CN113842214B - 手术机器人导航定位系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种手术机器人导航定位系统及方法。该系统包括：配准模块，用于根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对三维骨骼模型进行配准；追踪模块，用于通过手术执行器的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，实时获取手术执行器、骨骼在世界坐标系下的空间位置，根据配准结果将其进行坐标转换，得到手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置；位置调节模块，用于根据得到的空间位置调整手术执行器的切入位置。本申请能够提高手术精准性。

Description

手术机器人导航定位系统及方法

技术领域

本申请涉及计算机技术领域，具体而言，涉及一种手术机器人导航定位系统及方法。

背景技术

现有的手术，如全膝关节置换术、髋关节置换术、脊柱治疗手术等主要是参考患者术前的影像学X线片，根据手术医生的临床经验进行局部分析和诊断，通过传统的手术工具与器械进行假体的安放与植入，导致手术精准性较低。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种能够提高手术精准性的手术机器人导航定位系统及方法。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种手术机器人导航定位系统。

根据本申请的手术机器人导航定位系统包括：

配准模块，用于根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对所述三维骨骼模型进行配准，得到配准结果；

追踪模块，用于通过手术执行器的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，实时获取手术执行器、骨骼在世界坐标系下的空间位置，根据所述配准结果将其转换到三维模型坐标系下，得到手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置；

位置调节模块，用于根据所述手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置，以控制手术执行器进行手术操作。

进一步的，所述追踪模块还用于通过手术执行器的多个追踪球对手术执行器在世界坐标系下的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。

进一步的，所述配准模块包括：

粗配准模块，用于将所述术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与所述术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准，得到粗配准矩阵；

精配准模块，用于根据所述粗配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置与所述三维模型进行精配准，得到配准结果。

进一步的，所述手术执行器安装于手持动力设备上；所述位置调节模块包括：

手持控制模块，用于根据所述手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据所述调节路径对手持动力设备进行控制，手动调节手术执行器的切入位置。

进一步的，所述手术执行器安装于机械臂末端；所述位置调节模块包括：

机械臂控制模块，用于根据所述手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据所述调节路径操作机械臂，以调节机械臂末端的手术执行器的切入位置。

进一步的，所述位置调节模块还用于在手术操作中，运行手术执行器时，确定三维模型坐标系中规划的目标位置的骨骼的当前操作区域的空间位置，以将手术执行器的运动限定在当前操作区域内。

进一步的，所述系统还包括：

术前规划模块，用于在获取到目标位置的医学图像后，对所述医学图像进行分割和三维重建，得到目标位置的三维骨骼模型；在三维骨骼模型上标记术前规划点；基于三维骨骼模型确定骨骼假体模型，基于骨骼假体模型确定操作区域。

为了实现上述目的，根据本申请的另一方面，提供了一手术机器人导航定位方法。

根据本申请的手术机器人导航定位方法包括：

根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对所述三维骨骼模型进行配准，得到配准结果；

通过手术执行器上的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，实时获取手术执行器、骨骼在世界坐标系下的空间位置，根据所述配准结果将其转换到三维模型坐标系下，得到手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置；

根据所述手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置，以控制手术执行器进行手术操作。

一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述各个方法实施例中的步骤。

上述手术机器人导航定位系统及方法，通过划线操作获取实体的膝关节的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，从而根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维骨骼模型进行精配准，与传统的取点配准算法相比，配准效率有利极大的提高，配准精准度也有较大提高。通过手术执行器上的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球实时获取手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置，能够提升导航系统对手术执行器、骨骼的跟踪精度。根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置，以控制手术执行器进行手术操作。能够确保手术执行器的切入位置的准确性，以及提高手术过程中的导航精度。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一个实施例中手术机器人导航定位系统的结构示意图；

图2为一个实施例中手持动力设备的结构示意图；

图3为一个实施例中手术机器人导航定位系统的其中一个应用场景示意图；

图4为另一实施例中手术机器人导航定位系统的一个应用场景的示意图；

图5为一个实施例中手术机器人导航定位方法的流程示意图；

图6为一个实施例中计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请提供的手术机器人导航定位系统既可以应用于关节置换手术或脊柱手术中，关节置换手术可以为膝关节置换手术，或髋关节置换手术。

手术机器人导航定位系统可包括上位机主控系统11和光学导航仪系统13，上位机主控系统11主要包括上位机和显示屏。其中，上位机用于对图像进行各种运算处理。光学导航仪系统13包括追踪相机(例如，双目红外相机)和显示屏，上位机主控系统11的显示屏和光学导航仪系统13的显示屏可同步显示三维骨骼模型。

在手术前，医生可以分别在患者的目标位置的骨骼上植入固定钉，并在骨骼上安装示踪器。示踪器上设置有多个追踪球(光学小球)，可以通过追踪相机(追踪到追踪球的位置，以便根据追踪相机追踪到的追踪球的位置，确定术中标记点、划线点集分别在世界坐标系下的空间位置，以调节手术执行器的切入位置。

如图1所示，为一个实施例中手术机器人导航定位系统的结构示意图，包括：配准模块102、追踪模块104和位置调节模块106，配准模块102、追踪模块104均可位于上位机中，其中：

配准模块102，用于根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对三维骨骼模型进行配准，得到配准结果。

追踪模块104，用于通过手术执行器的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，实时获取手术执行器、骨骼在世界坐标系下的空间位置，根据配准结果将其转换到三维模型坐标系下，得到手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置。

位置调节模块106，用于根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置，以控制手术执行器进行手术操作。

目标位置可以是膝关节、髋关节或脊柱等。三维骨骼模型是膝关节、髋关节或者脊柱的三维数字化骨骼模型。当目标位置为膝关节时，三维股骨模型具体可以包括三维股骨模型和三维胫骨模型。当目标位置为髋关节时，三维骨骼模型具体可以包括三维髋臼模型和三维股骨模型。术前规划点为预先在三维骨骼模型中规划的用于配准的点。术中标记点为医生在术中通过手术探针在关节的骨骼上标记的多个点。划线点集为医生在术中利用手术探针在骨骼上进行划线操作确定的多个点。

本实施例中，可以通过追踪相机追踪到追踪球的位置，以便根据追踪相机追踪到的追踪球的位置，确定术中标记点、划线点集分别在世界坐标系下的空间位置。同时还会获取目标位置的三维骨骼模型中的术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置。之后根据上述获取的位置信息依次对目标位置的骨骼进行注册配准。配准是指将实体目标位置所在的世界坐标系配准到预先获取的目标位置的三维骨骼模型所在的三维模型坐标系。

本实施例中，配准模块102，还包括：

粗配准模块，用于将术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准，得到粗配准矩阵。

精配准模块，用于根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维模型进行精配准，得到配准结果。

具体的，在粗配准阶段，通过追踪相机追踪手术探针上的追踪球在世界坐标系的空间位置，从而根据追踪球在世界坐标系的空间位置，确定手术探针在实体的目标位置的骨骼上进行采点操作时的术中标记点在世界坐标系的空间位置。同时，还需要在获取到目标位置的三维模型中骨骼上的术前规划点在三维模型坐标系的空间位置后，再将术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准，得到粗配准矩阵。通过将三维模型坐标下的术中标记点与世界坐标系下的术前规划点进行粗配准，实现将医生的术中操作与三维模型进行对齐，得到世界坐标系与三维模型坐标系的初始转换关系，即粗配准矩阵。

作为本实施例一种可选的实现方式，粗配准模块的粗配准过程，具体用于：通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置将术前规划点进行三角化处理，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置对术中标记点进行三角化处理，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列；通过预设三维空间点云搜索方式，根据规划三角形序列对术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的术前规划点；通过配准算法将实操三角形序列对应的术中标记点与修正后的术前规划点进行配准，得到粗配准矩阵。

示例性的，对于术前规划点，假设术前规划点中的点云排列顺序为P1、P2、P3、...、Pn，则前三个点自动组成三角形，从第四个点开始需要从之前的点中挑选出两个点与当前点组成三角形，挑选原则为挑选过后所组成的三角形周长最大。根据这一原则得到若干三角形序列。术中标记点生成三角形序列的方式与术前规划点的方式是相同的。

在本可选的实现方式中，粗配置模块在前规划点的修正过程中，具体用于：通过预设三维空间点云搜索方式，确定三维模型坐标下系的术前规划点在三维模型上的邻域空间点集。该邻域空间点集中包括大量的点。规划三角形序列中包括多个三角形，每个三角形包括三个三角点，对于当前三角形，根据预设筛选策略在该邻域空间点集中筛选当前三角形的每个三角点对应的目标点，得到第一目标点集。预设筛选策略为筛选出的三个目标点组成的三角形与实操三角形序列中的三角形为全等三角形。由于全等三角形误差极小，可以当前三角形的三个三角点在三维模型坐标下的空间位置分别修正至对应目标点的位置，重复该修正过程，实现通过规划三角形序列中的大量三角形不断对术前规划点在三维模型坐标下的空间位置进行修正，进而得到与术中标记点最相近的修正后的术前规划点。

本实施例中的配准算法可以是ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点算法)。当配准完成后，术前规划点可以变为透明。在本实施例中，通过对术中标记点以及术前规划点进行三角化处理，根据规划三角形序列对术前规划点进行修正，得到修正后的术前规划点，由于三角形具有唯一性和足够的稳定性，且预先对术前规划点进行了修正，有效提高了配准的准确性。

在粗配准的基础上，可以进行第二阶段的精配准。在精配准阶段，不需要进行术前规划，在术中可以利用手术探针等标定设备在实体目标位置的骨骼表面进行划线操作。划线操作的划线区域是骨骼表面的关键骨骼区域，即包含关键骨骼点的区域。通过追踪相机追踪手术探针上的追踪球在世界坐标系的空间位置，从而根据追踪球在世界坐标系的空间位置，确定手术探针在实体的目标位置的骨骼上进行划线操作时的划线点集在世界坐标系下的空间位置。

示例性的，在划线操作中，可以通过手术探针以频率S进行采样，在线上进行采点操作，将整条线段细分为若干点集，从而得到划线点集。

在精配准阶段，精配准模块，具体用于：根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维模型坐标系中，得到划线点集在三维模型坐标系下的位置；根据划线点集在三维模型坐标系下的位置在三维模型上搜索邻域空间点集；根据搜索到的邻域空间点集以及划线点集在世界坐标系下的空间位置对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；将修正后的划线点集与划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。

精配准模块还用于：根据划线点集在世界坐标系下的空间位置将划线点集中的点进行三角形配对，得到配对三角形序列；根据搜索到的邻域空间点集以及配对三角形序列对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正。划线点集是由多条线段上的点所组成的，例如，可以包括三条线段中的点。将划线点集中的点进行三角形配对，分别在每条线段中选取一个点，每三个点组成一个三角形，组成原则为三角形周长最大，按照该三角形配对方式，得到配对三角形序列。配对三角形序列包括多个三角形。

其中，精配准模块的划线点集的修正方式与粗配准模块中的术前规划点的修正方式是相同的。具体的，精配准模块在划线点集的修正过程中，还用于：在搜索到的邻域空间点集中筛选出第一目标点集；根据配对三角形序列将划线点集在三维模型坐标系下的空间位置修正至第一目标点集的位置。搜索到的邻域空间点集中包括大量的点。配对三角形序列中包括多个三角形，每个三角形包括三个三角点，对于当前三角形，可以根据配对三角形序列在第二邻域空间点集中筛选当前三角形的每个三角点对应的目标点，得到第一目标点集。预设筛选策略为筛选出的三个目标点组成的三角形与配对三角形序列中的三角形为全等三角形。由于全等三角形误差极小，可以当前三角形的三个三角点在三维模型坐标下的空间位置分别修正至第一目标点集中对应目标点的位置，重复该修正过程，实现通过配对三角形序列中的大量三角形不断对划线点集在三维模型坐标下的空间位置进行修正，使得划线点集反射到三维模型坐标系中的空间位置更为准确。

例如，可以通过ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点算法)配准算法将修正后的划线点集与划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。配准结果可以是最终得到的世界坐标系与三维坐标下的转换关系，通过配准结果可以提高术中操作的精准性。在本实施方式中，通过划线操作获取实体的膝关节的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，从而根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维骨骼模型进行精配准，与传统的取点配准算法相比，配准效率有利极大的提高，配准精准度也有较大提高。

本实施例中，通过追踪相机(双目红外相机)实时追踪手术执行器的多个追踪球的位置、目标位置的骨骼区域上的追踪球的位置，可以确定手术执行器的当前空间位置、操作区域的当前空间位置，根据配准结果将其转换至三维模型坐标系下，从而可以实时确定手术执行器在三维模型坐标系下的空间位置、操作区域在三维模型坐标系下的空间位置。

具体的，追踪模块还用于通过手术执行器的多个追踪球对手术执行器在世界坐标系下的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪，可以理解的是，也可以通过骨骼上的多个追踪球对骨骼在世界坐标系下的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。示例性的，手术执行器、以及目标位置的骨骼上的示踪器上设置的追踪球的数量可以为8个。通过设置多个追踪球可以构建多个在空间上互不相同的定位面，让各个定位面之间产生明显的互异性，便于导航定位系统准确识别和区分各个定位面，提高定位面的配准精度，从而可以提升导航系统对手术执行器、骨骼的跟踪精度。

手术执行器可以包括磨挫杆15或锯片，当手术机器人导航定位系统应用于髋关节置换手术中时，手术执行器可包括磨挫杆15，以对髋臼杯进行磨挫。当手术机器人导航定位系统应用于膝关节置换手术中时，手术执行器可包括锯片，以进行截骨。图3示出了手术机器人导航定位系统应用于髋关节置换的一个应用场景，图4示出了手术机器人导航定位系统应用于膝关节置换的一个应用场景。

在其中一个实施例中，手术机器人导航定位系统还可包括手持动力设备14。如图2、图3所示，图2示出了一个实施例的手持动力设备14的结构示意图，手术执行器安装于手持动力设备14的末端。

在本实施例的其中一个实施方式中，如图2所示，手术执行器安装在手持动力设备14的连接器1前端的安装口100上，连接器1上可拆卸地安装有导航支架3，导航支架3上设置有多个用于为光学导航仪系统13构建定位面的追踪球2(也即是说，在本实施例中，前述的手术执行器的多个追踪球为设置于手持动力设备14上的追踪球2)，导航支架3上形成有环状支撑面4，环状支撑面4的轨迹能周向延伸，多个追踪球2环绕分布在环状支撑面4的表面。追踪相机通过多个追踪球2对手术执行器的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。

在手术执行器运行前，通过手术执行器上的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，对手术执行器、骨骼的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪，得到准确的手术执行器、骨骼的空间位置，从而根据得到的手术执行器、骨骼的空间位置对手术执行器的切入位置进行调整。

作为本实施例的一种可选的实现方式，位置调节模块包括手持控制模块，手持控制模块可位于主位机内，手持控制模块用于根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据调节路径对手持动力设备14进行控制，手动调节手术执行器的切入位置。

在该实现方式中，手术执行器预先安装于手持动力设备上，在执行器运行前，当手持动力设备被操作至目标位置处时，手持控制模块用于根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置，确定手术执行器在三维模型坐标系下的空间位置、当前操作区域在三维模型坐标系下的空间位置。根据手术执行器、当前操作区域的空间位置确定当前操作区域的空间位置与手术执行器的当前空间位置之间的位置差量，根据位置差量确定手持动力设备14被操作的位移量，从而根据该位移量确定手术执行器的调节路径。在三维骨骼模型中显示调节路径，以引导医生手握手持动力设备14，使手持动力设备14带动手术执行器运动至操作区域附近。

在可替换实施例中，手术机器人导航定位系统还可包括机械臂系统12，机械臂系统12包括机械臂控制装置和机械臂，手术执行器可连接于机械臂的末端。在本实施例中，前述的手术执行器的多个追踪球可以为安装在机械臂的末端上的示踪器上的追踪球，或者，可以为手术执行器自身上安装的示踪器上的追踪球。

作为本实施例的一种可选的实现方式，位置调节模块还包括机械臂控制模块，机械臂控制模块位于机械臂控制装置内，用于根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据调节路径操作机械臂，以调节机械臂末端的手术执行器的切入位置。

针对机械臂控制模块，在确定手术执行的调节路径后，会在三维骨骼模型中显示调节路径，以引导医生拖着机械臂，使机械臂带动手术执行器运动至操作区域内，以调节机械臂末端的手术执行器的切入位置。

作为本实施例的一种可选的实现方式，位置调节模块还用于在手术操作中，运行手术执行器时，确定三维模型坐标系中规划的目标位置的骨骼的当前操作区域的空间位置，以将手术执行器的运动限定在当前操作区域内。

当位置调节模块通过手持控制模块控制手术执行器时，确定手术执行器的安全操作范围，即三维模型坐标系中规划的目标位置的骨骼的当前操作区域的空间位置，以使操作者操作手持动力设备，以控制手术执行器在当前操作区域内运动。

当位置调节模块通过机械臂控制模块控制手术执行器时，根据手术执行器的空间位置与目标位置的当前操作区域的空间位置确定手术执行器相对于当前操作区域的偏移量；根据偏移量，对机械臂进行控制，以将手术执行器的运动限定在当前操作区域内。

当手术机器人导航定位系统应用于髋关节置换手术中时，目标位置的操作区域可以为髋关节的操作区域，手术执行器的切入位置可以为预先规划的髋关节的特定位置。

当手术机器人导航定位系统应用于膝关节置换手术中时，目标位置的操作区域可以为膝关节的各个截骨平面，手术执行器的切入位置可以为当前操作区域(当前截骨平面)的外缘并与当前操作区域对齐的位置。

三维模型中会显示预先规划的多个目标区域被操作的顺序，为术中的医生提供参考，便于医生选择其中一个目标区域作为当前被操作的当前目标区域。在手术执行器安装与机械臂末端的实施例中，在运行手术执行器时，启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上手术执行器相对于当前操作区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，F＝Δx*C，从而将手术执行器的运动限定在当前操作区域内。

在本实现方式中，虚拟弹簧的刚度-阻尼模型，也称为笛卡尔阻尼控制模式(Cartesian Impedance Control Mode，CICM)。在阻尼控制模式下，机器人的行为是顺从敏感的，并能对外部影响作出反应，外部影响比如，可以为障碍物或过程力。施加外力可使机器人离开计划的轨道路径。

在一个实施例中，上述系统还包括：

术前规划模块，用于在获取到目标位置的医学图像后，对医学图像进行分割和三维重建，得到目标位置的三维骨骼模型；在三维骨骼模型上标记术前规划点；基于三维骨骼模型确定骨骼假体模型，基于骨骼假体模型确定操作区域。

其中，术前规划模块可在三维骨骼模型上选择骨性标志点作为术前规划点。

其中，基于三维骨骼模型确定骨骼假体模型的步骤可包括：基于三维骨骼模型，确定骨骼关键参数；基于骨骼关键参数确定三维骨骼假体模型的类型和型号。

术前规划模块还可用于：将选择的三维骨骼假体模型植入三维骨骼模型；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度。

目标位置的医学图像可以是膝关节的CT或者核磁图像数据、髋关节的CT或者核磁图像数据、脊柱的CT或者核磁图像数据。在获取到目标用户的目标位置的CT或者核磁图像数据后，可以通过神经网络模型对医学图像进行图像分割，可以按需分割成不同粒度的区域，例如，当目标位置的医学图像为膝关节的CT或者核磁图像数据时，可以分割为股骨区域和胫骨区域，或者还可以按需分割成股骨区域、胫骨区域、腓骨区域和髌骨区域；当目标位置的医学图像为髋关节的CT或者核磁图像数据时，可以分割为股骨区域和髋臼区域。而后可以对分割后各个区域图像进行三维重建，得到各个骨骼区域的三维骨骼模型。

针对膝关节，其骨骼关键参数可包括骨骼关键解剖点、骨骼关键轴线和骨骼尺寸参数，骨骼关键解剖点可基于深度学习算法，例如神经网络模型，进行识别，并在三维骨骼模型上将识别的骨骼关键解剖点进行标记。其中，骨骼尺寸参数可包括股骨左右径、股骨前后径、胫骨左右径和胫骨前后径。股骨左右径根据股骨内外侧缘连线，股骨前后径根据股骨前皮质切线和股骨后髁切线确定，胫骨左右径根据胫骨内外侧缘连线确定，胫骨前后径根据胫骨前后缘连线确定。

骨骼关键轴线基于骨骼关键解剖点确定，基于骨骼关键轴线确定骨骼关键角度。而基于骨骼关键轴线、骨骼关键角度有助于确定三维骨骼假体模型的类型和型号。膝关节的三维骨骼假体模型一般性地包括三维股骨假体模型、三维胫骨假体和连接三维胫骨假体模型和三维股骨假体模型的垫片模型。

膝关节的三维骨骼假体模型可为目前市场上已有的全膝关节置换用的假体模型，该三维骨骼假体模型有多种类型，每种类型的三维骨骼假体模型有多种型号。例如，三维股骨假体模型的类型有ATTUNE-PS、ATTUNE-CR、SIGMA-PS150等，ATTUNE-PS的型号有1、2、3、3N、4、4N、5、5N、6、6N。

将选择的膝关节的三维骨骼假体模型植入对应的膝关节的三维骨骼模型，基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度。在本实施例中，实现了三维可视化显示骨骼与假体的匹配调节过程、匹配效果。在得到植入三维骨骼假体模型后的三维模型后，可以基于股骨外翻角、股骨内翻角、股骨外旋角、股骨内旋角、股骨左右径、股骨前后径确定股骨假体模型是否与三维股骨模型已安装适配。可以基于胫骨内翻角、股骨外翻角、胫骨左右径、胫骨前后径确定胫骨假体模型是否与三维胫骨模型已安装适配。

作为本实施例一种可选的实现方式，三维模型包括三维股骨模型，三维骨骼假体模型包括三维股骨假体模型，骨骼关键参数包括股骨关键参数，股骨关键参数包括股骨机械轴、股骨通髁线、后髁连线、股骨左右径和股骨前后径；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度的步骤包括：基于股骨左右径和股骨前后径，调整三维股骨假体模型的放置位置；调整三维股骨假体模型的内翻角或外翻角，使三维股骨假体模型的横截面与股骨机械轴垂直；调整三维股骨假体的内旋角或外旋角，使股骨后髁角PCA(股骨通髁线与后髁连线在横断面的投影线之间的夹角)在预设范围内。

在本可选的实现方式中，当股骨假体模型的放置位置满足股骨假体模型能覆盖股骨左右、股骨前后，则安装位置合适。

可以基于股骨假体模型的当前位置，根据股骨假体模型在冠状面上下方向上的中轴线与股骨力线的相对角度确定股骨外翻角和股骨内翻角，根据股骨假体模型的横轴和通髁线的相对角度确定外旋角和内旋角；通过股骨机械轴和股骨假体模型在矢状面前后方向上的中轴线的角度确定股骨屈曲角。通过调整上述角度，可以确定三维股骨假体模型的安装角度是否合适，例如，当内/外翻角被调整为0°时，PCA被调整为3°时，则可认定为股骨假体模型的安放位置和安放角度调整到合适的位置。

作为本实施例一种可选的实现方式，三维骨骼模型还包括三维胫骨模型，三维股骨假体模型还包括三维胫骨假体模型；骨骼关键参数还包括胫骨关键参数，胫骨关键参数包括胫骨机械轴、胫骨左右径和胫骨前后径；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度的步骤包括：基于胫骨左右径和胫骨前后径，调整三维胫骨假体模型的安放位置；调整三维胫骨假体的内翻角或外翻角，使胫骨机械轴与三维胫骨假体的横截面垂直。

在本可选的实现方式中，除通过上述方式确定安装位置和角度外，还可以根据胫骨假体的设计原则确定胫骨假体的后倾角，胫骨假体的屈曲角的调整大小可以基于患者生理特性确定，调整为0°或其他，避免出现notch(缺口)、Over。

作为本实施例一种可选的实现方式，在调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度的步骤之后，方法还包括：基于三维骨骼假体模型与三维骨骼假体模型的匹配关系进行模拟截骨，得到三维骨骼术后模拟模型；对三维股骨术后模拟模型进行包括伸直位和屈曲位的运动模拟；在伸直位状态确定伸直间隙，在屈曲状态确定屈曲间隙；对比伸直间隙与屈曲间隙，对三维骨骼假体模型进行匹配性验证。

在本可选的实现方式中，根据股骨假体设计原则确定股骨截骨厚度，不同的股骨假体可能对应不同的截骨厚度；基于假体确定截骨厚度、假体与骨骼匹配后，便可确定截骨平面。

截骨平面可以包括股骨截骨平面和胫骨截骨平面，对于胫骨截骨平面，其数量可以是1个平面区域。对于股骨截骨平面，其数量可以包括5个平面区域，该5个平面区域分别包括股骨前端截骨平面、股骨前斜截骨平面、股骨后髁截骨平面、股骨后斜截骨平面、股骨远端截骨平面。

在调整好三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度之后，基于三维骨骼假体模型与三维模型的匹配关系进行模拟截骨，得到三维骨骼术后模拟模型。

在得到三维骨骼术后模拟模型后，进行运动模拟，可以通过伸直位模拟图、屈曲位模拟图，确定伸直间隙、屈曲间隙。基于伸直间隙和屈曲间隙，确定三维骨骼假体模型是否与截骨后的三维模型适配。通过对假体的安装效果进行模拟可从不同角度观察假体大小、位置是否合适，是否出现假体碰撞、异位，进而能够精确地确定假体与骨骼是否适配。用户可通过该最终的模拟图像，确定是否需要对三维骨骼假体模型进行调整，如果更换骨骼假体的类型和型号，则可重新调用假体库，基于新的骨骼假体模型生成置换后的三维骨骼术后模拟模型。通过对术后的预期效果进行模拟，可以使最终得到的三维骨骼假体模型与患者的膝关节更加匹配。在一种实施方式中，术前规划方法还包括：基于所述三维股骨模型确定股骨髓腔中心点的三维坐标；通过圆形拟合法创建髓内定位模拟杆；由所述髓内定位模拟杆确定股骨开髓点。

在可选的实现方式中，在膝关节置换术中还需要确定股骨髓内定位模拟杆入针点的位置，其中髁间窝的顶点可作为髓内定位模拟杆的入针点位置，入针点的位置即可作为股骨开髓点。在术中，三维骨骼模型上可视化显示髓内定位模拟杆和股骨开髓点，引导医生开髓。

针对髋关节，可以根据髋关节的三维骨骼模型确定骨骼关键参数，髋关节的三维骨骼模型包括三维髋臼模型和三维股骨模型。骨骼关键参数可以包括髋臼旋转中心、髋臼直径、髋臼前倾角、髋臼外展角、股骨头旋转中心、股骨髓腔形态、股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角。根据髋臼旋转中心、髋臼直径、髋臼前倾角、髋臼外展角，综合考虑髋臼杯覆盖率，确定三维髋臼假体模型的类型以及型号。根据股骨头旋转中心、股骨髓腔形态、股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角确定三维股骨假体模型的类型及型号，同时考虑腿长差和股骨联合偏心距。

作为本实施例一种可选的实现方式，三维骨骼模型还包括三维髋臼模型，骨骼关键参数还包括髋臼旋转中心、髋臼直径、髋臼前倾角、髋臼外展角、综合考虑髋臼杯覆盖率；三维骨骼假体模型还包括三维髋臼假体模型；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度包括：基于髋臼旋转中心、髋臼直径、髋臼前倾角、髋臼外展角以及髋臼杯覆盖率，调整三维髋臼假体模型的安放位置，使髋臼杯安放在安全区。

作为本实施例一种可选的实现方式，三维骨骼模型还包括三维股骨模型，骨骼关键参数还包括股骨头旋转中心、股骨髓腔形态、股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角；三维骨骼假体模型还包括三维股骨假体模型；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度包括：基于根据股骨头旋转中心、股骨髓腔形态、股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角，调整三维股骨假体模型的安放位置，使三维股骨假体模型与股骨贴合。

在本实施例中，基于三维骨骼模型确定骨骼关键参数，基于骨骼关键参数确定三维骨骼假体模型的类型和型号，从而将选择的三维骨骼假体模型植入三维骨骼模型，基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度。能够提高假体安放位置的准确性，有利于提高关节置换手术的精准性。

在一个实施例中，如图5所示，提供了一种手术机器人导航定位方法，包括如下的步骤502至步骤506：

步骤502，根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对三维骨骼模型进行配准，得到配准结果。

步骤504，通过手术执行器上的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，实时获取手术执行器、骨骼在世界坐标系下的空间位置，根据配准结果将其转换到三维模型坐标系下，得到手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置。

步骤506，根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置，以控制手术执行器进行手术操作。

在一个实施例中，上述方法还包括：通过手术执行器上的多个追踪球对手术执行器在世界坐标系下的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。

在一个实施例中，根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对三维骨骼模型进行配准包括：

将术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准，得到粗配准矩阵；根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维模型进行精配准，得到配准结果。

在一个实施例中，手术执行器安装于手持动力设备上；根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置包括：

根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据调节路径对手持动力设备进行控制，手动调节手术执行器的切入位置。

在一个实施例中，手术执行器安装于机械臂末端；根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置包括：

根据手术执行器、骨骼在三维模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据调节路径操作机械臂，以调节机械臂末端的手术执行器的切入位置。

在一个实施例中，上述方法还包括：

在手术操作中，运行手术执行器时，确定三维模型坐标系中规划的目标位置的骨骼的当前操作区域的空间位置，以将手术执行器的运动限定在当前操作区域内。

在一个实施例中，上述方法还包括：

在获取到目标位置的医学图像后，对医学图像进行分割和三维重建，得到目标位置的三维骨骼模型；基于三维骨骼模型，确定骨骼关键参数；基于骨骼关键参数确定三维骨骼假体模型的类型和型号；将选择的三维骨骼假体模型植入三维骨骼模型；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

关于手术机器人导航定位方法的具体限定可以参见上文中对于手术机器人导航定位系统的限定，在此不再赘述。上述手术机器人导航定位系统中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是服务器，其内部结构图可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于存储三维骨骼模型、术前规划点等。该计算机设备的网络接口用于与外部终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种手术机器人导航定位方法。

本领域技术人员可以理解，图6中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各个实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各个实施例中的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种手术机器人导航定位系统，其特征在于，包括：

配准模块，用于根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维骨骼模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对所述三维骨骼模型进行配准，得到配准结果；

所述配准模块包括粗配准模块和精配准模块，

粗配准模块，用于：通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维骨骼模型坐标系下的空间位置将术前规划点进行三角化处理，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置对术中标记点进行三角化处理，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列；通过预设三维空间点云搜索方式，根据规划三角形序列对术前规划点在三维骨骼模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的术前规划点；通过配准算法将实操三角形序列对应的术中标记点与修正后的术前规划点进行配准，得到粗配准矩阵；

所述粗配准模块还用于对术前规划点进行修正，修正的方法包括：通过预设三维空间点云搜索方式，确定三维骨骼模型坐标系下的术前规划点在三维骨骼模型上的邻域空间点集；

其中，规划三角形序列包括多个三角形，对于当前三角形，根据预设筛选策略在该邻域空间点集中筛选当前三角形的每个三角点对应的目标点，得到粗配准模块第一目标点集；

精配准模块，用于：根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维骨骼模型坐标系中，得到划线点集在三维骨骼模型坐标系下的位置；根据划线点集在三维骨骼模型坐标系下的位置在三维骨骼模型上搜索邻域空间点集；根据搜索到的邻域空间点集以及划线点集在世界坐标系下的空间位置对划线点集在三维骨骼模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；将修正后的划线点集与划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准；

所述精配准模块还用于对划线点集进行修正，修正方法包括：在搜索到的邻域空间点集中筛选出精配准模块第一目标点集；根据配对三角形序列将划线点集在三维骨骼模型坐标系下的空间位置修正至精配准模块第一目标点集的位置；

追踪模块，用于通过手术执行器的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，实时获取手术执行器、骨骼在世界坐标系下的空间位置，根据所述配准结果将其转换到三维骨骼模型坐标系下，得到手术执行器、骨骼在三维骨骼模型坐标系下的空间位置；

位置调节模块，用于根据所述手术执行器、骨骼在三维骨骼模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置，以控制手术执行器进行手术操作。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述追踪模块还用于通过手术执行器的多个追踪球对手术执行器在世界坐标系下的空间位置进行360°的角度范围的光学跟踪。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手术执行器安装于手持动力设备上；所述位置调节模块包括：

手持控制模块，用于根据所述手术执行器、骨骼在三维骨骼模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据所述调节路径对手持动力设备进行控制，手动调节手术执行器的切入位置。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述手术执行器安装于机械臂末端；所述位置调节模块包括：

机械臂控制模块，用于根据所述手术执行器、骨骼在三维骨骼模型坐标系下的空间位置确定手术执行器的调节路径，以使操作者根据所述调节路径操作机械臂，以调节机械臂末端的手术执行器的切入位置。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述位置调节模块还用于在手术操作中，运行手术执行器时，确定三维骨骼模型坐标系中规划的目标位置的骨骼的当前操作区域的空间位置，以将手术执行器的运动限定在当前操作区域内。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：

术前规划模块，用于在获取到目标位置的医学图像后，对所述医学图像进行分割和三维重建，得到目标位置的三维骨骼模型；在三维骨骼模型上标记术前规划点；基于三维骨骼模型确定骨骼假体模型，基于骨骼假体模型确定操作区域。

7.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现的方法的步骤包括：

根据目标位置的三维骨骼模型中术前规划点在三维骨骼模型坐标系下的空间位置、实体目标位置的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置，以及实体目标位置的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，对所述三维骨骼模型进行配准，得到配准结果；

对所述三维骨骼模型进行配准包括粗配准和精配准，

粗配准过程包括：

通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维骨骼模型坐标系下的空间位置将术前规划点进行三角化处理，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置对术中标记点进行三角化处理，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列；通过预设三维空间点云搜索方式，根据规划三角形序列对术前规划点在三维骨骼模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的术前规划点；通过配准算法将实操三角形序列对应的术中标记点与修正后的术前规划点进行配准，得到粗配准矩阵；

所述方法还包括：

对术前规划点进行修正，修正的方法包括：

通过预设三维空间点云搜索方式，确定三维骨骼模型坐标下系的术前规划点在三维骨骼模型上的邻域空间点集；

其中，规划三角形序列包括多个三角形，对于当前三角形，根据预设筛选策略在该邻域空间点集中筛选当前三角形的每个三角点对应的目标点，得到粗配准第一目标点集；

精配准过程包括：

根据粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维骨骼模型坐标系中，得到划线点集在三维骨骼模型坐标系下的位置；根据划线点集在三维骨骼模型坐标系下的位置在三维骨骼模型上搜索邻域空间点集；根据搜索到的邻域空间点集以及划线点集在世界坐标系下的空间位置对划线点集在三维骨骼模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；将修正后的划线点集与划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准；

在搜索到的邻域空间点集中筛选出精配准第一目标点集；根据配对三角形序列将划线点集在三维骨骼模型坐标系下的空间位置修正至精配准第一目标点集的位置；

通过手术执行器的多个追踪球，以及骨骼上的多个追踪球，实时获取手术执行器、骨骼在世界坐标系下的空间位置，根据所述配准结果将其转换到三维骨骼模型坐标系下，得到手术执行器、骨骼在三维骨骼模型坐标系下的空间位置；

根据所述手术执行器、骨骼在三维骨骼模型坐标系下的空间位置调整手术执行器的切入位置，以控制手术执行器进行手术操作。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求7中所述的方法的步骤。

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