CN117679173A - 机器人辅助导航脊柱手术系统及手术设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例适用于医疗技术领域，提供了一种机器人辅助导航脊柱手术系统及手术设备，所述手术系统包括：扫描单元，用于对病人的脊柱进行CT扫描，获得脊柱的CT影像数据；分割单元，用于对CT影像数据进行分割，得到各个节段的骨块影像数据；控制单元，用于控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接；校正单元，用于获取刚性连接校正杆后的校正小球块的真实位置以及校正小球块在骨块影像数据中的影像位置，并根据真实位置和影像位置对待手术的节段进行骨块校正，获得待手术的节段的真实骨块位置；导航单元，用于根据待手术的节段的真实骨块位置辅助进行脊柱手术。应用上述手术系统进行脊柱手术，可以提高手术效率和安全性。

Description

机器人辅助导航脊柱手术系统及手术设备

技术领域

本申请实施例属于医疗技术领域，特别是涉及一种机器人辅助导航脊柱手术系统及手术设备。

背景技术

机器人辅助导航脊柱手术是一种利用先进的机器人技术和导航系统来辅助医生进行的脊柱外科手术，包括椎弓根螺钉置入、椎板切除、椎间孔减压等类型的手术。机器人辅助导航脊柱手术结合了机械臂的精确性和导航系统的实时定位，可以提供更精确、安全和有效的手术过程。

在现有的机器人辅助导航脊柱手术过程中，常见的导航方案包括四种，即2D图像标定导航、2D/3D配准导航、3D/3D配准导航以及点配准导航。但是，这四种导航方案各有缺点，难以应用于各种类型的脊柱外科手术中。例如，2D图像标定导航不能完整显示脊柱部位，2D/3D配准导航在配准环节需要耗费大量时间，3D/3D配准导航容易因为影像数据中的参照物丢失造成严重的医疗事故，点配准导航需要大面积暴露脊柱骨面，等等。此外，现有技术在临床应用过程中无法适用于多节段脊柱手术，限制了机器人辅助导航的应用。因此，亟需研发一种能够解决现有机器人辅助导航脊柱手术中存在的各种问题的新的辅助导航脊柱手术技术。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种机器人辅助导航脊柱手术系统及手术设备，用以解决现有技术中常见的各种导航方案中存在的一些问题，提高计算机辅助导航脊柱手术的效率和安全性。

本申请实施例的第一方面提供了一种机器人辅助导航脊柱手术系统，包括：

扫描单元，用于对病人的脊柱进行CT扫描，获得所述脊柱的CT影像数据，所述脊柱包括多个节段；

分割单元，用于对所述CT影像数据进行分割，得到所述节段的骨块影像数据；

控制单元，用于控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接；

校正单元，用于获取刚性连接所述校正杆后的所述校正小球块的真实位置以及所述校正小球块在所述骨块影像数据中的影像位置，并根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，获得待手术的所述节段的真实骨块位置；

导航单元，用于根据待手术的所述节段的所述真实骨块位置辅助进行脊柱手术。

可选地，所述校正小球块中包括至少4个小球，所述至少4中小球中存在3个小球不共线，任一小球的半径大于1毫米且小于5毫米。

可选地，在开放性手术中，所述校正小球块固定于待手术的所述节段上；在微创手术中，所述校正小球块固定于微创切口处。

可选地，还包括：

配准单元，用于在获得所述脊柱的CT影像数据后，基于所述CT影像数据进行配准，所述配准包括3D/3D配准。

可选地，所述校正单元具体用于：

获取所述校正小球块的所述真实位置；

在校正块配对库中搜索所述校正小球块的所述影像位置；

根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正。

可选地，所述校正单元还用于：

若在所述校正块配对库中未搜索到所述校正小球块的所述影像位置，则获取配准结果，并基于所述配准结果确定所述校正小球块的所述影像位置。

可选地，所述基于所述配准结果确定所述校正小球块的所述影像位置，包括：

根据所述配准结果确定小球搜索范围，并在所述小球搜索范围中搜索得到候选小球；

基于所述候选小球确定所述校正小球块的所述影像位置。

可选地，所述根据所述配准结果确定小球搜索范围，包括：

若所述配准结果为配准成功，则根据所述校正杆当前所处的位置和配准矩阵自动生成所述小球搜索范围；

若所述配准结果为配准失败，则获取用户在所述CT影像数据中选定的所述小球搜索范围。

可选地，所述分割单元还用于：

将每个所述节段的所述骨块影像数据转换为点云数据，并根据所述点云数据为每个所述节段构建KD树。

可选地，所述在所述小球搜索范围中搜索得到候选小球，包括：

根据所述小球搜索范围，在构建出的所述KD树中进行随机抽样一致性搜索，得到所述候选小球。

可选地，所述根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，包括：

对所述真实位置和所述影像位置进行刚性变换，得到校正矩阵；

基于所述校正矩阵对待手术的所述节段进行骨块校正。

本申请实施例的第二方面提供了一种机器人辅助导航脊柱手术方法，包括：

对病人的脊柱进行CT扫描，获得所述脊柱的CT影像数据，所述脊柱包括多个节段；

对所述CT影像数据进行分割，得到所述节段的骨块影像数据；

控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接；

获取刚性连接所述校正杆后的所述校正小球块的真实位置以及所述校正小球块在所述骨块影像数据中的影像位置；

根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，获得待手术的所述节段的真实骨块位置；

根据待手术的所述节段的所述真实骨块位置辅助进行脊柱手术。

本申请实施例的第三方面提供了一种机器人辅助导航脊柱手术设备，应用所述机器人辅助导航脊柱手术设备实现如上述第二方面所述的方法。

本申请实施例的第四方面提供了一种机器人辅助导航脊柱手术设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第二方面所述的方法。

本申请实施例的第五方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第二方面所述的方法。

本申请实施例的第六方面提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行如上述第二方面所述的方法。

与现有技术相比，本申请实施例具有以下有益效果：

应用本申请实施例提供的手术系统进行机器人辅助导航脊柱手术，可以提高CT影像与病人配准的精度，解决因配准失败、放射成像丢失参照物、脊柱多节段手术需要重新放射等问题，减少病人和医生受到的辐射，解决由于医生和护士无意碰到病人示踪器容易导致严重后果以及手术过程中骨块活动和偏移的问题，大大降低导航风险，增加手术安全性和影像的真实性。由于应用本方法无需在病人身上安装示踪器，也可以减少病人因安装示踪器带来的不必要的创伤；并且，本方法可以临床应用于全脊柱手术，如腰椎、胸椎、颈椎等各种类型的脊柱手术均可以使用本方法辅助进行导航，增加了脊柱外科手术的适应症种类。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种机器人辅助导航脊柱手术系统的示意图；

图2是本申请实施例提供的一种校正小球块的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种机器人辅助导航脊柱手术方法的示意图；

图4是本申请实施例提供的一种机器人辅助导航脊柱手术过程的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种手术设备的示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

如前所述，现有的计算机辅助导航脊柱手术主要采用四种导航方案，即：

方案1：2D图像标定导航(术中X光图像)；

方案2：2D/3D配准导航(术中X光图像、术前CT影像)；

方案3：3D/3D配准导航(术中CT影像)；

方案4：点配准导航(术前CT影像)。

其中，方案1中的计算机辅助导航主要使用术中X光图像。由于X光图像的2D性质，手术过程中无法完整地显示病人的脊柱部位。因此，方案1在业界并不常被使用。

同样地，方案4在业界也不常被使用。方案4在进行点配准时，需要大面积地暴露脊柱骨面，这就意味着手术过程中需要在病人背部切开一个很大的切口。当切口增大后，不仅增加了手术感染的风险，而且医生在面对有着较大切口的手术部位时，完全可以凭借肉眼和个人经验完成手术，此种情况下使用机器人辅助导航反而增加了手术时长。

方案2是一种常见的导航方案，使用术中X光图像和术前电子计算机断层扫描(computed tomography，CT)影像辅助导航。由于2D/3D配准需要耗费大量的时间，方案2的使用状况也欠佳。

方案3是目前业界主要采用的导航方案，使用术前CT影像辅助进行导航。方案3能够解决前述方案2和方案4中存在的问题，不需要大面积暴露病人的脊柱部位，可以使用微创的方式进行手术，减少手术过程对病人带来的创伤；也不需要耗费大量时间进行2D/3D配准，可以使用实时的3D/3D配准结果辅助进行手术导航。方案3的辅助导航过程可以概况为术前准备、术中影像、术中配准以及术中导航等四个部分。方案3虽然能够解决其他集中导航方案存在的问题，但方案3仍有一些影响手术过程的缺点。例如：

1)在3D/3D配准时需要使用特殊的参考物，例如特殊排列的小球装置。由于小球装置与病人脊柱并非刚性连接的，所以在手术过程中需要把小球装置紧贴病人的背部以减少配准误差。并且，这个配准误差还会随着小球装置与脊柱的距离增加而增大。

2)在实际的手术过程中利用特殊排列的小球装置进行3D/3D配准时，容易发生配准失败或者在放射成像时丢失小球的问题。一旦发生这类问题，就需要耗费大量的时间去重新进行配准、调整放射设备、传输数据的工作。这种情况下，病人也会受到多次额外的辐射。

3)在机器人辅助导航脊柱手术时，需要将病人示踪器固定在靠近脊柱手术节段的位置，并且在手术全程中任何人都不能触碰或碰撞该示踪器。通常，病人示踪器本身的体积比较大，在术中医生和护士可能无意地碰撞到病人示踪器。这类不经意的行为可能引发严重的后果，轻则导致术中配准失败，重则导致术中导航时脊柱的真实位置发生变化，此时如果使用探针验证发现CT影像失去有效性，医生可以决策是否重新对病人脊柱进行放射或者转成传统手术。但如果医生并未发现CT影像失去有效性，那将有可能导致严重的医疗事故。

4)在实际手术过程中，不管是对其中一个骨块进行椎弓根置钉还是椎板切除等操作，都会大大影响骨块与骨块之间的位置，使得CT影像中的脊柱失去了真实性和可靠性。在骨科手术中，脊柱外科手术往往是最危险的手术之一。人体脊柱附近有大量的神经组织，CT影像的误差可能会对病人产生无可挽回的后果。为了解决骨块偏移的问题，通常需要对病人再进行一次术中放射，利用新的CT影像数据继续进行手术。但重新放射将会大幅度地增加宝贵的术中时间，病人暴露于辐射中的时间增加，也会导致医生和病人受到更多的辐射等问题。

5)手术过程中，病人的呼吸也会使得脊柱骨块活动，也会导致CT影像数据失去真实性和可靠性。

6)人体脊柱分为腰椎、胸椎和颈椎。按照手术难度分类：颈椎的椎弓根细，置钉难度大；胸椎受到呼吸的影响最大，随着病人的呼吸，胸椎段骨块之间会持续活动，置钉难度较大；腰椎的椎弓根粗，且受到呼吸的影响最小，因此置钉难度相对较小。受此影响，在实际手术中医生通常只在腰椎手术中应用机器人辅助导航技术，胸椎手术中应用机器人辅助导航技术的普遍较少，颈椎手术则更少。现有的机器人辅助导航脊柱手术技术中，并不能彻底解决这些问题。

7)现有的机器人辅助导航脊柱手术技术不适用于脊柱多节段手术。通常，术中的三维成像设备一般只能拍到脊柱的4个节段，病人示踪器需要固定在离这4个节段靠近的地方。如果病人示踪器距离手术的脊柱节段越远则误差会越大。在多节段脊柱手术中，如果使用机器人辅助导航需要在每完成一个节段的手术后重新固定病人示踪器、重新准备放射设备、重新传输数据，这会浪费非常多的时间。因此，在脊柱多节段手术中通常较少使用机器人辅助导航。由于脊柱外科手术的种类非常多且非常复杂，大部分都需要进行多节段的手术，一旦机器人辅助导航技术只局限地应用于少数节段的手术中，就意味着利用机器人辅助导航能完成的脊柱适应症也相对较少。

针对上述问题，本申请实施例提供了一种机器人辅助导航脊柱手术系统和手术设备，可以减少3D/3D配准误差；解决配准失败以及放射中丢失参照物影像而需重新对脊柱进行放射的问题，减少病人受到的额外辐射；还可以保证手术过程中脊柱CT影像的有效性，不会因为手术操作或病人呼吸等影响使得CT影像数据丢失有效性。并且，本申请实施例提供的机器人辅助导航脊柱手术系统和手术设备，可应用于全脊柱节段手术中，例如颈椎手术、胸椎手术和腰椎手术均可以使用本申请实施例提供的手术系统和手术设备，满足脊柱外科手术的多节段要求，扩大了机器人辅助导航脊柱手术的适应症种类。

下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。

参照图1，示出了本申请实施例提供的一种机器人辅助导航脊柱手术系统的示意图，具体可以包括：

扫描单元101，用于对病人的脊柱进行CT扫描，获得脊柱的CT影像数据。

配准单元102，用于在获得脊柱的CT影像数据后，基于CT影像数据进行配准。

分割单元103，用于对CT影像数据进行分割，得到脊柱节段的骨块影像数据。

控制单元104，用于控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接。

校正单元105，用于获取刚性连接校正杆后的校正小球块的真实位置以及校正小球块在骨块影像数据中的影像位置，并根据真实位置和影像位置对待手术的节段进行骨块校正，获得待手术的节段的真实骨块位置。

导航单元106，用于根据待手术的节段的真实骨块位置辅助进行脊柱手术。

本申请实施例提供的机器人辅助导航脊柱手术系统使用术中CT影像数据辅助进行导航，因此扫描单元101对病人脊柱进行扫描得到脊柱的CT影像数据属于术中影像阶段。也即，在完成术前准备后，利用扫描单元101对病人脊柱进行CT扫描。

现有技术中的术前准备阶段，需要在病人需要做手术的节段附近安装病人示踪器。如果是开放性手术，例如在病人背部切开大切口，直接显露病人的脊柱骨面的手术中，病人示踪器可以通过克氏针固定或夹持固定的方式安装在靠近需要手术的脊柱节段上。如果是微创手术，则需要在病人背部的小切口处安装病人示踪器，不作大的开放切口。现有技术中的这种安装方式的局限性很多，如果在术中被医护人员无意碰撞到了，可能会导致严重的后果。并且，这种安装病人示踪器的方式不适用于多节段的脊柱手术。在进行多节段手术时，需要重新固定病人示踪器、重新放射、重新传输影像数据、重新配准、重新进行术中规划等等。

应用本申请实施例提供的手术系统辅助进行脊柱手术过程中，不需要在病人身上安装示踪器，只需将病人示踪器固定在手术台或在导航仪视野范围内即可，医护人员无意的碰撞示踪器也不会影响正常的手术流程，无需重新安装即可进行多节段的脊柱手术。在术前准备阶段中，需要在手术位置处安装校正小球块。校正小球块需要安装在每一个需要手术的脊柱节段上，校正小球块可以通过克氏针、短膨胀钉、夹持的方式进行固定。在开放性手术中，校正小球块可以直接固定于待手术的节段上；在微创手术中，则需要将校正小球块固定于微创切口处。

本申请实施例中使用的校正小球块可以包括至少4个小球，即校正小球块可以包括4个小球或超过4个小球。在小球之间的排列结构上，至少4中小球中应当存在3个小球不共线的情况，以便在后续处理环节可以通过结构识别对各个小球进行排序。如图2所示，是本申请实施例提供的一种校正小球块的示意图，图2中示出的校正小球块共包括5个小球，即图2中的小球201-205。这5个小球中至少存在小球203-205是不共线的。

由于校正小球块是应用于脊柱手术的，脊柱上各个节段的骨块之间的空隙较小，通常约为50毫米，因此小球块的体积也应当较小，避免由于小球块体积过大影响正常的手术流程。示例性地，校正小球块的整体体积可以是30-60立方毫米(mm³)。另一方面，由于小球需在放射设备上能够成像，因此小球的半径也不能太小。本申请实施例使用的校正小球块中的小球的半径可以介于1毫米(mm)与5毫米之间，即可以使用半径大于1毫米且小于5毫米的小球。

如图2所示，校正小球块上方可以包括一凹槽206，方便校正小球块与校正杆唯一连接和刚性连接，校正小球块下方可以连接夹子或克氏针固定，从而将校正小球块固定于椎骨棘突上。

完成术前准备后，便可以进入术中影像阶段，也即利用图1中的扫描单元101对病人的脊柱进行扫描，得到脊柱CT影像数据。

在现有技术中，经常会因为CT影像数据中配准参考物丢失、示踪器被触碰或碰撞，需要对病人进行额外的放射。这样的处理方式不适用于多节段的脊柱手术。例如，在对四个脊柱节段进行手术后，脊柱整体的形态可能已经发生改变，脊柱各个节段的骨块之间的位置也发生了变化和偏移，现有技术中使用的导航方案无法对这种偏移进行校正，因此需要在对四个节段做完手术操作后，再重新拆卸和安装病人示踪器，重新对接下来将要手术的节段进行放射和数据传输等操作，浪费了大量的时间。

应用本申请实施例提供的手术系统进行脊柱手术，不管需要做手术的节段有多少个，都可以一次性地放射完。通常来说，机器人辅助导航脊柱手术最多只能对四个节段进行手术，也就是需要做一个CT。应用本申请实施例提供的手术系统，在面对八个节段的脊柱手术时可以一次性做两个CT，得到八个节段的CT影像数据。对于两个CT得到的八个节段的CT影像数据，可以在后续的术中导航节段通过骨块校正对各个节段的骨块位置进行校正。因此，本申请实施例中的手术系统可以适用于多节段的脊柱手术。

在获得病人脊柱的CT影像数据后，可以利用图1中的配准单元102进行术中配准。本申请实施例采用的配准可以是3D/3D配准。

在现有技术中，3D/3D配准的导航方案主要采用具有特殊排列的参考物，例如特殊排列的金属小球装置，通过将金属小球装置紧贴在病人背部再进行放射，可以减少配准带来的误差。在传输数据结束后，对CT影像数据进行处理，搜索影像数据中的小球，然后再进行3D/3D配准。如果在放射后发现CT影像数据中丢失了小球，则需要对病人进行再次的放射，直到在CT影像数据中获得完整的小球。

在本申请实施例中，也可以使用3D/3D配准，但这不是必需的。本申请实施例中的3D/3D配准是为后续的骨块校正做基础。如果配准成功，则在后续的骨块校正时可以根据3D/3D配准的配准矩阵，在将校正小球块与校正杆刚性连接后自动生成小球搜索范围；如果3D/3D配准失败，后续也可以通过手动快速选择小球搜索范围。因此，应用本申请实施例提供的手术系统，在配准时，如果CT影像数据中丢失了小球或者配准失败也不会对整个手术过程带来大的影响。

在配准完成后，可以利用图1中的分割单元103对CT影像数据进行分割，得到脊柱各个节段的骨块影像数据。

在本申请实施例中，分割单元103可以以UNet模型为基础构建神经网络，对病人脊柱的CT影像数据进行自动分割，从而把连续的椎骨分割成单个骨块，便于对每个骨块上的小球进行识别。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，分割单元103还可以用于将每个节段的骨块影像数据转换为点云数据，并根据点云数据为每个节段的骨块构建KD树。通过构建KD树，可以为后续搜索小球作准备。

在本申请实施例中，骨块校正是最重要的一个环节。通过术前准备、术中影像、术中配准和脊柱CT分割等环节的处理，骨块校正所需的前置工作均已完成。在进行骨块校正时，需要将校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，可以利用图1中的控制单元104，控制校正杆与校正小球块刚性连接。或者，也可以由医护人员手动操作，将校正杆与校正小球块刚性连接。

在将校正杆与校正小球块刚性连接后，校正单元105可以获取刚性连接校正杆后的校正小球块的真实位置以及校正小球块在骨块影像数据中的影像位置，并根据真实位置和影像位置对待手术的节段进行骨块校正，获得待手术的节段的真实骨块位置。

在本申请实施例中，校正小球块的真实位置可以通过导航系统获得，校正小球块的影像位置可以通过在校正块配对库中搜索得到。

在本申请实施例中，校正块配对库中可能存在校正小球块的影像位置与真实位置的配对记录，也可能不存在这样的配对记录。如果校正块配对库中存在这样的配对记录，则校正单元105可以直接从校正块配对库张获得校正小球块的影像位置。如果校正块配对库中不存在这样的配对记录，也即是校正单元105无法在校正块配对库中搜索到校正小球块的影像位置，则校正单元105可以获取配准结果，并基于配准结果确定校正小球块的影像位置。

具体地，校正单元105可以根据配准结果确定小球搜索范围，并在小球搜索范围中搜索得到候选小球，并基于候选小球确定校正小球块的影像位置。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，校正单元105在根据配准结果确定小球搜索范围时，如果配准结果为配准成功，则校正单元105可以根据校正杆当前所处的位置和配准矩阵自动生成小球搜索范围；如果配准结果为配准失败，则校正单元105可以通过获取用户在CT影像数据中选定的小球搜索范围来确定搜索范围。

这样，校正单元105可以根据确定的小球搜索范围，在构建出的KD树中进行随机抽样一致性(random sample consensus，RANSAC)搜索，得到候选小球。在此基础上，校正单元105可以对候选小球进行排序分析，从而确定校正小球块在CT影像数据中的位置。上述确定的校正小球块在CT影像数据中的位置可以被记录至校正块配对库中，以便于下一次可以直接在校正块配对库中搜索得到该校正小球块的影像位置。

然后，校正单元105可以根据校正小球块的真实位置和影像位置对待手术的节段进行骨块校正。具体地，校正单元105可以对校正小球块的真实位置和影像位置进行刚性变换，得到校正矩阵，通过将得到的校正矩阵应用于待手术的节段即可完成对骨块的校正，得到真实骨块位置。

在完成骨块校正，得到待手术节段的真实骨块位置后，可以利用导航单元106辅助进行脊柱手术的导航，直至手术完成。

在现有技术中，使用可视化的手术工具前，需要使用探针进行验证，查看CT影像数据与实际的病人位置关系是否正确。如果发现位置不对应，一般是因为病人示踪器被碰撞、或者对其他骨块进行手术操作后影响到当前骨块的位置。此时，医生需要根据实际情况决定是否延长手术时间重新对病人脊柱进行放射或是不采用机器人辅助导航技术而转用传统手术方式。如果位置正确，则可以继续进行手术直到四个或四个以内的节段完成。如果是多节段的脊柱手术，还需要重复相关的步骤。

应用本申请实施例提供的手术系统，在使用可视化的手术工具前，可以使用校正杆与校正小球块刚性连接，对骨块进行位置校正，然后断开校正杆与校正小球块的连接，便可以使用可视化手术工具操作直到手术完成。在此过程中无需因为病人示踪器被碰撞或骨块位置发生改变而重新对病人脊柱进行放射。由于病人示踪器被碰撞或骨块位置发生改变而带来的位置误差，均可以通过骨块校正解决。

参照图3，示出了本申请实施例提供的一种机器人辅助导航脊柱手术方法的示意图，具体可以包括如下步骤：

S301、对病人的脊柱进行CT扫描，获得脊柱的CT影像数据。

需要说明的是，本方法可以应用于图1及前述系统实施例中介绍的机器人辅助导航脊柱手术系统中，即机器人辅助导航脊柱手术系统通过执行本申请实施例中方法的各个步骤，可以克服现有技术中导航技术的各种缺陷，实现脊柱外科手术导航。

在本申请实施例中，在对病人脊柱进行CT扫描前，还需要在手术场景中安装示踪器、校正小球块等设备。其中，病人示踪器可以固定安装在手术台或在导航仪视野范围内，医护人员无意的碰撞示踪器也不会影响正常的手术流程，无需重新安装即可进行多节段的脊柱手术。校正小球块可以如图2所示，校正小球块中应当包括至少4个小球，至少4中小球中存在3个小球不共线，任一小球的半径大于1毫米且小于5毫米，校正小球块的整体体积可以是30-60立方毫米(mm³)左右。

在本申请实施例中，在开放性手术中，校正小球块可以固定于待手术的节段上；在微创手术中，校正小球块可以固定于微创切口处。

完成上述术前准备工作后，可以利用放射设备对病人脊柱进行放射，得到脊柱CT影像数据。对于多节段的脊柱手术，例如八个节段的脊柱手术，可以通过一次性拍摄多个CT的方式获得各个脊柱节段的CT影像数据。

S302、对CT影像数据进行分割，得到各个节段的骨块影像数据。

在获得病人脊柱的CT影像数据后，可以对CT影像数据进行分割，得到脊柱各个节段的骨块影像数据。具体地，可以以UNet模型为基础构建神经网络，对病人脊柱的CT影像数据进行自动分割，从而把连续的椎骨分割成单个骨块，便于后续对每个骨块上的小球进行识别。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，在对CT影像数据进行分割之前，也即在获得脊柱的CT影像数据之后，还可以基于CT影像数据进行配准。配准过程可以采用3D/3D配准。

在本申请实施例的另一种可能的实现方式中，在对CT影像数据进行分割，得到各个节段的骨块影像数据之后，还可以将每个节段的骨块影像数据转换为点云数据，并根据点云数据为每个节段构建KD树。通过构建KD树，可以为后续搜索小球作准备。

S303、控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接。

在进行骨块校正前，需要将校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接。上述操作可以通过手术系统自动实现，也可以由医护人员手动操作完成，本申请实施例对此不作限定。

S304、获取刚性连接校正杆后的校正小球块的真实位置以及校正小球块在骨块影像数据中的影像位置。

在本申请实施例中，使用校正杆刚性连接校正小球块之后，可以通过导航系统获取校正小球块当前的真实位置P1，并在校正块配对库中搜索对应的校正小球块的影像位置P2，然后可以根据真实位置P1和影像位置P2对待手术的节段进行骨块校正。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，如果在校正块配对库中未搜索到校正小球块的影像位置P2，则手术系统可以获取3D/3D配准结果，并基于配准结果确定校正小球块的影像位置P2。

具体地，手术系统可以根据3D/3D配准结果确定小球搜索范围，并在小球搜索范围中搜索得到候选小球，然后基于候选小球确定校正小球块的影像位置P2。

在本申请实施例中，如果配准结果为配准成功，则手术系统可以根据校正杆当前所处的位置和配准矩阵自动生成小球搜索范围；如果配准结果为配准失败，则小球搜索范围可以通过医护人员手动选定的方式来得到。

在本申请实施例的一种可能的实现方式中，手术系统在小球搜索范围中搜索得到候选小球时，可以根据小球搜索范围，在配准阶段构建出的KD树中进行RANSAC搜索，得到候选小球。然后再基于候选小球确定校正小球块的影像位置P2。该影像位置P2可以被记录至校正块配对库中，以便于下一次可以直接在校正块配对库中搜索得到该校正小球块的影像位置。

S305、根据校正小球块的真实位置和影像位置对待手术的节段进行骨块校正，获得待手术的节段的真实骨块位置。

在得到校正小球块的真实位置和影像位置，可以利用校正小球块的真实位置和影像位置对手术节段进行骨块校正，获得手术节段的真实骨块位置。骨块校正是本申请实施例提供方法的最重要一环。

在本申请实施例中，手术系统可以对真实位置P1和影像位置P2进行刚性变换，得到校正矩阵，通过将得到的校正矩阵应用于对应的手术节段即可完成该节段骨块的校正。

不管是多节段脊柱手术还是单节段脊柱手术，都可以用通过骨块校正来更新骨块的真实位置。

S306、根据待手术的节段的真实骨块位置辅助进行脊柱手术。

在完成骨块校正后，可以断开校正杆与校正小球块之间的连接，使用可视化手术工具操作直到脊柱手术完成。

应用本申请实施例提供的方法进行机器人辅助导航脊柱手术，可以提高CT影像与病人配准的精度，解决因配准失败、放射成像丢失参照物、脊柱多节段手术需要重新放射等问题，减少病人和医生受到的辐射，解决由于医生和护士无意碰到病人示踪器容易导致严重后果以及手术过程中骨块活动和偏移的问题，大大降低导航风险，增加手术安全性和影像的真实性。由于应用本方法无需在病人身上安装示踪器，也可以减少病人因安装示踪器带来的不必要的创伤；并且，本方法可以临床应用于全脊柱手术，如腰椎、胸椎、颈椎等各种类型的脊柱手术均可以使用本方法辅助进行导航，增加了脊柱外科手术的适应症种类。

需要说明的是，上述方法实施例中手术系统执行的各个方法步骤与前述系统实施例中对于手术系统的介绍可以相互参阅，因此在上述方法实施例中对此介绍得相对简单。此外，上述方法实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

为了便于理解，下面结合一个完整的示例，对应用本申请实施例提供的机器人辅助导航脊柱手术系统进行脊柱外科手术的过程进行介绍，该过程可以概括为术前准备、术中影像、术中配准、脊柱CT分割、术中导航及骨块校正共六个阶段。

如图4所示，是本申请实施例提供的一种机器人辅助导航脊柱手术过程的示意图，下面结合图4，分别对上述六个阶段逐一进行介绍。

1.术前准备

如图4所示，本申请实施例中的术前准备包括安装手术台示踪器和安装校正小球块。

与现有技术中示踪器必须安装在病人身上不同，本申请实施例中的示踪器只需固定在手术台或在导航仪视野范围内即可。校正小球块可以如图2所示，校正小球块需要安装在每一个需要手术的脊柱节段上，可以通过克氏针、短膨胀钉、夹持的方式进行固定。在开放性手术中，可以直接用上述方式快速固定校正小球块；如果是微创手术，则需要在病人背部多个小切口处固定校正小球块。

2.术中影像

也即图4中的术中CT影像。可以使用放射设备对病人进行放射，获得病人脊柱的CT影像数据，CT影像数据将由放射设备传输至手术系统，进行后续流程的处理。

与现有技术中一次最多只能放射四个节段的CT影像不同，应用本申请实施例提供的手术系统，无论需要手术的脊柱节段有多少个，都可以一次性放射完成。例如，在需要做八个阶段的脊柱手术时，可以一次性拍两个CT，获得的CT影像数据可以在术中导航阶段通过骨块校正对骨块位置进行校正。因此本申请实施例中的手术系统可以适用于多节段的脊柱外科手术。

3.术中配准

如图4所示，本申请实施例可以采用3D/3D配准。

需要说明的是，本申请实施例中的配准并不是必需的。并且，在配准时，CT影像数据中如果丢失了参照物或者配准失败也不会对手术过程造成太大影响。

如图4所示，在进行3D/3D配准后，可以通过探针验证配准结果，确认是否配准成功。如果配准成功，则手术系统可以根据配准矩阵在校正小球块刚性连接校正杆后自动生成小球块搜索范围，进而确定小球搜索范围。如果3D/3D配准失败，后续也可以通过手动快速选择校正小球块的搜索范围。

4.脊柱CT分割

在本申请实施例中，可以以UNet为基础构建神经网络，对脊柱CT影像数据进行自动分割，把连续的椎骨分割成单个骨块，便于对每个骨块上的小球进行识别。

此外，在进行脊柱CT分割时，还可以把每个节段的骨块影像数据转换成点云数据，并基于点云数据对每个骨块构建KD树，为后续使用加速RANSAC搜索校正小球块做准备。

5.术中导航

在术中导航阶段，使用可视化的手术工具之前，需要将校正杆与校正小球块刚性连接，并对骨块的真实位置进行校正。待完成骨块校正后，断开校正杆与校正小球块的连接，然后可以使用可视化手术工具进行手术操作，直至手术完成。

6.骨块校正

骨块校正是应用本申请实施例提供的手术系统进行辅助导航脊柱手术最重要的部分。

在本申请实施例中，当校正杆与校正小球块刚性连接后，可以通过导航系统获得校正小球块的真实位置P1。同时，可以在校正块配对库中搜索对应的CT影像数据中的校正小球块的位置，即影像位置P2。如果校正块配对库中存在配对记录，则手术系统可以直接获得影像位置P2。如果校正块配对库中没有该校正小球块的配对记录，那么就需要根据之前的3D/3D配准作出下一步判断。如果之前的3D/3D配准是成功的，那么可以直接用此时校正杆的位置和配准矩阵确定校正小球块搜索范围；如果之前的3D/3D配准是失败的，那么需要手动从CT影像中选择校正小球块搜索范围，进而确定小球搜索范围。。

在本申请实施例中，可以根据小球搜索范围进行RANSAC搜索，以球面拟合函数作为提取目标，直到搜索完最优的球面解或达到最大迭代次数。通过把获得的候选小球点云进行筛选和排序，或是按照特殊排列进行筛选和排序，最终可以得到校正小球块在CT影像中的位置P2，该位置P2可以同步记录到校正块配对库中，以便于下一次直接在配对库中进行搜索得到影像位置。然后，将位置P1与对应骨块的CT影像数据中的校正小球块的影像位置P2进行刚性变换，可以得到校正矩阵，通过把校正矩阵应用于对应的骨块即可完成该骨块的校正。因此，无论需要手术的脊柱节段是多节段的还是单节段，都可以用通过骨块校正更新骨块真实位置。

需要说明的是，单骨块，也即单个节段的校正在实际意义上是单骨块的配准。并且，应用本申请实施例的手术系统在手术过程中需要将骨块与校正小球块刚性连接。现有技术中的配准参照物与骨头并不是刚性连接的，刚性连接比非刚性连接的配准精度更高，因此应用本申请实施例提供的手术系统进行脊柱手术，在配准精度上相较于现有技术要高。

参照图5，示出了本申请实施例提供的一种手术设备的示意图。如图5所示，本申请实施例中的手术设备500包括：处理器510、存储器520以及存储在所述存储器520中并可在所述处理器510上运行的计算机程序521。所述处理器510执行所述计算机程序521时实现上述机器人辅助导航脊柱手术方法各个实施例中的步骤，例如图3所示的步骤S301至S306。或者，所述处理器510执行所述计算机程序521时实现上述系统实施例中各单元的功能，例如图1所示单元101至106的功能。

示例性的，所述计算机程序521可以被分割成一个或多个单元，所述一个或者多个单元被存储在所述存储器520中，并由所述处理器510执行，以完成本申请。所述一个或多个单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段可以用于描述所述计算机程序521在所述手术设备500中的执行过程。例如，所述计算机程序521可以被分割成扫描单元、分割单元、控制单元、校正单元、导航单元，各单元具体功能如下：

扫描单元，用于对病人的脊柱进行CT扫描，获得所述脊柱的CT影像数据，所述脊柱包括多个节段；

分割单元，用于对所述CT影像数据进行分割，得到所述节段的骨块影像数据；

控制单元，用于控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接；

校正单元，用于获取刚性连接所述校正杆后的所述校正小球块的真实位置以及所述校正小球块在所述骨块影像数据中的影像位置，并根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，获得待手术的所述节段的真实骨块位置；

导航单元，用于根据待手术的所述节段的所述真实骨块位置辅助进行脊柱手术。

所述手术设备500可以是配置有前述各个系统实施例中机器人辅助导航脊柱手术系统的电子设备，也可以实现前述各个方法实施例中相关方法步骤的电子设备，该手术设备500可以是桌上型计算机等设备。所述手术设备500可包括，但不仅限于，处理器510、存储器520。本领域技术人员可以理解，图5仅仅是手术设备500的一种示例，并不构成对手术设备500的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述手术设备500还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。

所述处理器510可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

所述存储器520可以是所述手术设备500的内部存储单元，例如手术设备500的硬盘或内存。所述存储器520也可以是所述手术设备500的外部存储设备，例如所述手术设备500上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等等。进一步地，所述存储器520还可以既包括所述手术设备500的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器520用于存储所述计算机程序521以及所述手术设备500所需的其他程序和数据。所述存储器520还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

本申请实施例还公开了一种机器人辅助导航脊柱手术设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如前述各个实施例所述的机器人辅助导航脊柱手术方法。

本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述各个实施例所述的机器人辅助导航脊柱手术方法。

本申请实施例还公开了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算机上运行时，使得所述计算机执行前述各个实施例所述的机器人辅助导航脊柱手术方法。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，包括：

扫描单元，用于对病人的脊柱进行CT扫描，获得所述脊柱的CT影像数据，所述脊柱包括多个节段；

分割单元，用于对所述CT影像数据进行分割，得到所述节段的骨块影像数据；

控制单元，用于控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接；

校正单元，用于获取刚性连接所述校正杆后的所述校正小球块的真实位置以及所述校正小球块在所述骨块影像数据中的影像位置，并根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，获得待手术的所述节段的真实骨块位置；

导航单元，用于根据待手术的所述节段的所述真实骨块位置辅助进行脊柱手术。

2.根据权利要求1所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述校正小球块中包括至少4个小球，所述至少4中小球中存在3个小球不共线，任一小球的半径大于1毫米且小于5毫米。

3.根据权利要求1所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，在开放性手术中，所述校正小球块固定于待手术的所述节段上；在微创手术中，所述校正小球块固定于微创切口处。

4.根据权利要求1-3任一项所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，还包括：

配准单元，用于在获得所述脊柱的CT影像数据后，基于所述CT影像数据进行配准，所述配准包括3D/3D配准。

5.根据权利要求4所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述校正单元具体用于：

获取所述校正小球块的所述真实位置；

在校正块配对库中搜索所述校正小球块的所述影像位置；

根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正。

6.根据权利要求5所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述校正单元还用于：

若在所述校正块配对库中未搜索到所述校正小球块的所述影像位置，则获取配准结果，并基于所述配准结果确定所述校正小球块的所述影像位置。

7.根据权利要求6所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述基于所述配准结果确定所述校正小球块的所述影像位置，包括：

根据所述配准结果确定小球搜索范围，并在所述小球搜索范围中搜索得到候选小球；

基于所述候选小球确定所述校正小球块的所述影像位置。

8.根据权利要求7所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述根据所述配准结果确定小球搜索范围，包括：

若所述配准结果为配准成功，则根据所述校正杆当前所处的位置和配准矩阵自动生成所述小球搜索范围；

若所述配准结果为配准失败，则获取用户在所述CT影像数据中选定的所述小球搜索范围。

9.根据权利要求7或8所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述分割单元还用于：

将每个所述节段的所述骨块影像数据转换为点云数据，并根据所述点云数据为每个所述节段构建KD树。

10.根据权利要求9所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述在所述小球搜索范围中搜索得到候选小球，包括：

根据所述小球搜索范围，在构建出的所述KD树中进行随机抽样一致性搜索，得到所述候选小球。

11.根据权利要求1-3或5-8或10任一项所述的机器人辅助导航脊柱手术系统，其特征在于，所述根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，包括：

对所述真实位置和所述影像位置进行刚性变换，得到校正矩阵；

基于所述校正矩阵对待手术的所述节段进行骨块校正。

12.一种机器人辅助导航脊柱手术设备，其特征在于，应用所述机器人辅助导航脊柱手术设备实现如下方法：

对病人的脊柱进行CT扫描，获得所述脊柱的CT影像数据，所述脊柱包括多个节段；

对所述CT影像数据进行分割，得到所述节段的骨块影像数据；

控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接；

获取刚性连接所述校正杆后的所述校正小球块的真实位置以及所述校正小球块在所述骨块影像数据中的影像位置；

根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，获得待手术的所述节段的真实骨块位置；

根据待手术的所述节段的所述真实骨块位置辅助进行脊柱手术。

13.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如下方法：

对病人的脊柱进行CT扫描，获得所述脊柱的CT影像数据，所述脊柱包括多个节段；

对所述CT影像数据进行分割，得到所述节段的骨块影像数据；

控制校正杆与固定于手术位置处的校正小球块刚性连接；

获取刚性连接所述校正杆后的所述校正小球块的真实位置以及所述校正小球块在所述骨块影像数据中的影像位置；

根据所述真实位置和所述影像位置对待手术的所述节段进行骨块校正，获得待手术的所述节段的真实骨块位置；

根据待手术的所述节段的所述真实骨块位置辅助进行脊柱手术。