CN115969515A - 基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，包括以下步骤：获取患者术前CT影像；基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型，并在三维模型上标记三个髋骨特征点作为配准的待注册点；通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，并将得到的采集点与术前规划给出的待注册点进行配准；将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位。本发明仅通过采集患者髋骨三个点作为手术中的待注册点，不会给病人增加创伤，规避了注册过程中可能的感染风险，大大减少了操作难度与操作时间，同时也为医生节省了精力，为患者减少了麻醉时间。

Description

基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，具体为一种基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术。

背景技术

现有的机械臂辅助的全髋关节置换手术需要将患者术侧髋臼通过安装的反光阵列注册到导航相机坐标系中，具体方案为首先在术前规划通过CT影像分割重建出三维骨模型，并在骨模型臼窝表面给出3个用于确定髋臼方向的判定点，以及若干个用于点云配准的待注册点，一般为30个左右，接着术中通过带反光阵列的标定探针采集判定点与待注册点，最终计算得到变换矩阵，从而将患者髋骨注册到导航相机中。

现有方案具有以下缺点：（1）配准点过多，术中操作繁琐，学习曲线较高，需要医生多次使用后才能熟练操作；（2）整体流程耗费时间较久，增加手术成本，耗费医生精力；（3）患者术侧的切口部位暴露时间较长，容易增加患者感染风险；（4）需要使用标定探针的尖端接触患者髋臼窝骨表面的点，会穿过软组织表面，容易对患者造成伤害，且对标定探针的无菌要求较高。

发明内容:

本发明的目的在于解决上述背景技术中描述的现有技术方案的缺点，提供一种基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，仅通过采集患者髋骨三个点作为手术中的待注册点，减少了操作难度与操作时间，为医生节省了精力，同时避免在患者髋臼窝表面选点，过程快速无创。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案予以实现：基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，包括以下步骤：

获取患者术前CT影像；

基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型，并在三维模型上标记三个髋骨特征点作为配准的待注册点；

通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，并将得到的采集点与术前规划给出的待注册点进行配准；

将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位。

进一步地，所述基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型，并在三维模型上标记三个髋骨特征点作为配准的待注册点，包括：

基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型；

在三维模型上通过医学区分和特征点识别的方法标记出髋骨左右髂前上棘和耻骨联合点，作为配准的待注册点。

进一步地，所述通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，并将得到的采集点与术前规划给出的待注册点进行配准，包括：

通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，在采集时保持在患者皮肤表面，不必接触到骨骼；

将采集得到的三个采集点与术前规划给出的待注册点建立三组点对；

通过SVD分解的方法得到采集点与待注册点的配准结果。

进一步地，所述将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位，包括：

将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，机械臂在运动过程中保持末端工具的当前位置不变，只改变其姿态至规划姿态；

通过采集点与待注册点的配准结果、当前髋骨上的反光阵列数据、当前机器人台车上的反光阵列数据，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位。

本发明提供了一种基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，与现有技术相比较，具有以下技术优点：

1.仅通过采集患者髋骨左右髂前上棘和耻骨联合点三个点作为手术中的待配准点，不会给病人增加创伤，规避了注册过程中可能的感染风险；

2.相较于目前普遍的三十多个待注册点，本发明所述全髋关节置换手术大大减少了操作难度与操作时间，同时也为医生节省了精力，为患者减少了麻醉时间；

3.在机械臂按照规划方案设置的位姿进行末端工具定位时，只改变其姿态，不改变其位置，避免了因快速配准模式引入的位置误差影响到手术结果，同时保留了使用机器臂辅助定位带来的精度优势；

4.使用本发明完成的全髋关节置换手术在满足临床精度要求的同时，结果优于传统医生的人工手术结果。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术流程示意图；

图2是本发明实施例提供的髋骨三维模型上标记的三个髋骨特征点示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本文中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

图1是本发明实施例提供的基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术流程示意图。

如图1所示，本发明提供了一种基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，包括以下步骤：

S101，获取患者术前CT影像；

S102，基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型，并在三维模型上标记三个髋骨特征点作为配准的待注册点；

S103，通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，并将得到的采集点与术前规划给出的待注册点进行配准；

S104，将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位。

进一步地，S102中所述基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型，并在三维模型上标记三个髋骨特征点作为配准的待注册点，包括：

基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型；

如图2所示，在三维模型上通过医学区分和特征点识别的方法标记出髋骨左右髂前上棘和耻骨联合点，作为配准的待注册点。

进一步地，S103中所述通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，并将得到的采集点与术前规划给出的待注册点进行配准，包括：

通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，在采集时保持在患者皮肤表面，不必接触到骨骼；

将采集得到的三个采集点与术前规划给出的待注册点建立三组点对；

通过SVD分解的方法得到采集点与待注册点的配准结果。

进一步地，S104中所述将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位，包括：

将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，机械臂在运动过程中保持末端工具的当前位置不变，只改变其姿态至规划姿态；

通过采集点与待注册点的配准结果、当前髋骨上的反光阵列数据、当前机器人台车上的反光阵列数据，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位。

本发明提供了一种基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，与现有技术相比较，具有以下技术优点：

1.仅通过采集患者髋骨左右髂前上棘和耻骨联合点三个点作为手术中的待配准点，不会给病人增加创伤，规避了注册过程中可能的感染风险；

2.相较于目前普遍的三十多个待注册点，本发明所述全髋关节置换手术大大减少了操作难度与操作时间，同时也为医生节省了精力，为患者减少了麻醉时间；

3.在机械臂按照规划方案设置的位姿进行末端工具定位时，只改变其姿态，不改变其位置，避免了因快速配准模式引入的位置误差影响到手术结果，同时保留了使用机器臂辅助定位带来的精度优势；

4.使用本发明完成的全髋关节置换手术在满足临床精度要求的同时，结果优于传统医生的人工手术结果。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (4)

1.基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，其特征在于，包括以下步骤：

S101，获取患者术前CT影像；

S102，基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型，并在三维模型上标记三个髋骨特征点作为配准的待注册点；

S103，通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，并将得到的采集点与术前规划给出的待注册点进行配准；

S104，将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位。

2.根据权利要求1所述的基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，其特征在于，S102中所述基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型，并在三维模型上标记三个髋骨特征点作为配准的待注册点，包括：

基于术前CT影像进行分割重建髋骨三维模型；

在三维模型上通过医学区分和特征点识别的方法标记出髋骨左右髂前上棘和耻骨联合点，作为配准的待注册点。

3.根据权利要求1所述的基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，其特征在于，S103中所述通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，并将得到的采集点与术前规划给出的待注册点进行配准，包括：

通过带反光阵列的标定探针进行待注册点的采集，在采集时保持在患者皮肤表面，不必接触到骨骼；

将采集得到的三个采集点与术前规划给出的待注册点建立三组点对；

通过SVD分解的方法得到采集点与待注册点的配准结果。

4.根据权利要求1所述的基于快速配准的机械臂辅助全髋关节置换手术，其特征在于，S104中所述将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位，包括：

将机械臂末端工具拖放到患者髋臼窝内部，机械臂在运动过程中保持末端工具的当前位置不变，只改变其姿态至规划姿态；

通过采集点与待注册点的配准结果、当前髋骨上的反光阵列数据、当前机器人台车上的反光阵列数据，计算得到机械臂按照术前规划的方案需要移动的路径，进行术中打磨正位。

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