CN111728696A - 一种开颅手术机器人系统及其开颅手术方法 - Google Patents

一种开颅手术机器人系统及其开颅手术方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种该开颅手术机器人系统及其开颅手术方法，该系统包括数据处理机构、协同光学导航机构、双臂手术机器人机构；数据处理机构包括主控台车、固定安装于主控台车上的第一图像处理工作站和第二图像处理工作站；协同光学导航机构包括导航台车、固定安装于导航台车上的六自由度导航机械臂以及固定安装于导航机械臂末端法兰上的光学定位仪；双臂手术机器人机构包括手术台车、固定于手术台车上的第一六自由度手术机械臂和第二六自由度手术机械臂；对应该开颅手术方法在协同光学导航机构引导下，可以实现精确快速地颅骨钻孔、铣切以及颅内显微操作，能够有效提升手术精度，缩短开颅暴露时间，减轻医生的工作强度。

Description

一种开颅手术机器人系统及其开颅手术方法
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，特别涉及一种开颅手术机器人系统及其开颅手术方法。
背景技术
近年来，在医学、生物力学、机械电子、计算机和机器人学等学科交叉融合发展的趋势下，机器人辅助外科手术技术应用而生，且已在神经外科、腹腔外科、胸外科、骨外科、血管介入、颅面外科等临床手术中得到广泛应用。开颅手术是神经外科手术中最为常见的一种手术方式。传统的开颅手术需要医生手持专用开颅钻和开颅铣刀进行钻孔、铣切等精细操作，要求医生具有极高的操作技巧和丰富的手术经验，手术操作强度大，医生学习曲线长。相比传统人工手术方式，开颅手术机器人借助影像/光学导航系统可以实现更加精准、快速地精细操作，能够有效提高手术效果、缩短开颅暴露时间、降低感染风险、减少医生疲劳程度。因此，研制开颅手术机器人系统对于提高手术安全性具有现实意义和临床价值。
已公开专利CN109330687A提出了一种神经外科开颅手术机器人系统，具体为一种面向神经外科的手术机器人系统，该系统采用双机械臂协作的本体结构，可以满足多种任务的需要，但是采用基于光学的被动导航方式，易出现术中标记点漂移、丢失的现象；另外，已公开专利CN108577968A提出了一种神经外科开颅手术机器人系统，具体为一种基于超声波的开颅手术机器人系统，该专利主要介绍了系统的结构框架，对于机械本体以及导航方式并未做出具体说明，还需进一步地深入研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决现有人工手术方式中存在的医生操作强度大、难度高、严重依赖医生经验等问题的开颅手术机器人系统。
本发明的另一目的是提供一种采用上述开颅手术机器人系统实现的开颅手术方法。
为此，本发明技术方案如下：
一种开颅手术机器人系统，包括数据处理机构、协同光学导航机构和双臂手术机器人机构；其中，
协同光学导航机构包括导航台车、六自由度导航机械臂和光学定位仪；六自由度导航机械臂的底座固定在导航台车的上表面；光学定位仪固定在六自由度导航机械臂的末端法兰上，使其能够在六自由度导航机械臂的运动下实现与双臂手术机器人机构的协同运动；
双臂手术机器人机构包括手术台车、第一六自由度手术机械臂和第二六自由度手术机械臂；第一六自由度手术机械臂的底座和第二六自由度手术机械臂的底座分别固定于手术台车上表面设置的T形梁的横梁两端，形成类似医生手术过程中的手臂摆放姿态；
数据处理机构包括主控台车、固定安装于主控台车上的第一图像处理工作站和第二图像处理工作站；第一图像处理工作站由设置在车体的箱体内的第一处理器和设置在车体的箱体上方的第一显示屏构成；第一处理器包括能够根据患者医学影像数据进行病灶区域三维重建的三维重建模块和用于术前空间配准及术中手术器械实时追踪的导航模块；第二图像处理工作站由设置在车体的箱体内的第二处理器和设置在车体的箱体上方的第二显示屏构成；第二处理器包括用于驱动六自由度导航机械臂、第一六自由度手术机械臂和第二六自由度手术机械臂的各关节运动及监测各机械臂实时状态的控制模块。
在该开颅手术机器人系统中，通过利用光学定位仪同时对固定在患者头部的贴片和固定在双臂手术机器人上的贴片进行采集，并结合患者头部带有贴片CT影像，对本身相互独立设备与患者之间构建空间联系，以实现将手术操作器械与患者规划手术路径搭建在同一个坐标空间中进而完成手术。
进一步地，导航台车、手术台车和主控台车均为箱体式车体，其底部设置有四个用于驱动车体运动的滚轮，且在每个滚轮处设置有一个自锁机构。
进一步地，在第一六自由度手术机械臂的末端设置有电凝镊或吸引器等手术器械；在第二六自由度手术机械臂的末端设置有开颅钻头、开颅铣、直磨钻、超声骨刀或肿瘤摘除钳等手术器械。
一种采用上述开颅手术机器人实现的开颅手术方法，具体步骤如下：
S1、术前将与光学定位仪配套使用的若干贴片作为第一标记点贴于患者颅骨的合理位置，并对患者颅骨进行CT扫描；基于患者颅骨CT图像对患者病灶区域进行三维重建，获得患者病灶区域的三维重建视图以及相应的横断面视图、矢状面视图和冠状面视图，并获取第一标记点在三维图像坐标系下的位置信息；
S2、将患者按照需要的术式固定于手术台边缘的定位头架上；将双臂手术机器人机构推至邻近手术台患者头部的位置处，并于第一六自由度手术机械臂和第二六自由度手术机械臂的前端法兰出各粘贴若干个与光学定位仪配套使用的贴片作为第二标记点；将协同光学导航机构推至邻近手术台的位置处，并调节六自由度导航机械臂使固定于其前端的光学定位仪能够同时采集到作为第一标记点的贴片和作为第二标记点的贴片；进而基于若干个第一标记点和若干个第二标记点实现光学定位仪所对应的光学坐标系、患者位置所对应的患者坐标系、第一六自由度手术机械臂和第二六自由度手术机械臂所对应地机械臂坐标系以及三维重建图像所对应地三维图像坐标系之间完成空间配准，得到三维图像坐标系下的位置信息与机械臂坐标系下的位置信息之间的映射关系，以实现第一六自由度手术机械臂和第二六自由度手术机械臂能够按照在三维图像坐标系下设计的运动轨迹在机械臂坐标系下的患者头部进行相应地运动；
S3、医生根据患者病灶区域的三维重建图像，分析手术方案，进行术前规划，并在三维重建图像上规划手术切口位置和手术入路，获得在三维图像坐标系下规划出由多个位置信息构成的手术路径；
S4、根据由步骤S2得到的三维图像坐标系下的位置信息与机械臂坐标系下的位置信息之间的映射关系，将由步骤S3得到的在三维图像坐标系下规划出手术路径转换为在机械臂坐标系下的手术路径，并利用控制模块对第一六自由度手术机械臂和/或第二六自由度手术机械臂的运动方式进行驱动，引导和控制安装于第一六自由度手术机械臂和第二六自由度手术机械臂末端的手术器械按照术前规划的路径从起始点运动到目标点，从而完成手术任务。
进一步地，在步骤S1中，作为第一标记点的贴片位置一般可选择在患者的眉心、鼻前棘、左、右眼眶、以及左、右外耳道等生理结构位置。
与现有技术相比，该开颅手术机器人系统及其开颅手术方法利用光学定位仪作为协同导航结构，解决了被动光学导航形式中常存在的术中视野被遮挡、标记点易飘逸等问题；同时利用光学定位仪对该系统引入的有利于精确规划手术路径的三维图像、能够代替医生实现精确手术操作的双臂手术机器人机构、以及患者进行空间配准，精准完成手术的各项操作；此外，该系统采用两个六自由度手术机器臂协作作业，配合开颅手术动力系统、超声骨刀以及肿瘤摘除钳、吸引器、双极电凝镊等手术器械，可实现颅骨开窗、肿瘤摘除等多种手术操作任务。
附图说明
图1是本发明的开颅手术机器人系统的结构示意图；
图2是本发明的开颅手术机器人系统的数据处理机构的结构示意图；
图3是本发明的开颅手术机器人系统的协同光学导航机构的结构示意图；
图4是本发明的开颅手术机器人系统的双臂手术机器人机构的结构示意图；
图5是本发明的开颅手术机器人系统的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。
如图1所示，该开颅手术机器人系统包括数据处理机构10、协同光学导航机构20和双臂手术机器人机构30。
如图3和图5所示，协同光学导航机构20包括导航台车20a、六自由度导航机械臂20b和光学定位仪20c；具体地，导航台车20a为箱体式车体，其底部设置有四个用于驱动车体运动的滚轮，且在每个滚轮处设置有一个自锁机构，使车体运行至适当位置后通过分别设置在四个滚轮处的自锁机构将该导航台车20a固定在该位置处；六自由度导航机械臂20b的底座固定在导航台车20a的上表面；光学定位仪20c固定在六自由度导航机械臂20b的末端法兰上，使其能够在六自由度导航机械臂20b的运动下实现与双臂手术机器人机构30的协同运动。
如图4和图5所示，双臂手术机器人机构30包括手术台车30a、第一六自由度手术机械臂30b和第二六自由度手术机械臂30c；具体地，手术台车30a为箱体式车体，其底部设置有四个用于驱动车体运动的滚轮，且在每个滚轮处设置有一个自锁机构，使车体运行至适当位置后通过分别设置在四个滚轮处的自锁机构将该手术台车30a固定在该位置处；第一六自由度手术机械臂30b的底座和第二六自由度手术机械臂30c的底座分别固定于手术台车30a顶面设置的T形梁的横梁两端，形成类似医生手术过程中的手臂摆放姿态；其中，在第一六自由度手术机械臂30b的末端法兰可根据不同手术操作任务安装有电凝镊、吸引器等手术器械，在第二六自由度手术机械臂30c的末端法兰可根据不同手术操作任务安装有开颅钻头、开颅铣、直磨钻、超声骨刀以及肿瘤摘除镊等手术器械，使双臂手术机器人机构30能够满足不同手术任务的需求。
如图2和图5所示，数据处理机构10包括主控台车10a、固定安装于主控台车10a上的第一图像处理工作站10b和第二图像处理工作站10c；具体地，主控台车10a为箱体式车体，其底部设置有四个用于驱动车体运动的滚轮，且在每个滚轮处设置有一个自锁机构，使车体运行至适当位置后通过分别设置在四个滚轮处的自锁机构将该主控台车10a固定在该位置处；
第一图像处理工作站10b由设置在车体的箱体内的第一处理器和设置在车体的箱体上方的第一显示屏构成；第一处理器包括能够根据患者医学影像数据进行病灶区域三维重建的三维重建模块和用于术前空间配准及术中手术器械实时追踪的导航模块。
其中，三维重建模块具体为安装在第一处理器上的医学图像三维重建软件，术前通过导入贴有标记点患者的CT影像，对患者病灶区域进行三维重建，获得患者病灶区域的三维视图以及横断面视图、矢状面视图和冠状面视图，使手术医生以此为基础，分析手术方案，进行术前规划，确定手术切口位置，选择最佳的手术入路；同时，在对病灶区域进行三维重建的过程中获取标记点在三维重建图像空间的位置信息，为实现空间配准奠定基础。在具体实施过程中，医学图像三维重建软件为结合QT和VTK所开发的三维重建软件。
导航模块具体为安装在第一处理器上的导航软件，术前利用光学定位仪20c实现基于标记点的空间配准，术中结合协同导航机构20实现手术器械的实时追踪，目的是将手术器械和病灶区域搭建在同一个坐标空间中显示。在具体实施过程中，导航软件为结合光学定位仪20c配套API所开发的软件；
第二图像处理工作站10c由设置在车体的箱体内的第二处理器和设置在车体的箱体上方的第二显示屏构成；第二处理器包括用于驱动六自由度导航机械臂20b、第一六自由度手术机械臂30b和第二六自由度手术机械臂30c的各关节运动及监测各机械臂实时状态的控制模块。
其中，第一显示屏和第二显示屏通过设置在主控台车10a上表面的固定支架采用一字排开的方式设置在主控台车10a上方；第一显示屏用于实时显示实际导入的患者医学影像，以及经过三维重建后的患者病灶区域的三维视图及其横断面视图、矢状面视图和冠状面视图；第二显示屏用于显示一六自由度手术机械臂30b和第二六自由度手术机械臂30c关节实时运动状态信息。
该开颅手术机器人系统对各机构的位置摆放关系无硬性规定和要求，只需要满足各机构无干涉即可。
如图5所示，一种采用上述开颅手术机器人进行开颅手术的方法，具体实施步骤如下：
S1、术前将与光学定位仪20c配套使用的贴片作为第一标记点贴于患者颅骨的合理位置，并对患者颅骨进行CT扫描；基于患者颅骨进行CT图像对患者病灶区域进行三维重建，获得由患者病灶区域的三维重建视图、以及相应的横断面视图、矢状面视图和冠状面视图，并获取第一标记点在三维图像坐标系的位置信息；
作为一种可选的具体实施方案，用作第一标记点的贴片为8个，分别贴敷在患者的眉心、鼻前棘、左、右眼眶、以及左、右外耳道等生理结构位置；
S2、将患者按照需要的术式固定于手术台边缘的定位头架上；将双臂手术机器人机构30推至邻近手术台患者头部的位置处，并于第一六自由度手术机械臂30b和第二六自由度手术机械臂30c的前端法兰出各粘贴若干个与光学定位仪20c配套使用的贴片作为第二标记点；将协同光学导航机构20推至邻近手术台的位置处，并调节六自由度导航机械臂20b使固定于其前端的光学定位仪20c能够同时采集到作为第一标记点的贴片和作为第二标记点的贴片；进而基于若干个第一标记点和若干个第二标记点实现光学定位仪20c所对应的光学坐标系、患者位置所对应的患者坐标系、第一六自由度手术机械臂30b和第二六自由度手术机械臂30c所对应地机械臂坐标系以及三维重建图像所对应地三维图像坐标系之间完成空间配准，得到三维图像坐标系下的位置信息与机械臂坐标系下的位置信息之间的映射关系，以实现第一六自由度手术机械臂30b和第二六自由度手术机械臂30c能够按照在三维图像坐标系下设计的运动轨迹在机械臂坐标系下的患者头部进行相应地运动；
S3、医生根据患者病灶区域的三维重建图像，分析手术方案，进行术前规划，并在三维重建图像上规划手术切口位置和手术入路，获得在三维图像坐标系下规划出由多个位置信息构成的手术路径；
S4、根据由步骤S2得到的三维图像坐标系下的位置信息与机械臂坐标系下的位置信息之间的映射关系，将由步骤S3得到的在三维图像坐标系下规划出手术路径转换为在机械臂坐标系下的手术路径，并利用控制模块对第一六自由度手术机械臂30b和/或第二六自由度手术机械臂30c的运动方式进行驱动，引导和控制安装于第一六自由度手术机械臂30b和第二六自由度手术机械臂30c末端的手术器械按照术前规划的路径从起始点运动到目标点，从而完成手术任务；
上述步骤S1～S4为一个手术动作的实施过程，在实际操作中，一项手术可能包含多个手术动作，则在完成一个手术动作后，在重复上述步骤S3～S4，直至整个手术操作完成。

Claims (5)

1.一种开颅手术机器人系统，其特征在于，包括数据处理机构(10)、协同光学导航机构(20)和双臂手术机器人机构(30)；其中，
协同光学导航机构(20)包括导航台车(20a)、六自由度导航机械臂(20b)和光学定位仪(20c)；六自由度导航机械臂(20b)的底座固定在导航台车(20a)的上表面；光学定位仪(20c)固定在六自由度导航机械臂(20b)的末端法兰上，使其能够在六自由度导航机械臂(20b)的运动下实现与双臂手术机器人机构(30)的协同运动；
双臂手术机器人机构(30)包括手术台车(30a)、第一六自由度手术机械臂(30b)和第二六自由度手术机械臂(30c)；第一六自由度手术机械臂(30b)的底座和第二六自由度手术机械臂(30c)的底座分别固定于手术台车(30a)上表面设置的T形梁的横梁两端，形成类似医生手术过程中的手臂摆放姿态；
数据处理机构(10)包括主控台车(10a)、固定安装于主控台车(10a)上的第一图像处理工作站(10b)和第二图像处理工作站(10c)；第一图像处理工作站(10b)由第一处理器和第一显示屏构成；第一处理器包括能够根据患者医学影像数据进行病灶区域三维重建的三维重建模块和用于术前空间配准及术中手术器械实时追踪的导航模块；第二图像处理工作站(10c)由设置在车体的箱体内的第二处理器和设置在车体的箱体上方的第二显示屏构成；第二处理器包括用于驱动六自由度导航机械臂(20b)、第一六自由度手术机械臂(30b)和第二六自由度手术机械臂(30c)的各关节运动及监测各机械臂实时状态的控制模块。
2.根据权利要求1所述的开颅手术机器人系统，其特征在于，导航台车(20a)、手术台车(30a)和主控台车均为箱体式车体，其底部设置有四个用于驱动车体运动的滚轮，且在每个滚轮处设置有一个自锁机构。
3.根据权利要求1所述的开颅手术机器人系统，其特征在于，在第一六自由度手术机械臂(30b)的末端设置有电凝镊或吸引器；在第二六自由度手术机械臂(30c)的末端设置有开颅钻头、开颅铣、直磨钻、超声骨刀或肿瘤摘除钳。
4.一种采用如权利要求1所述的开颅手术机器人实现的开颅手术方法，具体步骤如下：
S1、术前将与光学定位仪(20c)配套使用的贴片作为第一标记点贴于患者颅骨的合理位置，并对患者颅骨进行CT扫描；基于患者颅骨进行CT图像对患者病灶区域进行三维重建，获得患者病灶区域的三维视图、以及相应的横断面视图、矢状面视图和冠状面视图，并获取第一标记点在三维图像坐标系下的位置信息；
S2、将患者按照需要的术式固定于手术台边缘的定位头架上；将双臂手术机器人机构(30)推至邻近手术台患者头部的位置处，并于第一六自由度手术机械臂(30b)和第二六自由度手术机械臂(30c)的前端法兰出各粘贴若干个与光学定位仪(20c)配套使用的贴片作为第二标记点；将协同光学导航机构(20)推至邻近手术台的位置处，并调节六自由度导航机械臂(20b)使固定于其前端的光学定位仪(20c)能够同时采集到作为第一标记点的贴片和作为第二标记点的贴片；进而基于若干个第一标记点和若干个第二标记点实现光学定位仪(20c)所对应的光学坐标系、患者位置所对应的患者坐标系、第一六自由度手术机械臂(30b)和第二六自由度手术机械臂(30c)所对应地机械臂坐标系以及三维重建图像所对应地三维图像坐标系之间完成空间配准，得到三维图像坐标系下的位置信息与机械臂坐标系下的位置信息之间的映射关系，以实现第一六自由度手术机械臂(30b)和第二六自由度手术机械臂(30c)能够按照在三维图像坐标系下设计的运动轨迹在机械臂坐标系下的患者头部进行相应地运动；
S3、医生根据患者病灶区域的三维重建图像，分析手术方案，进行术前规划，并在三维重建图像上规划手术切口位置和手术入路，获得在三维图像坐标系下规划出由多个位置信息构成的手术路径；
S4、根据由步骤S2得到的三维图像坐标系下的位置信息与机械臂坐标系下的位置信息之间的映射关系，将由步骤S3得到的在三维图像坐标系下规划出手术路径转换为在机械臂坐标系下的手术路径，并利用控制模块对第一六自由度手术机械臂(30b)和/或第二六自由度手术机械臂(30c)的运动方式进行驱动，引导和控制安装于第一六自由度手术机械臂(30b)和第二六自由度手术机械臂(30c)末端的手术器械按照术前规划的路径从起始点运动到目标点，从而完成手术任务。
5.根据权利要求4所述的开颅手术方法，其特征在于，作为第一标记点的贴片分别贴敷在患者头部的生理结构位置处。
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