CN110786929B - 手术辅助系统及应用该手术辅助系统获取表面信息的方法 - Google Patents

Abstract

一种手术辅助系统，包括一仪器、一空间传感器系统以及一计算机系统，所述仪器包括一工具及一与所述工具连接的操纵器，所述空间传感器系统用于检测所述工具的空间信息，所述计算机系统用于控制所述操纵器的运动状态。本发明还提供一种通过所述手术辅助系统获取表面信息的方法，包括以下步骤：在受术者的一虚拟解剖模型上定义一目标区域及多个参考点；提示用户使用仪器在所述受术者上采集与所述参考点对应的多个采样点以生成采样信息；以及指定所述采样信息作为采样点的表面信息。所述采样信息包括采样点的坐标、所述工具在所述采样点的接触的角度及与所述接触时的参数。

Description

手术辅助系统及应用该手术辅助系统获取表面信息的方法

技术领域

本发明涉及一种手术辅助系统，尤其涉及一种由所述手术辅助系统执行的提高计算机辅助手术的准度和精度的注册方法。

背景技术

一般而言，许多手术要求医生有高度的手工精度。例如，施行骨科手术要求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。计算机辅助手术代表了一种利用计算机技术在术前虚拟环境中的可视化操作使得术前诊断更加准确、手术计划更加明确的手术概念。在计算机辅助手术中，受术者注册是一项关键的术前程序，它将计算机医学成像，如计算机断层扫描(CT)或磁共振成像(MRI)，收集的虚拟三维数据库与受术者的位置相互连结。受术者注册避免了受术者在术前观察和手术时被严格要求保持在一固定位置的必要性，确保了手术的几何精度。

传统的注册方法主要包括基准点注册和表面匹配注册。所述基准点注册通过检测连接于解剖学参考标志上的多个基准点标记来定义解剖区域，从而将一个特定的解剖区域注册至计算机辅助导航系统中。表面匹配注册是利用器械或超声波探头在手术范围内的解剖表面结构上识别一组坐标，从而提供更高的空间识别精度并较基准点注册方法减少了手术侵入性。

在传统的表面匹配注册中，探针可与传感器耦合以检测探针与解剖表面之间的机械性接触。例如，沈等人揭露的美国专利No.8615286揭露了一种装置和方法用于寻找受术者的骨头表面位置，利用安装在细长探针基底的力量传感器检测探针接触物质所产生的阻力，从而区分探针接触的是骨头、软组织或是不同硬度的其他组织。

然而，在实际手术操作中，由于探针在不同组织层间的接触角度上缺乏精确控制，或者不同组织层间的不同硬度，导致传统的细长探针在与目标表面接触时容易滑动，进而显着地减低注册的准确性。现有技术无法控制探针在解剖表面的接触角度或认定探针和解剖表面之间机械性接触的有效性。

发明内容

本发明揭露的一个目的是提供一种手术仪器，用于控制和检测一注册探针在一解剖表面上的接触角度。

本发明揭露的另一个目的是提供一种手术仪器的注册方法，以使所述注册探针与所述结构表面之间机械性接触有效。

本发明揭露一实施方式还提供一种手术辅助系统。所述手术辅助系统包括一仪器、一空间传感器系统及一计算机系统。所述仪器包括一工具及一与所述工具连接的操纵器。所述空间传感器系统用于检测所述工具的空间信息。所述计算机系统电性连接所述仪器、所述空间传感器系统及一用户界面，用于根据空间传感器系统检测到的所述工具的空间信息操纵所述操纵器的运动状态。

在一较佳实施方式中，所述手术辅助系统的仪器进一步包括一力度传感器，用于检测所述工具承受的力及/或扭矩。

在一较佳实施方式中，所述力度传感器位于所述工具和所述操纵器之间、或/及位于所述工具中。

在一较佳实施方式中，与接触时的参数包括所述工具承受的力、所述工具承受的扭矩、所述操纵器中的多个致动器的输出功率、所述工具与一个采样点之间稳定接触的持续时间。

本发明揭露另一实施方式还提供一种通过手术辅助系统获取用于注册的表面信息的方法。所述方法包括以下步骤：

步骤S1，通过计算机系统在一受术者的虚拟解剖模型上定义一目标区域，并在所述目标区域中定义多个参考点；

步骤S2，通过用户界面提示用户通过使用仪器在所述受术者身上采集与所述参考点对应的多个采样点以生成采样信息，其中，每一采样信息包括采样点的坐标、通过空间传感器系统检测到的所述工具在所述采样点的接触角度、与所述接触时的参数；以及

步骤S3，通过计算机系统指定所述采样信息作为所述采样点的表面信息。

在一较佳实施方式中，通过计算机系统控制所述操纵器的运动状态，从而控制探针的尖端每次接触一个所述采样点进而对所述采样点采样。

在一较佳实施方式中，在步骤S1之前，所述方法还进一步包括以下步骤：

通过计算机系统在虚拟解剖模型上的目标区域中定义多个粗略参考点；

通过用户界面提示用户运用仪器在所述受术者身上采集与所述多个粗略参考点对应的多个粗略采样点以生成粗略空间数据；以及

通过计算机系统将所述粗略空间数据赋值到所述虚拟解剖模型中。

在一较佳实施方式中，通过计算机系统操纵所述操纵器的运动状态，从而控制探针的尖端以每次接触一个所述粗略采样点的方式对所述粗略采样点进行采样。

在一较佳实施方式中，在步骤S2之后，所述方法还进一步包括以下步骤S21～S23：

步骤S21，验证当前的采样信息；

步骤S22，检查采样状态；以及

步骤S23，筛选所述采样信息。

在一较佳实施方式中，所述步骤S21包括以下步骤S211～S213：

步骤S211，确定当前的采样信息中包含的参数是否满足至少一个采样标准；

步骤S212，当所述参数符合采样标准时，用第一标注标记当前的采样信息，当所述参数不符合采样标准时，则用第二标注标记当前的采用信息；以及

步骤S213，在当前的采样信息被标记为第一标注时，继续进行步骤S22，在当前的采样信息被标记为第二标注时，则继续进行步骤S2。

在一较佳实施方式中，所述采样标准包括所述工具承受的力等于或大于一力的阈值、所述工具承受的扭矩等于或小于一扭矩的阈值、所述操纵器中的多个致动器的输出功率等于或大于一功率的阈值、以/或及所述工具与一个采样点之间稳定接触的持续时间等于或者大于一时间的阈值中的至少一种。

在一较佳实施方式中，步骤S22包括以下步骤S221～S222：

步骤S221，确定是否所有的采样点的采样信息被标记为第一标注；以及

步骤S222，当所有的采样点的采样信息均已被采集时，继续进行步骤S23，当至少一采样点的采样信息未被采集时，则继续进行步骤S2。

在一较佳实施方式中，步骤S23具体为筛选出标记为第一标注的采样信息，去除标记为第二标注的采样信息。

在一较佳实施方式中，在步骤S3之后，所述方法进一步包括以下步骤S4～S6：

步骤S4，将所述表面信息赋值到所述虚拟解剖模型中，以将所述虚拟解剖模型注册至一坐标系统；

步骤S5，根据所述表面信息改进所述虚拟解剖模型；以及

步骤S6，根据所述表面信息及所述被改进的虚拟解剖模型更新手术计划。

依据本发明揭露的各个实施方式可知，所述手术辅助系统提供一种精确及有效的注册方法。所述方法在受术者表面定义一目标区域及分散在所述目标区域中的覆盖所述表面中多个表面特征的多个参考点，并确定所述手术仪器中的探针与所述解剖表面之间机械性接触有效，从而有效地提高计算机辅助手术的准度及精度。

附图说明

图1为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的方块图。

图2为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的示意图。

图3为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的手持的仪器的透视图。

图4为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的手持的仪器的侧视图。

图5为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的手持的仪器的一操纵器的侧视图。

图6为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的手持的仪器的另一操纵器的侧视图。

图7为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的使用状态示意图。

图8为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的空间传感器系统的使用状态示意图。

图9为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的使用方法的流程图。

图10为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的注册流程的简要示意图。

图11是为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的注册获取表面信息的步骤的流程图。

图12为通过本发明揭露一实施方式的手术辅助系统生成的目标区域及参考点的示意图。

图13为本发明揭露另一实施方式的手术辅助系统的注册过程的简要示意图。

图14是为本发明揭露另一实施方式的手术辅助系统的注册获取表面信息的步骤的示意图。

图15是为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的注册验证采样信息的流程示意图。

图16是一为本发明揭露一实施方式的手术辅助系统的注册筛选采样信息以获取表面信息的流程图。

主要元件符号说明

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

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。

基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

请参阅图1及图2，根据本揭露一实施方式，用于手术前及手术的手术辅助系统1000包括电子模块、处理器的可执行命令、及手术硬件。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、一个用户界面1800以及一个与所述仪器系统1100、所述空间传感器系统1500及所述用户界面1800电性连接的计算机系统1700。在本实施方式中，所述手术辅助系统1000允许用户(例如医生)能够依照所述用户界面1800，通过所述仪器系统1100对一受术者(如病人)进行手术。至少一医疗成像仪1910与所述手术辅助系统1000通信连接，用于获取所述受术者的医学图像并将所述医学图像传送至所述手术辅助系统1000。所述空间传感器系统1500用于生成所述受术者及环境的空间信息。所述计算机系统1700用于根据所述医学图像生成一虚拟解剖模型，并根据所述虚拟解剖模型生成一手术计划，从而根据接收到的来自所述空间传感器系统1500的空间信息定位手术环境，进而控制操纵器1210的作动或改变所述操纵器1210运动状态。所述用户界面1800将所述虚拟解剖模型可视化，并允许用户能够根据手术计划探索手术区域。

如图2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的仪器1200。在本实施方式中，所述仪器系统1100进一步包括一与所述仪器1200连接的支撑臂1450，用于减小用户手的承重量，可以在手术时提高操作的稳定性。

请参照图3及图4，根据本揭露一实施方式，所述仪器1200包括一工具1250、一工具安装底座1260、一操纵器1210及一仪器外壳1280。所述工具1250用于接触或改变受术者身体部分上的解剖表面。所述工具安装底座1260用于连接所述工具1250的端部和所述操纵器1210，从而将所述工具1250稳固地连接于所述操纵器1210。所述操纵器1210由所述计算机系统1700控制，并用来操控所述工具1250的位置和方向。

所述仪器外壳1280与所述操纵器1210连接，用以容纳至少一部份的所述操纵器1210，并提供一个或多个手柄1284以让用户能够操作所述手术辅助系统1000时握持并操控所述仪器1200。

在本实施方式中，所述工具1250可以是用于接触受术者的解剖部份的探针或指示器，并可用于探测解剖部位的结构或状态。此外，所述工具1250还可以是通过钻头、圆头锉、刮匙、锯、螺丝刀或者其他外科手术常用的工具，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份组织。在一些实施方式中，所述工具1250是一种用于进行表面匹配注册的机械的、光学的或者超声的探头，并且可以是但不仅限于刚性探头、压力传感器、压电传感器、弹性传感器、光学镜头、激光扫描仪或者超声波扫描仪。

在本实施方式中，所述工具安装底座1260连接所述工具1250与所述操纵器1210的机器控制平台1230的第一端。所述工具安装底座1260包括一工具适配件1265及一与所述工具适配件1265连接的马达1270。所述工具适配件1265可以是一夹具或者其他紧固结构，用于牢牢地固定所述工具1250的一端，以避免在操作过程中所述工具1250发生位移。所述马达1270可以是一直流马达或者一交流马达，用于将电能转换成机械能产生直线力或旋转力以驱动所述工具1250运动。在另一实施方式中，所述马达1270可位于所述仪器1200的后端，以减少在所述仪器1200使用过程中对述操纵器1210的负载，并重新分配所述仪器1200的重量，如此可以改善用户的人体工学。

此外，如图5及图6所述，所述工具安装底座1260可进一步包括一与所述平台1230的第一端连接的力度传感器1235，用于在手术时检测所述工具1250承受的力及/或扭矩。在其他实施方式中，所述力度传感器1235可位于所述仪器的探针或者工具中；或者，所述仪器1200可进一步包括另一位于所述探头或者工具中的力度传感器(图未示)。所述力度传感器可以为但不仅限于应变仪、力敏电阻器、压力感测器、压电传感器、电活性聚合物或者光纤弯曲传感器。

在本实施方式中，所述操纵器1210包括一基座1220、所述平台1230、多个关节1245a、1245b，以及多个致动器1240。所述平台1230连接所述工具安装底座1260，所述关节1245a、1245b安装于所述平台1230的第二端，且背离所述工具1250，及安装于所述基座1220的第一端，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连接所述基座1220第二端，且远离所述平台1230。如图4所示，所述基座1220可固定在所述仪器外壳1280上或者容置于所述仪器外壳1280中。所述操纵器1210可为一平行的操作臂，例如具有六个自由度(DOFs)的Stewart型操作臂，以获得更高的空间效率和可操纵性。此外，所述操纵器有不锈钢或者碳纤维制成，并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在接触受术者时所产生的力或者扭矩。

在本实施方式中，所述操纵器1210的关节可选自但不仅限于旋转关节、移动关节、球形关节、万向关节及圆柱关节等能够实现所需自由度的关节中至少一种。如图5及图6所示，具有六个自由度的Stewart平台的所述操纵器1210可包括万向关节1246及球形关节1247，以使得所述操纵器1210具有宽的运动范围及各种运动状态。所述操纵器1210可进一步包括多个连接器，每一连接器连接一关节1245a、1245b，从而拓宽所述工具1250的运动范围。

在本实施方式中，所述操纵器1210的致动器1240连接至所述基座1220与所述关节相对的一侧，根据所述计算机系统1700传输的控制信号驱动所述关节及可能存在的连接器进行运动。在另一实施方式中，所述致动器1240及所述关节可位于所述基座1220的同一侧。所述图6所示，每一致动器1240通过一万向关节1246及一球形关节1247连接所述基座1220及平台1230之间。所述致动器1240可为线性致动器，用于获得更高的精确度及更强的承受度。

再次参考图3及图4，在本实施方式中，所述仪器外壳1280除了容置所述操纵器1210及提供手柄外，还可进一步包括一控制模块1282以使得用户能够触发、停止或调整所述工具1250的动作或者执行所述仪器1200的其他功能。

在本实施方式中，所述仪器1200还可与一校准装置(图未示)一起使用，所述校准装置用于校准所述操纵器1210相对于所述仪器外壳1280的运动状态，以确保所述仪器1200的几何精度。

在本实施方式中，所述仪器1200可包括至少一惯性感测器(图未示)，用于检测所述仪器1200的加速度、速度、位移、角速度及/或角加速度。

请参阅图7，所述仪器1200还可与一套筒1400一起使用，特别是微创手术中，所述套筒1400为所述仪器1200的工具1250提供一到目标解剖部位的实值入口。在另一实施方式中，所述套筒1400可拆卸地连接于所述操纵器1210的平台1230，以实现所述套筒1400及所述工具1250同时进入解剖部位。

请参阅图8，本揭露一实施方式，所述手术辅助系统1000的空间传感器系统1500用于探测以实现定位至少一目标物体的空间信息(例如位置和方向)，其包括至少一空间标记结构1550及一具有至少一摄像头(图未示)的空间传感器1510。所述空间标记结构1550可分离地连接所述目标物体，所述空间传感器1510用于接收由所述空间标记结构1550传输的信号。

如图7及图8所示，所述目标物体可以为仪器1200、套筒1400或者目标解剖部分。在本实施方式中，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、热量或者其他可感知的信号。所述适配器1560可拆卸地附接到目标物件，以用于保持所述标记1555与所述目标物件的相对位置，使得目标物件可被所述空间传感器1510定位。在其他实施方式中，所述空间传感器系统1500还可进一步包括一位于空间传感器1510上或者一预设位置的信号发生器(图未示)。因此，所述标记1555的信号传输可以是主动的，也可以是被动的。也就是说，所述标记1555发出的信号可能是由所述标记1555产生的，或者所述标记1555也可能被反射材料覆盖，使得信号发生器产生的信号被所述标记1555反射至所述空间传感器1510。

在本实施方式中，所述空间传感器1510接收到的信号被传输至所述计算机系统1700，并且通过三角测量法或者其他转换算法转换为被侦测的空间中的一座标系及目标物件的空间信息。进一步地，所述标记1555以特定的形式设置于所述连接体1560上，如图8所示，从而使得计算机系统1700能够相应地生成所述目标物体的方向信息。所述计算机系统1700可以根据所述空间信息及所述方向信息生成控制信号，用于控制所述仪器1200的操纵器1210作动或者改变运动状态，或者生成可在用户界面1800上显示指令，用于提示用户移动所述仪器1200到指定位置或者指定方向。

根据本发明一实施方式，所述手术辅助系统1000的计算机系统1700包括一处理器(图未示)及一存储器(图未示)。所述处理器可以是通用微处理器、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，所述处理器为ARM处理器或者8086x处理器。在一些实施方式中，所述处理器进一步包括多个数字或类比输入/输出，可为实时操作系统(real-time operation system，RTOS)处理器。所述存储器可存储处理器赋值的数字资料，以便在所述计算机系统1700中立即使用。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)、电子抹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)。

根据一实施方式，所述用户界面1800包括至少一输入装置(图未示)及至少一向用户显示信息的输出装置(图未示)。通过所述用户界面1800显示的信息可包括但不仅限于手术计划、二维(two-dimensional，2D)或(three-dimensional，3D)重建图像、2D或3D钻孔情形(例如所述工具位置、角度、深度或弯曲程度)、工具的可补偿范围、用户指南、警示区、工具偏离手术计划的通知及所述工具的可受力上限的通知。所述输出装置可为一显示器、一灯光指示器或其他可视手段；或者，所述输出装置也可为或进一步包括一语音合成器或其他音频手段。所述输入装置能够将用户输入的指令转换为电信号，其可为踏板、键盘、鼠标、触摸屏、语音识别界面或者手势识别界面。

请参阅图9，根据本发明一实施方式，一种通过所述手术辅助系统1000执行的计算机辅助手术的方法，包括以下步骤：

步骤S110，接收来自医疗成像仪1910的多个医学图像；

步骤S120，根据所述医学图像生成一个三维虚拟解剖模型；

步骤S130，提示用户在所述虚拟解剖模型上标示标的位置；

步骤S141，根据所述虚拟解剖模型、标示的位置、以及从所述医学图像中获取的生理及/病理信息生成一手术计划；

步骤S160，根据手术计划提示用户开始手术；

步骤S170，在手术过程中辅助用户完成手术。

在步骤S110中，所述医疗成像仪1910可为计算机断层扫描仪(CT扫描仪)、磁共振成像扫描仪(MRI扫描仪)或者其他常用的能够获取被扫描对象的连续横截面图像的医疗成像设备。优选的，如图10所示，当拍摄医学图像时，将一标记贴片1600附着在受术者目标手术部位附近，以便定位手术环境。具体的，所述标记贴片1600可包括可被所述空间传感器系统1500的空间传感器1510检测到的至少一个标记1555，以及多个能在所述医学成像仪1910拍摄的医学图像上形成记号的基准标记1610。所述基准标记1610可由铅、铁、钙或者其他不透射线的材料制成。因此，如图10所示，在拍摄医学图像时，所述标记贴片1600附着到目标物件的情况下，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(图未示)。

在其他实施方式中，所述标记贴片1600上的标记1555与所述基准标记1610可同心设置，以避免由受术者表面轮廓的变化而引起信号不一致的情形。或者，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，从而确保获取的信号之间具有更高的一致性。

请参阅图9，在步骤S130中，通过用户界面1800提示用户在所述虚拟解剖模型2110上指定一个或多个目标位置。所述目标位置可包括一目标手术部位或者一特定的解剖学参考标志或/表面特征。用户还可以在所述虚拟解剖模型2110上标记或定义特定的参考标志或表面特征。在步骤S141中，所述方法生成的所述手术计划可包括操作细节，如工具1250的进入位置及角度、计划钻孔的深度及路径、建议的工具类型及建议的螺钉类型等。

在步骤S160中，在生成所述手术计划后，所述计算机系统1700提示用户根据所述手术计划开始手术。用户可以在手术开始前调整或修改所述手术计划。在步骤S170中，所述手术辅助系统1000在所述计划的手术过程中根据所述空间传感器系统1500检测到的所述工具1250的空间信息以调整所述操纵器1210的运动状态，并通过用户界面1800通知用户，以在计画的手术期间协助用户进行手术。此外，在一些实施方式中，还可以在手术过程中拍摄医学图像，以监控所述钻孔路径的位置、角度和深度，从而确保遵循所述手术计划，并用于判断重新定义新手术计划或者重新校准所述仪器的必要性。

在步骤S130中用户在所述虚拟解剖模型上选择目标位置后，本实施方式的所述方法还可进一步包括以下步骤：

步骤S151，获取目标物件的解剖部位上的多个采样点的表面信息；以及

步骤S152，将采集到的表面信息赋值到所述虚拟解剖模型中，从而将虚拟解剖模型注册入由所述空间传感器系统1500获取的空间信息建立的坐标系统中。

更具体的，如图11所示，根据一实施方式，获取采样点的表面信息的步骤S151包括以下步骤：

步骤S251，生成一采样样式；

步骤S252，提示用户生成所述采样点的采样信息；以及

步骤S2521，指定所述采样信息成为所述采样点的表面信息。

在本实施方式中，所述生成一采样方式的步骤S251包括步骤S2510，在所述虚拟解剖模型上定义一目标区域及多个参考点。如图12所示，在用户通过所述用户界面1800在所述虚拟解剖模型2110上指定感兴趣的位置之后，所述计算机系统1700可在定义一目标区域2120，并在所述目标区域2120中定义多个参考点2130。优选的，所述目标区域2120是一具有特色的或代表性的表面特征(如脊柱小平面或棘突)的区域，或者是一套筒可触及的区域。在其他实施方式中，所述参考点2130分布在所述目标区域2120中以覆盖所述目标区域2120的多个表面特征。优选的，所述参考点2130的数量可大于或等于50。所述参考点2130可以矩形、同心圆、螺旋形或其他最好能覆盖大量的表面特征的样式进行排列。在一些实施方式中，所述参考点2130的目标精度(意即相邻两参考点2130间的距离)可设置为所述空间传感器1510分辨率的3～4倍，例如，当所述空间传感器1510的分辨率为0.25mm时，相邻两参考点2130的距离可为1mm。优选的，所述目标精度设置为大约0.3mm。此外，所述参考点2130可以根据局部的生理特征，如由所述医学图像计算得到的骨密度，进行优化，并定义一采样路线。用户也可以通过所述用户界面1800手动地定义或调整所述目标区域2120及所述参考点2130的数量与位置。

优选的，在步骤S2510之前进行一个粗略匹配流程，有助于后续步骤中获取表面信息。根据本发明揭露一实施方式，所述生成一采样方式的步骤S251进一步包括以下步骤：

步骤S2511，在所述虚拟解剖模型的目标区域中定义多个粗略参考点；

步骤S2512，提示用户通过在所述受术者上采集与所述多个粗略参考点相对应的多个粗略采样点以生成粗略空间数据；以及

步骤S2513，将所述粗略空间数据赋值到所述虚拟解剖模型中。

在本实施方式中的步骤S2511中，举例而言，所述粗略参考点可以通过所述计算机系统1700根据一种成像处理算法来定义。另外，所述粗略参考点还可以由用户通过所述用户界面1800手动定义。如图10所示，所述粗略参考点2215a-f优选位于与所述基准标记1610相对应的不透射线的点附近。所述粗略参考点的数量可根据需要设置，优选的，所述粗略参考点的数量为1～10个，更优选的，所述粗略参考点的数量为4～6个。在定义所述粗略参考点后，提示用户使用所述仪器1200上安装的探针，在附着于所述受术者的标记贴片1600上或周围采集多个与所述粗略参考点2215a-f相对应的粗略采样点。通过所述计算机系统1700操纵所述操纵器1210的运动状态使得所述探针的尖端接触所述粗略采样点，进而一次采样一个所述粗略采样点，或者通过所述计算机系统1700操纵所述操纵器1210的运动状态，使得所述探针的尖端接触所述粗略采样点并能够沿一预定的粗略采样路线滑动，进而连续地对所述粗略采样点进行采样，其中，所述粗略采样路线由所述粗略采样点构成。在本实施方式中，一空间标记结构1550附加于所述仪器1200上，使得在采样过程中能够通过所述空间传感器系统1500追踪所述探针的坐标，从而获取与所述粗略参考点2215a-f相对应的粗略空间数据2255。然后，在步骤S2512中所述粗略空间数据被赋值到所述虚拟解剖模型中，从而初步地将所述虚拟解剖模型匹配到所述计算机系统1700记录的坐标系统中。

或者，所述粗略匹配过程可由所述手术辅助系统1000自动执行。例如，在本揭露一实施方式中，可由所述空间传感器1510读取的并且不透射线的基准标记1610被放置于受术者上的标记贴片1600上，所述生成一采样方式的步骤S251进一步包括一步骤：将所述受术者上的基准标记1610的粗略空间数据赋值于所述虚拟解剖模型2110中。

请参阅图13及图11，在步骤S251中生成采样方式的之后，如步骤S252所述，提示用户通过安装于所述仪器1200上的配置探针对所述受术者上与所述参考点2130项对应的多个采样点2140进行采样以生成采样资讯2310。通过所述计算机系统1700操纵所述操纵器1210的运动状态使得所述探针的尖端接触所述粗略采样点，进而一次采集一个所述粗略采样点，或者通过所述计算机系统1700操纵所述操纵器1210的运动状态，使得所述探针的尖端接触所述粗略采样点并能够沿一预定的粗略采样点路线滑动，进而连续地对所述粗略采样点进行采样，其中，所述粗略采样路线由所述粗略采样点构成。在本实施方式中，所述采样信息可包括所述空间传感器1510检测的采样点的坐标与所述探针在所述采样点的接触角度α，以及与所述接触时的参数，例如所述探针承受的力、所述工具承受的扭矩、所述致动器的输出功率及稳定接触的持续时间。

在本实施方式中，所述探针承受的力包括可被所述仪器1200上的力度传感器1235检测到的正向力(即，与所述探针方向平行的力)及侧向力(即，与所述探针方向垂直的力)。所述接触角度α可定义为所述探针相较于水平面的角度。所述稳定接触的持续时间可定义所述空间支架1550在所述仪器1200的平台1230上的位置保持不变的持续时间，或者被所述仪器1200的惯量测量单元检测到的加速度、速度、位移、角速度及/或角加速度保持为零的持续时间。此外，在表面采样过程中，一套筒1400可用于引导所述探针。

在步骤S2521中对所述受术者身上与所述参考点2130相对应的所有采样点2140采样后，如步骤S2521中所述，所述计算机系统1700将所述采样信息指定为或定义为所述采样点的表面信息。请再次参阅图9，在步骤S151中获取所述表面信息之后，在步骤S152中将所述表面信息赋值于所述虚拟解剖模型中，从而将所述虚拟解剖模型注册入所述空间传感器系统1500建立的坐标系统中。在本实施方式中，通过一种算法在所述虚拟解剖模型中识别出一最匹配所述获取到的表面信息的表面区域。所述算法可为迭代最近点算法(ICP)、一致性点漂移算法(CPD)或者其他使两个点资料组间的差异最小化并匹配两组数据的算法。

在一优选的实施例中，在步骤S252中用户采集了预定数量的采样点2140后，在用户继续采集后续的采样点时，所述计算机系统1700可将采集到的采样点2140赋值到所述虚拟解剖模型中。所述赋值结果将显示于所述用户界面1800上，此时用户能够判断采样点是否已经足以将所述虚拟解剖模型注册入所述坐标系统中，并相应地停止对剩余的采样点进行采样。

在本揭露的一些实施方式中，所述获取到的表面信息可用于改进或提高根据步骤S110中的医学图像生成的所述虚拟解剖模型的解析率，例如，更新所述虚拟解剖模型中已知的表面特征或者将新的表面特征添加入所述虚拟解剖模型。所述表面信息还可以被用户应用于更新步骤S141中生成的手术计划。另外，所述表面信息及所述改进的虚拟解剖模型可一起被用于更新所述手术计划，以确保所述手术计划更精准。

请参阅图14，根据本揭露的另一实施方式，所述获取所述采样点的表面信息的步骤S151包括以下步骤：

步骤S251，生成采样方式；

步骤S252，提示用户生成所述采样点的采样信息；

步骤S253，验证当前的采样信息；

步骤S254，检查采样状态；

步骤S255，筛选所述采样信息；以及

步骤S2521，指定所述采样信息为所述采样点的表面信息。

具体地，如图15所示，在步骤S252中生成所述采样信息之后，如步骤S253所述，所述计算机系统1700根据至少一预定义的采样标准检验所述参数来验证所述采样信息。所述预定义的采样标准可包括但不仅限于，所述探针承受的正向力大于或等于一正向力的阈值、所述探针承受的侧向力小于或等于一侧向力的阈值、所述工具承受的扭矩等于或小于一扭矩的阈值、所述致动器的输出功率大于或等于一功率的阈值、以及所述探针与接触面间稳定接触的持续时间大于或等于一时间的阈值。在一些实施方式中，所述正向力的阈值可为5牛顿，所述侧向力的阈值可为0.5牛顿，或者所述扭矩的阈值可为0.05毫牛顿·米。所述功率的阈值可为0.3安培，所述时间的阈值可为1秒。

请参阅图15，根据本揭露一实施方式，所述验证当前的采样信息的步骤S253具体包括以下步骤：

步骤S2531，确定所述当前的采样信息中包含的与接触时的参数是否满足至少一个采样标准；

当所述参数符合采样标准时，则进行步骤S2532将当前采样信息标记为第一标注；或者当所述参数不符合采样标准时，则进行步骤S2533将当前采样信息标记为第二标注；以及

在当前采样信息被标记为第二标注时，则再次进行步骤S252生成采样信息；在当前采样信息被标记为第一标注时，则进行步骤S254检查采样状态。

如图15所述的实施方式中，在步骤S252通过用户从一角度接触与所述虚拟解剖模型2110的参考点2130相对应的受术者身上的采样点2140以生成一采样信息之后，所述计算机系统1700在步骤S2531中确定所述采样信息中包含的参数是否符合至少一采样标准。如果所述参数不符合所述采样标准，所述计算机系统1700将表示所述采样信息无效(参步骤S2532)，并通过所述用户界面1800提示用户从另一角度再次接触同一采样点2140(参步骤S252)。在一些实施方式中，当对一采样点在一预设的采样次数内连续地采样失败时(例如，参数不符合所述采样标准)，所述计算机系统1700可跳过所述采样点，并提示用户接触下一采样点。

或者，当所述参数符合所述采样标准时，所述计算机系统1700将所述采样信息标记为第一标注(例如：“有效的”或“正确的”，参步骤S2533)，并继续检查当前采样状态(参步骤S254)。如果与步骤S2511中定义的参考点2130对应的所有采样点的采样信息未全部被采集，所述计算机系统1200将通过用户界面1800提示用户根据一预设的采样路线接触受术者身上的下一采样点。所述计算机系统1700重复验证过程直到所有的采样点都被正确采样。在所有的采样信息均被采集后，所述计算机系统1700继续进行步骤S255，并通过从所述有效的采样信息中筛选出无效的采样信息的方式来筛选所获取的采样信息。而后，如图16所示，步骤S2521中指定所述筛选后的采样信息为表面信息，从而获得一所述采样点的表面信息列表。

在一优选的实施方式中，步骤S254可进一步根据与被采集的采样点相关的关键表面特征确定是否提示用户采集在预设采样路线上的下一采样点。所述关键表面特征可包括但不仅限于：根据在采样过程中探测到的方向和所述探针承受的力的强度确定的所述表面的峰和谷。如果计算机系统1700确定不按原计划进行，所述计算机系统1700可通过，例如根据最后的采样信息中的参数确定一可能包括一个或多个关键表面特征的方向，并定义所述方向上的一采样点作为下一采样点，进而接续识别此一新的采样点。或者所述计算机系统1700可重新定义所述参考点或采样路线，并根据所述新定义的采样路线接续采样。

总之，根据本发明各实施方式，所述手术辅助系统提供一种精确有效的注册方法。所述方法在受术者表面定义一目标区域及分散在所述目标区域中的覆盖所述表面的多个表面特征的多个参考点，并确定所述手术仪器中的探针与所述解剖表面之间的机械性接触有效，从而有效地提高计算机辅助手术的准度及精度。

可以理解的是，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形，而所有这些改变与变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种手术辅助系统，其包括一仪器、一空间传感器系统以及一计算机系统，

所述仪器包括一配置为接触或改变受术者身体部分上的解剖表面的工具，一与所述工具连接的并具有多个致动器的平行操纵器，一力度传感器，用于检测所述工具所承受的力和扭矩中的至少一者，一惯性感测器，用于检测所述仪器的加速度、速度、位移、角速度和/或角加速度，一平台以及安装在该平台上的多个关节，其中所述力度传感器连接在所述工具与所述平行操纵器之间；

所述空间传感器系统用于检测所述工具的空间信息；

所述计算机系统连接所述仪器、所述空间传感器系统以及一用户界面，用于根据所述空间传感器系统检测到的所述工具的空间信息操纵所述平行操纵器的运动状态，其中，所述计算机系统包括一非暂态的计算机可读媒介以存储用于获取表面信息的程序，所述程序由所述计算机系统的至少一处理器执行，所述程序包括当所述处理器执行所述程序时引发所述手术辅助系统执行动作的指令，所述指令包括：

通过所述计算机系统将所述受术者上的多个基准标记的粗略的空间数据赋值到一虚拟解剖模型中，其中，所述基准标记能被所述空间传感器系统读取，并且对一与所述手术辅助系统相关的医学成像仪具不透射线性质；

通过所述计算机系统在所述受术者的所述虚拟解剖模型上定义一目标区域，并在所述目标区域中定义多个参考点，其中所述参考点分布在多个关键表面特征被所述参考点覆盖的所述目标区域中；

通过所述用户界面提示用户使用所述仪器在所述受术者身上采集与所述参考点对应的多个采样点以生成采样信息；其中通过操纵该平行操纵器的运动状态来对该些采样点进行采样，以便控制一探针的尖端接触该些采样点或沿着由该些采样点形成的预定采样路线连续地滑动；其中，第一个所述采样信息包括所述多个采样点中的第一采样点的坐标、由所述空间传感器系统检测到的所述工具在所述第一采样点处的接触的第一角度、以及与所述工具与所述第一采样点之间的接触相关联的第一参数；

确定所述第一参数中的至少一个参数是否不满足采样标准，该采样标准要求正向力之间的特定关系，由力传感器检测的横向力或扭矩，平行操纵器的多个致动器的输出功率，或由惯性感测器或空间传感器系统检测到的稳定接触的持续时间和阈值；其中：

如果所述第一参数中的至少一个不满足所述采样标准，则提示从与所述第一角度不同的第二角度接触所述第一采样点；由所述计算机系统将所述采样信息指定为满足所述采样标准的所述采样点的表面信息；并且

根据与采样到的采样点相关联的关键表面特征，确定是否提示用户对预定义采样路线上的下一个采样点进行采样，其中，所述关键表面特征包括根据在采样期间由所述工具承受的力的方向和强度中的至少一个确定的所述表面上的峰和谷；其中：

如果所述计算机系统确定不按原计划进行，则通过以下操作识别所述下一个采样点：

判定潜在地包括所述关键表面特征中的一个或多个关键表面特征的方向，所述关键表面特征是根据检测到的方向和在采样期间由所述工具承受的力的强度中的至少一个而确定的所述表面上的峰和谷，根据最后一个采样信息中的参数，将该方向上的采样点定义为下一个采样点；或

重新定义参考点或采样路线，根据新定义的采样路线开始采样；

其中，每个采样信息包括一个采样点的坐标，由该空间传感器系统检测到的该工具在这些采样点中的该一个采样点处的接触角，以及与所述工具和所述采样点中由所述力传感器检测到的一个采样点之间的接触相关的参数；并且

由所述计算机系统将所述采样信息指定为所述采样点的表面信息，并且将所述表面信息指定为所述采样点的表面信息，并且将所述表面信息分配到所述虚拟解剖模型中，从而将所述虚拟解剖模型注册到由所述空间传感器系统建立的坐标系中。

2.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，所述仪器包括至少一手柄以使得用户能够抓住并操控所述仪器。

3.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，所述手术辅助系统还包括

所述医学成像仪，与所述手术辅助系统通信，被配置为获取对象的医学图像；以及

一标记贴片，并且该标记贴片包括多个基准标记，这些基准标记是由该空间传感器系统可读的并且对于该医学成像仪是不透射线的。

4.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，所述工具包括所述探针，通过该探针的尖端每次一个地对采样点进行采样，并且通过所述平行操纵器的运动状态来控制该探针的尖端。

5.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，在所述采样标准中指定的正向力由平行于所述工具方向的所述工具承受并且要求等于或大于正向力阈值。

6.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，在所述采样标准中指定的侧向力由垂直于所述工具方向的所述工具承受并且要求等于或小于侧向力阈值。

7.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，在所述采样标准中指定的扭矩由所述工具承受并且需要等于或小于扭矩阈值。

8.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，在所述采样标准中指定的输出功率等于或高于功率阈值。

9.如权利要求1所述的手术辅助系统，其特征在于，所述采样标准中指定的所述工具与一个采样点之间稳定接触的持续时间大于或等于一时间的阈值。

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