CN112370163A - 用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人。所述机器人包括：工作站，用于术前导入患者腓骨的医学影像以制定手术路径规划，并依据医学影像与患者坐标系的配准，将手术路径规划转换为机械臂运动指令并在术中实时发送；光学导航定位仪，用于实现术中医学影像与患者坐标系的配准；末端安装有手术工具的机械臂，用于接收工作站实时发送的机械臂运动指令，据以引导手术工具定位至手术目标区域并完成手术操作、本申请能够解决截骨的精准性、安全性等难题，可以精准地执行手术计划，实现切割。借助手术机器人，医生手术操作难度能大幅度下降。在机器人辅助下，医生可以精确地定位到截骨位置进行操作，避免破坏血管，提高手术成功率。

Description

用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人

技术领域

本发明涉及手术机器人技术领域，特别是涉及一种用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人。

背景技术

下颌骨是面部下三分之一的骨性支架，同时为面部唯一具有运动功能的骨，其特有的形态是个体形貌特征与行使正常功能的基础。正常的上、下颌骨相对关系、完整的牙列及良好的咬合关系是进行咀嚼、吞咽、语言等重要功能的前提。

血管化自体骨移植是目前下颌骨缺损重建的“金标准”，临床最常采用的是腓骨移植。近些年，随着医学影像处理技术、数字化外科技术的发展，外科医生可以依赖各种传统颌骨定位技术以及CAD/CAM模型、导板较为准确的完成复杂的颌骨重建过程，但其准确性仍取决于各类模型材料的形变率、导板合理设计、切割槽误差累计以及骨锯的稳定性(即外科医生操作手的稳定性)，因此，有时还不得不在很大程度上依赖外科医生的临床经验进行颌骨重建，极大增加了颌骨重建手术难度与不确定性，严重阻碍了此项技术推广应用。另外，在塑形过程中，需要保证腓骨的血管不被切断，但医生在实际操作过程中几乎看不到血管，导致手术难度非常高，还需要解决高精度腓骨塑形难的问题。

因此，这就需要有一种能够提高手术准确性、可重复性并更高效的新方法引入到实际手术中。随着计算机性能、网络技术的提高和图像处理、医疗影像技术的迅速发展使基于图像导航的手术成为可能，并且已经很好的应用于多种疾病的诊断和治疗过程中；而机器人具有精度高、定位准、稳定性及可重复性好、创伤小、不会产生疲劳等优点，也已经广泛的应用于医疗过程中。但目前国内还没有用于下颌骨重建中腓骨段截骨的手术机器人系统。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本申请的目的在于提供一种用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人，以克服现有技术中存在的至少一个问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本申请提供一种用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人，所述机器人包括：工作站，用于术前导入患者腓骨的医学影像以制定手术路径规划，并依据医学影像与患者坐标系的配准，将手术路径规划转换为机械臂运动指令并在术中实时发送；光学导航定位仪，用于实时跟踪安装于机械臂的基座上的机械臂光学定位参考架、及固定于患者小腿上的患者光学定位参考架，以供实时定位安装于机械臂末端的手术工具、患者、及手术目标区域的位置坐标，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准；末端安装有手术工具的机械臂，用于接收工作站实时发送的机械臂运动指令，据以通过位置和姿态的调整来引导手术工具定位至手术目标区域并完成手术操作；六自由度力/力矩传感器，用于测量机械臂末端所受力与力矩，以支持感知切割或导纳控制。

于本申请的一实施例中，所述术前导入患者医学影像以制定手术路径规划，并依据医学影像与患者坐标系的配准，将手术路径规划转换为机械臂运动指令并在术中实时发送，包括：采集并读取患者腓骨的医学影像数据、及包含下颌骨重建规划的术前规划信息导入规划软件中；调整医学图像的2D和3D显示效果以实现体视化的三维模型的重建；基于所述三维模型进行手术路径规划；依据所述手术路径规划，并根据医学影像与患者坐标系的配准，利用机器人手术模拟软件生成用于机器人执行手术操作的机械臂运动指令。

于本申请的一实施例中，所述手术路径规划包括：下颌骨截骨平面规划、截骨路径规划、重要软组织禁忌区域。

于本申请的一实施例中，所述实时定位安装于机械臂末端的手术工具、患者、及手术目标区域的位置坐标，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准，包括：依据光学导航定位仪实时定位到的机械臂光学定位参考架的位置坐标，结合所述机械臂实时的位置和姿态，通过机械臂坐标系与手术工具坐标系的转换，以实现对所述机械臂末端的手术工具进行标定；使用若干个解剖标记点粗配准，再使用能被所述光学导航定位仪实时定位的带有反光小球的探针，在骨头表面进行扫掠采集点云以进行面配准，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准。

于本申请的一实施例中，安装于机械臂的基座上的机械臂光学定位参考架与固定于患者小腿上的患者光学定位参考架，能够在术中保持不动，且不会因术中规划的截骨路径而遮挡。

于本申请的一实施例中，所述机器人还包括：动力系统；所述动力系统包括：动力源与安装有压力传感器的驱动踏板，用于向手术工具提供动力，并对所述六维力/力矩传感器进行重力补偿。

于本申请的一实施例中，所述机械臂为六自由度机械臂，并采用TCP/IP与所述工作站通信连接。

于本申请的一实施例中，所述手术工具为来复锯或摆锯，以供进行腓骨切割操作。

于本申请的一实施例中，所述工作站还提供可视化界面，以实时监测手术工具的手术操作。

于本申请的一实施例中，所述感知切割对应为机器人自主作业的模糊控制；所述导纳控制对应为协同作业的人机交互控制。

综上所述，本申请提供的一种用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人。

本申请能够解决截骨的精准性、安全性难题等，可以精准地执行手术计划，实现切割。借助手术机器人，医生在手术操作难度能大幅度下降。在机器人辅助下，医生可以精确地定位到截骨位置进行操作，避免破坏血管，提高手术成功率。

附图说明

图1显示为本申请于一实施例中用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人的结构示意图。

图2显示为本申请于一实施例中手术路径规划的模型示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，虽然图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，但其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

在通篇说明书中，当说某部分与另一部分“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种部分“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素，排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。

其中提到的第一、第二及第三等术语是为了说明多样的部分、成分、区域、层及/或段而使用的，但并非限定于此。这些术语只用于把某部分、成分、区域、层或段区别于其它部分、成分、区域、层或段。因此，以下叙述的第一部分、成分、区域、层或段在不超出本申请范围的范围内，可以言及到第二部分、成分、区域、层或段。

再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。

血管化腓骨移植是目前下颌骨缺损重建的“金标准”，将患者的腓骨塑形成下颌骨的形状。由于腓骨除外踝上5cm一段为稳定踝关节所必需之外，其余部分均可供移植。由于腓骨位置比较浅表，平直、无弧度，而且腓骨头与桡骨下端相似。因此，自体腓骨移植除在长管骨骨干骨折不愈合时用作骨上移植外，还可于长管骨缺损和桡骨下端缺损，用腓骨全骨移植或带腓骨头的全骨移植以代替缺损的长管骨和桡骨下端。

常用的有“四段式”下颌骨重建方案。要使重建后的下颌骨能很好地恢复患者的咀嚼、吞咽、语言等功能与外形形貌，需要精确地进行截骨操作，保证重建后地下颌骨形态与术前规划方案一致。

目前下颌骨缺损重建手术，在很大程度上依赖外科医生的临床经验进行颌骨重建，极大增加了颌骨重建手术难度与不确定性，严重阻碍了此项技术推广应用。另外，在塑形过程中，需要保证腓骨的血管不被切断，但医生在实际操作过程中几乎看不到血管，导致手术难度非常高，还需要解决腓骨截骨精度不高的问题。为此，针对目前国内还没有用于下颌骨重建中腓骨段截骨的手术机器人系统，本申请提供一种基于光学导航的用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人，以解决上述问题。

如图1所示，展示为申请于一实施例中用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人的结构示意图。如图所示，所述机器人包括：工作站1、光学导航定位仪2、机械臂3、手术工具4、六自由度力/力矩传感器5、动力系统6。

工作站1，用于术前导入患者腓骨的医学影像以制定手术路径规划，并依据医学影像与患者坐标系的配准，将手术路径规划转换为机械臂运动指令并在术中实时发送；

于本实施例中，所述工作站1还提供可视化界面，以实时监测手术工具4的手术操作。例如，通过一或多个摄像头实时监视手术操作过程，如手术工具4上进行设置，机械臂3上进行设置，或者独立的俯视视角进行设置。

另外，所述医学影像与患者坐标系的配准主要通过光学导航定位仪2实现，其具体方法在后面说明。

于本实施例中，所述术前导入患者医学影像以制定手术路径规划，并依据医学影像与患者坐标系的配准，将手术路径规划转换为机械臂运动指令并在术中实时发送，包括：

A、采集并读取患者腓骨的医学影像数据、及包含下颌骨种植规划的术前规划信息导入规划软件中。

举例来说，所述医学影像数据包括CT、MRI、PET等多模数据。优选地，导入DICOM(Digital Imaging and Communication Medicine)格式患者医学图像数据。另外，由于本申请手术机器人主要针对的是用于下颌骨重建的腓骨移植手术，因此，需要提前规划下颌骨重建的信息，例如，提前规划下颌骨缺损部位的尺寸、大小等，进而对腓骨进行截骨手术的规划，以得到所需的尺寸和大小。

优选地，在所述规划软件中可进行三维模型生成、标记点标记等用于图像处理与手术路径生成的功能，以及导出规划路径以供机器人按指定规划路径运动。

B、调整医学图像的2D和3D显示效果以实现体视化的三维模型的重建。

优选地，在三维模型重建主要通过调整相关参数，如图像的窗宽/窗位、体视化的患者模型等。

C、基于所述三维模型进行手术路径规划。

于本实施例中，所述手术路径规划包括：下颌骨截骨平面规划、截骨路径规划、重要软组织禁忌区域。

另外，由于在腓骨附近存在较多血管，在实际操作过程中医生往往看不到，因此，需要将重要软组织禁忌区域标定出来以进行规避规划。如图2所示的手术路径规划的模型示意图。

D、依据所述手术路径规划，并根据医学影像与患者坐标系的配准，利用机器人手术模拟软件生成用于机器人执行手术操作的机械臂运动指令。

简单来说，所述医学影像与患者坐标系的配准，为机器人提供了手术部位附近的信息在二维的医学图像与实际部位之间架一座桥梁，使得患者三维模型中的手术路径规划与实际患者部位建立了对应关系，从而可以使机器人的机械臂3实现有迹可循的移动。

所述光学导航定位仪2，用于实时跟踪安装于机械臂3的基座上的机械臂光学定位参考架21、及固定于患者小腿上的患者光学定位参考架22，以供实时定位安装于机械臂3末端的手术工具4、患者、及手术目标区域的位置坐标，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准。

一般来说，光学导航系统(ONS)主要利用物理光学测量的方法，通过测量导航装置和参考表面之间的相对运动的程度(速度和距离)，进而确定相对位置和姿态信息。简单来说是利用医学图像信息为手术工具4，并提供手术部位附近的信息在二维的医学图像与实际部位之间架一座桥梁。

有国外学者提出基于光学导航系统搭建的腓骨段截骨手术机器人，但该方案是将光学定位参考架安装在手术工具4上，但在手术过程中，由于截面的不同，手术工具4需要不断变换姿态，导致手术工具4无法实时被定位到，手术精度低。而且，该方案手术末端没有安装力传感器，无法获得实时的切割反馈力。

需要说明的是，本申请与常见的将参考架安装在手术工具4不同，为避免上述问题，在考虑到机械臂3的基座位置和患者小腿位置在手术中几乎保持不动，因此，本申请安装于机械臂3的基座上的机械臂光学定位参考架21与固定于患者小腿上的患者光学定位参考架22，从而两个光学定位参考架能够在术中保持不动，在术中患者光学定位参考架22与患者小腿间也不发生移动，能稳定地被本申请的光学导航定位仪2追踪到。并且相比于安装在手术工具4上的参考架，几乎不会因为手术方案中规划的截骨路径改变而遮挡。

举例来说，本申请所述的光学导航定位仪2可采用加拿大北方数字公司(NorthernDigital Inc.，Damark)的Polaris光学导航系统产品。其可搭配无源跟踪参考架，即本申请中机械臂光学定位参考架21与患者光学定位参考架22，跟踪系统的定位精度可达到0.35mm，以用于实时跟踪手术工具4、患者以及目标区域，提供坐标信息。

末端安装有手术工具4的机械臂3，用于接收工作站1实时发送的机械臂运动指令，据以通过位置和姿态的调整来引导手术工具4定位至手术目标区域并完成手术操作。

于本实施例中，所述机械臂3为六自由度机械臂，并采用TCP/IP与所述工作站1通信连接，以用于接收工作站1发送的机械臂运动指令。优选地，所述机械臂3采用UniversalRobot公司的UR5六自由度机械臂。

于本实施例中，所述手术工具4为来复锯或摆锯，以供进行腓骨切割操作。但在其他场景实时例中，所述手术工具4还可以是手术刀、剪刀、注射器等手术工具4，并不限于本申请中所述的来复锯或摆锯。

于本实施例中，所述实时定位安装于机械臂3末端的手术工具4、患者、及手术目标区域的位置坐标，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准，包括：

A、依据光学导航定位仪2实时定位到的机械臂光学定位参考架21的位置坐标，结合所述机械臂3实时的位置和姿态，通过机械臂坐标系与手术工具4坐标系的转换，以实现对所述机械臂3末端的手术工具4进行标定。

简单来说，依据光学导航定位仪2追踪机械臂光学定位参考架21与患者光学定位参考架22，即可定位机械臂3基座与患者下肢之间的位置，并实现坐标系的空间转换。若将机械臂3基座作为坐标系O点，那么机械臂3的六自由度移动可根据步进电机脉冲数，得到相对于坐标系O点的机械臂3末端的实时空间坐标，因此，通过机械臂3坐标系与手术工具4坐标系的转换，可实现对所述机械臂3末端的手术工具4进行标定。

B、使用若干个解剖标记点粗配准，再使用能被所述光学导航定位仪2实时定位的带有反光小球的探针，在骨头表面进行扫掠采集点云以进行面配准，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准。

于本实施例中，通过带反光小球的探针在手术目标区域进行扫掠，以采集手术目标区域的点云进行面配准，在再基于对术工具进行的标定，可计算术中医学影像与患者坐标系的配准。

简单来说，手术过程中，需要对手术工具4进行标定，配准患者医学图像与患者坐标系。然后通过基于患者坐标系配准的机器人实时跟踪算法，以将术前规划信息转化为机械臂运动指令，从而进行截骨操作。

如前所述国外学者提出的方案中，由于其方案手术末端没有安装力传感器，无法获得实时的切割反馈力。

为进一步优化本申请所述的手术机器人，于本申请中，所述机器人还包括：所述六自由度力/力矩传感器5，用于测量机械臂3末端所受力与力矩，以支持感知切割或导纳控制。于本实施例中，所述感知切割对应为机器人自主作业的模糊控制；所述导纳控制对应为协同作业的人机交互控制。优选地，所述六自由度力/力矩传感器5采用Olmia Robotics公司的OptoForce六自由度力/力矩传感器5。

于本实施例中，所述机器人还包括：动力系统6；所述动力系统6包括：动力源61与安装有压力传感器的驱动踏板62，用于向手术工具4提供动力，并对所述六维力/力矩传感器5进行重力补偿。优选地，所述动力系统6可采用德国贝郎蛇牌(Aesculap，Germany)的动力系统6。

本申请所述用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人的工作流程包括：术前，将病例的术前规划信息手术机器人系统操作软件中，并在软件上调整医学图像2D和3D显示效果、体视化重建模型、处理规划路径，如截骨平面等。术中，对手术工具4进行标定，配准患者医学图像与患者坐标系。通过基于患者坐标系配准的机器人实时跟踪算法，将术前规划信息转化为机械臂3的运动指令，进行基截骨操作。举例来说：

1)将患者数据导入工作站1的术前规划软件中，由医生在手术规划软件上确定手术方案，包括截骨路径、重要软组织禁忌区域等；

2)术前，将来复锯或摆锯固定安装在机械臂3末端，连接动力系统6，并对六维力/力矩传感器5进行重力补偿。

3)将带有反光小球的参考架固定在患者手术区域上，使其能被导航定位仪实时定位，在术中参考架与模型间不发生移动。

4)导入术前规划信息到手术机器人的工作站1中，调整相关参数(如图像的窗宽/窗位、体视化的患者模型等)，并标定来复锯或摆锯。

5)在术中，先使用若干个解剖标记点粗配准，再使用带有反光小球的探针在骨头表面进行扫掠采集点云，进行面配准，实现医学图像配准，并从术前规划信息中选择截骨平面。

6)启动机械臂3的动力系统6，医生将来复锯或摆锯牵引至术前规划的目标位置区域，使来复锯或摆锯锯面对准截骨平面。

7)进入感知切割模式，医生启动动力系统6并控制来复锯或摆锯往复运动速度，来复锯或摆锯沿着截骨路径进行切割。

综合来说，通过术前采集和分析医学影像资料，对图像进行三维重建，并在三维图像上进行虚拟手术规划，术中在外科医生的操作、监控及指导下，利用外科机器人来实执行实施手术方案，可准确完成如下颌骨残端定位、骨块切割塑形以及骨瓣就位固定等操作，从而大大提高手术精确性与可操作性，进而提供精确的腓骨塑形，使患者恢复口腔的功能与容貌，减轻患者的痛苦与压力。

本申请还通过对三例病例共24条截骨路径进行实验，实验结果显示截骨面与术前规划的角度误差为1.27±0.32°，位置误差为1.46±0.52mm，相邻截骨面间夹角误差为0.95±0.35°。

本申请所述的用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人能够解决截骨的精准性、安全性难题等，可以精准地执行手术计划，实现切割。借助手术机器人，医生在手术操作难度能大幅度下降。在机器人辅助下，医生可以精确地定位到截骨位置进行操作，避免破坏血管，提高手术成功率。

综上所述，本申请提供的一种用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人，有效克服了现有技术中的多种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中包含通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于下颌骨重建的腓骨移植手术机器人，其特征在于，所述机器人包括：

工作站，用于术前导入患者腓骨的医学影像以制定手术路径规划，并依据医学影像与患者坐标系的配准，将手术路径规划转换为机械臂运动指令并在术中实时发送；

光学导航定位仪，用于实时跟踪安装于机械臂的基座上的机械臂光学定位参考架、及固定于患者小腿上的患者光学定位参考架，以供实时定位安装于机械臂末端的手术工具、患者、及手术目标区域的位置坐标，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准；

末端安装有手术工具的机械臂，用于接收工作站实时发送的机械臂运动指令，据以通过位置和姿态的调整来引导手术工具定位至手术目标区域并完成手术操作；

六自由度力/力矩传感器，用于测量机械臂末端所受力与力矩，以支持感知切割或导纳控制。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述术前导入患者医学影像以制定手术路径规划，并依据医学影像与患者坐标系的配准，将手术路径规划转换为机械臂运动指令并在术中实时发送，包括：

采集并读取患者腓骨的医学影像数据、及包含下颌骨重建规划的术前规划信息导入规划软件中；

调整医学图像的2D和3D显示效果以实现体视化的三维模型的重建；

基于所述三维模型进行手术路径规划；

依据所述手术路径规划，并根据医学影像与患者坐标系的配准，利用机器人手术模拟软件生成用于机器人执行手术操作的机械臂运动指令。

3.根据权利要求2所述的机器人，其特征在于，所述手术路径规划包括：下颌骨截骨平面规划、截骨路径规划、重要软组织禁忌区域。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述实时定位安装于机械臂末端的手术工具、患者、及手术目标区域的位置坐标，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准，包括：

依据光学导航定位仪实时定位到的机械臂光学定位参考架的位置坐标，结合所述机械臂实时的位置和姿态，通过机械臂坐标系与手术工具坐标系的转换，以实现对所述机械臂末端的手术工具进行标定；

使用若干个解剖标记点粗配准，再使用能被所述光学导航定位仪实时定位的带有反光小球的探针，在骨头表面进行扫掠采集点云以进行面配准，从而实现术中医学影像与患者坐标系的配准。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，安装于机械臂的基座上的机械臂光学定位参考架与固定于患者小腿上的患者光学定位参考架，能够在术中保持不动，且不会因术中规划的截骨路径而遮挡。

6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括：动力系统；所述动力系统包括：动力源与安装有压力传感器的驱动踏板，用于向手术工具提供动力，并对所述六维力/力矩传感器进行重力补偿。

7.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述机械臂为六自由度机械臂，并采用TCP/IP与所述工作站通信连接。

8.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述手术工具为来复锯或摆锯，以供进行腓骨切割操作。

9.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述工作站还提供可视化界面，以实时监测手术工具的手术操作。

10.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述感知切割对应为机器人自主作业的模糊控制；所述导纳控制对应为协同作业的人机交互控制。

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