CN110693611A - 手术仪器校准装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种手术仪器校准装置，包括一刚性主体、若干稳固件及若干配合件，所述若干配合件与所述若干稳固件一一配合，所述若干配合件设置于手持仪器的一操纵器的相对两侧上；当所述稳固件穿过刚体主体并且可拆卸地连接到所述配合件时，所述校准装置连接到所述手持仪器，所述操纵器处于默认运动状态。本发明还提供一种用于计算机辅助手术器械的校准方法。由一计算机系统实施的所述方法包括：提示用户将校准装置与仪器连接；判断所述校准装置与所述手持仪器是否正确连接；若所述校准装置与所述手持仪器正确连接，则生成所述手持仪器的一操纵器的默认运动信息。如此，所述校准装置及所述方法可有效地提高计算机辅助手术的准确性和精确度。

Description

手术仪器校准装置及方法
技术领域
本发明揭露涉及校准装置及方法，尤其涉及一种用于校准计算机辅助手术仪器的运动状态的装置及方法，以提高计算机辅助手术的准确性和精确性。
背景技术
一般而言，许多手术均需要医生的高度的手动精确度。举例而言，施行骨科手术需要医生在精确的位置以精确的角度铣削、钻孔或锯切受术者的骨骼，以便将给定的植入物装配到骨骼中或使骨骼成形以产生所需的几何轮廓。这种手术通常是徒手进行的，医生手持特定的手术仪器并依循基于解剖学参考标志的轨迹。因此，手术的准确性取决于医生在使用手术仪器执行手术计划时的技巧。
利用信息技术和机器人技术的优势，计算机辅助手术为提高手术的准确性和精确性提供了可靠的选择。计算机辅助手术利用定位系统连结将解剖部位的位置与手术仪器的施术工具的位置，以便能够在施术工具内在导航系统上动态地参考解剖部位。举例而言，美国专利公开号No.20120143084中公开了一种定位系统，其包括安装在手术部位上的可定位标记和安装在仪器的夹持体上和/或连接到仪器的可移动施术工具的机器人控制平台上的另一标记，以使得在手术期间可实时定位施术工具的方向。
然而，除了定位施术工具的方向之外，在手术期间定位操作工具的尖部的位置对于评估当前手术状态(如：工具进入手术部位的深度)与遵循预定手术计划的程度也是至关重要的。在美国专利公开号No.20120143084所公开的追踪系统中，在手术期间并不可能在工具尖部上安装可追踪标记，并且在工具尖部上没有安装可定位标记的情况下，难以确定可移动施术工具尖部的精确位置。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种校正手术仪器的机器控制操纵器的运动状的态校准装置及方法。
本发明的另一目的是提供一种定义手术仪器的机器控制操纵器的默认运动状态的校准装置及方法，能够在计算机辅助手术期间定位手术工具尖部的轨迹。
一种校准装置，用于一计算机辅助手术仪器，所述校准装置包括：
一刚性主体；
若干稳固件；及
若干配合件，所述若干配合件与所述若干稳固件间结构性或机构性地一一配合，所述若干配合件设置于手持仪器的一操纵器的相对两侧上；
当所述稳固件穿过所述刚性主体并且可拆卸地连接到所述配合件时，所述校准装置连接到所述手持仪器，且所述操纵器处于默认运动状态。
进一步地，所述校准装置还包括：
一连接感测机制，用于检测所述校准装置与所述手持仪器之间的连接状态；
所述连接感测机制包括分别设置在所述校准装置和所述手持仪器上的至少一对发送器-接收器或一对标记-读取器。
进一步地，当所述校准装置连接到所述手持仪器时，校准与所述手持仪器相连结的空间传感器系统。
进一步地，所述手持仪器包括若干操纵器传感器；当所述校准装置连接到所述手持仪器时，校准所述校准装置对所述若干操纵器传感器。
进一步地，所述操纵器包括一工具，所述操纵器处于默认运动状态时产生一默认运动信息，所述默认运动信息作为计算基础，并根据一与所述手持仪器相连结的计算机所产生的用于改变所述操纵器的运动状态的控制信号，可算得所述工具的尖部的位置与方向。
进一步地，所述刚性主体为一放置架的一部分结构，所述放置架包括一对接所述手持仪器的至少一部份的固定结构。
一种校准方法，用于计算机辅助手术仪器并通过一计算机系统实现，所述校准方法的步骤包括：
(S1)提示用户将一校准装置连接至手持仪器；
(S2)判断所述校准装置是否与所述手持仪器正确连接；
(S3)若所述校准装置与所述手持仪器正确连接，生成所述仪器的一操纵器的默认运动信息；若所述校准装置与所述手持仪器未正确连接，返回步骤(S1)，继续提示用户将所述校准装置连接至所述手持仪器；
所述校准装置包括一刚性主体、若干稳固件及若干配合件，所述若干配合件与所述若干稳固件一一配合，所述若干配合件设置于所述操纵器的相对两侧上；
当所述稳固件穿过所述刚性主体并且可拆卸地连接到所述配合件时，所述校准装置连接到所述手持仪器，且所述操纵器处于默认运动状态。
进一步地，所述方法还包括：
调节所述操纵器，以使得所述操纵器的运动状态接近所述默认运动状态。
进一步地，所述方法还包括：
提示用户调节所述操纵器，以使得所述操纵器的运动状态接近所述默认运动状态。
进一步地，根据用户输入的确认信号的回执以确定所述校准装置与所述仪器之间的连接。
进一步地，根据一连接感测机制发送的一确认信号的回执以确定所述校准装置与所述手持仪器之间的连接。
进一步地，所述方法还包括：
根据所述默认运动信息，校准所述手持仪器相连结的一空间传感器系统。
进一步地，所述方法还包括：
根据所述默认运动信息，校准所述手持仪器的若干操纵器传感器。
进一步地，所述默认运动信息作为计算基础，并根据一与所述手持仪器相连结的计算机所产生的用于改变所述操纵器的运动状态的控制信号，可算得一工具之尖部的位置与方向。
总括而言，本揭露的各种实施方式提供一种易于使用的校准装置，用于校准所述计算机辅助手术仪器的机器控制操纵器的运动状态，以及用于定义所述手术工具的默认运动状态，据此，当用户操作手持仪器时，计算机系统可以定位所述手术工具的尖部。如此，可有效地提高计算机辅助手术的准确性和精确度。
附图说明
图1是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的方块图。
图2是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的示意图。
图3是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的手持仪器的示意图。
图4是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的手持仪器的侧视图。
图5是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的手持仪器的一操纵器的侧视图。
图6是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的手持仪器的另一操纵器的侧视图。
图7是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的校准装置的透视图。
图8是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的校准装置的另一透视图。
图9是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的操作状态的示意图。
图10是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的空间传感器系统的操作状态的示意图。
图11是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统的操作方法的步骤流程图。
图12是本揭露一较佳实施方式的手术辅助系统在术前注册流程的示意图。
图13是本揭露一较佳实施方式的校准验手术辅助系统的手持仪器的步骤流程图。
主要元件符号说明
手术辅助系统 1000
仪器系统 1100
仪器 1200
操纵器 1210
基座 1220
平台 1230
力传感器 1235
致动器 1240
关节 1245a、1245b
万向关节 1246
球形关节 1247
工具 1250
工具安装底座 1260
工具适配件 1265
马达 1270
壳体 1280
控制模块 1282
手柄 1284
校准装置 1300
刚性主体 1310
稳固件 1330、1350
基座配合件 1339
平台配合件 1359
放置架 1390
套筒 1400
支撑臂 1450
空间传感器系统 1500
空间传感器 1510
空间标记结构 1550
标记 1555
适配器 1560
基准标记 1610
计算机系统 1700
用户界面 1800
医学成像仪 1910
虚拟解剖模型 2110
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合本揭露实施例中的附图，对本揭露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揭露的一部分实施例，而不是全部的实施例。
为了使本揭露的目的、技术方案及优点能更加清楚明白，以下将会结合附图及实施方式，以对本揭露中的校准装置及方法作进一步详细的描述及相关说明。
请参阅图1及图2，本揭露的一较佳实施方式提供一种应用于外科手术的手术前及手术中的手术辅助系统1000，包括连接电子模组的硬件及可执行的处理器指令。所述手术辅助系统1000包括一仪器系统1100、一空间传感器系统1500、一用户界面1800以及一计算机系统1700。所述计算机系统1700电连接至所述仪器系统1100、空间传感器系统1500及用户界面1800。
在一实施方式中，所述手术辅助系统1000允许一用户(如：医生)使用所述仪器系统1100并参考所述用户界面1800对一受术者(如：患者)进行手术。
在一较佳实施方式中，至少一医学成像仪1910与所述手术辅助系统1000建立通信连接，所述医学成像仪1910用于获取受术者的医学影像，并将获取到的医学影像信息传输至所述手术辅助系统1000。
在一较佳实施方式中，所述空间传感器系统1500用于生成所述受术者所在环境的空间信息。
所述计算机系统1700用于根据所获取的医学影像信息生成虚拟解剖模型，并根据虚拟解剖模型生成手术计划，以根据从所述空间传感器系统1500所接收的空间信息来追踪手术环境，并控制一操纵器1210运动或改变所述操纵器1210的运动状态。
所述用户界面1800使虚拟解剖模型可视化并允许用户根据手术计划探索手术区域。
如图2中所示，所述手术辅助系统1000的仪器系统1100包括一用于对受术者进行手术的手持仪器1200。
在一较佳实施方式中，所述仪器系统1100还可进一步包括一支撑臂1450，所述支撑臂1450连接所述手持的仪器1200以减轻用户手上的重量负荷，并且可在手术期间提供较佳的操作稳定性。
请参考图3及图4，在一实施例中，所述手持的仪器1200包括一工具1250、一工具安装底座1260、一壳体1280及一操纵器1210。
所述工具1250用于接触或改变受术者的身体部位上的一解剖表面。所述工具安装底座1260连接所述工具1250的一端及所述操纵器1210。这样，可使得所述工具1250稳固地连接所述操纵器1210。
在一较佳实施方式中，所述操纵器1210由所述计算机系统1700所控制，并用以操纵所述工具1250的位置和方位。
所述壳体1280连接所述操纵器1210以容纳至少一部分所述操纵器，并提供一个或多个手柄1284以使得用户在操作手术辅助系统1000的期间可握持并操控所述仪器1200。
在一较佳实施方式中，所述工具1250可以是用于接触受术者的解剖部位的探针或指示器，并可用于探测解剖部位的结构或状态。此外，所述工具1250还可以是钻头、圆头锉、刮匙、锯、螺丝刀或其他用于外科医学手术的常用工具，其通过钻孔、铣削、切割或刮削来改变或移除解剖部位的一部分组织。在其它实施方式中，所述工具1250还可以是进行表面匹配(surface matching)的机械、光学或超声探头并且可以是但不限于刚性探头、压力传感器、压电传感器、弹性体传感器、光学相机、激光扫描仪或超声波扫描仪。
进一步地，所述操纵器1210可包括一平台1230，所述工具安装底座1260连接所述工具1250及所述工具控制平台1230的第一侧。
在一较佳实施方式中，所述工具安装底座1260可包括一工具适配件1265及一连接至所述工具适配件1265的马达1270。
所述工具适配件1265用于牢固地支撑所述工具1250的端部，以避免所述工具1250在操作时移位。在一较佳实施方式中，所述工具适配件1265可以是夹具或其他紧固结构。
进一步地，所述马达1270用于将电能转换成机械能并产生线性或旋转力，以驱动所述工具1250作动。在一较佳实施方式中，所述马达可以是直流马达或交流马达。所述马达1270可设置在所述手持仪器1200的后端，以减少在所述手持仪器1200操作期间对所述操纵器1210的负载，并重新分配所述手持仪器1200的重量，如此可以改善用户的人体工学。
如图5及图6所示，所述工具安装底座1260还可进一步包括一力传感器1235。所述力传感器1235连接至所述平台1230的第一侧，所述力传感器1235用于在手术期间检测由所述工具1250所承受的力和/或扭矩。
在其他实施方式中，所述力传感器1235可设置在所述手持仪器1200的探针或工具中。所述手持仪器1200还可包括设置在探针或工具中的另一个力传感器(图未示)。所述力传感器可以是但不限于应变仪、力敏电阻器、压力传感器、压电传感器、电活性聚合物或光纤弯曲传感器。
在一较佳实施方式中，所述操纵器1210可包括一基座1220、多个关节1245a、1245b及多个致动器1240。
所述多个关节1245a、1245b安装于所述平台1230的第二侧，且远离所述工具1250，以及安装于所述基座1220的第一侧，且所述基座1220的第一侧与所述平台1230相对。所述多个致动器1240连接至所述基座1220的第二侧，且远离所述平台1230。
如图4中所示，所述基座1220可固定在所述壳体1280上或收容在所述壳体1280内。所述操纵器1210可以为并联操纵器，如此具有更高的空间效率和可操纵性。例如具有六个自由度(degrees of freedom，DOF)的Stewart操纵器。此外，所述操纵器1210优选地由不锈钢或碳纤维制成并且排列成特定的机械结构，所述机械结构使得所述操纵器1210具有足够的承受度，以抵抗所述工具1250接触受术者时所产生的力和/或扭矩。
在一较佳实施方式中，所述操纵器1210的关节可以为但不限于旋转关节、棱柱关节、球形关节、万向关节、圆柱关节或其任何组合，以能够实现期望的DOF。如图5及图6中所示，具有六个DOF的一般的Stewart平台的操纵器1210可包括万向关节1246和球形关节1247，以实现所述操纵器1210的宽运动范围和各种运动状态。所述操纵器1210还可包括多个连接器，每个连接器连接到所述多个关节1245a中的一个和所述多个关节1245b中的一个，以实现所述工具1250的更宽范围的移动。在其他实施方式中，所述手持仪器1200还可进一步包括一个或多个操纵器传感器(图未示)，以用于检测这些关节相对于基座1220的旋转角度。其中，所述操纵器传感器可为一角度传感器。
在一较佳实施方式中，所述致动器1240连接至所述基座1220，所述致动器1240与这些关节1245分别设置于所述基座1220相对的两侧。
所述致动器1240用于根据从所述计算机系统1700传输的控制信号以驱动关节1245及连接器移动。在另一较佳实施方式中，所述致动器1240和关节1245也可设置在所述基座1220的同一侧。如图6中所示，所述致动器1240设置于所述基座1220与所述平台1230之间，每个致动器1240通过所述万向关节1246和所述球形关节1247连接。这些致动器1240可以为线性致动器，以实现更高的精度和更强的承受度。所述操纵器1210还可包括一个或多个位移传感器(图未示)，以用于检测每个致动器1240的长度。
请再次参考图3及图4，在一较佳实施方式中，除了容纳所述操纵器1210和提供所述手柄1284之外，所述壳体1280还可包括一控制模块1282，所述控制模块1282用于触发、停止或调节所述工具1250的动作或执行所述手持仪器1200的其他功能。
在一较佳实施方式中，所述手持仪器1200可与一校准装置1300一起使用，用于校准所述操纵器1210相对于所述壳体1280的运动状态，以确保所述手持仪器1200的几何精度。
请参考图7，在一较佳实施方式中，所述手持仪器1200可与校准装置1300一起使用，用于校准所述操纵器1210的运动状态及定义所述操纵器1210的一默认运动状态，以确保所述手持仪器1200的几何精度并且在外科手术期间能够追踪所述工具1250的尖部。
所述校准装置1300可包括一刚性主体1310、多个稳固件1330、1350以及设置在所述操纵器1210的相对两侧上的多个配合件1339、1359。
举例而言，所述配合件可包括设置在所述基座1220或壳体1280上的基座配合件1339以及设置在所述平台1230或所述工具安装底座1260上的平台配合件1359。
所述稳固件1330、1350与所述基座配合件1339及所述平台配合件1359一一配合。所述稳固件1330、1350以及基座配合件1339及平台配合件1359可以是螺栓、销、凹口、带扣、钩环紧固件、磁体或粘合剂，可结构性或机构性的相互结合。
举例而言，所述稳固件1330、1350分别穿过所述刚性主体1310并可拆卸地连接到所述基座配合件1339与所述平台配合件1359，以使得所述校准装置1300连接到所述手持仪器1200。此时，所述操纵器1210的运动状态为默认运动状态。
换句话说，当所述校准装置1300连接到所述手持的仪器1200时，所述刚性主体1310约束所述平台1230的移动，以使得所述平台1230与所述基座1220在一默认方向上间隔一定距离。
在另一较佳实施方式中，所述校准装置1300还可包括一连接感测机制，以用于检测所述校准装置1300和所述仪器1200之间的连接状态。所述连接感测机制可以包括但不限于分别设置在所述校准装置1300和所述仪器1200上的至少一对发送器-接收器或一对标记-读取器。
举例而言，每对发射器-接收器可以包括射频识别(radio frequencyidentification，RFID)标签和RFID读取器，分别设置在所述校准装置1300和所述仪器1200上的RFID读取器。如此一来，当所述校准装置1300正确连接到所述仪器1200时，所述RFID读取器可侦测到RFID标签。同理，每对标记-读取器可包括一光学标记及一用于识别所述光学标记的相机。
请参考图8，在一较佳实施方式中，所述刚性主体1310可作为一放置架1390的一部分，所述放置架1390可以站立在一表面上或者连接到手术环境中的一物体。所述放置架1390还可进一步包括对接所述手持仪器1200的至少一部份的固定结构。如此一来，所述手持仪器1200在不使用时可搁置在所述放置架1390上。
在另一实施方式中，所述校准装置1300还可进一步包括一收容结构(图未示)，所述收容结构用于收容所述操纵器1210或致动器1240，如此在运输和存储期间可避免所述操纵器1210或致动器1240受到损坏。
请参考图9，所述仪器1200可与一套筒1400一起使用，尤其是在微创手术中，可为所述工具1250提供一到达解剖部位的物理入口。
在一可替代实施方式中，所述套筒1400可拆卸地连接到所述操纵器1210的平台1230，以使得所述套筒1400和所述工具1250能够同时进入解剖部位。
请参考图10，所述空间传感器系统1500用于检测并能够定位至少一个目标对象的空间信息(例如位置和方向)。所述空间传感器系统1500包括至少一个可拆卸地连接到目标对象的空间标记结构1550、以及具有至少一个摄像机的空间传感器1510，所述空间传感器1510用于接收所述空间标记结构1550传输的信号。
如图9及图10中所示，目标对象可以是所述仪器1200、套筒1400或选定的解剖部位。在一较佳实施方式中，所述空间标记结构1550包括多个标记1555及一适配器1560。所述标记1555用于发射电磁信号、声波、热量或其他可感知信号。所述适配器1560可拆卸地附接到目标对象，以用于保持所述标记1555与所述目标对象的相对位置，使得目标对象可被所述空间传感器1510定位。在另一实施方式中，所述空间传感器系统1500还可包括一设置在所述空间传感器1510上或一预定位置处的信号发生器(图未示)。如此，所述标记1555的信号传输可以是主动的或被动的。换句话说，由所述标记1555发射的信号可以由标记1555产生，或者标记1555可以用反射材料覆盖，如此，所述信号发生器所产生的信号被所述标记1555反射到空间传感器1510。
在一较佳实施方式中，所述空间传感器1510将所接收到的信号发送至所述计算机系统1700，并通过三角测量或其他转换算法转换成被侦测的空间的一坐标系及目标对象的空间信息。进一步地，所述标记1555以特定形式设置在所述适配器1560上，如图10所示，如此使得所述计算机系统1700相应地产生目标对象的方向信息。所述计算机系统1700可以根据空间和方向信息生成控制信号，以控制所述操纵器1210作动或改变运动状态，或者可在用户界面1800上显示指令，如此以提示用户移动所述手持仪器1200至指定的位置或方向。
所述工具1250的尖部位置也可被所述空间传感器系统1500定位。具体地，假设所述工具1250的尖部与所述操纵器1210的平台1230之间的距离是已知的，则用户可将所述空间标记结构1550设置于所述平台1230处并使所述空间传感器系统1500追踪所述平台1230的位置和方向。如此一来，可获得所述工具1250的尖部位置。
根据本揭露的一实施方式，所述计算机系统1700包括一处理器及一存储单元。所述处理器可以是通用处理器、专用指令集处理器或对数据源执行操作的专用集成电路。例如，所述处理器是基于ARM的处理器或8086x处理器。在其他实施方式中，所述处理器还包括多个数字或模拟输入/输出，并且可以是实时操作系统(real-time operating system，RTOS)处理器。所述存储单元可以存储由所述处理器分配的数字数据，以便立即在所述计算机系统1700中使用。所述存储器可以包括至少一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质可以是挥发性的，包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机存取存储器(RAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电子擦除式可复写只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)，或非挥发性的，包括：动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)。
根据本揭露的一较佳实施方式，所述用户界面1800包括至少一个输出设备，用于向用户呈现信息，和至少一个输入设备。
所述用户界面1800所呈现的信息可以包括但不限于手术计划、二维(two-dimensional，2D)或三维(three-dimensional，3D)的重建图像、2D或3D钻孔状态(如工具的位置、角度、深度或弯曲程度)、工具的可补偿范围、用户指引、警告区域、工具偏离手术计划的通知以及工具的可受力上限的通知。
所述输出设备可以是显示器、指示灯或其他视觉装置。或者，所述输出设备也可为语音合成器或其他音频装置。所述输入设备能够将用户输入的命令转换为电信号，所述输入设备可以是踏板、键盘、鼠标、触摸板、语音识别接口或手势识别接口。
请参考图11，根据本揭露的一较佳实施方式，所述手术辅助系统1000执行计算机辅助手术的方法包括如下步骤：
步骤S110：从医学成像仪1910接收多个医学图像；
步骤S120：根据所接收的医学图像生成三维虚拟解剖模型；
步骤S130：提示用户标示虚拟解剖模型上的标的位置；
步骤S141：根据虚拟解剖模型、标示的位置以及从医学图像获得的生理和/或病理信息生成手术计划；
步骤S160：根据手术计划提示用户开始手术；
步骤S170：在手术期间协助用户完成手术。
在步骤S110，所述医学成像仪1910可以是计算机断层摄影(computedtomography，CT)扫描仪、磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)扫描仪、或能够获取被扫描对象的连续横截面图像的其他常用医学成像设备。
在一优选实施方式中，当拍摄医学图像时，一标记贴片1600(如图12中所示)附着在受术者的预期手术部位附近，以便于手术环境的定位。具体地，所述标记贴片1600包括可被所述空间传感器1510检测到的至少一个标记1555及多个基准标记1610，所述基准标记1610为在所述医学成像仪1910拍摄的图像上产生标记。所述基准标记1610可以由铅、铁、钙或不透射线的其他金属制成。因此，如图12中所示，在拍摄医学图像时，所述标记贴片1600附着到目标对象的情况下，得到的虚拟解剖模型2110将包括多个对应于基准标记1610的不透射线的点。
在另一较佳实施方式中，所述标记贴片1600上的标记1555可以与所述基准标记1610为同心设置，如此可避免由于受术者的表面轮廓变化而引起的信号不一致。此外，所述标记贴片1600上可设置材料，这些材料既可以被所述空间传感器1510光学读取，其不透射线性质也可使标记1555可呈像于所述医学成像仪1910所拍摄的图像上，以确保所获取的信号之间保持较高的一致性。
请再次参考图11，在步骤S130，提示用户经由所述用户界面1800在所述虚拟解剖模型2110上标示一个或多个标的位置。其中，标的位置可包括预期的手术部位或特定的解剖学参考标志或表面特征。用户还可在虚拟解剖模型上标记或定义特定参考标志或表面特征。
在步骤S141，所述手术计划可包括操作细节，例如所述工具1250进入的位置和角度以及计划钻孔的深度和路径、建议的工具类型及螺钉类型。
在步骤S160，在产生手术计划之后，所述计算机系统1700根据手术计划提示用户开始手术。其中，用户可在手术开始之前调整手术计划。
在步骤S170，所述手术辅助系统1000根据所述空间传感器系统1500所检测到的工具1250的空间信息以调整所述操纵器1210的运动状态，并通过所述用户界面1800通知用户，以在计划的手术期间协助用户进行手术。进一步地，在其他实施方式中，在手术期间也可以拍摄医学图像以监测钻孔路径的位置、角度及深度，以确保符合手术计划并用于判断重新定义新手术计划或重新校准仪器的必要性。
在步骤S130之后，即用户选择对虚拟解剖模型的标的位置之后，根据本发明的较佳实施方式的方法还可包括以下步骤：
步骤S151：获取目标对象的解剖部位上的多个采样点的表面信息；
步骤S152：将采集到的表面信息分配到虚拟解剖模型中，从而将虚拟解剖模型注册到由所述空间传感器系统1500获得的空间信息所建立的坐标系中。
请参考图13，在本发明较佳实施方式中提供了一种由计算机系统1700执行的校准方法，用于校准所述操纵器1210的运动状态，并且定义所述操纵器1210的默认运动状态。所述校准方法可在用户指示的标的位置(步骤S130)之后或在用户开始手术之前执行，或者在用户认为需要重新校准所述操纵器1210时执行。所述校准方法包括以下步骤：
步骤S210：通过将所述稳固件1330、1350分别穿过所述刚性主体1310，并将所述稳固件1330、1350分别附接到所述基座配合件1339及所述平台配合件1359，以提示用户将所述校准装置1300连接到所述手持仪器1200；
步骤S220：判断所述校准装置1300是否正确连接到所述手持仪器1200；
步骤S230：若所述校准装置1300正确连接到所述手持仪器1200，则生成所述操纵器1210的默认运动信息。
在一较佳实施方式中，将所述操纵器1210预先调节到接近于默认运动状态，以便于在步骤S210中将所述校准装置1300连接到所述手持仪器1200。换句话说，在步骤S210之前，所述校准方法还包括步骤：
S201：调节所述操纵器1210，以使所述操纵器1210的运动状态接近默认运动状态。
在一较佳实施方式中，所述操纵器1210也可由用户手动调节。换句话说，在步骤S210之前，所述校准方法还可包括步骤：提示用户调整所述操纵器1210，使所述操纵器1210的运动状态接近默认运动状态。此外，步骤S201还可以在关闭所述手术辅助系统1000之前或者在将所述手持仪器1200放置在所述放置架1390上之前执行。
在一较佳实施方式中，在步骤S220，根据用户经由用户界面1800输入的确认信号或连接感测机制发送的确认信号的回执以确定所述校准装置1300与所述手持仪器1200之间的连接。若所述校准装置1300与所述手持仪器1200未正确连接，则所述计算机系统1700返回步骤S210，直到检测到所述校准装置1300与所述手持仪器1200正确连接。
在步骤S220中，将所述校准装置1300正确连接到所述手持仪器1200之后(即所述操纵器1210的运动状态被所述校准装置1300设为默认运动状态)，所述计算机系统1700检测所述操纵器1210的运动状态并产生默认运动信息，所述默认运动信息可包括但不限于所述平台1230的位置和方向、所述关节1245a、1245b、1246、1247的旋转角度及所述致动器1240的长度。在一较佳实施方式中，所述计算机系统1700还可以利用默认运动信息来校准所述空间传感器系统1500和/或手持仪器1200的操纵器1210，以确保所述手术辅助系统1000的位置准确性。
在生成默认运动信息之后，所述校准方法可优选地包括步骤：
S240：提示用户将所述校准装置1300与所述手持仪器1200断开连接。
在所述校准装置1300与所述手持仪器1200断开连接之后，所述计算机系统1700通过产生控制信号以调节关节1245a、1245b、1246、1247的旋转角度和/或致动器1240的长度，进而辅助步骤S170计画中的手术。因此，在手术期间可机械地控制所述操纵器1210的运动状态。
为了确保手术计划的遵循性和准确性，所述计算机系统1700还可以在手术期间通过所述空间传感器系统1500定位所述工具1250的尖部位置。
举例而言，假设所述工具1250的尖部与操纵器1210的平台1230之间的距离是已知的，在校准所述手持仪器1200之前，用户可以将所述空间标记结构1550附接在所述平台1230上，以使得所述空间传感器系统1500在校准和手术期间监控所述平台1230的位置和方向，从而使得所述计算机系统1700能够在手术期间定位到所述工具1250的尖部的位置。
类似地，还可根据来自所述手持仪器1200上的传感器的信号来定位所述工具尖部的位置。
举例而言，假设所述工具1250的尖部与所述操纵器1210的平台1230之间的距离是已知的，所述计算机系统1700可以根据由操纵器传感器(如位移传感器和/或角度传感器)在校准后所检测到的致动器的长度和/或关节的旋转角度的变化，来确定平台1230的位置和方向，从而在手术期间追踪所述工具1250的尖部的位置。
在其他较佳实施方式中，可根据所述计算机系统1700所产生的控制信号来定位所述工具1250尖部的位置，以调节所述操纵器1210的运动状态。
举例而言，假设所述工具1250的尖部与所述操纵器1210的平台1230之间的距离是已知的，所述计算机系统1700可以利用默认运动信息作为计算基础来确定所述平台1230的位置与方向，并在所述操纵器1210为默认运动状态后产生控制信号以调节致动器的长度和/或关节的旋转角度。如此一来，可在手术期间定位工具1250的尖部的位置。
本发明的各种实施方式提供了易于操作的校准装置，用于控制操纵器的运动状态并且用于限定操纵器的默认运动状态。如此一来，当用户操作仪器时使计算机系统能够追踪手术工具的尖部。上述校准装置及方法可有效地提高了计算机辅助手术的准确性和精确度。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明揭露的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明揭露进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明揭露的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明揭露技术方案的精神和范围。并且，基于本发明揭露中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都将属于本发明保护的范围。

Claims (14)

1.一种校准装置，用于一计算机辅助手术仪器，其特征在于，所述校准装置包括：
一刚性主体；
若干稳固件；及
若干配合件，所述若干配合件与所述若干稳固件一一配合，所述若干配合件设置于手持仪器的一操纵器的相对两侧上；
当所述稳固件穿过所述刚性主体并且可拆卸地连接到所述配合件时，所述校准装置连接到所述手持仪器，所述操纵器处于默认运动状态。
2.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述校准装置还包括：
一连接感测机制，用于检测所述校准装置与所述手持仪器之间的连接状态；
所述连接感测机制包括分别设置在所述校准装置和所述手持仪器上的至少一对发送器-接收器或一对标记-读取器。
3.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，当所述校准装置连接到所述手持仪器时，校准与所述仪器相连结的一空间感测器系统。
4.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述手持仪器包括若干操纵器传感器；当所述校准装置连接到所述手持仪器时，校准所述若干操纵器传感器。
5.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述操纵器包括一工具，所述操纵器处于默认运动状态时产生一默认运动信息，所述默认运动资讯作为计算基础，并根据一与所述手持仪器相连结的电脑所产生的用于改变所述操纵器的运动状态的控制信号，可算得所述工具的尖部的位置与方向，所述默认运动信息作为计算基础来确定所述工具的尖部的位置与方位，一与所述手持仪器相关联的计算机系统根据所确定的位置与方位信息生成控制信号，以控制所述操纵器的运动状态。
6.如权利要求1所述的校准装置，其特征在于，所述刚性主体为一放置架的一部分结构，所述放置架包括一对接所述仪器的至少一部份的固定结构。
7.一种校准方法，用于计算机辅助手术仪器并通过一计算机系统实现，其特征在于，所述校准方法包括：
提示用户将一校准装置连接至手持仪器；
判断所述校准装置是否与所述手持仪器正确连接；
若所述校准装置与所述手持仪器正确连接，生成所述仪器的一操纵器的默认运动信息；若所述校准装置与所述手持仪器未正确连接，继续提示用户将所述校准装置连接至所述手持仪器；
所述校准装置包括一刚性主体、若干稳固件及若干配合件，所述若干配合件与所述若干稳固件一一配合，所述若干配合件设置于所述操纵器的相对两侧上；
当所述稳固件穿过所述刚性主体并且可拆卸地连接到所述配合件时，所述校准装置连接到所述手持仪器，所述操纵器处于默认运动状态。
8.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
调节所述操纵器，以使得所述操纵器的运动状态接近所述默认运动状态。
9.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
提示用户调节所述操纵器，以使得所述操纵器的运动状态接近所述默认运动状态。
10.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，根据用户输入的确认信号的回执以确定所述校准装置与所述仪器之间的连接。
11.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，根据一连接感测机制发送的一确认信号的回执以确定所述校准装置与所述手持仪器之间的连接。
12.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述默认运动信息，校准所述仪器相连结的一空间感测器系统。
13.如权利要求7所述的校准方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述默认运动信息，校准所述仪器的若干操纵器感测器。
14.如权利要求8所述的校准方法，其特征在于，所述默认运动信息作为计算基础，并根据一与所述仪器相连结的计算机所产生的用于改变所述操纵器的运动状态的控制信号，可算得一工具之尖部的位置与方向。
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