CN1481764A - 机器人导航骨科手术装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人导航骨科手术装置，包括计算机、C型臂X光机、手术床机构、拉伸机构和导航机器人，以及医学图像处理软件，拉伸机构安装在手术床机构的球座上，C型臂X光机和导航机器人随手术床机构的位置摆放而移动，由C型臂X光机采集图像，经采集卡输送到计算机内进行医学图像软件处理。该装置综合利用机器人技术和计算机图像处理技术来进行骨科手术，从机器人空间到图像空间的映射、手术空间到图像空间的映射变换，根据医学图像处理结果对骨科手术的手术路径进行规划，对要进行手术的动作进行导航，虚拟地显示医生的手术动作，评估手术动作的偏差。该装置减小了X光线对患者和医生的伤害，提高了手术精度和效率，减小了手术创伤。

Description

机器人导航骨科手术装置

技术领域

本发明涉及一种医疗设备，是一种借助于机器人技术和计算机图像处理技术来实现骨科导航手术的外科手术设备，具体地说是指一种机器人导航骨科手术装置。

背景技术

普通的骨科手术床，是专门针对某些骨科手术而设计的，针对性较强。其功能大都是调整患者的手术姿态，来方便医生完成手术。普通手术床对医生的外科手术没有导航辅助作用，医生在做手术时是通过经验和常规的C型臂X光机检查来修正自己的手术动作，进行骨科手术的。手术结果的好坏同医生本人掌握的手术技巧及手术经验有较大的直接关系，同时，由于手术过程中过多地使用了X光设备，大量的X光线的辐射也大大地伤害了医生和患者的健康。

发明内容

本发明的目的之一是提出一种综合利用机器人技术和计算机图像处理技术来进行骨科手术的装置。

本发明的目的之二是提供一种通过计算机及其软件对机器人空间到图像空间的映射、手术空间到图像空间的映射变换的方法，根据医学图像处理结果对骨科手术的手术路径进行规划，对要进行手术的动作进行导航，虚拟地显示医生的手术动作，评估手术动作的偏差。

本发明的装置减小了X光线对患者和医生的伤害，提高了手术精度和效率，减小了手术创伤。该装置按照较佳的运动轨迹运行到手术空间的规划位置，借助医疗器械，进行钻孔，拧入螺钉等器械，并在计算机控制下进行微动精细的前进后退运动，进行有关的髓内钉打入、固定手术。

本发明的机器人导航骨科手术装置，包括计算机、C型臂X光机、手术床机构，还包括拉伸机构和导航机器人，以及医学图像处理软件，拉伸机构安装在手术床机构的右活动支撑的球座上，C型臂X光机和导航机器人随手术床机构的位置摆放而移动，由C型臂X光机采集图像，经采集卡输送到计算机内进行医学图像软件处理。

所述的手术床机构，床底架在同一侧面平行伸出有两个支臂，床支架安装在床底架的框体上，床支架上端面安装有上架，上架上安装有床板，上架同床底架支臂平行水平面安装有托板支撑轴，上架的其余面上有挂件，托板架安装在托板和托板支撑轴上，横挡安装在托板上；床底架的底部有固定支撑和滚轮，床底架的一支臂活动连接右滑轨，右滑块在右滑轨上滑动，支撑板固定在右滑轨上，滚轮安装在支撑板的底面，右固定支撑安装在右滑块上，右固定支撑连接有右活动支撑，右固定支撑上有升降调节手柄，用于调节右活动支撑的升降，右活动支撑的端部安装有一球座，球座的一端安装有摆动球，拉伸装置通过螺杆安装在右活动支撑的摆动球上。

床底架的另一支臂活动连接左滑轨，左滑块在左滑轨上滑动，支撑板固定在左滑轨上，滚轮安装在支撑板的底面，左固定支撑安装在左滑块上，左固定支撑连接有左活动支撑，左固定支撑上有升降调节手柄，用于调节左活动支撑的升降，左活动支撑上端面安装有左脚板架。

所述的拉伸机构，拉伸框通过左端盖、右端盖安装在丝杠上，拉伸框内有蜗轮、蜗杆，丝杠的一端安装在连接板上，连接板上安装有拉力传感器，连接板通过滑轴连接脚板。

所述的导航机器人，升降支撑架、固定支撑安装在底座上，滚轮安装在底座的底面，电机通过联轴器连接在丝杠上，丝杠安装在丝杠支撑上，丝杠支撑安装在升降支撑架上，升降轴安装在丝母连接件上，通过丝母在丝杠的运动实现上下升降，丝杠的一边安装有侧板，侧板上安装有线性导轨，线性导轨通过连接件与升降轴的底部连接，升降支撑架上部的四个方向上安装有四个调节滚轮，升降轴顶部安装有可手控调节的旋转轴，平行底板的滑块安装在升降轴顶部的旋转板上，平行底板的滑块通过丝杠与线性导轨与底板连接，平行底板内安装有电机，电机的输出轴通过联轴器与丝杠的一端连接，平行底板通过转台连接小臂，小臂内安装有电机，电机的输出轴安装在减速器的内孔上，减速器的输出轴通过联轴器与小臂轴连接，小臂通过小臂轴同手腕座连接，手腕轴通过轴承支撑在手腕座上，手腕轴的内部安装有电机，电机的输出轴同减速器的内孔连接，手腕座的端部有法兰，连接件活动连接在法兰上，标定器活动连接在连接件上。

本发明的机器人导航骨科手术床有以下优点：

(1)采用已有的C型臂X光机获取图像，降低了成本，提高了普及率，图像的获取方便、实时。可以在手术过程中实时采集，方便了手术，使手术更加精确，效率更高。

(2)在手术过程中采用的是实时图像导航，所以在手术过程中医生和患者可以避免X光的辐射。

(3)手术过程中，医生在计算机上对手术方案进行规划，并可以对规划的结果进行虚拟演示，获得最佳的手术方案。

(4)医生得到的最佳手术方案用机器人来进行手术导航，可以精确地将医生的规划结果在手术空间表达出来，减小了由于医生技术水平的高低等原因引起的手术误差。

(5)机器人在根据手术方案对手术路径导航后，可以在手术空间中充当医生手术的平台，可以减小因为医生的人为因数引起的误差。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明拉伸装置的结构示意图。

图3是本发明导航机器人的平移装置部分结构示意图。

图4是床支架、床底架的装配图。

图5是床板、托板的装配图。

图6是拉伸装置、右支撑的装配图。

图7是左支撑的装配图。

图8是机器人升降支撑架的装配图。

图9是机器人平移装置的装配图。

图10是机器人腕部的装配图。

图11是医学图像软件处理的流程框图。

图中：

1.手术床机构                  2.拉伸机构    3.导航机器人                  4.连接件

5.标定器

101.床底架      102.床支架    103.上架      104.固定支撑                  105.滚轮

106.挂件        107.床板      108.海棉垫    109.托板支撑轴                110.托板架

111.托板        112.横挡      113.右滑轨    114.右滑块      115.支撑板    116.滚轮

117.右固定支撑                118.右活动支撑                119.升降调节手柄

120.球座        121.摆动球    122.左滑轨    123.左滑块      124.支撑板    125.滚轮

126.左固定支撑                127.左活动支撑                128.升降调节手柄

129.连接板                    130.左脚板架

201.拉伸框      202.丝母      203.丝杠      204.蜗轮        205.蜗杆      206.左端盖

207.右端盖      208.连接板    209.拉力传感器                210.滑轴      211.右脚板架

301.底座        302.固定支撑                303.滚轮      304.升降支撑架

305.电机        306.联轴器      307.丝杠    308.丝母      309.丝母连接件

310.丝杠支撑                    311.止动挡块              312.侧板       313.线性滑轨

314.连接件      315.调节滚轮                316.导向套    317.升降轴     318.转轴

319.螺钉        320.滑块        321.丝母    322.丝杠      323.丝母连接件

324.线性滑轨                    325.电机    326.法兰      327.联轴器

328.后丝杠支撑                  329.平移底板              330.前丝杠支撑

331.转台        332.旋转连接件              333.小臂      334.小臂盖     335.电机

336.法兰        337.减速器      338.输出轴  339.联轴器    340.小臂支撑

341.轴承        342.小臂轴      343.防护罩  344.轴承盖    345.手腕座     346.手腕轴

347.减速器      348.电机        349.法兰

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见附图所示，本发明是一种机器人导航骨科手术装置，由C型臂X光机(为常规手术用设备，图中未表示出)、计算机设备以及存储在计算机内的医学图像软件、手术床机构1、拉伸机构2和导航机器人3组成，拉伸机构2安装在手术床机构1的右活动支撑118的球座120上，C型臂X光机和导航机器人3随手术床机构3的位置摆放而移动，由C型臂X光机采集图像，经采集卡输送到计算机内进行医学图像软件处理。

手术床机构1，床底架101在同一侧面平行伸出有两个支臂，床支架102安装在床底架101的框体上，床支架102上端面安装有上架103，上架103上安装有床板107，上架103同床底架101支臂平行水平面安装有托板支撑轴109，上架103的其余面上有挂件106，托板架110安装在托板111和托板支撑轴109上，横挡112安装在托板111上；床底架101的底部有固定支撑104和滚轮105，床底架101的一支臂活动连接右滑轨113，

右滑块114在右滑轨113上滑动，支撑板115固定在右滑轨113上，滚轮116安装在支撑板115的底面，右固定支撑117安装在右滑块114上，右固定支撑117连接有右活动支撑118，右固定支撑117上有升降调节手柄119，用于调节右活动支撑118的升降，右活动支撑118的端部安装有一球座119，球座119的一端安装有摆动球120，拉伸装置2通过螺杆安装在右活动支撑118的摆动球120上；

床底架101的另一支臂活动连接左滑轨，左滑块在左滑轨上滑动，支撑板固定在左滑轨上，滚轮安装在支撑板的底面，左固定支撑安装在左滑块上，左固定支撑连接有左活动支撑，左固定支撑上有升降调节手柄，用于调节左活动支撑的升降，左活动支撑上端面安装有左脚板架；

拉伸机构2，拉伸框201通过左端盖206、右端盖207安装在丝杠203上，拉伸框201内有蜗轮204、蜗杆205，蜗轮204、蜗杆205与拉伸丝杠203固连，丝杠203的一端安装在连接板208上，当蜗杆205带动蜗轮204转动时，丝杠203同时随蜗轮204转动，实现拉伸机构2的拉伸运动，连接板208上安装有拉力传感器209，连接板208通过滑轴210连接脚板211，脚板211可以沿着滑轴210移动。在本发明中，调节升降杆可以控制拉伸机构2的上下方向的位置，摆动球120用于调节拉伸机构2的姿态，拉伸机构2的姿态调好后，使用升降调节手柄118锁紧固定。

导航机器人3，升降支撑架304安装在底座301上，固定支撑302、滚轮303安装在底座301底面，电机305通过联轴器306与丝杠307连接，丝杠307安装在丝杠支撑310上，丝杠支撑310安装在升降支撑架304上，升降轴317安装在丝母连接件309上，通过丝母308在丝杠307的运动实现上下升降，丝杠307的一边安装有侧板312，侧板312上安装有线性导轨313，线性导轨313通过连接件314与升降轴317的底部连接，升降支撑架304上部的四个方向上安装有四个调节滚轮315，升降轴317顶部安装有可手控调节的旋转轴318，平行底板329的滑块320安装在升降轴318顶部的旋转板上，平行底板329的滑块320通过丝杠322与线性导轨324与底板连接，平行底板329内安装有电机325，电机325的输出轴通过联轴器327与丝杠322的一端连接，平行底板329通过转台331连接小臂333，小臂333内安装有电机335，电机335的输出轴安装在减速器337的内孔上，减速器337的输出轴通过联轴器339与小臂轴342连接，小臂333通过小臂轴342同手腕座345连接，手腕轴346通过轴承支撑在手腕座345上，手腕轴346的内部安装有电机348，电机348的输出轴同减速器347的内孔连接，手腕座345的端部有法兰349，连接件4活动连接在法兰349上，标定器5活动连接在连接件4上。

在本发明中，根据患者手术的部位，可以将左、右固定支撑、滑轨进行相互交换安装。

在本发明中，发明人提出的技术方案是由图像引导定位方法来控制数字化机器人进行导航，并对骨科手术床机构的运动进行控制，对计算机的辅助软件可以由图像引导定位方法、医疗图像模型、手术环境标定方法组成。

一、图像引导定位方法

为了准确地引导手术动作，在手术空间精确的定位，必须准确地确定手术空间、图像空间之间的映射关系。因此首先要利用计算机处理图像，确定图像空间中的手术对象和手术器械的位置和姿态，并在此基础上进行手术规划并模拟手术效果，选择最佳的手术方案，并将最终规划的参数传给系统各个部分，完成手术导航动作。

采用普通的C型臂X光机，即可以进行复杂的骨科导航手术，在医生不吃线的环境下或少吃线的环境下，完成手术操作。

二、医疗图像和临床手术环境的标定方法

在计算机与机器人辅助手术的过程中，首先需要解决的问题是实现医疗图像和临床手术环境的标定，即将二维影像的手术规划路径位置映射到手术空间的实际操作路径的位置上。

在本发明中，利用导航机器人、普通的C型臂X光机，提出了无创伤的映射方法：

这里我们定义虚拟空间是基于X光的图像空间，现实空间是机器人和病人所在的空间，X光图像空间是二维空间，它上面的每一点都对应手术空间中的一条沿X光射线的空间直线，显然在两个不同位置获得的X光图像上，如果都有空间某目标点的投影，这点的投影对应的两条投影直线的交点就是空间的目标点。

为了解决这个问题，我们设计了位置测量模块，该模块测量出两次投影空间的相对位置，利用空间几何换算，可以确定出虚拟空间到手术现实空间的变换矩阵，从而实现一种快速的有效定位算法。

在使用时，将C型臂X光机移到手术空间，采集一幅图像，图像上有装在机器人末端的标定器和手术空间目标点，旋转C型臂X光机一个角度采集另一幅有相同标定器和手术空间目标点的图像。同时位置测量模块记录两次图像采集的相对位置。通过变换矩阵，可以建立机器人空间、手术空间、和图像空间的相互映射关系。

在本发明中提出的映射方法，突出的特点是：无创伤，定位问题简单方便。

三、数字化机器人导航骨科手术床的运动控制

技术方案包括手术器械，机器人轨迹规划、机器人运动能控制算法和通讯程序。

数字化机器人导航骨科手术床，实现了基于图像导航的人机交互界面，医生可以通过计算机或操作盒实现对系统的运动控制。通过控制程序，医生可以在采集的两幅图像上对手术方案进行规划，选择最佳的手术方案。同时该手术方案的一些参数通过映射变化，确定了机器人和手术空间的映射，机器人将医生在图像空间规划的手术方案和手术路径在手术空间中表达出来，然后工作人员可以使用相关的手术器械，进行手术操作。

本发明采用计算机及医学图像来实现图像引导定位方法(见图11所示)，实现在图标驱动下的可视化手术动作导航定位。首先将标定器夹持在导航机器人腕部的连接件上，然后将标定器置于手术空间，手术空间的世界坐标系由标定器确定。打开计算机及医学图像处理软件，通过C型臂X光机对准标定器采集一副图像，此时应判断图像中是否包括了所需的六个标记点，如果可视点的数目不到六个，需要重新采集图像。C型臂X光机成像的几何关系可以简化为针孔模型，这样就可以根据针孔成像原理，由已知的不共面空间六点标定出C型臂X光机的内、外参数。C型臂X光机的内参数就是它的焦距，外参数表示点光源相对于世界坐标系的位置和姿态。将C型臂X光机转过一定的角度(记下此角度)，在重复以上过程求出此位置与C型臂X光机的外参数。

C型臂X光机标定完成后，将患者置于手术空间，对其采集一副图像，由所求点的像在图像中的坐标和C型臂X光机的内、外参数可求出像点在世界坐标系的三维坐标。通过C型臂X光机点光源和所求点的像点作一条直线，此直线过所求点。将C型臂X光机转回到初始位置，重复上而步骤再求出一条过所求点的直线。理论上，这两条直线都过同一点，所以可求出它们的交点，即所求点。但由于误差的存在，求两条直线的交点时，可能不存在解，所以使用最小二乘解方法近似求出直线的交点的三维坐标。

软件主要功能介绍：

(1)前坐标系：软件的图片框调入X光图像后，单击此按钮后，依次点击标定器的前坐标系的三点在X光图像上的像点。点击完成后，程序中的相应的变量也将记下前坐标系三点的像点坐标。此按钮的操作完成，此操作称之为前坐标系的标定。

(2)后坐标系：前坐标系标定完成后，单击此按钮，然后依次点击后坐标系的三点在X光图像上的像点。点击完成后，三个像点的在图像中的坐标也被记下来。加上前坐标系的三像点的坐标，此时程序记下六个像点的坐标。由这六个像点坐标标定出C型臂的内外参数，即焦距、位置、姿态。

(3)前孔中心点：单击“后坐标系”按钮并分别点击后坐标系的三像点后，程序即可完成C型臂的内、外参数标定。然后将包含所求点的X光图像调入软件，单击此按钮后，再对所求点的像点单击。此时，由已知C型臂内、外参数和所求点的像点的位置，可以求出一条过所求点的直线方程。

(4)后孔中心点：此按钮的操作与“前孔中心点”按钮的操作相同，当单击所求点的像点后，也求出一条过所求点的直线方程。程序接着算出两条直线的交点，即所求点的空间坐标。

本发明的软件操作系统具有一般Window操作平台，下面只针对在本发明中增加的功能图标进行说明。

(A)读写文件操作图标

从C型臂X光机上采集透射图片，并在显示器上显示出来，或者将修改的图像和手术数据记录存入文件，或者将手术参数、病例报告输出打印。

(B)图标功能之二是，在计算机显示器上显示的图像上，选者手术的进入点

(C)图标功能之三是，在计算机显示器上显示的图像上，选者手术的路径的终止点。

(D)图标功能之四是，根据功能图标2和3的操作，通过几何变换，计算出相对于图像坐标的路径X、Y、Z坐标，选择手术的进入点。

(E)图标功能之五是，在计算机显示器上显示的图像上，模拟手术规划的路径，对手术规划的动作进行模拟。

(F)图标的功能之六是，根据图标功能之四的操作，将路径的参数传给导航机器人、拉伸模块、手术床等系统设备，控制他们的运动。

Claims (4)

1、一种机器人导航骨科手术装置，包括计算机、C型臂X光机、手术床机构，其特征在于：还包括拉伸机构(2)和导航机器人(3)，以及医学图像处理软件，拉伸机构(2)安装在手术床机构(1)的右活动支撑(118)的球座(120)上，C型臂X光机和导航机器人(3)随手术床机构(1)的位置摆放而移动，由C型臂X光机采集图像，经采集卡输送到计算机内进行医学图像软件处理，

所述的手术床机构(1)，床底架(101)在同一侧面平行伸出有两个支臂，床支架(102)安装在床底架(101)的框体上，床支架(102)上端面安装有上架(103)，上架(103)上安装有床板(107)，上架(103)同床底架(101)支臂平行水平面安装有托板支撑轴(109)，上架(103)的其余面上有挂件(106)，托板架(110)安装在托板(111)和托板支撑轴(109)上，横挡(112)安装在托板(111)上；床底架(101)的底部有固定支撑(104)和滚轮(105)，床底架(101)的一支臂活动连接右滑轨(113)，

右滑块(114)在右滑轨(113)上滑动，支撑板(115)固定在右滑轨(113)上，滚轮(116)安装在支撑板(115)的底面，右固定支撑(117)安装在右滑块(114)上，右固定支撑(117)连接有右活动支撑(118)，右固定支撑(117)上有升降调节手柄(119)，用于调节右活动支撑(118)的升降，右活动支撑(118)的端部安装有一球座(119)，球座(119)的一端安装有摆动球(120)，拉伸装置(2)通过螺杆安装在右活动支撑(118)的摆动球(120)上；

床底架(101)的另一支臂活动连接左滑轨(122)，左滑块(123)在左滑轨(122)上滑动，支撑板(124)固定在左滑轨(122)上，滚轮(125)安装在支撑板(124)的底面，左固定支撑(126)安装在左滑块(123)上，左固定支撑(126)连接有左活动支撑(127)，左固定支撑(126)上有升降调节手柄(128)，用于调节左活动支撑(127)的升降，左活动支撑(127)上端面通过连接板(129)安装有左脚板架(130)；

所述的拉伸机构(2)，拉伸框(201)通过左端盖(206)、右端盖(207)安装在丝杠(203)上，拉伸框(201)内有蜗轮(204)、蜗杆(205)，丝杠(203)的一端安装在连接板(208)上，连接板(208)上安装有拉力传感器(209)，连接板(208)通过滑轴(210)连接脚板(211)；

所述的导航机器人(3)，升降支撑架(304)、固定支撑(302)安装在底座(301)上，滚轮(303)安装在底座(301)的底面，电机(305)通过联轴器(306)连接在丝杠(307)上，丝杠(307)安装在丝杠支撑(310)上，丝杠支撑(310)安装在升降支撑架(304)上，升降轴(317)安装在丝母连接件(309)上，通过丝母(308)在丝杠(307)的运动实现上下升降，丝杠(307)的一边安装有侧板(312)，侧板(312)上安装有线性导轨(313)，线性导轨(313)通过连接件(314)与升降轴(317)的底部连接，升降支撑架(304)上部的四个方向上安装有四个调节滚轮(315)，升降轴(317)顶部安装有可手控调节的旋转轴(318)，平行底板(329)的滑块(320)安装在升降轴(318)顶部的旋转板上，平行底板(329)的滑块(320)通过丝杠(322)与线性导轨(324)与底板连接，平行底板(329)内安装有电机(325)，电机(325)的输出轴通过联轴器(327)与丝杠(322)的一端连接，平行底板(329)通过转台(331)连接小臂(333)，小臂(333)内安装有电机(335)，电机(335)的输出轴安装在减速器(337)的内孔上，减速器(337)的输出轴通过联轴器(339)与小臂轴(342)连接，小臂(333)通过小臂轴(342)同手腕座(345)连接，手腕轴(346)通过轴承支撑在手腕座(345)上，手腕轴(346)的内部安装有电机(348)，电机(348)的输出轴同减速器(347)的内孔连接，手腕座(345)的端部有法兰(349)，连接件(4)活动连接在法兰(349)上，标定器(5)活动连接在连接件(4)上。

2、根据权利要求1所述的骨科手术装置，其特征在于：左、右固定支撑可以交换安装在床底架的支臂上。

3、根据权利要求1所述的骨科手术装置，其特征在于：采用C型臂X光机、标定器(5)实现医学图像的参数标定。

4、根据权利要求1所述的骨科手术装置，其特征在于：医学图像软件实现机器人空间、手术空间、图像空间的相互映射。

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