CN109925055B - 全数字化全膝关节置换手术机器人系统及其模拟手术方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全数字化全膝关节置换手术机器人系统及其工作方法，所述系统包括控制计算机、机器人，所述机器人上安装末端执行器，所述末端执行器根据机器人的指令进行动作，所述控制计算机控制机器人的动作；还包括结构光导航仪、动态基准、固定装置；所述结构光导航仪安装在手术床的附近，所述固定装置安装在手术床上，所述固定装置上安装动态基准，所述结构光导航仪能够捕捉动态基准的运动轨迹。

Description

全数字化全膝关节置换手术机器人系统及其模拟手术方法

技术领域

本发明涉及一种用于全膝关节置换手术的全数字化的手术机器人系统及其利用这个系统进行模拟手术的方法。

背景技术

随着世界人口老龄化，膝关节疾病的发生率呈逐年上升趋势。在国内，仅膝关节骨性关节炎的发病率就高达8.3％，其关节疼痛与功能障碍对病人生活质量影响不能低估。膝关节骨性关节炎病因复杂，其病理特征是关节软骨发生原发或继发性改变和由此而导致的关节软骨变性，软骨下骨质改变，骨板层骨质硬化，随后出现软骨下及边缘骨赘形成，继发关节滑膜炎、关节囊挛缩、关节间隙狭窄，引起关节功能障碍等症状。人工全膝关节置换(Total Knee Arthroplasty，以下简称TKA)是一种治疗膝关节疾病的新技术，能非常有效地根除重度膝关节病痛，极大地提高病人的生活质量。人工关节置换手术的主要影响因素包括三维立体空间上的准确截骨、韧带等软组织的平衡及稳定、假体安放的位置和角度，而全膝关节置换术对这些因素的要求尤其严格。传统手术通过机械导向装置进行髓内、外定位后截骨，手术者凭肉眼、手感和经验来判断截骨、假体位置和软组织的平衡情况，许多主观因素直接影响手术的精确性，甚至导致手术的失败。

由于医生的手术操作依赖于其经验，在长时间的手术后易疲劳，手术精准度相对较差，尤其是没有实战经验或者实战经验较少的医生或者学生需要进行手术训练和教学，但是在病人身上进行训练或者练习是很危险的事情，而且重复在病人身上进行手术练习也不现实。

发明内容

本发明提出了一种综合利用结构光扫描和/或动态追踪仪通过探针于骨表面滑动获得骨面的三维点云图像配准的骨科手术导航仪和机器人进行膝关节置换手术的新型装置，称为全数字化膝关节置换手术机器人系统，并利用此装置进行模拟手术操作，实现教学、训练的目的。实现上述目的的技术方案如下：

全数字化全膝关节置换手术机器人系统，包括控制计算机、机器人，所述机器人上安装末端执行器，所述末端执行器根据机器人的指令进行动作，所述控制计算机控制机器人的动作；还包括结构光导航仪、动态基准、固定装置；所述结构光导航仪安装在手术床的附近，所述固定装置安装在手术床上，所述固定装置或者膝关节上安装动态基准，所述结构光导航仪能够捕捉动态基准、末端执行器的运动轨迹；所述结构光导航仪上安装扫描仪，所述扫描仪用于捕捉患骨的三维数据。

使用的时候，(1)首先扫描患骨得到首次CT三维数字模型；

(2)在患骨、首次CT三维数字模型上分别选取特征点；

(3)基于选取的特征点在首次CT三维数字模型上确定患骨的力线；

(4)确定首次CT三维数字模型的坐标系；

(5)力线确定后，选取与首次CT三维数字模型匹配的虚拟膝关节假体，并以虚拟假体的截骨面生成机器人的手术运动规划路径；

(6)手术床的附近安装机器人，患者的腿部进行固定，患骨的膝关节上安装动态基准；

(7)在控制计算机上设置末端执行器坐标系(T-cos)、动态基准坐标系(P-cos)、结构光导航仪坐标系(C-cos)，形成原始坐标系；

(8)结构光导航仪扫描患骨形态，得到二次CT三维数字模型；确定二次CT三维数字模型的坐标系；

扫描动态基准的运动轨迹，确定动态基准的坐标系；

扫描末端执行器的运动轨迹，确定末端执行器的坐标系；

(9)控制计算机上设置的原始坐标系分别与步骤8中患骨的坐标系进行设置；

(10)患者躺下后，选取患骨上的特征点，在二次CT三维数字模型上选取特征点，两个特征点进行匹配；同时患者躺下后，通过结构光导航仪扫描动态基准，得到动态基准三维模型，并且动态基准三维模型与动态基准上选取特征点进行匹配，二次CT三维数字模型、动态基准三维模型为结构光三维数据；

(11)基于预配准及结构光三维数据配准的结果，显示骨骼与手术器械的相对位置，并将术前规划的路径转换到导航仪坐标系下，得到路径二。

(12)结构光导航仪跟踪末端执行器的路径为路径一，以及退出路径为路径三；

(13)操作者确认末端执行器相对于骨骼的路径是否正确；

(14)机器人通过路径一执行路径二，结构光导航仪实时监控，提供反馈信号，闭环控制；

(15)路径一完成后操作者能够检查位置是否合适；

(16)如果合适则按照路径二进行执行，如果不合适需要重新调整路径二；

(17)操作结束按路径三退出。

本发明所述的全数字化膝关节置换手术机器人系统能够为医生或者实习医生提供训练的机会，使医生熟悉器械的操作和配准的方法。

附图说明：

图1为本发明手术流程图；

图2a为本发明所述人体下肢力线示意图；

图2b为在手术中建立的人体股骨局部坐标系示意图；

图2c为胫骨力线的确定，其中2c-1为冠状面力线；2c-2为矢状位力线；2c-3为矢状位胫骨后倾；

图3为本发明所述全数字化膝关节置换手术机器人系统结构示意图；

图4为本发明所述结构光导航仪对末端执行器与动态基准定位的示意图；

图5为本发明中带跟踪装置的末端执行器与手术器械连接示意图；

图6为本发明中带可见光标记的动态基准结构图；

图7为双目结构光摄像机跟踪的工作流程；

图8为双摄像机结构光测量系统的原理图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明。

图1为基于结构光导航仪与机器人技术的全膝关节置换手术流程图。分步骤解释如下：

步骤1：选取实验者、人体模型或者骨骼模型作为扫描对象，为了方便描述，将实验者和人体模型统称为患者；人体模型和骨骼模型是仿真结构，尤其是股骨与胫骨具有与人体一比一相同的构造，无论是实验者、人体模型或者骨骼模型中的股骨、胫骨都是标样或者患骨，标样具体扫描过程如下：

首先对标样进行术前CT扫描，获取标样的CT图像数据，患骨标样包括胫骨和股骨。前述已经描述过标样可以是真实的骨骼，也可以是模型骨骼，真实胫骨和股骨的获取可以通过扫描实验者、人体模型、骨骼模型进行获取。

步骤2：由于CT扫描是以X线束从多个方向沿着人体某一选定断层层面透射，测定透过的X线量，数字化后经过计算得出该层层面组织各个单位体积的吸收系数，然后重建成影像的一种成像技术。得出的CT影像以不同的灰度值来表示，反映了各器官和组织对X线的吸收与透过率的不同。其中黑影表示低吸收区，即低密度区，如软组织；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。根据不同组织间的灰度阶跃设置分解阈值，再利用该阈值将CT图像中各器官的边界提取出来，作为三维重建的轮廓输入。具体操作时，首先将DICOM格式的CT图像数据导入三维重建软件，根据常规值设定灰度阈值来提取出骨骼表面，再重建出骨骼的三维模型，即重建3D模型，得到标样的首次CT三维数字模型，首次CT三维数字模型分别是CT股骨三维数字模型和CT胫骨三维数字模型；首次CT三维数字模型为术前规划做准备，提供对比基础。操作者可以根据标样的具体形态确定手术操作的位置及角度。

步骤3：下面根据附图来说明在首次CT三维数字模型上设置股骨、胫骨力线的确定方法：

图2a为人体下肢力线示意图，通过控制计算机计算首次CT三维数字模型的下肢力线，并根据首次CT三维数字模型所示的关节大小，初步选择与首次CT三维数字模型适配的假体，所述假体是与首次CT股骨三维数字模型和CT胫骨三维数字模型适配的膝关节，所述假体预先存储在控制计算机内。例如CT股骨三维数字模型匹配一个适配的膝关节假体，CT胫骨三维数字模型匹配一个适配的膝关节假体。

设置首次CT三维数字模型中股骨或胫骨的机械轴为0°，解剖轴以机械轴为基准，向外翻转5°-7°(胫骨相对于股骨向外翻转)，胫骨假体在矢状面上后倾4°且误差不超过2°，股骨假体外旋3°。

由于假体和力线是有一个夹角的，这个夹角根据首次CT三维数字模型上设置的力线进行调整，调整过程简单、精准。

建立股骨局部坐标系：得到首次CT三维数字模型后，利用控制计算机，采用全数字化方法计算力线。具体地，利用图像处理技术计算得到CT股骨三维数字模型的股骨髋关节中心点，以及股骨远端中心点，并将股骨远端中心点记为O点，并以O点为原点建立股骨局部坐标系，髋关节中心点与O点这两点连线作为机械轴，也即为股骨力线，记为CT股骨三维数字模型上的Z轴，其正向为从O点指向髋关节中心点。然后分别求得股骨内外后髁最高点，设其连线为：过Z轴且垂直于Z轴的平面为Y’Z平面。绕Z轴将Y’Z平面外旋3°得到YZ平面，在YZ平面上作Z轴的垂线，作为股骨局部坐标系的Y轴，选择向外为正，如图2b所示。下肢力线的计算为后续的截骨平面的设计提供基准参考。

建立胫骨局部坐标系：胫骨力线的确定：选定胫骨平台中心点，记为A点；利用图像处理技术获得踝关节内外髁的最高点，分别记为C点和D点，CD连线上距C点1/3处的点记为B点，AB连线即为胫骨力线。选取胫骨平台最低点，记为E点，过E作垂直于AB的平面α，在AB平面上过E点作平行于胫骨局部坐标系中Y轴的直线EF，以EF为轴，将平面α后倾4-10°得到安装胫骨假体的平面。如图2c所示；

全数字化计算得到股骨与胫骨力线后，根据CT三维数字模型的大小从控制计算机中装有的假体数据库中自动选择假体型号。按照假体的截骨要求自动生成截骨面(前述描述中操作者根据标样的具体形态确定手术操作的位置及角度就是截骨要求)，并在控制计算机的显示屏上进行实时显示。并且由生成的截骨面自动生成机器人的手术运动规划路径，并圈定安全区域。模拟手术或真实手术中控制计算机会限定机器人的运动在此范围内，一旦机器人的运动离开此范围进行冲突，机器人的运动将被强制停止，保证手术安全。

步骤4：在重建好的首次CT三维数字模型上选取用于预配准的点集，点集指的是先用少量的点进行大致的配准，再利用更多点进行精确配准，点集的配准需要在标样上预先选取认为比较突出的特征点，特征点可以是一个或者多个，标样上选取的特征点与首次CT三维数字模型上的特征点的位置和大小也是一一对应的，因此首次CT三维数字模型上的预配准点集与标样上的特征点进行匹配，调整首次CT三维数字模型，使之与标样形状、大小和形态更加吻合。

步骤5：获取患者坐标系：

图3为本发明所提出的全数字化膝关节置换手术机器人系统结构示意图，硬件部份包括在两侧分别布置的两台结构光导航仪1、带跟踪装置的末端执行器2、装有可见光标记的动态基准4、机器人5、控制计算机7。

实验者或者人体模型6躺在手术床3上，在手术床3的两侧分别安装一台结构光导航仪1，结构光导航仪1用于捕捉末端执行器1、动态基准4的运动轨迹，同时还能够扫描实验者或者人体模型中标样的形状。

建立末端执行器坐标系(T-cos)、动态基准坐标系(P-cos)、结构光导航仪坐标系(C-cos)：

在控制计算机上设置末端执行器坐标系(T-cos)、动态基准坐标系(P-cos)、结构光导航仪坐标系(C-cos)；图4表明了手术中结构光导航仪1对末端执行器2与动态基准4的定位，即末端执行器坐标系(T-cos)与动态基准坐标系(P-cos)到结构光导航仪坐标系(C-cos)的转换。

模拟手术中，暴露出患者的患骨和膝关节部位，并在膝关节上固定放置动态基准4，然后利用结构光导航仪1对裸露出的标样及动态基准4进行扫描，获取其表面的三维形貌，二次得到标样的扫描数据和动态基准的扫描数据，并利用扫描数据得到标样的二次CT三维数字模型、动态基准三维模型。

步骤6：在得到的结构光三维数据(包括结构光导航仪扫描的动态基准、标样等三维图像)上同样选取用于预配准的点集用于配准。

步骤7：由得到的两组预配准点集进行预配准(一个是在二次CT三维数字模型上选取特征点作为预配准点，一个是模拟手术过程中实验者或者人体模型上在标样中选取的比较显而易见、有特点的预配准点，两组预配准点的特征点进行匹配)，得到一个相对关系；简而言之，就是二次CT三维数字模型与患者身上的标样进行一个配准；

步骤8：配准过程如下：

在动态基准4上装有三个可见光标记，可以被结构光导航仪1所捕捉，这样就可以实时跟踪由于呼吸和体位变换而引起的患者坐标系的变动情况。将结构光导航仪1坐标系(C-cos)的中心标记为C-cos，结构光影像坐标系(S-cos)(这个坐标系是动态基准与真实骨骼连接后作为一个整体形成的空间位置关系的坐标系)与动态基准确定的患者坐标系(P-cos)下的坐标分别记作三维向量VC，VS，VP，有：

VC＝VPTP,C，VS＝VPTP,S；其中，VC表示结构光导航仪三维向量；TP表示动态基准的坐标系；C表示结构光导航仪的坐标系；

则，

VS＝VC(TP,C)-1TP,S；VS表示结构光影像的向量；TP,C表示结构光导航仪在动态基准坐标系下的点；TP，S表示结构光影像在动态基准坐标系下的点；

而末端执行器2也安装有可见光标记，这样也确立了一个末端执行器局部坐标系，设为T-COS，利用结构光导航仪1的扫描和导航功能来跟踪末端执行器2的变化。设在末端执行器局部坐标系下，任一点的位置用向量VT表示(下标T代表向量所在的坐标系T-COS)，利用结构光导航仪1中的光学定位仪所给出的转换关系，可以将它首先变换到患者局部坐标系(P-cos)下，用矢量VP表示。即

VP＝VTTT,P，其中VP表示动态基准的向量；VT表示末端执行器局部坐标系下任一点的位置；TT,P表示动态基准在终端坐标系下的点；

这样就确定了术中手术空间内任一点在结构光导航仪1坐标系C-cos，动态基准坐标系P-cos和末端执行器坐标系T-cos中各坐标系下的坐标转换关系，其中用导航方法确定了结构光导航仪1坐标系C-cos，末端执行器坐标系T-cos，动态基准坐标系P-cos之间的转换，而后通过矩阵相乘，使得S-cos坐标系与结构光导航仪1之间联系起来。(其中，动态基准坐标系是P-cos，把他们几个建立联系后就是S-cos坐标系)

本发明中，所述标样是一个坐标系，虚拟的首次CT三维数字模型是一个坐标系，动态基准与标样连接后，二者位于同一个坐标系，通过配准，首次CT三维数字模型的坐标系与标样的坐标系会重合，因此，首次CT三维数字模型在手术训练过程中和标样会同步，因此手术过程会很精准。

图5为本发明中带跟踪装置的机器人末端执行器2与手术器械连接示意图。机器人的末端执行器2可以是不同的器械，分别用于钻孔、截骨、放置假体等动作。在机器人的末端装有四个可被可见光导航仪1跟踪的标记球8，这四个标记球8可以建立末端执行器坐标系(T-cos)。末端执行器2可以是手术中所用的各种器械，例如手术刀、钻头等等工具。末端执行器2与机器人5末端部分连接后，术前需对末端执行器2进行相对位置标定，获取其在末端执行器坐标系(T-cos)下的坐标。从而，在术中只需由结构光导航仪1跟踪标记球8的位置即可得到末端执行器2的位置。

由于手术中患者呼吸或手术需要，手术中患者位置会发生变动，所以要在病人患骨上固定夹持一个同样装有可见光标记点的动态基准2(DRB)，如图6所示。动态基准2包括一插入部件、主体9，所述插入部件优选为一螺旋钉，可直接旋入患骨固定，螺旋钉上具有一螺母10，螺母10的下端表面上设置齿圆11，齿圆11由很多排列的齿组成，主体9为一个三角形基板，所述三角形可以是等腰三角形或者等边三角形，螺旋钉安装在三角形基板的一个角下端，三角形基板的中部具有一凹槽，凹槽下端安装一个球状标记，三角形基板的另外两个角上也分别安装一个球状标记，球体表面由特殊颜色反光材料制成，可以被摄像机所捕获，可以实时跟踪患者坐标系(P-cos)相对可见光导航仪1坐系标的变化。三角形基板与下方的螺旋钉之间可调整角度，以便于结构光导航仪捕获和识别。使用时先将主体9、螺母10、齿圆11如图所示关系连接，将主体9先拧入患骨，调整好标记球8的方位后，向下拧紧螺母，即完成固定，其中齿圆11的底部有很多齿，这些齿可以扎进患股或者模型里，从而将三角形基板的位置固定牢靠。动态基准4与患骨固连，结构光导航仪1对动态基准4进行跟踪即可获得由于病人呼吸等引起的患骨的运动。结构光导航仪1与动态基准4为系统提供闭环控制反馈信号。

图7是双目结构光摄像机跟踪的工作流程。术中首先对前述动态标准上的可见光标记点进行匹配，然后计算上述可见光标记点的三维坐标位置，并绘制以末端执行器2末端为起点的方位示意图，同时还要对可见光标记点的位置进行预测和跟踪。通过数字影像处理，控制计算机的显示屏可显示手术部位和末端执行器2任意剖面的影像，以便帮助操作者、训练者或者教学者更好地观察待治疗区域和末端执行器的相对位置。

图8是结构光导航仪1中双目结构光摄像机扫描时的原理图，下面详细介绍下扫描原理：

双目结构光摄像机扫描时结合了投影栅相位法与立体视觉原理，由投影装置401与两个摄像机402，403组成。投影装置401将有具有某种特性的光(称为结构光)投射到物体上，结构光包括解相光栅和一系列编码光栅，光栅影像投影到被扫描物体表面后,由两台安装在不同角度上的摄像机402，403同时摄取影像。规则的光栅受到物体表面高度的调制而发生变形，这样就可以通过解相和基于结构光编码的相展开方法得到被调制光栅的相位，从而解决两幅影像上空间点的对应问题,并通过两台摄像机的三角交汇得到形体的三维坐标信息。

图8中，手术时对患骨扫描时首先要对两架摄像机402，403分别进行标定，获取各自的内外参数，(相机内参数是与相机自身特性相关的参数，比如相机的焦距、像素大小等；相机外参数是在世界坐标系中的参数，比如相机的位置、旋转方向等)，再联合两部摄像机的外参数，获取两者的空间位置关系。对摄像机内外参数的标定，需要借助标定块进行。这里使用的具有外方内圆标记点的标定块。然后向待测三维形体表面投射结构光栅，以获取三维形体表面相位信息。两架摄像机分别拍摄在变形后的光栅，计算光栅中所包含的相位信息。该系统投射的结构光栅供包括十一幅影像，其中四幅相主值包含了结构光栅的相主值信息，七幅相周期包含了结构光栅的相周期信息。通过解相与相展开过程可以分别得到投影光栅的相主值与相周期信息，叠加相主值与相周期即可得到三维形体表面各点上变形后光栅的相位信息。

这样就可以结合外极线几何与步骤2中获得的相位，匹配两架摄像机中的影像上的点。对匹配后的影像利用步骤1中标定出的两架摄像机的内外参数和空间位置关系，计算待测物体表面各点的三维坐标，重构出三维形体表面的三维信息。

为了将术前CT影像引入术中结构光导航仪，本发明结合预配准(步骤7)与多区域ICP面配准(步骤8)对结构光影像与CT影像进行面配准。本发明采取预配准(步骤7)与多区域ICP配准(步骤8)相结合的方法来确定术前CT影像与术中结构光影像的坐标转换关系。其基本思想是，首先估算出两组点集中每一点的法矢和曲率，所有的曲率相近点构成一系列点对，计算将每个点对的法矢方向映射为一致的三维空间变换，每个点对间所有可能的三维变换构建一个哈希列表，找出列表中使得最多数量的点对法矢一致的变换，该变换能够实现两个点集的粗略配准。将粗略配准后两个点云的位置作为新的初始位置，运用多区域ICP算法对散乱点云的初始配准结果迭代运算，从而实现散乱点云的精确配准。

这样，手术空间的各个局部坐标系就可以借助术中结构光影像(步骤5)与术前CT影像(步骤2)的配准，来确定各自与术前CT影像的坐标转换关系。

步骤9：在结构光导航仪坐标系(C-cos)下将患骨的CT三维数字模型表示出来，术前规划得到的机器人的手术运动路径规划也转换到结构光导航仪坐标系下，该路径称为机器人手术路径，记为路径二，路径二2的起点记为P2，终点记为P3。

步骤10：术中机器人运动的路径共由三部分组成，即准备路径一，机器人手术路径二，也称进刀路径，退出路径三，也称退刀路径。下面分别介绍。准备路径一是指机器人在手术空间的初始位置(记为P1)运动到机器人手术路径二的起点P2的路径。路径一的作用是使机器人带动末端执行器运动到开始手术的方位，运行完路径一后需要操作者或者训练者根据控制计算机给出的状态信息确认末端执行器的位置是否合适。

机器人手术路径二是指结合具体的手术操作(如钻孔，切割等)时，机器人需要进行的运动，这一路径是术前在数字化计算力线后由控制计算机按照安装假体的截骨要求自动生成的。经过配准过程后，规划好的路径就转换到结构光导航仪坐标系中，可由机器人执行，称为机器人手术路径二。

退出路径三是指执行完路径二后，机器人的退刀路径。

这样，整个手术过程可看做机器人在运动指令下循环执行执行路径一、路径二、路径三。

对于路径一的控制，因为需要路径一的终点准确即可，对于其间的路径并无精确要求，采用点位控制即可。对于路径二，机器人实际所走的路径与路径二相符的程度直接影响手术的效果，因而需要进行连续路径控制，并根据手术的需要，对于路径二执行的速度和加速度进行控制，保证手术效果。对于路径三，同路径一类似，只要求终点的位置，采用点位控制；但路径三是退出路径，考虑到退出时末端执行器与手术部位的可能干涉，控制时根据需要分段点位控制。

步骤11：具体到手术执行过程，得到路径一、路径二和路径三后，在控制计算机的显示屏上显示，医生判断路径是否正确，并确认。

步骤12：之后将路径输入到控制计算机中作为机器人的目标值。

步骤13：机器人开始执行路径一。

步骤14：到达P1点后暂停，操作者在现实中判断末端执行器的位姿是否合适。

步骤15：如末端执行器的位姿不合适，在控制计算机上根据显示屏上实时显示的三维影像进行调整。调整后，若不需再调整，则P1位姿合适，操作者确认。

步骤16：机器人执行路径二。手术过程中结构光导航仪实时跟踪末端执行器与动态基准的位姿，为机器人运动提供反馈信号，保证路径二执行的准确性，同时控制计算机将实时监控运动范围在术前划定的安全区域内，一旦超出，立刻强制停止机器人的运动。

步骤17：路径二执行完后，机器人按照路径三退出，回到初始位置。

机器人离开手术台后，手术按照传统手术的步骤完成。

计算机辅助骨科手术(Computer Aided Orthopedic Surgery，也称CAOS)在医学影像，如CT，MRI，X光或三维超声等的导引下，利用导航仪跟踪末端执行器的位置，把虚拟末端执行器与手术部位融合并显示在屏幕上，从而增加上述手术的可视性，帮助操作者避开重要的器官与组织，提高手术精度，减少术中创伤。尤其是将本方法应用到临床上后进行对比试验表明，这种利用导航仪的手术方式能大大提高手术精度，减少骨科手术的偏移率。

机器人具有运动准确性高，可以执行微小操作，自动化程度高，在友好界面下操作时简单等优点，可以有效克服人进行手术操作时的颤抖、对医生操作水平要求高等缺点。利用手术机器人可以更加准确、简单地实现手术操作，将操作者的经验与机器人良好的执行效果结合起来，在操作者的监督下，机器人可自动完成手术操作。

本发明可以用在教学、手术训练、演示、实际手术中。

以上仅为本发明实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本发明实施例，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围内。

Claims (3)

1.全数字化全膝关节置换手术机器人系统，包括控制计算机、机器人，所述机器人上安装末端执行器，所述末端执行器根据机器人的指令进行动作，所述控制计算机控制机器人的动作；其特征在于：还包括结构光导航仪、动态基准、固定装置；所述结构光导航仪安装在手术床的附近，所述固定装置安装在手术床上，所述固定装置或者患骨上安装动态基准，所述动态基准与患骨的运动轨迹一致；所述结构光导航仪能够捕捉动态基准、末端执行器的运动轨迹；所述结构光导航仪上具有扫描仪，所述扫描仪用于获取患骨与动态基准的结构光三维点云图像及其空间中相对位置关系；所述控制计算机用于：对所述患骨与动态基准的结构光三维点云图像和患骨进行预配准；重建患骨的首次CT三维数字模型，利用多区域ICP配准算法对所述患骨与首次CT三维数字模型进行局部面配准；计算出结构光三维点云图像与首次CT三维数字模型分别所属坐标系的转换关系。

2.根据权利要求1所述的全数字化全膝关节置换手术机器人系统，其特征在于：所述扫描仪为双目结构光摄像机。

3.根据权利要求1所述的全数字化全膝关节置换手术机器人系统，其特征在于：所述结构光导航仪对角设置在手术床的附近。

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