触碰，生成寰椎后弓左侧触点L、寰椎后弓右侧触点L′的中心点D的坐标；

S25：使导针沿寰枢关节中心点O与中心点D的连线运动，再继续向左或向右移动寰椎3置入点到正中面32的距离n；

S26：按照预先测量的左、右椎弓根置入角度α、α′调整姿态。

上述步骤能够根据寰椎3关节点进一步准确地找到寰椎3的左右椎弓根置入点，便于在手术中进行准确定位，进一步提高手术的疗效。

请参考图如图12至图17，图12为本发明所提供基准确定方法的第三种具体实施方式的流程框图；图13为体外标志物1与股骨5、胫骨6“绑定”基准构建示意图；图14为体外标志物1与股骨5、胫骨6“绑定”基准构建侧视图；图15为图14的K向示意图；图16为体外标志物1与股骨5、胫骨6“绑定”基准构建俯视图；图17为坐标系配准胫骨6截骨后膝关节屈曲状态示意图。

在另一种具体实施方式中，如图12所示，上述基准确定方法还可以具体用于股骨手术，由于股骨5手术依据的基准为下肢力线，因此，该基准确定方法的最终目标是获取下肢力线，具体执行步骤如下：

S31：将体外标志物1、股骨5作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

S32：以体外标志物1上的水平面为参照面，确定股骨5上的第一预设点51，参照面上的第二预设点、第三预设点、第四预设点，并确定参照面在影像坐标系中的坐标；

获取在股骨头的最大截面处截取的第一水平剖面到参照面的距离，确定第二预设点、第三预设点分别在第一水平剖面的第一投影点、第二投影点的位置，并测量股骨头中心点E、第一投影点、第二投影点两两之间的距离；

获取通过股骨5的髁间窝的第二水平剖面到参照面的距离，确定第二预设点、第三预设点分别在第二水平剖面图上的第三投影点、第四投影点的位置，并测量股骨5髁间窝中心点G、第三投影点、第四投影点两两之间的距离。

S33：根据股骨头中心点E、第一投影点、第二投影点两两之间的距离获取股骨头中心点E的坐标；根据股骨5髁间窝中心点G、第三投影点、第四投影点两两之间的距离获取股骨5髁间窝中心点G的坐标；获取股骨头中心点E与股骨5髁间窝中心点G的第一连线。

采用上述方法，首先获取参照面的坐标，然后分别通过参照面上若干个选定点在第一水平剖面图上的投影、在第二水平剖面图上的投影确定股骨头中心点E、股骨5的髁间窝中心点G的影像坐标，最终获取股骨头中心点E、股骨5的髁间窝中心点G的坐标，二者连线即为下肢力线的股骨段。该下肢力线即为股骨5手术提供准确的基准，提高股骨5手术的安全性和疗效。

进一步的方案中，上述股骨5手术的基准确定方法中的步骤S32还可以包括：获取通过距骨顶点中心E′的第三水平剖面到参照面的距离，确定第二预设点、第三预设点分别在第三水平剖面上的第五投影点、第六投影点的位置，并测量距骨顶点中心E′、第五投影点、第六投影点两两之间的距离；

上述股骨5手术的基准确定方法中的步骤S33还可以包括：根据距骨顶点中心E′、第五投影点、第六投影点两两之间的距离获取距骨中心点E′的坐标，获取股骨5髁间窝中心点G与距骨顶点中心E′的第二连线即为下肢力线的胫骨段。

然后，在距第一预设点51(可以选用髁上滋养孔)的水平距离分别是u、u′通过内、外踝的CT剖面骨表面上或稍外任意各取一点Q和Q′，记录其坐标。上述数据资料传输并储存于机器人主控系统的计算机，建立体外标志物的影像坐标系，计算机可通过软件计算出髁上滋养孔距离点Q和Q′的长度w、w′。CT扫描完成后去除体外标志物。术中以术前压力传感器712记录的压力值重新用固定带76将患者的骨盆固定于机器人的手术台23上，再按术前的步骤与方式，同样将下肢置于固定座72上，保持拇趾及足跟内侧触及挡板外侧的压力同术前，这样下肢的位置即与术前基本相同。切开膝关节，用两枚钢针79，79及固定架710固定股骨5，显露并确认髁上滋养孔后，探针26运动至并记录其坐标，与其在体外标志物影像坐标系内距离平面15的高度值比对后，微调固定架710的高度，使机器人测量的髁上滋养孔的高度与体外标志物影像坐标系内的高度相同。探针26以髁上滋养孔为圆心，w、w′为半径，在通过点Q和Q′与手术台平行的平面内运动，如探针26为尖针，可刺入皮内触及点Q，Q′；如探针26为钝尖，当以同样压力触碰内、外踝时，由于此处皮肤较薄，可以认为探针26触及点Q，Q′，记录点Q，Q′的坐标，结合CT扫描数据资料，通过软件可建立体外标志物机器人坐标系并同时实现与体外标志物影像坐标系的精确配准。这样机器人在其体外标志物机器人坐标系中即能自动确定股骨头中心点E的坐标。将探针26更换为刀具，机器人在编程控制软件的控制下，先以E′G线(下肢力线胫骨段)为基准首先进行胫骨一个面的截骨。去除踝部的固定机构，将膝关节屈曲并脱位至理想位置，再以EG连线(下肢力线股骨段)为基准，测定股骨内侧后髁最低点P和外侧后髁最低点P′的坐标后，以点P，P′的连线即股骨后髁线进行股骨假体旋转定位[也可采用股骨外科上髁轴线(是指股骨内上髁凹与外上髁凸的连线)、股骨临床上髁轴线(是指股骨内上髁凸与外上髁凸的连线)、Whiteside′s线(是指股骨滑车最低点与髁间窝中点的连线在额状面上的垂线)等线]，自动完成股骨远端五个端面的截骨。

采用这种方法，股骨头中心点E、股骨5髁间窝中心点G与距骨顶点中心E′三点相连可以获取完整的下肢力线，便于后续手术中以之为依据进行截骨，从而达到更高的手术精度。

具体的方案中，当针对股骨5和胫骨6手术时，上述体外标志物可以包括矩形板11和安装于矩形板11上的两个侧圆柱12，两个侧圆柱12与基准面的交点即为第二预设点、第三预设点，第一投影点、第二投影点即为两个侧圆柱与第一水平剖面图的交点；第三投影点、第四投影点即为两个侧圆柱与第二水平剖面图的交点；第五投影点、第六投影点即为两个侧圆柱与第三水平剖面图的交点。当然，上述各个投影点还可以通过其他方式获取。

还可以进一步限定上述参照面上选定第一预设点51的获取方法。

在更具体的方案中，上述步骤S32中股骨5表面上的第一预设点51可以选定为股骨5髁的滋养孔。这样能够避免的股骨5的创伤，以无创的方式获取选定点，完成基准的确定。当然，上述股骨5表面上的第一预设点还可以通过穿刺针在股骨5上扎刺获得，但是这样会对股骨5造成微小的创伤，可以根据实际需要进行选择。

在另一种具体实施方式中，上述基准定位方法可以具体采用固定装置7无创伤地固定体外标志物1和目标骨骼，将二者的位置固定，然后再对体外标志物1和目标骨骼的整体进行CT扫描，建立影响坐标系。

具体地，当目标骨骼为股骨5和胫骨6时，上述体外标志物1具体为矩形板11和两个侧圆柱12，先将矩形板11牢稳放置在股骨5和胫骨6下方的CT机检查台面上，再将侧圆柱12置于股骨5两侧并安装于矩形板11上。患者双足跟置于固定座72、双足底置于固定板71上，双足用固定带76固定，拇趾及足跟内侧触及挡板77外侧，两个压力传感器712分别记录拇趾及足跟内侧触及挡板77外侧的压力。挡板77可沿固定板71内外滑移，调节锁紧装置711的螺钉75可将挡板77锁定。将底座73置于CT检查台上，然后将下肢抬高并将固定座72置于底座73上，固定座72可沿底座73上的滑槽74滑动，位置满意后将螺钉75予以锁紧，以避免股骨头及足与固定板71及挡板77间因受下肢重力的影响而发生位移。如此影像学检查模块即与下肢骨骼“绑定”，下肢的位置也被固定机构控制。然后将体外标志物1和下肢一并进行CT扫描及三维重建。采用上述结构的固定装置7可以将下肢和体外标志物1很好地“绑定”，避免体外标志物1在CT扫描过程中位置发生改变从而影响影响坐标系的精确度，为后续基准确定奠定了良好的基础。

当然，固定装置7并不仅限于上述结构，还可以为其他结构的固定装置。

在另一种具体实施方式中，上述体外标志物1其可以为设于目标骨骼上方的长方体标志物，这种最简单、最规则的形状有利于参照点、参照线和参照面的选取，并利于基准确定方法中的测量。当然，该体外标志物1还可以采用其他多种形状。关于体外标志物1的材料，凡是不影响骨骼CT效果的材料均可以使用。

以上对本发明所提供的一种基于体外标志物1的手术机器人2基准确定方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，它由体外标志物、机器人本体、手术台、移动单元、操控台、探针、三维重建软件及编程控制软件、刀具等组成；其特征在于：术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其“绑定”进行影像学检查，数据资料传输并储存于计算机；术中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面多点的坐标，与上述储存的数据资料进行比对后，在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点、线或面的坐标，再以这些点、线或面等作为基准，引导或控制机器人进行精确手术。

2.根据权利要求1所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于：体外标志物可用多种材料之制成，可呈矩形或其他任何形状，其上的点、线或面等均可作为骨骼手术参照基准。

3.根据权利要求1所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于：以体外标志物上的点、线或面等作为骨骼手术参照基准的各种编程控制软件。

4.根据权利要求1所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述骨骼基准确定方法包括步骤：

11)将体外标志物与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

12)确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物，获取所述参照物在影像坐标系中的坐标，并获取所述目标骨骼的基准点与所述参照物的相对位置；

13)根据所述相对位置获取所述基准点在影像坐标系中的坐标，以便在手术时将手术机器人坐标系与所述影像坐标系配准，并以所述基准点的坐标引导手术机器人进行手术。

5.根据权利要求4所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述目标骨骼为寰椎，所述基准确定方法的各个步骤具体为：

11)将所述体外标志物、所述寰椎和与所述寰椎相邻的枢椎作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系； 

12)确定所述寰椎、所述枢椎的内外等分剖面在所述体外标志物表面的投影为参照线，获取所述参照线在所述影像坐标系中的坐标；获取所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点的坐标，以及该点到所述参照线的第一高度，获取所述寰椎、所述枢椎的寰枢关节中心点到所述参照线的第二高度，并测量所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点与所述寰枢关节中心点的水平距离；

13)根据所述第一高度与所述第二高度的差值，以及所述水平距离获取所述寰枢关节中心点在所述影像坐标系中的坐标。

6.根据权利要求5所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述步骤13)后还包括：

14)将所述手术机器人的机器手以所述寰枢关节中心点为圆心，以大于所述寰枢关节中心点至寰椎左椎弓根置入点、寰椎右椎弓根置入点的距离，且小于所述寰枢关节中心点至所述寰椎左边缘点、所述寰椎右边缘点的距离为半径转动，使所述机器手的导针与所述寰椎后弓左、右触碰，生成两触点的中心点的坐标；

15)将导针沿所述寰枢关节中心点与所述两触点的中心点的连线运动，再继续向左或向右移动所述寰椎置入点到正中面的距离；

16)按照预先测量的左、右椎弓根置入角度调整姿态，以便进行手术。

7.根据权利要求5所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述目标骨骼为股骨，所述基准确定方法的各个步骤具体为：

11)将所述体外标志物、所述股骨作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；

12)以所述体外标志物上的水平面为参照面(水平面)，确定所述股骨上的第一预设点，所述参照面上的第二预设点、第三预设点、第四预设点，并确定所述参照面在所述影像坐标系中的坐标；

获取在所述股骨最大截面处截取所述股骨的第一水平剖面到所述参照面的距离，确定第二预设点、第三预设点分别在所述第一水平 剖面图的第一投影点、第二投影点的位置，并测量所述股骨头中心点、所述第一投影点、第二投影点两两之间的距离；

获取通过所述股骨的髁间窝的第二水平剖面到所述参照面的距离，确定所述第二预设点、第三预设点分别在所述第二水平剖面图上的第三投影点、第四投影点的位置，并测量所述股骨髁间窝中心点、所述第三投影点、所述第四投影点两两之间的距离；

13)根据所述股骨头中心点、所述第一投影点、第二投影点两两之间的距离获取所述股骨头中心点的坐标；根据所述股骨髁间窝中心点、所述第三投影点、所述第四投影点两两之间的距离获取所述股骨髁间窝中心点的坐标；获取所述股骨头中心点与所述股骨髁间窝中心点的第一连线。

8.根据权利要求7所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述步骤12)中还包括：

获取通过距骨顶点中心的第三水平剖面到所述参照面的距离，确定所述第二预设点、第三预设点分别在所述第三水平剖面上的第五投影点、第六投影点的位置，并测量所述距骨顶点中心、所述第五投影点、所述第六投影点两两之间的距离；

所述步骤13)中还包括：

根据所述距骨顶点中心、所述第五投影点、所述第六投影点两两之间的距离获取所述距骨中心点的坐标，获取所述股骨髁间窝中心点与所述距骨顶点中心的第二连线。

9.根据权利要求7或8所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述第一预设点为所述股骨髁的滋养孔，或者所述第一预设点采用穿刺针在所述股骨上扎刺获得。

10.根据权利要求5所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述步骤11)具体为：

先采用固定装置通过无创伤的方式固定所述体外标志物和所述目标骨骼，再将所述体外标志物与所述目标骨骼作为整体进行CT扫描，建立影像坐标系。 

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