CN113558765B - 导航及复位操作控制系统及方法 - Google Patents

导航及复位操作控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及导航复位机器人技术领域，尤其涉及一种导航及复位操作控制系统及方法，导航及复位操作控制系统包括主控装置、示踪装置和操作装置，主控装置包括主机和光学跟踪器，示踪装置包括目标体示踪器，目标体示踪器设置于目标体上，光学跟踪器用于获取实际工作空间中目标体示踪器的几何特征，主机用于通过匹配预备影像与中间影像，将预备影像转换到中间影像中，并通过中间影像中的目标体示踪器的几何特征与实际工作空间中的目标体示踪器的几何特征，将预备影像转换到实际工作空间中，主机还用于获得操作装置在实际工作空间中的目标位姿，控制操作装置移动至目标位姿进行复位。能够实时跟踪目标体，用于实际工作中对目标体精确的复位与定位。

Description

导航及复位操作控制系统及方法
技术领域
本发明涉及导航复位机器人技术领域，尤其涉及一种导航及复位操作控制系统及方法。
背景技术
现有的导航方案最接近的是直接利用术中影像，将术中影像转换到真实手术空间，容易受到术中影像范围的影响。无法提供实时追踪骨折骨块的功能，不能直接用于骨折复位。
现有的骨折复位方案主要有根据术中X光判断骨折复位的情况，需要不断调整，放射量大，且由于二维信息无法完整表达三维位姿，无法实现精确复位。还有一种是切开骨折部位，在可见的情况下实现复位，创口大，不利于病人恢复。因此，现有技术中，不论是实际工业或是医学领域，对于较为隐蔽，难以暴露且无法直观获得位置状态的目标体，都没有能够实时追踪的控制系统，而且更没有能够操作目标体实现精确复位的控制系统。
发明内容
本发明提供一种导航及复位操作控制系统及方法，用以解决现有技术中对于较为隐蔽，难以暴露且无法直观获得位置状态的目标体无法进行实时追踪的缺陷，实现实时的三维导航，能够实时跟踪目标体，以三维模型和预备图像的方式反馈给操作者，用于实际工作中对目标体精确的复位与定位。
本发明提供一种导航及复位操作控制系统，包括主控装置、示踪装置和操作装置，所述主控装置包括主机和光学跟踪器，所述示踪装置包括目标体示踪器，所述目标体示踪器设置于目标体上，所述光学跟踪器用于获取实际工作空间中所述目标体示踪器的几何特征，所述主机用于通过匹配预备影像与中间影像，将预备影像转换到中间影像中，并通过所述中间影像中的所述目标体示踪器的几何特征与实际工作空间中的所述目标体示踪器的几何特征，将所述预备影像转换到实际工作空间中，所述主机还用于获得所述操作装置在实际工作空间中的目标位姿，控制所述操作装置移动至所述目标位姿进行复位。
根据本发明提供的一种导航及复位操作控制系统，所述光学跟踪器还用于实时获取实际工作空间中所述目标体示踪器的位姿，所述主机还用于将所述预备影像实时转换到实际工作空间中，并获取所述目标体在实际工作空间中的位姿。
根据本发明提供的一种导航及复位操作控制系统，所述示踪装置还包括工具示踪器，所述工具示踪器设置于工具上，所述光学跟踪器还用于实时获取实际工作空间中所述工具示踪器的位姿，所述主机还用于获取所述工具在实际工作空间中的位姿。
根据本发明提供的一种导航及复位操作控制系统，所述示踪装置还包括操作装置示踪器，所述操作装置示踪器设置于操作装置上，所述光学跟踪器还用于实时获取实际工作空间中所述操作装置示踪器的位姿，所述主机还用于获取所述操作装置在实际工作空间中的位姿，并根据所述目标体在实际工作空间中的目标位姿，获得操作装置在实际工作空间中的目标位姿，控制所述操作装置移动至所述目标位姿进行复位。
根据本发明提供的一种导航及复位操作控制系统，所述操作装置包括机械臂控制器和具有六个自由度以上的机械臂，所述机械臂与所述机械臂控制器连接，所述机械臂控制器与所述主机连接，所述机械臂上设有操作装置示踪器。
本发明还提供一种应用如上所述的导航及复位操作控制系统进行的导航及复位操作方法，包括：
获取预备影像和中间影像；
根据所述预备影像和所述中间影像，将所述预备影像转换到所述中间影像中；
获取实际工作空间中目标体示踪器的几何特征；
根据所述预备影像中的所述目标体示踪器的几何特征和实际工作空间中所述目标体示踪器的几何特征，将所述预备影像转换到实际工作空间中；
获得操作装置在实际工作空间中的目标位姿，控制所述操作装置移动至所述目标位姿进行复位。
根据本发明提供的一种导航及复位操作方法，还包括：
获取所述目标体示踪器的实时位姿；
基于将所述预备影像转换到实际工作空间中，获得目标体的三维模型。
根据本发明提供的一种导航及复位操作方法，还包括：
获取工具示踪器的实时位姿；
根据所述工具示踪器与工具的相对位姿和所述工具示踪器的实时位姿，获得所述工具在实际工作空间中的位姿和所述工具的三维模型。
根据本发明提供的一种导航及复位操作方法，还包括：
获取所述操作装置示踪器的实时位姿；
根据所述操作装置示踪器与操作装置的相对位姿和所述操作装置示踪器的实时位姿，获得所述操作装置在实际工作空间中的位姿。
根据本发明提供的一种导航及复位操作方法，还包括：
获取所述目标体在实际工作空间中的目标位姿；
根据所述目标体与所述操作装置的连接关系，获得所述操作装置的目标位姿；
控制所述操作装置移动至目标位姿。
本发明提供的导航及复位操作控制系统，将目标体示踪器固定在需要跟踪的目标体上，主机获取中间影像和预备影像，通过匹配中间影像与预备影像，将预备影像转换到中间影像的空间中，光学跟踪器获取实际工作空间中的目标体示踪器的几何特征并发送至主机，主机通过中间影像中目标体示踪器的几何特征与光学跟踪器获取的实际工作空间中的目标体示踪器的几何特征，获得中间影像与实际工作空间的转换关系，将预备影像进一步转换到实际工作空间中。主控装置的主机通过中间影像与预备影像的匹配，将预备影像匹配到实际工作空间中，并利用光学跟踪器实时追踪，从而实现了实时的三维导航，能够实时跟踪目标体，以三维模型和预备图像的方式反馈给操作者，主机获取操作装置在实际工作空间中的位姿，并根据复位规划和目标体示踪器的实时位姿，以及目标体与操作装置当前的连接关系，计算出操作装置的目标位姿，通过与操作装置的通信，发送命令控制操作装置运动至目标位姿并实时监测操作装置运动状态，通过操作装置操作目标体实现精确复位，以实际工作中对目标体精确的复位与定位。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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是本发明提供的导航及复位操作控制系统的结构示意图；
附图标记：
100：主控装置；110：主机；120：光学跟踪器；130：显示器；140：键鼠；
200：示踪装置；210：目标体示踪器；220：工具示踪器；230：操作装置示踪器；
300：术前影像设备；400：术中影像设备；500：工具；
600：操作装置；610：机械臂；620：机械臂控制器；
700：目标体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
如图1所示，本发明实施例提供的导航及复位操作控制系统，包括主控装置100、示踪装置200和操作装置600，主控装置100包括主机110和光学跟踪器120，示踪装置200包括目标体示踪器210，目标体示踪器210设置于目标体700上，光学跟踪器120用于获取实际工作空间中目标体示踪器210的几何特征，主机110用于通过匹配预备影像与中间影像，将预备影像转换到中间影像中，并通过中间影像中的目标体示踪器210的几何特征与实际工作空间中的目标体示踪器210的几何特征，将预备影像转换到实际工作空间中，主机110还用于获得操作装置600在实际工作空间中的目标位姿，控制操作装置600移动至目标位姿进行复位。
本发明实施例的导航及复位操作控制系统，将目标体示踪器210固定在需要跟踪的目标体700上，主机110获取中间影像和预备影像，通过匹配中间影像与预备影像，将预备影像转换到中间影像的空间中，光学跟踪器120获取实际工作空间中的目标体示踪器210的几何特征并发送至主机110，主机110通过中间影像中目标体示踪器210的几何特征与光学跟踪器120获取的实际工作空间中的目标体示踪器210的几何特征，获得中间影像与实际工作空间的转换关系，将预备影像进一步转换到实际工作空间中。主控装置100的主机110通过中间影像与预备影像的匹配，将预备影像匹配到实际工作空间中，并利用光学跟踪器120实时追踪，从而实现了实时的三维导航，能够实时跟踪目标体700，以三维模型和预备图像的方式反馈给操作者，主机110获取操作装置600在实际工作空间中的位姿，并根据复位规划和目标体示踪器210的实时位姿，以及目标体700与操作装置600当前的连接关系，计算出操作装置600的目标位姿，通过与操作装置600的通信，发送命令控制操作装置600运动至目标位姿并实时监测操作装置600运动状态，通过操作装置600操作目标体700实现精确复位，以实际工作中对目标体700精确的复位与定位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，主控装置100可采用主控台车，可通过键鼠140对主机110进行控制。术前影像设备300，如CT机，采集刚入院时患者骨折处的术前影像作为预备影像发送至主机110，预备影像可为三维图像。术中影像设备400，如CT机，采集手术中患者骨折处的术中影像作为中间影像发送至主机110，中间影像可为二维图像或三维图像。实际工作空间即为手术空间。如图1所示为导航及复位操作控制系统的结构示意图，直线连线表示为固定连接，实心箭头表示为控制流，空心箭头表示为数据流。
首先将目标体示踪器210固定在需要跟踪的骨块上，术前影像设备300获取术前影像传输至主机110，术中影像设备400获取术中影像传输至主机110，主机110通过图像或点云配准的方式，匹配术前影像与术中影像，将术前影像转换到术中影像的空间中。主机110通过术中影像中目标体示踪器210的几何特征与光学跟踪器120获取的手术空间中的目标体示踪器210的几何特征，获得术中影像与手术空间的转换关系，将术前影像进一步转换到手术空间中，能够实时追踪骨折骨块，以三维模型和术前影像的方式反馈给操作者，用于术中精确的复位与定位。
根据本发明提供的一个实施例，光学跟踪器120还用于实时获取实际工作空间中目标体示踪器210的位姿，主机110还用于将预备影像实时转换到实际工作空间中，并获取目标体700在实际工作空间中的位姿。本实施例中，通过光学跟踪器120实时获取目标体示踪器210的位姿，并发送至主机110，主机110实时地将预备影像转换到实际工作空间，根据目标体示踪器210的实时位姿获得目标体700在实际工作空间中的位姿。能够实时追踪目标体700，以三维模型和预备影像的方式反馈给操作者，用于实际工作中目标体700精确的复位与定位。主控装置100追踪目标体示踪器210，实时获取被追踪目标体700的位姿，还可同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪目标体700的相对位姿显示出。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，通过光学跟踪器120实时获取目标体示踪器210的位姿，并发送至主机110，主机110实时地将术前影像转换到手术空间，根据目标体示踪器210的实时位姿获得骨块在手术空间中的位姿。能够实时追踪骨块，以三维模型和术前影像的方式反馈给操作者，用于手术工作中骨折骨块精确的复位与定位。主控台车追踪目标体示踪器210，实时获取被追踪骨块的位姿，还可同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪骨块的相对位姿显示出。
根据本发明提供的一个实施例，示踪装置200还包括工具示踪器220，工具示踪器220设置于工具500上，光学跟踪器120还用于实时获取实际工作空间中工具示踪器220的位姿，主机110还用于获取工具500在实际工作空间中的位姿。本实施例中，在对于目标体700导航复位的过程中，通常采用辅助导航工具500进行，工具示踪器220则相应的安装在工具500上，光学跟踪器120实时获取工具示踪器220的位姿，主机110根据已知的工具示踪器220与工具500的相对位姿，获取工具500在实际工作空间中的位姿。主控装置100追踪工具示踪器220，实时获取工具示踪器220所在工具500的位姿并显示出，用于指引工具500定位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，导航工具500可为钴钻、定位套筒、探针等，工具示踪器220则相应的安装在其上，光学跟踪器120实时获取工具示踪器220的位姿发送至主机110，主机110根据已知的工具示踪器220与工具500的相对位姿，以及工具示踪器220的实时位姿，获得工具500在手术空间中的位姿并显示出，用于指引工具500定位。
根据本发明提供的一个实施例，示踪装置200还包括操作装置示踪器230，操作装置600示踪器230设置于操作装置600上，光学跟踪器120还用于实时获取实际工作空间中操作装置600示踪器230的位姿，主机110还用于获取操作装置600在实际工作空间中的位姿，并根据目标体700在实际工作空间中的目标位姿，获得操作装置600在实际工作空间中的目标位姿，控制操作装置600移动至目标位姿进行复位。本实施例中，操作装置600通过把持工具500、固定针与需要复位的目标体700相连，操作装置示踪器230安装于相应的操作装置600上。光学跟踪器120实时获取实际工作空间中操作装置示踪器230的位姿并发送至主机110，主机110获取操作装置600在实际工作空间中的位姿。主机110根据复位规划和目标体示踪器210的实时位姿，获得目标体700在实际工作空间中的目标位姿，根据目标体700与操作装置600当前的连接关系，计算出操作装置600的目标位姿，通过与操作装置600的通信，发送命令控制操作装置600运动至目标位姿并实时监测操作装置600运动状态，通过操作装置600操作目标体700实现精确复位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，操作装置600通过把持工具、固定针与需要复位的骨块相连，操作装置示踪器230安装于相应的操作装置600上。光学跟踪器120实时获取手术空间中操作装置示踪器230的位姿并发送至主机110，主机110获取操作装置600在手术工作中的位姿。主机110根据复位规划与目标体示踪器210的实时位姿，获得骨块在手术工作中的目标位姿，根据骨块与操作装置600当前的连接关系，计算出操作装置600的目标位姿，通过与操作装置600的通信，发送命令控制操作装置600运动至目标位姿并实时监测操作装置600运动状态，通过操作装置600操作骨块实现精确复位。
根据本发明提供的一个实施例，操作装置600包括机械臂控制器620和具有六个自由度以上的机械臂610，机械臂610与机械臂控制器620连接，机械臂控制器620与主机110连接，机械臂610上设有操作装置示踪器230。本实施例中，操作装置600可采用机械臂控制器620和机械臂610，机械臂控制器620控制机械臂610移动，机械臂610通过把持工具、固定针与需要复位的目标体相连，机械臂610具有六个自由度，便于对目标体700进行翻转平移等角度和位置调整，操作装置示踪器230安装于相应的机械臂610上。光学跟踪器120实时获取手术空间中操作装置示踪器230的位姿并发送至主机110，主机110获取机械臂610在实际工作空间中的位姿。主机110根据复位规划与目标体示踪器210的实时位姿，获得目标体700在手术工作中的目标位姿，根据目标体700与机械臂610当前的连接关系，计算出机械臂610的目标位姿，通过与机械臂控制器620的通信，发送命令控制机械臂610运动至目标位姿并实时监测机械臂610运动状态，通过机械臂610操作目标体700实现精确复位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，机械臂610通过把持工具、固定针与需要复位的骨块相连，操作装置示踪器230安装于相应的机械臂610上。光学跟踪器120实时获取手术空间中操作装置示踪器230的位姿并发送至主机110，主机110获取机械臂610在手术工作中的位姿。主机110根据复位规划与目标体示踪器210的实时位姿，获得骨块在手术工作中的目标位姿，根据骨块与机械臂610当前的连接关系，计算出机械臂610的目标位姿，通过与机械臂控制器620的通信，发送命令控制机械臂610运动至目标位姿并实时监测机械臂610运动状态，通过机械臂610操作骨块实现精确复位。
在一个实施例中，主控装置100还包括显示器130，显示器130用于对目标体700和工具500的三维模型进行显示。本实施例中，主控装置100追踪目标体示踪器210，获取被追踪目标体700的实时位姿，并将目标体700的三维模型其显示于显示器130中。同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪目标体700的相对位姿显示于显示器130中。主控装置100追踪工具示踪器220，实时获取工具示踪器220所在工具500的位姿，将工具500显示于显示器130中，用于指引工具500定位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，主控台车追踪目标体示踪器210，获取被追踪骨块的实时位姿，并将骨块的三维模型其显示于显示器130中。同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪骨块的相对位姿显示于显示器130中。主控台车追踪工具示踪器220，实时获取工具示踪器220所在工具500的位姿，将工具500显示于显示器130中，用于指引工具500定位。
本发明实施例还提供一种应用如上述实施例的导航及复位操作控制系统进行的导航及复位方法方法，包括：
获取预备影像和中间影像；
根据预备影像和中间影像，将预备影像转换到中间影像中；
获取实际工作空间中目标体示踪器210的几何特征；
根据预备影像中的目标体示踪器210的几何特征和实际工作空间中目标体示踪器210的几何特征，将预备影像转换到实际工作空间中；
获得操作装置600在实际工作空间中的目标位姿，控制操作装置600移动至目标位姿进行复位。
本发明实施例的导航及复位操作方法，将目标体示踪器210固定在需要跟踪的目标体700上，主机110获取中间影像和预备影像，通过匹配中间影像与预备影像，将预备影像转换到中间影像的空间中，光学跟踪器120获取实际工作空间中的目标体示踪器210的几何特征并发送至主机110，主机110通过中间影像中目标体示踪器210的几何特征与光学跟踪器120获取的实际工作空间中的目标体示踪器210的几何特征，获得中间影像与实际工作空间的转换关系，将预备影像进一步转换到实际工作空间中。主控装置100的主机110通过中间影像与预备影像的匹配，将预备影像匹配到实际工作空间中，并利用光学跟踪器120实时追踪，从而实现了实时的三维导航，能够实时跟踪目标体700，以三维模型和预备图像的方式反馈给操作者，主机110获取操作装置600在实际工作空间中的位姿，并根据复位规划和目标体示踪器210的实时位姿，以及目标体700与操作装置600当前的连接关系，计算出操作装置600的目标位姿，通过与操作装置600的通信，发送命令控制操作装置600运动至目标位姿并实时监测操作装置600运动状态，通过操作装置600操作目标体700实现精确复位，以实际工作中对目标体700精确的复位与定位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，主控装置100可采用主控台车。术前影像设备300，如CT机，采集刚入院时患者骨折处的术前影像作为预备影像发送至主机110，预备影像可为三维图像。术中影像设备400，如CT机，采集手术中患者骨折处的术中影像作为中间影像发送至主机110，中间影像可为二维图像或三维图像。实际工作空间即为手术空间。
首先将目标体示踪器210固定在需要跟踪的骨块上，术前影像设备300获取术前影像传输至主机110，术中影像设备400获取术中影像传输至主机110，主机110通过图像或点云配准的方式，匹配术前影像与术中影像，将术前影像转换到术中影像的空间中。主机110通过术中影像中目标体示踪器210的几何特征与光学跟踪器120获取的手术空间中的目标体示踪器210的几何特征，获得术中影像与手术空间的转换关系，将术前影像进一步转换到手术空间中，能够实时追踪骨折骨块，以三维模型和术前影像的方式反馈给操作者，用于术中精确的复位与定位。
根据本发明提供的一种实施例，本发明实施例的导航及复位操作方法还包括：
获取目标体示踪器210的实时位姿；
基于将预备影像转换到实际工作空间中，获得目标体700的三维模型。
本实施例中，通过光学跟踪器120实时获取目标体示踪器210的位姿，并发送至主机110，主机110实时地将预备影像转换到实际工作空间，根据目标体示踪器210的实时位姿获得目标体700在实际工作空间中的位姿。能够实时追踪目标体700，以三维模型和预备影像的方式反馈给操作者，用于实际工作中目标体700精确的复位与定位。主控装置100追踪目标体示踪器210，实时获取被追踪目标体700的位姿，还可同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪目标体700的相对位姿显示出，追踪方法为重复上述实施例的过程。
主控装置100追踪目标体示踪器210，获取被追踪目标体700的实时位姿，并将目标体700的三维模型其显示于显示器130中。同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪目标体700的相对位姿显示于显示器130中。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，通过光学跟踪器120实时获取目标体示踪器210的位姿，并发送至主机110，主机110实时地将术前影像转换到手术空间，根据目标体示踪器210的实时位姿获得骨块在手术空间中的位姿。能够实时追踪骨块，以三维模型和术前影像的方式反馈给操作者，用于手术工作中骨折骨块精确的复位与定位。主控台车追踪目标体示踪器210，实时获取被追踪骨块的位姿，还可同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪骨块的相对位姿显示出。主控台车追踪目标体示踪器210，获取被追踪骨块的实时位姿，并将骨块的三维模型其显示于显示器130中。同时追踪多个目标体示踪器210，将多个被追踪骨块的相对位姿显示于显示器130中。
根据本发明提供的一种导航及复位操作方法，本发明实施例的导航及复位操作方法还包括：
获取工具示踪器220的实时位姿；
根据工具示踪器220与工具500的相对位姿和工具示踪器220的实时位姿，获得工具500在实际工作空间中的位姿和工具500的三维模型。
本实施例中，在对于目标体700导航复位的过程中，通常采用辅助导航工具500进行，工具示踪器220则相应的安装在工具500上，光学跟踪器120实时获取工具示踪器220的位姿，主机110根据已知的工具示踪器220与工具500的相对位姿，获取工具500在实际工作空间中的位姿。主控装置100追踪工具示踪器220，实时获取工具示踪器220所在工具500的位姿并显示出，用于指引工具500定位。主控装置100追踪工具示踪器220，实时获取工具示踪器220所在工具500的位姿，将工具500显示于显示器130中，用于指引工具500定位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，导航工具500可为钴钻、定位套筒、探针等，工具示踪器220则相应的安装在其上，光学跟踪器120实时获取工具示踪器220的位姿发送至主机110，主机110根据已知的工具示踪器220与工具500的相对位姿，以及工具示踪器220的实时位姿，获得工具500在手术空间中的位姿并显示出，用于指引工具500定位。主控台车追踪工具示踪器220，实时获取工具示踪器220所在工具500的位姿，将工具500显示于显示器130中，用于指引工具500定位。
根据本发明提供的一种导航及复位操作方法，本发明实施例的导航及复位操作方法还包括：
获取操作装置600示踪器230的实时位姿；
根据操作装置600示踪器230与操作装置600的相对位姿和操作装置600示踪器230的实时位姿，获得操作装置600在实际工作空间中的位姿。
获取目标体700在实际工作空间中的目标位姿；
根据目标体700与操作装置600的连接关系，获得操作装置600的目标位姿；
控制操作装置600移动至目标位姿。
本实施例中，操作装置600通过把持工具500、固定针与需要复位的目标体700相连，操作装置600示踪器230安装于相应的操作装置600上。光学跟踪器120实时获取实际工作空间中操作装置600示踪器230的位姿并发送至主机110，主机110获取操作装置600在实际工作空间中的位姿。主机110根据复位规划和目标体示踪器210的实时位姿，获得目标体700在实际工作空间中的目标位姿，根据目标体700与操作装置600当前的连接关系，计算出操作装置600的目标位姿，通过与操作装置600的通信，发送命令控制操作装置600运动至目标位姿并实时监测操作装置600运动状态，通过操作装置600操作目标体700实现精确复位。
本实施例应用于医疗技术复位骨折患者的骨块时，操作装置600可采用机械臂控制器620和机械臂610，机械臂控制器620控制机械臂610移动，机械臂610通过把持工具500、固定针与需要复位的骨块相连，操作装置600示踪器230安装于相应的机械臂610上。光学跟踪器120实时获取手术空间中操作装置600示踪器230的位姿并发送至主机110，主机110获取机械臂610在手术工作中的位姿。主机110根据复位规划与目标体示踪器210的实时位姿，获得骨块在手术工作中的目标位姿，根据骨块与机械臂610当前的连接关系，计算出机械臂610的目标位姿，通过与机械臂控制器620的通信，发送命令控制机械臂610运动至目标位姿并实时监测机械臂610运动状态，通过机械臂610操作骨块实现精确复位。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，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发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种导航及复位操作控制系统，其特征在于：包括主控装置、示踪装置和操作装置，所述主控装置包括主机和光学跟踪器，所述示踪装置包括目标体示踪器，所述目标体示踪器设置于目标体上，所述光学跟踪器用于获取实际工作空间中所述目标体示踪器的几何特征，所述主机用于通过匹配预备影像与中间影像，将预备影像转换到中间影像中，并通过所述中间影像中的所述目标体示踪器的几何特征与实际工作空间中的所述目标体示踪器的几何特征，将所述预备影像转换到实际工作空间中，所述主机还用于获得所述操作装置在实际工作空间中的目标位姿，控制所述操作装置移动至所述目标位姿进行复位；所述光学跟踪器还用于实时获取实际工作空间中所述目标体示踪器的位姿，所述主机还用于将所述预备影像实时转换到实际工作空间中，并获取所述目标体在实际工作空间中的位姿。
2.根据权利要求1所述的导航及复位操作控制系统，其特征在于：所述示踪装置还包括工具示踪器，所述工具示踪器设置于工具上，所述光学跟踪器还用于实时获取实际工作空间中所述工具示踪器的位姿，所述主机还用于获取所述工具在实际工作空间中的位姿。
3.根据权利要求2所述的导航及复位操作控制系统，其特征在于：所述示踪装置还包括操作装置示踪器，所述操作装置示踪器设置于所述操作装置上，所述光学跟踪器还用于实时获取实际工作空间中所述操作装置示踪器的位姿，所述主机还用于获取所述操作装置在实际工作空间中的位姿，并根据所述目标体在实际工作空间中的目标位姿，获得操作装置在实际工作空间中的目标位姿，控制所述操作装置移动至所述目标位姿进行复位。
4.根据权利要求3所述的导航及复位操作控制系统，其特征在于：所述操作装置包括机械臂控制器和具有六个自由度以上的机械臂，所述机械臂与所述机械臂控制器连接，所述机械臂控制器与所述主机连接，所述机械臂上设有操作装置示踪器。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113558765B (zh) * 2021-07-09 2023-03-21 北京罗森博特科技有限公司 导航及复位操作控制系统及方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112091983A (zh) * 2020-11-17 2020-12-18 南京佗道医疗科技有限公司 一种精度校验装置、系统及方法
CN112603538A (zh) * 2021-02-23 2021-04-06 南京佗道医疗科技有限公司 骨科导航定位系统及方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6301495B1 (en) * 1999-04-27 2001-10-09 International Business Machines Corporation System and method for intra-operative, image-based, interactive verification of a pre-operative surgical plan
EP2298223A1 (en) * 2009-09-21 2011-03-23 Stryker Leibinger GmbH & Co. KG Technique for registering image data of an object
CN103356284B (zh) * 2012-04-01 2015-09-30 中国科学院深圳先进技术研究院 手术导航方法和系统
CN104799933A (zh) * 2015-03-18 2015-07-29 清华大学 一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法
US9861446B2 (en) * 2016-03-12 2018-01-09 Philipp K. Lang Devices and methods for surgery
CN107736897A (zh) * 2017-09-04 2018-02-27 北京航空航天大学 一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位装置及方法
CN108392271A (zh) * 2018-01-31 2018-08-14 上海联影医疗科技有限公司 骨科操作系统及其控制方法
CN109793558A (zh) * 2018-12-19 2019-05-24 江苏集萃智能制造技术研究所有限公司 基于双目视觉定位的穿刺手术空间映射方法
US20200390503A1 (en) * 2019-06-13 2020-12-17 Carlos Quiles Casas Systems and methods for surgical navigation and orthopaedic fixation
CN112971982B (zh) * 2019-12-12 2022-08-19 珠海横乐医学科技有限公司 基于肝内血管配准的手术导航系统
CN110786930B (zh) * 2020-01-06 2020-04-17 南京佗道医疗科技有限公司 一种基于5g的椎体强化遥操作系统
CN111297475B (zh) * 2020-02-19 2021-06-18 苏州微创畅行机器人有限公司 骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件
CN111227935A (zh) * 2020-02-20 2020-06-05 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种手术机器人导航定位系统
CN112043382B (zh) * 2020-09-27 2024-02-23 安徽埃克索医疗机器人有限公司 一种手术导航系统
CN113558765B (zh) * 2021-07-09 2023-03-21 北京罗森博特科技有限公司 导航及复位操作控制系统及方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112091983A (zh) * 2020-11-17 2020-12-18 南京佗道医疗科技有限公司 一种精度校验装置、系统及方法
CN112603538A (zh) * 2021-02-23 2021-04-06 南京佗道医疗科技有限公司 骨科导航定位系统及方法

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