CN111345895A - 全膝关节置换手术机器人辅助系统、控制方法及电子设备 - Google Patents

全膝关节置换手术机器人辅助系统、控制方法及电子设备 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种全膝关节置换手术机器人辅助系统、控制方法、电子设备以及计算机可读介质。该辅助系统包括：术前规划系统，用于制定术前规划，术前规划数据包括膝关节图像；术中规划系统，用于制定术中规划，其中，将所述术前规划中的膝关节图像与术中确定的患者膝关节表面轮廓进行图像配准；获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据；可视化显示动态间距力线数据图；根据所述动态间距力线数据图的可视化显示，调整假体规划，得到术中规划；执行系统，其中，根据所述术中规划，引导安装于手术机器人机械臂操作端的截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器用于对截骨锯进行定位。

Description

全膝关节置换手术机器人辅助系统、控制方法及电子设备
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种全膝关节置换手术机器人辅助系统、控制方法、电子设备以及计算机可读介质。
背景技术
近年来,全膝关节置换术(total knee arthroplasty,TKA)作为治疗严重膝关节疼痛、畸形、功能障碍的一种有效的临床术式,在国内外得到了广泛的开展。人工关节置换手术的操作往往根据医生的经验和估算来决定，很难保证假体与患者股骨和胫骨配合的精准度。
与传统关节置换手术相比，手术机器人可术前进行个体化建模、测量和设计，保证术中精确安全操作，从而辅助完成个体化、精准化的人工关节置换，极大降低了患者因精准化问题造成的术后两腿长度不一、关节脱位、假体松动等情况的发生率。
医学实践发现，目前手术机器人辅助系统尚存在很多不足，例如图像未能完全配准、光学跟踪定位偏差、机器人运动误差等，这些因素导致机器人辅助系统最终的操作不准确，不能保证良好力线的重建，造成术后患者的不适感，同时影响假体的寿命。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本申请旨在提供一种具有更高精准度的全膝关节置换手术机器人辅助系统、控制方法、电子设备以及计算机可读介质,以指导医生更准确地截骨。
本申请的其该用户特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。
根据本申请的一个方面，提供一种全膝关节置换手术机器人辅助系统控制方法，包括：
生成术前规划，术前规划数据包括患者膝关节的图像；
生成术中规划，其中，将所述术前规划的膝关节图像与术中确定的患者膝关节表面轮廓进行图像配准；获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据；可视化显示所述动态间距力线数据图；根据所述动态间距力线数据的可视化显示，调整假体规划；
根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作，引导截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器安装于所述手术机器人的机械臂的操作端，用于对截骨锯进行定位。
根据本申请的一些实施例，所述获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据，包括：
采集下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；
根据所述运动轨迹信息，计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度。
根据本申请的一些实施例，所述调整假体规划包括：
接收用户交互的假体位置调整信息；
重新计算间距力线并刷新所述动态间距力线数据图。
根据本申请的一些实施例，所述假体位置信息包括：内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，还包括在生成术中规划之前对术前规划进行可视化调整。
根据本申请的一些实施例，还包括：
在所述根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作之前，在人机交互界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达规划位置且所述截骨引导器的通槽与相应截骨平面对准。
根据本申请的一些实施例，还包括:
在所述根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作之前，从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面；
根据假体规划，控制所述机械臂，使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
根据本申请的一些实施例，还包括:
更新假体规划数据；
从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；
根据更新的假体规划数据，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
根据本申请的一些实施例，其特征在于，
所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面分别为胫骨远端截骨平面、股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面中的一个。
根据本申请的第二方面，提供一种全膝关节置换手术机器人辅助系统，包括：
术前规划系统，用于制定术前规划，术前规划数据包括膝关节图像；
术中规划系统，用于制定术中规划，其中，将所述术前规划中的膝关节图像与术中确定的患者膝关节表面轮廓进行图像配准；获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据；可视化显示动态间距力线数据图；根据所述动态间距力线数据图的可视化显示，调整假体规划，得到术中规划；
执行系统，其中，根据所述术中规划，引导安装于手术机器人机械臂操作端的截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器用于对截骨锯进行定位。
根据本申请的一些实施例，其中，所述术前规划系统和术中规划系统设置于上位控制器中，所述执行系统设置于手术机器人中，所述上位控制器将所述术中规划发送给所述手术机器人，使得手术机器人能够根据规划执行相应操作。
根据本申请的一些实施例，其中，所述术中规划系统包括定位系统，所述定位系统包括股骨示踪器、胫骨示踪器和导航相机，所述股骨示踪器和胫骨示踪器分别设置在患者膝关节的股骨以及胫骨处，所述导航相机与所述胫骨示踪器和胫骨示踪器配合，采集并记录下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；
所述上位控制器与所述股骨示踪器、胫骨示踪器、导航相机通信连接，并且所述上位控制器配置为：根据所述运动轨迹信息，计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度，从而获取所述连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据。
根据本申请的一些实施例，其中，所述定位系统还包括扫描探针，所述扫描探针的一端具有扫描针尖，对患者膝关节进行扫描，另一端设置有多个示踪元件，所述多个示踪元件能够被所述导航相机识别，获得所述扫描针尖的运动轨迹；
所述上位控制器与所述扫描探针、导航相机通信连接，并且所述上位控制器配置为：根据所述扫描针尖的运动轨迹，得到膝关节表面轮廓数据，并将所述术前规划中的膝关节图像与术中得到的患者膝关节表面轮廓进行图像配准。
根据本申请的一些实施例，其中，所述股骨示踪器与所述导航相机配合，采集并记录膝关节的位置信息；
所述上位控制器配置为：根据所述膝关节的位置数据制定所述术中规划。
根据本申请的一些实施例，其中，所述定位系统还包括截骨引导器示踪器，所述截骨引导器示踪器安装在机械臂的操作端，所述截骨引导器可拆卸地安装在所述截骨引导器示踪器上，所述导航相机与所述截骨引导器示踪器配合，采集并记录截骨引导器的位置信息；
所述上位控制器与所述截骨引导器示踪器、导航相机通信连接，并且所述上位控制器配置为：根据所述截骨引导器的位置数据制定所述术中规划。
根据本申请的一些实施例，其中，所述上位控制器包括人机交互装置，用于显示所述动态间距力线数据图，并响应用户操作显示假体规划的调整。
根据本申请的一些实施例，其中，所述截骨引导器包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽，所述通槽用于容纳所述截骨锯。
根据本申请的一些实施例，其中，所述上位控制器配置为：
在置换操作各阶段响应用户利用所述人机交互装置的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面；
将包含选定截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
根据本申请的一些实施例，其中所述上位控制器还配置为：
更新假体规划数据得到新的术中规划；
响应用户利用所述人机交互装置的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；
将包含选定的另一截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
根据本申请的一些实施例，其中，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面分别为胫骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面中的一个。
根据本申请的一些实施例，其中所述截骨锯上安装有示踪器。
根据本申请的一些实施例，其中所述截骨锯的自由端安装有应变片。
根据本申请的一些实施例，其中所述截骨引导器示踪器为环形示踪装置。
根据本申请的一些实施例，还包括膝关节固定装置，设置于手术台，用于固定患者的膝关节。
根据本申请的一些实施例，其中所述人机交互装置包括显示屏，显示屏具有显示膝关节三维图像的第一窗口和显示膝关节动态间隙力线数据的第二窗口，所述第一窗口与所述第二窗口相关联，通过第一窗口对假体位置信息进行调整时，第二窗口显示该位置下的膝关节动态间隙力线图。
根据本申请的一些实施例，其中所述假体位置信息包括：内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，其中，在第二窗口选择屈伸角度，显示当前角度下的膝关节动态间隙力线图，第一窗口则显示对应屈伸角度的膝关节和假体三维图像。
根据本申请的第三方面，提供一种全膝关节置换手术机器人辅助系统，包括：上位控制器、手术机器人、股骨示踪器、胫骨示踪器、截骨引导器示踪器、扫描探针、导航相机，
所述上位控制器提供术前规划和术中规划，并将所述术中规划发送到所述手术机器人，
所述股骨示踪器和所述胫骨示踪器分别设置在患者膝关节的股骨以及胫骨处，所述导航相机与所述胫骨示踪器和胫骨示踪器配合，在术中采集下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；
所述导航相机与所述扫描探针配合，采集所述患者膝关节的表面轮廓数据；
所述导航相机与所述股骨示踪器配合，采集所述患者膝关节的位置信息；
所述截骨引导示踪器一端连接有用于安装截骨工具的截骨引导器，另一端连接在所述手术机器人的机械臂的操作端，所述导航相机与所述截骨引导器示踪器配合，采集所述截骨引导器的位置信息；
所述上位控制器与所述机器人、股骨示踪器、胫骨示踪器、截骨引导器示踪器、导航相机通信连接，并且配置为：根据采集的膝关节位置信息、截骨引导器的位置信息、膝关节表面轮廓数据、连续屈身角度下的运动轨迹信息生成所述术中规划，
所述机器人接收所述术中规划，并根据所述术中规划控制所述机器人的机械臂，使得所述截骨引导器位于规划中的预定位置。
根据本申请的一些实施例，其中，所述辅助系统包括与所述上位控制器通信连接的人机交互装置，所述人机交互装置用于显示所述动态间距力线数据图，并响应用户操作显示假体规划的调整。
根据本申请的一些实施例，其中，所述截骨引导器包括多个通槽，每个通槽与相邻通槽之间保持预定角度，所述通槽用于容纳所述截骨工具。
根据本申请的一些实施例，其中，所述上位控制器配置为：
在置换操作各阶段，响应用户利用所述人机交互装置的操作，分别从根据术中规划确定的多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面；
将包含选定截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的至少一个通槽与选定的截骨平面对准，并使得所述截骨引导器位于相应规划位置。
根据本申请的一些实施例，其中，所述截骨引导器包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。
根据本申请的一些实施例，其中所述上位控制器还配置为：
更新假体规划数据得到新的术中规划；
响应用户利用所述人机交互装置的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；
将包含选定的另一截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
根据本申请的一些实施例，其中，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面分别为胫骨远端截骨平面、股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面中的一个。
根据本申请的一些实施例，其中所述截骨引导器示踪器为环形示踪装置。
根据本申请的一些实施例，还包括膝关节固定装置，设置于手术台，用于固定患者的膝关节。
根据本申请的一些实施例，其中所述人机交互装置包括显示屏，显示屏具有显示膝关节三维图像的第一窗口和显示膝关节动态间隙力线数据的第二窗口，所述第一窗口与所述第二窗口相关联，通过第一窗口对假体位置信息进行调整时，第二窗口显示该位置下的膝关节动态间隙力线图。
根据本申请的一些实施例，其中所述假体位置信息包括：内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离中的至少一种。
根据本申请的一些实施例，其中，在第二窗口选择屈伸角度，显示当前角度下的膝关节动态间隙力线图，第一窗口则显示对应屈伸角度的膝关节和假体三维图像。
根据本申请的第四方面，提供一种利用手术机器人辅助系统进行全膝关节置换的控制装置，包括：
术前规划获取模块，获得术前规划；
术中规划获取模块，获取术中规划，包括：
图像配准模块，将术前规划数据中的膝关节图像与术中膝关节表面轮廓进行图像配准；
可视化显示模块，显示配准后的膝关节图像和所述动态间隙力线数据图；
调整模块，根据所述动态间距力线数据的可视化显示，调整假体规划；
操作控制模块，根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作，引导截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器安装于所述手术机器人的机械臂的操作端，用于对截骨锯进行定位。
根据本申请的第五方面，提供一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如前面所述的方法。
根据本申请的第六方面，提供一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如前面所述的方法。
本申请提供的全膝关节置换手术机器人辅助系统和控制方法允许医生在患者下肢可达的屈伸角度下，对关节假体的位置以及截骨方案进行调整，有效改善力线的重建以及术后的软组织平衡。并且本申请提供的全膝关节置换手术机器人辅助系统具有更高精准度，因此可以借助本申请提供的手术机器人辅助系统实现对应假体的胫骨、股骨上六个截骨平面的精准定位和截骨操作，避免了传统辅助系统采用四合一切削导向装置截骨带来的销钉钉入股骨的二次伤害。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1A为根据本申请示例实施例的全膝关节置换手术机器人辅助系统的框架示意图；
图1B为根据本申请示例实施例的术中规划制定过程示意图；
图2为根据本申请示例实施例的全膝关节置换手术机器人辅助系统的组成示意图；
图3为根据本申请示例实施例的人机交互界面示意图一；
图4为根据本申请示例实施例的动态间距力线图；
图5为根据本申请示例实施例的人机交互界面示意图二；
图6为根据本申请示例实施例的扫描探针的示意图；
图7为根据本申请示例实施例的截骨引导器的示意图；
图8为根据本申请示例实施例的截骨引导器示踪器的示意图；
图9A为根据本申请示例实施例的膝关节固定器的示意图；
图9B为应用于图9A所示膝关节固定器中的夹具组件的示意图；
图10为根据本申请示例实施例的假体示意图；
图11为根据本申请示例实施例的全膝关节置换手术机器人辅助系统的控制流程图；
图12为根据本申请示例实施例的全膝关节置换手术机器人辅助系统的控制装置；
图13为根据本发明根据本发明实施例的电子设备的框图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置或等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
附图中所示的方框图不一定必须与物理上独立的实体相对应。可以采用软件、或在一个或多个硬件模块和/或可编程模块中实现这些功能实体或功能实体的一部分，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制装置中实现这些功能实体。
附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
下面结合图1A阐述本申请的技术构思。图1A为根据本申请示例实施例的全膝关节置换手术机器人辅助系统的框架示意图。
如图1A所示，本发明提供一种具有更高精度的全膝关节置换手术机器人辅助系统，包括：术前规划系统10、术中规划系统20和执行系统30。
术前规划系统10制定术前规划，术前规划可在术前端工作站完成。首先，用户(工程师)将从医院获得的患者的计算机断层摄影(CT)或磁共振成像(MRI)图像数据集输入术前端工作站，生成患者的骨骼解剖结构的三维(3D)模型；将假体制造商提供的假体数据(3-D计算机辅助设计模型) 加载到术前端工作站。这样，用户可以尝试将假体放置到骨骼解剖结构的 3D模型中，以初步选定假体，并指定假体与骨骼的最佳配合位置和方向，制定初步的术前规划。
术前规划依据的是患者的3D重构模型，存在一定的误差且仅能反应出骨骼的静态信息。因此需要根据患者实际的骨骼状况，包括骨骼动态状况，对术前规划进行调整，即制定术中规划。术中规划由术中规划系统20 执行，可由放置于手术室的术中端工作站完成。在术中根据患者的下肢力线以及下肢动态位置信息对术前规划进行调整，以达到更优的手术效果。
现有的术中规划调整方法能够为医生提供患者下肢屈伸角度为0度和 90度两种状态下的下肢力线信息、间距信息。医生可依据上述信息在术中调整假体规划位置、优化截骨方案。然而，膝关节可达的屈伸角度范围为 -10度至130度，显然仅仅依据屈伸角度为0度和90度下的信息来调整术中规划，得到的规划位置和截骨方案并不准确，这将导致最终假体的放置，不能使患者像正常人一样在蹲、坐、上下楼梯等姿态具有舒适的感觉。
本申请允许医生在患者下肢可达的屈伸角度范围内，通过对关节假体上下、左右平移，以及顺时针和逆时针的旋转等操作，对关节假体的位置以及截骨方案进行调整。并且，通过动态间隙力线数据图为医生提供了直观、灵活的规划依据，有效改善力线的重建以及术后的软组织平衡。
现在结合附图1A、1B、3、4、6，对本申请示例实施例的方案做整体性介绍。图1B是本申请示例实施例的术中规划制定过程示意图，图3为根据本申请示例实施例的人机交互界面示意图一，图4为根据本申请示例实施例的动态间距力线图，图6是根据本申请示例实施例的扫描探针的示意图。
参见图1A，如前所述，全膝关节置换手术机器人辅助系统包括术前规划系统10、术中规划系统20和执行系统30。
术前规划系统
术前规划系统10制定术前规划。术前规划在术前端工作站实现。首先，用户(工程师)将假体制造商提供的假体数据(3-D计算机辅助设计模型)加载到术前端工作站，并将从医院获得的患者的计算机断层摄影 (CT)或磁共振成像(MRI)图像数据集输入术前端工作站。之后，根据获取的CT或MRI图像，将股骨和胫骨感兴趣区域(ROI)的骨骼表面提取出来，并把股骨和胫骨分离开，成为两个独立的3D模型。在3D模型上预生成用于后续图像配准的配准点和校验点(可以是骨性标志点)。将所需关节假体模型放置到骨骼解剖结构的3D模型中。确定出股骨和胫骨的坐标系，并基于坐标系对股骨和胫骨三维图像进行转正。调整关节假体的位置和方向，以实现关节假体与骨骼的术前优化配合，在此基础上得到术前规划。
通过术前规划得到的数据包括：关节假体型号等假体数据以及初步的截骨方案等。假体数据进一步包括关节假体的三维模型数据及其与人体解剖学相应的空间定义。初步截骨方案包括，通过关节假体与患者骨骼模型的三维规划生成的与规划的关节假体相匹配的空间位置及其截骨平面等。
术中规划系统
术中规划系统20制定术中规划。如图1B所示，术中规划由设置在手术室中的术中端工作站实现。根据本申请一个示例实施例，术中端工作站可以与术前端工作站合二为一，如图2所示，上位控制器同时完成术中端工作站与术前端工作站的工作。
图1B是术中规划制定过程示意图。首先，在图1B所示的S100中，将术前规划中转正的膝关节图像与患者膝关节图像进行图像配准。具体地，将术前规划图像与患者膝关节表面轮廓进行图像配准。下面结合图6对图像配准做相关说明。在手术中，医生使用如图6所示的扫描探针1400的针尖1401点触膝关节一些位置，比如骨性标志点。光学跟踪设备，例如图2中的导航相机1093，跟踪扫描探针1400的一端上的示踪元件1402，从而示出所点触的位置。如果配准结果准确，在图像上也会显示出相应的点，如果配准结果不准确，则需要重新进行配准，直至结果满足相应要求。根据本申请的一个示例实施例，通过点云配准算法，分别实现股骨和胫骨关节表面的精确配准。例如，可先进行六个标记点的粗略配准，然后进行多点的精细配准，最后对配准结果进行校验。
图像配准之后，在图1B所示的S200中，获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据。根据本申请的示例实施例，包括采集下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；根据所述运动轨迹信息，计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度。具体地，例如，在膝关节的股骨以及胫骨处设置示踪器；下肢在连续屈伸过程中，通过导航相机对所述示踪器进行连续跟踪，采集并记录所述膝关节的运动轨迹信息。其中，间距包括第一间距、第二间距。第一间距为假体的股骨内侧髁外表面与胫骨截骨平面的最小间距，第二间距为假体的股骨外侧髁外表面与胫骨截骨平面的最小间距。力线角度为股骨机械轴线与胫骨机械轴线之间的夹角。
接着，在如图1B所示的S300中，显示该动态间距力线数据图，并根据该图，在图1B所示的S400中，可视化调整假体规划，得到术中规划。动态间距力线数据图如图4所示，包括第一间距曲线610、第二间距曲线 620和力线角度变化曲线630。第一间距曲线610是以下肢屈伸角度为纵坐标、以所述第一间距为横坐标绘制而成。第二间距曲线620是以下肢屈伸角度为纵坐标、以所述第二间距为横坐标绘制而成。力线角度变化曲线 630是以下肢屈伸角度为纵坐标、以所述力线角度为横坐标绘制而成。图 3示出根据示例实施例的人机交互界面的示意图一。该界面提供了可交互编辑的假体位置信息，包括内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离等。医生可以通过可视化显示界面，在界面左侧的窗口交互调整假体位置。根据接收的假体位置调整信息，重新计算间距力线并在该界面右侧窗口刷新所述动态间距力线数据图。
通过假体位置调整信息和动态间隙力线的可视化显示，为医生提供了直观、清晰的规划调整结果。医生可以根据动态间距力线数据图的可视化显示，不断的调整假体位置信息，直至动态间距力线数据图显示的信息达到医生的要求为止。
第一间距、第二间距可采取如下方式得到：首先，计算假体股骨外表面曲面在人体中立位垂直轴上的最低点。其中，计算第一间距时，采用的是假体股骨内侧髁的外表面。计算第二间距时，采用的是假体股骨外侧髁的外表面。接下来，计算所述最低点至胫骨截骨平面的距离。由此计算出的距离，是一个三维空间曲面到三维空间平面的距离，更能真实的反应膝关节的运动状态。
力线角度可以采用如下方法计算：分别将股骨、胫骨机械轴线在人体中立位冠状面上进行投影获得股骨投影轴线、胫骨投影轴线，计算所述股骨投影轴线与所述胫骨投影轴线之间的夹角。
根据一些实施例，在获取动态间距力线数据之前，通过一定的算法获取下肢力线。具体的，需要考虑对股骨头中心的要求，标记出骨性标记点，以确定股骨髁中心、胫骨平台中心以及踝穴中心。股骨头中心和股骨髁中心确定一条线段，胫骨平台中心和踝穴中心确定一条线段，从而获得真实的下肢力线。两个线段在冠状面上的投影所形成的夹角即为力线夹角。
通过术中规划得到的数据包括：关节假体型号等假体数据以及最终的截骨方案等。假体数据包括关节假体的三维模型数据及其与人体解剖学相应的空间定义。最终的截骨方案包括，通过关节假体与患者骨骼模型的三维规划生成的与规划的关节假体相匹配的空间位置及其截骨平面等。
执行系统
执行系统30可由手术机器人实现，其中，根据调整后的假体规划执行置换操作，引导安装于手术机器人机械臂操作端的截骨引导器位于规划中的预定位置，截骨引导器用于对截骨锯进行定位。
上文对手术机器人辅助系统做了整体性介绍，接下来借助图2从实施层面加以说明。图2示出根据本申请示例实施例的一种具有更高精度的全膝关节置换手术机器人辅助系统的组成示意图。如图2所示，全膝关节置换手术机器人辅助系统可包括上位控制器101、人机交互装置103、手术机器人105、扫描探针1400、截骨引导器107、膝关节示踪器109、截骨引导器示踪器1111以及导航相机1093。
上位控制器101可完成图1B中术前端工作站和术中端工作站的任务，即包括图1中的术前规划系统10和术中规划系统20，能够分别制定术前规划和术中规划，并将术中规划传送到执行系统30——手术机器人105，以进行正确的截骨操作。
具体地，上位控制器101分别与人机交互装置103、手术机器人105 及导航相机1093通信连接，接收人机交互装置103及导航相机1093传送的信息，并向人机交互装置103、手术机器人105及导航相机1093发送相关信息或指令。
在一些实施例中，上位控制器101还与扫描探针1400、截骨引导器 107、膝关节示踪器109、截骨引导器示踪器1111等通信连接，例如控制这些部件的启用等。
其中，膝关节示踪器109、截骨引导器示踪器1111、扫描探针1400 以及导航相机1093构成定位组件。
截骨引导器示踪器1111一端安装在手术机器人105的机械臂1051的操作端，另一端可拆卸地安装有截骨引导器107。截骨引导器107上安装截骨锯，对股骨、胫骨进行截骨操作。截骨引导器示踪器1111可以设置红外发射器或者反光球等示踪元件。导航相机1093包括光学传感器，可以接收截骨引导器示踪器1111的示踪元件发出的信号。导航相机1093将上述信息发送至上位控制器101，上位控制器101确定截骨引导器107的位置信息，该位置信息将作为规划机械臂的手术路径的依据，用于形成术中规划。
膝关节示踪器109包括分别设置在股骨和胫骨上的股骨示踪器1091、胫骨示踪器1092，股骨示踪器1091、胫骨示踪器1092均可示出膝关节的位置，通常使用股骨示踪器1091和导航相机1093配合，采集膝关节的位置信息。导航相机1093将上述信息发送至上位控制器101，上位控制器 101确定膝关节的位置，该位置信息将作为规划机械臂的手术路径的依据，用于形成术中规划。
此外，股骨示踪器1091、胫骨示踪器1092还可以和导航相机1093 配合，采集并记录下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息。导航相机 1093将上述信息发送至上位控制器101，上位控制器101根据运动轨迹信息，按照前述方法计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度，从而获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线。该动态间距力线信息将作为调整规划的重要依据，用于形成术中规划。
扫描探针1400与导航相机1093相配合，以采集患者膝关节表面轮廓数据。具体的，如图6所示，扫描探针1400的一端具有扫描针尖1401，对患者膝关节进行扫描，另一端设置有多个示踪元件142，所述多个示踪元件1402能够被所述导航相机1093识别。同样的，导航相机1093将上述信息传送至上位控制器101，获得扫描针尖1401的运动轨迹，得到膝关节表面轮廓数据，该数据用于术中的图像配准，以便形成术中规划。
形成的术中规划包括最终的截骨方案，该截骨方案进一步包括通过关节假体与患者骨骼模型的三维规划生成的与规划的关节假体相匹配的空间位置、截骨平面以及最终形成的截骨引导器的手术路径等。其中，截骨锯的手术路径根据截骨平面数据、膝关节示踪器109获得的膝关节位置信息、截骨引导器示踪器1111获得的引导器位置信息确定。
人机交互装置103，例如在一个实施例中，具有两个或多个显示屏。其中，一个显示屏1031与上位控制器101一起构成上位机，提供术前规划阶段的人机交互；另一个显示屏1032在手术过程中提供给医生进行假体规划的可视化调整。这两个显示屏可以采用相同类型，也可采用不同类型。显示屏1032多采用触摸屏，以方便医生术中的操控。
下面结合图3-5说明利用人机交互装置103进行假体规划的调整。
图3示出根据本申请示例实施例的全膝关节置换手术机器人辅助系统人机交互界面一。
如图3所示，所述交互界面包括左侧窗口和右侧窗口。左侧窗口显示了三个膝关节视图，分别代表屈伸角度为0°、45°和90°时的膝关节和假体状态。此外，左侧窗口还提供了可编辑的假体数据参数供医生调整规划。具体包括：
内外翻角度：股骨、胫骨假体与骨的内翻、外翻成角 (Varus/Valgus)。当假体与骨相对内翻时，显示内翻的度数(Varus)。若为0度，显示为内翻或外翻0度(Varus/Valgus)。当假体与骨相对外翻时，则显示外翻的度数(Valgus)。
内外旋角度：股骨、胫骨假体与骨的内旋、外旋成角 (External/Internal)。当假体与骨相对外旋时，显示外旋的度数(External)。若为0度，显示为内旋或外旋0度(External/ Internal)。当假体与骨相对内旋时，则显示内旋的度数(Internal)。
规划力线角度(Planned Varus/Valgus)：当前选中下肢屈伸角度下规划的下肢力线角度。
右侧窗口显示动态间距力线数据图，将结合图4对其进行详述。
如图4所示，根据本申请提供的可视化动态间距力线数据图600包括：第一间距曲线610、第二间距曲线620以及力线角度变化曲线630。其中，第一间距曲线610、第二间距曲线620、力线角度变化曲线630的纵坐标均为下肢屈伸角度。人体膝关节可达的屈伸角度为-10°至130°。
参见图4，第一间距曲线610以第一间距为第一横坐标，第二间距曲线620以第二间距为第二横坐标。第一横坐标与第二横坐标共用原点形成间距横坐标。间距横坐标可以设置于所述动态间距力线数据图的下方，向左右两侧延伸，所述第一间距曲线与所述第二间距曲线分别设置于所述间距横坐标原点的两侧。
如图4所示，力线角度变化曲线630以力线角度为横坐标。力线角度横坐标可以设置于所述动态间距力线数据图的上方。原点位于中间位置，原点的一侧为正、另一侧为负。力线角度控制在-3°至3°之间，术后软组织可以达到较好的平衡。
图5示出根据本申请示例实施例的人机交互界面示意图二。根据本申请示例实施例的手术机器人辅助系统，不仅为医生提供了可视化的数据显示，还为医生提供了可交互的规划调整。
当医生在图5的左侧窗口调整假体参数信息时，例如调整内外翻角度、内外旋角度等，交互式界面接收到调整后的假体参数信息后，通过在前描述的计算方法重新计算第一间距、第二间距以及力线角度，并将调整后的动态间距力线数据图实时地显示在交互界面的右侧窗口。如图5所示，为假体参数调整后的交互界面。
交互界面中左侧窗口与右侧窗口是相关联的，如图5所示，通过左侧窗口对假体位置信息进行调整时，右侧窗口显示该位置下的膝关节动态间隙力线图。同时，也可以通过右侧窗口选择不同下肢屈伸角度，左侧窗口相应显示该角度下三个膝关节视图，医生可以根据这些膝关节视图和当前间距力线图判断假体位置是否适当、力线是否理想等，可以在左侧窗口对该角度下假体位置信息进一步调整。
可见，根据本申请实施例，医生可以在下肢可达到的屈伸角度范围内的任一屈伸角度对假体规划进行调整，因而能够得到接近人体真实活动下的假体规划，按照该规划进行的膝关节置换，显然具有更高的精准度。
图7示出根据本申请示例实施例的截骨引导器的示意图。参见图7，根据本申请实施例的截骨引导器107可包括第一通槽1071和与所述第一通槽1071交叉的第二通槽1073，但本申请不限于两个通槽，例如可以设置成一定角度分布的多个通槽。根据一些实施例，第一通槽1071与第二通槽1073可成90度，但本申请不限于此。在执行阶段，当第一通槽1071或第二通槽1073定位为与截骨平面对准时，医生可将截骨锯插入通槽中，手动执行截骨操作。第一通槽1071和第二通槽1073可设置于截骨引导器107的主体1070。
一般的截骨引导器仅有单一导向路径，手术中截骨锯转换多个方向时，只能依靠机械臂的运动来实现。如果多个方向的变化角度很大，机械臂的运动姿态可能会遮挡住手术操作者的视野或者遮挡住导航相机的视野。而根据本申请，截骨锯可以放置于不同的通槽1071或1073内来实现不同方向和位置的截骨操作，故机械臂可以尽可能地保持较少的运动，使得安装在机械臂操作端的示踪器在导航相机的空间内视角更好，可以提高机械臂末端的姿态精度。此外，不会影响手术操作者的视野，便于手术的顺利进展。
图8示出根据示例实施例的可设置于手术机器人机械臂操作端的截骨引导器示踪器1111。
参见图8，根据示例实施例的截骨引导器示踪器1111可包括基座和多组示踪元件。
根据示例实施例，基座可具有多个第一示踪面3011和至少一个第二示踪面3013。所述多个第一示踪面3011位于所述基座侧面，所述至少一个第二示踪面3013位于与所述基座侧面相交的端面或台阶面。
根据示例实施例，多组示踪元件分别设置于所述多个第一示踪面 3011和所述至少一个第二示踪面3013。每组示踪元件可分别包括至少三个不共线的示踪元件3031。多组示踪元件沿基座301的周向分布，同一组示踪元件所包括的各示踪元件3031中，任意两个示踪元件3031的法向夹角小于等于20°。
根据示例实施例，截骨引导器示踪器1111为环形示踪器，基座301 的主体可大致为圆柱形或棱柱，包括与轴线基本平行的侧面，以及与侧面基本垂直的两个端面。此外，为了减小手术端的力矩，根据一些实施例，可将基座设置成由多个截面积递减的圆柱或棱柱相互连接而成的阶梯塔状。
本申请实施例提供的示踪设备，通过多组沿基座的周向设置，扩大了示踪设备可以被光学测位仪识别的范围。同时，限定同一组示踪元件所包括的各示踪元件3031中，任意两个示踪元件3031的法向夹角小于等于 20°，使示踪设备在机械臂旋转过程中更容易被光学测位仪所识别，减少机械臂旋转时光学测位仪丢失示踪设备的位置的情况发生，提高了定位的精准度。
此外，本申请相对于传统手术机器人辅助系统增加了膝关节固定器，在图2中以附图标记104表示，如图2所示，膝关节固定器104固定在手术台102上。
下面结合图9A、9B对膝关节固定器104进行详述。图9A示出根据本申请示例实施例的膝关节固定器的整体。图9B示出用于图8A中膝关节固定器的夹具组件。
图9A所示的膝关节固定器可用于在术中对患者的膝关节进行固定。如图9A所示，膝关节固定器包括底座200、支架300、股骨夹具400和足夹具500。
底座200位于膝关节固定装置的最下端，为其它各个部件提供支撑。支架300安装在底座200上，支架300包括支撑柱304，用于支撑膝关节。
用于夹紧股骨的股骨夹具400安装在支架300的顶端的两侧。股骨夹具400包括两组夹具组件100(稍候详述)和锁紧机构，可锁紧夹具组件100的导向架于支架300的顶端，并且可以相对锁紧夹具组件100的导向架110与支撑柱304的角度。锁紧机构可选用已有的凸轮手柄式锁紧机构。
用于夹紧足部的足夹具500可移动的安装在底座200上。足夹具500 包括足底架501、足托502、两组夹具组件100和锁紧机构。两组夹具组件100分别安装在足底架501的相对的两侧壁上，用于夹紧踝骨。通过锁紧机构可锁定夹具组件100的导向架11相对于足底架501的位向。
根据一个可选的方案，膝关节固定装置还包括胫骨夹具600。胫骨夹具600安装在支架300的顶端的两侧，包括两组夹具组件100，用于夹紧胫骨。
图9B是应用于图9A所示膝关节固定器中的夹具组件的立体图。如图所示，夹具组件100包括：导向架110、滑块120、调距轴130和压头 140。
导向架110为长条形，导向架110表面形成有贯通的导向孔111，导向孔111的外侧、于导向架110的一端设有安装孔113，用于固定安装导向架110。滑块120安装在导向孔111中并可沿导向孔111滑动。滑块 120上设有贯通的轴孔。调距轴130可移动的安装在滑块120的轴孔内，即调距轴130可沿轴孔的轴线伸出或退回。压头140铰接安装在调距轴 130的端部，可对骨头实现压紧。
采用图9A所示的膝关节固定器，能够在膝关节置换手术中对股骨和/ 或胫骨进行完全的固定，从而减少手术过程中对其他组织的误伤。此外，膝关节固定器的使用为患者膝关节更精准地定位和截骨作业提供了便利。当然本申请不限于图9A所示的膝关节固定器，还可以采用其他结构的固定装置，只要能对患者下肢进行固定即可。
下面结合图10对膝关节平面的切屑做详细说明。
在全膝关节置换手术中，制定术中规划后，根据该规划执行对股骨和胫骨的切削，即截骨操作，最后放置假体，完成整个手术。图10为假体的示意图，如图10所示，假体的轮廓是确定的。为了跟假体配合，置换手术中对患者胫骨仅切削一刀，对应于如图10所示的远端截骨平面；对股骨切削五刀，分别对应于如图10所示的远端截骨平面、前髁斜截骨平面、后髁斜截骨平面、前髁截骨平面、后髁截骨平面。目前，手术机器人在对股骨进行切削时，首先根据术中规划由机器人自动切削远端截骨平面，然后在该远端截骨平面上安装四合一切削导向装置，完成对股骨其他四刀的操作。之所以采取四合一切削导向装置，原因在于目前手术机器人精准度有限，难以保证对每个截骨平面的精准定位和切削，因此利用远端截骨平面和其他截骨平面的位置关系来减少需要定位的截骨平面的数量。显然，对于此种切削方案，其他四刀的准确性取决于远端截骨平面，一旦远端截骨平面定位和切削不准确，将导致其他四个截骨平面均存在误差。
本申请旨在提供一种具有更高精准度的全膝关节置换手术机器人辅助系统，为此采取了诸多改善手术机器人精度的措施，例如在前描述的，通过动态间距力线图改善术中规划的精准度，通过膝关节固定器确保定位和截骨作业的精准，通过截骨引导器的环形示踪器提高截骨引导器的定位准确度等，因此本申请可以借助手术机器人辅助系统实现对每一截骨平面的精准定位和截骨操作，从而完成对股骨的五刀截骨，而不需要在股骨上安装四合一切削导向装置。安装四合一切削导向装置需要将销钉打入股骨予以固定，本申请舍弃四合一，而采用对股骨的五刀操作，避免了由于销钉钉入股骨带来的二次伤害。
具体地，在切削作业时，从人机交互装置103的交互界面上提供的多个截骨平面中选定第一截骨平面，从而手术机器人105的机械臂1051被引导，使得固定于所述机械臂操作端的截骨引导器107的通槽与所述第一截骨平面对准，并且所述截骨引导器107定位于相应规划位置。例如，在交互界面上，医生可根据术前规划和现场情况，决定要执行的第一截骨平面，通常选择胫骨上对应假体远端截骨平面的平面。在选定截骨平面之后，手术机器人105根据上位控制器101发送的术中规划，控制机械臂1051 将截骨引导器107引导至规划位置，且截骨引导器107的通槽与第一截骨平面对准，从而医生可将截骨锯插入截骨引导器107的通槽执行截骨。
在完成对第一截骨平面的切削后，在人机交互装置103的交互界面上，根据术中规划和现场情况，医生可决定接下来要执行的第二截骨平面。在选定第二截骨平面后，通过机械臂1051的运动将截骨引导器107引导至新的规划位置，且截骨引导器107的通槽与第二截骨平面对准，从而医生可将截骨锯插入截骨引导器107的通槽中执行第二刀截骨作业。例如，第二截骨平面可以为远端截骨平面、前髁斜截骨平面、后髁斜截骨平面、前髁截骨平面、后髁截骨平面中的另一个。以此类推，经过多次类似的操作，可完成全膝关节置换操作中截骨引导器107相对于多个截骨平面的定位和截骨操作。
根据一些实施例，在选定截骨平面之后，首先实施机械臂模拟，再进行截骨作业。具体的，基于所述规划数据，在人机交互装置103的界面中模拟引导机械臂1051，使得截骨引导器107到达规划位置且所述截骨引导器107的通槽分别与所选择的截骨平面对准。根据模拟过程，医生可检查置换操作的假体规划，确认在机械臂1051移动过程中不会与其他物体发生干涉或碰撞，同时，也对机械臂1051的定位进行核验。
根据一些实施例，在一个截骨平面的执行结束之后，还可根据截骨后的具体情况对术中规划进行调整，并更新规划数据，之后在人机交互装置 103的界面上从多个截骨平面中选定下一个截骨平面进行截骨作业。根据实际作业情况对下一刀的截骨作业规划进行调整，使得后续截骨平面的确定更加精准。
在一个实施例中，截骨锯上安装有示踪器，例如红外反射器或其他示踪元件，导航相机1093通过截骨锯上的示踪器实时获取截骨锯的位置信息，显示屏1093上实时显示截骨锯与患者骨骼之间的相对位置关系，从而以直观方式引导医生的截骨操作。
在一个实施例中，截骨锯在自由端安装有应变片，上位控制器101利用应变片采集截骨锯的弯曲变量值，并将其与预先存储的阈值进行比较，当变量值超出该阈值时，发出警告。通过设置应变片，能够确保正在操作的截骨锯的参数符合设定的精度要求，提高截骨准确性。
图11示出根据本申请示例实施例的用于全膝关节置换手术机器人辅助系统的控制方法。
该控制方法包括：S10生成术前规划；S20生成术中规划；S30手术机器人的控制操作。
在S10中，根据获取的CT或MRI图像得到术前规划，包括关节假体型号等假体数据以及初步的截骨方案等。
在S20中，生成术中规划。具体地，将术前规划图像与患者膝关节表面轮廓进行图像配准；获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据；可视化显示所述动态间距力线数据图；根据所述动态间距力线数据的可视化显示，调整假体规划。上文已经对各个步骤进行了说明，在此不再赘述。
在S30中，对操作进行控制。将调整后的假体规划发送给手术机器人，引导手术机器人的机械臂，使得截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器安装于所述手术机器人的机械臂的操作端，用于对截骨锯进行定位。根据一些实施例，截骨引导器通过截骨引导器示踪器安装在机械臂的操作端。
根据一些实施例，所述获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据，包括：采集下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；根据所述运动轨迹信息，计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度。
根据一些实施例，所述调整假体规划包括：接收用户交互的假体位置调整信息；重新计算间距力线并刷新所述动态间距力线数据图。
根据一些实施例，所述假体位置信息包括：内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离中的至少一种。
根据一些实施例，还包括在生成术中规划之前对术前规划进行可视化调整。如图2所示，在工程师设计了术前规划后，可以提供给医生，由医生在医生办公室操作。医生根据其医疗方面的经验对术前规划进行可视化调整，例如采用人机交互界面调整假体放置的位置，包括间距、角度等。另外，在手术室内，未开始对患者进行手术之前，医生也可以先行对术前规划进行可视化调整，以尽可能合理设计假体规划。
根据一些实施例，还包括：在所述根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作之前，在人机交互界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达规划位置且所述截骨引导器的通槽与相应截骨平面对准。
根据一些实施例，在所述根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作之前，从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面；根据假体规划，控制所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
根据一些实施例，还包括更新规划数据；从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；根据更新的规划数据，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
根据一些实施例，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面分别为胫骨远端截骨平面、股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、前髁截骨平面、后髁截骨平面中的一个。
图12示出根据本申请示例实施例的全膝关节置换手术机器人辅助系统的控制装置。
所述控制装置，包括：术前规划获取模块40、术中规划获取模块50 和操作控制模块60。
术前规划获取模块40,其根据获取的CT或MRI图像得到术前规划，包括关节假体型号等假体数据以及初步的截骨方案等。
术中规划获取模块50，包括：图像配准模块51，其将术前规划数据中的膝关节图像与术中膝关节进行图像配准；可视化显示模块52，其显示配准后的膝关节图像和所述动态间隙力线数据图；调整模块53，根据所述动态间距力线数据的可视化显示，调整假体规划。
操作控制模块60，其根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作，引导截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器安装于所述手术机器人的机械臂的操作端，用于对截骨锯进行定位。
图13示出根据本申请示例实施例的电子设备的框图。
下面参照图13来描述根据本申请的这种实施方式的电子设备800。图8显示的电子设备800仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图13所示，电子设备800以通用计算设备的形式表现。电子设备 800的组件可以包括但不限于：至少一个处理单元810、至少一个存储单元820、连接不同系统组件(包括存储单元820和处理单元810)的总线 830等。
存储单元820存储有程序代码，程序代码可以被处理单元810执行，使得处理单元810执行本说明书描述的根据本申请各实施例的方法。
存储单元820可以包括易失性存储单元形式的可读介质，例如随机存取存储单元(RAM)8201和/或高速缓存存储单元8202，还可以进一步包括只读存储单元(ROM)8203。
存储单元820还可以包括具有一组(至少一个)程序模块8205的程序/实用工具8204，这样的程序模块8205包括但不限于：操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。
总线830可以为表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储单元总线或者存储单元控制器、外围总线、图形加速端口、处理单元或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。
电子设备800也可以与一个或多个外部设备8001(例如触摸屏、键盘、指向设备、蓝牙设备等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该电子设备800交互的设备通信，和/或与使得该电子设备800能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如路由器、调制解调器等等) 通信。这种通信可以通过输入/输出(I/O)接口850进行。并且，电子设备800还可以通过网络适配器860与一个或者多个网络(例如局域网 (LAN)，广域网(WAN)和/或公共网络，例如因特网)通信。网络适配器860可以通过总线830与电子设备800的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合电子设备800使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、 RAID系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
本申请还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
本申请实施例还提供一种计算机程序产品，该计算机程序可操作来使计算机执行如上述方法实施例中记载的部分或全部步骤。
本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的技术方案可借助软件和 /或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列(Field－ProgrammaBLE GateArray，FPGA)、集成电路(Integrated Circuit，IC)等。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上对本申请实施例进行了详细描述和解释。应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。
通过对示例实施例的描述，本领域技术人员易于理解，根据本申请实施例的技术方案至少具有以下优点中的一个或多个。
根据一些实施例，通过动态间隙力线数据图为医生提供了直观、灵活的规划依据，有效改善力线的重建以及术后的软组织平衡，并且允许医生在患者下肢可达的屈伸角度范围内对关节假体的位置以及截骨方案进行调整，能够得到接近人体真实活动下的假体规划，提供了术后患者行动的舒适度。
根据一些实施例，截骨引导器可包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。这样，截骨锯可以放置于不同的通槽内来实现不同方向和位置的截骨操作，故机械臂可以尽可能地保持较少的运动。而且，占据的操作空间可以减小，对操作环境的要求也相应降低。另外，由于可以减少机械臂的运动幅度，使得示踪器在导航相机的空间内视角更好，可以提高机械臂末端的姿态精度。
根据一些实施例，本申请实施例提供的示踪设备，通过多组沿基座的周向设置，扩大了示踪设备可以被光学测位仪识别的范围。同时，限定同一组示踪元件所包括的各示踪元件的法向夹角小于等于20°，使示踪设备在机械臂旋转过程中更容易被光学测位仪所识别，减少机械臂旋转时光学测位仪丢失示踪设备的位置的情况发生，提高了定位的精准度。
根据一些实施例，通过应用膝关节固定器，能够在膝关节置换手术中对股骨和/或胫骨进行完全的固定，从而减少手术过程中对其他组织的误伤。此外，膝关节固定器的使用为患者膝关节更精准地定位和截骨作业提供了便利。
根据一些实施例，可以借助手术机器人辅助系统实现对股骨的五刀截骨，而不需要在股骨上安装四合一切削导向装置，从而避免了使用销钉将四合一装置钉入股骨对患者带来的二次伤害。
需要说明的是，本申请中的技术构思、技术手段不仅可以用于膝关节置换，还可以应用于更广泛的场景：例如，实现假体规划精度改善的动态间距力线的技术构思，可以用于其他关节；截骨引导器上设置多个通槽的技术构思可以用于其他的截骨操作，例如髋关节等。
以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

Claims (42)

1.一种全膝关节置换手术机器人辅助系统控制方法，包括：
生成术前规划，术前规划数据包括患者膝关节的图像；
生成术中规划，其中，将所述术前规划的膝关节图像与术中确定的患者膝关节表面轮廓进行图像配准；获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据；可视化显示所述动态间距力线数据图；根据所述动态间距力线数据的可视化显示，调整假体规划；
根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作，引导截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器安装于所述手术机器人的机械臂的操作端，用于对截骨锯进行定位。
2.根据权利要求1所述的控制方法，所述获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据，包括：
采集下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；
根据所述运动轨迹信息，计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度。
3.根据权利要求2所述的控制方法，所述调整假体规划包括：
接收用户交互的假体位置调整信息；
重新计算间距力线并刷新所述动态间距力线数据图。
4.根据权利要求3所述的控制方法，所述假体位置信息包括：内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离中的至少一种。
5.根据权利要求1的控制方法，还包括在生成术中规划之前对术前规划进行可视化调整。
6.根据权利要求1的控制方法，还包括：
在所述根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作之前，在人机交互界面中模拟引导机械臂，使得所述截骨引导器到达规划位置且所述截骨引导器的通槽与相应截骨平面对准。
7.根据权利要求1所述的控制方法，还包括
在所述根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作之前，从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面；
根据假体规划，控制所述机械臂，使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
8.根据权利要求7所述的控制方法，还包括
更新假体规划数据；
从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；
根据更新的假体规划数据，引导所述机械臂使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，
所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面分别为胫骨远端截骨平面、股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面中的一个。
10.一种全膝关节置换手术机器人辅助系统，包括：
术前规划系统，用于制定术前规划，术前规划数据包括膝关节图像；
术中规划系统，用于制定术中规划，其中，将所述术前规划中的膝关节图像与术中确定的患者膝关节表面轮廓进行图像配准；获取连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据；可视化显示动态间距力线数据图；根据所述动态间距力线数据图的可视化显示，调整假体规划，得到术中规划；
执行系统，其中，根据所述术中规划，引导安装于手术机器人机械臂操作端的截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器用于对截骨锯进行定位。
11.根据权利要求10所述的辅助系统，其中，所述术前规划系统和术中规划系统设置于上位控制器中，所述执行系统设置于手术机器人中，所述上位控制器将所述术中规划发送给所述手术机器人，使得手术机器人能够根据规划执行相应操作。
12.根据权利要求11所述的辅助系统，其中，所述术中规划系统包括定位系统，所述定位系统包括股骨示踪器、胫骨示踪器和导航相机，所述股骨示踪器和胫骨示踪器分别设置在患者膝关节的股骨以及胫骨处，所述导航相机与所述胫骨示踪器和胫骨示踪器配合，采集并记录下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；
所述上位控制器与所述股骨示踪器、胫骨示踪器、导航相机通信连接，并且所述上位控制器配置为：根据所述运动轨迹信息，计算下肢连续屈伸角度下的间距和力线角度，从而获取所述连续屈伸角度下的膝关节动态间距力线数据。
13.根据权利要求12所述的辅助系统，其中，所述定位系统还包括扫描探针，所述扫描探针的一端具有扫描针尖，对患者膝关节进行扫描，另一端设置有多个示踪元件，所述多个示踪元件能够被所述导航相机识别，获得所述扫描针尖的运动轨迹；
所述上位控制器与所述扫描探针、导航相机通信连接，并且所述上位控制器配置为：根据所述扫描针尖的运动轨迹，得到膝关节表面轮廓数据，并将所述术前规划中的膝关节图像与术中得到的患者膝关节表面轮廓进行图像配准。
14.根据权利要求13所述的辅助系统，其中，所述股骨示踪器与所述导航相机配合，采集并记录膝关节的位置信息；
所述上位控制器配置为：根据所述膝关节的位置数据制定所述术中规划。
15.根据权利要求14所述的辅助系统，其中，所述定位系统还包括截骨引导器示踪器，所述截骨引导器示踪器安装在机械臂的操作端，所述截骨引导器可拆卸地安装在所述截骨引导器示踪器上，所述导航相机与所述截骨引导器示踪器配合，采集并记录截骨引导器的位置信息；
所述上位控制器与所述截骨引导器示踪器、导航相机通信连接，并且所述上位控制器配置为：根据所述截骨引导器的位置数据制定所述术中规划。
16.根据权利要求14所述的辅助系统，其中，所述上位控制器包括人机交互装置，用于显示所述动态间距力线数据图，并响应用户操作显示假体规划的调整。
17.根据权利要求10所述的辅助系统，其中，所述截骨引导器包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽，所述通槽用于容纳所述截骨锯。
18.根据权利要求16所述的辅助系统，其中，所述上位控制器配置为：
在置换操作各阶段响应用户利用所述人机交互装置的操作分别从多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面；
将包含选定截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的通槽与选定的截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
19.根据权利要求18所述的辅助系统，其中所述上位控制器还配置为：
更新假体规划数据得到新的术中规划；
响应用户利用所述人机交互装置的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；
将包含选定的另一截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准，并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
20.根据权利要求18所述的辅助系统，其中，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面及第六截骨平面分别为胫骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面中的一个。
21.根据权利要求10所述的辅助系统，其中所述截骨锯上安装有示踪器。
22.根据权利要求10所述的辅助系统，其中所述截骨锯的自由端安装有应变片。
23.根据权利要求15所述的辅助系统，其中所述截骨引导器示踪器为环形示踪装置。
24.根据权利要求15所述的辅助系统，还包括膝关节固定装置，设置于手术台，用于固定患者的膝关节。
25.根据权利要求16所述的机器人辅助系统，其中所述人机交互装置包括显示屏，显示屏具有显示膝关节三维图像的第一窗口和显示膝关节动态间隙力线数据的第二窗口，所述第一窗口与所述第二窗口相关联，通过第一窗口对假体位置信息进行调整时，第二窗口显示该位置下的膝关节动态间隙力线图。
26.根据权利要求25所述的机器人辅助系统，其中所述假体位置信息包括：内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离中的至少一种。
27.根据权利要求25所述的辅助系统，其中，在第二窗口选择屈伸角度，显示当前角度下的膝关节动态间隙力线图，第一窗口则显示对应屈伸角度的膝关节和假体三维图像。
28.一种全膝关节置换手术机器人辅助系统，包括：上位控制器、手术机器人、股骨示踪器、胫骨示踪器、截骨引导器示踪器、扫描探针、导航相机，
所述上位控制器提供术前规划和术中规划，并将所述术中规划发送到所述手术机器人，
所述股骨示踪器和所述胫骨示踪器分别设置在患者膝关节的股骨以及胫骨处，所述导航相机与所述胫骨示踪器和胫骨示踪器配合，在术中采集下肢连续屈伸过程中膝关节的运动轨迹信息；
所述导航相机与所述扫描探针配合，采集所述患者膝关节的表面轮廓数据；
所述导航相机与所述股骨示踪器配合，采集所述患者膝关节的位置信息；
所述截骨引导示踪器一端连接有用于安装截骨工具的截骨引导器，另一端连接在所述手术机器人的机械臂的操作端，所述导航相机与所述截骨引导器示踪器配合，采集所述截骨引导器的位置信息；
所述上位控制器与所述机器人、股骨示踪器、胫骨示踪器、截骨引导器示踪器、导航相机通信连接，并且配置为：根据采集的膝关节位置信息、截骨引导器的位置信息、膝关节表面轮廓数据、连续屈身角度下的运动轨迹信息生成所述术中规划，
所述机器人接收所述术中规划，并根据所述术中规划控制所述机器人的机械臂，使得所述截骨引导器位于规划中的预定位置。
29.根据权利要求28所述的辅助系统，其中，所述辅助系统包括与所述上位控制器通信连接的人机交互装置，所述人机交互装置用于显示所述动态间距力线数据图，并响应用户操作显示假体规划的调整。
30.根据权利要求28所述的机器人辅助系统，其中，所述截骨引导器包括多个通槽，每个通槽与相邻通槽之间保持预定角度，所述通槽用于容纳所述截骨工具。
31.根据权利要求29所述的辅助系统，其中，所述上位控制器配置为：
在置换操作各阶段，响应用户利用所述人机交互装置的操作，分别从根据术中规划确定的多个截骨平面中选定一个截骨平面，所述多个截骨平面包括第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面；
将包含选定截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的至少一个通槽与选定的截骨平面对准，并使得所述截骨引导器位于相应规划位置。
32.根据权利要求30所述的机器人辅助系统，其中，所述截骨引导器包括第一通槽和与所述第一通槽交叉的第二通槽。
33.根据权利要求31所述的辅助系统，其中所述上位控制器还配置为：
更新假体规划数据得到新的术中规划；
响应用户利用所述人机交互装置的操作从多个截骨平面中选定另一个截骨平面；
将包含选定的另一截骨平面信息的术中规划发送给所述手术机器人；
所述手术机器人根据所述术中规划，控制所述机械臂运动，使得所述截骨引导器的通槽与选定的所述另一个截骨平面对准并使得所述截骨引导器定位于相应规划位置。
34.根据权利要求31所述的辅助系统，其中，所述第一截骨平面、第二截骨平面、第三截骨平面、第四截骨平面、第五截骨平面、第六截骨平面分别为胫骨远端截骨平面、股骨远端截骨平面、股骨前髁斜截骨平面、股骨后髁斜截骨平面、股骨前髁截骨平面、股骨后髁截骨平面中的一个。
35.根据权利要求28所述的辅助系统，其中所述截骨引导器示踪器为环形示踪装置。
36.根据权利要求28所述的辅助系统，还包括膝关节固定装置，设置于手术台，用于固定患者的膝关节。
37.根据权利要求29所述的机器人辅助系统，其中所述人机交互装置包括显示屏，显示屏具有显示膝关节三维图像的第一窗口和显示膝关节动态间隙力线数据的第二窗口，所述第一窗口与所述第二窗口相关联，通过第一窗口对假体位置信息进行调整时，第二窗口显示该位置下的膝关节动态间隙力线图。
38.根据权利要求37所述的机器人辅助系统，其中所述假体位置信息包括：内外翻角度、内外旋角度、前后倾角度、竖向平移距离、横向平移距离中的至少一种。
39.根据权利要求37所述的辅助系统，其中，在第二窗口选择屈伸角度，显示当前角度下的膝关节动态间隙力线图，第一窗口则显示对应屈伸角度的膝关节和假体三维图像。
40.一种利用手术机器人辅助系统进行全膝关节置换的控制装置，包括：
术前规划获取模块，获得术前规划；
术中规划获取模块，获取术中规划，包括：
图像配准模块，将术前规划数据中的膝关节图像与术中膝关节表面轮廓进行图像配准；
可视化显示模块，显示配准后的膝关节图像和所述动态间隙力线数据图；
调整模块，根据所述动态间距力线数据的可视化显示，调整假体规划；
操作控制模块，根据调整后的假体规划控制手术机器人的操作，引导截骨引导器位于规划中的预定位置，所述截骨引导器安装于所述手术机器人的机械臂的操作端，用于对截骨锯进行定位。
41.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-9中所述的方法。
42.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-9中所述的方法。
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