CN113208729A - 截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标，首先获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数，进而将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较，获得所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与所述标准值的误差值，若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。如此配置，可对截骨导向工具进行校验，避免因截骨导向工具在重复使用或运输过程中发生变形，影响其定位精度而影响手术。

Description

截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标
本案为申请号为：201911157719.5，发明名称为：截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标的中国专利申请的分案申请
技术领域
本发明涉及机器人辅助手术系统和方法领域，特别涉及一种截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标。
背景技术
人工关节置换手术中，需要使用各种定位器、导向器等，用于人工关节安装之前的截骨，以确保截骨操作的精度。现有已提出了不同的方法来帮助外科医生实现在全膝关节置换(TKA)手术过程中截骨导向工具的定位。一般地，现有的机器人辅助手术系统中，在机械臂末端设置截骨导向工具，通过机械臂控制截骨工具导向运动，实现膝关节置换手术过程中截骨导向工具的定位。而在机械臂注册时机械臂系统和定位系统均需要获得截骨导向工具的几何中心点，只有保证机械臂系统和定位系统获得的导块几何中心点为同一点时，机械臂注册得到的转换矩阵才是正确的。当截骨导向工具发生变形时，定位系统无法识别该变形，这样会影响手术定位精度，进而会影响手术结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标，以解决现有的机器人辅助手术系统中无法识别截骨导向工具发生变形的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种截骨导向工具的校验方法，其包括：
获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数；
将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较，获得所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与所述标准值的误差值；
若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述特征部位包括所述截骨导向工具的截骨导块的几何中心点，所述获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数的步骤包括：
获取一截骨导向工具的截骨导块的所有表面在工具靶标坐标系中的位姿参数；
根据所有所述表面的位姿参数，计算得到相对的表面之间的中间平面；
将所有所述中间平面的交点确定为所述截骨导块的几何中心点，并计算得到所述截骨导块的几何中心点在所述工具靶标坐标系中的位姿参数。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述获取一截骨导向工具的截骨导块的所有表面在工具靶标坐标系中的位姿参数的步骤包括：
利用一检测靶标在所述截骨导块的每个表面上分别获取多个特征点或特征线的位姿参数；
根据每个表面上的所述多个特征点的位姿参数或所述特征线的位姿参数，确定所述表面的位姿参数。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，在任一个表面所获取的所述多个特征点中，至少三个所述特征点不共线，或者，在任一个表面所获取的所述特征线为曲线。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述特征部位包括所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽和/或导向孔的内表面；所述获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数的步骤包括：
基于检测端插入所述截骨导块的导向槽和/或导向孔的检测靶标，来获取所述截骨导块的导向槽和/或导向孔的内表面在工具靶标坐标系中的位姿参数。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述特征部位包括所述截骨导块的导向槽，在所述检测靶标的检测端插入所述导向槽后，所述获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数的步骤包括：获取所述检测靶标的检测端沿所述导向槽的延伸方向在所述导向槽中滑动的信息。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述获取所述检测靶标的检测端沿所述导向槽的延伸方向在所述导向槽中滑动的信息的步骤包括：获取所述检测靶标的检测端分别沿每个所述导向槽的两个开口端各滑动一次的信息，以分别获取每个所述导向槽于两个开口端处的内表面的位姿参数。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述检测靶标的检测端的宽度与所述导向槽的宽度相适配，所述获取所述检测靶标的检测端沿所述导向槽的延伸方向在所述导向槽中滑动的信息的步骤包括：获取所述检测靶标的检测端沿每个所述导向槽之延伸方向滑动一次的信息，以获取每个所述导向槽的内表面的位姿参数。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较的步骤包括：判断所述导向槽于两个开口端处的内表面的位姿参数是否在同一平面内；
若否，则确定所述导向槽发生变形；
若是，则将所述导向槽于两个开口端处的内表面的位姿参数与导向槽的标准值进行比较。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，所述截骨导向工具用以设置于一机械臂的末端，所述特征部位包括所述截骨导向工具的截骨导块的几何中心点；所述获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数的步骤包括：
以机械臂驱动所述截骨导向工具绕所述截骨导块的预设几何中心点转动；
基于与所述截骨导向工具相连接的工具靶标在转动中形成的点云信息，计算得到所述截骨导块的几何中心点在所述工具靶标坐标系中的位姿参数。
可选的，在所述截骨导向工具的校验方法中，在所述机械臂驱动所述截骨导向工具绕所述截骨导块的预设几何中心点转动的过程中，以所述机械臂与所述截骨导向工具之连接点为运动点，所有所述运动点在一运动平面上绕一运动中心呈圆周运动，任一所述运动点与所述预设几何中心点的连线为运动连线，所述运动中心与所述预设几何中心点的连线为中心连线，所述运动连线与所述中心连线的夹角不小于30°。
为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种检测靶标，其包括：
检测端，用以接触所述截骨导向工具的特征部位；以及
定位靶，与所述检测端连接，用以提供所述截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数。
可选的，在所述检测靶标中，所述检测端包括尖锐部，所述尖锐部用以抵靠所述截骨导向工具的特征部位。
可选的，在所述检测靶标中，所述检测端包括插杆，所述插杆的宽度与所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽的宽度相适配，所述插杆用以插入所述导向槽。
可选的，在所述检测靶标中，所述检测端包括插卡和/或插针，所述插卡的长度与所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽的长度相适配，所述插针的外轮廓尺寸与所述截骨导向工具的截骨导块的导向孔的内尺寸相适配。
可选的，在所述检测靶标中，所述检测端可拆卸地与所述定位靶连接
为解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，还提供了一种截骨导向工具的校验系统，其包括：
如上所述的检测靶标；
截骨导向工具，所述截骨导向工具包括截骨导块以及与所述截骨导块连接的靶标安装位；
工具靶标，所述工具靶标设置于所述靶标安装位；
导航装置，所述导航装置与所述工具靶标及所述检测靶标相适配，用以获取所述工具靶标及所述检测靶标的定位靶的位姿参数；以及
控制装置，与所述导航装置通信连接；
所述检测靶标的检测端用以接触所述截骨导向工具的特征部位，所述控制装置通过所述导航装置和所述检测靶标获取所述特征部位于所述工具靶标坐标系中的位姿参数，若所述位姿参数与对应的标准值的误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。
综上所述，在本发明提供的截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标中，首先获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数，进而将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较，获得所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与所述标准值的误差值，若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。如此配置，可对截骨导向工具进行校验，避免因截骨导向工具在重复使用或运输过程中发生变形，影响其定位精度而影响手术。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明实施例一提供的运用骨科手术系统进行膝关节置换的示意图；
图2是本发明实施例一提供的截骨导向工具的示意图；
图3是沿图2所示的截骨导向工具的A-A线进行剖切得到的剖视图；
图4是本发明实施例一之第一个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图5是本发明实施例一获取截骨导块的几何中心点的示意图；
图6是本发明实施例一之第二个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图7是本发明实施例二之第一个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图8是本发明实施例二之第二个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图9是本发明实施例二之第三个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图10是本发明实施例二之第四个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图11是本发明实施例二之第五个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图12是本发明实施例二之第六个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图13是是本发明实施例二之第七个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；
图14是本发明实施例三提供的截骨导向工具的校验系统的示意图。
附图中：
1-手术台车；2-机械臂；3-工具靶标；4-截骨导向工具；5-摆锯；6-NDI导航设备；7-辅助显示器；8-主显示器；9-导航台车；10-键盘；11-股骨靶标；12-股骨；13-胫骨靶标；14-胫骨；15-基座靶标；17-患者；18-操作者；30-靶标安装位；40-截骨导块；41-导向槽；42-导向孔；405-右腿滑车截骨槽；407、411-0°导向槽；408、410-45°导向槽；412-左腿滑车截骨槽；
100-检测靶标；101-检测端；102-定位靶。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，除非内容另外明确指出外。术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征。
本发明的核心思想在于提供一种截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标，以解决现有的机器人辅助手术系统中无法识别截骨导向工具发生变形的问题。
所述截骨导向工具的校验方法包括：获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数；将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较，获得所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与所述标准值的误差值；若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。
如此配置，可对截骨导向工具进行校验，避免因截骨导向工具在重复使用或运输过程中发生变形，影响其定位精度而影响手术。
以下参考附图进行描述。
【实施例一】
请参考图1至图6，其中，图1是本发明实施例一提供的运用骨科手术系统进行膝关节置换的示意图；图2是本发明实施例一提供的截骨导向工具的示意图；图3是沿图2所示的截骨导向工具的A-A线进行剖切得到的剖视图；图4是本发明实施例一之第一个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图；图5是本发明实施例一获取截骨导块的几何中心点的示意图；图6是本发明实施例一之第二个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图。
本发明实施例一提供一种骨科手术系统，图1所示为利用所述骨科手术系统进行膝关节置换的示意，然而，本发明的骨科手术系统对应用环境没有特别的限制，也可应用于其他的骨科手术。以下描述中，以用于膝关节置换为示例对骨科手术系统进行说明，但不应以此作为对本发明的限定。
如图1所示，所述骨科手术系统包括控制装置、导航装置、机械臂2以及截骨导向工具4。所述控制装置实际为一台计算机，该计算机配置了控制器、主显示器8和键盘10，更优选还包括辅助显示器7。本实施例中，所述辅助显示器7和主显示器8所显示的内容一致，例如均用于显示截骨位置图像。所述导航装置可以是电磁定位导航装置、光学定位导航装置或者电磁定位导航装置。优选的，所述导航装置为光学定位导航装置，相比于其他的导航方式，测量精度高，可有效提高截骨导向工具的定位精度。以下描述中，以光学定位导航装置作为示例进行说明，但不以此为限。
所述导航装置具体包括导航标志物和跟踪仪6，所述导航标志物包括基座靶标15和工具靶标3，基座靶标15固定不动，例如基座靶标15被固定在手术台车1上而用于提供一个基坐标系(或称基座靶标坐标系)，而工具靶标3安装在截骨导向工具4上而用于跟踪截骨导向工具4的位置。所述截骨导向工具4安装在机械臂2的末端，从而通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，并调整截骨导向工具4的空间位置和姿态。
实际中，利用跟踪仪6来捕捉工具靶标3反射的信号(优选光学信号)并记录工具靶标3的位置(即工具靶标在基座标系下的位置和姿态)，再由控制器内存储的计算机程序根据工具靶标的当前位置和期望位置，控制机械臂2运动，机械臂2驱动截骨导向工具4和工具靶标3运动，并使工具靶标3到达期望位置，工具靶标3的期望位置对应于截骨导向工具4的期望位置。
因此，对于骨科手术系统的应用，可实现截骨导向工具4的自动定位，且手术过程中由工具靶标3跟踪并反馈截骨导向工具4的实时位姿参数，并通过控制机械臂的运动实现截骨导向工具4的位置和姿态的调整，不仅截骨导向工具4的定位精度高，而且通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，而无需将导向工具固定在人体上，可避免对人体产生二次伤害。
一般的，所述骨科手术系统还包括手术台车1和导航台车9。所述控制装置和一部分所述导航装置安装在导航台车9上，例如所述控制器安装在导航台车9的内部，所述键盘10放置在导航台车9的外部进行操作，所述主显示器8、辅助显示器7和跟踪仪6均安装在一个支架上，所述支架竖直固定在导航台车9上，而所述机械臂2安装在手术台车1上。手术台车1和导航台车9的使用，使整个手术操作更为方便。
在执行膝关节置换手术时，本实施例的骨科手术系统的使用过程大致包括以下操作：
首先，将手术台车1及导航台车9移动至病床旁边合适的位置；
然后，安装导航标志物(导航标志物还包括股骨靶标11、胫骨靶标13)、截骨导向工具4以及其他相关部件(如无菌袋)；
之后，操作者18将患者17的骨头CT/MR扫描模型导入所述计算机进行术前规划，得到截骨方案，该截骨方案例如包括截骨平面坐标、假体的型号以及假体的安装方位等信息；具体地，根据CT/MR扫描得到的患者膝关节影像数据，创建三维膝关节数字模型，进而根据三维膝关节数字模型创建截骨方案，以便手术操作者根据截骨方案进行术前评估，更具体地，基于三维膝关节数字模型，并结合得到的假体的尺寸规格以及截骨板的安装位置等确定截骨方案，所述截骨方案最终以手术报告形式输出，其记录有截骨平面坐标、截骨量、截骨角度、假体规格、假体的安装位置、手术辅助工具等一系列参考数据，特别还包括一系理论说明，如选取该截骨角度的原因说明等，以为手术操作者提供参考；其中，三维膝关节数字模型可通过主显示器8进行显示，且操作者可通过键盘10输入手术参数，以便进行术前规划；
术前评估后，操作者18再使用靶标笔在患者的股骨及胫骨上标定特征点(即操作者于患者的股骨实体上标定多个股骨解剖特征点，在胫骨实体上标定多个胫骨解剖特征点)，并通过导航装置以基座靶标15为基准，记录患者胫骨14和股骨12上所有特征点的位置，并将所有特征点的位置发送给所述控制器，然后所述控制器通过特征匹配算法得到股骨12及胫骨14的实际方位，并与股骨12及胫骨14上的CT/MR图像方位相对应；
随后，通过导航装置将股骨及胫骨的实际方位与安装在股骨及胫骨上的相应靶标相联系，使得股骨靶标11和胫骨靶标13可以实时跟踪骨头的实际位置，且手术过程中，只要靶标与骨头间的相对位置固定，骨头移动不会影响手术效果；
进而通过导航装置将术前规划的截骨平面坐标发送给机械臂2，所述机械臂2通过工具靶标3定位截骨平面并运动到预定位置后，使机械臂2进入保持状态(即不动)，此后，操作者即可使用摆锯或电钻等手术工具5通过截骨导向工具4进行截骨和/或钻孔操作。完成截骨及钻孔操作后，操作者即可安装假体及进行其他手术操作。
本实施例中，所述导航标志物还包括股骨靶标11和胫骨靶标13。其中股骨靶标11用于定位股骨12的空间位置和姿态，胫骨靶标13用于定位胫骨14的空间位置和姿态。如前所说的，所述工具靶标3安装在截骨导向工具4上，但在一些实施例中，所述工具靶标3安装在机械臂2的末端关节上。
基于上述骨科手术系统，可实现机器人辅助手术，帮助操作者定位需截骨的位置，以便于操作者实施截骨。请参考图2和图3，其示意了本实施例提供的一种截骨导向工具4，所述截骨导向工具4包括截骨导块40和靶标安装位30，靶标安装位30用于供工具靶标3连接，该截骨导块40上设置有导向特征，导向特征可以包括导向槽41，也可以包括导向孔42，或者包括导向槽41和导向孔42，也就是说，截骨导块40上的导向特征可以是导向槽41与导向孔42的一种或多种组合，从而为膝关节置换的截骨操作提供一种或多种导向，优选为股骨远端、股骨前端、股骨后端、股骨前端斜切、股骨后端斜切、滑车槽、股骨假体安装孔、胫骨平台、胫骨龙骨处理工作定位孔的截骨及钻孔操作提供导向，从而使同一个截骨导向工具可以进行多种功能的截骨及打孔操作。实际中，通过工具靶标3的位置来表征截骨导向工具4的位置，并事先标定工具靶标3与截骨导向工具4之特征部位间的位姿参数映射关系，如根据导向特征相对于截骨导块40的中心点的位置信息，以及截骨导块40的中心点在工具靶标坐标系下的坐标信息(或称位姿参数)，获得导向特征在工具靶标坐标系下的位姿参数(包括位置和姿态)，从而形成导向特征相对于工具靶标3的位姿参数映射关系。
为了增大截骨导向工具所适用假体的范围，如图2所示，截骨导块40上的导向槽41包括0°导向槽(407及411)、45°导向槽(408及410)、右腿滑车截骨槽405以及左腿滑车截骨槽412，在截取股骨前端、股骨前端斜切、股骨后端斜切及股骨后端斜切时，仅需平移截骨导块40即可利用对应的导向槽来完成这些截骨操作，这样一来，不会使位于其上的工具靶标发生较大的位姿参数变化，从而可以减小机械臂的传动误差以及靶标位置跟踪误差，提高定位精度。导向槽41的形状优选为喇叭形，图3示意了0°导向槽411沿着其延伸方向的剖面，如图可以看出，该0°导向槽411的两个开口端(图中上下两端)的大小不同，整个0°导向槽411形成喇叭形，以此增大摆锯等手术工具在导向槽中的摆动范围，从而兼容更多型号假体的截骨操作。
然而如前所述，由于骨科手术系统需要基于截骨导向工具4上的特征部位的位姿参数进行定位，以供手术操作，故一旦截骨导向工具4上的特征部位产生变形，则骨科手术系统将由于无法识别截骨导向工具4上的特征部位的变形而影响定位精度。由此，本实施例提供一种截骨导向工具的校验方法，其包括：
步骤S1：获取一截骨导向工具4的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数；
步骤S2：将获得的所述截骨导向工具4的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较，获得所述截骨导向工具4的特征部位的位姿参数与所述标准值的误差值；若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具4发生变形。通过对截骨导向工具4的特征部位之位姿参数进行校验，可避免因截骨导向工具4在重复使用或运输过程中发生变形，影响其定位精度而影响手术。
基于上述思想，本实施例提供一种检测靶标100，用以校验一截骨导向工具4。所述检测靶标100包括：检测端101以及定位靶102，所述检测端101用以接触所述截骨导向工具4的特征部位，所述定位靶102与所述检测端101连接，用以提供所述截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数。定位靶102如可为光学反光球，用以供导航装置6跟踪定位，并且所述导航装置6将定位信息发送给控制装置，控制装置计算得到所述特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数，若所述位姿参数与对应的标准值的误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具4发生变形。优选的，所述检测端101包括尖锐部，所述尖锐部用以抵靠所述截骨导向工具4的特征部位。
优选的，所述特征部位包括所述截骨导向工具4的截骨导块40的几何中心点P，所述步骤S1包括：
步骤SA1：获取一截骨导向工具4的截骨导块40的所有表面在工具靶标坐标系中的位姿参数；
步骤SA2：根据所有所述表面的位姿参数，计算得到相对的表面之间的中间平面；
步骤SA3：将所有所述中间平面的交点确定为所述截骨导块40的几何中心点P，并计算得到所述截骨导块40的几何中心点P在所述工具靶标坐标系中的位姿参数。
请参考图4，在本实施例第一个优选示例中，所述步骤SA1包括：利用一检测靶标100在所述截骨导块40的每个表面上分别获取多个特征点位姿参数；根据每个表面上的所述多个特征点的位姿参数，确定所述表面的位姿参数。
具体的，在步骤SA1中，利用检测靶标100之检测端101的尖锐部在截骨导向工具4每个表面上获取多个特征点，检测靶标100获取特征点的过程中，导航装置6可检测到工具靶标3并将检测到的信息发送给控制装置，控制装置根据该信息计算得到所述特征点在工具靶标坐标系中的位姿参数，因此，截骨导块40之表面在导航系统中的位姿参数是RtW A，工具靶标3在导航系统中的位姿参数是RtW B，通过坐标变化进而可获得截骨导块40之表面在工具靶标坐标系下的位姿参数RtB A＝RtW A-RtW B。
优选的，在任一个表面所获取的所述多个特征点中，至少三个所述特征点不共线。一般的，通过三个不共线的特征点即可确定一个平面，因此在步骤SA1中，优选获取三个特征点即可实现确定截骨导块40的一个表面。当然本领域技术人员可根据实际需要，选取更多的特征点，更多的特征点中会有一些冗余的特征点，能进一步提高计算得到的表面的精度。
请参考图5，在步骤SA2中，根据步骤SA1所测得的截骨导块40之所有表面的位姿参数，获得相对的表面的中间平面。由于获取了截骨导块40之所有表面的位姿参数，每两个相对的表面可计算得到一个中间平面。以截骨导块40为长方体示例，则6个表面可获得3个中间平面。进一步，步骤SA3中，该3个中间平面的交点即为截骨导块40的几何中心点P。当然截骨导块40并不限于为长方体，本领域技术人员可根据上述思想，实现确定其它形状的截骨导块40之几何中心点P。由于之前的步骤SA1中已经确定了截骨导块40之表面在工具靶标坐标系下的位姿参数的变换关系，因此也可以容易地得到几何中心点P在工具靶标坐标系下的位姿参数。
进一步的，在步骤S2中，标准值为利用三坐标标定仪器确定出来的截骨导块40之预期中心点P’在工具靶标坐标系下的位姿参数。亦即该标准值为理想中，截骨导块40无任何变形的情况下的预期中心点P’，其可以在出厂时由三坐标标定仪器确定，或由截骨导向工具40的设计值获得。预期值则可根据实际需要进行设定，若误差值大于预期值，则说明截骨导块40的变形较大，已无法适应手术的精度要求，则确定所述截骨导向工具4发生变形，操作者可根据实际情况对发生变形的截骨导向工具4进行更换或进行其他处理。更进一步的，若误差值不大于预期值，则表明截骨导向工具4的变形较小，可以满足手术的精度要求，操作者可进一步选择是否将标准值更新为在步骤S1中实际获得的截骨导向工具4的特征部位的位姿参数值，以便后续更准确地实施手术操作。
请参考图6，在本实施例第二个优选示例中，所述步骤SA1包括：利用一检测靶标100在所述截骨导块40的每个表面上分别获取特征线的位姿参数；根据每个表面上的所述特征线的位姿参数，确定所述表面的位姿参数。优选的，在任一个表面所获取的所述特征线为曲线，所述曲线例如可为“S”形等。实际中，可将检测靶标100之检测端101的尖锐部在截骨导向工具4每个表面上呈S形滑动。由于特征线为曲线，故可确定唯一的平面，因此在步骤SA1中即可实现确定截骨导块40的一个表面。当然本领域技术人员可根据实际需要，选取其它形式的特征线，如折线等。本实施例第二个优选示例的其余方法步骤与本实施例第一个优选示例，可参考上述说明。
通过上述方法，通过获取截骨导块40之表面的位姿参数，可计算得到截骨导块40的几何中心点的位姿参数，进而将计算得到的几何中心点的位姿参数与一标准值进行比较并获得一误差值，若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。如此配置，可对截骨导向工具进行校验，避免因截骨导向工具在重复使用或运输过程中发生变形，影响其定位精度而影响手术。
【实施例二】
请参考图7至图13，其中，图7是本发明实施例二之第一个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图，图8是本发明实施例二之第二个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图，图9是本发明实施例二之第三个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图，图10是本发明实施例二之第四个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图，图11是本发明实施例二之第五个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图，图12是本发明实施例二之第六个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图，图13是是本发明实施例二之第七个优选示例提供的截骨导向工具的校验系统的示意图。
本发明实施例二提供的截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标与实施例一提供的截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。
在本实施例中，所述特征部位包括所述截骨导向工具4的截骨导块40的导向槽和/或导向孔的内表面；所述步骤S1包括：基于检测端插入所述截骨导块40的导向槽41和/或导向孔42的检测靶标100，来获取所述截骨导块40的导向槽41和/或导向孔42的内表面在工具靶标坐标系中的位姿参数。具体的，步骤S1可包括：
步骤SB1：将一检测靶标100的检测端101插入所述截骨导块40的导向槽41和/或导向孔42；
步骤SB2：基于所述检测靶标100获取所述截骨导块40的导向槽41和/或导向孔42的内表面在工具靶标坐标系中的位姿参数。
请参考图7，优选的，所述特征部位包括所述截骨导块40的导向槽41，在步骤SB1中将检测靶标100插入所述导向槽41后，所述步骤S1还包括：获取所述检测靶标100的检测端101沿所述导向槽41的延伸方向在所述导向槽41中滑动的信息。
在本实施例第一个优选示例中，检测靶标100的检测端101包括一尖锐部，如图7所示，该尖锐部为一锥形，该尖锐部与定位靶102连接的一端的尺寸优选大于导向槽41的开口端，如此配置，尖锐部的尖锐的头端可伸入导向槽41的开口端，而检测靶标100的其余部分则被卡在导向槽41的开口端之外。将检测端101之尖锐部置于导向槽41的开口端，沿所述导向槽41的延伸方向在所述导向槽41中滑动，导航装置6即可通过定位靶102获得导向槽41之开口端的位姿参数。若导向槽41之开口端产生了歪曲等变形，即可通过检测靶标100的滑动而检测出来。实际中，每个导向槽41均包括两个开口端，因此实际中需获取所述检测靶标100的检测端101分别沿每个所述导向槽41的两个开口端各滑动一次的信息，以分别获取每个所述导向槽41于两个开口端处的内表面的位姿参数。在一个示范性的实施例中，截骨导块40包括6条导向槽41，每条导向槽41均贯通截骨导块40之相对的两个表面。如此，则需要对该6条导向槽41的12个开口端分别进行检测。可选的，检测靶标100沿所有导向槽41的同侧的开口端滑动检测后，再沿所有导向槽41的另一侧的开口端滑动检测。可选的，在另一些实施例中，检测靶标100可根据预设的顺序，成对地校验每个导向槽41之相对两个开口端，也可以一次获取所有导向槽41的开口端的位姿参数，进而通过所有位姿参数之特征点分类，识别各个对应的导向槽41。
进一步的，依次判断每个导向槽41之相对两个开口端的位姿参数是否在同一平面内，若一个导向槽41的两个开口端的位姿参数不在同一平面，则说明对应的导向槽41变形严重，提示操作者所述截骨导向工具4已发生变形。而若每个导向槽41之相对两个开口端的位姿参数在同一平面内，则进一步对每个导向槽41之开口端的位姿参数与对应的标准值进行比较。需理解，这里导向槽41之开口端的位姿参数所对应的标准值，应为导向槽41之开口端之预期的位姿参数，如出厂时所预设的设计值。若导向槽41之开口端的位姿参数与对应的标准值比较所得的误差值大于预期值，则说明导向槽41的变形较大，即确定所述截骨导向工具4发生变形，操作者可根据实际情况对发生变形的截骨导向工具4进行更换或进行其他处理。更进一步的，若误差值不大于预期值，操作者可进一步选择是否将标准值更新为在步骤S1中实际获得的导向槽41之开口端的位姿参数值，以便后续更准确地实施手术操作。
请参考图8，在本实施例第二个优选示例中，检测靶标100的检测端101包括一插杆，所述插杆的宽度与所述截骨导向工具4的截骨导块40的导向槽41的宽度相适配，所述插杆用以插入所述导向槽41。如图7所示，该插杆的宽度与导向槽41的宽度相适配，插杆的高度则优选不小于导向槽41的深度，如此配置，插杆可以从导向槽41之一侧的开口端插入，并延伸至另一侧开口端，插杆在高度方向上形成对整个导向槽41之侧壁的全面覆盖。实际使用中，获取所述检测靶标100的检测端101沿所述导向槽41的延伸方向在所述导向槽41中滑动的信息的步骤包括：获取所述检测靶标100的检测端101沿每个所述导向槽41之延伸方向滑动一次的信息，以获取每个所述导向槽41的内表面的位姿参数。实际中，将插杆插入导向槽41后，沿导向槽41的延伸方向从一端向另一端缓慢移动，如此配置，一个导向槽41的两个内表面可以在一次校验中获得。本优选示例的其它结构和原理与本实施例第一个优选示例类似，可参考本实施例第一个优选示例的说明。需要说明的，倘若插杆无法插入导向槽41，则说明导向槽41已发生了变形，此时可认为截骨导向工具4之特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数获取不到，此时可直接认定该特征部位的位姿参数与对应的标准值之误差值大于预期值，而确定截骨导向工具4发生变形。在另外的一些示例中，检测靶标100的检测端101包括两个以上的插杆，且两个以上的插杆的分布与截骨导块40的导向槽41的分布一致，且所有导向槽41在延伸方向上的长度相同，如此配置所有插杆可同时插入对应的导向槽41内进行滑动，从而可以通过一次滑动获取两个以上导向槽41的位姿参数。
请参考图9，在本实施例第三个优选示例中，检测靶标100的检测端101包括一插卡，所述插卡的长度与所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽的长度相适配。如图9所示，截骨导块40包括三个直线形的导向槽41，该三个导向槽41的长度不同，与其相对应的，三个插卡的长度分别与三个导向槽41的长度相适配。可选的，检测靶标100的检测端101可拆卸地与定位靶102连接。如此配置，在一次校验过程中，可根据所需要校验的不同的导向槽41，更换不同的插卡，而仅需对检测靶标100进行一次标定即可。可以理解的，在其它的一些实施例中，导向槽41的数量不限于三个，形状也不限于直线形，只要插卡的数量与形状与导向槽41相对应即可。实际使用中，将要插卡插入导向槽41后，即可获得导向槽41的位姿参数。在另外的一些示例中，检测靶标100的检测端101包括两个以上的插卡，且两个以上的插卡的分布与截骨导块40的导向槽41的分布一致，即所有插卡可同时插入对应的导向槽41内，以同时获取两个以上的导向槽41的位姿参数。本优选示例的其它结构和原理与本实施例第一个优选示例类似，可参考本实施例第一个优选示例的说明。
请参考图10，在本实施例第四个优选示例中，检测靶标100的检测端101包括一插针，所述插针的外轮廓尺寸与所述截骨导向工具4的截骨导块40的导向孔42的内尺寸相适配。如图10所示，导向孔42为一圆孔，与之相匹配的，插针为一圆柱体形，该插针的外径与导向孔42的内径相适配，优选的，导向孔42为通孔，插针的轴向长度不小于导向孔42的深度。如此配置，插针可以从导向孔42之一侧的开口端插入，并延伸至另一侧开口端，插针在轴向上形成对整个导向孔42的全面覆盖。实际使用中，将插针插入导向孔42后，即可获得导向孔42的位姿参数。可选的，插针可拆卸地与定位靶102连接。如此配置，当截骨导块40同时包括多个不同规格的导向孔42或者同时包括导向孔42与导向槽41时，可通过对不同规格之插针的拆卸替换，或者通过插针与插卡的拆卸替换，实现在一次校验过程中，仅需对检测靶标100进行一次标定即可。在另外的一些示例中，检测靶标100的检测端101包括两个以上的插针，且两个以上的插针的分布与截骨导块40的导向孔42的分布一致，即所有插针可同时插入对应的导向孔42内，以同时获取两个以上的导向孔42的位姿参数。本优选示例的其它结构和原理与本实施例第一个优选示例类似，可参考本实施例第一个优选示例的说明。
请参考图11和图12，在本实施例第五个优选示例和第六个优选示例中，插针分别为三棱柱形和四棱柱形。当导向孔42为圆形时，插针除了可以为与本实施例第四个优选示例所述的圆柱形，插针的横截面还可以是外接圆直径为导向孔42之内径的多边形，由此插针并不限于三棱柱形和四棱柱形，还可以是其它多边形棱柱，导向孔42也不局限于为圆孔，其也可以是与插针的外轮廓相适配的形状，如当插针为三棱柱形时，导向孔42可以为三角形或六边形等，本领域技术人员可根据上述思想对插针与导向孔42进行适配。与本实施例第四个优选示例同样的，本实施例第五个优选示例和第六个优选示例中的插针亦为可拆卸地与定位靶102连接。
请参考图13，在本实施例第七个优选示例中，所述检测端101同时包括插卡和插针，所述插卡的长度与所述截骨导向工具4的截骨导块40的导向槽41的长度相适配，所述插针的外轮廓尺寸与所述截骨导向工具4的截骨导块40的导向孔42的内尺寸相适配。如图13所示，截骨导块40包括三个直线形的导向槽41与多个导向孔42，与其相对应的，检测端101同时包括三个插卡和多个插针，且三个插卡和多个插针的分布与截骨导块40的导向槽41与导向孔42的分布一致，如此配置，所有插卡和插针可同时插入对应的导向槽41与导向孔42内，可以一次性获得所有导向槽41与导向孔42的位姿参数。本优选示例的其它结构和原理与本实施例第一个优选示例类似，可参考本实施例第一个优选示例的说明。同样需要说明的，在本实施例第三个优选示例至第七个优选示例中，倘若插卡或插针中的任一个无法插入对应的导向槽41与导向孔42，则说明导向槽41或导向孔42已发生了变形，此时可认为截骨导向工具4之特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数获取不到，此时可直接认定该特征部位的位姿参数与对应的标准值之误差值大于预期值，而确定截骨导向工具4发生变形。
在本实施例二所提供的截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标中，通过获取截骨导块40之导向槽41和/或导向孔42之内表面的位姿参数，并与对应的标准值进行比较获得一误差值，若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具4发生变形。如此配置，可对截骨导向工具4之截骨导块40之导向槽41和/或导向孔42进行校验，避免因截骨导向工具4在重复使用或运输过程中导向槽41和/或导向孔42发生变形，影响其定位精度而影响手术。
【实施例三】
请参考图14，其是本发明实施例三提供的截骨导向工具的校验系统的示意图。
本发明实施例三提供的截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标与实施例一提供的截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。
如图14所示，与实施例一不同的，在本实施例中，截骨导向工具的校验系统仅包括截骨导向工具4、工具靶标3、导航装置6以及控制装置，而不包括检测靶标100。所述截骨导向工具用以设置于一机械臂2的末端，所述特征部位包括所述截骨导块40的几何中心点。
在本实施例中，截骨导向工具的校验方法中，步骤S1包括：
步骤SC1：以机械臂2驱动所述截骨导向工具4绕所述截骨导块40的预设几何中心点转动；该预设几何中心点在机械臂坐标系中的坐标可由出厂时由三坐标标定仪器确定，或由截骨导向工具4的设计值获得。
步骤SC2：基于与所述截骨导向工具4相连接的工具靶标3在转动中形成的点云信息，计算得到所述截骨导块40的几何中心点在所述工具靶标坐标系中的位姿参数。控制装置通过导航装置6可以获取工具靶标3的转动轨迹(即点云信息)，通过计算可进一步即获得截骨导向工具4之旋转中心在工具靶标坐标系下的位置，亦即计算得到截骨导块40的几何中心点在工具靶标坐标系中的位姿参数。
进一步通过步骤S2，将获得的所述截骨导向工具4的截骨导块40的几何中心点的位姿参数与对应的标准值(如三坐标标定仪器确定出来的截骨导块40的几何中心点在工具靶标坐标系下的位姿参数)进行比较，获得所述截骨导向工具4的截骨导块40的几何中心点的位姿参数与所述标准值的误差值；若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具4发生变形。在获得误差值与预期值的比较后，进一步的操作和方法请参考实施例一，本实施例不再赘述。
通过本实施例所提供截骨导向工具的校验方法，可以将机械臂坐标系中的截骨导向工具4之截骨导块40的几何中心点通过运动轨迹的方式计算出来，可以与其它实施例使用检测靶标100所检测得到的结构实现互相验证。
优选的，在步骤SC1中，以所述机械臂2与所述截骨导向工具4之连接点为运动点，所有所述运动点在一运动平面上绕一运动中心呈圆周运动，任一所述运动点与所述预设几何中心点的连线为运动连线，所述运动中心与所述预设几何中心点的连线为中心连线，所述运动连线与所述中心连线的夹角不小于30°。为便于叙述，将机械臂2驱动截骨导向工具4的运动方式抽象化，以机械臂2与截骨导向工具4之连接点为运动点，该运动点的轨迹实际上可以围绕预设几何中心点呈球形。而为了提高计算旋转中心的精度，可设定机械臂2驱动截骨导向工具4绕一经过预设几何中心点的旋转轴转动，此时运动点在一运动平面上绕一运动中心呈圆周运动，该运动平面垂直于所述旋转轴，所述运动中心位于旋转轴上。运动点与预设几何中心点的连线为运动连线，运动中心与预设几何中心点的连线为中心连线，此时限定运动连线与中心连线的夹角不小于30°，可提高计算旋转中心点的精度。可以理解的，当机械臂2驱动截骨导向工具4绕一经过预设几何中心点的旋转轴转动时，运动点与预设几何中心点实际上呈现为一圆锥体，当该圆锥体的顶角过小时，则计算得到的旋转中心的精度较低。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
综上，在本发明提供的截骨导向工具的校验方法、校验系统及检测靶标中，首先获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数，进而将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较，获得所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与所述标准值的误差值，若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。如此配置，可对截骨导向工具进行校验，避免因截骨导向工具在重复使用或运输过程中发生变形，影响其定位精度而影响手术。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种截骨导向工具的校验方法，其特征在于，包括：
获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数；
将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较，获得所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与所述标准值的误差值；
若所述误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形；
所述特征部位包括所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽和/或导向孔的内表面；所述获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数的步骤包括：
基于检测端插入所述截骨导块的导向槽和/或导向孔的检测靶标，来获取所述截骨导块的导向槽和/或导向孔的内表面在工具靶标坐标系中的位姿参数。
2.根据权利要求1所述的截骨导向工具的校验方法，其特征在于，所述特征部位包括所述截骨导块的导向槽，在所述检测靶标的检测端插入所述导向槽后，所述获取一截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数的步骤包括：获取所述检测靶标的检测端沿所述导向槽的延伸方向在所述导向槽中滑动的信息。
3.根据权利要求2所述的截骨导向工具的校验方法，其特征在于，所述获取所述检测靶标的检测端沿所述导向槽的延伸方向在所述导向槽中滑动的信息的步骤包括：获取所述检测靶标的检测端分别沿每个所述导向槽的两个开口端各滑动一次的信息，以分别获取每个所述导向槽于两个开口端处的内表面的位姿参数。
4.根据权利要求2所述的截骨导向工具的校验方法，其特征在于，所述检测靶标的检测端的宽度与所述导向槽的宽度相适配，所述获取所述检测靶标的检测端沿所述导向槽的延伸方向在所述导向槽中滑动的信息的步骤包括：获取所述检测靶标的检测端沿每个所述导向槽之延伸方向滑动一次的信息，以获取每个所述导向槽的内表面的位姿参数。
5.根据权利要求2所述的截骨导向工具的校验方法，其特征在于，所述将获得的所述截骨导向工具的特征部位的位姿参数与对应的标准值进行比较的步骤包括：判断所述导向槽于两个开口端处的内表面的位姿参数是否在同一平面内；
若否，则确定所述导向槽发生变形；
若是，则将所述导向槽于两个开口端处的内表面的位姿参数与导向槽的标准值进行比较。
6.一种检测靶标，用以校验一截骨导向工具，其特征在于，包括：
检测端，用以接触所述截骨导向工具的特征部位；以及
定位靶，与所述检测端连接，用以提供所述截骨导向工具的特征部位在工具靶标坐标系中的位姿参数；
所述特征部位包括所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽和/或导向孔的内表面；所述检测端用以插入所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽和/或导向孔，。
7.根据权利要求6所述的检测靶标，其特征在于，所述检测端包括尖锐部，所述尖锐部用以插入所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽和/或导向孔的开口端。
8.根据权利要求6所述的检测靶标，其特征在于，所述检测端包括插杆，所述插杆的宽度与所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽的宽度相适配，所述插杆用以插入所述导向槽。
9.根据权利要求6所述的检测靶标，其特征在于，所述检测端包括插卡和/或插针，所述插卡的长度与所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽的长度相适配，所述插针的外轮廓尺寸与所述截骨导向工具的截骨导块的导向孔的内尺寸相适配。
10.根据权利要求6所述的检测靶标，其特征在于，所述检测端可拆卸地与所述定位靶连接。
11.一种截骨导向工具的校验系统，其特征在于，包括：
根据权利要求6～10中任一项所述的检测靶标；
截骨导向工具，所述截骨导向工具包括截骨导块以及与所述截骨导块连接的靶标安装位；
工具靶标，所述工具靶标设置于所述靶标安装位；
导航装置，所述导航装置与所述工具靶标及所述检测靶标相适配，用以获取所述工具靶标及所述检测靶标的定位靶的位姿参数；以及
控制装置，与所述导航装置通信连接；
所述检测靶标的检测端用以接触所述截骨导向工具的特征部位，所述特征部位包括所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽和/或导向孔的内表面；所述检测端用以插入所述截骨导向工具的截骨导块的导向槽和/或导向孔；所述控制装置通过所述导航装置和所述检测靶标获取所述导向槽和/或导向孔的内表面于所述工具靶标坐标系中的位姿参数，若所述位姿参数与对应的标准值的误差值大于预期值，则确定所述截骨导向工具发生变形。
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