CN117122413A - 用于骨科手术机器人的基于oct成像的定位导航方法 - Google Patents

用于骨科手术机器人的基于oct成像的定位导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于骨科手术机器人的基于OCT成像的定位导航方法，其包括下列步骤：S1:通过OCT成像探头对待手术区域进行扫描，以采集待手术区域的OCT图像；S2:将待手术区域的OCT图像与术前医学图像进行第一配准，以获取术前规划信息；S3：通过OCT成像探头扫描手术工具机械臂或手术工具，以获取用于在成像设备机械臂与手术工具机械臂之间配准的精配准矩阵；S4:通过OCT成像探头实时扫描待手术区域，以更新待手术区域和成像设备机械臂之间的位置关系；S5：借助精配准矩阵实时更新手术工具机械臂在OCT坐标系中的实时坐标和手术工具在OCT坐标系中的实时位姿；S6：基于实时坐标和实时位姿并且依照配准的手术规划信息控制手术工具机械臂和/或手术工具进行手术操作。

Description

用于骨科手术机器人的基于OCT成像的定位导航方法
技术领域
本发明涉及一种用于骨科手术机器人的基于OCT成像的定位导航方法，该骨科手术机器人具有OCT成像设备和用于安装手术工具的手术工具机械臂以及用于安装OCT成像设备的成像设备机械臂。
背景技术
红外导航是基于探测反射小球来定位各种手术器具以及手术区域的一种定位导航技术。为了实现术中精准导航，红外定位导航系统通常需要与术中三维影像与术中CT、术前CT配准后开始执行对手术机器人进行导航，这就容易导致术中医生和患者都会暴露在大量射线中。同时，术中三维CT机器推进推出扫描等步骤也会将手术流程复杂化，并且患者的运动、呼吸或手术中其他运动也无法被及时探测，这会降低导航的精确度并影响到最终的手术效果。光学相干断层成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是光学断层扫描技术的一种，它能够提供具有微米分辨率和毫米穿透深度的实时二维或三维图像。由于其能提供深度信息、非侵入、成像快、分辨率高等优点，被广泛应用于眼科手术的术中导航。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于骨科手术机器人的基于OCT成像的定位导航方法，通过该方法能够显著降低患者在手术过程中受到的辐射量。
该技术问题通过一种用于骨科手术机器人的基于OCT成像的定位导航方法解决，该骨科手术机器人包括具有OCT成像探头的OCT成像设备、用于安装手术工具的手术工具机械臂和用于安装OCT成像设备的成像设备机械臂，根据本发明规定，所述定位导航方法包括下列步骤：
S1:通过OCT成像探头对待手术区域进行扫描，以采集待手术区域的OCT图像；
S2:将所述OCT图像与术前医学图像进行第一配准，以获取术前规划信息；
S3：通过OCT成像探头扫描手术工具机械臂或手术工具，以获取用于在成像设备机械臂与手术工具机械臂之间配准的精配准矩阵；
S4:通过OCT成像探头实时扫描待手术区域，以更新待手术区域和成像设备机械臂之间的位置关系；
S5：借助精配准矩阵实时更新手术工具机械臂在OCT坐标系中的实时坐标和手术工具在OCT坐标系中的实时位姿；
S6：基于所述实时坐标和所述实时位姿并且依照配准的手术规划信息控制手术工具机械臂和/或手术工具进行手术操作。由于根据本发明的方法免去医学成像设备对患者在术中的扫描，因此大大降低了患者受到的辐射量，更利于患者的身体健康。
在根据本发明的一种扩展方案中规定，在步骤S2中，借助该第一配准矩阵将术前医学图像中的手术规划信息转化为OCT坐标系中的手术规划信息，其中，所述第一配准矩阵根据OCT图像的三维坐标点云和医学图像的三维坐标点云算出。
在根据本发明的进一步扩展的方案中规定，在步骤S3之前，根据成像设备机械臂与手术工具机械臂之间的位置关系求取在成像设备机械臂与手术工具机械臂之间的第二配准矩阵，其中，所述第二配准矩阵由成像设备机械臂在机器人坐标系中的坐标与手术工具机械臂在机器人坐标系中的坐标算出。
在根据本发明的再进一步扩展的方案中规定，借助该第二配准矩阵，将OCT成像探头的视线区域在成像设备机械臂坐标系中的坐标转换成在手术工具机械臂坐标系中的坐标，以便将手术工具机械臂移动到所述视线区域中，其中，所述视线区域优选位于待手术区域附近的能够被OCT成像设备扫描到的区域。
在根据本发明的进一步扩展的方案中规定，获取精配准矩阵的方式是扫描设置在手术工具机械臂或手术工具上的OCT成像探头可识别的第一标记。
在根据本发明的更进一步扩展的方案中规定，在步骤S4中，通过OCT成像探头扫描设置在待手术区域上的OCT成像探头可识别的第二标记，以获得待手术区域在OCT坐标系中的实时坐标。由此，能够避免由患者或手术床的不可避免的轻微移动造成的手术规划出错。
在根据本发明的进一步扩展的方案中规定，在步骤S5中通过手术工具机械臂系统本身获得手术工具机械臂在其手术工具机械臂坐标系中的实时坐标，并且基于手术工具的尺寸和形状获得手术工具在手术工具机械臂坐标系中的实时位姿，然后借助精配准矩阵将所述实时坐标和实时位姿转换为手术工具机械臂在OCT坐标系中的实时坐标和手术工具在OCT坐标系中的实时位姿。
在根据本发明的进一步扩展的方案中规定，提供具有与OCT成像探头相同视场的影像设备，通过该影像设备识别用于标识待手术区域的能被影像设备识别的标记，以便获得待手术区域在OCT成像设备坐标系中的原始位置坐标，据此计算出在待手术区域上方正对它的成像位置，然后将成像设备机械臂移动到该成像位置。由此，能够自动地将成像设备机械臂移动到成像位置，提高了骨科手术机器人的自动化程度。
在根据本发明的进一步扩展的方案中规定，所述术前医学图像通过医学成像设备采集，在所述术前医学图像的三维模型上记载有手术规划信息。
附图说明
下面结合附图进一步阐述本发明的特点和优点，在附图中：
图1是能够实现基于OCT成像的定位导航方法的骨科手术机器人的非限制性实施例；
图2是根据本发明的用于骨科手术机器人的基于OCT成像的定位导航方法的流程图。
参考附图，其中相同的附图标记在多个视图中指代相同的部件。附图主要说明各要素，例如部件、构件之间的位置关系、连接关系、配合关系和大小关系等并不在于限定这些要素的尺寸和具体实施形式。
具体实施方式
术语“配准矩阵”根据本发明应理解为在分别两个坐标系例如A和B下的坐标进行转换的矩阵。术语“位姿”根据本发明应理解为在同一个坐标系中的两个位置和姿态。
应理解的是，本公开可采用各种替代变化和步骤顺序，除非另有明确规定。还应当理解，附图中示出的以及在以下说明书中描述的特定设备和过程仅仅是示例性而非限制性的实施例或方面。
本公开中的技术术语“骨科手术”包括但不限于椎板切除术、椎间盘切除术、椎体成形术、椎间盘切除术、锥板切除术、腰椎融合术等。对于序数词“第一”和“第二”仅表示非同一部件，并不表示对顺序的限定。
图1示出了根据本公开的用于执行基于OCT成像的定位导航方法的骨科手术机器人1的一个非限制性实施例。在本图中仅示出了与执行基于OCT成像的定位导航方法相关的主要机械部件。根据本公开的骨科手术机器人1主要包括机械臂设备2、基于OCT成像的定位导航设备(本图中仅示出其成像设备的执行部件，即OCT成像探头3)和用于控制机械臂设备2和定位导航设备运动的控制设备(未示出)，该骨科手术机器人1通常还具有用于承载机械臂设备2的台车装置(未示出)。
机械臂设备2在本公开的一个非限制性实施例中包括用于安装成像设备的成像设备机械臂21和用于安装手术工具23的至少一个手术工具机械臂22，其中，每个机械臂优选均实施为如图1所示的多轴机械臂，并且其中，成像设备包括用于基于OCT成像的定位导航的OCT成像探头3和用于为外科医生和护士提供手术区域的可视化的影像设备4，在本实施例中，OCT成像探头3和影像设备4这样地布置在成像设备机械臂21的自由端，使得它们具有相同视场，并且与未示出的控制设备通信连接，以保持影像设备在手术过程中始终处于工作位置和定向。在手术工具机械臂22的靠近手术区域的自由端可以分别可拆卸地安装有用于进行骨科手术的手术工具23，并且在成像设备机械臂21的自由端上可以固定地安装OCT成像探头3和影像设备4。该机械臂设备2还可以分别用作对应手术工具23和OCT成像探头3与影像设备4的机械驱动器。为了避免医务人员在手术过程中来回更换手术工具23并因此提高手术机器人1的自动化程度，在本实施例中机械臂设备2优选具有一个成像设备机械臂和两个手术工具机械臂22。
分别安装在手术工具机械臂22上的手术工具23既可以实施为用于手术操作的手术工具，例如骨刀、旋钉器、钻头、牵开器、骨钳、骨槌、或其他类型的手术工具，也可以实施为用于置入植入物的植入器，例如旋钉器。在本公开的非限制性实施例中，手术工具23之一可以设计为用于将第一植入物，例如第一螺钉置入体内的第一植入器，例如第一上钉器，并且另一个手术工具23可以可选择地设计为用于钻孔的钻孔工具形式的手术工具或将第二植入物，例如第二螺钉置入体内的第二植入器，例如第二上钉器。
如图1中虚线圈中所示，在手术工具23之一上可以设置用于精配准的可被OCT成像探头3识别的第一标记5。
当然，根据手术情况的复杂程度，手术工具机械臂22还可以设计为大于两个的相互协同工作的手术工具机械臂，以便更高效地完成手术。与之相反，为了降低控制设备对数据分析处理的负荷，手术工具机械臂22也可以设计为仅一个多功能手术工具机械臂，其例如在脊柱手术中既能安装用于钻孔的钻孔器也能安装用于上钉的上钉器，在这一个多功能手术工具机械臂的自由端配设有用于连接不同手术工具23的接口，区别于具有两个手术工具机械臂的手术机器人1，这种仅具有一个手术工具机械臂的骨科手术机器人1在手术作业时需要医务人员参与以便对手术工具23进行更换，因此，在仅一个手术工具机械臂的情况下，手术机器人1进行手术的自动化程度没有两个手术工具机械臂的情况高。
手术工具机械臂22根据用于骨科手术机器人1的手术规划模块和跟踪装置发出的命令定位和定向骨科手术机器人1的相应手术工具23，以自动完成骨科手术中的至少两种类型的作业功能，例如自动钻孔和自动置钉功能，手术作业功能还可以是截骨、关节置换、骨牵引、清创、置入和取出克氏针或其他手术作业功能。例如为了实现例如打孔、置钉功能，手术工具机械臂22首先根据由术前规划获得的例如用于打孔和/或置钉的轨迹，通过OCT定位导航系统实时监测与引导手术工具机械臂22的操作，从而保证精准控制手术工具机械臂22完成打孔和/或置钉工作，尤其在本公开的非限制性实施例中保证精准控制手术工具机械臂22之一的置钉和另一个手术工具机械臂22的先打孔后置钉。
控制设备能通信地与机械臂设备2和基于OCT成像的定位导航设备耦合，并且主要包括数据分析处理模块、手术规划模块和机械臂控制模块，其中，控制设备可以实施为具有计算机可读存储介质的计算机设备。
图2示出根据本发明的用于骨科手术机器人1的基于OCT成像的定位导航方法，所述定位导航方法包括下列步骤：
S1:通过OCT成像探头3对待手术区域进行扫描，以采集待手术区域的OCT图像；
S2:将所述OCT图像与术前医学图像进行第一配准，以获取术前规划信息；
S3：通过OCT成像探头3扫描手术工具机械臂22或手术工具23，以获取用于在成像设备机械臂21与手术工具机械臂22之间配准的精配准矩阵；
S4:通过OCT成像探头3实时扫描待手术区域，以更新待手术区域和成像设备机械臂21之间的位置关系；
S5：借助精配准矩阵实时更新手术工具机械臂22在OCT坐标系中的实时坐标和手术工具23在OCT坐标系中的实时位姿；
S6：基于所述实时坐标和所述实时位姿并且依照配准的手术规划信息控制手术工具机械臂22和/或手术工具23进行手术操作。由此，通过本发明的方法可以达到较高的约0.15mm的导航精度，同时可以免去医学成像设备对患者在术中的扫描，降低患者受到的辐射量，更利于患者的身体健康。
在步骤S2中可以借助第一配准矩阵将术前医学图像中的手术规划信息转化为OCT坐标系中的手术规划信息，所述第一配准矩阵可以优选地根据OCT图像的三维坐标点云和医学图像的三维坐标点云算出，其中，所述术前医学图像通过医学成像设备采集，术前负责患者的主治医师可以在所述术前医学图像的三维模型上建立手术规划信息。
在步骤S3之前，根据成像设备机械臂21与手术工具机械臂22之间的位置关系求取在成像设备机械臂21与手术工具机械臂22之间的第二配准矩阵，其中，所述第二配准矩阵由成像设备机械臂21在机器人坐标系中的坐标与手术工具机械臂22在机器人坐标系中的坐标算出，其中，借助该第二配准矩阵，将OCT成像探头3的视线区域在成像设备机械臂21坐标系中的坐标转换成在手术工具机械臂坐标系中的坐标，以便将手术工具机械臂22移动到所述视线区域中，其中，所述视线区域位于待手术区域附近的能够被OCT成像设备扫描到的区域。
在步骤S3中，获取精配准矩阵的方式是扫描设置在手术工具机械臂22或手术工具23上的OCT成像探头3可识别的第一标记5。
在步骤S4中，通过OCT成像探头3扫描设置在待手术区域上的OCT成像探头3可识别的第二标记，以获得待手术区域在OCT坐标系中的实时坐标。
在步骤S5中通过手术工具机械臂系统本身获得手术工具机械臂22在其手术工具机械臂坐标系中的实时坐标，并且基于手术工具23的尺寸和形状获得手术工具23在手术工具机械臂坐标系中的实时位姿，然后借助精配准矩阵将所述实时坐标和实时位姿转换为手术工具机械臂22在OCT坐标系中的实时坐标和手术工具23在OCT坐标系中的实时位姿。
为了减少医务人员参与骨科手术机器人手术的程度并因此增加用于实施本公开方法的骨科手术机器人1的自动化程度，尤其是让骨科手术机器人自动地，而无需医务人员将成像设备机械臂21移动到该成像位置，还可以提供具有与OCT成像探头3相同视场的影像设备4，其可以优选实施为远距离显微装置，例如相机，其可以识别手术薄膜上的用于标记手术区域的标记，例如ArUco标记，以便获得待手术区域在OCT成像设备坐标系中的原始位置坐标，基于此，骨科手术机器人自动地将成像设备机械臂21移动到在待手术区域上方正对它的成像位置。
由于待手术区域是通过OCT成像设备时追踪的，这样就能实时更新手术工具23和待手术区域的位姿关系，根据本公开的定位导航方法的配准只需要手术工具机械臂/手术工具坐标系和OCT成像设备机械臂21坐标系配准，从而可以省去术中医学成像设备坐标系到手术工具机械臂坐标系的配准，这使得配准的方式更简单，同时降低术中采用医学成像设备对手术对象的辐射。
虽然在前面的描述中提供了本公开的示例，但是本领域技术人员可以在不脱离本公开的范围和精神的情况下对这些示例进行修改和变更。例如，应该理解，本文的实施例的特征可以适用于这里描述的其他实施例。因此，描述旨在说明而非限制。公开内容由所附权利要求限定，并且落入权利要求的含义和等同范围内的对公开内容的所有改变都将包含在它们的范围内。

Claims (11)

1.一种用于骨科手术机器人的基于OCT成像的定位导航方法，该骨科手术机器人包括具有OCT成像探头的OCT成像设备、用于安装OCT成像设备的成像设备机械臂和至少一个用于安装手术工具的手术工具机械臂，其特征在于，所述定位导航方法包括下列步骤：
S1:通过OCT成像探头对待手术区域进行扫描，以采集待手术区域的OCT图像；
S2:将所述OCT图像与术前医学图像进行第一配准，以获取术前规划信息；
S3：通过OCT成像探头扫描手术工具机械臂或手术工具，以获取用于在成像设备机械臂与手术工具机械臂之间配准的精配准矩阵；
S4:通过OCT成像探头实时扫描待手术区域，以更新待手术区域和成像设备机械臂之间的位置关系；
S5：借助精配准矩阵实时更新手术工具机械臂在OCT坐标系中的实时坐标和手术工具在OCT坐标系中的实时位姿；
S6：基于所述实时坐标和所述实时位姿并且依照配准的手术规划信息控制手术工具机械臂和/或手术工具进行手术操作。
2.根据权利要求1所述的定位导航方法，其特征在于，在步骤S2中，借助该第一配准矩阵将术前医学图像中的手术规划信息转化为OCT坐标系中的手术规划信息。
3.根据权利要求2所述的定位导航方法，其特征在于，所述第一配准矩阵根据OCT图像的三维坐标点云和医学图像的三维坐标点云算出。
4.根据权利要求1或2所述的定位导航方法，其特征在于，在步骤S3之前，根据成像设备机械臂与手术工具机械臂之间的位置关系求取在成像设备机械臂与手术工具机械臂之间的第二配准矩阵。
5.根据权利要求4所述的定位导航方法，其特征在于，所述第二配准矩阵由成像设备机械臂在机器人坐标系中的坐标与手术工具机械臂在机器人坐标系中的坐标算出。
6.根据权利要求4所述的定位导航方法，其特征在于，借助该第二配准矩阵，将OCT成像探头的视线区域在成像设备机械臂坐标系中的坐标转换成在手术工具机械臂坐标系中的坐标，以便将手术工具机械臂移动到所述视线区域中。
7.根据权利要求6所述的定位导航方法，其特征在于，所述视线区域位于待手术区域附近的能够被OCT成像设备扫描到的区域。
8.根据权利要求1或2所述的定位导航方法，其特征在于，在步骤S3中，获取精配准矩阵的方式是扫描设置在手术工具机械臂或手术工具上的OCT成像探头可识别的第一标记。
9.根据权利要求1或2所述的定位导航方法，其特征在于，在步骤S4中，通过OCT成像探头扫描设置在待手术区域上的OCT成像探头可识别的第二标记，以获得待手术区域在OCT坐标系中的实时坐标。
10.根据权利要求1或2所述的定位导航方法，其特征在于，在步骤S5中通过手术工具机械臂系统本身获得手术工具机械臂在其手术工具机械臂坐标系中的实时坐标，并且基于手术工具的尺寸和形状获得手术工具在手术工具机械臂坐标系中的实时位姿，然后借助精配准矩阵将所述实时坐标和实时位姿转换为手术工具机械臂在OCT坐标系中的实时坐标和手术工具在OCT坐标系中的实时位姿。
11.根据权利要求1或2所述的定位导航方法，其特征在于，提供具有与OCT成像探头相同视场的影像设备，通过该影像设备识别用于标识待手术区域的能被影像设备识别的标记，以便获得待手术区域在OCT成像设备坐标系中的原始位置坐标，据此计算出在待手术区域上方正对它的成像位置，然后将成像设备机械臂移动到该成像位置。
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