CN115645046A - 骨科手术导航控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种骨科手术导航控制系统及方法。该系统可以包括：并联机器人；被动臂；光学跟踪系统；显示屏；控制装置用于执行以下步骤：确定目标位置，设置工作范围；根据植入物和操作对象的实时位置，手动操作被动臂，判断植入物是否移动至工作范围内，若是，则发送第一提示信号，被动臂锁定；根据植入物的当前位置与目标位置，控制并联机器人运动，带动植入物到达目标位置，发送第二提示信号；手术中，实时更新目标位置，计算植入物与目标位置的偏差，当偏差大于预定阈值时，发出第三提示信号并驱动并联机器人运动，带动植入物到达目标位置。本发明通过手动调节被动臂，控制更灵活；通过进行提示，使植入物的位置更准确。

Description

骨科手术导航控制系统及方法

技术领域

本发明涉及医疗器械控制领域，更具体地，涉及一种骨科手术导航控制系统及方法。

背景技术

随着医疗器械技术的发展，越来越多先进的医疗器械设备采用机器人进行辅助，极大地方便了医生的操作。

骨科领域中机器人的出现，能够辅助医生在病人的患病部位准确植入螺钉等植入物，有效地提高植入物植入的准确性和便利性。在具体使用时，机器人、上位机以及光学定位追踪系统配合操作，实现对植入位置的定位。机器人的机器臂前端安装有导向器，该导向器为空心筒状，在导向器移动到植入物的植入位置时，导向器的前端和末端所在直线与预设的植入物的植入位置所在的直线重合，且导向器的前端靠近患者身上的入钉位置。但是，对准时目标太小，对准不精确。

并且，医生借助于导向器，从导向器的末端植入植入物，借助于导向器的定位，植入物可以从导向器的前端打入至预设的植入位置。具体操作时，上位机侧的显示屏可以显示患者的患处的信息，医生点击上位机侧的运动按钮，上位机下发携带移动信息的移动指令给机器人，便可以控制机器人的机器臂的移动，使得导向器可以移动至入钉位置。但是，仅通过远离术区的上位机侧的运动按钮来触发机器人的移动，不便于控制手术流程，而且机动控制机器人无法在突发情况下快速改变指令。

因此，有必要开发一种骨科手术导航控制系统及方法。

公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明提出了一种骨科手术导航控制系统及方法，其能够通过手动调节被动臂，控制更灵活，在突发情况下可以快速改变；对准后对操作者进行提示，使被动臂的位置更准确；实时监测植入物与目标的相对位置，若超出范围对操作者进行提示，可以迅速调整植入物的位置。

第一方面，本公开实施例提供了一种骨科手术导航控制系统，包括：

并联机器人，所述并联机器人的前端用于夹持植入物；

被动臂，能够被手动操作，所述并联机器人连接到所述被动臂的一端；

光学跟踪系统，用于跟踪所述植入物和操作对象的位置；

显示屏，用于实时显示所述植入物和所述操作对象的位置；

控制装置，分别与所述并联机器人、所述被动臂、所述光学跟踪系统、所述显示屏电性连接，用于执行以下步骤：

确定所述植入物的目标位置；

获取所述植入物的实时位置，根据所述植入物的实时位置计算所述并联机器人当前的工作范围，判断所述目标位置是否在所述工作范围内，若是，则发送第一提示信号，所述第一提示信号提示锁定所述被动臂；

根据所述植入物的当前位置与所述目标位置，控制所述并联机器人运动，带动所述植入物到达所述目标位置，并在所述植入物到达所述目标位置后发送第二提示信号。

优选地，还包括：

当所述植入物到达所述目标位置后，所述控制装置将状态标识信息设置为动态调整状态；

当所述状态标识信息为动态调整状态时，所述光学跟踪系统实时计算所述植入物的当前位置与所述目标位置的偏差，当所述偏差大于预定阈值时，所述控制装置驱动所述并联机器人运动，以带动所述植入物到达所述目标位置。

优选地，当所述被动臂未被锁定时，所述并联机器人锁定。

优选地，所述光学跟踪系统包括：

示踪器，分别连接于所述并联机器人的前端与所述操作对象；

光学定位跟踪装置，用于实时跟踪所述示踪器的位置，并将所述示踪器的位置数据发送至所述控制装置。

优选地，通过以下步骤确定所述目标位置：

载入CT扫描的所述操作对象的骨骼图像，所述骨骼图像包括标志点位置；

确定所述标志点位置与固连于所述操作对象上的示踪器之间的相对位置；

选择所述骨骼图像的三个方向的切片，在第一切片中选择初始起点和初始终点，在第二切片中显示所述初始起点和所述初始终点的位置；

在所述第二切片中调整所述初始起点和所述初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将所述线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得所述目标位置。

优选地，通过以下步骤确定所述目标位置：

选择骨骼图像的两个术中采集的二维视图，识别标志点；

在一个二维视图中确定初始起点和初始终点，在另一个二维视图中生成分别通过所述初始起点和所述初始终点的两条直线；

在两条直线上调整所述初始起点和所述初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将所述线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得所述目标位置。

优选地，所述植入物与所述目标位置的偏差为所述目标起点和所述目标终点与所述植入物中心线之间的较大距离。

第二方面，本公开实施例提供了一种骨科手术导航控制方法，包括：

确定植入物的目标位置；

手动操作被动臂，获取所述植入物的实时位置；

根据所述植入物的实时位置计算并联机器人当前的工作范围，判断所述目标位置是否在所述工作范围内，若是，则发送第一提示信号，所述第一提示信号提示锁定所述被动臂；

根据所述植入物的当前位置与所述目标位置，控制所述并联机器人运动，带动所述植入物到达所述目标位置，并在所述植入物到达所述目标位置后发送第二提示信号。

优选地，还包括：

当所述植入物到达所述目标位置后，将状态标识信息设置为动态调整状态；

当所述状态标识信息为动态调整状态时，实时计算所述植入物的当前位置与所述目标位置的偏差，当所述偏差大于预定阈值时，驱动所述并联机器人运动，以带动所述植入物到达所述目标位置。

优选地，当所述被动臂未被锁定时，所述并联机器人锁定。

优选地，通过以下步骤确定所述目标位置：

载入CT扫描的所述操作对象的骨骼图像，所述骨骼图像包括标志点位置；

确定所述标志点位置与固连于所述操作对象上的示踪器之间的相对位置；

选择所述骨骼图像的三个方向的切片，在第一切片中选择初始起点和初始终点，在第二切片中显示所述初始起点和所述初始终点的位置；

在所述第二切片中调整所述初始起点和所述初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将所述线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得所述目标位置。

优选地，通过以下步骤确定所述目标位置：

选择骨骼图像的两个术中采集的二维视图，识别标志点；

在一个二维视图中确定初始起点和初始终点，在另一个二维视图中生成分别通过所述初始起点和所述初始终点的两条直线；

在两条直线上调整所述初始起点和所述初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将所述线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得所述目标位置。

优选地，所述植入物与所述目标位置的偏差为所述目标起点和所述目标终点与所述植入物中心线之间的较大距离。

本发明的系统具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并入本文中的附图和随后的具体实施方式中将是显而易见的，或者将在并入本文中的附图和随后的具体实施方式中进行详细陈述，这些附图和具体实施方式共同用于解释本发明的特定原理。

附图说明

通过结合附图对本发明示例性实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本发明示例性实施例中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1示出了根据本发明的一个实施例的骨科手术导航控制系统的示意图。

图2示出了根据本发明的一个实施例的骨科手术导航控制方法的步骤的流程图。

附图标记说明：

1、并联机器人；2、被动臂；3、光学跟踪系统；31、示踪器；32、光学定位跟踪装置；4、显示屏；5、控制装置。

具体实施方式

下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。

为便于理解本发明实施例的方案及其效果，以下给出两个具体应用示例。本领域技术人员应理解，该示例仅为了便于理解本发明，其任何具体细节并非意在以任何方式限制本发明。

实施例1

该骨科手术导航控制系统包括：

并联机器人，并联机器人的前端用于夹持植入物；

被动臂，能够被手动操作，并联机器人连接到被动臂的一端；

光学跟踪系统，用于跟踪植入物和操作对象的位置；

显示屏，用于实时显示植入物和操作对象的位置；

控制装置，分别与并联机器人、被动臂、光学跟踪系统、显示屏电性连接，用于执行以下步骤：

确定植入物的目标位置；

获取植入物的实时位置，根据植入物的实时位置计算并联机器人当前的工作范围，判断目标位置是否在工作范围内，若是，则发送第一提示信号，第一提示信号提示锁定被动臂；

根据植入物的当前位置与目标位置，控制并联机器人运动，带动植入物到达目标位置，并在植入物到达目标位置后发送第二提示信号。

在一个示例中，还包括：

当植入物到达目标位置后，控制装置将状态标识信息设置为动态调整状态；

当状态标识信息为动态调整状态时，光学跟踪系统实时计算植入物的当前位置与目标位置的偏差，当偏差大于预定阈值时，控制装置驱动并联机器人运动，以带动植入物到达目标位置。

在一个示例中，当被动臂未被锁定时，并联机器人锁定。

在一个示例中，光学跟踪系统包括：

示踪器，分别连接于并联机器人的前端与操作对象；

光学定位跟踪装置，用于实时跟踪示踪器的位置，并将示踪器的位置数据发送至控制装置。

在一个示例中，通过以下步骤确定目标位置：

载入CT扫描的操作对象的骨骼图像，骨骼图像包括标志点位置；

确定标志点位置与固连于操作对象上的示踪器之间的相对位置；

选择骨骼图像的三个方向的切片，在第一切片中选择初始起点和初始终点，在第二切片中显示初始起点和初始终点的位置；

在第二切片中调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置。

在一个示例中，通过以下步骤确定目标位置：

选择骨骼图像的两个术中采集的二维视图，识别标志点；

在一个二维视图中确定初始起点和初始终点，在另一个二维视图中生成分别通过初始起点和初始终点的两条直线；

在两条直线上调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置。

在一个示例中，植入物与目标位置的偏差为目标起点和目标终点与植入物中心线之间的较大距离。

图1示出了根据本发明的一个实施例的骨科手术导航控制系统的示意图。

具体地，该骨科手术导航控制系统包括：

并联机器人1，并联机器人1的前端夹持植入物。

被动臂2，并联机器人1连接到被动臂2的一端；被动臂2包括：上臂和前臂；第一关节结构，上臂和前臂通过第一关节结构铰接在一起；第二关节结构，设置在上臂和/或前臂的端部；第一驱动机构，设置在上臂内；第二驱动机构，设置在前臂内；其中，并联机器人与被动臂的前臂端部连接。其中，第一关节结构包括第一力放装置和第一锁紧件，第二关节结构包括第二力放装置和第二锁紧件，第一驱动机构和第二驱动机构，通过第一力放装置和/或第二力放装置向第一锁紧件和/或第二锁紧件施加作用力。

光学跟踪系统3，用于跟踪植入物和操作对象的位置；光学跟踪系统3包括：

示踪器31包括支架和多个光学指示点，光学指示点设置在支架上。示踪器31分别通过支架将光学指示点设置在并联机器人1的前端与操作对象上。

光学定位跟踪装置32，用于实时跟踪光学指示点的空间位置，并将空间位置数据发送至控制装置5。

显示屏4，实时显示植入物和操作对象的位置。

控制装置5，分别与并联机器人1、被动臂2、光学跟踪系统3、显示屏4电性连接，用于执行以下步骤：

以以下两种方法均可以规划植入物的目标位置：

第一种：载入CT扫描操作对象的的骨骼图像，骨骼图像包括标志点位置；确定标志点位置与固连于骨骼上的示踪器之间的相对位置；选择骨骼图像的三个方向的切片，在第一切片中选择初始起点和初始终点，在第二切片中显示初始起点和初始终点的位置；在第二切片中调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置；

第二种：选择骨骼图像的两个术中采集的二维视图，识别标志点；在一个二维视图中确定初始起点和初始终点，在另一个二维视图中生成分别通过初始起点和初始终点的两条直线；在两条直线上调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置。

手动操作被动臂2，获取植入物的实时位置，操作过程中，控制装置5实时更新植入物和目标位置，并显示于显示屏4上，使操作者可以了解到操作进度。根据植入物的实时位置计算并联机器人1当前的工作范围，判断目标位置是否在工作范围内，若是，则发送第一提示信号，第一提示信号提示锁定被动臂2；当被动臂2未被锁定时，并联机器人1锁定。

被动臂2锁定后，进行植入物的位置的微调。根据植入物的当前位置与目标位置，控制并联机器人1运动，带动植入物到达目标位置，并在植入物到达目标位置后发送第二提示信号，微调结束。

当植入物到达目标位置后，控制装置5将状态标识信息设置为动态调整状态；当状态标识信息为动态调整状态时，以植入物与目标位置的偏差为目标起点和目标终点与植入物中心线之间的较大距离为植入物与目标位置的偏差，实时计算偏差，当偏差大于预定阈值时，驱动并联机器人1运动，以带动植入物到达目标位置。

实施例2

图2示出了根据本发明的一个实施例的骨科手术导航控制方法的步骤的流程图。

如图2所示，该骨科手术导航控制方法包括：

步骤101，确定植入物的目标位置；

步骤102，手动操作被动臂，获取植入物的实时位置；

步骤103，根据植入物的实时位置计算并联机器人当前的工作范围，判断目标位置是否在工作范围内，若是，则发送第一提示信号，第一提示信号提示锁定被动臂；

步骤104，根据植入物的当前位置与目标位置，控制并联机器人运动，带动植入物到达目标位置，并在植入物到达目标位置后发送第二提示信号。

在一个示例中，还包括：

当植入物到达目标位置后，将状态标识信息设置为动态调整状态；

当状态标识信息为动态调整状态时，实时计算植入物的当前位置与目标位置的偏差，当偏差大于预定阈值时，驱动并联机器人运动，以带动植入物到达目标位置。

在一个示例中，当被动臂未被锁定时，并联机器人锁定。

在一个示例中，通过以下步骤确定目标位置：

载入CT扫描的操作对象的骨骼图像，骨骼图像包括标志点位置；

确定标志点位置与固连于操作对象上的示踪器之间的相对位置；

选择骨骼图像的三个方向的切片，在第一切片中选择初始起点和初始终点，在第二切片中显示初始起点和初始终点的位置；

在第二切片中调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置。

在一个示例中，通过以下步骤确定目标位置：

选择骨骼图像的两个术中采集的二维视图，识别标志点；

在一个二维视图中确定初始起点和初始终点，在另一个二维视图中生成分别通过初始起点和初始终点的两条直线；

在两条直线上调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置。

在一个示例中，植入物与目标位置的偏差为目标起点和目标终点与植入物中心线之间的较大距离。

具体地，以以下两种方法规划植入物的目标位置：

第一种：载入CT扫描操作对象的的骨骼图像，骨骼图像包括标志点位置；确定标志点位置与固连于骨骼上的示踪器之间的相对位置；选择骨骼图像的三个方向的切片，在第一切片中选择初始起点和初始终点，在第二切片中显示初始起点和初始终点的位置；在第二切片中调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置；

第二种：选择骨骼图像的两个术中采集的二维视图，识别标志点；在一个二维视图中确定初始起点和初始终点，在另一个二维视图中生成分别通过初始起点和初始终点的两条直线；在两条直线上调整初始起点和初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得目标位置。

手动操作被动臂，获取植入物的实时位置，操作过程中，实时更新植入物和目标位置，并显示于显示屏上，使操作者可以了解到操作进度。根据植入物的实时位置计算并联机器人当前的工作范围，判断目标位置是否在工作范围内，若是，则发送第一提示信号，第一提示信号提示锁定被动臂；当被动臂未被锁定时，并联机器人锁定。

被动臂锁定后，进行植入物的位置的微调。根据植入物的当前位置与目标位置，控制并联机器人运动，带动植入物到达目标位置，并在植入物到达目标位置后发送第二提示信号，微调结束。

当植入物到达目标位置后，将状态标识信息设置为动态调整状态；当状态标识信息为动态调整状态时，以植入物与目标位置的偏差为目标起点和目标终点与植入物中心线之间的较大距离为植入物与目标位置的偏差，实时计算偏差，当偏差大于预定阈值时，驱动并联机器人运动，以带动植入物到达目标位置。

本发明通过手动调节被动臂，控制更灵活，在突发情况下可以快速改变；对准后对操作者进行提示，使被动臂的位置更准确；实时监测植入物与目标的相对位置，若超出范围对操作者进行提示，可以迅速调整植入物的位置。

本领域技术人员应理解，上面对本发明的实施例的描述的目的仅为了示例性地说明本发明的实施例的有益效果，并不意在将本发明的实施例限制于所给出的任何示例。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种骨科手术导航控制系统，其特征在于，包括：

并联机器人，所述并联机器人的前端用于夹持植入物；

被动臂，能够被手动操作，所述并联机器人连接到所述被动臂的一端；

光学跟踪系统，用于跟踪所述植入物和操作对象的位置；

显示屏，用于实时显示所述植入物和所述操作对象的位置；

控制装置，分别与所述并联机器人、所述被动臂、所述光学跟踪系统、所述显示屏电性连接，用于执行以下步骤：

确定所述植入物的目标位置；

获取所述植入物的实时位置，根据所述植入物的实时位置计算所述并联机器人当前的工作范围，判断所述目标位置是否在所述工作范围内，若是，则发送第一提示信号，所述第一提示信号提示锁定所述被动臂；

根据所述植入物的当前位置与所述目标位置，控制所述并联机器人运动，带动所述植入物到达所述目标位置，并在所述植入物到达所述目标位置后发送第二提示信号。

2.根据权利要求1所述的骨科手术导航控制系统，其中，还包括：

当所述植入物到达所述目标位置后，所述控制装置将状态标识信息设置为动态调整状态；

当所述状态标识信息为动态调整状态时，所述光学跟踪系统实时计算所述植入物的当前位置与所述目标位置的偏差，当所述偏差大于预定阈值时，所述控制装置驱动所述并联机器人运动，以带动所述植入物到达所述目标位置。

3.根据权利要求1所述的骨科手术导航控制系统，其中，当所述被动臂未被锁定时，所述并联机器人锁定。

4.根据权利要求1所述的骨科手术导航控制系统，其中，所述光学跟踪系统包括：

示踪器，分别连接于所述并联机器人的前端与所述操作对象；

光学定位跟踪装置，用于实时跟踪所述示踪器的位置，并将所述示踪器的位置数据发送至所述控制装置。

5.根据权利要求4所述的骨科手术导航控制系统，其中，通过以下步骤确定所述目标位置：

载入CT扫描的所述操作对象的骨骼图像，所述骨骼图像包括标志点位置；

确定所述标志点位置与固连于所述操作对象上的示踪器之间的相对位置；

选择所述骨骼图像的三个方向的切片，在第一切片中选择初始起点和初始终点，在第二切片中显示所述初始起点和所述初始终点的位置；

在所述第二切片中调整所述初始起点和所述初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将所述线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得所述目标位置。

6.根据权利要求1所述的骨科手术导航控制系统，其中，通过以下步骤确定所述目标位置：

选择骨骼图像的两个术中采集的二维视图，识别标志点；

在一个二维视图中确定初始起点和初始终点，在另一个二维视图中生成分别通过所述初始起点和所述初始终点的两条直线；

在两条直线上调整所述初始起点和所述初始终点的位置，获得目标起点和目标终点；

建立以目标起点和目标终点为端点的线段，将所述线段的坐标从显示坐标系转换至物理坐标系，获得所述目标位置。

7.根据权利要求5或6所述的骨科手术导航控制系统，其中，所述植入物与所述目标位置的偏差为所述目标起点和所述目标终点与所述植入物中心线之间的较大距离。

8.一种骨科手术导航控制方法，利用权利要求1-7中任意一项所述的骨科手术导航控制系统，其特征在于，包括：

确定植入物的目标位置；

手动操作被动臂，获取所述植入物的实时位置；

根据所述植入物的实时位置计算并联机器人当前的工作范围，判断所述目标位置是否在所述工作范围内，若是，则发送第一提示信号，所述第一提示信号提示锁定所述被动臂；

根据所述植入物的当前位置与所述目标位置，控制所述并联机器人运动，带动所述植入物到达所述目标位置，并在所述植入物到达所述目标位置后发送第二提示信号。

9.根据权利要求8所述的骨科手术导航控制方法，其中，还包括：

当所述植入物到达所述目标位置后，将状态标识信息设置为动态调整状态；

当所述状态标识信息为动态调整状态时，实时计算所述植入物的当前位置与所述目标位置的偏差，当所述偏差大于预定阈值时，驱动所述并联机器人运动，以带动所述植入物到达所述目标位置。

10.根据权利要求8所述的骨科手术导航控制方法，其中，当所述被动臂未被锁定时，所述并联机器人锁定。

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