CN106691600A - 一种脊柱椎弓根钉植入定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医学领域，尤其涉及一种脊柱椎弓根钉植入定位装置。脊柱椎弓根钉植入定位装置包括：C型臂、图像校正标定板、图像采集模块、定位机器人、路径定位架、位置跟踪平台和计算机等硬件以及存储于计算机内的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块和基于术中X光图片的定位导航模块。该装置根据脊柱椎体的解剖结构特征，建立坐标系，表述术前3D环境下规划的手术路径、术中2D环境下规划的手术路径和术中手术器械路径，利用三者之间的关系，指导医生或控制机器人完成精准的手术路径定位操作。该装置能够在术中2D图像上实时跟踪各个对象之间的位置关系，真实、准确、及时反应工具与椎弓根之间的关系，消除传统计算机导航系统在操作过程中的误差，降低手术难度，提高手术疗效。

Description

一种脊柱椎弓根钉植入定位装置

技术领域

本发明涉及医学领域，尤其涉及一种脊柱椎弓根钉植入定位装置。

背景技术

随着微创外科的发展，椎弓根螺钉内固定技术逐步成为脊椎外科手术的常规操作，其关键环节是椎弓根植入手术操作，即将固定用的椎弓根螺钉穿过椎弓根植入脊柱的椎体。传统的椎弓根植入手术操作是医生凭借自己的专业技巧，依据手术室的C型臂拍摄的X光图象，调整手术路径，完成椎弓根植入手术操作。由于医生的专业水平不一样，往往导致很多手术出现不同程度的后遗症。同时，X光图像采集过程中会对医生产生辐射伤害，影响医生的身体健康。基于计算机辅助导航技术的椎弓根钉植入手术，依据术前或术中的医学图像(CT医学图像、X光图象)，利用图像里的骨性标志和位置跟踪传感器，建立手术空间、图像空间和机器人空间之间的关系，然后将手术空间的手术器械、机器人末端装置转换到图像空间，虚拟现实出来，辅助医生完成椎弓根钉植入手术操作。这种方法操作复杂，过程中的误差会被放大，在导航图像上看到的位置关系是假象，并不能准确及时反应工具与椎弓根之间的关系，无法真正意义上的实时检测。

发明内容

本发明的目的是提供一种椎弓根钉植入定位装置，采用数字图像处理技术和机器人技术，利用患者脊柱的术前CT或核磁等3D医学影像数据，构建术前3D手术规划环境，辅助医生定义脊椎椎弓根钉植入手术路径，完成个性化的术前椎弓根钉植入手术路径位置规划。同时，结合脊柱的解剖特征(如脊柱棘突、上平面等解剖特征)，定义两个不平行平面，构建空间坐标系，描述手术路径的坐标。在术中，利用C型臂X光机依据脊柱正位投影方向，采集手术空间的2D医学图像(包含要手术的脊柱椎体、手术器械)，结合位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的位置信息，建立术中2D图像导航环境，定义术中椎弓根钉植入手术路径。并依据术前3D手术规划环境定义的空间坐标系，结合术中2D导航环境的特征点影像数据，描述术中手术路径。在此基础上，计算术中手术路径与术前定义的手术路径的位置差异，以及手术器械与术前定义的手术路径的位置差异，辅助医生调整C型臂等硬件的图像采集位姿和术中手术路径，使术中手术路径与术前规划的手术路径一致，并利用机器人跟踪术中手术路径，使手术器械的路径与术中手术路径一致，辅助医生完成精准、安全的手术操作。解决传统手术中脊柱椎弓根钉植入路径定位不准确导致的手术后遗症，降低手术难度，提高手术疗效。

本发明提供的一种椎弓根钉植入定位装置，由C型臂X光机(3)、图像校正标定板(4)、图像采集模块(2)、定位机器人(6)、路径定位架(7)、位置跟踪平台(5)、计算机(1)、存存储于计算机内的基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块和基于术中X光图像的定位导航模块组成。图像校正定位板4用螺钉9安装在C型臂X光机3的采集端部，路径定位架7和定位机器人之间采用螺钉8连接，C型臂X光机3与计算机之间连接有图像采集模块2，机器人6与计算机1之间利用通讯总线连接。图像采集模块2用于采集C型臂拍摄的X光片，可以是图像采集卡，也可以是可以进行网络通讯的DICOM图像传输模块。

本发明的术前路径规划功能，是由基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块实现的。基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块包括：3D医学图像数据可视化单元、3D环境下椎弓根钉手术路径位置规划单元。其中，

3D医学图像数据可视化单元，用于构建脊柱椎弓根钉植入路径规划的人机交互环境，通过算法重建脊柱三维模型。

3D环境下椎弓根钉手术路径位置规划单元，用于术前手术路径规划。选取解剖特征、测量脊柱几何参数、绘制脊柱椎弓根钉植入路径，构建基于解剖特征的坐标系，并描述术前规划的脊柱椎弓根钉植入路径坐标。

本发明的基于2D影像数据的椎弓根钉植入手术导航功能，是由基于术中X光图片的定位导航模块实现的。基于术中X光图像的定位导航模块由图像纠正单元、图像空间标定单元、2D导航单元、机器人运动控制单元组成。其中，

A)图像纠正单元用于C型臂X光图像的校正。读取C型臂拍摄的X光片，进行图像失真校正后获得失真参数与校正图像。所采用的X光图像依据脊柱正位投影方向或接近于正位投影方向，图像中要包含目标脊柱椎体、机器人末端的手术器械。

B)图像空间标定单元，用于空间映射模型的建立。以图像校正标定板的不在一个平面的6个以上的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据，建立2D导航图像空间和3D手术空间之间的映射模型。所述映射模型满足：

A_11×1＝[A₁ A₂ A₃ A₄ A₅ A₆ A₇ A₈ A₉ A₁₀ A₁₁]^T

C_(2×1)×1＝[u₁ u₂ … u_n v₁ v₂ … v_n]^T

A＝(E^TE)^-1E^TC

其中：n(n≥6)组标记点的空间坐标是(x_i，y_i，z_i)(n＝1，2，…n)，相应的屏幕坐标是(u_i，v_i)(n＝1，2，…n)，A是3D手术空间和2D图像空间的映射矩阵

C)2D导航单元，用于手术路径定位。包含导航模型构建模块、手术路径规划模块、手术路径导航模块、参数转化模块。

导航模型构建模块，可接受位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的位置信息，根据2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型，以2D导航图像为背景，建立术中2D图像导航环境；

手术路径规划模块，根据医生在2D导航图像上定义的术中手术路径入点，并以垂直图像平面的方向为术中手术路径矢量，作为术中的规划路径；

手术路径导航模块，根据术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块输出的解剖特征的几何参数、术前脊柱椎弓根钉植入路径坐标，计算术中手术路径与术前手术路径的位置差、术中手术路径与手术器械路径的位置差，指导医生在位置跟踪平台的辅助下，调节C型臂的姿态并更新术中手术路径，直到术中手术路径与术前手术路径的位置一致。

参数转化模块将术中手术路径与手术器械的路径差转换为机器人的运动参数。

D)机器人运动控制单元，用于机器人的运动控制。将机器人的运动参数转换为机器人各个关节的运动指令，控制机器人运动，使机器人末端路径定位器的轴线(手术器械路径)和术中手术规划路径重合，完成椎弓根钉植入路径的精准定位。

本发明所述的一种椎弓根钉植入定位装置，包括以下步骤：

S1、术前规划：采用患者术前的3D影像数据进行手术路径规划，测量脊柱解剖点数据，并沿特定方向投影为模拟图像。

沿特定方向，是指沿规划路径投影。投影方向坐标系定义为：选取脊柱椎体的轴线作为坐标系的Z轴；选择脊柱椎体上平面作为参考面，以Z轴与上平面的交点作为坐标系原点；棘突最高点到Z轴的垂线高度为R，以该垂线和Z轴决定的平面法线为坐标系X轴。脊柱解剖点数据，包括：椎体的直径D、厚度H、高度T，术前手术路径与脊椎椎体上平面之间的夹角SSA，术前手术路径与坐标系Y-Z平面夹角TSA，手术路径入点到上平面的距离dz，到坐标系Y-Z平面的距离dx。

S2、术中导航：根据术前3D规划路径与术中2D规划路径的差值，调整C型臂采集图像的姿态，使术前3D规划路径与术中2D规划路径一致。

路径一致，是指术中2D图像与模拟图像的脊柱轮廓重合；术前3D规划路径与术中2D规划路径的差值计算方法是根据2D图像上脊柱的解剖点与解剖特征参数，计算术中手术规划路径与脊柱椎体坐标系Z-Y平面的角度、与脊柱椎体上平面的角度beta，并转化为C型臂姿态调节量：

A)术中2D图像解剖点2D图像解剖点包括手术路径的入点、棘突最高点和脊椎椎体轴线；

B)所述解剖特征的参数包括：脊柱椎体棘突最高点到椎体轴线中心的距离Delt，手术路径入点到椎体轴线中心的距离Dist1；

C)所述的手术规划路径与脊柱椎体坐标系Z-Y平面的角度

R是在三维空间测量到的脊柱椎体中心到棘突顶点的距离

D)术中手术规划路径与脊柱椎体上平面的角度beta

C)所述的手术规划路径与脊柱椎体坐标系Z-Y平面的角度

R是在三维空间测量到的脊柱椎体中心到棘突顶点的距离

D)术中手术规划路径与脊柱椎体上平面的角度beta

Dist＝A

其中：

k为在三维空间测量到的脊柱椎体直径的物理长度。

D是2D图像测量到的像素参数

Delt是2D图像测量到的像素参数

Dist1是椎弓根轴与椎体轴线之间距离的像素参数

Dist2是手术操作路径与椎体上平面之间距离的像素参数

Dist1_s是椎弓根轴与椎体轴线之间的物理距离

Dist2_s是手术操作路径与椎体上平面之间物理距离

S3、术中定位：根据术中2D规划路径与手术器械位姿关系，调节定位机器人，使术中手术规划路径和手术器械路径一致。手术规划路径和手术器械路径一致是指定位机器人上的两个定位圆环的环心与规划的术中手术路径入点在2D图像上重合。

本发明一种脊柱椎弓根钉植入定位装置的优点在于：本发明利用脊柱的解剖特征定义坐标系，定义基于术前3D医学图像的术前椎弓根钉植入路径和基于术中C型臂X光图像的术中椎弓根钉植入路径，利用位置跟踪平台，指导医生调节C型臂采集图像的位姿和机器人的运动，使基于术前3D医学图像的术前椎弓根钉植入路径、基于术中C型臂X光图像的术中椎弓根钉植入路径和手术器械路径重合，辅助医生精准植入椎弓根钉。在术中2D导航图像上看到的各个对象之间的位置关系能真实、准确、及时反应工具与椎弓根之间的关系，消除传统计算机导航系统在操作过程中的误差。

附图说明

图1是一种脊柱椎弓根钉植入定位装置的结构图

图2是定位机器人结构图

图3是图像纠正标定板的外形图

图4是路径定位架

图5是图像上脊柱椎体轴向投影

图6是脊柱椎体侧位投影图像

图7是术中2D导航图像的手术路径点正位规划

图8是术中2D导航图像的手术路径点侧位规划

图9是路径定位术中2D图像

图中，各部件的标记如下：

1.计算机

2.图像采集模块

3.C型臂X光机

4.图像校正标定板

401纠正板、402纠正钢珠、403安装孔、404标定钢珠、405标定板、406立板

5.位置跟踪平台

6.定位机器人

7.路径定位架

701安装底座、702立杆、703定位套

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参照图1所示，本发明是一种机器人辅助脊柱椎弓根钉植入手术定位装置，是一种适用于脊柱椎弓根钉植入手术的医疗器械。C型臂X光机(3)、图像校正标定板(4)、图像采集模块(2)、定位机器人(6)、路径定位架(7)、位置跟踪平台(5)、计算机(1)、存储于计算机内的基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块和基于术中X光图像的定位导航模块组成。

图像校正定位板4用螺钉9安装在C型臂X光机3的采集端部(相当于在C型臂X光机的拍摄患者用的摄像头上安装有一圆盘式的图像校正板和双层板的标定板，主要是利用图像校正标定板上的钢珠形成的点阵及在所拍摄的X光图像上形成的标记点坐标)；

路径定位架7和定位机器人之间采用螺钉8连接；

C型臂X光机3与计算机之间连接有图像采集卡2；

机器人6与计算机1之间利用通讯总线连接。

在本实施例中，图像采集模块4选用Boser BS-602DVD Plus外置图像采集卡，定位机器人6选用丹麦生产的UR5机器人，C型臂采用德国西门子产品ARCADIS Varic，位置跟踪平台采用加拿大Claron公司生产的Micron Tracker。

请参见图3所示，本发明的图像校正标定板4，由纠正板401、纠正钢珠402、标定钢珠404、标定板405和立板406构成，纠正板401上设有安装孔403、纠正钢珠402安装孔、标定钢珠404安装孔。标定板405通过立板406和纠正板401固联一起，其上设置有标定钢珠404的安装孔。图像校正板4用于实现C型臂X光机3拍摄的多幅X光图像上具有标记点的特性。

参考图4所示，本发明的路径定位架7由安装底座701、立定位架组成。安装底座701分布有4个固定孔，用于将路径定位架7和定位机器人6末端采用螺钉8连接。定位架上有两个半径大小不同的定位环(定位环704和定位环705)以及定位针706，用于2D图像上路径定位。路径定位轴线，用于固定手术操作路径。

基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块：

由用于脊柱模型的三维重建的3D医学图像数据可视化单元，采用VTK或OPENGL软件包，，将脊柱的骨骼数据分割出来，并三维显示在计算机屏幕上，构建脊柱椎弓根钉植入路径规划的人机交互环境；

在3D医学图像数据可视化单元构建的人机交互环境里，医生依据脊柱的解剖特征完成脊柱椎弓根钉植入路径术前规划的操作，包括解剖特征选择及其几何参数的计算、基于解剖特征的坐标系构建、脊柱椎弓根钉植入路径的绘制、术前规划的脊柱椎弓根钉植入路径坐标描述。将选择的解剖特征及其几何参数、术前规划的脊柱椎弓根钉植入路径坐标描述输出给计算机的基于术中X光图片的定位导航模块。

基于术中X光图像的定位导航模块：

由图像校正单元对C型臂拍摄的X光片进行图像校正，将校正后的图像输出给图像空间标定单元和2D导航单元；

空间标定单元以图像校正标定板的不在一个平面的6个以上的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据，建立2D导航图像空间和3D手术空间之间的映射模型，并将该模型输出给2D导航单元；

2D导航单元根据位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的位置信息，以及2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型，以2D导航图像上定义的术中手术路径入点，采用垂直图像平面的方向为术中手术路径矢量作为术中的规划路径，根据术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块输出的解剖特征的几何参数、术前脊柱椎弓根钉植入路径坐标，计算术中手术路径与术前手术路径的位置差、术中手术路径与手术器械路径的位置差，指导医生在位置跟踪平台的辅助下，调节C型臂的姿态并更新术中手术路径，直到术中手术路径与术前手术路径的位置一致，然后将术中手术路径与手术器械的路径差转换为机器人的运动参数，输出给机器人运动控制单元；

机器人运动控制单元，将机器人的运动参数转换为机器人各个关节的运动指令，通过计算机和机器人之间的通讯总线，输出给机器人，控制机器人运动，使机器人末端路径定位器的轴线(手术器械路径)和术中手术规划路径重合，完成椎弓根钉植入路径的精准定位。

2D导航图像空间和3D手术空间之间的映射模型满足：

A_11×1＝[A₁ A₂ A₃ A₄ A₅ A₆ A₇ A₈ A₉ A₁₀ A₁₁]^T

C_(2×n)×1＝[u₁ u₂ … u_n v₁ v₂ … v_n]^T

A＝(E^TE)^-1E^TC

其中：n(n≥6)组标记点的空间坐标是(x_i，y_i，z_i)(n＝1，2，…n)，相应的屏幕坐标是(u_i，v_i)(n＝1，2，…n)，A是3D手术空间和2D图像空间的映射矩阵

为进一步说明本发明的技术方案，现将本发明进行脊柱椎弓根钉植入手术操作的过程简单描述如下：

(1)将图像校正标定板3利用螺钉9安装在C型臂X光机2的采集末端上。

(2)用数据线将位置跟踪平台5和计算机1连接起来

(3)用图像采集卡2将计算机1和C型臂X光机2连接起来

(4)用螺钉8将定位机器人6和定位架7连接起来

将人体脊柱椎体10的术前CT图片输入计算机，利用基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块显示脊柱椎体10的3D影像数据，选择椎弓根钉的植入点和终止点，设计脊柱椎弓根钉植入路径。

参考图5、图6所示，定义基于脊柱解剖特征的坐标系：

√选取脊柱椎体的轴线作为坐标系的Z轴；

√选择脊柱椎体上平面作为参考面，以Z轴与上平面的交点作为坐标系原点；

√棘突最高点到Z轴的垂线高度为R，以该垂线和Z轴决定的平面法线为坐标系X轴。

参考图5、图6所示，测量脊柱椎体的解剖特征参数，包括：测量椎体的直径D，厚度H，高度T，术前手术路径与脊椎椎体上平面之间的夹角SSA，术前手术路径与坐标系Y-Z平面夹角TSA，手术路径入点到上平面的距离dz，到坐标系Y-Z平面的距离dx。

(6)手术中，依据脊柱的正位图投影方向，采用C型臂X光机采集手术空间的2D导航图像。

(7)利用图像校正标定板3的钢珠阵列及其投影，建立2D图像空间和手术空间之间的映射模型。

(8)定义术中手术路径的入点及路径方向，测量计算术中手术路径与脊柱椎体上平面的角度SSA和坐标系Z-Y平面角度TSA，测量脊柱椎体解剖特征的参数，包括：脊柱椎体棘突最高点到椎体轴线中心的距离Delt，手术路径入点到椎体轴线中心的距离Dist1：

参考图7，在2D导航图像上，定义术中手术路径的入点、棘突最高点和脊椎椎体轴线，计算术中手术规划路径与脊柱椎体坐标系Z-Y平面的角度为：

参考图8，在2D导航图像上，定义术中手术路径的入点、脊椎椎体上平面的A点和B点，测量Deltx，计算术中手术规划路径与脊柱椎体上平面的角度beta为

Dist＝A

其中：

k为在三维空间测量到的脊柱椎体直径的物理长度。

R是在三维空间测量到的脊柱椎体中心到棘突顶点的距离

D是2D图像测量到的像素参数

Delt是2D图像测量到的像素参数

Dist1是椎弓根轴与椎体轴线之间距离的像素参数

Dist2是手术操作路径与椎体上平面之间距离的像素参数

Dist1_s是椎弓根轴与椎体轴线之间的物理距离

Dist2_s是手术操作路径与椎体上平面之间物理距离

(9)对比术前规划路径，它们的差值为C型臂采集X图片的角度调整值。在位置跟踪平台的辅助下，指导医生完成C型臂位姿调整，重复以上8-11步骤，直到两个规划路径一致。

(10)计算术中手术路径与手术器械的路径差。本发明的技术方案之一，就是用两个圆环表示路径定位架7的路径定位轴线。参考图9，在2D导航图像上选择两个圆环中心，计算圆环中心到术中手术路径的距离，结合2D导航图像空间和3D手术空间之间的映射模型，将图像空间的距离，转换为手术空间的物理距离。

(11)结合位置跟踪平台5采集的定位机器人6末端信息，计算出机器人的运动参数，控制定位机器人6运动，并带动定位架7的定位轴线与术中规划的手术路径重合。

医生沿着定位架7的定位轴线，植入脊柱椎弓根钉。

本发明一种脊椎椎弓根钉植入定位装置，是一种借助机器人技术和计算机图像处理技术来辅助医生完成脊椎椎弓根钉植入手术操作的定位装置。本发明涉及医学、机器人学、计算机视觉、数字图像处理等多门学科，利用图像处理技术，依据脊柱椎体的解剖结构特征，建立坐标系，表述术前规划的手术路径和术中规划的手术路径，依据两个路径的差值，辅助医生调整C型臂采集图像的姿态和术中手术路径，使术中手术路径、术前规划的手术路径和手术器械路径一致，并利用定位机器人技术，提高医生操作精度和手术疗效。本发明实现的系统操作简便、结构紧凑、成本低廉，并且具有较高的稳定性和可靠性，适合于在各类医院，尤其是中小型医院推广使用。以上所述仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说，依据本发明的设计思想(依据患者人体组织的解剖特征来定义坐标系，描述术前3D环境下的手术路径、术中2D环境下的手术路径和手术器械路径，指导医生完成精准、快捷的手术导航操作)，还可以做出许多变型和改进，但是这些均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种机器人辅助脊柱椎弓根钉植入手术定位装置，其特征在于，包括：

C型臂X光机(3)、图像校正标定板(4)、图像采集模块(2)、定位机器人(6)、路径定位架(7)、位置跟踪平台(5)、计算机(1)、存储于计算机内的基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块和基于术中X光图像的定位导航模块组成。

所述的图像校正定位板4用螺钉9安装在C型臂X光机3的采集端部，所述的路径定位架7和定位机器人之间采用螺钉8连接，所述的C型臂X光机3与计算机之间连接有图像采集模块2，所述的机器人6与计算机1之间利用通讯总线连接。

所述的路径定位架7上有两个半径大小不同的定位环，用于手术路径定位。

所述的基于术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块包括：3D医学图像数据可视化单元、3D环境下椎弓根钉手术路径位置规划单元。

所述的基于术中X光图像的定位导航模块由图像纠正单元、图像空间标定单元、2D导航单元、机器人运动控制单元组成。

2.根据权利要求1所述的一种机器人辅助脊柱椎弓根钉植入手术定位装置，其特征在于：

根据脊柱椎体的解剖结构特征，建立坐标系，表述术前3D环境下规划的手术路径、术中2D环境下规划的手术路径和术中手术器械路径， 利用三者之间的关系，指导医生或控制机器人完成精准的手术路径定位操作。包括以下步骤：

S1、术前规划：采用患者术前的3D影像数据进行手术路径规划，测量脊柱解剖点数据，并沿特定方向投影为模拟图像；

S2、术中导航：根据术前3D规划路径与术中2D规划路径的差值，调整C型臂采集图像的姿态，使术前3D规划路径与术中2D规划路径一致；

S3、术中定位：根据术中2D规划路径与手术器械位姿关系，调节定位机器人，使术中手术规划路径和手术器械路径一致。

3.根据权利要求1所述的术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块，其特征在于，包括：

A)所述的3D医学图像数据可视化单元，用于脊柱模型的三维重建。读取患者脊柱的CT或核磁等3D医学影像数据，采用算法分割脊柱的骨骼数据并进行图像绘制，将三维模型显示在计算机屏幕上，构建脊柱椎弓根钉植入路径规划的人机交互环境。

B)所述3D环境下椎弓根钉手术路径位置规划单元，用于术前手术路径规划。选取解剖特征、测量脊柱几何参数、绘制脊柱椎弓根钉植入路径，构建基于解剖特征的坐标系，并描述术前规划的脊柱椎弓根钉植入路径坐标；并将选择的解剖特征及其几何参数、术前规划的脊柱椎弓根钉植入路径坐标描述输出给计算机的基于术中X光图像的定位导航模块。

4.根据权利要求1所述的基于术中X光图像的定位导航模块，其特征 在于，包括：

A)所述的图像纠正单元用于C型臂X光图像的校正。读取C型臂拍摄的X光片，进行图像失真校正后获得失真参数与校正图像；将校正图像作为2D导航图像，输出给图像空间标定单元和2D导航单元。

B)所述的图像空间标定单元，用于空间映射模型的建立。以图像校正标定板的不在一个平面的6个以上的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据，建立2D导航图像空间和3D手术空间之间的映射模型，并该模型输出给2D导航单元；

C)所述的2D导航单元，用于手术路径定位。包含导航模型构建模块、手术路径规划模块、手术路径导航模块、参数转化模块。

①导航模型构建模块，可接受位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的位置信息，根据2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型，以2D导航图像为背景，建立术中2D图像导航环境；

②手术路径规划模块，根据医生在2D导航图像上定义的术中手术路径入点，并以垂直图像平面的方向为术中手术路径矢量，作为术中的规划路径；

③手术路径导航模块，根据术前3D医学影像的脊柱椎弓根钉植入路径规划模块输出的解剖特征的几何参数、术前脊柱椎弓根钉植入路径坐标，计算术中手术路径与术前手术路径的位置差、术中手术路径与手术器械路径的位置差，指导医生在位置跟踪平台的辅助下，调节C型臂的姿态并更新术中手术路径，直到术中手术路径与术前手术路径的位置一致。

④参数转化模块将术中手术路径与手术器械的路径差转换为机器人的运动参数，输出给机器人运动控制单元。

D)所述的机器人运动控制单元，用于机器人的运动控制。将机器人的运动参数转换为机器人各个关节的运动指令，通过计算机和机器人之间的通讯总线，输出给机器人，控制机器人运动，使机器人末端路径定位器的轴线(手术器械路径)和术中手术规划路径重合，完成椎弓根钉植入路径的精准定位。

5.根据权利要求2所述的步骤S1术前规划，其特征在于：

A)S1所述的沿特定方向投影为模拟图像，是指沿规划路径投影，形成模型2D图像。

B)所述的投影方向坐标系定义为：选取脊柱椎体的轴线作为坐标系的Z轴；选择脊柱椎体上平面作为参考面，以Z轴与上平面的交点作为坐标系原点；棘突最高点到Z轴的垂线高度为R，以该垂线和Z轴决定的平面法线为坐标系X轴

C)所述的脊柱解剖点数据，包括：椎体的直径D、厚度H、高度T，术前手术路径与脊椎椎体上平面之间的夹角SSA，术前手术路径与坐标系Y-Z平面夹角TSA，手术路径入点到上平面的距离dz，到坐标系Y-Z平面的距离dx。

6.根据权利要求3所述的步骤S2术中导航，其特征在于：

所述的路径一致，是指术中2D图像与模拟图像的脊柱轮廓重合；

所述的中的术前3D规划路径与术中2D规划路径的差值计算方法是根据2D图像上脊柱的解剖点与解剖特征参数，计算术中手术规划路 径与脊柱椎体坐标系Z-Y平面的角度、与脊柱椎体上平面的角度beta，并转化为C型臂姿态调节量。

A)所述的术中2D图像解剖点包括手术路径的入点、棘突最高点和脊椎椎体轴线；

B)所述解剖特征的参数包括：脊柱椎体棘突最高点到椎体轴线中心的距离Delt，手术路径入点到椎体轴线中心的距离Dist1；

C)所述的手术规划路径与脊柱椎体坐标系Z-Y平面的角度

R是在三维空间测量到的脊柱椎体中心到棘突顶点的距离

D)术中手术规划路径与脊柱椎体上平面的角度beta

Dist＝A

其中：

k为在三维空间测量到的脊柱椎体直径的物理长度。

D是2D图像测量到的像素参数

Delt是2D图像测量到的像素参数

Dist1是椎弓根轴与椎体轴线之间距离的像素参数

Dist2是手术操作路径与椎体上平面之间距离的像素参数

Dist1_s是椎弓根轴与椎体轴线之间的物理距离

Dist2_s是手术操作路径与椎体上平面之间物理距离。

7.根据权利要求2所述的步骤S3术中定位，其特征在于：

所述的手术规划路径和手术器械路径一致是指定位机器人上的两个定位圆环的环心与规划的术中手术路径入点在2D图像上重合。

8.根据权利要求4所述的基于术中X光图像的定位导航模块，其特征在于：

所用的X光图像依据脊柱正位投影方向或接近于正位投影方向，图像中要包含目标脊柱椎体、机器人末端的手术器械。

9.根据权利要求4所述的图像空间标定单元，其特征在于：

所述映射模型满足：

A_11×1＝[A₁ A₂ A₃ A₄ A₅ A₆ A₇ A₈ A₉ A₁₀ A₁₁]^T

C_(2×n)×1＝[u₁ u₂ … u_n v₁ v₂ … v_n]^T

A＝(E^TE)^-1E^TC

其中：n(n≥6)组标记点的空间坐标是(x_i，y_i，z_i)(n＝1，2，…n)，相应的屏幕坐标是(u_i，v_i)(n＝1，2，…n)。