CN110811833A - 截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统 - Google Patents

截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统中，首先利用平面校验工具获取当前截骨平面的计算位置信息，进而基于规划截骨平面的预定位置信息，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位信息传输给机械臂，以控制机械臂进行重新进行定位。如此，通过对首次截骨形成的当前截骨平面与规划的预定截骨平面的位置误差的对比和识别，使机械臂再次进行定位，进而二次修正截骨平面，可提高最终的截骨平面的精度。此外，通过机械臂进行再定位，并二次修正截骨平面，可避免使用额外的骨钉将导向工具重复固定在骨头上，减少创伤面，并缩减手术时间。

Description

截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统
技术领域
本发明涉及机器人辅助手术系统和方法领域，特别涉及一种截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统。
背景技术
人工关节置换手术中，需要使用各种定位器、导向器等，用于人工关节安装之前的截骨，以确保截骨操作的精度。现有已提出了不同的方法来帮助外科医生实现在全膝关节置换(TKA)手术过程中截骨导向工具的定位。一般的，现有的机器人辅助手术系统中，在机械臂末端设置截骨工具，通过机械臂控制截骨工具运动，实现膝关节置换手术过程中截骨工具的定位，但是其定位精度由机械臂本身的绝对定位精度确定，无法对截骨过程中截骨面进行跟踪校验，影响手术精度。此外，在截骨过程中，由于锯片因受力发生垂直锯片方向的摆动，容易导致规划截骨位置和实际截骨位置之间产生误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统，以解决现有的截骨手术精度低的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种截骨校验方法，其包括：
根据放置于当前截骨平面上的平面校验工具的探测平面，计算得到所述探测平面的位置信息，并将所述探测平面的位置信息作为所述当前截骨平面的计算位置信息；
基于规划截骨平面的预定位置信息，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位信息传输给机械臂，以控制机械臂进行重新进行定位。
可选的，在所述截骨校验方法中，所述计算位置信息包括计算法向量和计算位置，所述位置误差包括：
基于规划截骨平面的预定法向量和预定位置，计算得到的所述计算法向量与所述预定法向量的法向量旋转矩阵；以及计算得到的所述计算位置与所述预定位置的位置偏差。
可选的，在所述截骨校验方法中，若所述法向量旋转矩阵和所述位置偏差中的至少一个超过预设值，则根据所述法向量旋转矩阵和所述位置偏差控制机械臂，以重新进行定位。
可选的，在所述截骨校验方法中，所述探测平面设有靶标，所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤包括：
基于所述探测平面在所述平面校验工具的靶标坐标系下的法向量
Figure BDA0002283600460000021
及位置PP(xP,yP,zP)，通过所述靶标坐标系与下肢DICOM数据坐标系之间的转换矩阵MP→V，得到所述探测平面在所述下肢DICOM数据坐标系下的计算法向量
Figure BDA0002283600460000022
和计算位置PV(xV,yV,zV)。
可选的，在所述截骨校验方法中，所述平面校验工具包括两个以上的探测平面，用以校验两个以上的当前截骨平面，其中至少一个所述探测平面设置有所述靶标，设置有所述靶标的所述探测平面为第一探测平面，与所述第一探测平面相邻接的其它探测平面为第二探测平面；所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤包括：
计算得到所述第一探测平面的位置信息；
获取所述第二探测平面及与其相邻的所述第一探测平面之间的夹角；
依据所述夹角，计算得到所述第二探测平面的位置信息。
可选的，在所述截骨校验方法中，所述第二探测平面与相邻的所述第一探测平面之靶标之间的距离可调节，所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤还包括：
获取所述第二探测平面相对于所述靶标的位移；
依据所述夹角及所述位移，计算得到所述第二探测平面的位置信息。
可选的，在所述截骨校验方法中，所述平面校验工具包括第三探测平面，所述第三探测平面的第一侧与所述第一探测平面之间至少间隔有一个所述第二探测平面；所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤包括：
获取与所述第三探测平面之第一侧相邻接的探测平面的位置信息；
获取所述第三探测平面及与所述第三探测平面之第一侧相邻接的探测平面之间的夹角；
获取所述第三探测平面相对于位于所述第一侧且与所述第三探测平面间隔相邻的探测平面的位移；
依据所述夹角和所述位移，计算得到所述第三探测平面的位置信息。
可选的，在所述截骨校验方法中，所述探测平面设有靶标，所述截骨校验方法包括对所述探测平面与所述靶标的相对位置进行校验。
可选的，在所述截骨校验方法中，根据利用尖头靶标对第一探测平面上的多个标记点进行的校验，得到多个标记点在靶标的反光球坐标系下的坐标，计算第一探测平面实际的位置和法向量，进而与原始数据对比，以检测平面校验工具是否发生形变。
为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种平面校验工具，其包括至少一个探测平面及至少一个靶标，所述靶标设置于至少一个所述探测平面上，并且所述靶标与所述探测平面之间的相对位置关系固定；所述探测平面用于放置于一当前截骨平面上，所述靶标用于定位。
可选的，在所述平面校验工具中，所述平面校验工具包括两个以上的所述探测平面，每个所述探测平面分别设置有一个所述靶标，所有所述探测平面之间可转动地依次连接，若所述探测平面的数量超过两个，则至少位于中间的所述探测平面的长度可调节。
可选的，在所述平面校验工具中，所述平面校验工具包括两个以上可转动地依次连接的所述探测平面；其中，至少一个所述探测平面设置有所述靶标，设置有所述靶标的所述探测平面为第一探测平面，与所述第一探测平面相邻接的其它探测平面为第二探测平面，所述第一探测平面之靶标与相邻的所述第二探测平面之间的距离固定，且该两个探测平面之间设置有角度传感器，所述角度传感器用以感测所述第一探测平面与所述第二探测平面的夹角。
可选的，在所述平面校验工具中，所述平面校验工具包括三个以上可转动地依次连接的所述探测平面，至少位于中间的所述探测平面的长度可调节。
可选的，在所述平面校验工具中，所述第一探测平面之靶标与相邻的所述第二探测平面之间的距离可调节，且所述第一探测平面设置有位移传感器，所述位移传感器用以感测所述第二探测平面相对于所述靶标的位移。
可选的，在所述平面校验工具中，所述平面校验工具包括至少一个第三探测平面，所述第三探测平面具有相对的第一侧和第二侧，所述第三探测平面的第一侧与所述第一探测平面之间至少间隔有一个所述第二探测平面，所述第三探测平面及与所述第三探测平面之第一侧相邻接的探测平面之间设置有角度传感器；位于所述第三探测平面之第一侧且与所述第三探测平面相邻的探测平面上设置有位移传感器，所述位移传感器用于感测所述第三探测平面相对于位于所述第一侧且与所述第三探测平面间隔相邻的探测平面的位移。
为解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，还提供了一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的截骨校验方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的第四个方面，还提供了一种骨科手术系统，其包括：控制装置、导航装置、机械臂以及如上所述的平面校验工具；
所述导航装置与所述平面校验工具的靶标相适配，用以获取所述靶标的位置信息，并将所述位置信息反馈至所述控制装置；
所述控制装置用于根据所述平面校验工具的靶标的位置信息来获取当前截骨平面的计算位置信息，并确定所述计算位置信息与规划截骨平面的预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则所述控制装置驱动所述机械臂重新进行定位。
综上所述，在本发明提供的截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统中，首先利用平面校验工具获取当前截骨平面的计算位置信息，进而基于规划截骨平面的预定位置信息，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位信息传输给机械臂，以控制机械臂进行重新进行定位。如此配置，通过对首次截骨形成的当前截骨平面与规划的预定截骨平面的位置误差的对比和识别，使机械臂再次进行定位，进而二次修正截骨平面，可提高最终的截骨平面的精度。此外，通过机械臂进行再定位，并二次修正截骨平面，可避免使用额外的骨钉将导向工具重复固定在骨头上，减少病人的创伤面，并缩减手术时间。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明实施例一提供的运用骨科手术系统进行膝关节置换的示意图；
图2是本发明实施例一提供的截骨校验方法的流程图；
图3是本发明实施例一之第一个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图4是本发明实施例一之第一个优选示例提供的平面校验工具的使用示意图；
图5是本发明实施例一之第二个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图6是本发明实施例一之第三个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图7是本发明实施例一之第三个优选示例提供的平面校验工具的使用示意图；
图8是本发明实施例一之第四个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图9是本发明实施例一之第五个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图10是本发明实施例一之第六个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图11是本发明实施例一之第七个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图12是本发明实施例一之第八个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图13是本发明实施例二之第一个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图14是本发明实施例二之第二个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图15是本发明实施例二之第三个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图16是图15所示的平面校验工具的侧视图；
图17是本发明实施例二之第四个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图18是本发明实施例二之第五个优选示例提供的平面校验工具的示意图；
图19是本发明实施例二之第六个优选示例提供的平面校验工具的示意图。
附图中：
1-手术台车；2-机械臂；3-工具靶标；4-截骨导向工具；5-摆锯；6-NDI导航设备；7-辅助显示器；8-主显示器；9-导航台车；10-键盘；11-股骨靶标；12-股骨；13-胫骨靶标；14-胫骨；15-基座靶标；17-患者；18-操作者；
111-第一探测平面；111a-标记点；112-第二探测平面；113-第三探测平面；113a-第一侧；113b-第二侧；114-角度传感器；115-位移传感器；116-伸缩段；117-固定段；200-靶标；201-反光球；202-磁性线圈；203-SIU模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。如在本发明中所使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。
本发明的核心思想在于提供一种截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统，以解决现有的截骨手术精度低的问题。
所述截骨校验方法包括：利用平面校验工具的探测平面放置于当前截骨平面上；计算得到所述探测平面的位置信息，并将所述探测平面的位置信息作为所述当前截骨平面的计算位置信息；基于规划截骨平面的预定位置信息，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位信息传输给机械臂，以控制机械臂进行重新进行定位。
所述平面校验工具包括至少一个探测平面及至少一个靶标，所述靶标设置于至少一个所述探测平面上，并且所述靶标与所述探测平面之间的相对位置关系固定；所述探测平面用于放置于一当前截骨平面上，所述靶标用于定位。
所述可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现根据如上所述的截骨校验方法。
所述骨科手术系统包括：控制装置、导航装置、机械臂以及如上所述的平面校验工具；所述导航装置与所述平面校验工具的靶标相适配，用以获取所述靶标的位置信息，并将所述位置信息反馈至所述控制装置；所述控制装置用于根据所述平面校验工具的靶标的位置信息来获取当前截骨平面的计算位置信息，并确定所述计算位置信息与规划截骨平面的预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则所述控制装置驱动所述机械臂重新进行定位。
如此配置，通过对首次截骨形成的当前截骨平面与规划的预定截骨平面的位置误差的对比和识别，使机械臂再次进行定位，进而二次修正截骨平面，可提高最终的截骨平面的精度。此外，通过机械臂进行再定位，并二次修正截骨平面，可避免使用额外的骨钉将导向工具重复固定在骨头上，减少病人的创伤面，并缩减手术时间。
以下参考附图进行描述。
【实施例一】
请参考图1至图12，其中，图1是本发明实施例一提供的运用骨科手术系统进行膝关节置换的示意图，图2是本发明实施例一提供的截骨校验方法的流程图，图3是本发明实施例一之第一个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图4是本发明实施例一之第一个优选示例提供的平面校验工具的使用示意图，图5是本发明实施例一之第二个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图6是本发明实施例一之第三个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图7是本发明实施例一之第三个优选示例提供的平面校验工具的使用示意图，图8是本发明实施例一之第四个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图9是本发明实施例一之第五个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图10是本发明实施例一之第六个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图11是本发明实施例一之第七个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图12是本发明实施例一之第八个优选示例提供的平面校验工具的示意图。
本发明实施例一提供一种骨科手术系统，图1所示为利用所述骨科手术系统进行膝关节置换的示意，然而，本发明的骨科手术系统对应用环境没有特别的限制，也可应用于其他的骨科手术。以下描述中，以用于膝关节置换为示例对骨科手术系统进行说明，但不应以此作为对本发明的限定。
如图1所示，所述骨科手术系统包括控制装置、导航装置、机械臂2以及截骨导向工具4。所述控制装置在一些实施例中为一台计算机，但本发明对此不作限制，该计算机配置了控制器、主显示器8和键盘10，更优选还包括辅助显示器7。本实施例中，所述辅助显示器7和主显示器8所显示的内容一致，例如均用于显示截骨位置图像。所述导航装置可以是电磁定位导航装置、光学定位导航装置或者电磁定位导航装置。优选的，所述导航装置为光学定位导航装置，相比于其他的导航方式，测量精度高，可有效提高截骨导向工具的定位精度。以下描述中，以光学定位导航装置作为示例进行说明，但不以此为限。
所述导航装置具体包括导航标志物和跟踪仪6，所述导航标志物包括基座靶标15和工具靶标3，基座靶标15固定不动，例如基座靶标15被固定在手术台车1上而用于提供一个基坐标系(或称基座靶标坐标系)，而工具靶标3安装在截骨导向工具4上而用于跟踪截骨导向工具4的位置。所述截骨导向工具4安装在机械臂2的末端，从而通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，并调整截骨导向工具4的空间位置和姿态。
实际中，利用跟踪仪6来捕捉工具靶标3反射的信号(优选光学信号)并记录工具靶标3的位置(即工具靶标在基座标系下的位置和姿态)，再由控制装置的存储器内存储的计算机程序根据工具靶标的当前位置和期望位置，控制机械臂2运动，机械臂2驱动截骨导向工具4和工具靶标3运动，并使工具靶标3到达期望位置，工具靶标3的期望位置对应于截骨导向工具4的期望位置。
因此，对于骨科手术系统的应用，可实现截骨导向工具4的自动定位，且手术过程中由工具靶标3跟踪并反馈截骨导向工具4的实时位姿，并通过控制机械臂的运动实现截骨导向工具4的位置和姿态的调整，不仅截骨导向工具4的定位精度高，而且通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，而无需将导向工具固定在人体上，可避免对人体产生二次伤害。
一般的，所述骨科手术系统还包括手术台车1和导航台车9。所述控制装置和一部分所述导航装置安装在导航台车9上，例如所述控制器安装在导航台车9的内部，所述键盘10放置在导航台车9的外部进行操作，所述主显示器8、辅助显示器7和跟踪仪6均安装在一个支架上，所述支架竖直固定在导航台车9上，而所述机械臂2安装在手术台车1上。手术台车1和导航台车9的使用，使整个手术操作更为方便。
在执行膝关节置换手术时，本实施例的骨科手术系统的使用过程大致包括以下操作：
首先，将手术台车1及导航台车9移动至病床旁边合适的位置；
然后，安装导航标志物(导航标志物还包括股骨靶标11、胫骨靶标13)、截骨导向工具4以及其他相关部件(如无菌袋)；
之后，操作者18将患者17的骨头CT/MR扫描模型导入所述计算机进行术前规划，得到截骨方案，该截骨方案例如包括截骨平面坐标、假体的型号以及假体的安装方位等信息；具体地，根据CT/MR扫描得到的患者膝关节影像数据，创建三维膝关节数字模型，进而根据三维膝关节数字模型创建截骨方案，以便手术操作者根据截骨方案进行术前评估，更具体地，基于三维膝关节数字模型，并结合得到的假体的尺寸规格以及截骨板的安装位置等确定截骨方案，所述截骨方案最终以手术报告形式输出，其记录有截骨平面坐标、截骨量、截骨角度、假体规格、假体的安装位置、手术辅助工具等一系列参考数据，特别还包括一系理论说明，如选取该截骨角度的原因说明等，以为手术操作者提供参考；其中，三维膝关节数字模型可通过主显示器8进行显示，且操作者可通过键盘10输入手术参数，以便进行术前规划；
术前评估后，操作者18再使用靶标笔在患者的股骨及胫骨上标定特征点(即操作者于患者的股骨实体上标定多个股骨解剖特征点，在胫骨实体上标定多个胫骨解剖特征点)，并通过导航装置以基座靶标15为基准，记录患者胫骨14和股骨12上所有特征点的位置，并将所有特征点的位置发送给所述控制器，然后所述控制器通过特征匹配算法得到股骨12及胫骨14的实际方位，并与股骨12及胫骨14上的CT/MR图像方位相对应；
随后，通过导航装置将股骨及胫骨的实际方位与安装在股骨及胫骨上的相应靶标相联系，使得股骨靶标11和胫骨靶标13可以实时跟踪骨头的实际位置，且手术过程中，只要靶标与骨头间的相对位置固定，骨头移动不会影响手术效果；
进而通过导航装置将术前规划的截骨平面坐标发送给机械臂2，所述机械臂2通过工具靶标3定位截骨平面并运动到预定位置后，使机械臂2进入保持状态(即不动)，此后，操作者即可使用摆锯或电钻等手术工具5通过截骨导向工具4进行截骨和/或钻孔操作。完成截骨及钻孔操作后，操作者即可安装假体及进行其他手术操作。
传统手术及没有机械臂参与定位的导航手术系统，需要手动调整截骨导向定位工具，精度差，调整效率低，而使用机械臂定位导向工具，操作者不需要使用额外的骨钉将导向工具固定在骨头上，减少病人的创伤面，并缩减手术时间。
本实施例中，所述导航标志物还包括股骨靶标11和胫骨靶标13。其中股骨靶标11用于定位股骨12的空间位置和姿态，胫骨靶标13用于定位胫骨14的空间位置和姿态。如前所说的，所述工具靶标3安装在截骨导向工具4上，但在其他实施例中，所述工具靶标3也可以安装在机械臂2的末端关节上。
基于上述骨科手术系统，可实现机器人辅助手术，帮助操作者定位需截骨的位置，以便于操作者实施截骨。在操作者利用上述骨科手术系统或其它方式(如不采用机器人辅助而采用手动)执行截骨后，能够获得若干个截骨平面，以下称为当前截骨平面。如背景技术所述，由于机械臂的定位精度和锯片摆动等原因，当前截骨平面的精度有限。由此，如图2所示，本实施例提供一种截骨校验方法，其包括：
步骤S1：根据放置于当前截骨平面上的平面校验工具的探测平面，计算得到所述探测平面的位置信息，并将所述探测平面的位置信息作为所述当前截骨平面的计算位置信息；
步骤S2：基于规划截骨平面的预定位置信息，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位信息传输给机械臂，以控制机械臂进行重新进行定位。
为实现上述截骨校验方法，本实施例提供一种平面校验工具，其包括一个或多个探测平面及至少一个靶标，所述靶标设置于至少一个所述探测平面上，并且所述靶标与所述探测平面之间的相对位置关系固定，所述探测平面用于放置于一当前截骨平面上，以获取当前截骨平面的位置信息，所述靶标与导航装置相适配，用以通过与导航装置的通讯连接，确定靶标自身的位置信息，以供控制装置后续计算探测平面的位置信息。当然，这里所说的所述靶标与所述探测平面之间的相对位置关系固定，并非限定两者必须为固定连接，而是限定两者在装配后的相对位置关系是固定的。在一些实施例中，探测平面与靶标可以为可拆卸连接，当平面校验工具发生形变或需更换探测平面时，即可直接进行更换，而无需更换整个平面校验工具。进一步的，所述骨科手术系统包括如上所述的平面校验工具，所述导航装置6与所述平面校验工具的靶标200相适配，用以获取所述靶标200的位置信息，并将所述位置信息反馈至所述控制装置；所述控制装置用于根据所述平面校验工具的靶标200的位置信息来获取当前截骨平面的计算位置信息，并确定所述计算位置信息与规划截骨平面的预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则所述控制装置驱动所述机械臂2重新进行定位。具体的，可将所述位置误差叠加在所述预定位置信息上以获得重新定位信息，并将重新定位信息传输给机械臂2，以重新进行定位。
请参考图3，本实施例第一个优选示例中，所述平面校验工具包括一个探测平面及一个靶标200，所述靶标200设置于所述探测平面上。以下将设置有靶标200的探测平面称为第一探测平面111。优选的，靶标200包括四个反光球201，四个反光球201组成一个可被光学导航系统NDI(即前述导航装置的一种)识别的几何阵列。第一探测平面111与所述靶标200两者的相对位置关系固定，并且该相对位置关系预先存储于存储设备中。具体地，光学导航系统用于接收/跟踪靶标200上的反光球201所反馈的信息，获取靶标200的位置信息，并将该位置信息发送给控制装置；控制装置根据预先存储的靶标与探测平面之间的位置关系，计算并获取所述探测平面的位置信息，将所述探测平面的位置信息作为当前截骨平面的计算位置信息，基于规划截骨平面的预定位置信息(预先存储于存储设备中)，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位计算位置信息传输给机械臂2，以控制机械臂2进行重新定位。较佳的，第一探测平面111上设有三个标记点，在利用平面校验工具获取当前截骨平面的计算位置信息前，所述截骨校验方法还包括对第一探测平面111与靶标200的相对位置进行校验，当然，在一些实施例中，在利用平面校验工具获取当前截骨平面的计算位置信息之后，对第一探测平面111与靶标200的相对位置进行校验。在一些实施例中，利用一尖头靶标对第一探测平面111上的多个标记点，例如三个标记点111a进行校验，得到三个标记点111a在反光球坐标系下的坐标，计算第一探测平面111实际的位置和法向量，进而与原始数据(如出厂时的数据)对比，以检测平面校验工具是否发生形变。若平面校验工具已发生形变，则可对其进行校准或换用另一个未形变的平面校验工具。
进一步的，所述计算位置信息包括计算法向量和计算位置，第一探测平面111的位置信息的计算步骤包括：基于第一探测平面111在所述平面校验工具的靶标坐标系(即反光球坐标系)下的法向量
Figure BDA0002283600460000121
及位置PP(xP,yP,zP)，通过已知的所述靶标坐标系与下肢DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)数据坐标系之间的转换矩阵MP→V，得到所述探测平面在所述下肢DICOM数据坐标系下的计算法向量
Figure BDA0002283600460000122
和计算位置PV(xV,yV,zV)。如图4所示，可选的，在靶标坐标系与下肢DICOM数据坐标系之间进行坐标转换时，可以间接地利用股骨(或胫骨)靶标坐标系，由于股骨(或胫骨)上的靶标和平面校验工具的靶标200在光学导航系统NDI视野下有各自的位置和姿态信息。具体的，首先通过靶标坐标系和股骨(或胫骨)靶标坐标系之间的转换矩阵MP→B，将第一探测平面111在靶标坐标系下的法向量
Figure BDA0002283600460000123
及位置PP(xP,yP,zP)转换为股骨(或胫骨)靶标坐标系下的法向量
Figure BDA0002283600460000124
及位置PB(xB,yB,zB)，进而通过股骨(或胫骨)反光球坐标系和下肢DICOM数据坐标系之间的转换矩阵MB→V，将第一探测平面111在股骨(或胫骨)靶标坐标系下的法向量
Figure BDA0002283600460000125
及位置PB(xB,yB,zB)转换为下肢DICOM数据坐标系下的计算法向量
Figure BDA0002283600460000126
和计算位置PV(xV,yV,zV)。
更进一步的，所述位置误差包括：基于规划截骨平面的预定法向量和预定位置，计算得到的所述计算法向量与所述预定法向量的法向量旋转矩阵；以及计算得到的所述计算位置与所述预定位置的位置偏差。具体的，将第一探测平面111在下肢DICOM数据坐标系下的计算法向量
Figure BDA0002283600460000127
及计算位置PV(xV,yV,zV)与规划截骨平面的预定法向量和预定位置PO(xO,yO,zO)分别进行对比，通过两个法向量，可以得到第一探测平面111与规划截骨平面的法向量欧拉角，进而得到旋转矩阵R3×3，将第一探测平面111通过旋转矩阵R3×3旋转到和规划截骨平面平行，计算此时两个平面的距离
Figure BDA0002283600460000129
法向量旋转矩阵R3×3及位置偏差
Figure BDA00022836004600001210
即为第一探测平面111与规划截骨平面的位置误差。由于第一探测平面111被放置于当前截骨平面上，因此法向量旋转矩阵R3×3及位置偏差
Figure BDA0002283600460000131
亦即当前截骨平面与规划截骨平面的位置误差。
再进一步的，在确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差的步骤后，若所述法向量旋转矩阵R3×3(具体为法向量旋转矩阵R3×3转为欧拉角后每个轴的旋转量)和所述位置偏差
Figure BDA0002283600460000132
中的至少一个超过预设值，则将所述法向量旋转矩阵R3×3和所述位置偏差
Figure BDA0002283600460000133
叠加在所述预定位置信息上以获得重新定位信息，并将重新定位信息传输给机械臂，以重新进行定位截骨。本领域技术人员可以根据实际，对法向量旋转矩阵R3×3和位置偏差分别设定一合适的预设值，当法向量旋转矩阵R3×3和位置偏差
Figure BDA0002283600460000135
中的至少一个超过设定的预设值时，可以认为第一次截骨形成的当前截骨平面的精度不满足需求，需要进行二次截骨，将
Figure BDA0002283600460000136
和R3×3加入到机械臂2重新定位的过程中，传给机械臂2，重新进行定位截骨，可以获得更精确的截骨结果。而反之，若法向量旋转矩阵R3×3和位置偏差
Figure BDA0002283600460000137
两者均符合预设值，则说明当前截骨平面的精度满足需求，可以继续下一步手术流程。
需理解，以上说明中示意性地采用四个反光球作为靶标200，反光球的排布方式也不限于如图3所示的呈矩形分布，也可以如图4所示呈树枝状分布，反光球的数量也不限于四个。需要说明的，靶标200并非限定必须采用光学靶标球的形式，如图5所示，在本实施例第二个优选示例中，使用磁性线圈202作为标靶200。具体的，可将5DOF线圈作为靶标200，线圈的线缆末端连接SIU模块203，如此配置，导航装置可选用NDI磁导航AURORA，这样，通过对线圈位置和朝向的感测，也可以获取靶标200的位置信息。
需理解，上述截骨校验步骤可以在每次截骨步骤完成后进行，也可在完成多个截骨步骤后一次性进行，进行截骨校验的时机可根据操作习惯确定。优选的，所述平面校验工具包括两个或两个以上的第一探测平面111，每个第一探测平面111分别设置有一个所述靶标200，且所有所述第一探测平面111之间可转动地依次连接，若所述第一探测平面111的数量超过两个，则至少位于中间的所述第一探测平面111的长度可调节。请参考图6和图7，在本实施例第三个优选示例中，平面校验工具包括两个第一探测平面111，每个第一探测平面111设置有一个靶标200，所述靶标200优选为反光球靶标，两个第一探测平面111用于对两个当前截骨平面进行校验。实际中，对股骨或胫骨的端部进行截骨操作，常会形成多个成角度的截骨平面，以供后续假体的安装。本示范例中，两个第一探测平面111可分别放置于两个当前截骨平面上，由于两个第一探测平面111分别设置有一个靶标200，故而控制装置根据导航装置6所获取的靶标200的位置信息可以分别获得该两个第一探测平面111的位置信息，进而计算得到该两个第一探测平面111所对应的两个当前截骨平面的计算位置信息。在获得两个当前截骨平面的计算位置信息后，可参照前述方法，对所述两个当前截骨平面的计算位置信息分别与规划截骨平面的预定位置信息进行对比和传输，以供后续二次截骨，具体请参考前述方法，这里不再赘述。由于平面校验工具包括多个第一探测平面111，优选的，在本示范例中，校验步骤可在完成多个截骨步骤后一次性进行。当然，由于所述第一探测平面111之间可转动地依次连接，校验步骤也可在完成每个截骨步骤后进行。请参考图8，在本实施例第四个优选示例中，使用磁性线圈202作为标靶200，每个第一探测平面111设置一个磁性线圈202作为标靶200。具体请参考本实施例第二个优选示例。
请参考图9，在本实施例第五个优选示例中，平面校验工具包括三个第一探测平面111，每个第一探测平面111设置有一个靶标200，所述靶标200优选为反光球靶标，三个第一探测平面111依次可转动地连接，且位于中间的一个第一探测平面111的长度可调节，以适配于对三个当前截骨平面进行校验，实际使用中，三个第一探测平面111可分别贴靠于一个当前截骨平面上。请参考图10，在本实施例第六个优选示例中，使用磁性线圈202作为标靶200，每个第一探测平面111设置一个磁性线圈202作为标靶200。同理，参考图11和图12，其分别是本实施例第七个优选示例和第八个优选示例的示意图，在本实施例第七个优选示例中，平面校验工具包括五个第一探测平面111，每个第一探测平面111与一个靶标200连接，所述靶标200优选为反光球靶标，五个第一探测平面111依次可转动地连接，且位于中间的三个第一探测平面111的长度可调节，用于对五个当前截骨平面进行校验，具体地，所述三个第一探测平面111内包括伸缩装置。第八个优选示例中，使用磁性线圈202作为标靶200，每个第一探测平面111设置一个磁性线圈202作为标靶200。第五至第八个优选示例的原理与第三和第四个优选示例相同，由于每个第一探测平面111分别设置有一个靶标200，故而导航装置可以分别获得该每个第一探测平面111的位置信息，进而计算得到该每个第一探测平面111所对应的当前截骨平面的计算位置信息，具体请参考上述说明。
通过上述方法，通过对首次截骨形成的当前截骨平面与规划的预定截骨平面的位置误差的对比和识别，使机械臂2再次进行定位，进而二次修正截骨平面，可提高最终的截骨平面的精度。而且，通过机械臂2进行再定位，并二次修正截骨平面，可避免使用额外的骨钉将导向工具重复固定在骨头上，减少病人的创伤面，并缩减手术时间。当然，校验可以在截完一个平面后立即执行，也可以在全部截骨步骤完成后统一依次进行校验。基于此，本实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的截骨校验方法。此外，也可将上述程序整合入一硬件装置，如将该程序整合入骨科手术系统的控制装置中。
【实施例二】
请参考图13至图19，其中，图13是本发明实施例二之第一个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图14是本发明实施例二之第二个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图15是本发明实施例二之第三个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图16是图15所示的平面校验工具的侧视图，图17是本发明实施例二之第四个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图18是本发明实施例二之第五个优选示例提供的平面校验工具的示意图，图19是本发明实施例二之第六个优选示例提供的平面校验工具的示意图。
本发明实施例二提供的截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统与实施例一提供的截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。
在本实施例中，所述平面校验工具包括两个及两个以上可转动地依次连接的探测平面；其中，至少一个所述探测平面设置有所述靶标200，设置有所述靶标200的所述探测平面为第一探测平面111，与所述第一探测平面111相邻接的其它探测平面为第二探测平面112，所述第一探测平面111之靶标200与相邻的所述第二探测平面112之间的距离固定，且该两个探测平面之间设置有角度传感器114，所述角度传感器114用以感测所述第一探测平面111与所述第二探测平面112的夹角。进一步，当所述平面校验工具包括三个以上可转动地依次连接的所述探测平面时，至少位于中间的所述探测平面的长度可调节。
在本实施例中，平面校验工具除了包括直接设有靶标200的第一探测平面111外，还设有与所述第一探测平面111相邻接的第二探测平面112，该第二探测平面112不直接设置靶标200。基于上述配置，在本实施例提供的截骨校验方法中，计算得到第一探测平面111与第二探测平面112的的位置信息的步骤包括：计算得到设有靶标200的探测平面(即第一探测平面111)的位置信息；获取第一探测平面111及与其相邻的第二探测平面112之间的夹角；依据所述夹角，计算得到第二探测平面112的位置信息。
请参考图13，在本实施例第一个优选示例中，平面校验工具包括一个第一探测平面111及一个第二探测平面112，所述第一探测平面111与所述第二探测平面112可转动地邻接(即类似铰链式连接)，分别用于放置于两个当前截骨平面上，第一探测平面111设置有一个靶标200，所述靶标200优选为反光球靶标，所述第一探测平面111与所述第二探测平面112之间设置有角度传感器114，该角度传感器114如可设置在第一探测平面111与第二探测平面112之连接处(如设置在铰链上)，角度传感器114能够感测第二探测平面112与第一探测平面111的夹角，并优选可通过蓝牙传输装置等将夹角的数据传输至控制装置。
由于第一探测平面111与一个靶标200连接，因此可以直接得到第一探测平面111在所述平面校验工具的靶标坐标系(即反光球坐标系)下的法向量
Figure BDA0002283600460000161
及位置PP1(xP1,yP1,zP1)，装有角度传感器114的转动轴的法向量
Figure BDA0002283600460000162
在靶标坐标系下的数据可由出厂时进行标定，即装有角度传感器114的转动轴的法向量
Figure BDA0002283600460000163
是已知的，基于角度传感器114所给出的第二探测平面112与第一探测平面111的夹角，可知第二探测平面112相对于第一探测平面111的旋转角度θ，即绕旋转轴的法向量
Figure BDA0002283600460000164
转动的角度，据此，可以计算出等价旋转矩阵T4×4，待计算的第二探测平面112的法向量
Figure BDA0002283600460000165
在一些实施例中，相邻第一探测平面111的旋转连接装置设置为可读数的装置，在进行校验时，可根据目视读数通过输入设备输入控制装置的相应位置中，控制装置根据夹角换算出等价旋转矩阵T4×4。
进一步的，根据第一探测平面111的位置PP1、旋转轴的位置PP0，第二探测平面112的位置PP2的位置可通过三角形边长|PP2PP0|、|PP1PP0|及第一探测平面111与第二探测平面112的夹角θ计算得到。由此，通过角度传感器114所感测的夹角和第一探测平面111的位置信息，可计算得到第二探测平面112的位置信息。
第一探测平面111与第二探测平面112的位置信息，实质上即代表了两个当前截骨平面的计算位置信息，在获得两个当前截骨平面的计算位置信息，可参照实施例一的方法，对所述两个当前截骨平面的计算位置信息分别与规划截骨平面的预定位置信息进行对比和计算，以供后续二次截骨，具体请参考前述方法，这里不再赘述。
请参考图14，在本实施例第二个优选示例中，使用磁性线圈202作为标靶200，标靶200设置于第一探测平面111，本实施例第二个优选示例中以磁性线圈202代替第一个优选示例中的反光球靶标，标靶200具体的结构和原理请参考实施例一，而利用第一探测平面111和角度传感器114实现对第二探测平面112的位置信息的计算原理，请参考本实施例第一个优选示例。
请参考图15和图16，在本实施例的第三个优选示例中，平面校验工具包括一个第一探测平面111及两个第二探测平面112，所述第一探测平面111分别与两个所述第二探测平面112可转动地邻接，且按照第二探测平面112、第一探测平面111、第二探测平面112的顺序依次排布，亦即第一探测平面111位于中间，两个第二探测平面112位于第一探测平面111的两侧，且位于中间的第一探测平面111的长度可调节，以适配于对三个当前截骨平面进行校验。所述第一探测平面111与两侧的两个第二探测平面112之连接处分别设置有一个角度传感器114，该三个探测平面分别用于放置于三个当前截骨平面上，第一探测平面111设置有一个靶标200，所述靶标200优选为磁性线圈202，所述第一探测平面111与两个所述第二探测平面112之间分别设置有角度传感器114，第一探测平面111还设置有位移传感器115。第一探测平面111包括一个固定段117与一个伸缩段116(如图16所示)，所述伸缩段116与所述固定段的长度可伸缩地连接，固定段117上设有位移传感器115的反馈部分，用以反馈伸缩段116相对于固定段117的距离，由此通过固定段与伸缩段116之间的伸缩，整个第一探测平面111的长度即可调节。进一步，靶标200(在本优选示例中为磁性线圈202)设置于第一探测平面111的固定段117上，由于第一探测平面111的长度变化产生于固定段117与伸缩段116之间，与固定段117连接的第二探测平面112相对于靶标200的距离是固定的，该第二探测平面112相对于固定段117只能产生转动，因此，基于本实施例第一个优选示例的说明，可以知道，基于第一探测平面111的位置信息、与固定段117连接的第二探测平面112和第一探测平面111之间的夹角，即可计算得与固定段117连接的第二探测平面112的位置信息。而与伸缩段116连接的第二探测平面112相对于靶标200的距离是可调节的，无法直接通过第一探测平面111的位置信息获知与伸缩段116连接的第二探测平面112的位置信息，因此还需要位移传感器115所获取的位移信息D12，该位移信息D12反映了与伸缩段116连接的第二探测平面112相对于靶标200的位移。具体的，根据第一探测平面111的位置PP1、与伸缩段116连接的第二探测平面112与第一探测平面111的旋转轴的位置PP0以及与伸缩段116连接的第二探测平面112与第一探测平面111的夹角θ12，与伸缩段116连接的第二探测平面112的位置PP2可通过三角形边长|PP2PP0|、|PP1PP0+D12|及夹角θ12计算得到。由此，即计算得到了所有的探测平面的位置信息。在一些实施例中，位移传感器115所获取的位移信息D12优选可通过蓝牙传输装置传输至控制装置，在另一些实施例中，所述伸缩段116包括一个可目视读数的伸缩装置，例如游标卡尺，由用户将读取到的数据输入至控制装置之计算机用户交互界面的相应位置，计算机内的控制程序将自动计算得到位置偏差。在一些实施例中，其中各个探测平面之间的角度传感器为可读数的装置，由用户将可示出的角度信息输入到控制装置的计算机用户界面，计算机内的控制程序将自动计算欧拉角。
在其它的一些优选示例中，平面校验工具包括两个第一探测平面111及一个第二探测平面112，所述第二探测平面112分别与两个所述第一探测平面112可转动地邻接，且按照第一探测平面111、第二探测平面112、第一探测平面111的顺序依次排布，亦即第二探测平面112位于中间，两个第一探测平面111位于第二探测平面112的两侧，且位于中间的第二探测平面112的长度可调节，以适配于对三个当前截骨平面进行校验。所述第二探测平面112与两侧的两个第一探测平面111之连接处中，只要有一处设置有一个角度传感器114，即可利用相邻的第一探测平面111的位置信息，计算得到第二探测平面112的位置信息。因此，在这种情况下，不需要设置位移传感器。可以理解的，当设置更多数量的第一探测平面111或第二探测平面112时，由于第二探测平面112至少邻接一个第一探测平面111，位于中间的第二探测平面112则必然邻接两个第一探测平面111，其只需要在与其相邻接的第一探测平面111中选择一个，设置角度传感器114，即可计算得到第二探测平面112的位置信息。而当第二探测平面112位于所有探测平面的首尾处时，则在以伸缩段116连接第二探测平面112的第一探测平面111上设置位移传感器115，具体原理请参考上述说明。
优选的，所述平面校验工具还包括至少一个第三探测平面113(如图17和图18所示)，所述第三探测平面113具有相对的第一侧113a和第二侧113b，所述第一侧113a指朝向第一探测平面111的一侧，所述第一侧113a与所述第一探测平面111之间至少间隔有一个所述第二探测平面112，当然，在一些实施例中，有其它的若干第三探测平面113间隔设置，所述第三探测平面113及与所述第三探测平面113之第一侧113a相邻接的探测平面(需理解，这里与第三探测平面113之第一侧113a相邻接的探测平面可以为第二探测平面112，也可以是其它的第三探测平面113)之间设置有角度传感器114；位于所述第三探测平面113之第一侧113a且与所述第三探测平面113相邻的探测平面(同上，可以为第二探测平面112，也可以是其它的第三探测平面113)设置有位移传感器115，所述位移传感器115用于感测所述第三探测平面113相对于位于所述第一侧113a且与所述第三探测平面113间隔相邻的探测平面(需理解，这里与第三探测平面113间隔相邻的探测平面可以为第一探测平面111，也可以是第二探测平面112或其它的第三探测平面113)的位移。
请参考图17，在本实施例的第四个优选示例中，所述平面校验工具包括一个第一探测平面111、一个第二探测平面112及一个第三探测平面113，第一探测平面111、第二探测平面112及第三探测平面113可转动地依次邻接，三个探测平面分别用于放置于三个当前截骨平面上，第一探测平面111设置有一个靶标200，所述靶标200优选为反光球靶标，第一探测平面111及与其邻接的第二探测平面112之间设置有角度传感器114，第二探测平面112及与其邻接的第三探测平面113之间设置有角度传感器114，第二探测平面112上还设置有位移传感器115。两个角度传感器114分别能够获取第一探测平面111与第二探测平面112之间的夹角，以及第三探测平面113与第二探测平面112之间的夹角，位移传感器115则能够获取第三探测平面113相对于位于所述第一侧113a且与所述第三探测平面113间隔相邻的探测平面(即第一探测平面111)的位移。基于本实施例第一个优选示例，可以通过靶标200和第一探测平面111与第二探测平面112之夹角计算得到第一探测平面111及第二探测平面112的位置信息，进而，基于第三探测平面113与第二探测平面112的夹角，以及第三探测平面113相对于第一探测平面111的位移，可以计算得到第三探测平面113的位置信息，其具体计算原理可参考本实施例第三个优选示例。第三探测平面113的位置PP3可基于第二探测平面112的位置PP2获得，第二探测平面112的位置PP2可基于第一探测平面111的位置PP1获得，第一探测平面111的位置PP1可基于靶标200获得，由此形成了各探测平面之位置的传递计算，只要获得靶标200的位置信息，即可依次计算得到所有的探测平面的位置信息。
请参考图18，在本实施例的第五个优选示例中，所述平面校验工具包括一个第一探测平面111、一个第二探测平面112及三个第三探测平面113，第一探测平面111、第二探测平面112及三个第三探测平面113可转动地依次邻接，所有三个第三探测平面113均以朝向第一探测平面111的方向为第一侧113a，以背向第一探测平面111的方向为第二侧113b。该五个探测平面分别用于放置于五个当前截骨平面上，第一探测平面111设置有一个靶标200，所述靶标200优选为反光球靶标，第一探测平面111及与其邻接的第二探测平面112之间设置有角度传感器114，第二探测平面112及与其邻接的第三探测平面113之间设置有角度传感器114，所有所述第三探测平面113之间设置有角度传感器114，除位于首尾的一个第一探测平面111与一个第三探测平面113外，其它探测平面上均设置有位移传感器115。为便于叙述，将与第二探测平面112邻接的第三探测平面113称为第一个第三探测平面113，与第一个第三探测平面113邻接的第三探测平面113为第二个第三探测平面113，沿着远离第一探测平面111的方向，与第二个第三探测平面113邻接的第三探测平面113为第三个第三探测平面113，基于本实施例第四个优选示例可以计算得到第一探测平面111、第二探测平面112及第一个第三探测平面113的位置信息，进而基于第一个第三探测平面113与第二个第三探测平面113之间的夹角，以及第二个第三探测平面113相对于第二探测平面112的位移(由第一个第三探测平面113上的位移传感器115所测得)，即可计算得到第二个第三探测平面113的位置信息。可以理解的，也可以基于同样的方法，计算得到第三个第三探测平面113的位置信息。
请参考图19，在本实施例的第六个优选示例中，所述平面校验工具包括一个第一探测平面111、两个第二探测平面112及两个第三探测平面113，所有所述探测平面可转动地连接，探测平面的排布按照：第三探测平面113、第二探测平面112、第一探测平面111、第二探测平面112及第三探测平面113的顺序依次连接，两个第三探测平面113均以朝向第一探测平面111的方向为第一侧113a，以背向第一探测平面111的方向为第二侧113b。该五个探测平面分别用于放置于五个当前截骨平面上，第一探测平面111设置有一个靶标200，所述靶标200优选为磁性线圈202，第一探测平面111及与其邻接的两个第二探测平面112之间设置有角度传感器114，两个第二探测平面112及与其邻接的第三探测平面113之间分别设置有角度传感器114，位于中间的第一探测平面111和两个第二探测平面112上均设置有位移传感器115。可选的，第一探测平面111包括一个固定段与一个伸缩段，靶标200设置于第一探测平面111的固定段上。基于本实施例的第四个优选示例，可以计算得到连接于固定段一侧的第二探测平面112及第三探测平面113的位置信息，而基于本实施例的第三个优选示例，可以计算得到连接于伸缩段一侧的第二探测平面112的位置信息，进一步的，基于本实施例的第四个优选示例，将与伸缩段连接的第二探测平面112的位置信息作为已知条件，则可以计算得到连接于伸缩段一侧的第三探测平面113的位置信息。由此即计算得到了所有探测平面的位置信息。
可选的，所述平面校验工具还包括蓝牙发射器，其用以将角度传感器和/或位移传感器所感测的数据通过蓝牙发射给控制装置，以供控制装置进行计算。当然，本领域技术人员还可以通过其它传输方式，传输角度传感器和/或位移传感器所感测的数据。
需要说明的，在本实施例中，对探测平面的数量和探测平面的排布方式不作限定，上述多个优选示例仅为示意而非限定，本领域技术人员可根据本实施例所公开的方法，选择性地在合适的位置配置角度传感器和/或位移传感器，以求得所有探测平面的位置信息。特别的，靶标、角度传感器或位移传感器的配置可比最少需求的数量有一定的冗余，如此，冗余的靶标、角度传感器或位移传感器可供对计算得到的探测平面的位置信息进行校验，以进一步提高探测平面的计算精度，本发明对此均不作限制。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
综上，在本发明提供的截骨校验方法、校验工具、可读存储介质及骨科手术系统中，首先利用平面校验工具获取当前截骨平面的计算位置信息，进而基于规划截骨平面的预定位置信息，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位信息传输给机械臂，以控制机械臂进行重新进行定位。如此配置，通过对首次截骨形成的当前截骨平面与规划的预定截骨平面的位置误差的对比和识别，使机械臂再次进行定位，进而二次修正截骨平面，可提高最终的截骨平面的精度。此外，通过机械臂进行再定位，并二次修正截骨平面，可避免使用额外的骨钉将导向工具重复固定在骨头上，减少病人的创伤面，并缩减手术时间
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (17)

1.一种截骨校验方法，其特征在于，包括：
根据放置于当前截骨平面上的平面校验工具的探测平面，计算得到所述探测平面的位置信息，并将所述探测平面的位置信息作为所述当前截骨平面的计算位置信息；
基于规划截骨平面的预定位置信息，确定所述计算位置信息与所述预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则计算并获得重新定位信息，并将所述重新定位信息传输给机械臂，以控制机械臂进行重新定位。
2.根据权利要求1所述的截骨校验方法，其特征在于，所述计算位置信息包括计算法向量和计算位置，所述位置误差包括：
基于规划截骨平面的预定法向量和预定位置，计算得到的所述计算法向量与所述预定法向量的法向量旋转矩阵；以及计算得到的所述计算位置与所述预定位置的位置偏差。
3.根据权利要求2所述的截骨校验方法，其特征在于，若所述法向量旋转矩阵和所述位置偏差中的至少一个超过预设值，则根据所述法向量旋转矩阵和所述位置偏差控制机械臂，以重新进行定位。
4.根据权利要求1所述的截骨校验方法，其特征在于，所述探测平面设有靶标，所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤包括：
基于所述探测平面在所述平面校验工具的靶标坐标系下的法向量
Figure FDA0002283600450000011
及位置PP(xP,yP,zP)，通过所述靶标坐标系与下肢DICOM数据坐标系之间的转换矩阵MP→V，得到所述探测平面在所述下肢DICOM数据坐标系下的计算法向量
Figure FDA0002283600450000012
和计算位置PV(xV,yV,zV)。
5.根据权利要求1所述的截骨校验方法，其特征在于，所述平面校验工具包括两个以上的探测平面，用以校验两个以上的当前截骨平面，其中至少一个所述探测平面设置有所述靶标，设置有所述靶标的所述探测平面为第一探测平面，与所述第一探测平面相邻接的其它探测平面为第二探测平面；所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤包括：
计算得到所述第一探测平面的位置信息；
获取所述第二探测平面及与其相邻的所述第一探测平面之间的夹角；
依据所述夹角，计算得到所述第二探测平面的位置信息。
6.根据权利要求5所述的截骨校验方法，其特征在于，所述第二探测平面与相邻的所述第一探测平面之靶标之间的距离可调节，所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤还包括：
获取所述第二探测平面相对于所述靶标的位移；
依据所述夹角及所述位移，计算得到所述第二探测平面的位置信息。
7.根据权利要求5或6所述的截骨校验方法，其特征在于，所述平面校验工具包括第三探测平面，所述第三探测平面的第一侧与所述第一探测平面之间至少间隔有一个所述第二探测平面；所述计算得到所述探测平面的位置信息的步骤包括：
获取与所述第三探测平面之第一侧相邻接的探测平面的位置信息；
获取所述第三探测平面及与所述第三探测平面之第一侧相邻接的探测平面之间的夹角；
获取所述第三探测平面相对于位于所述第一侧且与所述第三探测平面间隔相邻的探测平面的位移；
依据所述夹角和所述位移，计算得到所述第三探测平面的位置信息。
8.根据权利要求1所述的截骨校验方法，其特征在于，所述探测平面设有靶标，所述截骨校验方法包括对所述探测平面与所述靶标的相对位置进行校验。
9.根据权利要求8所述的截骨校验方法，其特征在于，根据利用尖头靶标对第一探测平面上的多个标记点进行的校验，得到多个标记点在靶标的反光球坐标系下的坐标，计算第一探测平面实际的位置和法向量，进而与原始数据对比，以检测平面校验工具是否发生形变。
10.一种平面校验工具，其特征在于，包括至少一个探测平面及至少一个靶标，所述靶标设置于至少一个所述探测平面上，并且所述靶标与所述探测平面之间的相对位置关系固定；所述探测平面用于放置于一当前截骨平面上，所述靶标用于定位。
11.根据权利要求10所述的平面校验工具，其特征在于，所述平面校验工具包括两个以上的所述探测平面，每个所述探测平面分别设置有一个所述靶标，所有所述探测平面之间可转动地依次连接，若所述探测平面的数量超过两个，则至少位于中间的所述探测平面的长度可调节。
12.根据权利要求10所述的平面校验工具，其特征在于，所述平面校验工具包括两个以上可转动地依次连接的所述探测平面；其中，至少一个所述探测平面设置有所述靶标，设置有所述靶标的所述探测平面为第一探测平面，与所述第一探测平面相邻接的其它探测平面为第二探测平面，所述第一探测平面之靶标与相邻的所述第二探测平面之间的距离固定，且该两个探测平面之间设置有角度传感器，所述角度传感器用以感测所述第一探测平面与所述第二探测平面的夹角。
13.根据权利要求12所述的平面校验工具，其特征在于，所述平面校验工具包括三个以上可转动地依次连接的所述探测平面，至少位于中间的所述探测平面的长度可调节。
14.根据权利要求12所述的平面校验工具，其特征在于，所述第一探测平面之靶标与相邻的所述第二探测平面之间的距离可调节，且所述第一探测平面设置有位移传感器，所述位移传感器用以感测所述第二探测平面相对于所述靶标的位移。
15.根据权利要求12～14中任一项所述的平面校验工具，其特征在于，所述平面校验工具包括至少一个第三探测平面，所述第三探测平面具有相对的第一侧和第二侧，所述第三探测平面的第一侧与所述第一探测平面之间至少间隔有一个所述第二探测平面，所述第三探测平面及与所述第三探测平面之第一侧相邻接的探测平面之间设置有角度传感器；位于所述第三探测平面之第一侧且与所述第三探测平面相邻的探测平面上设置有位移传感器，所述位移传感器用于感测所述第三探测平面相对于位于所述第一侧且与所述第三探测平面间隔相邻的探测平面的位移。
16.一种可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现根据权利要求1～9中任一项所述的截骨校验方法。
17.一种骨科手术系统，其特征在于，包括：控制装置、导航装置、机械臂以及根据权利要求10～15中任一项所述的平面校验工具；
所述导航装置与所述平面校验工具的靶标相适配，用以获取所述靶标的位置信息，并将所述位置信息反馈至所述控制装置；
所述控制装置用于根据所述平面校验工具的靶标的位置信息来获取当前截骨平面的计算位置信息，并确定所述计算位置信息与规划截骨平面的预定位置信息的位置误差，若所述位置误差超过预设值，则所述控制装置驱动所述机械臂重新进行定位。
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