CN113164214A - 用于医疗手术的机械手的自动配准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于定位由导航系统辅助的医疗机器人的关节臂的方法，所述导航系统包含电磁场发生器和两个传感器。所生成的场形成一个测量区，传感器在所述测量区中的位置可以被导航系统确定并传送给机器人。第一传感器被定位于患者的目标解剖定位处。第二传感器被定位于所述关节臂上。当两个传感器位于测量区中时，确定了测量区所谓的“影响减小的区域”，其中金属物体的引入实际上对由导航系统对传感器位置的确定没有影响。然后将所述关节臂配置为使得位于测量区中的关节臂的任何金属部件都处在所述影响减小的区域内。

Description

用于医疗手术的机械手的自动配准

技术领域

本发明属于医疗机器人领域，其旨在于医疗手术期间辅助医师。具体地，本发明涉及一种由电磁导航系统辅助的医疗机器人，所述医疗机器人被配置为将医疗机器人的关节臂在电磁导航系统的测量区中定位，而不干扰或至少仅微不足道地干扰由所述电磁导航系统施行的测量。本发明还涉及一种用于定位这种医疗机器人的关节臂的方法。

背景技术

许多医疗手术需要将医疗器械(例如针、导管、电极、超声发生器、钻头等)相对于患者的目标解剖定位非常准确地定位或移位。

对于某些手术，当前存在允许其协助医师放置、保持或引导医疗器械的医疗机器人。

这样的医疗机器人必须受到定位以便随后允许医师执行手术计划，其包含在患者的目标解剖定位处要施行的一个或多个操作。

通常由医师确定这样的手术计划，然后将其传输到医疗机器人，所述医疗机器人将其存储在并入该医疗机器人中并被配置为指挥医疗机器人的控制单元的存储器中。

然后可取的是，为了最佳地定位医疗机器人以允许医师执行手术计划的操作，要能够在医疗手术期间准确地定义目标解剖定位相对于医疗机器人的位置。

在某些系统中，尤其是在专利US 8774901 B2中描述的系统中，可以使用医疗手术期间拍摄的术中图像在医疗机器人的参考系中定义患者的目标解剖定位的位置。在这种情况下，必须已知并且固定了成像设备相对于医疗机器人的位置。实际上，术中图像允许相对于成像设备确定患者的目标解剖定位的位置。由于成像设备相对于医疗机器人的位置是固定的并且是已知的，然后可以确定患者相对于医疗机器人的目标解剖定位的位置。

使用这种系统，如果不拍摄其他术中图像，将无法检测到在医疗手术期间患者目标解剖定位的位置偏移。目标解剖定位的位置偏移可能是由于，例如，由患者的呼吸所产生的运动、内部器官的运动或操作员在患者身上的术中操作。

在这样的系统中，所述医疗机器人与特定的成像设备相关联。所述系统通常固定在手术室的地板上。因此，医疗机器人无法与其他成像设备一起使用，甚至无法在没有复杂设置的情况下在另一个手术室中使用。

此外，这样的系统需要根据手术中的图像来确定手术时的手术计划。因此，对于没有时间来定义在目标解剖定位处要施行的操作的医师而言，所述计划条件并不是最佳的。

在其他系统中，尤其是在专利申请US 2016/0157887 A1中描述的系统中，可以使用光学导航系统相对于医疗机器人定义患者的目标解剖定位的位置。将一个光学传感器放置在患者的目标解剖定位附近。将另一个光学传感器放置在医疗机器人上。所述光学导航系统允许相对于另一个传感器来确定一个传感器的位置。医学成像设备还用于确定医疗工具必须采取的位置，所述位置是相对于放置在患者的目标解剖定位处的光学传感器的参考系中的目标解剖定位。然后可以在医疗机器人的参考系内确定医疗工具的位置。

这样的系统使得有可能在手术期间跟随目标解剖定位的任何运动，特别是由于患者的呼吸或由于操作者在手术期间对患者的操纵而引起的运动。

然而，这样的系统不适合于准确地确定位于患者体内的目标解剖定位的位置。实际上，光学导航系统要求对光学导航系统的控制设备来说，光学传感器以直接的视线可见。

而且，在手术过程中任何中断光学传感器和光学导航系统的控制设备之间的视线的物体，都将导致相对于患者的目标解剖定位对医疗机器人位置估计上的误差，并且因而是在相对于所述目标解剖定位来定位医疗工具方面。

为了避免必须保证导航系统的控制设备和传感器之间的直接视线，可以设想用电磁导航系统代替光学导航系统。

然而，电磁导航系统确实存在当金属物体存在时对电磁场的干扰和畸变敏感的缺点。然后可取的是，例如仅使非金属材料进入导航系统的测量区。在某些情况下，将铝板用于相对于导航系统的电磁场发生器隔离医疗机器人的金属部件。

医疗机器人关节臂的关节的马达通常包含金属部件。减少金属部件的数量，或在医疗机器人关节臂中使用铝板，从而减小了所述关节臂的自由度。换句话说，关节臂的可能运动的数量大大减少。这样使得不可能将关节臂配置在这样的位置，其允许医师在患者的目标解剖定位处足够准确地施行某些操作。

发明概述

本发明的目的在于补救现有技术中的所有或一些缺点，特别是上文所述的那些。

为此，并且根据第一方面，本发明提出了一种用于定位医疗机器人的关节臂以辅助医师在患者的目标解剖定位处进行医疗手术的方法。所述医疗机器人包含：基座和控制单元，其中所述基座连接有关节臂，且所述控制单元允许将关节臂配置在确定的位置。医疗机器人由电磁导航系统辅助，所述电磁导航系统包含电磁场发生器和两个电磁传感器。所生成的电磁场形成一个测量区，在所述测量区中传感器的位置可以通过电磁导航系统确定并传送给医疗机器人。在准备步骤中，第一传感器位于目标解剖定位处，第二传感器位于所述关节臂上。关节臂的定位方法值得注意，其包括以下步骤：

-当两个传感器位于测量区中时，由电磁场发生器的位置和传感器的位置确定所谓的“影响减小的区域”，

-配置关节臂，使得位于测量区中的关节臂的任何金属部件都处在影响减小的区域内。

所述定位关节臂的方法不包括对患者执行医疗行为的步骤。实际上，在医师执行医疗行为之前就配置好了医疗机器人的关节臂。

在本申请中，术语“医疗”应作广义理解，并且可以同等地涉及手术环境或非手术环境。

患者的“目标解剖定位”，应理解为是指所述患者的人体的至少一部分，通过所述医疗手术对该部分有针对地进行治疗。

在本申请中，术语“位置”实际上相当于在给定参考系内物体的位置和取向的组合，所述给定参考系通常是三维坐标系。文献中使用术语“姿势”来表示在空间中物体的位置和取向的这种组合。

位于医疗机器人的关节臂上的第二传感器，被放置在所述医疗机器人的参考系内的已知位置处。

电磁导航系统允许在电磁导航系统的参考系内确定第一传感器和第二传感器的位置。这样的参考系例如相对于所述电磁导航系统的电磁场发生器的中心居中。因此，第一传感器的位置和第二传感器的位置相对于彼此是已知的。由于第二传感器的位置在医疗机器人的参考系内是已知的，因此可以在医疗机器人的参考系内确定第一传感器的位置。导航系统的参考系中的传感器位置和电磁场发生器的位置通过导航系统传送给医疗机器人。术语“位置”包含在导航系统的参考系三个空间维度上的位置和取向。

相对于第一传感器的位置，已知患者的目标解剖定位的位置。例如，可以在医疗手术期间拍摄术中图像，其上有患者的目标解剖定位和第一传感器的位置。

知道目标解剖定位相对于第一传感器的位置以及第一传感器的相对于医疗机器人的位置，就可以确定目标解剖定位相对于医疗机器人的位置。

所谓的“影响减小的区域”是测量区的区域，当所述传感器位于由电磁导航系统的发生器生成的电磁场的测量区中时，在所述区域中金属物体的引入实际上根本不会干扰电磁导航系统对第一传感器和第二传感器的位置的确定。所述区域使得位于所述区域中的金属物体对通过传感器之一的所生成电磁场线不会产生变形或仅可忽略不计地产生变形。

在本申请中可以接受的是，如果针对导航系统参考系的三维系统每个坐标轴的传感器位置测量误差低于阈值，则由在影响减小的区域中存在的医疗机器人10的关节臂14的金属部件而对传感器位置测量产生的干扰可以忽略不计。此阈值例如可以具有1mm，甚至0.5mm的值。

只要医疗机器人的关节臂的金属部件保持在所述区域内，就可以精确地追踪两个传感器的位置，从而确定目标解剖定位相对于医疗机器人的位置。

即使机器人的金属部件位于目标解剖定位附近，甚至即使物体挡住了目标解剖定位与导航系统的控制设备之间的视线，这样的规定允许在整个手术期间相对于医疗机器人确定患者的目标解剖定位的位置。

在特定的实施方案中，本发明可以进一步包含单独地或根据任何技术上可能的组合而采取的一个或多个以下特征。

在特定的实施方案中，所述电磁场发生器采取板的形式，并且影响减小的区域被确定为下述测量区的如下这样的区域：该区域相对于平行于所述板且穿过传感器的平面位于所述板对面，其中所述传感器在与所述板垂直的方向上处在距离所述板最远处。

在特定的实施方案中，将影响减小的区域确定为测量区的如下这样的区域：该区域相对于与穿过电磁场生成器的中心且穿过所述传感器的方向垂直的平面位于所述电磁场发生器对面，其中所述传感器处在距离所述电磁场发生器的中心最远处。

这样的规定使得可以确保医疗机器人的关节臂的金属部件保持在与穿过所述传感器的场线相切的平面“之外”。因此，所述金属部件不能切断穿过传感器的场线，因此它们实际上根本不会干扰导航系统施行的测量。

在特定的实施方案中，根据存储在医疗机器人的控制单元中的手术计划来配置关节臂。所述手术计划包含关于在患者的目标解剖定位处要施行的至少一项操作的信息。根据由导航系统确定的传感器的位置来确定关节臂的配置，以允许医师在定位方法之后施行所述操作。

这样的规定使得可以追踪目标解剖定位的位置的偏移，也就是说，当患者的目标解剖定位例如由于患者的呼吸、术中操作或目标解剖定位处的内部运动而发生位置偏移时，相对于患者目标解剖定位的位置来调节医疗机器人的关节臂的位置。因此，本发明允许根据患者的目标解剖定位的运动来自动配准医疗机器人的关节臂的位置。

在特定的实施方案中，工具可以安装在装载于关节臂的自由端的工具支架上，并且手术计划的操作对应于相对于患者的目标所述解剖定位，允许将工具布置在预定位置、预定空间或按照预定轨迹。

“自由端”应理解为是指关节臂的未连接到医疗机器人基座的末端。

应当注意，这样的医疗行为(例如，将针插入患者的目标解剖定位)是由医师在用于定位医疗机器人的关节臂的方法之后施行的。因此，执行这种医疗行为并不构成用于定位关节臂的方法的一部分。

在特定的实施方案中，允许要施行的手术计划的操作的关节臂配置由以下确定：

-术前图像，包含与在患者的目标解剖定位处要施行的所述计划操作有关的信息，

-术中图像，包含关于患者的目标解剖定位相对于处在目标解剖定位的第一传感器的位置的位置信息，

-将术中图像与术前图像配准以获得这样的图像，其包含关于在患者的目标解剖定位处要施行的计划操作的信息和关于所述目标解剖定位相对于所述第一传感器的位置的位置信息。

实际上，医师可以在计划阶段根据扫描仪、计算机断层扫描(CT)、磁共振成像(MRI)、正电子发射断层扫描(PET)、超声、X射线类型和其他此类医学图像确定手术计划。然后，医师能够基于一个或多个医学图像选择出相对于患者的目标解剖定位的所述医疗器械的位置或轨迹。

然而，手术时患者的目标解剖定位的真实位置不一定与术前计划阶段中预测或建模的位置相对应。因此，有利的是能够配准术前图像与术中图像，根据所述术前图像来计划在目标解剖定位处要施行的操作，并在术中图像准确地表示在手术时患者的目标解剖定位的位置。

可以根据扫描仪、CT、MRI、PET、超声、X射线、荧光检查、锥束计算机断层扫描(CBCT)以及其他此类医学图像，确定在手术时患者的目标解剖定位的位置。

在特定的实施方案中，第一传感器包含在所述术中图像中可见的元件，并且所述元件的几何形状是已知的。

这样的规定允许在术中图像上准确地确定第一传感器相对于目标解剖定位的位置。

在特定的实施方案中，患者的目标解剖定位和第一电磁传感器位于患者体内。

利用电磁导航系统，实际上不需要使位于患者的目标解剖定位处的传感器可见。

根据第二方面，本发明涉及一种医疗机器人，所述医疗机器人用于协助医师在患者的目标解剖定位处进行医疗手术。所述医疗机器人包含：基座和控制单元，其中所述基座连接有关节臂，且所述控制单元允许将关节臂配置在确定的位置。旨在通过电磁导航系统来辅助医疗机器人，所电磁导航系统包含电磁场发生器和两个电磁传感器。由所述发生器生成的电磁场形成测量区，在所述测量区中传感器的位置可以由电磁导航系统确定并传送到医疗机器人。第一传感器位于目标解剖定位处，第二传感器位于关节臂上。当两个传感器位于测量区中时，控制单元被配置为根据电磁场发生器的位置和传感器的位置来确定测量区的所谓的“影响减小的区域”，且将关节臂配置为使得位于测量区中的关节臂的任何金属部件均处在所述影响减小的区域内。

在特定的实施方案中，本发明可以进一步包含单独地或根据任何技术上可能的组合而采取的一个或多个以下特征。

在特定的实施方案中，所述关节臂包含在关节臂的自由端处的工具支架。所述工具支架由非磁性材料制造，并且第二传感器位于所述工具支架上。

“非磁性材料”应理解为，是指不(或几乎不)被磁体吸引或排斥的材料。例如，所述工具支架由塑料、陶瓷或300系列不锈钢制成。

在特定的实施方案中，所述工具支架在关节臂的自由端处在关节臂的最后部分的纵向上延伸，所述工具支架的长度至少等于10cm，并且第二传感器位于所述工具支架的远端。

这样的规定允许额外的余量以确保医疗机器人的金属部件足够远离第二传感器，以便不干扰或者甚至可以忽略不计地干扰导航系统对所述传感器的位置的测量。

在特定的实施方案中，所述电磁场发生器采取板的形式，并且影响减小的区域被确定为测量区的如下这样的区域：该区域相对于平行于所述板且穿过传感器的平面位于所述板对面，其中所述传感器在与所述板垂直的方向上处在距离所述板最远处。

在特定的实施方案中，所述影响减小的区域由控制单元确定为测量区的如下这样的区域：该区域相对于与穿过电磁场发生器的中心且穿过传感器的方向垂直的平面位于所述电磁场发生器对面，其中所述传感器处在距离所述电磁场发生器中心最远处。

在特定的实施方案中，根据存储在医疗机器人的控制单元中的手术计划由控制单元来配置关节臂。所述手术计划包含关于在患者的目标解剖定位处要施行的至少一项操作的信息。根据由导航系统确定的传感器的位置来确定关节臂的配置，以允许医师在定位方法之后施行所述操作。

在特定的实施方案中，允许要施行的手术计划的操作的关节臂配置由以下确定：

-术前图像，包含与在患者的目标解剖定位处要施行的所述计划操作有关的信息，

-术中图像，包含关于患者的目标解剖定位相对于处在目标解剖定位处的第一传感器的位置的位置信息，

-将术中图像与术前图像配准以获得这样的图像，其包含关于在患者的目标解剖定位处要施行的计划操作的信息和关于所述目标解剖定位相对于所述第一传感器的位置的位置信息。

附图说明

通过阅读作为非限制性实例给出的以下描述并参考图1-7，将更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的医疗机器人的示意图，

图2是从上方看的电磁导航系统的场发生器的布置以及在手术台上伸展的患者的相应测量区的示意图，

图3为所述测量区的所谓的“影响减小的区域”的示意图，

图4为用于本发明的特定实施方式的测量区的所谓的“影响减小的区域”的确定的示意图，

图5为用于本发明的特定实施方式的测量区的所谓的“影响减小的区域”的确定的示意图，

图6为参考图5描述的本发明的特定实施方式的另一示意图。

图7是根据本发明的用于定位医疗机器人的关节臂的方法的主要步骤的示意图。

在这些图中，从一个图到另一个图相同的附图标识代表相同或类似的元件。出于清楚的原因，除非另有说明，否则表示出的元件不一定是同一比例。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的医疗机器人10以及在手术台上伸展的患者30。

所述医疗机器人10包含基座11。在图1所示的实例中，医疗机器人10的基座11配备有轮子，所述轮子允许医疗机器人10通过平移和/或旋转运动沿不同的方向移动。

所述医疗机器人10包含关节臂14，所述关节臂的一端连接到基座11。可以在关节臂14的自由端处，即在关节臂14的未连接到医疗机器人10的基座11的端部上，将医疗工具安装在工具支架17上。

然后可以使用这种医疗机器人10来辅助医师定位、保持或引导所述医疗工具。然后，所述医疗机器人10充当医师的第三只手。

优选地，关节臂14拥有至少六个自由度，以能够在三维空间中定位和/或移动所述医疗工具。甚至更优选地，关节臂具有7个自由度，允许在保留工具位置的同时改变关节臂的配置。

例如，所述工具可以是用于将诸如针、导管或电极之类的器械植入患者30目标解剖定位的目标区中的引导件。

根据另一个实例，所述工具可以是医疗器械、探头或电极，其必须非常精确地引入目标器官以允许对患者30的目标解剖定位的一部分进行活检、切除或消融。

在下文的描述中，以实例且非限制性的方式假设的情况将是如下情况：其中工具架17被安装在医疗机器人10的关节臂14的自由端，并且被安装在所述工具支架17上的工具是用于引导针的引导器械。如图1所示，所述工具支架17例如通过凸缘16安装在医疗机器人10的关节臂14上。

对于医疗机器人10来说，重要的是能够将所述工具定位在预定位置处，或者能够在预定空间内或根据预定轨迹在相对于患者30目标解剖定位准确移动所述工具的位置。

所述关节臂14包含由医疗机器人10的控制单元12控制的一个或多个关节15。然后，关节臂14的一种可能的配置对应于由关节臂14的关节或若干关节15所取的一组参数值(例如，旋转角度、平移距离等)。

所述控制单元12包含例如一个或多个处理器和存储器13(磁性硬盘、电子存储器、光盘等)，其中以要执行的一组程序代码指令的形式存储了计算机程序产品，以实施定位所述医疗机器人10的关节臂14的方法的各个步骤。替选地或另外地，所述控制单元12包含：一个或多个可编程逻辑电路(FPGA、PLD等)和/或一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或一套分立的电子零件等，适于实施所述定位方法的全部或者部分步骤。

电磁导航系统用于允许相对于医疗机器人10确定患者30的目标解剖定位的位置。电磁导航系统包含电磁场发生器23和两个电磁传感器21、22。第一传感器21放置在患者30的目标解剖定位31处。第二传感器22在医疗机器人10的参考系内的已知位置处，安装在医疗机器人10的关节臂14上。

导航系统还可以包含集中控制设备，所述集中控制设备被配置为根据由所述传感器21、22施行的测量来确定传感器21、22的位置。在附图中未示出这种控制设备。它可以与电磁场发生器23结合。所述控制设备被配置为例如经由无线通信装置将传感器21、22的位置传送至医疗机器人10的控制单元12。

众所周知，电磁传感器21、22例如包含至少两个导电线圈，当所述传感器21、22受到外部电磁场影响时，所述至少两个导电线圈可以被配置为测量六个自由度。电磁传感器21、22的每个线圈产生感应的电信号，所述感应的电信号具有取决于线圈相对于电磁场的位置的特性。

因而，当传感器21、22位于导航系统的测量区25中时，导航系统允许在导航系统的参考系内确定第一传感器21的位置和第二传感器22的位置。这样的参考系例如相对于电磁场发生器23的中心24居中。

测量区25对应于这样的空间中的区域，在该空间中由发生器23发射的电磁场足够强以允许确定位于所述区域中的电磁传感器21、22的位置。在所考虑的实例中，并且如图1和2所示，导航系统的电磁场发生器23是水平固定在手术台40下方的板，患者30伸展在手术台40上。测量区25采取圆柱体的形式，所述圆柱体在手术台40上方延伸，直径为大约500mm，高度为大约600mm，并且其底部居中在由发生器23形成的板上。如图2所示，电磁场发生器23固定在手术台40下方这样的位置，其使得放置在患者30目标解剖定位31处的传感器21包括在测量区25中。

电磁导航系统允许在电磁导航系统的参考系中确定第一传感器21的位置和第二传感器22的位置。因此，第一传感器21的位置和第二传感器22的位置相对于彼此是已知的。由于第二传感器22的位置在医疗机器人10的参考系中是已知的，因此可以在医疗机器人10的参考系中确定第一传感器21的位置。

相对于第一传感器21的位置，已知患者30的目标解剖定位31的位置。例如，可以在医疗手术期间产生同时示出患者30的目标解剖定位31和第一传感器21的位置的术中图像。

为了出现在术中图像中，第一传感器21可以例如包括不透射线的陶瓷球。为了能够在术中图像上准确地确定第一传感器21相对于目标解剖定位31的位置，所述球的几何形状是已知的。

知道目标解剖定位31相对于第一传感器21的位置以及第一传感器21的相对于医疗机器人10的位置，就可以确定目标解剖定位31相对于医疗机器人10的位置。

因而，在整个医疗手术中，可以根据传感器21、22的位置来确定医疗机器人10的关节臂14的配置，以便将医疗工具放置并保持在预定位置，相对于患者30的目标解剖定位31，在预定的空间内和/或根据预定的轨迹准确地移动所述工具的位置。

具体地，可以追踪目标解剖定位31的运动，并且根据这些运动来调整或换句话说，记录医疗机器人10的关节臂14的位置。患者30的目标解剖定位31的运动，可以例如由于患者的呼吸、对患者30的术中操作或患者30的内部器官的运动而引起。

在特定的实施方式中，根据存储在医疗机器人10的控制单元12中的手术计划来配置关节臂14。

所述手术计划包含关于在患者30的目标解剖定位31处要施行的一个或多个操作的信息。所述手术计划的操作例如对应于能够相对于患者30的目标解剖定位31，在预定空间中操作医疗工具，将工具放置在预定位置，或者根据预定轨迹移动所述工具的位置。

在计划阶段创建所述手术计划。所述计划阶段可以在医疗手术之前进行，然后根据术前医学图像来确定。根据另一个实例，可以在手术期间根据术中医学图像来确定计划阶段。

在此计划阶段中，医师确定必须在目标解剖定位处施行的不同操作。例如，可以使用CT扫描、MRI、PET、超声、X射线类型或其他类型的医学图像来生成手术计划。操作者通常是将借助于医疗机器人10施行手术的医师，他选择出工具的参数(例如长度、直径、3D形状、待输送的功率水平、电流、治疗时间等)。根据要施行的治疗的类型，可以计划一个或多个操作。借助于分段和计划算法，所述计划可以是完全手动的、交互式的或完全自动化的。决策辅助算法可以例如基于专家系统(能够通过基于事实和已知规则进行推理再现医师的认知机制的系统)或智能自动学习机构(例如使用卷积神经网络)。

例如，以控制单元12已知的指令形式将手术计划的操作编码在计算机文件中。对应于所述手术计划的计算机文件可以例如在与医疗机器人10分开的计算机上生成。然后将文件发送到医疗机器人10并存储在控制单元12的存储器13中。可以按常规以不同方式施行计算机文件的这种传输，诸如例如，通过USB(通用串行总线)密钥或通过无线通信进行文件传输。

所述手术计划的操作例如描述了所述工具相对于患者30的目标解剖定位31的不同位置或不同运动。控制单元12也知道关节臂14和工具的几何模型。例如，关节臂14配备有编码器，所述编码器使其能知道其每个轴的角度位置，并且通过计算知道所述工具的位置。然后，控制单元12可以从手术计划中包含的信息中确定关节臂14的一种或多种配置，借此所述医师可以施行由所述手术计划所提供的操作。

此种医疗行为，例如将针插入患者30的目标解剖定位31处，仅在医师在用于定位医疗机器人10的关节臂14的方法之后执行。因此，执行这种医疗行为并不构成根据本发明用于定位关节臂14的方法的一部分。

对于医师有利的是，能够在医疗手术之前的计划阶段中定义手术计划，例如在手术之前的几天或几小时。然而，在手术时患者30的目标解剖定位31的真实位置不一定与术前计划阶段期间预测或建模的位置相对应。因此，有利的是能够配准术前图像与术中图像，从所述术前图像中计划在目标解剖定位31处要施行的操作，以及所述术中图像准确地表示在手术时患者30的目标解剖定位31的位置。

因而，在特定的实施方式中，允许要施行的手术计划的操作的关节臂14配置由以下确定：

-术前图像，包含有关所述操作的信息，

-术中图像，包含关于患者30的目标解剖定位31相对于处在目标解剖定位31的第一传感器21的位置的位置信息，

-术中图像与术前图像的配准以获得这样的图像，其包含关于在患者30的目标解剖定位处要施行的计划操作的信息和关于所述目标解剖定位31相对于所述第一传感器21的位置的位置信息。

有不同的将一个图像与另一个图像对齐的方法。这样的方法被认为是本领域技术人员已知的。

电磁导航系统的一个缺点是，导航系统对传感器21、22的位置测量的准确性可能会由于测量区25中金属物体的存在而受到干扰。值得注意的是，其上安装有工具支架17的凸缘16以及医疗机器人10的关节臂14的机动关节15通常包含金属部件。如果金属部件拦截了发生器23发出的穿过传感器21、22的电磁场的场线27，则将导致所述传感器21、22感知的电磁场变形。然后通过导航系统来确定所述传感器21、22的位置将不真实。

然后可取的是，确保位于测量区25中的医疗机器人10的关节臂14的金属部件不会干扰或甚至可以忽略不计地干扰通过导航系统对传感器21、22位置的测量。

为此，如图3中示意性所示，控制单元12被配置为确定测量区25的所谓的“影响减小的区域”26，当所述传感器21、22位于由电磁导航系统的电磁场发生器23生成的电磁场的测量区中时，在所述区域26中金属物体的引入几乎完全不会干扰通过电磁导航系统确定第一传感器21的位置和第二传感器22的位置。理想地，影响减小的区域26被定义为使得位于测量区25中的医疗机器人10的关节臂14的任何金属部件不与穿过传感器21、22的场线27相交。

医疗机器人10的控制单元12还被设计为配置医疗机器人10的关节臂14，使得在医疗手术期间位于测量区25中的关节臂14的任何金属部件处在所述影响减小的区域26内。

对于医疗机器人10的具有比所需的更大的自由度的关节臂14，可以设想关节臂14的几种配置，其允许要施行的计划操作。例如，具有六个自由度的拟人化关节臂14通常可根据穿过预定进入点的直线方向根据其轴线的几种不同配置来定位针引导件。然后，医疗机器人10的控制单元12通常可以选择与约束兼容的关节臂14的配置，由此位于测量区25中的关节臂14的任何金属部件都必然处在影响减小的区域26内。

当传感器21、22的位置改变时，重新计算影响减小的区域，以确保在手术期间始终验证所述约束。

只要医疗机器人10的关节臂14的金属部件保持在影响减小的区域26内，就可以精确地追踪两个传感器21、22的位置，因此可以精确地确定相对于医疗机器人10所述目标解剖定位31的位置。

这样的规定允许在整个手术期间确定相对于医疗机器人10患者30的目标解剖定位31的位置，即使机器人的金属部件相对靠近目标解剖定位31，以及即使患者30的目标解剖定位31在医疗手术期间发生了运动，也是如此。

然后可以根据医疗手术期间目标解剖定位31的运动，来自动配准医疗机器人10的关节臂14的位置。

图4示意性地表示用于确定影响减小的区域26的特定实施方式。在此特定实施方式中，所述电磁场发生器23采取板的形式，并且影响减小的区域26被确定为测量区25的如下这样的区域：该区域相对于平行于所述板且穿过所述传感器21、22的平面51位于所述板对面，其中所述传感器在与所述板垂直的方向上处在距离所述板最远处。

在图4所示的实例中，位于医疗机器人10的关节臂14上的第二传感器22，是在与发生器23形成的所述板垂直的方向上距离所述发生器23最远的传感器。因此，由平面51界定的测量区25的上部对应于影响减小的区域26，在所述区域中可以引入关节臂14的金属部件而不会显著干扰通过导航系统对传感器21、22的位置确定。

通过这样确定影响减小的区域26，关节臂14的金属部件相对于电磁场发生器23永久地保持在传感器21、22的“上方”。

根据参照图4描述的特定实施方式，影响减小的区域26的确定是简单的，并且当关节臂14的自由端侧上的最后部分18必须在相对于工作台40和相对于发生器23基本垂直的方向上作用于患者30的目标解剖定位31时特别合适。然而，它并不非常适合于其中关节臂14的最后部分18必须在相对于工作台40且相对于发生器23基本上水平的方向上作用于患者30的目标解剖定位31的情况。

图5示意性地示出了用于确定影响减小的区域26的另一特定实施方式。在此特定实施方式中，所述影响减小的区域26是测量区25的如下这样的区域：该区域相对于与穿过电磁场发生器23的中心24且穿过传感器21、22的方向52垂直的平面53位于所述电磁场发生器23对面，其中所述传感器处在距离所述电磁场发生器23的中心24最远处。

应当注意，电磁场发生器23的中心24的位置和测量区25的位置可以由在医疗机器人10的参考系中的控制单元12确定，因为一方面，在医疗机器人10的参考系中第二传感器22的位置是已知的，另一方面，在导航系统的参考系中可以相对于所述第二传感器22的位置来确定发生器23的位置。然后，变换矩阵通常可以确定在医疗机器人10的参考系中发生器23的位置。就测量区25而言是已知的，因为相对于电磁场发生器23的位置，它是针对所使用的导航系统而指定的。例如，可以将测量区25的规格保存在医疗机器人10的控制单元12的存储器13中。

在图5所示的实例中，位于医疗机器人10的关节臂14上的第二传感器22是与发生器23的中心24距离最远的传感器。所述平面53是基本上与穿过传感器22的场线27相切的平面。只要医疗机器人10的关节臂14的金属部件相对于发生器23保持在“平面”53之外，它们就不能与穿过传感器21、22的场线相交，因此，它们仅可忽略地干扰由导航系统施行的测量。

应当注意，在所述特定的实施方案中，发生器23是板状还是其他形式都不重要。

图6表示当医疗机器人10的关节臂14的自由端侧上的最后部分18处于大致水平位置时，以与图5描述的实施方式相同的实施方式确定影响减小的区域26。

显然，这种用于确定影响减小的区域26的方法并不能阻止医疗机器人10的关节臂14的这种配置。

在特定的实施方案中，所述关节臂14包含在关节臂14的自由端处的工具支架17。所述工具支架由非磁性材料制造，也就是说，所述材料不(或几乎不)受磁体吸引或排斥。作为非限制性实例，工具支架可以例如由塑料、陶瓷或300系列不锈钢制成。位于关节臂14上的第二传感器22位于工具支架17上。

优选地，工具支架17在关节臂14的自由端处在关节臂14的最后部分的纵向上延伸，工具支架17的长度至少等于10cm，并且第二传感器22位于工具支架17的远端。

这样的规定允许额外的余量以确保医疗机器人10的金属部件足够远离第二传感器22，从而不会显著干扰导航系统对所述第二传感器22的位置的测量。取决于医疗机器人10的材料和所使用的电磁场发生器23的类型，工具支架17的长度可以是不同的。明显地，在某些情况下具有长度至少等于19cm的工具支架17可能是有利的。

图7示意性地表示了用于定位如前所述的医疗机器人10的关节臂14的方法100的主要步骤。

在执行定位方法100之前，第一传感器21被认为位于要治疗的患者30的目标解剖定位31处。还认为患者和电磁场发生器23相对于彼此安置，使得所述第一传感器21位于电磁导航系统的测量区25中。最后，认为医疗机器人10放置在靠近患者30的位置，所述位置允许医疗机器人10的关节臂14在目标解剖定位31处执行要施行的所有操作。

存在不同的方法来将医疗机器人10放置在医疗机器人10的关节臂14能够在目标解剖定位31处执行要施行的所有操作的位置。这可以是完全手动的方法，其中操作员将医疗机器人10移动到这样的位置。这也可以是全自动方法，其中医疗机器人10包含例如空间定位装置(摄像机、测距仪、惯性、光学或里程传感器等)以及用于检测这种位置并对那里自主定位的计算装置。

由此，根据本发明的用于自动定位医疗机器人10的关节臂14的方法100，可以被实施为在手术期间检测并准确地追踪目标解剖定位31的位置，并将关节臂14配置在适当的位置，其既适合于允许医师在目标解剖定位处执行要施行的操作，又几乎不干扰电磁导航系统的测量，从而可以确定传感器21、22的位置。

用于定位关节臂14的方法100主要包括以下步骤：

-当两个传感器21、22位于测量区25中时，由电磁场发生器23的位置以及传感器21、22的位置确定101所述测量区25的所谓的“影响减小的区域”26。

-配置102关节臂14，使得位于测量区25中的关节臂14的任何金属部件都处在影响减小的区域26内。

前面的描述清楚地表明，通过其各个特征和它们的优点，本发明实现了设定的目标。

具体地，医疗机器人10可以在任何手术室中操作，它没有与特定手术室关联，也不必知道其相对于特定成像设备的位置。然后，这限制了与由机器人辅助的医疗治疗相关的成本，因为不需要将医疗机器人与每个手术室相关联或者特别准备用于医疗机器人在其中工作的手术室。

与光学导航系统相比，电磁导航系统是有利的，因为它对阻挡导航系统的传感器和控制设备之间的直接视线的任何障碍均不敏感。

而且，电磁导航系统允许确定放置在患者30的人体内部的传感器21的位置，这使得可以治疗位于患者30的体内的目标解剖定位31。

借助于电磁导航系统，医疗机器人10能够在手术期间永久地追踪患者的目标解剖定位31的位置。因此，医疗机器人10可以在手术期间根据目标解剖定位31的运动来调节其关节臂14的位置。

在整个手术期间根据传感器21、22的位置来确定影响减小的区域26，使得医疗机器人10的控制单元12可以选择关节臂14的配置，所述配置允许医师执行预期的操作，同时确保由电磁导航系统提供的测量仅受到导航系统的测量区25中金属部件的轻微干扰。

更一般地，应当注意，上面考虑的实施方式和实施方案已经被描述为非限制性实例，并且因此可以想到其他变型。

值得注意的是，已经提出了用于确定测量区25的影响减小的区域26的不同方法。但是，可以想到其他方法。这样的方法仅对应于本发明的变型。

Claims (14)

1.用于将医疗机器人(10)的关节臂(14)定位以帮助医师在患者(30)的目标解剖定位(31)处进行医疗手术的方法(100)，所述医疗机器人(10)包含基座(11)和控制单元(12)，其中所述基座(11)连接有关节臂(14)，且所述控制单元(12)允许将关节臂(14)配置在确定的位置，电磁导航系统辅助医疗机器人(10)，所述电磁导航系统包含电磁场发生器(23)和两个电磁传感器(21、22)，生成的电磁场形成测量区(25)，可以通过电磁导航系统确定在所述测量区中传感器(21、22)的位置并传送到医疗机器人(10)，在所述方法(100)之前的步骤中，将第一传感器(21)定位在目标解剖定位(31)处，将第二传感器(22)定位在关节臂(14)上，所述定位关节臂(14)的方法的特征在于，所述方法包括：

-当两个传感器(21、22)位于测量区(25)中时，由电磁场发生器(23)的位置以及所述传感器(21，22)的位置确定(101)所述测量区(25)的所谓的“影响减小的区域”(26)，

-配置(102)关节臂(14)，使得位于测量区(25)中的关节臂(14)的任何金属部件都处在影响减小的区域(26)内，

所述定位关节臂(14)的方法(100)不包括对患者执行医疗行为的步骤。

2.根据权利要求1所述的方法(100)，其中电磁场发生器(23)采用板的形式，并且将影响减小的区域(26)确定为测量区(25)的如下这样的区域：该区域相对于平行于所述板且穿过传感器(21、22)的平面(52)位于所述板对面，其中传感器(21、22)在与所述板垂直的方向上处在距离所述板最远处。

3.根据权利要求1所述的方法(100)，其中将影响减小的区域(26)确定为测量区(25)的如下这样的区域：该区域相对于与穿过电磁场发生器(23)的中心(24)且穿过传感器(21、22)的方向(52)垂直的平面(53)位于电磁场发生器(23)对面，其中传感器(21、22)处在距离电磁场发生器(23)的中心(24)最远处。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法(100)，其中根据存储在医疗机器人(10)的控制单元(12)中的手术计划来配置关节臂(14)，所述手术计划包含下述信息：在患者(30)的目标解剖定位(31)处要施行的至少一个操作，根据导航系统确定的传感器(21、22)的位置确定所述关节臂的配置以允许医师在用于定位关节臂(14)的方法(100)之后施行所述操作。

5.根据权利要求4所述的方法(100)，其中允许要施行的手术计划的操作的关节臂(14)配置由以下确定：

-术前图像，包含有关所述操作的信息；

-术中图像，包含有关患者(30)的目标解剖定位(31)相对于处在目标解剖定位(31)的第一传感器(21)的位置的位置信息；

-术中图像与术前图像的配准以获得这样的图像，其包含关于在患者(30)的目标解剖定位处要施行的计划操作的信息和关于所述目标解剖定位(31)相对于所述第一传感器(21)的位置的位置信息。

6.根据权利要求5所述的方法(100)，其中第一传感器(21)包含在所述术中图像中可见的元件，并且所述元件的几何形状是已知的。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的方法(100)，其中患者(30)的目标解剖定位(31)和第一电磁传感器(21)位于患者(30)的体内。

8.用于帮助医师在患者(30)的目标解剖定位(31)处进行医疗手术的医疗机器人(10)，医疗机器人(10)包含基座(11)和控制单元(12)，其中所述基座(11)连接有关节臂(14)，且所述控制单元(12)允许将关节臂(14)配置在确定的位置，医疗机器人(10)旨在由电磁导航系统辅助，所述电磁导航系统包含电磁场发生器(23)和两个电磁传感器(21、22)，所产生的电磁场生成一个测量区(25)，在测量区(25)中传感器(21、22)的位置可以通过电磁导航系统确定并传送给医疗机器人(10)，第一传感器(21)位于目标解剖定位(31)处，第二传感器(22)位于关节臂(14)上，医疗机器人(10)的特征在于，将控制单元(12)配置为，当两个传感器(21、22)位于测量区(25)中时，由电磁场发生器(23)的位置以及传感器(21、22)的位置确定测量区(25)的所谓的“影响减小区域”(26)，并且将关节臂(14)配置为使得位于测量区(25)中的关节臂(14)的任何金属部件处在所述影响减小的区域(26)内。

9.根据权利要求8所述的医疗机器人(10)，其中关节臂(14)在所述关节臂(14)的自由端包含工具支架(17)，所述工具支架以非磁性材料制造，且第二传感器(22)位于工具支架(17)上。

10.根据权利要求9所述的医疗机器人(10)，其中工具支架(17)在关节臂(14)的自由端在所述关节臂(14)的最后部分(18)的纵向上延伸，工具支架(17)的长度至少等于10cm，且第二传感器(22)位于工具支架(17)的远端。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的医疗机器人(10)，其中电磁场发生器(23)采用板的形式，并且将影响减小的区域(26)确定为测量区(25)的如下这样的区域，该区域相对于平行于所述板且穿过所述传感器(21、22)的平面(52)位于所述板对面，其中传感器(21、22)在与所述板垂直的方向上处在距离所述板最远处。

12.根据权利要求8-10中的任一项所述的医疗机器人(10)，其中将影响减小的区域(26)确定为测量区(25)的如下这样的区域，该区域相对于与穿过电磁场发生器(23)的中心(24)且穿过传感器(21、22)的方向(52)垂直的平面(53)位于电磁场发生器(23)对面，其中传感器(21、22)处在距离电磁场发生器(23)的中心(24)最远处。

13.根据权利要求8-12中任一项所述的医疗机器人(10)，其中根据存储在医疗机器人(10)的控制单元(12)中的手术计划来配置关节臂(14)，所述手术计划包含下述信息：在患者(30)的目标解剖定位(31)处要施行的至少一个操作，根据导航系统确定的传感器(21、22)的位置确定关节臂的配置以允许医师施行所述操作。

14.根据权利要求13所述的医疗机器人(10)，其中允许要施行的手术计划的操作的关节臂(14)配置由以下确定：

-术前图像，包含有关所述操作的信息，

-术中图像，包含有关患者(30)的目标解剖定位(31)相对于处在目标解剖定位(31)的第一传感器(21)的位置的位置信息，

-术中图像与术前图像的配准以获得这样的图像，其包含关于在患者的目标解剖定位处要施行的计划操作的信息(30)和关于所述目标解剖定位(31)相对于所述第一传感器(21)的位置的位置信息。

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