CN105310777A - 用于运行医学机器人设备的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于通过重新定位医学机器人设备(2)补偿在治疗和/或诊断手术中变差的、医学机器人设备(2)相对待手术的身体(1)的记录准确度的方法，该医学机器人设备(2)具有用于实施诊断和/或治疗措施的终端执行器(3)，该方法的步骤为：在待手术的身体(1)的初始图像数据记录上选择终端执行器(3)应当驶近的至少一个基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)，相对待手术的身体(1)初始记录医学机器人设备(2)，在基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)附近定位终端执行器(3)，拍摄术中图像数据记录，在术中图像数据记录中，采集了终端执行器(3)和与终端执行器(3)相邻的身体(1)的周围环境，其中，周围环境包括身体(1)的局部，该局部在初始图像数据记录中具有基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)，确定终端执行器(3)在术中图像数据记录的位置和/或，将该位置和/或定向与基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)比较，并且确定必要时存在的偏差(d)，重新定位终端执行器(3)用于补偿偏差(d)，以实现在治疗手术时提高准确性。

Description

用于运行医学机器人设备的方法

技术领域

本发明涉及一种用于补偿在手术干预期间变差的医学机器人设备记录准确度的方法。

背景技术

在借助医学机器人设备(即能够在手术期间独立地实施运动或独立地防止设备确定运动的设备)辅助进行治疗手术时，必须相对待手术的身体记录该设备。记录在此理解为建立在医学机器人设备的参照系统中的位置和待手术的身体的参照系统中的位置之间数学意义上的明确关系。它相应于相对待手术的身体校准或调校。这可以例如通过利用医学技术设备和例如待手术的身体的图像数据的共同的坐标系统实现。十分重要的是，医学机器人设备知道，它或它的一个确定部分相对待手术的身体定位在哪个位置，以及医学机器人设备的运动对此位置怎样作用。也可以彼此相对地记录例如不同的数据记录，使得图像数据记录中的位置可以与另一个图像数据记录的位置明确地对应。

记录准确度相应地是一个用于衡量假定位置与实际位置一致性的程度，例如医学机器人设备相对待手术的身体的假定位置和医学设备相对该身体的实际位置一致性的程度，该假定位置例如基于设备的控制指令。出于显而易见的原因，期望大的记录准确度。

由于不同的影响因素，记录准确度在手术干预中被不利地影响。因此，患者人体结构由于自然因素或外部因素产生的变化导致待手术的身体的假定和实际位置的偏差。自然因素产生的变化理解为例如呼吸、心跳、肠蠕动或通过血流量引起的生理变化。会导致待手术的身体的人体结构或形状和尺寸变化的外部影响因素理解为例如患者的支承的刻意的变化或通过手术干预本身在待手术的身体上发生的变化。

此外，医学机器人设备的不准确度也会导致记录准确度变差。这种情况是例如全球定位和/或相对定位准确度的运动不准确度或与医学机器人设备共同作用的医学设备的所谓手眼校准中的不准确度。

最后，在医学机器人设备和待手术的身体的人体结构之间的不准确的初始记录，即医学机器人设备与待手术的身体不准确的初始相对位置也是差的记录准确度的可能原因。

这些改变或不准确度在需要较高空间准确性的治疗方法中成问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种方法，借助该方法可以在手术干预中通过医学机器人设备实现提高的准确性。

该技术问题通过一种用于补偿在手术和/或诊断干预中变差的医学机器人设备记录准确度的方法解决，所述医学机器人设备具有用于实施诊断和/或治疗措施的终端执行器，所述方法的步骤为：

a)在待手术的身体的初始图像数据记录上选择终端执行器应当驶近的至少一个基准点；

b)相对待手术的身体初始记录医学机器人设备；

c)在所述基准点附近定位所述终端执行器；

d)记录术中图像数据记录，在术中图像数据记录中获得所述终端执行器和身体的临近终端执行器的区域，其中，所述区域包括身体的局部，所述局部在所述初始图像数据记录中具有准点；

e)在所述术中图像数据记录中确定终端执行器的位置和/或定向；

f)将所述位置和/或定向与所述基准点比较，并且确定可能存在的偏差；

g)重新定位所述终端执行器用于补偿所述偏差。

按本发明的用于补偿治疗和/或诊断手术中变差的医学机器人设备相对待手术的身体的记录准确度的方法包括以一系列步骤重新定位医学机器人设备。重新定位在此可以尤其自动地进行。医学机器人设备在此具有用于实施诊断和/或治疗措施的终端执行器。终端执行器此处如在机器人中通常是彼此串连地相对借助控制指令可运动的、医学机器人设备的一串元件的最后一个元件。终端执行器可以是例如钻孔夹具或活检针，所述钻孔夹具应当固定在一定的位置中，通过活检针应当从特定组织中提取样本。

此处在待手术的身体的初始图像数据记录上选择终端执行器应当驶近的至少一个基准点(或者叫地界标记)。选择可以例如由外科医生进行。基准点可以是位置和/或定向，终端执行器在此位置上的应该沿所述定向而定向。基准点尤其可以是在一个位置处的三维向量。位置可以例如是为活组织检查预设的、软组织器官的部位。三维向量可以例如是待安装的椎弓根螺钉的位置。“驶近一个位置或基准点”此处也理解为“建立相对所述位置或基准点已知的预先确定的位置关系”。驶近一个位置或基准点的方式也可以是，终端执行器与所述位置或基准点间隔一个预先确定的距离，尤其具有一个预先确定的定向。初始图像数据记录可以是在手术之前例如一个月拍摄的术前图像数据记录或在手术前不久或在手术时直接拍摄的术中图像数据记录，使得它代表在治疗和/或诊断手术时刻的待手术的身体。

另一个步骤是相对待手术的身体初始记录医学机器人设备。若初始图像数据记录是术中图像数据记录，则这种初始记录尤其可以借助初始图像数据记录进行，或者若初始图像数据记录不是术中图像数据记录，则这种初始记录借助相对初始图像数据记录记录的其他术中图像数据记录进行。这种其他术中图像数据记录可以是例如二维氟图像，该二维氟图像相对三维体积记录。医学机器人设备，尤其是其终端执行器，即置于明确定义的、准确已知的相对待手术的身体或基准点的位置和定向。

作为另一个步骤，将终端执行器定位在基准点附近。这种定位可以独立地通过设备或人工地通过操作人员实现。附近在此理解为允许拍摄图像数据记录的区域，如在下一个步骤中描述。在该步骤中，进行术中图像数据记录的拍摄，在该术中图像数据记录中采集了终端执行器和与终端执行器相邻的身体区域，其中，区域包括身体的局部，该局部在初始图像数据记录中具有至少一个基准点。因此，尤其是当存在多个在手术和/或诊断干预时应当驶近的基准点时，在相邻区域的多个基准点情况下，多次使用相同的术中图像数据记录以便在多个基准点附近定位终端执行器。

在另一个步骤中，确定终端执行器在术中图像数据记录中的位置和/或定向。然后将该位置和/或定向与基准点比较并且确定必要时存在的偏差。然后，该偏差必要时是一种用于衡量变差的记录准确度的程度。最后，重新定位终端执行器用于补偿偏差并因此变差的记录准确度，使得末端传导神经装和基准点的位置和/或定向又一致。因此，术中成像用于直接地控制机器人的干预。这样的优点是，又提高了记录准确度并且在手术中实现了通过医学机器人设备实施的诊断和/或治疗措施的提高的准确性。因此，通过使用术中图像数据记录(在术中图像数据记录中均包括终端执行器和在初始图像数据记录中具有基准点的身体局部)补偿待手术的身体由于自然或外部因素造成的形状和尺寸，即患者人体结构的改变并且补偿医学机器人设备本身的运动不准确度。

尤其可以规定，按列示的顺序实施步骤a)至g)或c)至g)。

在有利的实施形式中，在治疗和/或诊断手术时重复实施步骤c)至g)。然后，在此重新定位终端执行器的最后的步骤同时相当于将终端执行器定位在基准点附近的步骤。这样的优点是，也可以补偿在治疗和/或诊断措施的另一个过程中触发的改变或不准确度。然后，该方法可设计成迭代方法并因此可实现特别大的准确度。

在一个优选的实施形式中，另一个步骤是，在将终端执行器的位置和/或定向与基准点比较之前相对术中图像数据记录记录初始图像数据记录。由此，将初始图像数据记录的基准点与术中图像数据记录关联，这种关联例如在制作初始图像数据记录和术中图像数据记录时不必通过相同的设备分别进行，因为对于两个图像数据记录存在一个共同的坐标系统。这样的优点是，初始图像数据记录和术中图像数据记录不必通过相同的成像系统制作。这能够减少手术过程中出现的辐射伤害以及实现更高的灵活性。

在特别有利的实施形式中规定，选择多于一个基准点，对于所有基准点实施列示的步骤。这样的优点是，当使用基准点来进行一系列治疗和/或诊断时，可以补偿由于在基准点之一上的治疗和/或诊断措施之一导致变差的记录准确度。

在另一个实施形式中规定，医学机器人设备独立地使终端执行器运动和/或通过操作人员独立地影响其可运动性。因此，医学机器人设备可以独立地开始终端执行器的运动或限制终端执行器的自由度，使得终端执行器例如在所谓的“重力模式”中通过操作人员的按压或推移借助所谓的“主动约束”仍然只在由医学机器人设备确定的方向上运动。这样的优点是，医学机器人设备可以自动地重新定位并因此可以特别准确地补偿变差的记录准确度。在由操作人员驱动的和由医学机器人设备控制的运动中，将机器人导向的较高的准确度与人类注意力和操作人员直接进行的相应反馈结合。

在特别有利的实施形式中规定，若在步骤c)中用于衡量定位不准确度的程度，即在步骤c)的定位时刻用于衡量差的记录准确度的程度超过预定的极限值，则实施步骤d)至g)。然后，尤其是可以自动地实施步骤d)至g)。这样的优点是，在治疗和/或诊断手术时节省时间，因为补偿只在必要时才进行，此外在例如为了术中图像数据记录进行X射线拍摄时才进行，所以降低了待手术的身体的辐射伤害。同时保持了准确度提高的优点。

在此尤其可以规定，该程度考虑自上一次拍摄术中图像数据记录流逝的时间。这样的优点是，可以以简单的方式补偿一般在流逝的时间内增加的、记录准确度的变差。

在此作为补充或备选规定，该程度考虑关于通过医学机器人设备实施的运动的知识(Kenntnis)和医学机器人设备的由该运动引起的运动学的不准确度。此处可以例如规定，给实施的运动估算一个用于衡量运动不准确度的绝对程度。因此，若医学机器人设备实施了一系列(例如根据已知情况引起医学机器人设备的相比其他运动提高的运动不准确度的)运动，则要考虑补偿，而不像引起仅小的不准确度的运动的情况。这样的优点是，进行按需求的补偿和相应地例如最小化辐射伤害。

在另一个实施形式规定，初始图像数据记录代表三维图像，至少一个术中图像数据记录代表仅二维图像。在此可以尤其是相比二维图像高分辨率的三维图像。这样的优点是，可以记录带有初始图像数据记录的术中图像数据记录并因此即以较好的准确度和小的耗费确定终端执行器相对框标的位置。因为二维图像相比三维图像出现更少的辐射伤害，所以仅小的辐射伤害是可期待的。

在另一个实施形式中规定，医学机器人设备具有作为终端执行器的活检针和/或钻孔夹具。这样的优点是，即使在部分或完全自动化地提取活体组织切片时移动例如软组织器官的情况下也可实现提高的准确度或可以实现关于例如用于待安装的椎弓根螺钉连接装置的钻孔夹具的提高的准确度。恰好在这两个应用区域中，特别大的精确度是很重要的，如本发明方法能够实现的精确度。

在另一个实施形式中规定，待手术的身体是人类患者，尤其是人类患者的脊柱。

附图说明

本发明的其他特点从各权利要求、附图和附图说明中获得。说明书中的上述所有的特征和特征组合以及下列附图说明中所述的和/或在附图中所示的特征和特征组合不仅以特定的各组合形式，而且以其他的组合形式或单独地应用，只要不偏离本发明的范围即可。因此，在附图中未明确示出和阐述的本发明实施形式也看作包含在内和公开的，但通过由所述实施形式构成的单独的特征组合出现和产生。

下列根据示意性附图进一步阐述本发明的实施例。在此唯一的用于说明所述方法的例示性实施形式的附图示出脊柱和医学机器人设备的示意图。

具体实施方式

在本实施例中，以示实线四边形出六个椎骨A至F。这六个椎骨在此彼此相邻地布置在曲线中。该曲线应当在所示的实施例中通过手术干预修正。为此，在椎骨B至E中拧入各所谓的椎弓根螺钉连接装置，该椎弓根螺钉连接装置则用于将椎骨拉入与当前位置偏离的位置中并因此促进恢复过程。各基准点B1，B2，C1，C2，D1，D2，E2，E1(B1-E1)此处确定各椎弓根螺钉连接装置应当拧入椎骨B至E的位置。为此目的，在所示的实施例中首先沿基准点B1至E2钻孔，在此孔中分别拧入一个椎弓根螺钉。此钻孔在所示的实施例中半自动地进行，亦即具有在此设计成孔套的终端执行器3的医学机器人设备2这样得定位在各基准点B1-E1上，使得手术医生可以由孔套导引地准确钻出分别指定的孔。

在所示的实施例中，在椎骨B已钻出两个孔4。这两个孔准确地得与椎骨B的基准点B1，B2对应。在实施于椎骨B中钻孔之前，在此进行医学机器人设备2相对待手术的身体1(此处为脊柱)的记录，使得终端执行器3在此位于一个明确定义的与待手术的身体或基准点B1至E2的相对位置中。但在所示的实施例中，例如由钻出的孔4决定地，椎骨B以及椎骨C移入新位置B`或C`中。结果，现在确实以椎骨C的原始位置为出发点的、椎骨C的基准点C1，C2不再对应正确的孔。若在此情况中实际按原始基准点C1，C2钻孔，则今后需要耗费的修正。

按提供的方法，现在为了进行手术首先选择椎骨的基准点C1，C2，例如基准点C1，然后在该基准点中应当钻出一个孔。然后，将终端执行器3定位在基准点C1附近。

在本实施形式中，现在拍摄此处区域5的术中图像数据记录，该区域5在本附图中包括与终端执行器3相邻的、带有基准点B1，B2，C1，C2的身体1的区域。通过相对术中图像数据记录，即未改变的椎骨A，D，E，F和具有新位置B`，C`的椎骨B，C记录初始图像数据记录，即此处以实线四边形表示的椎骨A至F，使得已选择的基准点C1与术中图像数据记录关联。关联结果是基准点C1的新位置C1`，该新位置C1`在此相对原始位置移动并且旋转一个变量d。

在术中图像数据记录中确定终端执行器3的位置和/或定向现在示出，终端执行器3仍然定向在基准点C1的原始位置上。若现在在另一个步骤中，将终端执行器3的实际位置与基准点C1的新位置C1’比较，则确定偏差d。通过将终端执行器3重新定位在与基准点C1的新位置C1`对应的新位置中，现在补偿该偏差d。结果，在所示的实施例中，用于椎弓根螺钉的孔相对椎骨C准确地并且不受待手术身体的人体结构或形状尺寸在手术期间发生变化影响地借助钻孔夹具导引。

Claims (10)

1.一种用于通过重新定位医学机器人设备(2)补偿在手术和/或诊断干预中变差的医学机器人设备(2)相对待手术的身体(1)的记录准确度的方法，所述医学机器人设备(2)具有用于实施诊断和/或治疗措施的终端执行器(3)，所述方法的步骤为：

a)在待手术的身体(1)的初始图像数据记录上选择终端执行器(3)应当驶近的至少一个基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)；

b)相对待手术的身体(1)初始记录医学机器人设备(2)；

c)在所述基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)附近定位所述终端执行器(3)；

d)记录术中图像数据记录，在术中图像数据记录中获得所述终端执行器(3)和身体(1)的临近终端执行器(3)的区域，其中，所述区域包括身体(1)的局部，所述局部在所述初始图像数据记录中具有准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)；

e)在所述术中图像数据记录中确定终端执行器(3)的位置和/或定向；

f)将所述位置和/或定向与所述基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)比较，并且确定可能存在的偏差(d)；

g)重新定位所述终端执行器(3)用于补偿所述偏差(d)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在手术和/或诊断干预时重复实施所述步骤c)至g)。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述初始图像数据记录是术前图像数据记录，并且相对术中图像数据记录记录所述初始图像数据记录，由此在将终端执行器(3)的位置和/或定向与所述基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)比较之前，将所述初始图像数据记录的基准点(B1，B2，C1，C2，D1，D2，E1，E2)与所述术中图像数据记录关联。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述医学机器人设备(2)使所述终端执行器(3)独立地运动和/或其可运动性通过操作人员独立地影响。

5.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，当在步骤c)中用于衡量定位不准确度的程度超过预定的极限值时，实施所述步骤d)至g)。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述程度考虑自上一次记录术中图像数据记录所流逝的时间。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述程度考虑通过所述医学机器人设备(2)实施的运动的知识和由所述运动导致的医学机器人设备(2)的运动学的不准确度。

8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述初始图像数据记录代表三维图像，至少一个术中图像数据记录代表二维图像。

9.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述医学机器人设备(2)具有作为终端执行器(3)的活检针和/或钻孔夹具。

10.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述待手术的身体(1)是人类患者，尤其是人类患者的脊柱。