CN114305697A - 一种关节置换手术机器人的控制方法 - Google Patents

一种关节置换手术机器人的控制方法 Download PDF

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CN114305697A CN202111605189.3A CN202111605189A CN114305697A CN 114305697 A CN114305697 A CN 114305697A CN 202111605189 A CN202111605189 A CN 202111605189A CN 114305697 A CN114305697 A CN 114305697A
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Abstract

本申请公开了一种关节置换手术机器人的控制方法，拍摄病人骨骼影像，并将影像传输到计算机系统，计算机系统获取骨骼的影像数据；在计算机系统中选择适合假体模型放置到病变关节上进行匹配，匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；安装信号源，作为信号发送端，再次拍摄病人骨骼影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位，在计算机系统中，以信号源的位置作为原点建立坐标系，计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与骨骼重合部位的交界面，及在坐标系中的坐标，手术机器人接收到所述坐标，并结合接收到的信号源发出信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，手术机器人进行手术操作。

Description

一种关节置换手术机器人的控制方法
技术领域
本发明是一种关节置换手术机器人的控制方法，属于电子控制技术领域。
背景技术
目前，手术的精准性、微创性和智能安全性是外科医师的追求目标。随着计算机辅助手术(CAS，Computer Aided Surgery)、计算机辅助微创手术(CAMIS，ComputerAidedMinimally Invasive Surgery)、计算机辅助导航骨科手术(CAOS，ComputerAidedOrthopedics Surgery)等的发展，以及这些技术与多学科的紧密结合，手术导航机器人成为未来外科手术的主要发展方向之一。手术导航机器人涉及自动化、人工智能、电子信息、医学图像处理等技术，将外科手术学与计算机软件、工程机械紧密整合，延伸外科医师的视觉、触觉范围，提高手术操作的精准性、安全性和可重复性，辅助以使完成一些既往不可能完成的高风险复杂手术，有效减少手术创伤。
比如专利号“201910164262.4”的专利公开了一种关节置换手术术前的假体预摆位方法，该方法包括：获取CT影像数据；对所述CT影像数据中的病人骨骼进行分割和三维重建，得到模型空间中病人的骨骼模型；所述骨骼模型中包括关节三维模型；在所述关节三维模型的端面选取至少两个固定特征点；在假体模型的端面选择和所述关节三维模型的固定特征点相同位置的同等数量固定点；对所述关节三维模型和所述假体模型进行三维匹配，实现假体预摆位，提高了预摆位的效率和精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种关节置换手术机器人的控制方法，通过三维建模和建立坐标系的方式，可精准确定病变关节切面，手术机器人操作准确，准确率高，使得假体与原病变关节匹配率高，提高了手术的精准性。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种关节置换手术机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、拍摄病人骨骼影像，并将影像传输到计算机系统，计算机系统获取骨骼的影像数据；
步骤二、在计算机系统中，将骨骼影像按照正常生物力线放置；
步骤三、在计算机系统中选择适合假体模型放置到病变关节上进行匹配，匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉在固定点上固定一支架，每个支架上均至少安装有三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五，再次拍摄病人骨骼影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位，并将影像传输到计算机系统；
步骤六、在计算机系统中，以胫骨和股骨上信号源的位置作为原点建立坐标系，并在坐标系内对步骤五获得骨骼影像与步骤三中匹配好的关节假体模型骨骼影像做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与本步骤中获得的胫骨骨骼、股骨骨骼重合部位的交界面，及在坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人接收到所述坐标，并结合接收到的信号源发出信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，并完成完成关节假体放置。
进一步的，所述步骤六中胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，计算机系统自动计算出并记忆交界面分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标。
进一步的，所述步骤一中通过X光拍摄病人骨骼影像，将病人骨骼按照正位全长位置和侧位位置摆正，侧位位置垂直于正位位置，拍摄骨骼全长的正位X光片和侧位X光片。
进一步的，步骤五中再次拍摄病人骨骼影像与步骤一中确定的骨骼方向对病人骨骼拍摄正位X光片和侧位X光片，拍摄范围包含所述信号源及关节部位。
进一步的，所述步骤六中在计算机系统中，将步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像数据中，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内对步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像与上述步骤三中匹配好关节假体模型的全长X光片，做对应重合放置。
进一步的，所述步骤一中通过CT影像拍摄病人骨骼影像；所述步骤五中再次拍摄病人骨骼影像也是拍摄CT影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位。
进一步的，所述步骤二中在计算机系统中对CT影像进行骨骼三维建模，并将病人骨骼按照正常生物力线放置，获得骨骼在计算机系统中的第一骨骼三维模型，第一骨骼三维模型包括关节部位。
进一步的，所述步骤六中在计算机系统中，将包含所述信号源和关节部位的CT影像进行三维建模，获得第二骨骼三维模型，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内与上述步骤三中匹配好关节假体模型的第一骨骼三维模型，做对应重合放置。
进一步的，包括以下步骤：
步骤一、将病人骨骼按照正位全长位置和侧位位置摆正，侧位位置垂直于正位位置，拍摄骨骼全长的正位X光片和侧位X光片，并将拍摄的X光片上传到计算机系统中，计算机系统获取X光片影像数据；
步骤二、在计算机系统中，分别将正位X光片和侧位X光片按照正常生物力线放置；
步骤三、在计算机系统中，医生将计算机系统中预设好的关节假体模型选择大小适合的放置到病变关节上，医生根据经验将关节假体模型与X光片中的骨骼进行正位和侧位匹配；
在计算机系统中，关节假体模型和骨骼匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉在固定点上固定一支架，每个支架上均至少安装有三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五、再次按照步骤一中确定的骨骼方向对病人骨骼拍摄正位X光片和侧位X光片，拍摄范围包含所述信号源及关节部位,并上传到计算机系统中；
步骤六、在计算机系统中，将步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像数据中，胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内对步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像与上述步骤三中匹配好关节假体模型的全长X光片，做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与本步骤获得的胫骨骨骼、股骨骨骼重合部位的交界面，及分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人上设有信号接收端，能够接受所述信号源发出的信号，手术机器人接收到所述坐标，并结合信号接收端接收到的信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，这时由手术者暴露骨骼，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，切除完成后手术者将与假体模型大小相同的假体放置到关节上，即可完成关节假体放置。
进一步的，包括以下步骤：
步骤一、将病人骨骼拍摄CT影像，并将拍摄的CT影像上传到计算机系统中，计算机系统获取CT影像中影像数据；
步骤二、在计算机系统中对CT影像进行骨骼三维建模，并将病人骨骼按照正常生物力线放置，获得骨骼在计算机系统中的第一骨骼三维模型，第一骨骼三维模型包括关节部位；
步骤三、在计算机系统中，医生将计算机系统中预设好的关节假体模型选择大小适合的放置到病变关节上，医生根据经验将关节假体模型与第一骨骼三维模型中骨骼进行匹配；
在计算机系统中，关节假体模型和骨骼匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉固定一支架，每个支架上均至少安装三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五、再次病人骨骼拍摄CT影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位,并上传到计算机系统中；
步骤六、在计算机系统中，将包含所述信号源和关节部位的CT影像进行三维建模，获得第二骨骼三维模型，以胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内与上述步骤三中匹配好关节假体模型的第一骨骼三维模型，做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与步骤六获得的胫骨骨骼、股骨骨骼模型重合部位的交界面，及分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人设有信号接收端，能够接受所述信号源发出的信号，手术机器人接收到所述坐标，并结合信号接收端接收到的信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，这时由手术者暴露骨骼，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，切除完成后手术者将与假体模型大小相同的假体放置到关节上，即可完成关节假体放置。
本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
1、与背景技术中专利号“201910164262.4”的专利相比，本发明是在病人骨骼上确定固定点，通过固定点上安装信号源来作为特征点，而专利号“201910164262.4”的专利中是在关节三维模型和假体模型上选取固定特征点；
2、专利号“201910164262.4”的专利在关节三维模型和假体模型上选取固定特征点并不能任意选择，需要其中至少两个固定特征点的点云和进行初始配准，而本发明中选取的固定特征点可以任意选择，数量大于等于一个即可，固定点选取简单；
3、专利号“201910164262.4”的专利在关节三维模型和假体模型上选取固定特征点的目的是为了实现假体能够对准关节上需要截骨位置，而本发明中选取固定特征点是为了固定支架，支架上固定信号源，信号源用于建立坐标系，并对病人骨骼位置进行实时监控；
4、专利号“201910164262.4”的专利中需要关节三维模型和假体模型上选取固定特征点经过两次配准，使得固定特征点的点云精确匹配，来实现假体的摆位至需要截骨位置，而本发明中是医生根据经验在计算机系统直接将关节假体模型摆位到病变骨骼位置，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分，能够精确确定需要切除面，方便后续手术操作切除；
5、专利号“201910164262.4”的专利中通过点云匹配来确定假体预摆位至需要截骨的位置，需要进行多次匹配，并需要进行微调，而本发明中是通过建立坐标系，确定切面的坐标位置，定位准确，不需要进行多次匹配；
6、本发明中病变关节需要切除的位置是在坐标系中确定切面坐标，定位准确高效。
具体实施方式
实施例1
一种关节置换手术机器人的控制方法，包括以下步骤：
步骤一、将病人骨骼按照正位全长位置和侧位位置摆正，侧位位置垂直于正位位置，拍摄骨骼全长的正位X光片和侧位X光片，并将拍摄的X光片上传到计算机系统中，计算机系统获取X光片影像数据；
步骤二、在计算机系统中，分别将正位X光片和侧位X光片按照正常生物力线放置；
步骤三、在计算机系统中，医生将计算机系统中预设好的关节假体模型选择大小适合的放置到病变关节上，医生根据经验将关节假体模型与X光片中的骨骼进行正位和侧位匹配；
在计算机系统中，关节假体模型和骨骼匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉在固定点上固定一支架，每个支架上均至少安装有三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五、再次按照步骤一中确定的骨骼方向对病人骨骼拍摄正位X光片和侧位X光片，拍摄范围包含所述信号源及关节部位,并上传到计算机系统中；
步骤六、在计算机系统中，将步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像数据中，胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内对步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像与上述步骤三中匹配好关节假体模型的全长X光片，做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与本步骤获得的胫骨骨骼、股骨骨骼重合部位的交界面，及分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人上设有信号接收端，能够接受所述信号源发出的信号，手术机器人接收到所述坐标，并结合信号接收端接收到的信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，这时由手术者暴露骨骼，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，切除完成后手术者将与假体模型大小相同的假体放置到关节上，即可完成关节假体放置。
术前的X光片，在放置关节时所用的与人体的缩放比例要与术中的缩放比例相同，手术机器人全自动计算出实际骨骼的坐标。
实施例2
步骤一、将病人骨骼拍摄CT影像，并将拍摄的CT影像上传到计算机系统中，计算机系统获取CT影像中影像数据；
步骤二、在计算机系统中对CT影像进行骨骼三维建模，并将病人骨骼按照正常生物力线放置，获得骨骼在计算机系统中的第一骨骼三维模型，第一骨骼三维模型包括关节部位；
步骤三、在计算机系统中，医生将计算机系统中预设好的关节假体模型选择大小适合的放置到病变关节上，医生根据经验将关节假体模型与第一骨骼三维模型中骨骼进行匹配；
在计算机系统中，关节假体模型和骨骼匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉固定一支架，每个支架上均至少安装三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五、再次病人骨骼拍摄CT影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位,并上传到计算机系统中；
步骤六、在计算机系统中，将包含所述信号源和关节部位的CT影像进行三维建模，获得第二骨骼三维模型，以胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内与上述步骤三中匹配好关节假体模型的第一骨骼三维模型，做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与步骤六获得的胫骨骨骼、股骨骨骼模型重合部位的交界面，及分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人设有信号接收端，能够接受所述信号源发出的信号，手术机器人接收到所述坐标，并结合信号接收端接收到的信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，这时由手术者暴露骨骼，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，切除完成后手术者将与假体模型大小相同的假体放置到关节上，即可完成关节假体放置。
手术机器人连接计算机系统，计算机系统具有三维建模和坐标系生成的功能。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、拍摄病人骨骼影像，并将影像传输到计算机系统，计算机系统获取骨骼的影像数据；
步骤二、在计算机系统中，将骨骼影像按照正常生物力线放置；
步骤三、在计算机系统中选择适合假体模型放置到病变关节上进行匹配，匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉在固定点上固定一支架，每个支架上均至少安装有三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五，再次拍摄病人骨骼影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位，并将影像传输到计算机系统；
步骤六、在计算机系统中，以胫骨和股骨上信号源的位置作为原点建立坐标系，并在坐标系内对步骤五获得骨骼影像与步骤三中匹配好的关节假体模型骨骼影像做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与本步骤中获得的胫骨骨骼、股骨骨骼重合部位的交界面，及在坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人接收到所述坐标，并结合接收到的信号源发出信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，并完成完成关节假体放置。
2.如权利要求1所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤六中胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，计算机系统自动计算出并记忆交界面分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标。
3.如权利要求2所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤一中通过X光拍摄病人骨骼影像，将病人骨骼按照正位全长位置和侧位位置摆正，侧位位置垂直于正位位置，拍摄骨骼全长的正位X光片和侧位X光片。
4.如权利要求3所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：步骤五中再次拍摄病人骨骼影像与步骤一中确定的骨骼方向对病人骨骼拍摄正位X光片和侧位X光片，拍摄范围包含所述信号源及关节部位。
5.如权利要求4所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤六中在计算机系统中，将步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像数据中，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内对步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像与上述步骤三中匹配好关节假体模型的全长X光片，做对应重合放置。
6.如权利要求2所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤一中通过CT影像拍摄病人骨骼影像；所述步骤五中再次拍摄病人骨骼影像也是拍摄CT影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位。
7.如权利要求6所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤二中在计算机系统中对CT影像进行骨骼三维建模，并将病人骨骼按照正常生物力线放置，获得骨骼在计算机系统中的第一骨骼三维模型，第一骨骼三维模型包括关节部位。
8.如权利要求7所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：所述步骤六中在计算机系统中，将包含所述信号源和关节部位的CT影像进行三维建模，获得第二骨骼三维模型，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内与上述步骤三中匹配好关节假体模型的第一骨骼三维模型，做对应重合放置。
9.如权利要求1所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将病人骨骼按照正位全长位置和侧位位置摆正，侧位位置垂直于正位位置，拍摄骨骼全长的正位X光片和侧位X光片，并将拍摄的X光片上传到计算机系统中，计算机系统获取X光片影像数据；
步骤二、在计算机系统中，分别将正位X光片和侧位X光片按照正常生物力线放置；
步骤三、在计算机系统中，医生将计算机系统中预设好的关节假体模型选择大小适合的放置到病变关节上，医生根据经验将关节假体模型与X光片中的骨骼进行正位和侧位匹配；
在计算机系统中，关节假体模型和骨骼匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉在固定点上固定一支架，每个支架上均至少安装有三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五、再次按照步骤一中确定的骨骼方向对病人骨骼拍摄正位X光片和侧位X光片，拍摄范围包含所述信号源及关节部位,并上传到计算机系统中；
步骤六、在计算机系统中，将步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像数据中，胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内对步骤五拍摄的包含信号源的X光片影像与上述步骤三中匹配好关节假体模型的全长X光片，做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与本步骤获得的胫骨骨骼、股骨骨骼重合部位的交界面，及分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人上设有信号接收端，能够接受所述信号源发出的信号，手术机器人接收到所述坐标，并结合信号接收端接收到的信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，这时由手术者暴露骨骼，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，切除完成后手术者将与假体模型大小相同的假体放置到关节上，即可完成关节假体放置。
10.如权利要求1所述的一种关节置换手术机器人的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将病人骨骼拍摄CT影像，并将拍摄的CT影像上传到计算机系统中，计算机系统获取CT影像中影像数据；
步骤二、在计算机系统中对CT影像进行骨骼三维建模，并将病人骨骼按照正常生物力线放置，获得骨骼在计算机系统中的第一骨骼三维模型，第一骨骼三维模型包括关节部位；
步骤三、在计算机系统中，医生将计算机系统中预设好的关节假体模型选择大小适合的放置到病变关节上，医生根据经验将关节假体模型与第一骨骼三维模型中骨骼进行匹配；
在计算机系统中，关节假体模型和骨骼匹配完成后，关节假体模型与骨骼重合部分即为需要切除置换部分；
步骤四、病人到手术台上后，在病变关节的胫骨和股骨上分别任意选取至少一个固定点，并通过骨钉固定一支架，每个支架上均至少安装三个不在同一直线上的信号源，作为信号发送端；
步骤五、再次病人骨骼拍摄CT影像，拍摄范围包含所述信号源及关节部位,并上传到计算机系统中；
步骤六、在计算机系统中，将包含所述信号源和关节部位的CT影像进行三维建模，获得第二骨骼三维模型，以胫骨和股骨上信号源的位置作为原点分别建立胫骨坐标系和股骨坐标系，并分别在胫骨坐标系内和股骨坐标系内与上述步骤三中匹配好关节假体模型的第一骨骼三维模型，做对应重合放置；
计算机系统自动计算出并记忆关节假体模型与步骤六获得的胫骨骨骼、股骨骨骼模型重合部位的交界面，及分别在胫骨坐标系和股骨坐标系中的坐标，并将坐标输出到手术机器人；
步骤七，手术机器人设有信号接收端，能够接受所述信号源发出的信号，手术机器人接收到所述坐标，并结合信号接收端接收到的信号，得出病变关节需要切除部分在坐标系中的位置坐标，这时由手术者暴露骨骼，手术机器人按上述位置坐标进行截骨切除，切除完成后手术者将与假体模型大小相同的假体放置到关节上，即可完成假体放置。
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