CN107997822A - 微创手术定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微创手术定位系统，内窥镜用以针对手术区域进行监控；标记定位结构包括相对位置关系固定的A组标定件和定位针部；定位针部用以进入到手术区域，并在内窥镜的监控作用下选定手术部位；A组标定件位于人体外侧；B组标定件相对固定在手术机械臂上；三维空间定位装置用以捕获A组标定体与B组标定体的空间位置，形成A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系；控制装置用以根据A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系及A组标定件和定位针部的相对位置关系，确定定位针部选定的手术部位与B组标定体的三维相对位置关系，依此控制手术机械臂往手术部位运动。本发明的微创手术定位系统，定位更准确。

Description

微创手术定位系统

技术领域

本发明涉及医疗装置技术领域，尤其涉及的是一种微创手术定位系统。

背景技术

内窥镜已广泛应用于各种微创手术，如关节镜用于运动医学的关节修复，椎间孔镜用于脊柱外科，腹腔镜用于各种腹部内部器官的切除和修补等。微创手术与开放手术相比，切口小，周边创伤小，恢复快。

通常的微创手术中，都需要在内窥镜的监控作用下，由医生持手术工具在镜下直接进行操作。然而镜下视野有限，手术器械操作受限，手术部位较难精确寻找到，有较长的学习曲线，尤其是在手术部位在较狭窄的区域时，定位都较困难，操作难度更大，且医生还是主观的操作，无法保证所定位操作的手术部位的准确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种微创手术定位系统，定位更准确。

为解决上述问题，本发明提出一种微创手术定位系统，包括：内窥镜，标记定位结构，B组标定件，手术机械臂，三维空间定位装置及控制装置；

所述内窥镜用以针对手术区域进行监控；

所述标记定位结构包括相对位置关系固定的A组标定件和定位针部；所述定位针部用以进入到手术区域，并在所述内窥镜的监控作用下选定手术部位；所述A组标定件位于人体外侧，至少在选定手术部位时能够被所述三维空间定位装置感测；

所述B组标定件相对固定在所述手术机械臂上；

所述三维空间定位装置用以捕获所述A组标定体与所述B组标定体的空间位置，形成A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系；

所述控制装置用以根据所述A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系，确定所述定位针部选定的手术部位与所述B组标定体的三维相对位置关系，依此控制所述手术机械臂运动。

根据本发明的一个实施例，所述手术部位为点、线、或区域，其中，

所述手术部位为点时，所述定位针部在所述内窥镜的监控作用下选定目标点，所述三维空间定位装置捕获此时的A组标定件和B组标定件的三维相对位置关系，所述控制装置根据该三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系计算该目标点与B组标定件的三维相对位置关系，从而控制手术机械臂运动；

所述手术部位为线时，所述定位针部在所述内窥镜的监控作用下选定此线上的两个以上目标点而确定相应目标线，每选定一个目标点、所述三维空间定位装置均捕获一次的A组标定件和B组标定件的三维相对位置关系，所述控制装置根据各次的三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系计算各选定的目标点与B组标定件的三维相对位置关系，从而控制手术机械臂运动；

所述手术部位为区域时，所述定位针部在所述内窥镜的监控作用下选定此区域上的若干目标点而确定相应目标区域，每选定一个目标点、所述三维空间定位装置均捕获一次的A组标定件和B组标定件的三维相对位置关系，所述控制装置根据各次的三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系计算各选定的目标点与B组标定件的三维相对位置关系，从而控制手术机械臂运动。

根据本发明的一个实施例，所述手术部位为线或区域时，所述控制装置还用以对各选定的目标点进行线拟合或曲面拟合，以确定拟合的线或区域与B组标定件的三维相对位置关系。

根据本发明的一个实施例，还包括手术工具或手术辅助工具，固定在所述手术机械臂上；所述控制装置根据所述定位针部选定的手术部位控制所述手术机械臂运动，以带动所述手术工具移动至所述手术部位处、或带动所述手术辅助工具移动至离所述手术部位指定距离处。

根据本发明的一个实施例，所述A组标定体和B组标定体均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置或所述三维空间定位装置，根据三维空间定位装置测得的每组三个标定体的空间位置 建立该组标定体局部O-XYZ坐标系，坐标中心X轴方向定义为方向，Y轴方向定义为方向，Z轴方向定义为方向。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置根据所述A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系将两者的局部坐标系映射转换至统一坐标系下，从而根据所述A组标定体与所述定位针部的相对位置关系确定所述定位针部选定的手术部位在所述统一坐标系中的位置，及根据所述B组标定体与所述手术机械臂的待定位点的相对位置关系确定所述手术机械臂的待定位点在所述统一坐标系中的位置。

根据本发明的一个实施例，所述统一坐标系为手术机械臂的内建坐标系、或根据所述B组标定体确定的坐标系。

根据本发明的一个实施例，所述标记定位结构还包括板结构；所述定位针部设置在所述板结构的延伸面上；所述A组标定体包括至少三个标定体，各个所述标定体设置在所述板结构上，且与所述定位针部之间的间距不等。

根据本发明的一个实施例，所述三维空间定位装置通过双目立体视觉系统实现。

采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：

通过在手术机械臂上固定B组标定体，得到手术机械臂与B组标定体之间的空间位置关系；在内窥镜的监控作用下，通过定位针部来选定手术部位，依据标记定位结构的定位针部与A组标定体之间的三维相对位置关系，可通过A组标定体的位置来确定选定的手术部位的位置；从而通过A组标定体和B组标定体之间的空间位置关系，可得到手术机械臂与手术部位之间的位置关系；依此可控制机械臂运动使得手术工具可精确定位；由于定位针部相对于手术工具来说更细，不会影响镜下的视野范围，定位更准确，而且只需要进行选定即可不需要进行操作，因而操作更为方便不受限制，真正的手术工具的定位通过控制手术机械臂来自动化实现，降低了操作复杂度与定位的难度，提高了定位的自动化控制程度。

附图说明

图1为本发明一实施例的微创手术定位系统的结构框图；

图2为本发明一实施例的标记定位结构的结构示意图。

图中标记说明：

1-内窥镜，2-标记定位结构，20-A组标定体，21-定位针部，22-板结构，30-B组标定体，4-手术机械臂，5-三维空间定位装置，6-控制装置，7-手术工具或手术辅助工具。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

参看图1，在一个实施例中，微创手术定位系统包括：内窥镜1，标记定位结构2，B组标定件30，手术机械臂4，三维空间定位装置5及控制装置6。

所述内窥镜1用以针对手术区域进行监控。内窥镜1可以是任意的内窥镜，相应的本发明实施例可以应用于任意的微创手术中。例如，内窥镜1为耳镜、鼻镜、喉镜、胸腔镜、腹腔镜、宫腔镜、膀胱镜、关节镜等，可以根据手术需要而选择。

以关节镜为例，可以应用在以下的场景中：1、膝关节：交叉韧带损伤、半月板损伤、滑膜炎，髌骨脱位、膝关节粘连、关节内骨折、膝骨关节炎游离体等；2、肩关节：肩峰撞击症、肩袖损伤、肩关节脱位、上盂唇损伤、冻结肩(粘连性关节囊炎)、肩锁关节病损等；3、髋关节：股骨头-髋臼撞击综合征、盂唇损伤、弹响髋、软骨损伤、滑膜炎等；4、踝关节：踝关节撞击综合征、韧带损伤、软骨损伤、滑膜炎、游离体等；5、肘关节：肘关节粘连、软骨损伤、骨性关节炎、滑膜炎等；6、腕关节：三角软骨损伤、腕管综合征等。其他内窥镜当然也可以应用在各种相应的手术场景中，在此不再赘述。

微创手术中，通常先开设有小切口，内窥镜1的监控通道可以通过小切口进入体内手术区域，对手术区域的实时情况进行监控。这是内窥镜1本身所具备的功能，因而在此不再赘述。

所述标记定位结构2包括相对位置关系固定的A组标定件20和定位针部21。当然，A组标定件20和定位针部21之间的相对位置关系同样是三维相对位置关系，这一关系是已知的，因而通过A组标定件20的三维空间位置可以确定定位针部21的三维空间位置。

所述定位针部21用以进入到手术区域，并在所述内窥镜1的监控作用下选定手术部位，定位针部21可以通过末端部点选来确定手术部位，该选定需要内窥镜的监控配合。定位针部21可以通过内窥镜1的管道进入到手术区域中，也可以通过切口直接进入到手术区域中。所述A组标定件20始终位于人体外侧，至少在选定手术部位时能够被所述三维空间定位装置5感测，从而可以确定定位针部21的末端部的三维空间位置，也即能够确定所选定的手术部位。

手术机械臂4上相对固定有B组标定体30，手术机械臂4可以是现有的手术机械臂或者在结构上做合适的改动，例如设置B组标定体30的固定部位。手术机械臂4优选是三维六自由度可动的机械臂，动作由关节处的驱动机构驱动，具体如何动作并不作为限制，只要能够最终将待定位点移动到定位的位置即可。

所述三维空间定位装置5用以捕获所述A组标定体20与所述B组标定体30的空间位置，形成A组标定体20与B组标定体30的三维相对位置关系。三维空间定位装置5可以在捕获到三维空间位置后，对此位置进行记录，将全部需要的位置均记录后，将其传给控制装置6，也可以捕获到便传输给控制装置6，由控制装置6进行记录。捕获得到标定体空间位置可以根据现有的立体视觉定位技术实现，具体不再赘述。三维空间定位装置5可以通过双目立体视觉系统实现，B组标定体30、A组标定体20为能够被双目立体视觉系统感测到的标定体，具体不做限制，三维空间定位装置5例如还可以用多目立体视觉系统实现等等。

所述控制装置6用以根据所述A组标定体20与B组标定体30的三维相对位置关系及所述A组标定件20和定位针部21的相对位置关系，确定所述定位针部21选定的手术部位与所述B组标定体30的三维相对位置关系，依此控制所述手术机械臂4往手术部位运动。由于，患者的手术部位与A组标定体20的三维空间位置关系已知，A组标定体20与B组标定体30之间的三维空间位置关系已知，B组标定体30与手术机械臂4的三维空间位置关系已知，从而可以得到手术部位与手术机械臂4的三维空间位置关系，便可控制手术机械臂4往该手术部位运动。往该手术部位运动是指，手术机械臂4运动到使得手术工具能够定位到该手术部位的位置，或者运动到手术辅助工具达到指定距离处，该指定距离使得手术工具通过手术辅助工具进行定位时能够正好达到该手术部位的位置，当然，手术工具或手术辅助工具优选的是已装载在手术机械臂4上，也可以在手术机械臂4运动之后再装载上去，具体不限，在手术机械臂4运动之前已经将手术工具或手术辅助工具的长度及安装姿态计算在内。

通过在手术机械臂4上固定B组标定体30，得到手术机械臂4与B组标定体30之间的空间位置关系；在内窥镜1的监控作用下，通过定位针部21来选定手术部位，依据标记定位结构2的定位针部21与A组标定体20之间的三维相对位置关系，可通过A组标定体20的位置来确定选定的手术部位的位置；从而通过A组标定体20和B组标定体30之间的空间位置关系，可得到手术机械臂4与手术部位之间的位置关系；依此可控制机械臂运动使得手术工具可精确定位；由于定位针部21相对于手术工具来说更细，不会影响镜下的视野范围，定位更准确，而且只需要进行选定即可不需要进行操作，因而操作更为方便不受限制，真正的手术工具的定位通过控制手术机械臂4来自动化实现，降低了操作复杂度与定位的难度，提高了定位的自动化控制程度。

在一个实施例中，手术部位可以为点、线、或区域，根据具体手术的不同而相应的不同，例如，需要定点消融、通道钻孔、选定截面切除或者区域打磨等等，选定的手术部位均有所差异。

所述手术部位为点时，所述定位针部21在所述内窥镜1的监控作用下选定目标点，当然，定位针部21在选定的过程中是携带着A组标定体20一同移动的，保证两者的相对位置关系在此过程中的不便，所述三维空间定位装置5捕获在定位针部21选定目标点时的A组标定件20和B组标定件30的三维相对位置关系(当然在实际操作时，由于B组标定体30在此过程中可以保持不动，因而可以在此时仅读取A组标定体20的位置并做记录，而后计算A组标定体20与B组标定体30之间的三维相对位置关系)，所述控制装置6根据该三维相对位置关系及所述A组标定件20和定位针部21的相对位置关系计算该目标点与B组标定件30的三维相对位置关系，从而控制手术机械臂4往该目标点运动，使得手术工具能够定位到该目标点。

所述手术部位为线时，是在选点基础上的改进，该线可以为直线或曲线，所述定位针部21在所述内窥镜1的监控作用下选定此线上的两个以上目标点而确定相应目标线，每选定一个目标点、所述三维空间定位装置5均捕获一次的A组标定件20和B组标定件30的三维相对位置关系(在B组标定件30保持不动的情况下，可以仅捕获A组标定件20的位置，并根据各次的A组标定件20的位置及固定的B组标定件30的位置来计算各次的三维相对位置关系)，所述控制装置6根据各次的三维相对位置关系及所述A组标定件20和定位针部21的相对位置关系计算各选定的目标点与B组标定件30的三维相对位置关系，各选定的目标点可以用来表征目标线(手术部位)的位置，从而控制手术机械臂4往该目标线运动，使得手术工具能够定位到该目标线且能够沿该目标线移动，例如可以用于通道钻孔。

所述手术部位为区域时，同样是在选点基础上的改进，所述定位针部21在所述内窥镜1的监控作用下选定此区域上的若干目标点而确定相应目标区域，每选定一个目标点、所述三维空间定位装置5均捕获一次的A组标定件20和B组标定件30的三维相对位置关系(在B组标定件30保持不动的情况下，可以仅捕获A组标定件20的位置，并根据各次的A组标定件20的位置及固定的B组标定件30的位置来计算各次的三维相对位置关系)，所述控制装置6根据各次的三维相对位置关系及所述A组标定件20和定位针部21的相对位置关系计算各选定的目标点与B组标定件30的三维相对位置关系，各选定的目标点可以用来表征目标区域(手术部位)的位置，从而控制手术机械臂4往该目标区域运动，使得手术工具能够定位到该目标区域且能够在该目标区域上遍历移动，例如可以用于区域打磨。

进一步的，所述手术部位为线或区域时，所述控制装置6还用以对各选定的目标点进行线拟合或曲面拟合，以确定拟合的线或区域与B组标定件30的三维相对位置关系。为了提高定位准确性，在手术部位为线或区域时，定位针部可以多选定一些目标点，使得这些目标点能够拟合出对应的目标线或目标区域。线拟合、曲面拟合的方式可以是现有的拟合方式，在此不再赘述。

在一个实施例中，微创手术定位系统还可以包括手术工具或手术辅助工具7。手术工具或手术辅助工具7固定在所述手术机械臂4上，例如是安装在手术机械臂4的末端，手术工具具体不限，手术辅助工具例如是手术导向工具等，可以为手术工具实现导向。所述控制装置6根据所述定位针部21选定的手术部位控制所述手术机械臂4运动，以带动所述手术工具移动至所述手术部位处、或带动所述手术辅助工具移动至离所述手术部位指定距离处，该指定距离可以使得手术工具正好能够定位到手术部位。在手术区域为线或区域时，可以先定位到其中一点，然后按照线或区域规划的路径进行移动。

在一个实施例中，A组标定体20和B组标定体30均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。三个标定体便可建立起对应的局部三维坐标系，作为一个整体来计算与其他部件之间的位置关系，计算的位置更为准确，也便于计算。当然，为了进行坐标系的校准，可以设置为四个标定体，通过不同的标定体来建立不同的坐标系，进行计算后可以确定一最佳坐标系，具体不限。

进一步的，所述控制装置6或所述三维空间定位装置5，根据三维空间定位装置5测得的每组三个标定体的空间位置 建立该组标定体局部O-XYZ坐标系，坐标中心X轴方向定义为方向，Y轴方向定义为方向，Z轴方向定义为方向，该坐标建立的方式适用于A组标定体20和B组标定体30。

优选的，所述控制装置6根据所述A组标定体20与B组标定体30的三维相对位置关系将两者的局部坐标系映射转换至统一坐标系下，从而根据所述A组标定体20与所述定位针部21的相对位置关系确定所述定位针部21选定的手术部位在所述统一坐标系中的位置，及根据所述B组标定体30与所述手术机械臂4的待定位点的相对位置关系确定所述手术机械臂4的待定位点在所述统一坐标系中的位置。

优选的，所述统一坐标系为手术机械臂4的内建坐标系、或根据所述B组标定体30确定的坐标系。以手术机械臂4的内建坐标系为统一坐标系为例，定位针部在A组标定体20的坐标系中计算出位置点后，首先转换到定位针部21在B组标定体30的坐标系的位置，然后将B组标定体30的坐标系转换到该内建坐标系下，使得空间中各个点都映射到同一个统一坐标系下进行空间位置换算。

下面给出坐标系之间的转换的方式，可以用在B组标定体30与A组标定体20之间的坐标转换，同样也可以用在局部坐标系到统一坐标系的转换。以B组标定体30的a、b、c三个标定体建立坐标系O’x’y’z’，根据a、b、c三个标定体在A组标定体三个标定体确定的坐标系Oxyz中的位置，计算出坐标系Oxyz到坐标系O’x’y’z’的旋转矩阵R(3X3)以及平移向量T(3X1)；

假设坐标系Oxyz中的点P(x，y，z)为在点选的一点，根据下面公式(1)计算出P点在坐标系O’x’y’z’中的位置：

P′(x′，y′，z′)＝R·(P(x，y，z)-T) (1)

实现将P点从A组标定体20的坐标系到B组标定体30的坐标系的位置转换。

在一个实施例中，标记定位结构2还可以包括板结构22。所述定位针部21设置在所述板结构22的延伸面上，使得定位针部21与板结构22共面。所述A组标定体20至少三个标定体，各个所述标定体设置在所述板结构22使得A组标体20和定位针部21共面，且A组标定体20与所述定位针部21之间的间距不等。板结构22上布置的标定体最好是不共线地排布，可以提高定位精确度。在图中，标定体为四个，当然不限于此，标定体的分布越散越好，当然也要受到板面大小约束。

标记定位结构2中，可以通过定位针部21去点选待定位空间位置点，而在板结构22上设置与定位针部21不等距的至少三个标定件，由于各个标定件与定位针部21的间距关系是已知的，从而可以通过检测标定件的空间位置来确定定位针部21的空间位置，实现定位针部21点选的空间位置点定位，可以实现在受限空间中的定位。

定位针部21的长度可以根据需要设置，定位针部21的材质优选是可消毒的材质，具体不不限制，A组标定体20和B组标定体30优选是可反光的标定体，能够被三维空间定位装置5识别。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种微创手术定位系统，其特征在于，包括：内窥镜，标记定位结构，B组标定件，手术机械臂，三维空间定位装置及控制装置；

所述内窥镜用以针对手术区域进行监控；

所述标记定位结构包括相对位置关系固定的A组标定件和定位针部；所述定位针部用以进入到手术区域，并在所述内窥镜的监控作用下选定手术部位；所述A组标定件位于人体外侧，至少在选定手术部位时能够被所述三维空间定位装置感测；

所述B组标定件相对固定在所述手术机械臂上；

所述三维空间定位装置用以捕获所述A组标定体与所述B组标定体的空间位置，形成A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系；

所述控制装置用以根据所述A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系，确定所述定位针部选定的手术部位与所述B组标定体的三维相对位置关系，依此控制所述手术机械臂运动。

2.如权利要求1所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述手术部位为点、线、或区域，其中，

所述手术部位为点时，所述定位针部在所述内窥镜的监控作用下选定目标点，所述三维空间定位装置捕获此时的A组标定件和B组标定件的三维相对位置关系，所述控制装置根据该三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系计算该目标点与B组标定件的三维相对位置关系，从而控制手术机械臂运动；

所述手术部位为线时，所述定位针部在所述内窥镜的监控作用下选定此线上的两个以上目标点而确定相应目标线，每选定一个目标点、所述三维空间定位装置均捕获一次的A组标定件和B组标定件的三维相对位置关系，所述控制装置根据各次的三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系计算各选定的目标点与B组标定件的三维相对位置关系，从而控制手术机械臂运动；

所述手术部位为区域时，所述定位针部在所述内窥镜的监控作用下选定此区域上的若干目标点而确定相应目标区域，每选定一个目标点、所述三维空间定位装置均捕获一次的A组标定件和B组标定件的三维相对位置关系，所述控制装置根据各次的三维相对位置关系及所述A组标定件和定位针部的相对位置关系计算各选定的目标点与B组标定件的三维相对位置关系，从而控制手术机械臂运动。

3.如权利要求2所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述手术部位为线或区域时，所述控制装置还用以对各选定的目标点进行线拟合或曲面拟合，以确定拟合的线或区域与B组标定件的三维相对位置关系。

4.如权利要求1或2或3所述的微创手术定位系统，其特征在于，还包括手术工具或手术辅助工具，固定在所述手术机械臂上；所述控制装置根据所述定位针部选定的手术部位控制所述手术机械臂运动，以带动所述手术工具移动至所述手术部位处、或带动所述手术辅助工具移动至离所述手术部位指定距离处。

5.如权利要求1所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述A组标定体和B组标定体均具有至少三个标定体，每组中的至少三个标定体之间共面而不共线。

6.如权利要求5所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述控制装置或所述三维空间定位装置，根据三维空间定位装置测得的每组三个标定体的空间位置建立该组标定体局部O-XYZ坐标系，坐标中心,X轴方向定义为方向,Y轴方向定义为方向，Z轴方向定义为方向。

7.如权利要求6所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述控制装置根据所述A组标定体与B组标定体的三维相对位置关系将两者的局部坐标系映射转换至统一坐标系下，从而根据所述A组标定体与所述定位针部的相对位置关系确定所述定位针部选定的手术部位在所述统一坐标系中的位置，及根据所述B组标定体与所述手术机械臂的待定位点的相对位置关系确定所述手术机械臂的待定位点在所述统一坐标系中的位置。

8.如权利要求6所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述统一坐标系为手术机械臂的内建坐标系、或根据所述B组标定体确定的坐标系。

9.如权利要求1所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述标记定位结构还包括板结构；所述定位针部设置在所述板结构的延伸面上；所述A组标定体包括至少三个标定体，各个所述标定体设置在所述板结构上，且与所述定位针部之间的间距不等。

10.如权利要求1所述的微创手术定位系统，其特征在于，所述三维空间定位装置通过双目立体视觉系统实现。