CN112043382A - 一种外科手术导航系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术导航系统及手术导航系统的配准方法，所述手术导航系统包括医学图像扫描装置、光学跟踪系统、计算机处理装置及控制软件、机器人定位导航系统、示踪器（Tracker）及配套标尺工具。所述医学图像扫描装置用于在术前和术中扫描手术部位以获取扫描图像；所述光学跟踪系统用于在术前，术中获取所述手术部位上的实时空间数据；所述计算机处理装置及控制软件用于处理所述三维扫描图像及所述实时数据，以计算所述实时图像上的任一点在所述三维扫描图像的特征匹配点。本发明中的手术导航系统在配准过程中能够减少人工操作的误差，缩短手术时间，降低术中辐射，进而降低手术风险，符合微创手术的需求。

Description

一种外科手术导航系统及其使用方法

技术领域

本发明属于医疗机器人领域，尤其涉及一种外科手术导航系统及其使用方法。

背景技术

随着医学理论的不断进步与发展，外科手术朝着越来越精细、复杂的方向发展。传统医学知识由于技术上的种种不足，而难以满足手术需求。几十年来，高速发展的医学成像技术、图像处理技术、机器人技术及计算机辅助外科手术技术等已逐渐应用于医学领域。

其中，机器人辅助骨科手术是当前骨科领域研究的热点，它是典型的医工结合技术，能够保护医生和患者，减少X射线的伤害，同时能够提高手术定位精度，减少手术创伤，缩短手术时间。该技术的关键在于跟踪和定位两大关键技术。跟踪即术中在导航界面上实时显示手术工具投影和病人患骨的透视图像，给医生实时提供手术工具与患骨的相对位置和姿态关系。定位即实现手术工具和机器人到达所规划的位置。

本发明提出了一种能手术导航系统及其使用方法，该系统集医学图像处理、术前规划，术中导航和AR远程功能于一体，同时具有智能化，人性化的人机界面，充分考虑医务人员的使用习惯，简化操作流程，提高易用性。该系统延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，更新了外科手术和外科手术器械的概念。对于提高手术定位精度、减少手术创伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义。

发明内容

一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，包含：医学图像扫描装置、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、示踪器（Tracker）、配套标尺工具及标志架；

医学图像扫描装置用于在术前、术中扫描所述手术部位以获取扫描图像；

光学跟踪系统用于在术前，术中获取所述手术部位的实时图像；

控制系统，所述控制系统包含计算控制中心、摄像头、显示装置和输入输出设备；

机器人定位导航系统，所述机器人定位导航系统包含机械臂，机械臂末端定位导航结构及配套组件；

示踪器（Tracker），所述Tracker用于配合光学跟踪系统识别世界坐标下带有Tracker的物体，所述Tracker可与患者骨骼有硬连接或者至于患者外固定支架上、安装于配套标尺、机器人定位导航部件等需要标识的物体；

配套标尺工具及标志架，所述配套标尺工具及标志架有多个刚性标识点作为特征点（Marker），用于在扫描装置拍摄医学图像时，辅助计算机处理图像及空间坐标系的转化。

所述医学图像扫描装置、所述光学追踪系统及所述机器人导航定位系统与控制器系统连接，所述控制系统用于处理所述扫描图像及所述实时图像之间的空间坐标转化，进行医学图像处理、术前规划、术中导航和术后数据分析；所述控制系统具有AR远程会话功能，通过摄像头可以实现与远程专家系统连接，进行视频通话和手术指导。

所述医学图像扫描模块包含图像获取装置，如CT机、CBCT、O型臂、核磁、PET-CT，X光机医学影像设备等，所述学图像扫描模块在某些影像设备中还包含图像校正装置，用于进行图像校正。

所述光学跟踪系统为双目视觉系统，通过物体表面连接Tracker，获取物体的空间坐标；所述物体表面连接Tracker后，需要通过三坐标测量仪测定标识物体与Tracker之间的相对空间位置。

所述Tracker上设有至少三个不共线的标志点，该标志点为自发光或反光材质。

所述机器人定位导航系统的机械臂末端，根据不同的手术需求，配套组件及结构通过法兰可进行拆卸更换。

所述机械臂通过电机电流计算所受到的力或设置有至少1个力传感器，优选地，所述机械臂的每个关节各自设置有力传感器。

所述机械臂具有至少3个自由度，优选地，所述机械臂具有3个、5个、6个、7个、9个、或10个自由度。

所述配套标尺工具及标志架可根据患者体型和手术部位不同如头部、脊柱、骨盆、四肢、脚踝，应用不同大小和构型的结构设计；所述配套标尺工具及标志架，每组含有对应的标识序列编码。

所述AR远程会话功能在远程协助者通过摄像头观看到手术室场景及手术规划界面，通过语音结合虚拟现实技术，将指示引导建议显示在手术操作界面中，实现远程手术规划与导航指导。

所述的手术机器人系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，术前医学图像采集及术前规划：

a）在患者的手术部位固定追踪器Tracker或将Tracker安装与患者表面外固定支架上，同时根据患者部位和体型选择大小合适的标志架和标尺；

b）进行术前医学图像扫描，并用光学追踪器记录所述标尺、标志架、Tracker的空间位置信息；

c）扫描信息传输到控制系统，所述控制系统进行医学图像处理，可进行手术路径规划，虚拟装配骨钉、骨板等，操作完成后，可以将全部信息保存；

第二步，术中图像配准与导航：

a）所有设备开机，打开控制系统的软件，将术前信息导入，并录入术前标志架的序列号，保证术前与术中的标尺及标志架一致；

b）采集术中患者手术部位医学图像，控制软件进行术前-术中影像信息配准，在软件进行手术的规划，设置出针点、入针点，并将信息进行空间坐标转换后，传输给定位导航系统，由机械臂执行导航定位操作；

c) 在操作过程中，可以在任意时间接入AR远程会话，进行远程求助/进行指导；

第三步，术后信息处理

拍摄术后医学图像，可以进行术中、术后信息的对比分析，包括路径信息、患者数据信息等。

本发明提出了一种能手术导航系统及其使用方法，该系统集医学图像处理、术前规划，术中导航和AR远程功能于一体，同时具有智能化，人性化的人机界面，充分考虑医务人员的使用习惯，简化操作流程，提高易用性。该系统延伸了外科医生有限的视觉范围，突破了传统外科手术的界限，更新了外科手术和外科手术器械的概念。对于提高手术定位精度、减少手术创伤、优化手术路径及提高手术成功率等具有十分重要的意义。

附图说明

附图1手术导航系统使用操作流程图

附图2手术导航系统组成图

附图3手术导航机器人末端结构图

附图4配准架

附图5 手术导航系统的术前操作示意图

14-医学影像设备

13-光学跟踪系统

12-计算机处理装置及控制软件

21-标志架

22-示踪器

23-示踪器的支架

具体实施示例

下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明，但本发明的的实施方式不限于此。

本实施示例提供了一种外科手术导航系统，与图像诊断设备（CT、C型臂）设备配合，利用外科手术导航系统中控制部分与光学跟踪定位部分规划导航，辅助医生完成手术定位，借助机器人定位部分完成精准、安全、快捷的外科手术。

本发明主要由医学图像扫描装置、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、示踪器（Tracker）、配套标尺工具及标志架；

医学图像扫描装置用于在术前、术中扫描所述手术部位以获取扫描图像；

光学跟踪系统为双目视觉系统用于在术前，术中获取所述手术部位的实时图像；

控制系统，所述控制系统包含计算控制中心、摄像头、显示装置和输入输出设备；

机器人定位导航系统，所述机器人定位导航系统为6自由度的机械臂，机械臂末端定位导航结构及配套组件；

示踪器（Tracker），所述Tracker用于配合光学跟踪系统识别世界坐标下带有Tracker的物体，所述Tracker可与患者骨骼有硬连接或者至于患者外固定支架上、安装于配套标尺、机器人定位导航部件等需要标识的物体；

配套标尺工具及标志架，所述配套标尺工具及标志架有多个刚性标识点作为特征点（Marker），用于在扫描装置拍摄医学图像时，辅助计算机处理图像及空间坐标系的转化。

医学图像扫描装置双目视觉、与机器人导航定位系统与控制器系统连接，所述控制系统用于处理所述扫描图像及所述实时图像之间的空间坐标转化，进行医学图像处理、术前规划、术中导航和术后数据分析；所述控制系统具有AR远程会话功能，通过摄像头可以实现与远程专家系统连接，进行视频通话和手术指导。

以骨盆部位手术为例，进行如下操作

第一步，术前医学图像采集及术前规划：

a）在患者的手术部位固定追踪器Tracker如图5，选择大小合适的标志架和标尺安装在患者手术部位；

b）进行术前CT扫描，并用双目视觉记录所述标尺、标志架、Tracker的空间位置信息；

c）将扫描信息传输到控制系统，所述控制系统的软件进行医学图像三维重建后，术者可以在3D图像上进行手术路径规划，分割、旋转，虚拟装配骨钉、骨板等，操作完成后，将全部信息保存；

第二步，术中图像配准与导航：

a）所有设备开机，将术前信息导入控制系统的软件中，并录入术前标志架的序列号，保证术前与术中的标尺及标志架一致；

b）采集术中患者手术部位X光片，控制软件进行术前3D-术中2D影像信息配准，在软件进行手术的规划，设置出针点、入针点，并将信息进行空间坐标转换后，传输给定位导航系统，由机械臂执行导航定位操作；

c) 在操作过程中，可以在任意时间接入AR远程会话，进行远程求助/进行指导；

第三步，术后信息处理

拍摄术后医学图像，可以进行术中、术后信息的对比分析，包括路径信息、患者数据信息等。

Claims (9)

1.一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，包含：医学图像扫描装置、光学跟踪系统、控制系统、机器人定位导航系统、示踪器（Tracker）、配套标尺工具及标志架；

医学图像扫描装置用于在术前、术中扫描所述手术部位以获取扫描图像；

光学跟踪系统用于在术前，术中获取所述手术部位的实时图像；

控制系统，所述控制系统包含计算控制中心、摄像头、显示装置和输入输出设备；

机器人定位导航系统，所述机器人定位导航系统包含机械臂，机械臂末端定位导航结构及配套组件；

示踪器（Tracker），所述Tracker用于配合光学跟踪系统识别世界坐标下带有Tracker的物体，所述Tracker可与患者骨骼有硬连接或者至于患者外固定支架上、安装于配套标尺、机器人定位导航部件等需要标识的物体；

配套标尺工具及标志架，所述配套标尺工具及标志架有多个刚性标识点作为特征点（Marker），用于在扫描装置拍摄医学图像时，辅助计算机处理图像及空间坐标系的转化；

所述医学图像扫描装置、所述光学追踪系统及所述机器人导航定位系统与控制器系统连接，所述控制系统用于处理所述扫描图像及所述实时图像之间的空间坐标转化，进行医学图像处理、术前规划、术中导航和术后数据分析；所述控制系统具有AR远程会话功能，通过摄像头可以实现与远程专家系统连接，进行视频通话和手术指导。

2.根据权利要求1所述的一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，所述医学图像扫描模块包含图像获取装置，如CT机、CBCT、O型臂、核磁、PET-CT，X光机医学影像设备等，所述医学图像扫描模块在某些影像设备中还包含图像校正装置，用于进行图像校正。

3.根据权利要求2所述的一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，所述Tracker上设有至少三个不共线的标志点，该标志点为自发光或反光材质。

4.根据权利要求1所述的一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，所述机器人定位导航系统的机械臂末端，根据不同的手术需求，配套组件及结构通过法兰可进行拆卸更换。

5.根据权利要求1所述的一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，所述机械臂通过电机电流计算所受到的力或设置有至少1个力传感器，优选地，所述机械臂的每个关节各自设置有力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，所述机械臂具有至少3个自由度，优选地，所述机械臂具有3个、5个、6个、7个、9个、或10个自由度。

7.根据权利要求1所述的一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，所述配套标尺工具及标志架可根据患者体型和手术部位不同如头部、脊柱、骨盆、四肢、脚踝，应用不同大小和构型的结构设计；所述配套标尺工具及标志架，每组含有对应的标识序列编码。

8.根据权利要求1所述的一种手术导航系统及其使用方法，其特征在于，所述AR远程会话功能在远程协助者通过摄像头观看到手术室场景及手术规划界面，通过语音结合虚拟现实技术，将指示引导建议显示在手术操作界面中，实现远程手术规划与导航指导。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的手术机器人系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，术前医学图像采集及术前规划：

a）在患者的手术部位固定追踪器Tracker或将Tracker安装与患者表面外固定支架上，同时根据患者部位和体型选择大小合适的标志架和标尺；

b）进行术前医学图像扫描，并用光学追踪器记录所述标尺、标志架、Tracker的空间位置信息；

c）扫描信息传输到控制系统，所述控制系统进行医学图像处理，可进行手术路径规划，虚拟装配骨钉、骨板等，操作完成后，可以将全部信息保存；

第二步，术中图像配准与导航：

a）所有设备开机，打开控制系统的软件，将术前信息导入，并录入术前标志架的序列号，保证术前与术中的标尺及标志架一致；

b）采集术中患者手术部位医学图像，控制软件进行术前-术中影像信息配准，在软件进行手术的规划，规划出针点、入针点，并将信息进行空间坐标转换后，传输给定位导航系统，由机械臂执行导航定位操作；

c) 在操作过程中，可以在任意时间接入AR远程会话，进行远程求助/进行指导；

第三步，术后信息处理

拍摄术后医学图像，可以进行术中、术后信息的对比分析，包括路径信息、患者数据信息等。

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