CN112914726A - 一种用于辅助骨外科手术的机器人系统 - Google Patents

Abstract

本申请适用于医疗技术领域，提供了一种用于辅助骨外科手术的机器人系统，包括主控台车、导航仪、机械臂和骨间隙压力测量装置；骨间隙压力测量装置用于测量患者手术部位骨间隙之间的压力值；导航仪用于通过摄像头采集安装于机械臂末端执行器和手术区域的多个反射球的实时三维位资，进而确定末端执行器和手术区域的三维位姿；主控台车用于获取手术部位的三维模型，根据三维模型生成手术规划方案，并在手术过程中，根据压力值更新手术规划方案，按照更新后的手术规划方案向机械臂发送控制指令；机械臂用于根据末端执行器和手术区域的三维位姿，以及控制指令，辅助医生完成手术操作。上述系统，可以辅助医生进行多种类型的骨外科手术。

Description

一种用于辅助骨外科手术的机器人系统

技术领域

本申请实施例属于医疗技术领域，特别是涉及一种用于辅助骨外科手术的机器人系统。

背景技术

骨科手术机器人是一种能够协助骨外科医生进行精准手术操作的辅助机器人系统，其优势在于手术精准度高、病人创伤小、术后恢复快以及可降低医生操作强度等。随着技术的发展，越来越多的骨外科手术开始采用辅助机器人系统，以提高手术的成功率。完整的手术机器人平台通常由机械臂系统、术前规划系统、术中定位跟踪导航系统、可视化系统等组成。按照具体功能和操作模式，骨科手术机器人可分为以下三类：

1.自主型手术机器人，由骨科手术机器人独立完成全部手术过程。

2.被动型手术机器人，骨科手术机器人不提供任何运动性执行动作，只提供全被动型辅助支持功能，全部手术过程由医生完成。

3.半主动型手术机器人，由骨科手术机器人提供包括引导、限位、调整等可执行性辅助动作，但手术中最终的控制及操作过程仍然依赖医生。

具体来说，骨科手术机器人可以应用于以下几个手术类别：全髋关节置换术(THA)，全膝关节置换术(TKA)，膝关节单髁置换术，创伤和脊柱手术。

目前，市售的骨科手术机器人只能为医生提供定位辅助，主要应用于脊柱手术以及创伤手术。由于THA、TKA等关节置换手术对机器人的力学控制有着较高要求，现有技术中的骨科手术机器人还无法广泛地应用于各种类型的骨外科手术中。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种用于辅助骨外科手术的机器人系统，可以为包括全膝关节置换手术等各种类型的骨外科手术提供全过程辅助，完成术前规划、术中导航、术中规划、精确切骨等手术操作。

本申请实施例提供了一种用于辅助骨外科手术的机器人系统，包括布置于手术区域的主控台车、导航仪、机械臂和骨间隙压力测量装置；所述导航仪包括摄像头，所述机械臂包括末端执行器，所述末端执行器和手术区域安装有多个反射球，所述末端执行器和手术区域的多个反射球处于所述摄像头的视野范围内；其中：

所述骨间隙压力测量装置，用于测量患者手术部位骨间隙之间的压力值；

所述导航仪，用于通过所述摄像头采集安装于所述末端执行器和所述手术区域的多个反射球的实时三维位姿，根据所述多个反射球的实时三维位姿确定所述末端执行器和所述手术区域的三维位姿；

所述主控台车，用于获取经预处理得到的所述手术部位的三维模型，根据所述三维模型生成手术规划方案，并在手术过程中获取所述骨间隙压力测量装置测量得到的所述骨间隙之间的压力值，根据所述压力值更新所述手术规划方案，按照更新后的手术规划方案向所述机械臂发送控制指令；

所述机械臂，用于根据所述末端执行器和所述手术区域的三维位姿，以及所述控制指令，辅助医生对所述手术部位进行手术操作。

与现有技术相比，本申请实施例包括以下优点：

本申请实施例，通过骨间隙压力测量装置可以测量患者手术部位骨间隙之间的压力值，通过导航仪可确定机械臂末端执行器和手术区域的三维位姿；主控台车在获取手术部位的三维模型并据此生成手术规划方案后，可在手术过程中根据骨间隙压力测量装置测量得到的压力值，更新手术规划方案，从而按照更新后的手术规划方案向机械臂发送控制指令，使得机械臂能够根据末端执行器和手术区域的三维位姿以及该控制指令，辅助医生对手术部位进行手术操作。采用上述机器人系统，可为包括全膝关节置换手术在内的各种类型的骨外科手术提供全过程辅助，完成术前规划、术中导航、术中规划、精确切骨等手术操作，提高机器人系统在骨外科手术中的应用范围，提高骨外科手术的安全性和精确度，减轻手术医生的负担。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一个实施例提供的一种骨外科手术场地布置示意图；

图2是本申请一个实施例提供的一种主控台车的示意图；

图3是本申请一个实施例提供的一种导航仪的示意图；

图4是本申请一个实施例提供的一种机械臂的示意图；

图5是本申请一个实施例提供的一种末端执行器的示意图；

图6是本申请一个实施例提供的一种传感器阵列的示意图；

图7(a)是本申请一个实施例提供的一种第一类垫片的示意图；

图7(b)是本申请一个实施例提供的一种第二类垫片和第三类垫片的示意图；

图8是本申请一个实施例提供的一种压力显示器的示意图；

图9是本申请一个实施例提供的一种标定板的示意图；

图10是本申请一个实施例提供的一种探针的示意图；

图11是本申请一个实施例提供的一种骨定位架的示意图；

图12是本申请一个实施例提供的一种假体试模的示意图；

图13是本申请一个实施例提供的一种全膝关节置换手术的流程示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

下面通过具体实施例来说明本申请实施例的技术方案。

参照图1，示出了本申请一个实施例提供的一种骨外科手术场地布置示意图，本申请实施例提供的机器人系统可以应用于图1所示的骨外科手术过程，以辅助医生完成手术。上述骨外科手术可以包括各种类型的骨科手术，如全髋关节置换术、全膝关节置换术、膝关节单髁置换术、创伤和脊柱手术等等。本申请实施例对手术机器人所适用的手术类型不作限定。

如图1所示，本申请实施例提供的手术机器人系统包括布置于手术区域的多个子系统，如主控台车200、导航仪300、机械臂400和骨间隙压力测量装置(图中未示出)等等。各个子系统通过相互之间的配合，共同辅助医生完成骨外科手术。

在图1所示的手术场地布置示意图中，患者11B可平躺于手术床11A上，手术床11A和患者11B的位置可以是预先设置好的位置。主控台车200摆放于患者11B头部的一侧，如患者11B头部的右侧，主控台车200的屏幕朝向患者11B头顶方向，为医生助理12B站位留出空间，以方便其在手术过程中操作主控台车200。

导航仪300摆放于主控台车200的同侧，可与患者11B下肢平齐。

机械臂400摆放于患者11B头部的另一侧，如患者11B头部的左侧。根据患者11B手术部位的不同，机械臂400所摆放的具体位置可以不同。例如，若患者11B需要进行全膝关节置换手术，则机械臂400可摆放于靠近患者11B膝关节处。医生12A的位置在机械臂400同侧，可以方便医生操作机械臂400的末端执行器来进行手术。

如图1所示，在手术场地中，还可以包括生命检测仪器13等其他设备，本申请实施例对此不作限定。

参照图2，示出了本申请一个实施例提供的一种主控台车的示意图。主控台车200包括显示器21、键盘鼠标22、显示器支架23、电脑主机24、脚轮25、通讯电缆26、底盘27、壳体28等。主控台车200可以用于手术方案的规划、更新，并能够根据手术规划方案向机械臂发送控制指令。

参照图3，示出了本申请一个实施例提供的一种导航仪的示意图。导航仪300包括摄像头31、摄像头支架32、显示器33、脚轮34、底盘35、连接线缆36等。导航仪300可以用于手术过程中的位置识别、对象跟踪等。

参照图4，示出了本申请一个实施例提供的一种机械臂的示意图。机械臂400包括多自由度机械臂41、脚轮42、机械臂控制器43、壳体44、控制面板45、急停开关46、末端执行器47等。示例性的，上述多自由度机械臂41可以是七自由度机械臂。机械臂400可以基于主控台车200发出的控制指令，辅助医生进行手术操作。例如，机械臂400可以通过末端执行器47辅助医生对患者进行截骨等手术操作。

末端执行器47是医生进行手术操作的基础工具。通常，根据手术类型的不同，末端执行器47可以是不同的手术工具。末端执行器47上可安装有多个反射球，在手术过程中，末端执行器47上的多个反射球应处于摄像头31的视野范围内。需要说明的是，手术区域也安装有多个反射球。在手术过程中，安装于手术区域的多个反射球也应当处于摄像头31的视野范围内。

如图5所示，是本申请实施例提供的一种末端执行器的示意图，该末端执行器47的供电方式为有源，由供电线缆51直接供电。末端执行器47还包括动力开关52，工具快换接头53，安装法兰54，电动定位架55，以及反射球56A、56B、56C和56D。其中，动力开关55由医生直接控制，用于启动/关闭末端执行器47的运行。工具快换接头53可兼容不同手术类型所需的所有工具，并提供快捷安全的更换机制。安装法兰54用于将末端执行器47固定于机械臂400的末端。安装法兰54的延伸部分为电动定位架55，其上安装的反射球56A、56B、56C和56D可通过摄像头31提供末端执行器47的实时三维位姿。

通常，基于红外信号的位置识别系统可以使用无源和/或有源传感器或标记来跟踪对象。在无源传感器或标记中，待跟踪的对象可包含无源传感器，例如反射球形球，其位于待跟踪对象上的策略位置。红外发射器发射信号，且反射球形球反射信号以帮助确定对象在3D中的位置。在有源传感器或标记中，待跟踪的对象包含有源红外发射器，如发光二极管，并因此产生它们自己的用于3D检测的红外信号。利用有源或无源跟踪传感器，系统可基于来自以下一个或多个或与以下一个或多个相关的信息，在几何上分辨有源和/或无源传感器的三维位置：红外相机、数字信号、有源或无源传感器的已知位置、距离、其接收响应信号所花费的时间、其他已知变量或其组合。

在本申请实施例中，导航仪300可通过摄像头31采集安装于末端执行器47和手术区域的多个反射球的实时三维位姿，根据多个反射球的实时三维位姿确定末端执行器47和手术区域的三维位姿。主控台车200获取经预处理得到的手术部位的三维模型后，根据三维模型生成手术规划方案。上述三维模型可以是由主控台车200使用基于人工智能的图像分割算法对患者11B的手术部位的CT数据进行处理获得的。主控台车200可根据手术规划方案以及医生的操作，向机械臂发送控制指令。

示例性地，主控台车200上的显示器21和导航仪300上的显示器33可用于显示手术软件用户界面。手术开始前，可通过用户界面导入预先准备的患者手术部位的扫描数据，如电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)数据。主控台车200可以使用基于人工智能的图像分割算法对CT数据进行自动分割，得到患者11B的手术部位的三维模型。然后，主控台车200根据三维模型进行手术方案规划，选取合适的植入物型号。在手术过程中，主控台车200可通过软件用户界面接收执行指令，然后主控台车200通过接收到的执行指令向机械臂400发送控制指令。机械臂400的控制器根据控制指令控制机械臂400到达合适位姿，进而调整末端执行器47的位置，以便辅助医生进行手术操作。

在本申请实施例中，机器人系统还包括骨间隙压力测量装置。通过配合使用上述骨间隙压力测量装置，可使该机器人系统适用于全膝关节置换手术等对于力学控制有着较高要求的骨外科手术。

上述骨间隙压力测量装置包括三部分，即传感器阵列、3D打印垫片和压力显示器。传感器阵列可贴覆于3D打印垫片一侧，3D打印垫片被置入骨间隙中，通过传感器阵列测量骨间隙之间的压力值。压力显示器可用于对测量得到的骨间隙之间的压力值进行显示。需要说明的是，骨间隙压力测量装置测量得到的压力值也可以在主控台车200的显示器21以及导航仪300的显示器33中进行显示

如图6所示，是本申请一个实施例提供的一种传感器阵列的示意图。传感器阵列可被聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene glycol terephthalate，PET)等材质的薄膜61包裹，薄膜61可以根据手术部位股骨髁形状及植入的假体试模形状等改变自身形状并对目标进行包覆。图6中的网格62为分散的压力传感器阵列，可用于测量出受压力位置的压力数据，同时支持多点读数。

在本申请实施例中，3D打印垫片可以包括第一类垫片、第二类垫片和第三类垫片。其中，第一类垫片可用于在手术前被置入骨间隙中，第二类垫片和第三类垫片用于在手术中被置入骨间隙中。

如图7(a)所示，是本申请一个实施例提供的一种第一类垫片的示意图。图7(a)中第一类垫片71可以是根据手术部位的三维模型打印得到的垫片。

以全膝关节置换手术为例。在手术前，患者扫描CT后，可由CT数据重建出患者膝关节(包含股骨和胫骨)的三维模型，并根据此模型得出伸直间隙和屈曲间隙的上下表面(分别由股骨远端、胫骨平台和股骨后髁、胫骨平台决定)以及股骨滑车，并由3D打印技术打印出与患者对应的间隙三维垫片，也就是第一类垫片。该三维垫片可在截骨前及胫骨截骨结束后对患者膝关节间隙进行填充。

因此，骨间隙压力测量装置可用于测量手术部位骨间隙之间置入有第一类垫片时，患者在不同动作下的多个压力值；主控台车可根据多个压力值构成的第一压力曲线，更新手术规划方案。

示例性地，在手术前，主控台车可获取手术部位的扫描数据，根据扫描数据生成手术规划方案。然后，在手术过程中，医生可控制患者进行特定的动作，并由骨间隙压力测量装置测量出在此过程中的压力曲线。主控台车在获取骨间隙压力测量装置测量得到的骨间隙之间的压力曲线后，根据压力曲线辅助医生更新并完善手术规划方案。

如图7(b)所示，是本申请一个实施例提供的一种第二类垫片和第三类垫片的示意图。图7(b)中第二类垫片72也可以是根据手术部位的三维模型打印得到的垫片。与第一类垫片不同的是，第二类垫片72的一侧为平面。即，第二类垫片72的上平面由患者股骨髁三维模型确认，下平面则为普通平面。

图7(b)中第三类垫片73为预设厚度的平面垫片。例如，第三类垫片73可以是多个厚度为1mm的切片。第三类垫片73可与第二类垫片72以及其他厚度的第三类垫片73组合，以适应胫骨截骨完成后不同的间隙距离。

因此，骨间隙压力测量装置还可用于测量手术部位骨间隙之间置入有第二类垫片和第三类垫片时，患者在不同动作下的目标压力值；主控台车可根据目标压力值，进一步更新手术规划方案。

示例性地，在胫骨平台截骨完毕后，可将传感器阵列贴在第二类垫片上，然后根据患者的膝关节间隙距离选择合适数量的第三类垫片，并将所有垫片按照第二类垫片靠近股骨、第三类垫片依次排开的方式组合在一起后推入膝关节间隙中。由主刀医生控制患者腿部进行内外翻和屈伸，并读取压力显示器上的读数与压力曲线。之后，根据显示屏上读取的数据，主刀医生通过韧带松解或股骨内外旋手动调整，获得理想的间隙内外侧压力。在理想的目标压力值下，通过导航仪系统读取股骨和胫骨的三维位置，进而算出理想的间隙值和更新的截骨方案。之后，主刀医生按照更新后的截骨方案继续进行股骨截骨。

如图8所示，是本申请一个实施例提供的一种压力显示器的示意图。该压力显示器分为两部分，以在全膝关节置换手术中的应用为例，压力显示器上半部分81用于显示内外侧间隙的压力数据，下半部分82可显示患者腿部由屈曲位到伸直位过程中，内外侧间隙压力数据的变化曲线。

在本申请实施例中，主控台车200在获取骨间隙压力测量装置测量得到的骨间隙之间的压力值后，根据压力值更新手术规划方案，然后按照更新后的手术规划方案向机械臂400发送控制指令。机械臂400在接收到控制指令后，可根据末端执行器47和手术区域的三维位姿，以及该控制指令，辅助医生对手术部位进行手术操作。

在使用本申请实施例提供的机器人系统辅助进行骨外科手术时，主控台车200、导航仪300和机械臂400都将锁定在某一位置。机械臂400的壳体44和末端执行器47上可以分别附加有标定工具，如标定板。作为本申请实施例的机器人系统中的一部分，标定板上可以安装有多个反射球。在每次手术时，末端执行器47都需要首先通过标定工具进行标定或配准，以获得其在统一坐标系下的三维位姿。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，标定板上安装的反射球的数量可以是至少三个。导航仪300上的摄像头31可以基于上述反射球，采集得到两个标定板的位置信息，从而得出机械臂400及其末端执行器47在手术过程中的准确三位位姿。

如图9所示，是本申请一个实施例提供的一种标定板的示意图。该标定板包含金属板体91，反射球92A、92B和92C，执行器标定槽93，探针标定槽94。末端执行器47可通过插入标定板的执行器标定槽93内进行配准。

具体地，将末端执行器47放置入标定板上的执行器标定槽93内，然后在保持此组合关系的前提下调整标定板和将末端执行器47的位姿，使标定板反射球92A、92B和92C所形成的平面尽可能与摄像头31的视野方向垂直，使反射球92A、92B和92C之间有足够距离且互不干扰或重叠。保持标定板和末端执行器47的上述位姿，并配合软件操作完成末端执行器47配准。此步骤可通过末端执行器47上反射球56A、56B、56C和56D与末端执行器47之间的刚性位置关系确认末端执行器47执行端的三维位姿。

在本申请实施例中，在进行骨外科手术前，还包括探针配准。如图10所示，是本申请一个实施例提供的一种探针的示意图。该探针包含手持部分101，反射球102A、102B和102C，金属针体103。

探针配准时，需将探针与标定板配合使用。具体地，将探针金属针体103放置入标定板上的探针标定槽94内，然后在保持此组合关系的前提下调整标定板和探针位姿，使探针反射球102A、102B和102C所形成的平面与标定板反射球92A、92B和92C所形成的平面之间的角度小于预设角度值平行，且使上述两个平面完整暴露在摄像头31的视野方向内。通过限定两个平面之间的角度小于预设角度值可以保证两个平面接近平行状态，使反射球92A、92B和92C与反射球102A、102B和102C之间有足够距离且互不干扰或重叠；此外，控制两个平面完整暴露在摄像头31的视野方向内时，以两个平面与摄像头31的视野方向垂直为最佳。保持标定板和探针的上述位姿，并配合软件操作完成探针配准。此步骤可通过探针反射球102A、102B和102C与探针针尖104的固定刚性位置关系获取探针针尖104的三维位姿。

在完成探针配准后，继续进行手术部位配准。例如，骨头配准。此步骤中，探针可在主控台车的控制下触碰手术部位的预设检查点，以校验是否完成手术部位的配准。

具体地，在骨头配准时，需全程保持探针反射球102A、102B和102C可以被摄像头31捕捉且反射球102A、102B和102C之间有足够距离且互不干扰或重叠。按照软件提示依次用探针针尖104稳定触碰患者骨头上预设的每个检查点，并通过软件记录。此步骤结束后，软件将会反馈误差值。若误差值在可接受范围内，则进行下一步。否则重新进行骨头配准。

在本申请实施例中，还可以在手术部位固定骨定位架，通过安装于骨定位架上的多个反射球与其他工具上的反射球，进一步提高机器人系统的定位精度。

如图11所示，是本申请一个实施例提供的一种骨定位架的示意图。该骨定位架包括定位架体111，固定金属棒112，反射球113A、113B、113C和113D。骨定位架可固定于手术部位，其上的多个反射球113A、113B、113C和113D应处于摄像头31的视野范围内。导航仪可根据骨定位架上的多个反射球113A、113B、113C和113D，确定手术部位的三维位姿。

在完成所有的配准工作后，机器人系统可辅助医生开始进行手术操作。在手术操作过程中，主控台车200可根据末端执行器47的三维位姿，判断末端执行器47是否移动至预设的手术操作区域外。上述预设的手术操作区域包括根据手术规划方案确定的手术操作平面区域，和/或，手术操作平面区域内的移动路径区域。

当末端执行器47移动至预设的手术操作区域外时，主控台车200可控制末端执行器47的动力开关52切断末端执行器47的电源，以保证手术安全。

在按照手术流程完成截骨等手术操作后，可为患者安装假体试模。如图12所示，是本申请一个实施例提供的一种假体试模的示意图。该假体试模包括股骨假体试模121和胫骨假体试模122。其中，股骨假体试模121与胫骨假体试模122之间插入有3D打印垫片123，该3D打印垫片123靠近股骨假体试模121的一侧贴覆有传感器阵列124。假体试模可在手术操作完成后被植入手术部位处。

在本申请实施例中，通过骨间隙压力测量装置可以测量患者手术部位骨间隙之间的压力值，通过导航仪可确定机械臂末端执行器和手术区域的三维位姿；主控台车在获取手术部位的三维模型并据此生成手术规划方案后，可在手术过程中根据骨间隙压力测量装置测量得到的压力值，更新手术规划方案，从而按照更新后的手术规划方案向机械臂发送控制指令，使得机械臂能够根据末端执行器和手术区域的三维位姿，以及该控制指令，辅助医生对手术部位进行手术操作。采用上述机器人系统，可为包括全膝关节置换手术在内的各种类型的骨外科手术提供全过程辅助，完成术前规划、术中导航、术中规划、精确切骨等手术操作，提高机器人系统在骨外科手术中的应用范围，提高骨外科手术的安全性和精确度，减轻手术医生的负担。

如前所述，本申请实施例提供的手术机器人系统可以辅助进行包括关节置换手术，创伤手术和脊柱手术等各种类型的骨外科手术。在这些手术类型中，以关节置换手术最为复杂。为了便于理解，下面以最为复杂的全膝关节置换手术为例，详细地对采用上述机器人系统进行手术的全流程进行说明。

如图13所示，是本申请一个实施例提供的一种全膝关节置换手术的流程示意图。按照图13所示的手术流程，整个全膝关节置换手术可以分为三个阶段，即手术前规划阶段、手术前准备阶段和手术阶段。

如图13所示，在手术前规划阶段，首先需要对患者11B的手术部位进行CT拍摄，获得术前CT数据。然后，主控台车200可以使用基于人工智能的图像分割算法，自动地对CT数据进行CT分隔，得到手术部位的三维模型。完成上述操作后，医生助理12B可在主控台车200的显示器21上进行植入物预装配规划，结合手术部位的三维模型，生成手术规划方案。规划完成后，可以被导出。

如图13所示，在手术前准备阶段，首先需要对手术场地进行布置。手术场地布置示意图如图1所示。患者11B可平躺于手术床11A上，手术床11A和患者11B的位置可以是预先设置好的位置。主控台车200摆放于患者11B头部的右侧，主控台车200的屏幕朝向患者11B头顶方向，为医生助理12B站位留出空间，以方便其在手术过程中操作主控台车200。

导航仪300摆放于主控台车200的同侧，可与患者11B下肢平齐。

机械臂400摆放于患者11B头部的另一侧，即患者11B头部的左侧，靠近患者11B膝关节处。医生12A的位置在机械臂400同侧，方便医生操作机械臂400的末端执行器47来进行手术。

手术场地布置完毕后，将如图11所示的骨定位架固定至目标骨头上。骨定位架安装完毕后，安装如图5所示的手持电动手术工具至机械臂400末端，作为末端执行器。手持电动手术工具是医生进行手术操作的基础工具，其上安装的反射球56A、56B、56C和56D将通过摄像头31提供末端执行器47的实时三维位姿。

之后，调整导航仪的摄像头31的位姿，使骨定位架上的反射球113A、113B、113C和113D以及电动定位架55及其上的反射球56A、56B、56C和56D均处于摄像头31的视野范围内，并避免反射球互相之间的干扰和重叠。摄像头31调整完毕后，切开患处，进入手术阶段。

如图13所示，在手术阶段，所有手术软件中的操作均由助理12B在主控台车200上完成。首先，将手术前规划阶段,中生成的手术规划方案导入。导入完毕后，按照软件提示进行检查点设置。这一步骤的目的是为了之后骨头配准阶段做准备，将术前CT数据与术中患者骨头匹配。之后进行探针配准。探针如图10所示。探针配准时，需将探针与标定板配合使用。标定板如图9所示。在进行探针配准时，将探针金属针体103放置入标定板上的探针标定槽94内，然后在保持此组合关系的前提下调整标定板和探针位姿，使探针反射球102A、102B和102C所形成的平面与标定板反射球92A、92B和92C所形成的平面平行，且尽可能与摄像头31的视野方向垂直，使反射球92A、92B和92C与反射球102A、102B和102C之间有足够距离且互不干扰或重叠。保持标定板和探针的上述位姿，并配合软件操作完成探针配准。此步骤可通过探针反射球102A、102B和102C与探针针尖104的固定刚性位置关系获取探针针尖104的三维位姿。

之后进行骨头配准，此步骤需利用探针。在骨头配准时，需全程保持探针反射球102A、102B和102C可以被摄像头31捕捉且反射球102A、102B和102C之间有足够距离且互不干扰或重叠。按照软件提示依次用探针针尖104稳定触碰患者骨头上预设的每个检查点，并通过软件记录。此步骤结束后，软件将会反馈误差值。若误差值在可接受范围内，则进行下一步。否则重新进行骨头配准。

之后进行电动工具配准，电动工具为图5所示的末端执行器。电动工具配准时，需将电动工具与标定板配合使用。将电动工具放置入标定板上的执行器标定槽93内，然后在保持此组合关系的前提下调整标定板和电动工具位姿，使标定板反射球92A、92B和92C所形成的平面尽可能与摄像头31的视野方向垂直，使反射球92A、92B和92C之间有足够距离且互不干扰或重叠。保持标定板和电动工具的上述位姿，并配合软件操作完成电动工具配准。此步骤可通过电动工具上反射球56A、56B、56C和56D与电动工具之间的刚性位置关系确认电动工具执行端的三维位姿。

在所有配准工作完成后，进入术中规划步骤。软件通过手术前规划方案计算出的手术方案，在截骨前为医生预测出截骨后的伸直间隙和屈曲间隙，并将量化的间隙数字显示在显示器21、33上。同时，医生将骨间隙压力测量装置置于膝关节屈曲位，将图6所示的传感器阵列贴在如图7(a)所示的第一类垫片的股骨端侧。然后将患者膝关节伸直，使传感器远端部分塞入胫股关节间隙中。由主刀医生控制患者腿部进行内外翻和屈伸，并读取图8压力显示器上的读数与压力曲线。此步骤可以辅助医生对患者的术前间隙内外侧张力进行评估，并相应的完善手术方案。

手术方案确认后，开始截骨。截骨的整体流程描述如下：医生通过主控台车200向机械臂400发送控制指令，按照导入的规划方案确认患者骨头上所有手术操作平面，并使机械臂400自动调整其自身姿态，进而控制末端执行器47的位姿，使电动工具自动对准手术方案中预先设定的手术操作平面。此步骤为末端执行器47自动对准手术操作平面，对准过程中的角度和距离误差将会显示在显示器33上，方便医生阅读。

末端执行器47对准完成后，医生操作机械臂400进入受位姿约束的手术操作模式。此处的位姿的具体约束方式将根据手术类型的不同而改变。在本实施中，位姿约束包含两种定义。第一定义为：末端执行器47的运动将被限制在规划方案确认的手术操作平面中。即医生无法拖动末端执行器47突破位姿约束至非规划位置。医生可通过手持电动上的动力开关52控制电动工具的工作状态，并在显示器33上随时获取电动工具和患者骨头的实时三维相对位置关系。第二定义为：末端执行器47在前述手术操作平面中的运动也将受到限制，限制由规划方案确认，目的是杜绝电动工具的非规划行进路径对手术操作区域周边的组织造成损伤，保护患者。具体体现方式为，当电动工具在启动状态下超出手术方案规划的操作区域时，手持电动将自动切断电源。

在截骨时，首先进行胫骨截骨。在胫骨平台截骨完毕后，将传感器阵列贴在如图7(b)所示的第二类垫片上，然后根据患者的膝关节间隙距离选择合适数量的第三类垫片，并将所有垫片按照第二类垫片靠近股骨、第三类垫片依次排开的方式组合在一起后推入膝关节间隙中。由主刀医生控制患者腿部进行内外翻和屈伸，并读取图8中的显示屏上的读数与压力曲线。之后，根据显示屏上读取的数据，主刀医生通过韧带松解或股骨内外旋手动调整，获得理想的间隙内外侧压力。在理想压力值下，通过导航仪300读取股骨和胫骨的三维位置，进而算出理想的间隙值和更新的截骨方案。之后，主刀医生按照更新后的截骨方案继续进行股骨截骨。

按照手术流程，在股骨与胫骨均截骨完毕后，主刀医生将为患者安装图12所示的股骨与胫骨假体试模。安装完毕后，将传感器阵列贴至垫片上靠近股骨一侧后将垫片插入膝关节间隙，之后由主刀医生控制患者腿部进行内外翻和屈伸，并读取显示屏上的读数与压力曲线。此步骤可以评估截骨完成后关节间隙平衡情况，并根据显示屏上的量化数据决定是否需要进一步进行韧带松解。

当所有手术操作完成后，将进行植入物装配。至此，全部手术流程完成。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，包括布置于手术区域的主控台车、导航仪、机械臂和骨间隙压力测量装置；所述导航仪包括摄像头，所述机械臂包括末端执行器，所述末端执行器和手术区域安装有多个反射球，所述末端执行器和所述手术区域的多个反射球处于所述摄像头的视野范围内；其中：

所述骨间隙压力测量装置，用于测量患者手术部位骨间隙之间的压力值；

所述导航仪，用于通过所述摄像头采集安装于所述末端执行器和所述手术区域的多个反射球的实时三维位姿，根据所述多个反射球的实时三维位姿确定所述末端执行器和所述手术区域的三维位姿；

所述主控台车，用于获取经预处理得到的所述手术部位的三维模型，根据所述三维模型生成手术规划方案，并在手术过程中获取所述骨间隙压力测量装置测量得到的所述骨间隙之间的压力值，根据所述压力值更新所述手术规划方案，按照更新后的手术规划方案向所述机械臂发送控制指令；

所述机械臂，用于根据所述末端执行器和所述手术区域的三维位姿，以及所述控制指令，辅助医生对所述手术部位进行手术操作。

2.根据权利要求1所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，所述骨间隙压力测量装置包括传感器阵列、3D打印垫片和压力显示器，所述传感器阵列贴覆于所述3D打印垫片一侧；其中：

所述3D打印垫片，用于被置入骨间隙中，通过所述传感器阵列测量所述骨间隙之间的压力值；

所述压力显示器，用于对测量得到的所述骨间隙之间的压力值进行显示。

3.根据权利要求2所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，所述3D打印垫片包括第一类垫片，所述第一类垫片用于在手术前被置入所述骨间隙中；所述第一类垫片为根据所述手术部位的三维模型打印得到的垫片。

4.根据权利要求3所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，

所述骨间隙压力测量装置，用于测量所述手术部位骨间隙之间置入有所述第一类垫片时，所述患者在不同动作下的多个压力值，所述多个压力值构成第一压力曲线；

所述主控台车，用于根据所述第一压力曲线，更新所述手术规划方案。

5.根据权利要求3所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，所述3D打印垫片还包括第二类垫片和第三类垫片，所述第二类垫片和所述第三类垫片用于在手术中被置入所述骨间隙中；所述第二类垫片为根据所述手术部位的三维模型打印得到的垫片，所述第二类垫片的一侧为平面，所述第三类垫片为预设厚度的平面垫片；其中：

所述骨间隙压力测量装置，还用于测量所述手术部位骨间隙之间置入有所述第二类垫片和所述第三类垫片时，所述患者在不同动作下的目标压力值；

所述主控台车，用于根据所述目标压力值，进一步更新所述手术规划方案。

6.根据权利要求1-5任一项所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，还包括标定板，以及插入所述标定板的探针标定槽内的探针，所述标定板和所述探针上均安装有多个反射球，所述探针上的多个反射球所形成的平面与所述标定板上的多个反射球所形成的平面之间的角度小于预设角度值，且所述平面完整暴露在所述摄像头的视野方向内；其中：

所述探针，用于在所述主控台车的引导下触碰所述手术部位的预设检查点，以校验是否完成所述手术部位的配准。

7.根据权利要求6所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，所述末端执行器通过插入所述标定板的执行器标定槽内进行配准。

8.根据权利要求1-5或7任一项所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，还包括固定于所述手术部位的骨定位架，所述骨定位架上安装有多个反射球，所述骨定位架上的多个反射球处于所述摄像头的视野范围内；其中：

所述导航仪，还用于根据所述骨定位架上的多个反射球，确定所述手术部位的三维位姿。

9.根据权利要求8所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，所述末端执行器具有动力开关；其中：

所述主控台车，用于根据所述末端执行器的三维位姿，判断所述末端执行器是否移动至预设的手术操作区域外，并在所述末端执行器移动至所述预设的手术操作区域外时，控制所述动力开关切断所述末端执行器的电源；所述预设的手术操作区域包括根据所述手术规划方案确定的手术操作平面区域，和/或，所述手术操作平面区域内的移动路径区域。

10.根据权利要求1-5或7或9任一项所述的用于辅助骨外科手术的机器人系统，其特征在于，还包括假体试模，所述假体试模包括股骨假体试模和胫骨假体试模，所述股骨假体试模与所述胫骨假体试模之间插入有3D打印垫片，所述3D打印垫片靠近所述股骨假体试模的一侧贴覆有传感器阵列；所述假体试模用于在手术操作完成后被植入所述手术部位。

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