CN105852970B - 神经外科机器人导航定位系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种神经外科机器人导航定位系统和方法，其包括：运动执行设备、空间位置传感器、配套的位置标记单元以及主机；所述主机联接所述运动执行设备和所述空间位置传感器，用于在数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径；所述空间位置传感器用于捕获所述配套的位置标记单元，以由主机完成不同空间坐标系的位置映射；所述运动执行设备搭载手术器械，用于根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射生成的具体运动方案，对病灶部位进行自主精准定位，并稳固锁定手术器械后支撑手术操作。

Description

神经外科机器人导航定位系统及方法
技术领域
本发明实施例涉及医疗外科机器人技术领域，尤其涉及一种神经外科机器人导航定位系统及方法。
背景技术
机器人等自动化设备已经在工业领域获得了广泛应用，在操作灵活性、稳定性及准确性方面显示出了明显优势。为了解决外科手术存在的精度不足、辐射过多、切口较大、操作疲劳等问题，人们开始探讨如何在外科手术中引入机器人方法，借助机器人、传感器等高新技术的独特优势，为外科医生提供全新的治疗方法及系统，解决上述问题，改善手术效果，即借助医疗机器人来实现外科手术，包括头部等。
以脑部手术为例，先后经历了有框架脑立体导航，后有无框架(Frameless)脑立体导航或影像导像神经外科阶段，其中有框架立体导航与无框架脑立体导航的主要差异之一在于是否使用定位框架套在患者的头部，以完成定向配准等一系列技术，具体地有框架脑立体导航人为地在头颅外安装一个框架，由它来形成一个三维空间坐标体系，使脑结构包括在这个坐标体系内，这时将这个框架和病人一起进行CT或MRI的扫描，就会得到带有框架坐标参数标记的病人颅脑CT或MRI的图像，病人颅脑内的各个影像解剖结构都会在这个坐标体系内有一个相应的坐标值，然后通过脑立体定向仪定义的机械数据来达到该坐标点，从而实现脑立体定向。而无框架脑立体导航则不适用上述定位框架，主要基于关节臂系统和数字化仪系统来实现，数字化仪系统包括红外、声波、电磁等类型的数字化仪器，关节臂系统包括具有多个自由度的机械臂。
以基于机械臂的无框架脑立体导航技术来说，现有技术中机械臂仅能实现手术计划三维规划和手术器械与颅脑位置的实时虚拟显示，并不能在手术过程中主动地参与病灶部位的定位。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种神经外科机器人导航定位系统及方法，用以解决现有技术中上述问题。
本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明实施例提供一种神经外科机器人导航定位系统，其包括：运动执行设备、空间位置传感器、配套的位置标记单元以及主机；
所述主机联接所述运动执行设备和所述空间位置传感器，用于在数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径；
所述空间位置传感器用于捕获所述配套的位置标记单元，以由主机完成不同空间坐标系的位置映射；
所述运动执行设备搭载手术器械，用于根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射生成的具体运动方案，对病灶部位进行自主精准定位，并稳固锁定手术器械后支撑手术操作。
优选地，在本发明的一实施例中，所述配置的位置标记单元包括运动执行设备上的标志物、贴附在病患头部的标志物和手持探针上的标志物中的任意一种或多种的组合。
优选地，在本发明的一实施例中，所述主机基于二维医学影像数据，构建患者颅脑三维模型，在所述颅脑三维模型中显示勾画病灶的三维形态和位置，在病灶的三维形态上创建手术规划，所述手术规划包括设定的多靶点和多入颅路径。
优选地，在本发明的一实施例中，所述主机收集处理所述运动执行设备 的空间信息和所述空间位置传感器捕获到的所述标志单元的空间信息，建立不同空间坐标系的转换关系。
优选地，在本发明的一实施例中，所述主机根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射求解所述运动执行设备的运动方案，在所述颅脑三维模型中模拟预演所述运动方案，并加以调整。
优选地，在本发明的一实施例中，所述主机还用于同步导航所述手术器械在所述二维医学影像数据和所述颅脑三维模型中的相对位置。
本发明实施例还提供一种神经外科机器人导航定位方法，其包括：
在数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径；
获取对配套位置标记单元的捕获信息，计算不同空间坐标空间的位置映射；
根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射求解的具体运动方案，对病灶部位进行自主精准定位，并稳固锁定手术器械后支撑手术操作。
优选地，在本发明的一实施例中，还包括：基于二维影像数据，构建患者颅脑三维模型，在所述颅脑三维模型中显示勾画病灶的三维形态和位置，在病灶的三维形态上创建手术规划，所述手术规划包括设定的多靶点和多入颅路径。
优选地，在本发明的一实施例中，还包括：根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射求解所述运动执行设备的运动方案，在所述颅脑三维模型中模拟预演所述运动方案，并加以调整。
优选地，在本发明的一实施例中，还包括：同步导航所述手术器械在所述二维影像数据和所述颅脑三维模型中的相对位置。
本发明实施例中，通过所述主机在数字化图形图像上创建手术规划，所 述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径；并由所述空间位置传感器用于捕获所述配套的位置标记单元，以由主机完成不同空间坐标系的位置映射；所述运动执行据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射生成的具体运动方案，从而可以实现了稳固锁定手术器械后支撑手术操作，主动对病灶部位进行自主精准定位。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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发明的一些实施例，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为本发明实施例神经外科机器人导航定位系统示意图；
图2为本发明实施例机械臂与手术器械关系示意图；
图3为本发明实施例头部设置位置标记单元的示意图之一；
图4为本发明实施例头部设置位置标记单元的示意图之二；
图5为本发明实施例神经外科机器人导航定位方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明下述实施例中，通过所述主机在数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径；并由所述空 间位置传感器用于捕获所述配套的位置标记单元，以由主机完成不同空间坐标系的位置映射；所述运动执行据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射生成的具体运动方案，从而可以实现了稳固锁定手术器械后支撑手术操作，主动对病灶部位进行自主精准定位。
图1为本发明实施例神经外科机器人导航定位系统结构示意图；如图1所示，其包括：运动执行设备101、空间位置传感器102、配套的位置标记单元103以及主机104，其中：
(1)所述主机104联接所述运动执行设备101和所述空间位置传感器102，用于在数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径。该主机104可以固定在一台车106上，该台车106通过固连结构105连接在病床107上。
具体地，本实施例或其他任意实施例中，数字化图形图像包括颅脑轴位面、冠状面、矢状面、三维模型、血管模型、标准图谱中的一种或多种的组合。
优选地，手术规划是由主治大夫在数字化图形图像上进行操作实施的，从而使抽象的手术意图和经验数字化，便可以被计算、存储和准确传递。
优选地，本实施例或其他任意实施例中，所述运动执行设备101包括高精度主动机械臂。
优选地，本实施例或其他任意实施例中，所述空间位置传感器102包括红外线、电磁、超声或可见光传感器中的任意一种或多种的组合。
优选地，本实施例或其他任意实施例中，所述主机104基于二维医学影像数据，构建患者100颅脑三维模型并计算病灶的三维体积，在所述颅脑三维模型中显示勾画病灶的三维形态和位置，在包括病灶的三维形态的数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括设定的多靶点和多入颅路径。
具体地，实施例或其他任意实施例中，二维医学影像数据可以为所有遵 循DICOM协议的医学影像文件，包括CT、MRI等中的任意一种或两种的组合。
另外，根据读取的患者颅脑的二维医学影像数据可以创建患者的手术病历，包括患者的名称、患者的年龄等。
(2)所述空间位置传感器102用于捕获所述配套的位置标记单元103，以由主机104完成不同空间坐标系的位置映射，从而实现所述数字化图形图像与病患现实的匹配。
具体地，本实施例或其他任意实施例中，所述配置的位置标记单元包括运动执行设备101上的标志物、贴附在病患头部的标志物和手持探针上的标志物中的任意一种或多种的组合。
具体地，本实施例或其他任意实施例中，所述主机104收集处理所述运动执行设备101的空间信息和所述空间位置传感器102捕获到的所述标志单元的空间信息，建立不同空间坐标系的转换关系。
具体地，本实施例或其他任意实施例中，所述主机104根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射求解所述运动执行设备101的运动方案，在所述颅脑三维模型中模拟预演所述运动方案，并加以调整。
具体地，本实施例或其他任意实施例中，所述主机104还用于同步导航所述手术器械在所述二维医学影像数据和所述颅脑三维模型中的相对位置。
在跟踪过程中，可以基于同一标记点作为各空间配准的桥梁，即首先获得在不同空间下同一标点的坐标，求得不同空间下同一坐标点之间关系的映射矩阵，从而获得一个空间到另外一个空间的变换关系。
(3)所述运动执行设备101搭载手术器械，用于根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射生成的具体运动方案，对病灶部位进行自主精准定位，并稳固锁定手术器械后支撑手术操作，从而最终由所述执行设备引导手术器械导航定位至现实解剖结构。
本实施或其他任意实施例中，对病灶部位进行自主精准定位时，可以根据具体运动方案建立的数据链路来控制机械臂的运动。
具体地，本实施例或其他任意实施例中，所述手术器械包括微创穿刺针、神经内镜等。
所述运动执行设备101搭载手术器械的示意图，参见图2，在作为运动执行设备101的机械臂末端或者手术器械或者探针111上设置位置标记单元103，比如黑白定位图案。
上述实施例中，配套的位置标记单元103可以是体内特征或者体外特征，所述体外特征包括设置在患者头部的标记点，所述体内特征包括患者身体的解剖特征，解剖特征比如为脊柱、肩胛等，详细不再赘述。
具体地，标记点具体可以为可粘贴在手术目标位置上的贴片，所述贴片上设置可别所述光学定位单元识别的图案，该图案可谓黑白相间的方块。具体地，在一面板的表面上设置所述图案，面板可以为软质底座，在一般手术中，通常需要包括多个标记物，分别设置在病人不同方向的位置上，即手术过程中使用一套标记物。这些标记点一般为3个或多余3个，任意3个标记点不能在同一直线上，任意4个点不能在同一平面上。
为了区别不同的标记物以及这些标记物之间配套使用关系，从而避免与非法配套关系的标记物混合使用，给每个标记物赋予提个标识码如C1、C2、C3，以及三者时间的配套关系C1C2C3，并将每个标记物的标识码以及配套关系在生产的过程中存储在一电子标签中，并将该电子标签与面板结合比如嵌在面板中。
电子标签中还可以存储标记点的生产信息、销售渠道信息、检验信息，以及标记点几何尺寸信息中的任意种或者多种的组合。生产信息可以包括生产厂商、生产日期，销售渠道信息包括具有销售资质的销售医院信息，包括合法使用标记物的医院信息；检验信息包括标记物标定精度等级，销售医院信息可以包括销售医院所述的地区信息比如邮编。这些不同类附加信息保证 了标记物质量，同时防范标记物被仿造。
在手术过程中，可以获取病人、手术相关信息，并将病人信息也存储在上述电子标签中，与其他信息如标记点的生产信息、销售渠道信息、检验信息，以及标记点几何尺寸信息进行绑定。病人信息（姓名、年龄、疾病类型）、手术时间信息、手术实施医院信息、实施手术医生中的任意种或者多种的组合。
上述定位的标志物还可以包括设置在探针表的黑白白定位图案，详细不再赘述。
上述实施例中，运动执行设备空间、所述位置传感器空间、患者手术空间已知，而只有图像空间需要建立。可以通过在患者手术患者位置外围设置3个第一标记点作为位置标记单元，参见图3。需要说明的是，第一标记点不局限为3个，也可以采用1个。参考所述第一标记点101在患者的目标位置处设置4个所述第二标记点。需要说明的是，第二标记点不局限为4个，也可以3个。
本实施例中，所述变换矩阵为一刚体变换矩阵，利用该刚体变换矩阵具体实现坐标的旋转和平移来从而图像空间坐标系的建立。
参见图4，位置定位单元103包括设置在患者头部的标记点，以及探针上设置的标记点，即黑白图案块。手术器械上设置的标记点不再赘述。
图5为本发明实施例神经外科机器人导航定位方法流程示意图；如图5所示，其包括：
S601、在数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径；
优选地，在本发明的一实施例中，还包括：基于二维影像数据，构建患者颅脑三维模型，在所述颅脑三维模型中显示勾画病灶的三维形态和位置，在病灶的三维形态上创建手术规划，所述手术规划包括设定的多靶点和多入颅路径。
优选地，在本发明的一实施例中，还包括：根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射求解所述运动执行设备101的运动方案，在所述颅脑三维模型中模拟预演所述运动方案，并加以调整。
优选地，在本发明的一实施例中，还包括：同步导航所述手术器械在所述二维影像数据和所述颅脑三维模型中的相对位置。
S602、获取对配套位置标记单元的捕获信息，计算不同空间坐标空间的位置映射；
S603、根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射求解的具体运动方案，对病灶部位进行自主精准定位，并稳固锁定手术器械后支撑手术操作。
本实施例中的步骤S601-S603优选地或者具体的执行请参见上述图1的记载，详细不再赘述。
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发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种神经外科机器人导航定位系统，其特征在于，包括：运动执行设备、空间位置传感器、配套的位置标记单元以及主机，所述配套的位置标记单元包括运动执行设备上的标志物、贴附在病患头部的标志物和手持探针上的标志物中的任意一种或多种的组合；
所述主机联接所述运动执行设备和所述空间位置传感器，用于在数字化图形图像上创建手术规划，所述手术规划包括自主精确定位到病灶部位的位置和运动路径；
所述空间位置传感器用于捕获所述配套的位置标记单元，以由主机完成不同空间坐标系的位置映射；
所述运动执行设备搭载手术器械，用于根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射生成的具体运动方案，根据具体运动方案建立的数据链路来控制机械臂的运动，对病灶部位进行自主精准定位，并稳固锁定手术器械后支撑手术操作。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机基于二维医学影像数据，构建患者颅脑三维模型，在所述颅脑三维模型中显示勾画病灶的三维形态和位置，在病灶的三维形态上创建手术规划，所述手术规划包括设定的多靶点和多入颅路径。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主机收集处理所述运动执行设备的空间信息和所述空间位置传感器捕获到的所述标志单元的空间信息，建立不同空间坐标系的转换关系。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主机根据定位到病灶部位的位置和运动路径以及不同空间坐标系的位置映射求解所述运动执行设备的运动方案，在所述颅脑三维模型中模拟预演所述运动方案，并加以调整。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述主机还用于同步导航所述手术器械在所述二维医学影像数据和所述颅脑三维模型中的相对位置。
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