CN114404042A - 一种手术机器人导航板及导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种手术机器人导航板，包括导航板本体，导航板本体四周设置有外框，导航板本体上分布有多个矫正靶点，导航板本体中心开设有中心矫正靶点。以及公开了一种使用本导航板作为引导，校正和跟踪手术机器人的方法，通过采用导航板作为中间桥接，将术中X光获得的稳定组织结构图像与术前MRI图像匹配并与机器人建立统一坐标体系，利用该统一的坐标系引导机器人进行进行定位，并通过导航板引导机器人视觉系统完成手术中的跟踪定位。本发明不需要现在普遍采用的第三方专用导航设备，具有不被遮挡，算法简单成熟稳定，成本低廉、操作简单易学、系统稳定、灵活性高、拓展性强、适用范围广、更快，精度更高的优势。

Description

一种手术机器人导航板及导航方法

技术领域

本发明涉及手术机器人导航板，具体涉及一种手术机器人导航板及导航方法。

背景技术

传统手术机器人导航采用术前规划，结合术中X光图像融合匹配测量技术，结合实时光学图像跟踪技术，采用这种导航技术要求计算机具有强大的算力，以实现及时跟踪靶标（目标)的移动，防止机器人动作滞后，但现有计算机系统算力有限，导致这种滞后往往由于活体目标的移动产生无法及时跟踪目标的局面，整个手术机器人系统运行不稳定甚至跟踪注册失败。专利CN201811069744.3公开了一种适用于X光下机器人手术导航的柔性定位装置及导航方法，需要借助第三方红外定位设备辅助机器人进行导航，操作复杂且成本高，另外其导航板仅在四周设置矫正靶点，无法对导航板中部区域进行定位矫正，适用范围窄。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种手术机器人导航板及导航方法，实现快速定位并同步引导建立手术通道。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，包括以下步骤：

S1、通过术前MRI图像资料，获取测量数据，所述测量数据包括手术进入节段的经皮穿刺点、入针角度以及到经皮穿刺点进入的穿刺深度；

S2、将导航板固定在人体上，在机器人工作端自带激光十字靶标指示下，使所述激光十字对准所述导航板的中心靶点及十字方向线，所述中心靶点及十字方向线能够在X光下显影并与靶点组织结构重叠；

S3、通过采用所述导航板作为中间桥接，将术中X光获得的所述靶点组织结构的图像和所述术前MRI图像融合，并将所述测量数据和机器人工作端自带机器视觉测量数据通过所述导航板桥接，建立统一坐标体系；

S4、计算出基于所述统一坐标体系下的手术进入点，进入角度以及进入深度的数值，并将所述数值输入进机器人。

进一步地，所述步骤S1还包括：

S11、通过术中X光机正侧位片及术前MR或CT测量获得所述经皮穿刺点信息；

S12、通过术前MR或CT测量术前获得所述入针角度信息；

S13、通过术前MR测量获得所述穿刺深度信息。

进一步地，所述步骤S3还包括：

S31、打开置于所述导航板上方的X光光源，使所述导航板和所述靶点组织结构在DR成像平板上成像；

S32、进行导航板图像畸变矫正，获得所述导航板和机器人的位置关系；

S33、进行靶点组织结构图像畸变矫正，获得所述导航板和所述靶点组织结构的位置关系。

进一步地，所述步骤S32还包括：

S321、在X光下和人体表面之间建立一个虚拟的标准体导航板，所述标准体

导航板的坐标系三轴与所述机器人的坐标系三轴重合；

S322、所述标准体导航板和伏贴在人体表面的所述导航板在DR成像平板上成像，所述标准体导航板和伏贴在人体表面的所述导航板均有矫正靶点，且均在DR成像平板成像，利用成像标准体导航板的矫正靶点和导航板的矫正靶点在XY平面上的位置差，获取所述机器人与所述导航板在XY平面上的距离与方向位置关系；

S323、所述机器人上安装有测距功能的测距设备，所述测距设备获取所述测距设备到所述导航板上任意多个位置的距离，进而得到所述机器人与所述导航板在所述XY平面上的角度位置关系。

进一步地，所述步骤S33还包括：

S331、采用与所述步骤S322相同的方法获取所述导航板与所述靶点组织结构

图像在所述XY平面上的距离与方向位置关系；

S332、采用MR图像对所述靶点组织结构的边缘及表面进行点标定，并通过MR图像获取所述靶点组织结构与人体表面的距离，进而获取所述导航板与所述靶点组织结构在所述XY平面上的角度位置关系。

进一步地，所述步骤S4中计算出基于所述统一坐标体系下的手术进入点，进入角度以及进入深度的数值的方法为：

S41、通过X光照射获取所述靶点组织结构的靶点在皮表垂直投影点，带三维测量摄像机的机器人工作端移动到所述皮表垂直投影点的上方，机器人工作端上的三维摄像机获取机器人工作端到皮表的距离R1，将R1和由术前MRI测量得到的靶点组织结构的靶点到皮表垂直投影点的距离R2相加，获得机器人的运动半径R，机器人以半径R沿测得的责任间盘线路径做圆弧运动，运动角度达到(90-X)°后，到达所述手术进入点，其中X为步骤S1中的入针角度。

一种手术机器人导航板，包括导航板本体，所述导航板本体为长方形，所述导航板本体四周设置有外框，所述导航板本体上分布有多个矫正靶点，所述导航板本体中心开设有中心矫正靶点，所述导航板采用能在X光等成像设备下清晰显影的金属或非金属材料。

进一步地，所述外框为长方形，所述中心矫正靶点包括中心靶点和与外框垂直平行的十字方向线，所述十字方向线中心与所述中心靶点的圆心重合，所述矫正靶点分布在所述导航板本体上。

本发明的有益效果在于：

1、本发明首创采用导航板建立术中实时X光影像和机器人坐标系统的标定，避免采用上述传统导航技术中图像融合测量算法和光电导航系统，本发明的测量方法除用于骨科手术机器人导航外，同样能于采用B超，电磁导航，术中MR等能在手术中找到坐标点的其它手术机器人技术。

2、成本低廉：相对图像融合需要的软硬件技术，本系统只需要简单的图像测量和换算，软件系统简单，算力要求极低，不需要昂贵的光电跟踪系统。

3、简单易学：系统简单，自动化程度高，学习理解容易。

4、系统稳定：计算量极低，经皮穿刺点一经测量，和角度一样，固定不变，除非大幅运动否则不受人体正常生理活动（呼吸）影响。

5、灵活性高: 不同软件及工作头可适应不同骨科手术

6、扩展性强：根据不同应用领域可设计不同形状和材质的导航板，更可设计用于B超，电磁，和CT，MRI应用的导航板。

7、适用症广:软硬组织均可适应扩大临床应用范围。

8、快速定位：无需进行C臂机校正和机器人和系统的注册，术中可重复快速定位，持续监控穿刺过程，配合G臂机可实现穿刺过程动态可视

9、精度更高：采用标准成像板纠正X光成像时的缩放和畸变效应，采用柔性材料制作导航板粘贴在人体表面，可以获得更高测量精度。

附图说明

附图1本发明一种手术机器人导航板整体结构示意图一（用于侧方穿刺定位导航）；

附图2 本发明一种手术机器人导航板整体结构示意图二（用于背侧穿刺定位导航）;

附图3 本发明手术机器人工作端移动到手术进入点的原理示意图；

附图4 本发明中责任间盘线位置示意图。

附图标记：1、外框：2、矫正靶点；3、中心靶点：4、十字方向线。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：

本发明公开了一种手术机器人导航板，包括导航板本体，所述导航板本体四周设置有外框1，所述导航板本体上分布有多个矫正靶点2，所述导航板本体中心开设有中心矫正靶点。以及公开了一种使用本导航板作为引导，校正和跟踪手术机器人的方法，通过采用导航板作为中间桥接，将术中X光获得的稳定组织结构图像与术前MRI图像匹配并与机器人建立统一坐标体系，利用该统一的坐标系引导机器人进行进行定位，并通过导航板引导机器人视觉系统完成手术中的跟踪定位。基于本发明导航板的手术机器人导航方法不需要现在普遍采用的第三方专用导航设备，具有不被遮挡，算法简单成熟稳定，成本低廉、操作简单易学、系统稳定、灵活性高、拓展性强、适用范围广、更快，精度更高的优势。

本发明提供了一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，本发明的导航方法除了应用于骨科手术还可应用于B超中的电磁导航等等，本发明以骨科手术中的穿刺手术为实施例对本发明做进一步阐述。

使用导航板引导和校正手术机器人的方法包括以下步骤：

S1、通过术前MRI图像资料，获取穿刺手术进入节段的经皮穿刺点、入针角度以及到经皮穿刺点进入的穿刺深度；

步骤S1还包括：

S11、通过术中X光机正侧位片及术前MR或CT测量获得穿刺点信息；

S12、通过术前MR或CT测量术前获得入针角度信息；

S13、通过术前MR测量获得穿刺深度信息。

S2、将导航板固定在人体侧面或背侧，在机器人工作端自带激光十字靶标指示下，使所述激光十字对准所述导航板的中心靶点3及十字方向线4，所述中心靶点3及十字方向线4能够在X光下显影并与靶点组织结构重叠；

如图3所示，靶点组织结构为人体目标穿刺部位。

S3、通过采用导航板作为中间桥接，将术中X光获得的靶点组织结构（如椎体结构)的图像和术前MRI图像融合，并将测量数据和机器人工作端自带机器视觉测量数据通过本导航板桥接，建立统一坐标体系；步骤S3还包括：

S31、打开置于导航板上方的X光光源，使导航板和靶点组织结构在DR成像平板上成像；

S32、进行导航板图像畸变矫正，获得导航板和机器人的位置关系；步骤S32还包括：

S321、在X光下和人体表面之间建立一个虚拟的标准体导航板，标准体导航板的坐标系三轴与机器人的坐标系三轴重合；

S322、标准体导航板和伏贴在人体表面的导航板在DR成像平板上成像，标准体导航板和伏贴在人体表面的导航板均有矫正靶点2，且均在DR成像平板成像，利用成像标准体导航板的矫正靶点和导航板矫正靶点在XY平面上的位置差，获取机器人与导航板在XY平面上的距离与方向位置关系；

如图1和图2所示，XY平面为导航板上的十字方向线4所对应的XY轴平面。

S323、机器人上安装有机器人带有测距功能的测距设备，测距设备获取导航板上任意多个位置的距离，进而得到机器人与导航板在XY平面上的角度位置关系。

S33、进行靶点组织结构图像畸变矫正，获得导航板和靶点组织结构的位置关系。

S331、采用与步骤S322相同的方法获取导航板与靶点组织结构图像在XY平面上的距离与方向位置关系；

S332、采用MR图像对靶点组织结构的边缘及表面进行点标定，并通过MR图像获取靶点组织结构与人体表面的距离，进而获取导航板与靶点组织结构在XY平面上的角度位置关系。

S4、计算出基于统一坐标体系下的手术进入点，进入角度以及进入深度的数值，并将数值输入进机器人。

在穿刺手术中，使用导航板引导和矫正手术机器人时，手术进入点为经皮穿刺点，进入角度为入针角度，进入深度为穿刺深度。

如图3所示，通过X光照射获取靶点组织结构靶点在皮表垂直投影点，带三维测量摄像机的机器人工作端移动到皮表垂直投影点的上方，机器人工作端上的三维摄像机获取机器人工作端到皮表的距离R1，将R1和由术前MRI测量得到的靶点组织结构靶点到皮表垂直投影点的距离R2相加，获得机器人的运动半径R，机器人以半径R沿测得的责任间盘线路径做圆弧运动，运动角度达到(90-X)°后，到达手术进入点，其中X为步骤S1中的入针角度。如图4所示，责任（病灶）间盘线根据透视设备拍照所获得正位透视影像资料获得。

本发明通过手术导航板来建立机器人和靶点组织结构统一的坐标系来实现手术机器人导航，相对于传统导航的图像和空间实时位置校正融合技术，不仅系统简单而且避免了对计算机算力的要求，任何单片机都可以实现，从而能确保机器人实现快速跟踪定位，大幅减轻了操作人员学习和工作难度。

本发明引导和校正手术机器人的方法是基于导航板进行的该导航板包括导航板本体，导航板本体四周设置有外框1，导航板本体上分布有多个矫正靶点，导航板本体中心开设有中心矫正靶点。外框1为长方形，中心矫正靶点包括中心靶点3和与外框1垂直平行的十字方向线4，十字方向线4中心与中心靶点3的圆心重合。

如图1和图2所示，本发明提供两种导航板实施例。

实施一:导航板本体四周设置有外框1，导航板本体上不均匀分布有多个矫正靶点，导航板本体中心开设有中心矫正靶点。外框1为长方形，中心矫正靶点包括中心靶点3和与外框1垂直平行的十字方向线4，十字方向线4中心与中心靶点3的圆心重合。本实施例导航板用于侧方穿刺定位导航。

实施二:导航板本体四周设置有外框1，导航板本体外框1上均匀分布有多个矫正靶点，导航板本体中心开设有中心矫正靶点。外框1为长方形，中心矫正靶点包括中心靶点3和与外框1垂直平行的十字方向线4，十字方向线4中心与中心靶点3的圆心重合。本实施例导航板用于背侧穿刺定位导航。

导航板采用能在X光等成像设备下清晰显影的金属或非金属材料，要求具有足够强度不易变形或柔软伏贴在人体表面的材料，并固定在人体表面。导航板的矫正靶点2有规律得分区排列在导航板本体上，任取几个点都可将这些点连成一个三角形，用于在X光片中测量平面XY上的距离参数和方向参数，通过距离参数和方向参数来进行X光等成像设备下的导航板图像畸变矫正和靶点组织结构图像畸变矫正，具体图像畸变矫正方法包括但不限于公开论文《一种基于图像导航的骨外科手术机器人系统》（孙立宁，哈尔滨工程大学学报，第27劵第2期，2006年，4月)中的图像畸变矫正方法，在此不做具体阐述。

对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过术前MRI图像资料，获取测量数据，所述测量数据包括手术进入节段的经皮穿刺点、入针角度以及到经皮穿刺点进入的穿刺深度；

S2、将导航板固定在人体上，在机器人工作端自带激光十字靶标指示下，使所述激光十字对准所述导航板的中心靶点(3)及十字方向线(4)，所述中心靶点(3)及十字方向线(4)能够在X光下显影并与靶点组织结构重叠；

S3、通过采用所述导航板作为中间桥接，将术中X光获得的所述靶点组织结构的图像和术前MRI图像融合，并将所述测量数据和机器人工作端自带机器视觉测量数据通过所述导航板桥接，建立统一坐标体系；

S4、计算出基于所述统一坐标体系下的手术进入点，进入角度以及进入深度的数值，并将所述数值输入进机器人。

2.根据权利要求1所述的一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：

S11、通过术中X光机正侧位片及术前MR或CT测量获得所述经皮穿刺点信息；

S12、通过术前MR或CT测量术前获得所述入针角度信息；

S13、通过术前MR测量获得所述穿刺深度信息。

3.根据权利要求1所述的一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：

S31、打开置于所述导航板上方的X光光源，使所述导航板和所述靶点组织结构在DR成像平板上成像；

S32、进行导航板图像畸变矫正，获得所述导航板和机器人的位置关系；

S33、进行靶点组织结构图像畸变矫正，获得所述导航板和所述靶点组织结构的位置关系。

4.根据权利要求3所述的一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，其特征在于，所述步骤S32还包括：

S321、在X光下和人体表面之间建立一个虚拟的标准体导航板，

所述标准体导航板的坐标系三轴与所述机器人的坐标系三轴重合；

S322、所述标准体导航板和伏贴在人体表面的所述导航板在DR成像平板上成像，所述标准体导航板和伏贴在人体表面的所述导航板均有矫正靶点，且均在DR成像平板成像，利用成像标准体导航板的矫正靶点和导航板的矫正靶点(2)在XY平面上的位置差，获取所述机器人与所述导航板在XY平面上的距离与方向位置关系；

S323、所述机器人上安装有测距功能的测距设备，所述测距设备获取所述测距设备到所述导航板上任意多个位置的距离，进而得到所述机器人与所述导航板在所述XY平面上的角度位置关系。

5.根据权利要求4所述的一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，其特征在于，所述步骤S33还包括：

S331、采用与所述步骤S322相同的方法获取所述导航板与所述靶点组织结构图像在所述XY平面上的距离与方向位置关系；

S332、采用MR图像对所述靶点组织结构的边缘及表面进行点标定，并通过MR图像获取所述靶点组织结构与人体表面的距离，进而获取所述导航板与所述靶点组织结构在所述XY平面上的角度位置关系。

6.根据权利要求1所述的一种使用导航板引导和校正手术机器人的方法，其特征在于，所述步骤S4中计算出基于所述统一坐标体系下的手术进入点，进入角度以及进入深度的数值的方法为：

S41、通过X光照射获取所述靶点组织结构的靶点在皮表垂直投影点，带三维测量摄像机的机器人工作端移动到所述皮表垂直投影点的上方，机器人工作端上的三维摄像机获取机器人工作端到皮表的距离R1，将R1和由术前MRI测量得到的靶点组织结构的靶点到皮表垂直投影点的距离R2相加，获得机器人的运动半径R，机器人以半径R沿测得的责任间盘线路径做圆弧运动，运动角度达到(90-X)°后，到达所述手术进入点，其中X为步骤S1中的入针角度。

7.一种手术机器人导航板，所述手术机器人导航板用于权利要求1-6任一项所述的使用导航板引导和校正手术机器人的方法，其特征在于，所述导航板包括导航板本体，所述导航板本体为长方形，所述导航板本体四周设置有外框(1)，所述导航板本体上分布有多个矫正靶点(2)，所述导航板本体中心开设有中心矫正靶点，所述导航板采用能在X光成像设备下清晰显影的金属或非金属材料。

8.根据权利要求7所述的手术机器人导航板，其特征在于，所述外框(1)为长方形，所述中心矫正靶点包括中心靶点(3)和与外框(1)垂直平行的十字方向线(4)，所述十字方向线(4)中心与所述中心靶点(3)的圆心重合，所述矫正靶点(2)分布在所述导航板本体上。

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