CN110897717B - 导航手术系统及其注册方法与电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种导航手术系统及其注册方法与电子设备，导航手术系统包括通信连接的机器人系统和导航系统；机器人系统包括机械臂，导航系统包括导航跟踪设备；机器人系统具有建立在机械臂上的机械臂基坐标系，机械臂基坐标系被配置为相对于支撑装置的位置固定；导航系统具有能被导航跟踪设备识别的基准坐标系，基准坐标系被配置为相对于支撑装置的位置固定；导航手术系统被配置为根据机械臂基坐标系与支撑装置的位置关系，以及基准坐标系与支撑装置的位置关系，获得机械臂和导航跟踪设备间的位置关系。这样做，无需机械臂注册，可直接配准机械臂和导航跟踪设备间的位置，简化手术流程，缩短手术时间，可以确保机械臂末端位置采集的可靠性和实时性。

Description

导航手术系统及其注册方法与电子设备
技术领域
本发明涉及机器人辅助导航手术领域，特别涉及一种导航手术系统及其注册方法与电子设备。
背景技术
导航手术系统越来越多地被运用到外科手术当中，特别是骨科手术。例如MAKO骨科导航手术系统及Robodoc骨科导航手术系统等，均是利用机械臂以及红外光学导航设备的结合，根据医生的术前规划，结合术中的注册配准技术，即光学导航设备采集患者骨骼的真实位置，与软件中的骨骼模型坐标系相匹配，使用机器人辅助医生完成手术操作。其中，注册配准技术是连接机器人和导航设备的关键技术。机器人通过注册配准技术得知需要操作的手术区域的位置，根据手术规划，进行主动的定位操作或者辅助手术操作。但是目前通用的注册工具以及方法存在着以下的问题：
(1)流程繁琐及额外手术时间长。一般地，在骨骼注册之前，先进行机械臂注册，以配准机械臂与导航设备间的位置关系。常规的机械臂注册方法为在机械臂末端安装注册靶标，注册完成后，再将注册靶标拆除。但靶标的安装要求高，多采用固定连接的方式实现机械臂与靶标的连接，拆除和安装靶标的过程都比较的费时。而且进行骨骼注册时，还需要更换另一类的靶标进行注册配准。而骨科手术要求尽量地减少手术区域的暴露时间，以降低受感染的概率。
(2)可靠性和实时性差。与前述不同，在另一种机械臂注册方法中，骨骼注册完成后，利用安装在机械臂基座或机械臂末端的靶标，实时地跟踪末端执行器的位置。但是机械臂在运动过程中会有震动发生，使导航设备采集的靶标的位置精度也会受到震动的影响，因此，机械臂注册的精度低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种导航手术系统及其注册方法与电子设备，旨在简化手术流程，缩短额外手术时间，并提高位置跟踪的可靠性和实时性。
根据本发明的一个方面，本发明提供的导航手术系统包括通信连接的机器人系统和导航系统；所述机器人系统包括机械臂，所述导航系统包括导航跟踪设备；
所述机器人系统具有建立在所述机械臂上的机械臂基坐标系，所述机械臂基坐标系被配置为相对于支撑装置的位置固定；
所述导航系统具有能够被所述导航跟踪设备所识别的基准坐标系，所述基准坐标系被配置为相对于支撑装置的位置固定；
所述导航手术系统被配置为分别根据所述机械臂基坐标系与支撑装置的位置关系，以及所述基准坐标系与支撑装置的位置关系，获得所述机械臂和所述导航跟踪设备间的位置关系。
可选地，所述导航手术系统包括机械臂固定装置，所述机械臂通过所述机械臂固定装置固定于支撑装置上；所述机械臂固定装置包括竖直设置的支架和水平设置的悬臂；所述支架的一端固定在支撑装置上，另一端连接所述悬臂的一端，所述悬臂的另一端连接所述机械臂。
可选地，所述机械臂具有基关节，所述基关节相对于支撑装置的位置固定，且所述机械臂基坐标系设定在所述基关节处。
可选地，所述导航手术系统还被配置为根据所述悬臂的长度以及悬臂相对于支撑装置的高度，获得所述机械臂基坐标系相对于支撑装置的位置。
可选地，所述导航手术系统还包括手术台车，且所述机械臂安装于所述手术台车上，所述手术台车相对于支撑装置的位置固定；所述机械臂具有基关节，所述基关节相对于手术台车的位置固定，且所述机械臂基坐标系设定在所述基关节处。
可选地，所述基准坐标系设定在支撑装置上或手术台车上。
可选地，，所述导航手术系统还包括导航台车，所述导航跟踪设备安装在所述导航台车上。
可选地，所述导航手术系统还包括导航支臂；所述导航跟踪设备通过所述导航支臂固定于支撑装置上，所述导航支臂具有若干自由度，以驱动所述导航支臂末端连接的所述导航跟踪设备运动，调整所述导航跟踪设备的位置和姿态。
可选地，所述导航支臂具有导航基关节，且所述导航基关节相对于所述支撑装置的位置固定，所述基准坐标系设定在所述支撑装置上或所述导航基关节处。
可选地，所述导航手术系统还包括手术对象固定装置，用于将手术对象固定在支撑装置上，并使手术对象相对于支撑装置的位置固定；其中，所述导航系统还包括用于在手术对象上标定多个特征点的靶标笔，所述导航手术系统被配置为根据多个所述特征点，获得手术对象上目标区域相对于机械臂的位置。
可选地，所述导航跟踪设备为光学导航跟踪设备，且所述导航系统还包括多个光学标记，每个所述光学标记能够被所述光学导航跟踪设备所识别；多个所述光学标记用于建立所述基准坐标系。
可选地，所述光学标记为至少三个并且设置在所述支撑装置上。。
可选地，所述光学标记为球形反光标记或贴纸型反光标记。
可选地，所述导航跟踪设备为磁导航跟踪设备，所述磁导航跟踪设备包括磁发射装置和磁定位装置，所述磁发射装置用于产生磁场，所述磁定位装置用于感应磁场而产生电信号，以用于建立所述基准坐标系。
可选地，所述磁定位装置包括感应线圈。
可选地，所述导航跟踪设备为惯性导航跟踪设备，所述导航系统包括至少一个惯导标记物，所述惯导标记物能够被所述惯性导航跟踪设备所识别，以用于建立所述基准坐标系。
可选地，所述惯导标记物用于设置在手术对象上。
可选地，所述机械臂的末端安装有靶标，所述靶标用于跟踪机械臂末端的空间位置。
根据本发明的另一个方面，本发明提供的导航手术系统的注册方法，所述导航手术系统包括通信连接的机器人系统和导航系统，所述机器人系统包括机械臂，所述导航系统包括导航跟踪设备，所述注册方法包括：
在导航手术系统中建立能够被导航跟踪设备所识别的基准坐标系，并使所述基准坐标系与支撑装置间的相对位置固定；
在机械臂上建立机械臂基坐标系，并使所述机械臂基坐标系与支撑装置间的相对位置固定；
分别根据所述机械臂基坐标系与支撑装置的位置关系，以及所述基准坐标系与支撑装置的位置关系，确定所述导航跟踪设备与所述机械臂间的位置关系。
可选地，在建立所述机械臂基坐标系时，在机械臂的基关节上设置所述机械臂基坐标系，并使所述机械臂的基关节相对于支撑装置的位置固定。
可选地，在建立所述基准坐标系时，在手术台车、支撑装置或导航支臂的导航基关节上设置所述基准坐标系，并使所述手术台车或所述导航支臂的导航基关节相对于所述支撑装置的位置固定，使所述导航跟踪设备通过所述导航支臂固定于所述支撑装置上。
可选地，所述机械臂通过机械臂固定装置固定于支撑装置上；所述机械臂固定装置包括竖直设置的支架和水平设置的悬臂；所述支架的一端固定在支撑装置上，另一端连接所述悬臂的一端，所述悬臂的另一端连接所述机械臂；其中，根据所述悬臂的长度以及悬臂相对于支撑装置的高度，确定所述机械臂基坐标系相对于支撑装置的位置。
可选地，所述注册方法包括：
将所述导航跟踪设备通过导航支臂固定于支撑装置上，以通过所述导航支臂调整末端连接的所述导航跟踪设备的位置和姿态。
可选地，所述注册方法还包括：
根据相对于支撑装置的位置固定的手术对象上所设置的多个特征点，确定手术对象上目标区域相对于机械臂的位置。
可选地，所述注册方法还包括：
在所述机械臂的末端安装靶标，以通过所述靶标跟踪机械臂末端的空间位置。
可选地，利用光学导航跟踪设备、磁导航跟踪设备或惯性导航跟踪设备建立所述基准坐标系。
根据本发明的另一个方面，本发明提供的电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，进行任一项所述的注册方法。
在本发明提供的导航手术系统及其注册方法中，通过将机械臂基坐标系的位置与支撑装置固定，以及将能够被导航跟踪设备所识别的基准坐标系的位置与支撑装置固定，可直接配准机械臂和导航跟踪设备间的相对位置，而无需在机械臂末端或机械臂基座上安装靶标进行机械臂注册，从而简化了手术流程，缩短了手术区域暴露时间，减小了患者受感染的几率。特别地，在手术过程中，由于不需要在机械臂上安装靶标，使得机械臂末端位置的采集不会受到机械臂运动过程中震动的影响，因此，确保了机械臂末端位置采集的可靠性和实时性。
附图说明
本发明的实施方法以及相关实施例的特征、性质和优势将通过结合下列附图进行描述，其中：
图1是传统的导航手术系统的示意图；
图2是本发明实施例一的导航手术系统的结构示意图；
图3是本发明实施例二的导航手术系统沿第一角度的结构示意图；
图4是本发明实施例二的导航手术系统沿第二角度的结构示意图；
图5是本发明实施例三的导航手术系统的结构示意图；
图6是本发明实施例四的导航手术系统的结构示意图；
图7是本发明实施例五的导航手术系统的结构示意图；
图8是本发明实施例六的导航手术系统的结构示意图；
图9a是与本发明实施例六相关的传统骨注册的示意图；
图9b是本发明实施例六中的优选骨注册的示意图；
图10是本发明实施例七的导航手术系统的结构示意图；
图11是本发明实施例八的导航手术系统的结构示意图；
图12是本发明实施例九的导航手术系统的结构示意图；
图13是本发明实施例十的导航手术系统的结构示意图；
图14是本发明实施例的导航手术系统的注册流程图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图，对本发明优选实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
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。
如背景技术，现有的导航手术系统存在注册流程繁琐且额外手术时间长，以及位置跟踪的可靠性和实时性差的问题。针对该问题，结合图1进一步来说，传统的导航手术系统100在患者110的手术区域105上进行操作，其具体包括机器人系统115以及导航系统165。机器人系统115包括机械臂120。在实际手术时，机械臂120在其远端130处设置有末端执行器或手术器械125。手术器械125可由机械臂120定位。
机械臂120包括多个关节135，其允许手术器械125定位在给定手术区域105附近或内部的任何期望位置。机器人系统115还包括用于操作机械臂120和手术器械125的计算机系统。计算机系统包括位于控制台车140内的控制器，以及位于控制台车140上的人机接口设备145，例如显示器，用于为外科医生提供在手术期间使用的图像。计算机系统与导航系统165通信，导航系统165可以监视固定到感兴趣对象的多个跟踪元件，例如机械臂末端的光学靶标170，以跟踪手术区域内的多个对象的位置。导航系统165用于与光学靶标170互动，在手术区域内创建虚拟三维坐标系，用于跟踪患者解剖结构、手术器械或机器人系统115的一部分。光学靶标170放置在机械臂120或手术器械125上，以跟踪虚拟三维坐标系的位置，进而提供位置数据，例如患者位置、骨骼位置、关节位置、机械臂位置等。机械臂120固定在控制台车140上。
在手术过程中，导航系统165实时跟踪机械臂末端器械或手术工具的空间位置，并在显示器上显示。为了达到此目的，通用的做法是，在机械臂末端或者是机械臂的基座上安装靶标，通过导航系统165跟踪靶标，实现机械臂末端/手术器械的实时跟踪。但是在实际使用过程中，机械臂的震动会导致机械臂上的靶标也发生震动，较大地影响了跟踪的可靠性和实时性。
基于此，本发明提出了一种导航手术系统以及该导航手术系统的注册方法，无需在机械臂末端或机械臂基座上安装靶标，即可实现导航系统实时跟踪机械臂末端位置的目的，从而提高机械臂末端位置跟踪的可靠性和实时性，同时也省去机械臂注册流程，缩短额外的手术时间，减小患者受感染的几率。
具体的，本发明所提供的导航手术系统包括通信连接的机器人系统和导航系统；所述机器人系统包括机械臂，所述导航系统包括导航跟踪设备。所述导航跟踪设备包括光学导航跟踪设备、磁导航跟踪设备或惯性导航跟踪设备。该导航手术系统的注册的核心思想是：在导航手术系统中建立能够被导航跟踪设备所识别的基准坐标系，并固定所述基准坐标系与用于支撑患者的支撑装置，例如病床间的相对位置；同时在机械臂上建立机械臂基坐标系，并固定所述机械臂基坐标系与支撑装置间的相对位置；进而分别根据所述机械臂基坐标系与支撑装置的位置关系，以及所述基准坐标系与支撑装置的位置关系，确定所述导航跟踪设备与所述机械臂间的位置关系。这样做，即可省去在机械臂末端或基座上安装靶标进行机械臂注册的过程，又可省去拆装靶标的过程，节省手术时间。并且在手术过程中，只要机器人系统实时将机械臂的位置发送给导航系统，即可实现导航系统实时跟踪机械臂末端器械或手术工具的空间位置的目的，并在显示器上进行显示。
以下结合附图和若干优选实施例对本发明的导航手术系统及其注册的实现方式作进一步描述。
实施例一
图2为本发明实施例一的导航手术系统200的结构示意图。如图2所示，本实施例提供一种导航手术系统200，其包括通信连接的机器人系统和导航系统。所述机器人系统包括机械臂2，所述机械臂2的末端用于安装手术器械，手术器械可以是适于机器人系统使用的任何手术器械，例如钳夹、翻边装置、铰孔装置、冲击器装置或肱骨头撞击器等。
所述导航系统包括光学导航跟踪设备4和多个光学标记，所述光学标记能够被光学导航跟踪设备4所识别。本实施例中，多个所述光学标记安装在支撑装置1(如病床)上，且这些光学标记相对于支撑装置1的位置是固定并已知的。由此，本发明的导航系统只要根据多个光学标记，即可根据支撑装置1建立一个基准坐标系，使得基准坐标系相对于支撑装置1的位置是固定且已知的。进一步，多个所述光学标记优选在支撑装置1上呈矩阵分布，以简化计算过程。优选的，多个所述光学标记以固定间距设置在支撑装置1上。更进一步，所述光学标记的数量优选为至少三个，以便根据至少三个光学标记建立一个空间直角坐标系，即基准坐标系为空间直角坐标系。本实施例中，光学标记在支撑装置上的位置不作限定，只要光学标记在支撑装置1上的位置是固定的即可，且光学标记相对于支撑装置的安装位置也是术前已知的，也即基准坐标系在支撑装置上的位置是已知的。进一步，光学标记可以是球形反光标记或贴纸型反光标记。
本实施例中，所述机械臂2通过机械臂固定装置5固定在支撑装置1上，且机械臂固定装置5相对于支撑装置1的位置固定且已知。所述机械臂固定装置5具体包括竖直设置的支架51和水平设置的悬臂52；所述支架51的一端固定在支撑装置1上，另一端连接悬臂52的一端，所述悬臂52的另一端连接机械臂2。本实施例中，所述机械臂2具有基座，所述基座固定在悬臂52上。所述机械臂2还具有基关节21，直接可转动地连接在所述基座上。本发明对机械臂2的构型不作限定，例如机械臂2由多个转动关节依次串联而成，且任意相邻两个转动关节之间通过关节臂连接。
本实施例中，所述机器人系统具有建立在机械臂2上的机械臂基坐标系，所述机械臂基坐标系相对于支撑装置1的位置是固定的，也即，机械臂基坐标系相对于基准坐标系的位置保持固定且在术前是已知的，这样便实现了机械臂2和光学导航跟踪设备4之间位置关系的配准，使光学导航跟踪设备4能够实时跟踪机械臂的位置。
进一步的，所述机械臂基坐标系优选设定在机械臂2的基关节21处，且机械臂2的基关节21相对于支撑装置1的位置固定且已知。进一步在本实施例中，所述导航手术系统200则根据悬臂52的长度以及悬臂52相对于支撑装置1的高度，获得机械臂2的基关节21相对于支撑装置的位置，即可确定机械臂基坐标系相对于支撑装置的位置。
与传统的机械臂注册方法相比，本发明的导航手术系统200无需在机械臂末端上安装靶标，即可配准机械臂和光学导航跟踪设备间的位置关系，故可省去拆装靶标的过程，因此，缩短了手术时间，减小了手术区域的暴露时间，降低了患者受感染的几率。而且这样的注册方式，在手术过程中，机械臂的位置不会受到机械臂运动时所产生的震动影响，因此，机械臂位置的准确性高，可靠性和实时性好，能够提高手术操作精度。进而仅需要进行骨骼注册，使光学导航跟踪设备4得到患者骨骼相对于支撑装置1的位置，光学导航跟踪设备4再将骨骼相对于支撑装置的位置信息发送给机器人系统，机器人系统根据骨骼的位置信息，即可知晓机械臂2相对于患者骨骼的位置，即可控制机械臂2进行截骨定位操作。本实施例中，骨骼注册可采用传统的注册方法，如医生手持靶标笔在患者骨头上选择感兴趣的注册点，导航跟踪设备4获取根据靶标笔选择的骨注册点坐标信息，将骨骼实物与导航中的骨骼模型匹配起来，并将该坐标信息反馈至控制器中，控制器以此可确定骨骼所在位置。
进一步优选的，在机械臂2末端可安装光学靶标，以跟踪机械臂末端的空间位置，这样可实现机械臂位置的冗余跟踪，提高手术系统的可靠性。此外，所述基准坐标系优选设置在支撑装置1的边角处，这样可以避免基准坐标系被医生或护士所遮挡，确保导航的有效性。
所述导航手术系统200还包括导航台车3，所述光学导航跟踪设备4直接安装在导航台车3上。进一步，所述导航系统通过线缆与机器人系统通讯连接。例如导航系统包括导航控制器，设置在导航台车3内。机器人系统包括机器人控制器，设置在支撑装置1的底部。所述导航控制器与机器人控制器通过线缆实现有线通信。导航台车3上还可设置显示器，以实时显示机械臂的位置或其他信息。
应知晓，在实际手术过程中，所述机械臂2的末端需要连接手术工具，所述手术工具包括但不限于针对关节外科的手术工具，还可以是脊柱外科的手术工具，或者是脑外科的手术工具等，而本发明中，所有实施例以关节置换手术工具为例进行说明，但不应以此作为对本发明的限定。
综上，通过应用本实施例的导航手术系统200，只需要机器人系统中，例如各个关节的位置传感器，实时地将机械臂末端的位置和姿态反馈给光学导航跟踪设备4即可，光学导航跟踪设备4即可知晓机械臂末端的空间位置并进行显示，以此达到实时地跟踪末端器械或手术工具的位置的目的。
实施例二
图3和图4分别为本发明实施例二提供的导航手术系统300在不同方位时的结构示意图。本实施例中提供的导航手术系统300与实施例一的导航手术系统200的结构基本相同，以下主要针对两者的不同点进行描述。
如图3和图4所示，本实施例的导航手术系统300还包括手术台车6，且机械臂2直接固定在手术台车6上，且手术台车6相对于支撑装置1的位置是固定且已知的。基于相同的原理，由于机械臂2的基关节21相对于手术台车1的位置是固定且已知的，故而机械臂基坐标系相对于支撑装置1的位置也是固定且已知的，因此，机械臂基坐标系与基准坐标系的位置关系也是已知的。
另外的不同是，本实施例的机械臂2的基座直接固定在手术台车6上，因此取消了机械臂固定装置5。此外，机器人控制器可设置在手术台车6内，并与导航台车3内的导航控制器通过线缆实现有线通信，在一些实施方式中，机器人控制器与导航控制器通过无线通信。
实施例三
图5为本发明实施例三提供的导航手术系统400的结构示意图。本实施例中提供的导航手术系统400与实施例二的导航手术系统300的结构基本相同，以下主要针对两者的不同点进行描述。
本实施例的基准坐标系不是建立在支撑装置1上，而是建立在手术台车6上。如图5所示，在手术台车6上设置一个光学靶标7，一个光学靶标7上通常有至少三个反光球，便于根据多个反光球建立基准坐标系。由于手术台车6相对于支撑装置1的位置是固定且已知的，故而基准坐标系相对于支撑装置1的位置也是固定且已知的。同理，由于机械臂基坐标系相对于手术台车6的位置也是固定且已知的，故而机械臂基座标系与基准坐标系的位置关系也是固定且已知的，使得机械臂2和光学导航跟踪设备4间的位置关系也是已知的。
实施例四
图6为本发明实施例四提供的导航手术系统500的结构示意图。本实施例中提供的导航手术系统500与实施例一的导航手术系统200的结构基本相同，以下主要针对两者的不同点进行描述。
如图6所示，光学导航跟踪设备4通过导航支臂8固定在支撑装置1上，这样便于使用者调节光学导航跟踪设备4的位置和姿态，提升手术效率，并且导航台车3可以远离支撑装置1，增加医生的活动空间。具体的，导航支臂8也是机械臂构型并具有若干自由度，在其末端连接光学导航跟踪设备4，以驱动光学导航跟踪设备4运动，调整光学导航跟踪设备4的位置和姿态。本实施例中，由于支撑装置1上设置有能够被光学导航跟踪设备4所识别的光学标记，而机械臂基关节21的位置相对于支撑装置1是固定的，类似的，导航支臂8的导航基关节81相对于支撑装置1的位置是已知的，故机械臂2相对于光学导航跟踪设备4的位置是已知的，不需要进行机械臂注册，仅需要通过骨骼注册，得到骨骼相对于支撑装置1的位置，导航系统即可将骨骼相对于支撑装置1的位置发送给机器人系统，机械臂2再进行截骨定位操作。
此外，本实施例的导航台车3内依然安装导航控制器，并通过线缆与支撑装置底部的机器人控制器通讯连接。另外，基准坐标系既可以建立在支撑装置1上，也可以建立在导航支臂8的导航基关节81处。
实施例五
图7为本发明实施例五提供的导航手术系统600的结构示意图。本实施例中提供的导航手术系统600与实施例四的导航手术系统500的结构基本相同，以下主要针对两者的不同点进行描述。
如图7所示，光学导航跟踪设备4通过导航支臂8固定在悬臂52上。本实施例中，机械臂2设置在悬臂5的下方，光学导航跟踪设备4设置在悬臂5的上方。此方式中，同样便于使用者调节光学导航跟踪设备4的位置和姿态，提升手术效率，并且导航台车3可以远离支撑装置1，增加医生的活动空间。
实施例六
图8为本发明实施例六提供的导航手术系统700的结构示意图。与实施例四的导航手术系统500所区别的是，本实施例的导航手术系统700无需进行骨骼注册，只需要预先标定骨骼相对于支撑装置的位置即可。
具体的，本实施例的导航手术系统700还包括手术对象固定装置(未标记)，用于将手术对象，如患者下肢9固定在支撑装置1上，并使患者下肢9相对于支撑装置的位置固定。并且所述导航系统700还包括用于在患者下肢9上标定多个特征点的靶标笔，使导航手术系统700根据多个所述特征点，获得患者下肢上手术区域(即目标区域)相对于机械臂的位置。因此，无需在患者下肢上安装额外的靶标，这样也省去了拆装靶标的过程，进一步缩短了手术时间。
例如图9a所示，在传统的骨骼注册过程中，需要在患者下肢9上安装靶标a进行骨骼注册。相反的，如图9b所示，本实施例中，无需在患者下肢9上安装靶标，只需要在患者下肢上利用靶标笔标定多个特征点，即可建立机械臂相对于骨骼的位置，因此，操作更为方便，进一步缩短了额外手术暴露时间。
实施例七
图10为本发明实施例七的导航手术系统800的结构示意图。本实施例中提供的导航手术系统800与实施例一的导航手术系统200的结构基本相同，以下主要针对两者的不同点进行描述。
本实施例中，由磁导航跟踪设备11替代光学导航跟踪设备4。进一步，所述磁导航跟踪设备11包括磁发射装置和磁定位装置，所述磁发射装置用于产生磁场，所述磁定位装置用于感应磁场并产生感应信号(如电压或电流信号)，从而导航系统根据所述磁定位装置的感应信号建立基准坐标系。本实施例中，所述磁发射装置设置在支撑装置1的底部，同时支撑装置上的光学标记被替代为至少一个磁定位装置(未图示)。也即，通过磁定位装置在支撑装置上建立基准坐标系。进一步，磁定位装置包括至少一个感应线圈。类似的，由于磁定位装置能够被磁导航跟踪设备11识别，且机械臂相对于支撑装置1的位置固定且已知，故而机械臂相对于磁导航跟踪设备11的位置也是已知的。相较于光学导航跟踪设备，该种模式不会受到手术过程中医生或者护士对于光学导航跟踪设备的遮挡导致导航失效的情况，提高了导航手术系统的可靠性。
实施例八
图11为本发明实施例八提供的导航手术系统900的结构示意图。本实施例中提供的导航手术系统900与实施例七的导航手术系统800的结构基本相同，以下主要针对两者的不同点进行描述。
如图11所示，磁导航跟踪设备11通过导航支臂8固定在支撑装置1上，且导航支臂8的导航基关节81相对于支撑装置1的位置是固定且已知的。此外，磁定位装置可以设置在支撑装置1上，也可以设置在导航支臂8的导航基关节81处，也可以设置在机械臂2的基关节21处。
实施例九
图12为本发明实施例九提供的导航手术系统1000的结构示意图。本实施例中提供的导航手术系统1000与实施例一的导航手术系统200的结构基本相同，以下主要针对两者的不同点进行描述。
如图12所示，惯性导航跟踪设备12代替光学导航跟踪设备4。进一步，所述惯性导航跟踪设备12包括惯导信息处理单元(相当于接收器)，可放置在支撑装置的底部。同时，所述导航系统还包括至少一个惯导标记物13，所述惯导标记物13能够被所述惯导信息处理单元所识别，也即惯导标记物13相对于支撑装置1的位置是已知且固定的。本实施例对惯导标记物13的位置不作限定，例如可以设置在患者下肢9上。因此，导航系统可以根据惯导标记物13建立基准坐标系。
相较于光学导航跟踪设备，惯性导航跟踪设备的使用避免了导航跟踪设备在手术过程中受到医生或者护士的遮挡，从而避免了导航失效的问题。此外，实际手术过程中，医生可通过惯导靶标笔14完成骨骼注册。另外，惯导信息处理单元可通过线缆与惯导标记物13通讯连接，且惯导信息处理单元可通过线缆与导航台车3内的导航控制器通讯连接。
在其他实施例中，如图13所示，惯导信息处理单元还可以设置在导航台车3内，且惯导标记物13与惯导信息处理单元无线连接，如通过蓝牙S实现无线传输。
在上述各个实施例中，支撑装置上的标记不限于反光标记、磁定位装置、惯导标记物，还可以是其他能够被导航跟踪设备所检测的方式，本发明对此不作限定。此外，光学标记在支撑装置上的数量以及排布方式也不作限定，只要在手术过程中，任意时刻至少有部分标记不被病人或医生、护士等遮挡，可以被导航跟踪设备所采集即可。
本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，进行图14所述的注册方法。
如图14所示，本发明实施例还提供一种导航手术系统的注册方法，包括：
步骤S1：在导航手术系统中建立能够被导航跟踪设备所识别的基准坐标系，并使所述基准坐标系与支撑装置间的相对位置固定；
步骤S2：在机械臂上建立机械臂基坐标系，并使所述机械臂基坐标系与支撑装置间的相对位置固定；
步骤S3：分别根据所述机械臂基坐标系与支撑装置的位置关系，以及所述基准坐标系与支撑装置的位置关系，确定所述导航跟踪设备与所述机械臂间的位置关系。
进一步，在建立所述机械臂基坐标系时，在机械臂的基关节上设置所述机械臂基坐标系，并使所述机械臂的基关节相对于支撑装置的位置固定。
进一步，在建立所述基准坐标系时，在手术台车、支撑装置或导航支臂的导航基关节上设置所述基准坐标系，并使所述手术台车或所述导航支臂的导航基关节相对于所述支撑装置的位置固定，使所述导航跟踪设备通过所述导航支臂固定于所述支撑装置上。
进一步，所述注册方法包括：将所述导航跟踪设备通过导航支臂固定于支撑装置上，以通过所述导航支臂调整末端连接的所述导航跟踪设备的位置和姿态。
进一步，所述注册方法包括：根据相对于支撑装置的位置固定的手术对象上所设置的多个特征点，确定手术对象上目标区域相对于机械臂的位置。
综上，根据本发明优选实施例提供的导航手术系统，通过标定机械臂基坐标系与能够被导航跟踪设备所识别的基准坐标系的位置关系，可直接实现机械臂和导航跟踪设备间位置的配准，而无需通过安装靶标的方式进行机械臂注册，因此，省去了机械臂注册的流程，缩短了手术时间，降低了手术区域长时间暴露而使患者受感染的风险。而且在手术过程中，由于不需要在机械臂上安装靶标，使得机械臂末端位置的采集不会受到机械臂运动过程中震动的影响，因此，机械臂末端位置采集的可靠性和实时性好，位置采集精度更高。
上述描述仅是对本发明优选实施例的描述，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，均属于本发明的保护范围。

Claims (25)

1.一种导航手术系统，其特征在于，包括通信连接的机器人系统和导航系统；所述机器人系统包括机械臂，所述导航系统包括导航跟踪设备；
所述机器人系统具有建立在所述机械臂上的机械臂基坐标系，所述机械臂基坐标系被配置为相对于支撑装置的位置固定；
所述导航系统具有能够被所述导航跟踪设备所识别的基准坐标系，所述基准坐标系被配置为相对于所述支撑装置的位置固定；
所述导航手术系统被配置为分别根据所述机械臂基坐标系与所述支撑装置的位置关系，以及所述基准坐标系与所述支撑装置的位置关系，确定所述机械臂和所述导航跟踪设备间的位置关系。
2.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，包括机械臂固定装置，所述机械臂通过所述机械臂固定装置固定于所述支撑装置上；所述机械臂固定装置包括竖直设置的支架和水平设置的悬臂；所述支架的一端固定在所述支撑装置上，另一端连接所述悬臂的一端，所述悬臂的另一端连接所述机械臂。
3.根据权利要求2所述的导航手术系统，其特征在于，所述机械臂具有基关节，所述基关节相对于所述支撑装置的位置固定，且所述机械臂基坐标系设定在所述基关节处。
4.根据权利要求3所述的导航手术系统，其特征在于，所述导航手术系统被配置为根据所述悬臂的长度以及悬臂相对于所述支撑装置的高度，获得所述机械臂基坐标系相对于所述支撑装置的位置。
5.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，还包括手术台车，且所述机械臂安装于所述手术台车上，所述手术台车相对于所述支撑装置的位置固定；所述机械臂具有基关节，所述基关节相对于手术台车的位置固定，且所述机械臂基坐标系设定在所述基关节处。
6.根据权利要求5所述的导航手术系统，其特征在于，所述基准坐标系设定在所述支撑装置上或手术台车上。
7.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，还包括导航支臂；所述导航跟踪设备通过所述导航支臂固定于所述支撑装置上，所述导航支臂具有若干自由度，以驱动所述导航支臂末端连接的所述导航跟踪设备运动，调整所述导航跟踪设备的位置和姿态。
8.根据权利要求7所述的导航手术系统，其特征在于，所述导航支臂具有导航基关节，且所述导航基关节相对于所述支撑装置的位置固定，所述基准坐标系设定在所述支撑装置上或所述导航基关节处。
9.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，还包括手术对象固定装置，用于将手术对象固定在所述支撑装置上，并使手术对象相对于所述支撑装置的位置固定；其中，所述导航系统还包括用于在手术对象上标定多个特征点的靶标笔，所述导航手术系统被配置为根据多个所述特征点，获得手术对象上目标区域相对于机械臂的位置。
10.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，所述导航跟踪设备为光学导航跟踪设备，且所述导航系统还包括多个光学标记，每个所述光学标记能够被所述光学导航跟踪设备所识别；多个所述光学标记用于建立所述基准坐标系。
11.根据权利要求10所述的导航手术系统，其特征在于，所述光学标记至少三个并且设置在所述支撑装置上。
12.根据权利要求10所述的导航手术系统，其特征在于，所述光学标记为球形反光标记或贴纸型反光标记。
13.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，所述导航跟踪设备为磁导航跟踪设备，所述磁导航跟踪设备包括磁发射装置和磁定位装置，所述磁发射装置用于产生磁场，所述磁定位装置用于感应磁场而产生电信号，以用于建立所述基准坐标系。
14.根据权利要求13所述的导航手术系统，其特征在于，所述磁定位装置包括感应线圈。
15.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，所述导航跟踪设备为惯性导航跟踪设备，所述导航系统包括至少一个惯导标记物，所述惯导标记物能够被所述惯性导航跟踪设备所识别，以用于建立所述基准坐标系。
16.根据权利要求15所述的导航手术系统，其特征在于，所述惯导标记物用于设置在手术对象上。
17.根据权利要求1所述的导航手术系统，其特征在于，所述机械臂的末端安装有靶标，所述靶标用于跟踪机械臂末端的空间位置。
18.一种导航手术系统的注册方法，所述导航手术系统包括通信连接的机器人系统和导航系统，所述机器人系统包括机械臂，所述导航系统包括导航跟踪设备，其特征在于，所述注册方法包括：
在导航手术系统中建立能够被导航跟踪设备所识别的基准坐标系，并使所述基准坐标系与支撑装置间的相对位置固定；
在机械臂上建立机械臂基坐标系，并使所述机械臂基坐标系与所述支撑装置间的相对位置固定；
分别根据所述机械臂基坐标系与所述支撑装置的位置关系，以及所述基准坐标系与所述支撑装置的位置关系，确定所述导航跟踪设备与所述机械臂间的位置关系。
19.根据权利要求18所述的导航手术系统的注册方法，其特征在于，在建立所述机械臂基坐标系时，在机械臂的基关节上设置所述机械臂基坐标系，并使所述机械臂的基关节相对于所述支撑装置的位置固定。
20.根据权利要求19所述的导航手术系统的注册方法，其特征在于，在建立所述基准坐标系时，在手术台车、所述支撑装置或导航支臂的导航基关节上设置所述基准坐标系，并使所述手术台车或所述导航支臂的导航基关节相对于所述支撑装置的位置固定，使所述导航跟踪设备通过所述导航支臂固定于所述支撑装置上。
21.根据权利要求20所述的导航手术系统的注册方法，其特征在于，所述机械臂通过机械臂固定装置固定于所述支撑装置上；所述机械臂固定装置包括竖直设置的支架和水平设置的悬臂；所述支架的一端固定在所述支撑装置上，另一端连接所述悬臂的一端，所述悬臂的另一端连接所述机械臂；其中，根据所述悬臂的长度以及悬臂相对于所述支撑装置的高度，确定所述机械臂基坐标系相对于所述支撑装置的位置。
22.根据权利要求18所述的导航手术系统的注册方法，其特征在于，所述注册方法包括：
将所述导航跟踪设备通过导航支臂固定于所述支撑装置上，以通过所述导航支臂调整末端连接的所述导航跟踪设备的位置和姿态。
23.根据权利要求18所述的导航手术系统的注册方法，其特征在于，所述注册方法包括：
根据相对于所述支撑装置的位置固定的手术对象上所设置的多个特征点，确定所述手术对象上的目标区域相对于所述机械臂的位置。
24.根据权利要求18所述的导航手术系统的注册方法，其特征在于，利用光学导航跟踪设备、磁导航跟踪设备或惯性导航跟踪设备识别建立所述基准坐标系。
25.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，进行权利要求18至24任一项所述的注册方法。
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