CN115444554A - 用于手术导航机器人系统的验证方法和ct验证模体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于手术导航机器人系统的验证方法和CT验证模体，所述CT验证模体包括至少一个测量模块，以及底座，其中所述测量模块的每一个都基本呈圆柱状，其具有两个基本平行的测量端面，并且在轴向两侧各去除一定高度的部分，从而在侧面形成两个平面；所述底座基本呈板状，所述测量模块通过固定装置固定在所述底座；所述测量模块、所述底座及所述固定装置均由高分子有机材料制成。本发明的方法及CT验证模体稳定性高、结构简单，能够用于手术导航机器人系统在应用中的影像重建、图像配准、手术导航与跟踪、影像融合等精度的测量，也可对手术导航系统的手术导航/跟踪精度、预警、手术路径规划等进行验证。

Description

用于手术导航机器人系统的验证方法和CT验证模体

技术领域

本发明涉及一种手术导航机器人系统的验证方法，以及用于手术导航机器人系统验证的CT验证模体，属于医疗器械质量控制与检验技术领域。

背景技术

在医学应用中，通常使用准确性高、稳定性好的专业模体作为标准工具，对医学应用的图像重建质量、计算精度、分辨力等应用效果等进行准确、客观的评价。

手术导航机器人系统的应用过程，包含了患者CT图像扫描、患者模型重建、手术实时跟踪、病灶勾画、手术计划制定、导航影像空间配准与融合等复杂的规划与计算过程。

手术导航机器人系统一般包括机器人系统、应用系统、导航系统。其中，机器人系统用于对探针等手术末端执行器进行移动并精确定位；应用系统用于对手术相关的CT影像进行三维重建、手术规划，并能够对重建出的模型和手术规划进行测量；导航系统根据设定的手术规划，实时跟踪末端执行器的路径及位置。

目前对于手术导航机器人系统的性能评价，多采用设备生产厂家提供的模体和方法，对机器人系统的移动精度、患者模型重建精度、空间配准与融合、定位跟踪效果等技术指标进行测试。段星光教授采用头颅定位框架方法，实现了对颅颌面外壳手术机器人的空间配准和定位的精度进行了测量。张维军发明了两个用于手术导航机器人系统精度测试装置，可以测量手术导航机器人系统的定位精度，验证机器人系统的手术规划路径。S.奥利芙发明了一套自动重建校准装置，用于术中患者解剖结构位置及坐标系统的跟踪。段星光教授的方法结构较复杂，需使用钛金属标记物辅助患者图像扫描及定位。张维军发明的方法结构较为简单，同时实际使用中人为因素影响较大，需要小心操作，测试的精度和重复性有待提高。S.奥利芙发明的方法只适用于X射线术中跟踪。上述几种方法，都需要使用金属靶球成像，容易产生伪影。

目前，在模体加工中，很多采用3D打印进行模体加工。3D打印属于分层叠加的增材加工工艺，具有打印速度快、一次成型的特点，可以打印机加工难以制作的立体模型。但由于3D打印使用分层成型、层层叠加的加工方法，其打印模体的尺寸精度、表面粗糙度远低于传统的机械加工，打印的模体的强度、刚度、耐疲劳性等性能也较差。

通过对3D打印材料的调查，能够进行高精度打印的材料，多为金属材料材料，这些材料不适合在CT、MR等影像设备中进行成像扫描。如果选用塑料、陶瓷、树脂、蜡等材料进行立体打印，打印的精度较低，模体受环境温度影响较大容易产生形变，3D打印模体适合于研发阶段的短期模型设计验证，不能用于影像设备的质量控制。

此外，手术导航机器人系统在应用中，对于CT验证模体有比在其它应用中更多的要求，需要具备以下特点：

1.具有确定的空间测量点，用于手术导航机器人系统的性能测量；

2.使用的材料稳定性好、透明度高的非金属材料，易于加工；

3.CT影像对比度高，影像清晰；

4.加工精度高，应用的测量选点位置稳定；

5.使用中操作方便，便于快速测量；

6.能够满足CT影像患者解剖模型重建的尺寸、畸变等精度验证；

7.具备特定的标识点、面，能够满足图像配准及融合精度验证；

8.能够实现手术导航/跟踪的位置精度、导航/跟踪预警能力的验证；

9.能够满足内窥镜影像与患者模型影像融合效果验证。

因此，为保证手术导航机器人系统性能的准确性和使用安全，本领域需要设计一种稳定性高、结构简单的CT验证模体，用于手术导航机器人系统在应用中的影像重建、图像配准、手术导航与跟踪、影像融合等精度的测量，以及对手术导航系统的手术导航/跟踪精度、预警、手术路径规划等进行验证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以方便快捷且准确的手术导航机器人系统验证方法及CT模体，提高验证效率，改善测量效果。

本发明的技术方案如下。

本发明第一方面提供了一种用于手术导航机器人系统的验证模体，包括至少一个测量模块，以及底座，其中

所述测量模块的每一个都基本呈圆柱状，其具有两个基本平行的测量端面，并且在轴向两侧各去除一定高度的部分，从而在侧面形成两个平面；

所述底座基本呈板状，所述测量模块通过固定装置固定在所述底座；

所述测量模块、所述底座及所述固定装置均由高分子有机材料制成。

优选地，所述测量模块的每个测量端面上设置有测量准直孔，所述测量准直孔的直径与所述手术导航机器人的探针的端面直径相适应。

优选地，所述测量模块的圆柱表面上刻画有多个“╳”型标记作为表面配准基点。

优选地，所述测量模块和所述可移动模块上分别加工有区域选择配准平面。

优选地，所述测量模块的每个测量端面上设置有标记孔，用于区分不同的测量端面。优选地，所述固定装置包括固定螺栓，所述固定螺栓由透明聚甲醛(POM)材料制成。

优选地，还包括可移动模块和辅助模块；

所述可移动模块和所述辅助模块能够可拆卸地组合形成与所述测量模块的截面基本相同的柱体。

优选地，所述高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

本发明第二方面提供了一种手术导航机器人系统的验证方法，包括如下步骤：

步骤1，输入根据本发明第一方面中任一项所述的验证模体的CT影像扫描数据；

步骤2，利用所述CT影像扫描数据进行影像的三维重建，利用不同测量端面的测量孔，对手术导航机器人系统的三维重建精度进行测量；

步骤3，利用所述验证模体的“╳”型标记或验证模体的区域选择配准平面作为配准基点进行影像配准；配准后，将验证模体的可移动模块移开，利用不同测量端面的测量孔，对手术导航机器人系统的配准精度与融合精度进行测量；

步骤4，选取任意多个测量端面的多个测量孔作为手术路径参考点和需要到达的手术位置点，进行手术规划与通过路径规划；手术导航机器人系统将探针移动到所述手术位置点，同时跟踪探针的路径及位置，对所述手术导航机器人的导航/跟踪的精度、导航/跟踪预警能力进行验证。

优选地，所述验证模体的CT影像扫描数据为DICOM3格式的扫描数据。

本发明第三方面提供了一种制造根据本发明第一方面中任一项所述的验证模体的方法，包括如下步骤：

构造根据本发明第一方面中任一项所述的验证模体的模型；

使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他材料加工或打印所述验证模体的测量模块和底板；

使用透明聚甲醛(POM)或其他材料加工或打印所述验证模体的固定装置；

使用所述固定装置将所述测量模块固定在所述底板上。

通过以上技术方案，本发明能够取得如下的有益技术效果。

根据本发明的CT验证模体能够用于手术导航机器人系统应用中的影像重建、图像配准、手术导航与跟踪、影像融合等精度的测量，也可对手术导航系统的手术导航/跟踪精度、预警、手术路径规划等进行验证。还可用于手术导航机器人系统的患者解剖模型重建精度、模型配准及融合精度、定位精度的验证。

本发明的CT验证模体选用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为基础材料，具有稳定性高、耐老化、透明度高、热膨胀系数低、耐酸、耐碱、耐油、易于加工等特点，原材料价格及加工价格相对较低。

附图说明

图1是根据本发明的用于手术导航机器人系统的简单验证模体结构示意图；

图2是根据本发明的另一实施例的头颈部验证模体结构示意图；

图3是图2中的头颈部验证模体的爆炸展示图。

图中各个附图标记的含义如下：

1、第一测量模块；2、第二测量模块；3、可移动模块；4、辅助模块；5、底座；A、定位孔；B、配准平面。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种用于手术导航机器人的验证模体。如附图1所示，最简单的验证模体包括至少一个测量模块，以及底座。

所述测量模块的每一个都基本呈圆柱状，其具有两个基本平行的测量端面，并且在轴向两侧各去除一定高度的部分，从而在侧面形成两个平面。

所述底座基本呈板状，所述测量模块通过固定装置固定在所述底座。

所述测量模块、所述底座及所述固定装置均由高分子有机材料制成。

在一优选的实施方式中，所述验证模体选取长度为220mm、直径为160mm的圆柱体作为模体设计的基础。为便于实际应用中的测量和模体固定，将所述圆柱体沿轴向两侧各去除10mm柱面，以便于验证模体的安装和影像定位跟踪装置的固定。

在一优选的实施方式中，所述测量模块的每个测量端面上设置有测量准直孔，所述测量准直孔的直径与所述手术导航机器人的探针的端面直径相适应。

根据手术导航机器人系统使用的探针测量参数，各个测量孔的直径均选用实际使用的探针头部尺寸。在一更为优选的实施方式中，测量孔直径1mm～3mm，可以在CT影像设备中清晰成像。

在一优选的实施方式中，所述测量模块的圆柱表面上刻画有多个X型标记作为表面配准基点。

在一优选的实施方式中，所述测量模块的圆柱表面上有多个配准平面作为区域选取配准基点。

在一优选的实施方式中，所述测量模块的每个测量端面上设置有标记孔，用于区分不同的测量端面。

虽然以上实施方式中的最简单的验证模体由一个测量模块和底座组成，然而本发明并不局限于此。本领域技术人员能够理解，每个测量模块具有两个测量端面，由此可以根据实际需要设计成多个测量模块，以增加测量端面。

设计的验证模体，需要避免使用金属材料以减少成像伪影，使用的材料全部选用高分子有机材料。

在一优选的实施方式中，验证模体的测试模块、固定销、固定底板等主体材料选用稳定性高的PMMA材料。

在一优选的实施方式中，所述固定装置包括固定螺栓，选用机械强度高、刚性大、硬度高、冲击强度高的透明聚甲醛(POM)材料制成。

设计后的模体整体重量不超过7kg，便于在各种场合使用。

实施例2

附图2-3所示的是根据本发明的一种头颈部CT验证模体实施例。该验证模体具有第一测量模块1、第二测量模块2、可移动模块3、辅助模块4和底座5，以及固定销、螺栓等。所述第一测量模块1、第二测量模块2、可移动模块3、辅助模块4和所述底座，以及所述固定销、螺栓均由高分子有机材料制成。

在第一测量模块1和第二测量模块2的两个圆柱端面，根据手术导航机器人系统探针的端面直径，选用直径为1mm～3mm、深度为5mm的标记孔作为测量准直孔，用于验证三维重建、配准与融合、导航定位等精度测量。

在第一测量模块1、第二测量模块2、可移动模块3的圆柱表面，刻画有多个“╳”型标记作为表面配准点，每个“╳”型标记的线宽度为1mm～3mm、深度为1mm～3mm、线长度10mm，适合手术导航机器人系统的探针应用。在本实施例中，该CT验证模体刻画了16个“╳”型标记，可用于各坐标系配准定位。

为了便于区分测量端面，在第一测量模块1、第二测量模块2的每个测量端面加工了直径为5mm、深度为5mm的孔，用于区分不同的测量端面。在本实施例中的2个测量模块的4个测量端面中，分别在4个端面的不同象限进行了标记。

所述可移动模块3和所述辅助模块4能够可拆卸地组合形成与所述第一测量模块1和第二测量模块2的截面基本相同的柱体。

在一优选的实施方式中，所述第一测量模块1、第二测量模块2和所述可移动模块3上分别加工有区域选取配准平面B。用于模拟区域选取配准的勾画，配准平面B的深度0.5mm～1.5mm mm，适用于手术导航机器人系统使用的探针的应用。本实例中加工了三个区域选取配准平面B。

另外，在模体的表面，刻画了用于与CT设备对齐的CT标记线，方便验证模体在CT设备诊断床的摆位。CT标记线采用直角刻画，刻画深度0.5mm，开口宽度1mm。

在验证模体的底座，加工了四个定位孔A，用于安装激光跟踪仪靶球。定位孔的直径为12.7mm～3mm，与跟踪靶球底座直径一致。

所述固定装置包括固定螺栓，所述固定螺栓由透明聚甲醛(POM)材料。

实施例3

本实施例提供了一种手术导航机器人系统的验证方法，包括如下步骤：

步骤1，输入根据实施例1或2中任一实施方式所述的验证模体的CT影像扫描数据。

其中，所述的验证模体的CT影像扫描数据可以使用已有的该验证模体的DICOM3数据，直接应用；也可以根据手术导航机器人系统的要求，或者按照预期应用单位的CT影像设备的实际参数，选择适合的CT影像设备，对验证模体进行扫描，获得验证模体的DICOM3格式的扫描数据。

步骤2，利用所述CT影像扫描数据进行影像的三维重建，同时对所述手术导航机器人的三维重建精度进行测量。

获取DICOM3数据后，进行影像的三维重建。利用应用系统的测量功能，测量重建后的测量端面测量孔的空间位置或者其他感兴趣的位置，与验证模体的实际位置数据进行比较，获得应用系统的三维重建后长度、空间位置等精度。

步骤3，配准与融合精度测量。

利用所述验证模体的“╳”型标记或区域选取配准平面作为配准基点，使用应用系统的探针选取适合的配准点后进行影像配准。配准后，将验证模体的可移动模块3移开，利用应用系统的测量功能，测量各个测量端面测量孔的空间位置，与CT验证模体的实际位置数据进行比较，获得应用系统的配准精度与融合精度数据。

步骤4，手术导航/跟踪的位置精度，以及导航/跟踪预警能力的验证。

在完成影像配准与融合之后，在导航系统中选取任意测量端面的测量孔作为需要到达的手术位置点后，进行手术规划与通过路径规划。选用适当的探针与跟踪标志物支架，将探针移动到手术位置点，利用导航系统的跟踪导航功能，跟踪探针的路径及位置，将系统跟踪数据与验证模体的实际位置数据进行比较，验证应用系统的导航/跟踪的位置精度、导航/跟踪预警能力。

在一优选的实施方式中，还可以包括对内窥镜影像与模型影像融合效果验证的步骤。

在验证模体的测量端面中，在中心区域内，加工小间隔的测量孔，用于内窥镜影像与模型影像融合效果验证。将内窥镜成像部位直接对准测量孔区域，采集融合后的影像后，测量融合后孔的位置差，可对内窥镜影像与三维重建影像的融合效果进行评价。

本领域技术人员能够理解，本发明的CT验证模体还可以用于其他应用的测量和验证。例如，利用CT验证模体，结合激光跟踪仪，可以对手术导航机器人系统进行手术应用的各种精度的测量或功能的验证。

实施例4

本实施例提供了一种制造根据本发明第一方面中任一项所述的验证模体的方法，包括如下步骤：

构造根据本发明实施例1或2中任一项所述的验证模体的模型；

使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)打印所述验证模体的测量模块和底板；

使用透明聚甲醛(POM)打印所述验证模体的固定装置；

使用所述固定装置将所述测量模块固定在所述底板上。

本领域技术人员能够理解，本实施例可以使用现有技术中任何适用的3D打印装置实现，只要打印材料及精度满足本发明要求即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种用于手术导航机器人系统的验证模体，包括至少一个测量模块，以及底座，其中

所述测量模块的每一个都基本呈圆柱状，其具有两个基本平行的测量端面，并且在轴向两侧各去除一定高度的部分，从而在侧面形成两个平面；

所述底座基本呈板状，所述测量模块通过固定装置固定在所述底座；

所述测量模块、所述底座及所述固定装置均由高分子有机材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，所述测量模块的每个测量端面上设置有测量准直孔，所述测量准直孔的直径与所述手术导航机器人的探针的端面直径相适应。

3.根据权利要求1所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，所述测量模块的圆柱表面上刻画有多个“╳”型标记作为表面配准基点。

4.根据权利要求1所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，所述测量模块的圆柱表面上有多个区域选取配准平面。

5.根据权利要求1所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，所述测量模块的每个测量端面上设置有标记孔，用于区分不同的测量端面。

6.根据权利要求1所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，所述固定装置包括固定螺栓，所述固定螺栓由透明聚甲醛(POM)材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，还包括由高分子材料制成的可移动模块和辅助模块；

所述可移动模块和所述辅助模块能够可拆卸地组合形成与所述测量模块的截面基本相同的柱体。

8.根据权利要求7所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，所述测量模块和所述可移动模块上分别加工有配准平面。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种用于手术导航机器人系统的验证模体，其特征在于，所述高分子材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

10.一种手术导航机器人系统的验证方法，包括如下步骤：

步骤1，输入根据权利要求1-9中任一项所述的验证模体的CT影像扫描数据；

步骤2，利用所述CT影像扫描数据进行影像的三维重建，利用不同测量端面的测量孔，对手术导航机器人系统的三维重建精度进行测量；

步骤3，利用所述验证模体的“╳”型标记或验证模体的区域选取配准平面作为配准基点进行影像配准；配准后，将验证模体的可移动模块移开，利用不同测量端面的测量孔，对手术导航机器人系统的配准精度与融合精度进行测量；

步骤4，选取任意多个测量端面的多个测量孔作为手术路径参考点和需要到达的手术位置点，进行手术规划与通过路径规划；手术导航机器人系统将探针移动到所述手术位置点，同时跟踪探针的路径及位置，对所述手术导航机器人的导航/跟踪的精度、导航/跟踪预警能力进行验证。

11.一种制造根据权利要求1-9中任一项所述的验证模体的方法，包括如下步骤：

构造根据权利要求1-9中任一项所述的验证模体的模型；

使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他材料加工或打印所述验证模体的测量模块和底板；

使用透明聚甲醛(POM)或其他材料加工或打印所述验证模体的固定装置；

使用所述固定装置将所述测量模块固定在所述底板上。

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