CN113907886A - 脊柱手术机器人的手术执行臂、系统及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脊柱手术机器人的手术执行臂、脊柱手术机器人系统及脊柱手术机器人的控制系统。该手术执行臂包括：手术操作器，设置在所述手术执行臂的末端，用于在脊柱手术中执行置钉和/或截骨的手术操作；以及力学传感装置，设置在所述手术操作器中，用于检测所述手术操作器受到的来自手术对象的作业骨骼的作用力。采用本发明的手术执行臂、脊柱手术机器人系统及脊柱手术机器人的控制系统可以实现由手术机器人执行的置钉和截骨操作，提高了脊柱手术的安全性、精度和效率。

Description

脊柱手术机器人的手术执行臂、系统及控制系统

技术领域

本发明主要涉及手术机器人领域，尤其涉及一种脊柱手术机器人的手术执行臂、脊柱手术机器人系统及脊柱手术机器人的控制系统。

背景技术

脊柱被称为人体的“第二生命线”，是人体的“支柱与栋梁”。脊柱领域的疾病通常包括颈椎病、骨质疏松、腰椎间盘突出等。随着人口老龄化的加剧，脊柱领域疾病的发病率越来越高，并呈现出年轻化趋势。针对脊柱领域疾病，目前主要的治疗手段是采用脊柱截骨减压术，其原理是将限制椎管的椎板切除，释放被压迫的血管和神经。国内脊柱骨科手术多采用传统的“徒手操作”模式，存在“结构复杂、位置深、创伤大、判断难”的痛点，并且手术风险高，手术效果严重依赖于医生的经验。目前，临床经验丰富的外科医生数量较少，手术操作的学习曲线较长，无法满足市场需求。此外，医生与患者在传统脊柱手术中遭受的辐射损伤也较大，患癌风险高。

随着科技的发展，手术机器人逐渐进入手术室辅助医生的手术操作，极大地简化了手术医生的操作，其中包括脊柱手术机器人。然而，在目前的脊柱截骨减压手术中，脊柱手术机器人主要用于提高椎弓根螺钉置入过程中的导向精度问题，而实际的置钉和截骨操作还是需要由医生手动执行。从提高手术精度、减轻医生的工作量以及减少医生和患者所受的辐射量的角度来看，目前的脊柱手术机器人仍然需要不断的改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可以自动执行置钉和/或截骨操作的脊柱手术机器人的手术执行臂、脊柱手术机器人系统及脊柱手术机器人的控制系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种脊柱手术机器人的手术执行臂，其特征在于，包括：手术操作器，设置在所述手术执行臂的末端，用于在脊柱手术中执行置钉和/或截骨的手术操作；以及力学传感装置，设置在所述手术操作器中，用于检测所述手术操作器受到的来自手术对象的作业骨骼的作用力。

在本发明的一实施例中，所述手术操作器包括置钉操作器和/或截骨操作器，所述置钉操作器适于在所述脊柱手术中执行所述置钉的手术操作，所述截骨操作器适于在所述脊柱手术中执行所述截骨的手术操作；所述力学传感装置包括第一力学传感装置和/或第二力学传感装置，所述第一力学传感装置设置在所述置钉操作器中，用于检测所述置钉操作器受到的来自所述作业骨骼的第一作用力，所述第二力学传感装置设置在所述截骨操作器中，用于检测所述截骨操作器受到的来自所述作业骨骼的第二作用力。

在本发明的一实施例中，所述手术执行臂设置在可移动云台上，所述可移动云台适于在至少三个自由度上移动。

在本发明的一实施例中，还包括运动补偿装置，所述运动补偿装置的第一端设置在所述可移动云台上，所述运动补偿装置的第二端设置在所述手术对象的躯干上，所述运动补偿装置用于获得所述躯干的运动信息。

在本发明的一实施例中，所述运动补偿装置包括第三力学传感装置和位移传感装置，所述第三力学传感装置用于检测所述躯干施加给所述运动补偿装置的第三作用力，所述位移传感装置用于检测所述运动补偿装置的运动信息作为所述躯干的运动信息；当所述第三作用力大于预设的运动补偿阈值时，所述可移动云台带动所述手术执行臂根据所述运动信息移动，使所述手术操作器和所述作业骨骼的相对位置保持不变。

在本发明的一实施例中，所述运动信息包括移动方向和移动距离。

在本发明的一实施例中，还包括：手术辅助装置支架，所述手术辅助装置支架的一端设置在所述可移动云台上，另一端用于设置手术辅助装置。

本发明为解决上述技术问题还提出一种脊柱手术机器人系统，其特征在于，包括：如上所述的手术执行臂；以及控制器，适于根据所述作用力控制所述手术执行臂的移动。

在本发明的一实施例中，脊柱手术机器人系统还包括：第一定位单元，设置在所述作业骨骼上；第二定位单元，设置在所述手术操作器上；以及导航定位装置，用于与所述第一定位单元配合以获取所述作业骨骼的第一位姿信息，并与所述第二定位单元配合以获取所述手术操作器的第二位姿信息，以及根据所述第一位姿信息和所述第二位姿信息获取所述手术对象和所述手术执行臂的空间映射关系。

在本发明的一实施例中，还包括：遥操作人机交互装置，用于根据所述作用力生成模拟作用力，使操作者接收所述模拟作用力并通过所述控制器控制所述手术执行臂的移动。

本发明为解决上述技术问题还提出一种脊柱手术机器人的控制系统，其特征在于，包括：路径规划模块，用于根据手术对象的作业骨骼的术前三维图像规划脊柱手术的操作路径，所述脊柱手术包括置钉和/或截骨的手术操作；图像配准模块，用于配准术中二维图像和所述术前三维图像，获得配准图像；导航定位模块，用于根据所述作业骨骼的位姿信息和手术执行臂的位姿信息实时获取所述手术对象和所述手术执行臂的空间映射关系，并根据所述空间映射关系和所述配准图像获得所述操作路径对应的所述手术执行臂的术中运动路径；以及运动控制模块，用于控制所述手术执行臂带动手术操作器按照所述术中运动路径移动，同时根据所述手术操作器受到的来自所述作业骨骼的作用力控制所述手术执行臂的移动。

在本发明的一实施例中，脊柱手术机器人的控制系统还包括：遥操作人机交互模块，用于根据所述作用力生成模拟作用力，使操作者接收所述模拟作用力并控制所述手术执行臂的移动。

根据本发明的脊柱手术机器人的手术执行臂、脊柱手术机器人系统及脊柱手术机器人的控制系统，可以由脊柱手术机器人自动执行置钉和截骨手术操作，减轻了医生的工作量，减少了医生和患者所受的辐射量；并且通过在手术操作器中设置力学传感器，可以实时获得在执行手术操作时作业骨骼的作用力，使脊柱手术机器人或者操作者根据该作用力来实时控制手术执行臂的动作，改变手术执行臂的移动路径，有利于提高手术的安全性、精度和效率。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1是本发明一实施例的脊柱手术机器人的手术执行臂的示意图；

图2是本发明一实施例的脊柱手术机器人的手术执行臂的示意图；

图3是本发明一实施例的脊柱手术机器人系统的示意图；

图4是本发明一实施例的脊柱手术机器人的控制系统的框图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例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示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

图1是本发明一实施例的脊柱手术机器人的手术执行臂的示意图。需要说明，图1所示为包括手术执行臂110在内的脊柱手术机器人的部分或全部结构。参考图1所示，该实施例的手术执行臂110包括手术操作器120和力学传感器130。其中，手术操作器120设置在手术执行臂110的末端，用于在脊柱手术中执行置钉和/或截骨的手术操作；力学传感器130设置在手术操作器120中，用于检测手术操作器120受到的来自手术对象的作业骨骼的作用力。

本发明实施例的脊柱手术机器人的该手术执行臂110适于在至少六个自由度上移动。为了实现手术执行臂110在至少六个自由度上的移动，可以采用连续轴结构。参考图1所示，在该实施例中，手术执行臂110可以包括6个连接臂141-146，各个连接臂之间通过轴结构连接。每个连接臂都可以在一个或多个自由度上移动。例如，连接臂141可移动地设置在轴151上，轴151上具有滑轨，使连接臂141可以在轴151上沿着方向Z上下移动；连接臂141与连接臂142之间通过轴152连接，轴152是一种转轴，连接臂142可以在X-Y平面上移动；连接臂142与连接臂143之间通过轴153连接，轴153是一种转轴，连接臂143可以以轴153为转轴在空间中移动；连接臂143与连接臂144之间通过轴154连接，轴154是一种转轴，连接臂144可以以轴154为转轴在空间中移动；连接臂144与连接臂145之间通过轴155连接，轴155是一种转轴，连接臂145可以以轴155为转轴在空间中移动；连接臂145与连接臂146之间通过轴156连接，轴156是一种转轴，连接臂146可以以轴156为转轴在空间中移动。

图1所示仅为示例，不用于限制本发明的手术执行臂110的具体结构。在一些实施例中，连接臂145、146还可以以其中心轴为转轴旋转。本发明不限制手术执行臂110的自由度的具体个数。

参考图1所示，手术操作器120设置在手术执行臂110的末端111。图1所示不用于限制该末端111的具体位置以及手术操作器120的具体形状、结构和大小。从末端111至手术操作器120的前端123之间的结构都可以是手术操作器120。

在一些实施例中，该手术操作器120可以包括第一段121和第二段122，其中第一段121与手术执行臂110的末端111相连接，第二段122可拆卸地与第一段121相连接。在执行置钉操作时，第二段122为置钉操作器，在执行截骨操作时，第二段122为截骨操作器，可以根据实际需要更换第二段122所示的操作器。可以理解，置钉操作器和截骨操作器的结构和功能都不同。

参考图1所示，力学传感装置130可以设置在手术操作器120的前端123。在执行置钉或截骨的手术操作时，前端123直接与手术对象的作业骨骼相接触，力学传感装置130可以实时地感测来自该作业骨骼的作用力，该作用力实际上是由于手术操作在该作业骨骼上形成的反作用力。在置钉或截骨操作中，来自作业骨骼的反作用力可以用于指示手术操作器120所实际操作的作业骨骼的硬度情况，结合脊柱手术的操作路径，可以帮助脊柱手术机器人或医生判断该操作路径是否合适，从而及时修正操作路径，提高了手术的安全性、精度和效率。

本发明的脊柱手术机器人可以自动执行置钉和/或截骨操作，可以减轻医生的工作量，并且减少医生和患者所受的辐射量。根据上述的实施例，本发明的脊柱手术机器人的手术执行臂通过在手术操作器中设置力学传感器，可以实时获得在执行手术操作时作业骨骼的作用力，使脊柱手术机器人可以根据该作用力来实时控制手术执行臂的动作，改变手术执行臂的移动路径，有利于提高手术的安全性、精度和效率。在医生使用遥控方式遥操作手术执行臂时，也可以将该作用力实时传递给操作医生，使医生根据该作用力的大小结合经验来操作手术操作器。

图1所示不用于限制力学传感装置130的具体位置。在其他的实施例中，力学传感装置130可以位于手术操作器120中的任意部位。本发明对于力学传感装置130的具体实施方式不做限制，只要可以感测手术操作器所受到的来自手术对象的作业骨骼的作用力的传感装置都属于本发明手术执行臂110中所设置的力学传感装置130。该力学传感装置130可以是独立的元件，也可以是包括多个元件的组件。

在上述实施例中，可以采用同一个手术操作器120执行置钉操作或截骨操作。

在一些实施例中，手术操作器120包括置钉操作器和/或截骨操作器，置钉操作器适于在脊柱手术中执行置钉的手术操作，截骨操作器适于在脊柱手术中执行截骨的手术操作；力学传感装置包括第一力学传感装置和第二力学传感装置，第一力学传感装置设置在置钉操作器中，用于检测置钉操作器受到的来自作业骨骼的第一作用力，第二力学传感装置设置在截骨操作器中，用于检测截骨操作器受到的来自作业骨骼的第二作用力。在这些实施例中，置钉操作器和截骨操作器是两种独立的手术操作器。如图1所示，在执行置钉操作时，将置钉操作器与手术操作器120的第一段121相连接，将置钉操作器作为第二段122，同时检测置钉操作时来自作业骨骼的第一作用力；在执行截骨操作时，将截骨操作器与手术操作器120的第一段121相连接，将截骨操作器作为第二段122，同时检测截骨操作时来自作业骨骼的第二作用力。

在一些实施例中，本发明的手术执行臂110设置在可移动云台上，该可移动云台适于在至少三个自由度上移动。本发明对手术执行臂110的自由度数量不做限制，可移动云台可以带动手术执行臂110在至少三个自由度上移动，加之手术执行臂110本身可以移动的自由度数量，使手术执行臂110可以在至少六个自由度上移动。参考图1所示，在该实施例中，可以将连接臂143-146作为手术执行臂110，可移动云台包括连接臂141、142、轴151、152以及基座160。其中连接臂141可以沿轴151上下移动，连接臂142可以沿轴152旋转，基座160可以在X-Y平面内移动，从而使该可移动云台具有三个自由度。

在其他的实施例中，可以使连接臂141-145以及轴153-155中的多个作为可移动云台的一部分，从而增加可移动云台的自由度。

参考图1所示，在一些实施例中，可移动云台可以通过基座160可滑动地安装在手术床一侧。该基座160的侧面具有滑轨161，相应地在手术床的一侧可以设置与之配合的滑动装置，使该基座160可滑动地设置在手术床的一侧，从而可以带动整个手术执行臂110沿手术床的一侧来回移动。图1所示不用于限制基座160的具体结构。滑轨161也可以位于基座160的底部。

在一些实施例中，可移动云台可以采用落地式方式设置在手术床边。可以采用滚轮、滑轨等方式，使可移动云台在地面上沿任意方向移动。

参考图1所示，在一些实施例中，本发明的手术执行臂110还包括运动补偿装置170，该运动补偿装置170的第一端171设置在可移动云台上，该运动补偿装置170的第二端172设置在手术对象的躯干上，运动补偿装置170用于获得躯干的运动信息。

在一些实施例中，运动补偿装置170的第二端172设置在手术对象的躯干上除作业骨骼之外的其他部位。例如，当作业骨骼为第一腰椎时，运动补偿装置170的第二端172可以设置在第五腰椎附近。

在图1所示的实施例中，运动补偿装置170包括一连接杆173，该连接杆173的一端与连接臂175相连接，该连接臂175可移动地与轴151相连接，连接臂175可以在Z方向沿着轴151上下移动。连接杆173在第一端171与设置在连接臂175中的轴157相连接，轴157可以是转轴，连接杆173可以以轴157为转轴在空间中沿X-Y平面移动。

在图1所示的实施例中，连接杆173的另一端设置有固定杆174。在手术过程中，该固定杆174的端部作为运动补偿装置170的第二端172会与手术对象的躯干相接触。当手术对象的躯干由于呼吸、受压等原因发生颤动时运动时，固定杆174可以获得躯干的运动信息。

如图1所示，连接臂175与连接部141相邻接，轴157可以贯穿连接臂175和141，使运动补偿装置170的第二端172所获得的躯干的运动信息可以传递至连接臂141，从而带动手术执行臂110同步移动，使手术操作器120与作业骨骼的相对位置保持不变。

在一些实施例中，运动信息包括移动方向和移动距离。

在图1所示的实施例中，躯干的运动信息可以包括沿Z轴的移动距离，以及在X-Y平面的移动距离。本发明对运动信息的具体内容不做限制。运动信息可以包括与手术执行臂110相同的至少六个自由度上的移动距离信息。

本发明对于运动补偿装置170的第二端172设置在手术对象的躯干上的方式不做限制，可以采用粘贴、夹持等方式使该第二端172与躯干表面相接触。

在一些实施例中，运动补偿装置170包括第三力学传感装置和位移传感装置，第三力学传感装置用于检测躯干施加给运动补偿装置170的第三作用力，位移传感装置用于检测运动补偿装置170的运动信息作为躯干的运动信息；当第三作用力大于预设的运动补偿阈值时，可移动云台带动手术执行臂根据运动信息移动，使手术操作器和作业骨骼的相对位置保持不变。可以理解，运动补偿阈值具有与第三作用力相同的物理含义，也是一种力的阈值，其可以具有与第三作用力相同的力学单位。

参考图1所示，第三力学传感装置可以设置在固定杆174中，具体地，第三力学传感装置可以设置在第二端172，通过第二端172与躯干直接接触，以便于检测躯干施加给运动补偿装置170的作用力。

在这些实施例中，预设一运动补偿阈值F_th，当第三作用力小于等于该运动补偿阈值F_th时，表示躯干的运动幅度较小，不需要进行运动补偿；当第三作用力大于该运动补偿阈值F_th时，表示躯干的运动幅度对手术操作产生了不可忽视的影响，需要进行运动补偿。

参考图1所示，位移传感装置可以设置在运动补偿装置170中的任意部位，本发明对此不做限制。位移传感装置可以检测运动补偿装置170的运动信息，以此作为躯干的运动信息。位移传感装置可以设置在第二端172。该运动信息包括移动方向和移动距离，即运动补偿装置170在三维空间中任意方向的移动距离。

在一些实施例中，位移传感装置可以包括设置在第二端172的靶标和设置在手术环境中的位移传感设备，二者相互配合来获得该运动信息。

根据上述实施例，通过运动补偿装置170实时获取躯干的运动信息，从而可以补偿由于呼吸、受压等造成的躯干移动对手术操作器120与作业骨骼之间的相对位置的影响，使手术操作器120与作业骨骼之间的相对位置保持不变，进一步提高了脊柱手术机器人的操作精度。

在一些实施例中，本发明的手术执行臂还包括手术辅助装置支架，手术辅助装置支架的一端设置在可移动云台上，另一端用于设置手术辅助装置。参考图1所示，手术辅助装置支架180的一端181与可移动云台相连接，具体地是通过螺栓结构等安装在轴151的顶端；手术辅助装置支架180的另一端182用于设置手术辅助装置183。图1中所示的手术辅助装置183为高清摄像头。

可以理解，手术辅助装置支架180可以采用图1中所示的两段式结构，使在其上所设置的手术辅助装置183可以在多个自由度上移动。图1所示仅为示例，不用于限制手术辅助装置支架180的具体结构和大小。

本发明对手术辅助装置183不做限制，可以是脊柱手术中所需的任何辅助设备，包括但不限于摄像设备、创口冲洗设备等。

图2是本发明一实施例的脊柱手术机器人的手术执行臂的示意图。图2所示的视角与图1的视角不同。参考图2所示，手术操作器120的前端123和运动补偿装置170的第二端172基本上处于同一水平面，并且二者之间具有一距离d。在执行脊柱手术时，手术操作器120的前端123位于手术对象的作业骨骼处，该作业骨骼位于脊柱中的某一位置；运动补偿装置170的第二端172设置在脊柱的其他位置上。通常，通过设置前端123和第二端172之间的距离d，使得运动补偿装置170一方面不妨碍手术操作器120执行手术操作，另一方面该第二端172处的躯干的运动信息与第二端172处的躯干的运动信息相同或相似，从而使运动补偿装置170的第二端172所获得的躯干的运动信息可以用于补偿运动对手术操作器120和作业骨骼的相对位置所造成的影响。

图3是本发明一实施例的脊柱手术机器人系统的示意图。参考图3所示，该实施例的脊柱手术机器人系统300包括手术执行臂310和控制器320。该实施例中的手术执行臂310是前文以及图1和图2所示的手术执行臂，因此，前文的相关内容及图1、2都可以用来说明该实施例的脊柱手术机器人系统300中的手术执行臂310，相同的内容不再展开。

参考图3所示，控制器320与手术执行臂310相连接，控制器320适于根据由设置在手术操作器中的力学传感装置所检测到的来自手术对象的作业骨骼的作用力来控制手术执行臂310的移动。图3中的人体图像用于表示躺卧的手术对象。

本发明对控制器320与手术执行臂310之间的连接方式及通信方式不做限制。可以采用有线或无线的方式实现控制器320与手术执行臂310之间的数据通信。

结合图1和图3所示，图3中的手术执行臂310可以是图1中的手术执行臂110的俯视图。参考图3所示，该手术执行臂310包括设置在末端的手术操作器311，其中包括力学传感装置；第二端设置在手术对象的躯干上的运动补偿装置312；以及手术辅助装置支架313。在手术对象的脊柱中段示例性地用圆圈标出作业骨骼301所在的位置。

图3所示仅为示例，不用于限制作业骨骼301的具体位置。

图3还示出了手术床350，结合图1所示，手术执行臂310可以通过可移动云台的基座160可滑动地安装在手术床的一侧边351上，使手术执行臂310可以沿着侧边351来回移动。

控制器320可以是如图3所示的控制平台，其中包括显示单元321、输入单元322等。其中，显示单元321用于显示手术过程中医生需要观看的任意图像信息，输入单元322可以是键盘、鼠标等输入设备，可以由医生输入命令等操作。在脊柱手术中，脊柱手术机器人根据规划好的手术路径，由手术执行臂310带动手术操作器311自动地执行脊柱手术。

在一些实施例中，控制器320还包括控制杆323，医生可以通过摇动该控制杆323来直接控制手术操作器311的移动。在图3所示的实施例中，控制杆323是一种执笔式设备，符合人机工程学的设计要求，方便医生使用。

在一些实施例中，脊柱手术机器人系统300还包括第一定位单元(图未示)、第二定位单元(图未示)和导航定位装置330。其中，第一定位单元设置在作业骨骼301上，用于获得作业骨骼301的实时位姿；第二定位单元设置在手术操作器311上，用于获得手术操作器311的实时位姿。导航定位装置330设置在手术环境中，该导航定位装置330可以和第一定位单元配合以获取作业骨骼的第一位姿信息，并与第二定位单元配合以获取手术操作器的第二位姿信息，以及根据第一位姿信息和第二位姿信息获取手术对象和手术执行臂310的空间映射关系。

如图3所示，导航定位装置330与控制器320、手术执行臂310都具有连接关系，该连接关系可以采用有线或无线的方式，使导航定位装置330与控制器320、手术执行臂310之间都可以进行数据通信。

在一些实施例中，导航定位装置330可以包括支架以及设置在支架上的红外传感装置或激光传感装置，第一定位单元和第二定位单元都是具有可以被红外线或激光感测的示踪器或靶标，因此，导航定位装置330可以实时获得第一定位单元和第二定位单元上示踪器或靶标的位置。多个示踪器或靶标还可以反映第一定位单元和第二定位单元的实时空间位置和姿态，从而可以获得作业骨骼和手术操作器的空间位置和姿态，进一步获得手术对象和手术执行臂的空间映射关系。根据该空间映射关系，可以将手术对象和手术执行臂310统一在同一个坐标系下。

在一些实施例中，脊柱手术机器人系统300还包括遥操作人机交互装置，可以根据力学传感装置所获得的作用力生成模拟作用力，使操作者接收模拟作用力并通过控制器320控制手术执行臂310的移动。该遥操作人机交互装置可以是图3中所示的控制杆323。在医生操作该控制杆323时，控制杆323将模拟作用力施加给医生的手部，使医生实际感受手术操作器311所感受到的来自作业骨骼的反作用力，使医生产生类似亲手执行手术操作的真实感受，从而可以根据经验做出判断，控制手术执行臂来执行手术操作。

在一些实施例中，遥操作人机交互装置可以是主从手装置、传感手套等。

图3中还示出了术中成像设备340，用于在术中对手术对象进行成像。在一些实施例中，该术中成像设备340是C臂机或O臂机。

根据本发明的脊柱手术机器人系统300，可以根据手术中作业骨骼的反作用力实时调整手术操作路径，有利于提高手术的安全性、精度和效率。

图4是本发明一实施例的脊柱手术机器人的控制系统的框图。参考图4所示，该实施例的控制系统400包括路径规划模块410、图像配准模块420、导航定位模块430和运动控制模块440。

其中，路径规划模块410用于根据手术对象的作业骨骼的术前三维图像规划脊柱手术的操作路径，脊柱手术包括置钉和/或截骨的手术操作。图像配准模块420用于配准术中二维图像和术前三维图像，获得配准图像。导航定位模块430用于根据作业骨骼的位姿信息和手术执行臂的位姿信息实时获取手术对象和手术执行臂的空间映射关系，并根据空间映射关系和配准图像获得操作路径对应的手术执行臂的术中运动路径。运动控制模块440用于控制手术执行臂带动手术操作器按照术中运动路径移动，同时根据手术操作器受到的来自作业骨骼的作用力控制手术执行臂的移动。

在执行脊柱手术之前，需要利用医学成像装置扫描手术对象的脊柱，获取术前断层扫描数据。在一些实施例中，该医学成像装置可以是CT、MRI等医学影像断层扫描设备。所获得的断层扫描数据是符合DICOM协议的数据。对术前断层扫描数据进行分割、三维重建等处理之后，可以获得手术对象的脊柱病灶的术前三维图像。医生可以通过路径规划模块410在该术前三维图像中对脊柱手术的操作路径进行规划。该操作路径可以包括置钉路径和截骨路径，其中，置钉路径用于指示置钉操作时手术操作器的移动路径，截骨路径用于指示截骨操作时手术操作器的移动路径。

在手术中，可以采用如图3所示的术中成像设备340获取手术对象的作业骨骼的术中二维图像。通常是获得多幅不同角度的术中二维图像。

为了使用规划的操作路径，需要由图像配准模块420将术中二维图像和术前三维图像进行配准，获得配准图像。

导航定位模块430根据术中所获得的实时的作业骨骼的位姿信息和手术执行臂的位姿信息，实时计算获得手术对象和手术执行臂的空间映射关系，根据实时的空间映射关系和配准图像获得手术执行臂实际所要执行的术中运动路径，该术中运动路径对应于规划的操作路径。

在获取到手术执行臂可用的术中运动路径之后，由运动控制模块440控制手术执行臂按照该术中运动路径移动，并且根据手术操作器受到的来自作业骨骼的作用力控制手术执行臂的移动。

在一些实施例中，本发明的脊柱手术机器人的控制系统400还包括遥操作人机交互模块450，用于根据作用力生成模拟作用力，使操作者接收模拟作用力并控制手术执行臂的移动。根据这些实施例，可以由操作者直接手动控制脊柱手术机器人，直接感受作业骨骼的反作用力，根据该作用力来实时控制手术执行臂的移动。

在一些实施例中，操作者还可以通过安装在手术辅助支架上的摄像头所采集的图像观察手术操作情况。

本发明的脊柱手术机器人的控制系统，由于接收来自作业骨骼的作用力，可以实时地根据该作用力来判断手术执行臂的移动路径，有利于提高手术的安全性、精度和效率。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (12)

1.一种脊柱手术机器人的手术执行臂，其特征在于，包括：

手术操作器，设置在所述手术执行臂的末端，用于在脊柱手术中执行置钉和/或截骨的手术操作；以及

力学传感装置，设置在所述手术操作器中，用于检测所述手术操作器受到的来自手术对象的作业骨骼的作用力。

2.如权利要求1所述的手术执行臂，其特征在于，所述手术操作器包括置钉操作器和/或截骨操作器，所述置钉操作器适于在所述脊柱手术中执行所述置钉的手术操作，所述截骨操作器适于在所述脊柱手术中执行所述截骨的手术操作；所述力学传感装置包括第一力学传感装置和/或第二力学传感装置，所述第一力学传感装置设置在所述置钉操作器中，用于检测所述置钉操作器受到的来自所述作业骨骼的第一作用力，所述第二力学传感装置设置在所述截骨操作器中，用于检测所述截骨操作器受到的来自所述作业骨骼的第二作用力。

3.如权利要求1所述的手术执行臂，其特征在于，所述手术执行臂设置在可移动云台上，所述可移动云台适于在至少三个自由度上移动。

4.如权利要求3所述的手术执行臂，其特征在于，还包括运动补偿装置，所述运动补偿装置的第一端设置在所述可移动云台上，所述运动补偿装置的第二端设置在所述手术对象的躯干上，所述运动补偿装置用于获得所述躯干的运动信息。

5.如权利要求4所述的手术执行臂，其特征在于，所述运动补偿装置包括第三力学传感装置和位移传感装置，所述第三力学传感装置用于检测所述躯干施加给所述运动补偿装置的第三作用力，所述位移传感装置用于检测所述运动补偿装置的运动信息作为所述躯干的运动信息；当所述第三作用力大于预设的运动补偿阈值时，所述可移动云台带动所述手术执行臂根据所述运动信息移动，使所述手术操作器和所述作业骨骼的相对位置保持不变。

6.如权利要求5所述的手术执行臂，其特征在于，所述运动信息包括移动方向和移动距离。

7.如权利要求3所述的手术执行臂，其特征在于，还包括：手术辅助装置支架，所述手术辅助装置支架的一端设置在所述可移动云台上，另一端用于设置手术辅助装置。

8.一种脊柱手术机器人系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-7任一项所述的手术执行臂；以及

控制器，适于根据所述作用力控制所述手术执行臂的移动。

9.如权利要求8所述的脊柱手术机器人系统，其特征在于，还包括：

第一定位单元，设置在所述作业骨骼上；

第二定位单元，设置在所述手术操作器上；以及

导航定位装置，用于与所述第一定位单元配合以获取所述作业骨骼的第一位姿信息，并与所述第二定位单元配合以获取所述手术操作器的第二位姿信息，以及根据所述第一位姿信息和所述第二位姿信息获取所述手术对象和所述手术执行臂的空间映射关系。

10.如权利要求8所述的脊柱手术机器人系统，其特征在于，还包括：遥操作人机交互装置，用于根据所述作用力生成模拟作用力，使操作者接收所述模拟作用力并通过所述控制器控制所述手术执行臂的移动。

11.一种脊柱手术机器人的控制系统，其特征在于，包括：

路径规划模块，用于根据手术对象的作业骨骼的术前三维图像规划脊柱手术的操作路径，所述脊柱手术包括置钉和/或截骨的手术操作；

图像配准模块，用于配准术中二维图像和所述术前三维图像，获得配准图像；

导航定位模块，用于根据所述作业骨骼的位姿信息和手术执行臂的位姿信息实时获取所述手术对象和所述手术执行臂的空间映射关系，并根据所述空间映射关系和所述配准图像获得所述操作路径对应的所述手术执行臂的术中运动路径；以及

运动控制模块，用于控制所述手术执行臂带动手术操作器按照所述术中运动路径移动，同时根据所述手术操作器受到的来自所述作业骨骼的作用力控制所述手术执行臂的移动。

12.如权利要求11所述的控制系统，其特征在于，还包括：

遥操作人机交互模块，用于根据所述作用力生成模拟作用力，使操作者接收所述模拟作用力并控制所述手术执行臂的移动。

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