WO2023029362A1 - 一种手术机器人导航定位方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

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WO2023029362A1
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bone
model
coordinate system
spatial position
target area
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PCT/CN2022/073188
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张逸凌
刘星宇
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北京长木谷医疗科技有限公司
张逸凌
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Definitions

  • the present application relates to the technical field of medical devices, in particular, to a surgical robot navigation and positioning method, device, equipment and storage medium.
  • the step of controlling the mechanical arm further includes:
  • Fig. 2 is the flowchart of the surgical robot navigation positioning method provided by the present application
  • 5D is a coronal reference view of a femoral prosthesis installed according to an embodiment of the present application.
  • Fig. 11 is a schematic structural diagram of a navigation and positioning device for a knee joint surgery robot provided by the present application.
  • FIG. 1A See Figure 1A for a scene diagram of an operation proposed by the present application and a schematic diagram of a robot shown in Figure 1B;
  • the host computer main control system 11 , the manipulator system 12 and the optical navigator system 13 transmit data to each other in a wired or wireless manner.
  • the host computer main control system 11 mainly includes a host computer and a display screen.
  • the upper computer is used to perform various operations on the image, and the upper computer also stores a library of prostheses for planning and selection before surgery.
  • Optical navigator system 13 is provided with NDI optical camera (for example, infrared binocular camera), image acquisition system and display screen; NDI optical camera can track the optical small Ball, the host computer determines the target area of the bone and the position of the end of the mechanical arm according to the position of the optical ball tracked by the NDI optical camera.
  • the display screen of the host computer main control system 11 and the display screen of the optical navigator system 13 synchronously display the three-dimensional image of the skeleton.
  • the mechanical arm system 12 may include a control system of the mechanical arm and a mechanical arm; wherein, the control system of the mechanical arm is used to control the movement of the mechanical arm. start and stop.
  • the end of the mechanical arm is provided with an actuator.
  • the actuator can be a saw blade for osteotomy.
  • the target area may be the osteotomy plane described below.
  • the present application proposes a navigation and positioning method for a surgical robot, see the flowchart of a navigation and positioning method for a surgical robot shown in Figure 2; the method includes the following steps:
  • the scanned image can be segmented through the neural network model, and can be segmented into regions of different granularities as required, for example, the obtained knee joint
  • the bone CT image is segmented to obtain the femoral area and tibial area, or it can be divided into femoral area, tibial area, fibula area, and patella area as needed; and then 3D reconstruction can be performed on the images of each segmented area to obtain the 3D image of each bone area
  • a three-dimensional bone model is obtained.
  • key bone parameters can include key anatomical points of bones, key axes of bones and bone size parameters, and key anatomical points of bones can be identified based on deep learning algorithms, such as neural network models, and identified on the three-dimensional bone model The key anatomical points of the bones are marked.
  • Bone size can include left and right femur diameter, femur anteroposterior diameter, tibial left and right diameter and tibial anteroposterior diameter.
  • the line connecting the medial and lateral borders of the tibia is determined, and the anteroposterior diameter of the tibia is determined according to the line connecting the anterior and posterior borders of the tibia.
  • the three-dimensional skeletal prosthesis model can be a prosthesis model for total knee replacement currently on the market.
  • There are many types of three-dimensional bone prosthesis models and each type of three-dimensional bone prosthesis model has multiple models.
  • the types of three-dimensional femoral prosthesis models include ATTUNE-PS, ATTUNE-CR, SIGMA-PS150, etc.
  • the models of ATTUNE-PS include 1, 2, 3, 3N, 4, 4N, 5, 5N, 6, 6N.
  • the preoperative planning system can intelligently recommend the prosthesis model from the prosthesis library.
  • the operator can also select the type and model of the bone prosthesis model from the prosthesis library through the interactive interface based on the key axis of the bone and the key angle of the bone. Adjust the placement position and placement angle of the bone prosthesis model.
  • the model of the prosthesis can be displayed in the interface, and the model of the prosthesis can be replaced to observe the coverage effect after replacement.
  • the bone key axis and bone key angle can be determined in the following ways:
  • the implementation of the preoperative planning system to determine the prosthesis model through the interactive interface may include: setting the configuration items of each 3D bone prosthesis model on the interface, for example, it may be the configuration item of the 3D femoral prosthesis model, the 3D tibial prosthesis model Body model configuration items, and configuration items of the 3D spacer model, when a certain configuration item is triggered (for example, the selected method triggers the configuration item), it can automatically match the corresponding prosthesis library, and then detect which one in the prosthesis library The phantom is triggered, and the triggered phantom signal is used to replace the prosthesis.
  • the configuration item of the femoral prosthesis model when the configuration item of the femoral prosthesis model is triggered, it can establish an association with the femoral prosthesis library, and then display the models of all the prosthesis in the femoral prosthesis library on the interface, and then detect which type of femoral prosthesis model and the Which model of the femoral prosthesis model under the type is triggered, so that the triggered femoral prosthesis model is selected as the femoral prosthesis model.
  • the placement position and placement angle of the three-dimensional bone prosthesis model are adjusted based on the key bone parameters and the type and model of the three-dimensional bone prosthesis model.
  • the three-dimensional bone prosthesis model and the three-dimensional bone model can be superimposed and displayed through the three-dimensional model to realize the simulated installation of the three-dimensional bone prosthesis.
  • the three-dimensional visual display of the matching adjustment process and matching effect between the three-dimensional skeleton model and the three-dimensional prosthesis model is realized.
  • the femoral prosthesis model can be determined based on the femoral valgus angle, femoral varus angle, femoral external rotation angle, femoral internal rotation angle, left and right femoral diameter, and femoral anteroposterior diameter Whether the 3D femur model has been fitted or not.
  • tibial varus angle femoral valgus angle
  • left and right tibial diameter tibial anteroposterior diameter
  • the three-dimensional bone model includes a three-dimensional femoral model
  • the three-dimensional bone prosthesis model includes a three-dimensional femoral prosthesis model
  • key bone parameters include femoral key parameters
  • femoral key parameters include femoral mechanical axis, femoral Condyle line, posterior condyle connecting line, femur left and right diameter and femur anteroposterior diameter
  • the step of adjusting the placement position and placement angle of the three-dimensional skeleton prosthesis model based on the key parameters of the skeleton and the type and model of the three-dimensional skeleton prosthesis model comprises: Left and right diameter and femur anteroposterior diameter, adjust the placement position of three-dimensional femoral prosthesis model; Adjust the varus angle or valgus angle of three-dimensional femoral prosthesis model, make the cross section of three-dimensional femoral prosthesis model perpendicular to described femoral mechanical axis; Adjust The internal rotation
  • the installation position of the femoral prosthesis model satisfies that the femoral prosthesis model can cover the left and right sides of the femur and the front and back of the femur, the installation position is appropriate.
  • the three-dimensional bone model also includes a three-dimensional tibial model
  • the three-dimensional femoral prosthesis model also includes a three-dimensional tibial prosthetic model
  • the bone key parameters also include tibial key parameters
  • the tibial key parameters include tibial mechanical axis , left and right tibial diameter, and tibial anteroposterior diameter
  • the steps of adjusting the placement position and placement angle of the three-dimensional bone prosthesis model based on the key bone parameters and the type and model of the three-dimensional bone prosthesis model include: adjusting the three-dimensional The placement position of the tibial prosthesis model; adjust the varus or valgus angle of the three-dimensional tibial prosthesis so that the mechanical axis
  • the method in this embodiment further includes: based on the three-dimensional bone prosthesis model and the three-dimensional prosthesis model The matching relationship is used to simulate the osteotomy to obtain a three-dimensional bone postoperative simulation model; the three-dimensional femoral postoperative simulation model is subjected to motion simulation including extension and flexion; the extension gap is determined in the extension state, and the flexion gap is determined in the flexion state ; Comparing the straightening gap and the flexion gap to verify the matching of the three-dimensional bone prosthesis model.
  • the bone osteotomy thickness is determined according to the design principles of the bone prosthesis model, and different bone prosthesis models may correspond to different osteotomy thicknesses; after the bone prosthesis model matches the bone, the osteotomy can be determined flat.
  • the osteotomy plane can include femoral osteotomy plane and tibial osteotomy plane, the tibial osteotomy plane is the tibial plateau, and the femoral osteotomy plane can include femoral frontal osteotomy plane, femoral anterior oblique osteotomy plane, femoral posterior condyle osteotomy plane, femoral Posterior oblique osteotomy plane, distal femoral osteotomy plane.
  • the shaded part is the tibial prosthesis
  • Fig. 5A to Fig. 5C are reference views of tibial prosthesis installed on the tibia after osteotomy at different angles.
  • FIG. 5D , FIG. 5E and FIG. 5F the shaded part is the femoral prosthesis
  • FIG. 5D to FIG. 5F are reference pictures of the femoral model after matching the femoral prosthesis model under different viewing angles.
  • the extension gap can be determined through the extension simulation diagram shown in FIG. 6A ; the flexion gap can be determined through the flexion simulation diagram shown in FIG. 6B .
  • the straightening gap and the flexion gap it is determined whether the three-dimensional bone prosthesis model fits the osteotomized three-dimensional bone model.
  • Step S204 generate intraoperative planning information, register the 3D model coordinate system of the bone with the world coordinate system where the patient's bone is located during the operation, and obtain the bone solid model; obtain the key data of the bone, and visually display the key points in the bone solid model data; in response to an operator adjusting the bone prosthesis model based on the key data; and determining a plurality of adjusted target regions based on the adjusted bone prosthesis model.
  • key bone data may include dynamic line of force data of the knee joint in motion.
  • the infrared binocular camera is used to track the femur and the tracer on the tibia of the knee joint (installed with multiple optical balls), and the dynamic line of force of the knee joint is collected data.
  • the visual display of the placement position and placement angle of the prosthesis model and the visualization display of the dynamic force line data of the knee joint it is convenient for the doctor to adjust the installation position and placement angle of the prosthesis model according to the dynamic force line data, so that The prosthetic model is more closely matched to the patient's knee joint.
  • Step S206 in response to the operator selecting a target area from the adjusted multiple target areas as the current target area, controlling the mechanical arm according to the spatial position of the current target area and the spatial position of the actuator at the end of the mechanical arm of the robot, to limit the movement of the actuator within the current target area.
  • the preoperative planning information may also include the order in which multiple target areas are operated, providing reference for the doctor during the operation, and facilitating the doctor to select one of the target areas as the currently operated target area.
  • the target area may be the aforementioned osteotomy plane.
  • start the preparation work of the robotic arm which may include: parameter setting work of robotic arm control, robotic arm calibration, etc.
  • the movement speed of the robotic arm can be set, and operations such as initial position setting, mantle position setting, preparation position setting, brake test, zero return, teaching, and stop can be performed.
  • step S206 includes the following three ways according to the execution before and during execution of the executor.
  • step S206 includes the following steps. Before the actuator runs, when the mechanical arm moves to the bone, according to the tracker on the end of the mechanical arm and the tracer on the bone acquired by the tracking camera, The current position determines the current spatial position of the actuator and the current target area in the three-dimensional solid model;
  • the instruction adjustment information for adjusting the actuator to the current target area is displayed in the three-dimensional solid model, so that the operator operates the mechanical arm according to the instruction adjustment information, so that the mechanical arm drives the actuator to move to the outer edge of the current target area, so that the actuator and The current target area is coplanar.
  • the current target area of the bone will be highlighted in the 3D model, for example, the current target area will be rendered in color to provide a reference for the doctor.
  • step S206 further includes the step of running the actuator when the mechanical arm is operated after the actuator is coplanar with the current target area;
  • the manipulator is based on the preset stiffness value C of each virtual spring in multiple degrees of freedom directions and the actuator relative to the current target area in multiple degrees of freedom directions
  • the behavior of the robot is obedience-sensitive and can respond to external influences, such as obstacles or process forces. Applying an external force can cause the robot to deviate from the planned orbital path.
  • the model is based on virtual springs and dampers that stretch as the difference between the current measurement and the specified position of the TCP (Tool Center Point).
  • the characteristics of the spring are described by the stiffness value (stiffness), and the characteristics of the damper are described by the damping value (damping).
  • These parameters can be set individually for each translation or rotation dimension. In any target area, set a relatively large stiffness value in the direction perpendicular to the target area, and the stiffness value is greater than a predetermined threshold to limit the movement of the actuator in the direction perpendicular to the target area, thereby effectively avoiding the actuator away from the target area.
  • the predetermined threshold can be flexibly set to limit the movement of the actuator in a direction perpendicular to the current target area, so as to effectively prevent the actuator from deviating from the current target area.
  • the preset stiffness value of the virtual spring in the depth direction and the preset stiffness value of the virtual spring in the lateral direction are all in the range of 0N/m-500N/m. According to Hooke's law, when the force is constant, The smaller the stiffness, the larger the spring deformation. Therefore, setting the stiffness in the depth direction as small as possible can help the displacement of the actuator in this direction. In the transverse direction, the stiffness of the setting is also relatively small, which also helps the actuator to move in this direction for cutting.
  • the preset stiffness value of the virtual spring in the vertical direction ranges from 4000N/m to 5000N/m. According to Hooke's law, when the force is constant, the greater the stiffness, the smaller the spring deformation. Therefore, setting the stiffness in the Z direction as large as possible can help to avoid the displacement of the actuator in the direction, because if the displacement occurs in the Z direction, the actuator will directly cause the actuator to leave the current target area, which will easily cause harm to the patient. This is not allowed.
  • the preset stiffness value of the virtual spring in the rotation direction with the vertical axis as the axis ranges from 0Nm/rad to 20Nm/rad, so that the actuator can rotate in the current target area with the vertical axis as the axis.
  • the value range may also be other range values.
  • step S206 further includes the following step: when the offset is equal to or greater than a preset offset threshold, stop running the actuator.
  • the actuator After the actuator is stopped, go back to the previous steps and readjust the actuator to be coplanar with the target area.
  • the instruction adjustment information for adjusting the actuator to the current target area is displayed in the three-dimensional solid model, so that the operator operates the mechanical arm according to the instruction adjustment information, so that the mechanical arm drives the actuator to move to the outer edge of the current target area, Makes the actuator's plane coplanar with the current target area. After adjusting to achieve coplanarity, proceed to osteotomy.
  • the preoperative planning information further includes selecting bony landmarks on the three-dimensional skeleton model as preoperative planning points.
  • preoperative planning points are determined on the bone in a three-dimensional model of the bone.
  • the three-dimensional model of the knee joint may include a three-dimensional femur model and a three-dimensional tibial model in some possible cases.
  • doctors place pins and trackers on each bone in the patient's knee. Then take the medial approach of the knee joint, cut the skin and subcutaneous tissue, enter the joint to fully expose the tibial plateau, and register and register the bones of the knee joint in turn.
  • the intraoperative marking points are multiple points marked by the doctor on the bone with the surgical probe during the operation, and the line point set is determined by the doctor using the surgical probe to mark the bone during the operation.
  • the optical navigation and positioning system obtains the spatial position of the preoperative planning points on the bone in the 3D model coordinate system and the position of the intraoperative marker points on the solid bone in the world coordinate system. Spatial location. For example, 40 bone positioning points can be collected as intraoperative marker points. See accompanying drawing 7A, shown in 7B.
  • the registration process of the 3D model can be divided into two stages: the first registration stage and the second registration stage, the first registration stage corresponds to the coarse registration stage, and the second registration stage corresponds to the fine registration stage.
  • the first registration stage a preset 3D space point cloud search method can be used for rough registration.
  • roughly registering the spatial position of the preoperative planning point in the three-dimensional model coordinate system with the spatial position of the intraoperative marker point in the world coordinate system includes: by presetting the three-dimensional space
  • the point cloud search method triangulates the preoperative planning points according to the spatial position of the preoperative planning points in the 3D model coordinate system, and triangulates the intraoperative marking points according to the spatial position of the intraoperative marking points in the world coordinate system
  • the actual operation triangle sequence corresponding to the intraoperative marker points and the planning triangle sequence corresponding to the preoperative planning points are obtained;
  • the preoperative planning points are compared in the 3D model coordinate system according to the planning triangle sequence Correct the spatial position of the corrected preoperative planning point to obtain the corrected preoperative planning point; register the intraoperative marker point corresponding to the actual operation triangle sequence with the corrected preoperative planning point.
  • Both intraoperative marker points and preoperative planning points are point sets.
  • the preoperative planning point can be triangulated according to the spatial position of the preoperative planning point in the three-dimensional model coordinate system
  • the intraoperative marker point can be triangulated according to the spatial position of the intraoperative marker point in the world coordinate system.
  • Triangulation processing refers to forming a triangle from every three points.
  • the principle of triangle composition is that the perimeter is the largest, and the points in the triangles can overlap, so as to obtain the practical triangle sequence and preoperative planning points corresponding to the marked points in the operation.
  • the corresponding planning triangle sequence is
  • the preoperative planning points are triangulated according to the spatial position of the preoperative planning points in the 3D model coordinate system, and the space of the intraoperative marker points in the world coordinate system is The position is triangulated on the intraoperative marker points to obtain the actual operation triangle sequence corresponding to the intraoperative marker point and the planning triangle sequence corresponding to the preoperative planning point, including: according to the spatial position of the preoperative planning point in the three-dimensional model coordinate system The first three points of the previous planning point form a triangle, and according to the spatial position of the intraoperative marker point in the world coordinate system, the first three points of the intraoperative marker point form a triangle; starting from the fourth point, the previous point Two points are selected in , and a triangle is formed with the current point to obtain the actual operation triangle sequence corresponding to the intraoperative marked point and the planning triangle sequence corresponding to the preoperative planning point; the triangle formation sequence of the actual operation triangle sequence and the planning triangle sequence are the same.
  • the preoperative planning points For the preoperative planning points, assuming that the order of point clouds in the preoperative planning points is P1, P2, P3...Pn, the first three points automatically form a triangle, and starting from the fourth point, it is necessary to start from the previous Select two points from the points to form a triangle with the current point.
  • the selection principle is that the perimeter of the triangle formed after selection is the largest. According to this principle, several triangle sequences are obtained.
  • the way of generating the triangular sequence of marked points during operation is the same as the way of planning points before operation.
  • correcting the spatial position of the preoperative planning point in the three-dimensional model coordinate system according to the planning triangle sequence includes: through the preset three-dimensional space point cloud search method , determine the second neighborhood space point set on the 3D model according to the spatial position of the preoperative planning point in the 3D model coordinate system; filter out the second target point set from the second neighborhood space point set; The spatial position of the previous planning point under the coordinates of the three-dimensional model is corrected to the position of the second target point set.
  • a second neighborhood space point set on the three-dimensional model of the preoperative planning point in the coordinate system of the three-dimensional model is determined through a preset three-dimensional space point cloud search method.
  • the second neighborhood space point set includes a large number of points.
  • the planning triangle sequence includes multiple triangles, and each triangle includes three triangle points.
  • the target point corresponding to each triangle point of the current triangle is screened in the second neighborhood space point set to obtain the first A set of target points.
  • the default screening strategy is that the triangle formed by the screened three target points and the triangle in the practical triangle sequence are congruent triangles. Since the error of congruent triangles is extremely small, the spatial positions of the three triangular points of the current triangle under the coordinates of the 3D model can be corrected to the positions of the corresponding target points, and the correction process can be repeated to achieve continuous alignment of a large number of triangles in the planned triangle sequence. The spatial position of the pre-planning point under the coordinates of the three-dimensional model is corrected, and then the corrected pre-operative planning point closest to the intraoperative marker point is obtained.
  • the intraoperative marker points corresponding to the actual operation triangle sequence are registered with the corrected preoperative planning points through the registration algorithm to obtain the registration results.
  • the registration algorithm may be ICP (Iterative Closest Point, iterative closest point algorithm).
  • the preoperative planning points can become transparent.
  • the three-dimensional model of preoperative planning can include a three-dimensional femoral model and a three-dimensional tibial model, the three-dimensional femoral model can be as shown in Figure 7A, and the points in the figure are femoral marker points, and the three-dimensional tibial model can be as shown in Figure 7B, and the The point is the tibial marker point.
  • FIG. 9 it is a schematic diagram of the principle of rough registration between the spatial position of the preoperative planning point in the three-dimensional model coordinate system and the spatial position of the intraoperative marker point in the world coordinate system.
  • the points in A represent the intraoperative marking points;
  • the points in a represent the preoperative planning points;
  • B represent the triangular points that can form a triangle among the intraoperative marking points;
  • b represent the triangular points that can form a triangle from the preoperative planning points ;
  • c represents the process of selecting the target point in the neighborhood space point corresponding to the preoperative planning point, and the small point represents the target point;
  • d represents the process of correcting the position of the triangular point in b to the position of the target point;
  • e represents the process of correcting b
  • the corrected triangle point is obtained;
  • f represents the registration process of the triangle point in B and the corrected triangle point in e through the classic ICP registration algorithm.
  • the preoperative planning points are corrected according to the planning triangle sequence, and the corrected preoperative planning points are obtained. Since the triangle is unique and sufficient The stability of the registration is improved, and the preoperative planning points are corrected in advance, which effectively improves the accuracy of registration.
  • the spatial position of the line point set in the world coordinate system is finely registered with the three-dimensional model, and the step of obtaining the registration result includes:
  • the corrected set of dashed points is registered with the spatial position of the set of dashed points in the world coordinate system.
  • a second stage of fine registration is required.
  • stage of fine registration no preoperative planning is required.
  • surface calibration equipment such as surgical probes can be used to perform scribing operations on the solid bone surface, and the scribing point sets on each bone surface can be collected through the scribing operation.
  • the scribe area that needs to be scribed is the key bone area on the surface of each bone, that is, the area containing key bone points.
  • the position of the tracer on the surgical probe is tracked by the tracking camera in the optical navigation positioning system, and the tracer on the surgical probe is in the world coordinate system during the marking process obtained according to the tracking camera Determine the spatial position of the line point set on the skeleton of the entity in world coordinates to obtain the line point set.
  • FIG. 10 it is a drawing entity diagram obtained by performing a drawing operation on the surface of the tibia.
  • A, B, and C are the lines drawn on the surface of the tibia, respectively.
  • the surgical probe may be used to perform sampling at a frequency S, and the point collection operation may be performed on the line to subdivide the entire line segment into several point sets.
  • the neighborhood space point set of the dashed point set on the 3D model can be determined first, and then the dashed point set can be aligned according to the neighborhood space point set and the spatial position of the dashed point set in the world coordinate system.
  • the spatial position in the three-dimensional model coordinate system is corrected, and then the corrected line point set is registered with the space position of the line point set in the world coordinate system.
  • the first registration matrix represents the conversion relationship between the world coordinate system and the three-dimensional model coordinate system obtained through rough registration.
  • the spatial position of the set of dashed points in the world coordinate system can be reflected back to the coordinate system of the three-dimensional model, so as to obtain the position of the set of marked points in the coordinate system of the three-dimensional model.
  • the neighborhood space search can be performed on the 3D model according to the position of the dashed point set in the 3D model coordinate system to obtain the first neighborhood space point set.
  • the first neighborhood space point set is a neighborhood space point set corresponding to the dashed line point set in the three-dimensional model coordinate system.
  • correcting the spatial position of the dashed point set in the 3D model coordinate system according to the spatial position of the first neighborhood space point set and the dashed point set in the world coordinate system includes: according to the space position of the dashed point set in the world Spatial position in the coordinate system: pair the points in the set of dashed points with triangles to obtain a sequence of paired triangles; correct the spatial position of the set of dashed points in the coordinate system of the 3D model according to the first neighborhood space point set and the paired triangle sequence .
  • the dashed point set is composed of points on multiple line segments, for example, may include points in three line segments.
  • the points in the set of dashed points are paired in triangles, and a point is selected in each line segment, and every three points form a triangle.
  • the principle of composition is that the perimeter of the triangle is the largest.
  • a sequence of paired triangles is obtained.
  • the sequence of paired triangles includes a plurality of triangles.
  • the spatial position of the preoperative planning points under the coordinates of the 3D model is corrected through the second neighborhood space point set, and the line point set is adjusted in 3D according to the first neighborhood space point set and the paired triangle sequence.
  • the spatial position in the model coordinate system is corrected.
  • correcting the spatial position of the dashed point set in the three-dimensional model coordinate system according to the first neighborhood space point set and the paired triangle sequence includes: filtering out the first target point set from the first neighborhood space point set;
  • the paired triangle sequence corrects the spatial position of the dashed point set in the three-dimensional model coordinate system to the position of the first target point set.
  • the first neighborhood space point set includes a large number of points.
  • the paired triangle sequence includes multiple triangles, and each triangle includes three triangle points.
  • the target point corresponding to each triangle point of the current triangle can be screened in the second neighborhood space point set according to the paired triangle sequence to obtain the first A set of target points.
  • the default screening strategy is that the triangle formed by the screened three target points is congruent with the triangle in the paired triangle sequence.
  • the spatial positions of the three triangle points of the current triangle under the coordinates of the three-dimensional model can be respectively corrected to the positions corresponding to the target points in the first target point set, and the correction process can be repeated to achieve A large number of triangles continuously correct the spatial position of the dashed point set in the 3D model coordinates, making the spatial position of the dashed point set reflected in the 3D model coordinate system more accurate.
  • the corrected set of dashed points and the spatial position of the set of dashed points in the world coordinate system are registered through a registration algorithm to obtain a registration result.
  • the registration algorithm may be ICP (Iterative Closest Point, iterative closest point algorithm).
  • the registration result can be the transformation relationship between the final world coordinate system and the three-dimensional coordinates, and the accuracy of the intraoperative operation can be improved through the registration result.
  • the space position of the line point set on the skeleton of the entity in the world coordinate system is acquired through the line line operation, so that the space position of the line point set in the world coordinate system is obtained according to the first registration matrix
  • the position is precisely registered with the 3D model. Compared with the traditional point-taking registration algorithm, the registration efficiency is greatly improved, and the registration accuracy is also greatly improved.
  • the volatile memory may be Random Access Memory (RAM for short), which acts as an external cache.
  • RAM Random Access Memory
  • many forms of RAM are available, such as Static Random Access Memory (Static RAM, SRAM for short), Dynamic Random Access Memory (Dynamic RAM, DRAM for short), Synchronous Dynamic Random Access Memory (Synchronous DRAM, referred to as SDRAM), double data rate synchronous dynamic random access memory (Double Data Rate SDRAM, referred to as DDRSDRAM), enhanced synchronous dynamic random access memory (Enhanced SDRAM, referred to as ESDRAM), synchronous connection dynamic random access memory (Synchlink DRAM, referred to as SLDRAM) and direct memory bus random access memory (DirectRambus RAM, referred to as DRRAM).
  • Static Random Access Memory Static Random Access Memory
  • Dynamic RAM Dynamic RAM
  • Synchronous Dynamic Random Access Memory Synchronous Dynamic Random Access Memory
  • DDRSDRAM double data rate synchronous dynamic random access memory
  • ESDRAM enhanced synchronous dynamic random access memory
  • the storage medium described in the embodiments of the present application is intended to include but not limited to these and any other suitable types of storage.

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Abstract

本申请提供一种手术机器人导航定位方法、装置、设备及存储介质，涉及医疗器械技术领域，该方法包括：生成术前规划信息；其中，术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型；利用假体模型进行预先试验模拟装配。生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；提高了配准的效率和精度。获取骨骼的关键数据，在骨骼实体模型中可视化显示关键数据；根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂。本申请能够避免偏离目标区域给患者带来误伤。

Description

一种手术机器人导航定位方法、装置、设备及存储介质
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年09月03日提交的申请号为202111035741.X，发明名称为“手术机器人导航定位方法及系统”的中国专利申请的优先权，其通过引用方式全部并入本文。
技术领域
本申请涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种手术机器人导航定位方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
医生在进行骨骼手术时，需要使用电动刀锯对骨骼进行切割。医生操作时，一般是根据自己的经验来进行，人工操作往往定位不准确，很容易误切割，安全性比较低。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种手术机器人导航定位方法、装置、设备及存储介质，以解决现有技术中，人工进行切割时的安全性不高的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种手术机器人导航定位方法，包括：
生成术前规划信息；其中，术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型和基于骨骼假体模型确定的多个目标区域；
生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；获取骨骼的关键数据，在骨骼实体模型中可视化显示关键数据；响应于操作者基于关键数据对骨骼假体模型的调整；基于调整后的骨骼假体模型确定调整后的多个目标区域；
响应于操作者从调整后的多个目标区域选定的一个目标区域作为当前目标区域，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂。
在一种实施方式中，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂的步骤包括：
在执行器运行前，当机械臂运动至骨骼处时，根据跟踪相机获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的当前位置确定执行器、当前目标区域在三维实体模型中的当前空间位置；
在三维实体模型中显示将执行器向当前目标区域调整的指示调节信息，以使操作者根据指示调节信息操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器的平面与当前目标区域共面。
在一种实施方式中，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂的步骤还包括：
在执行器的平面与当前目标区域共面之后，在机械臂被操作时，运行所述执行器；
启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上执行器相对于当前目标区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，且，F＝Δx*C。
在一种实施方式中，执行器向当前目标区域切入的方向记为进深方向，在当前目标区域内并与切入方向垂直的方向记为横向，与当前目标区域垂直的方向记为垂直方向；偏移量包括进深方向的偏移值、横向的偏移值、垂直方向的偏移值、绕进深方向旋转的偏移值、绕横向旋转的偏移值、绕垂直方向旋转的偏移值。
在一种实施方式中，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂的步骤还包括：
当所述偏移量等于或大于预设偏移阈值时，停止运行执行器。
在一种实施方式中，所述术前规划信息还包括在骨骼三维模型上选择骨性标志点作为术前规划点；
相应的，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型的步骤包括：
获取术前规划点在三维模型坐标下的空间位置，以及实体的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置；
将所述术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与所述术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行第一配准，得到第一配准矩阵；
获取实体的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置；
根据所述第一配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置与所述三维模型进行第二配准，得到配准结果。
在一种实施方式中，根据所述第一配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置与所述三维模型进行配准，得到配准结果的步骤包括：
根据所述第一配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维模型坐标系中，得到划线点集在三维模型坐标系下的位置；
根据所述划线点集在三维模型坐标系下的位置在所述三维模型上进行邻域空间搜索，得到第一邻域空间点集；
根据所述第一邻域空间点集以及所述划线点集在世界坐标系下的空间位置对所述划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；
将所述修正后的划线点集与所述划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。
第二方面，本申请还提出了一种手术机器人导航定位装置，包括：
术前规划模块，被配置为确定术前规划信息；其中，所述术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型和基于骨骼假体模型确定的多个目标区域；
术中调整模块，被配置为生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；获取骨骼的关键数据，在骨骼实体模型中可视化显示关键数据；响应于操作者基于关键数据对骨骼假体模型的调整；基于调整后的骨骼假体模型确定调整后的多个目标区域；
执行模块，被配置为响应于操作者从调整后的多个目标区域选定的一个目标区域作为当前目标区域，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内。
第三方面，本申请还提出了一种电子设备，包括：至少一个处理器和至少一个存储器；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行如上述任一项所述的方法的步骤。
第四方面，本申请还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中包含一个或多个程序指令，所述一个或多个程序指令用于执行如上述任一项所述的方法的步骤。
在本申请实施例中，生成术前规划信息，术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型和基于骨骼假体模型确定的多个目标区域；可以对两模型进行模拟安装，实现了假体置换的术前可视化模拟，有助于提高骨骼置换手术的精度，解决相关技术中骨骼置换术前规划依赖人工经验而导致的手术精度低、安全性差的缺陷；生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；与传统的取点配准算法相比，配准效率有利极大的提高，配准精准度也有较大提高。根据目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂将执行器的运动限定在当前目标区域内；本申请可以有效避免执行器偏离目标区域，从而尽量避免因为偏离目标区域而给患者带来不必要的伤害。
附图说明
为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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1A是根据本申请实施例的一种手术场景图；
图1B是根据本申请实施例的一种机器人系统组成示意图；
图2是本申请提供的手术机器人导航定位方法的流程图；
图3A是根据本申请实施例的一种膝关节的三维重建示意图；
图3B是根据本申请实施例的一种关键点识别与标记的示意图；
图3C是根据本申请实施例的一种假体规划示意图；
图3D是根据本申请实施例的一种模拟术后预览示意图；
图4A是根据本申请实施例的一种胫骨截骨平面示意图；
图4B是根据本申请实施例的一种股骨截骨平面示意图；
图5A是根据本申请实施例的一种胫骨假体安装的冠状面参考图；
图5B是根据本申请实施例的一种胫骨假体安装的横断面参考图；
图5C是根据本申请实施例的一种胫骨假体安装的矢状面参考图；
图5D是根据本申请实施例的一种股骨假体安装的冠状面参考图；
图5E是根据本申请实施例的一种股骨假体安装的横端面参考图；
图5F是根据本申请实施例的一种股骨假体安装的矢状面参考图；
图6A是根据本申请实施例的一种膝关节的伸直位模拟图；
图6B是根据本申请实施例的一种膝关节的屈曲位模拟图；
图7A是根据本申请实施例的一种三维股骨标记模型示意图；
图7B是根据本申请实施例的一种三维胫骨标记模型示意图；
图8是根据本申请实施例的一种准备截骨时的状态示意图；
图9是根据本申请实施例的一种粗配准的原理示意图；
图10是根据本申请实施例的一种在胫骨表面划线示意图；
图11是本申请提供的膝关节手术机器人导航定位装置的结构示意图；
图12是本申请提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步 骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本实施例的手术机器人导航定位方法及系统可应用于骨骼手术的术前规划和术中辅助，例如，应用于膝关节置换手术、髋关节置换手术、脊柱手术等。
参见附图1A所示的本申请提出的一种手术的场景图和图1B所示的一种机器人组成示意图；机器人包括：上位机主控系统11、机械臂系统12和光学导航仪系统13。上位机主控系统11、机械臂系统12和光学导航仪系统13之间通过有线或者无线的方式互相传递数据。
上位机主控系统11主要包括上位机和显示屏。其中，上位机用于对图像进行各种运算处理，上位机中还存储有假体库，用于手术前进行规划选型。
光学导航仪系统13设置有NDI光学相机(例如，红外双目相机)、图像采集系统和显示屏；NDI光学相机可跟踪机械臂末端、骨骼(例如，膝关节的股骨、胫骨)上的光学小球，上位机根据NDI光学相机跟踪到的光学小球的位置，确定骨骼的目标区域、械臂末端的位置。上位机主控系统11的显示屏和光学导航仪系统13的显示屏同步显示骨骼的三维图像。
机械臂系统12可包括机械臂的控制系统和机械臂；其中，机械臂的控制系统用来控制机械臂运动，上述的机械臂运动包括：前进，后退，旋转等各种动作；以及控制机械臂的启动和停止。
机械臂的末端设置有执行器，在手术机器人导航定位方法及系统应用于膝关节置换手术中时，执行器可以为锯片，用于截骨。目标区域可为下述的截骨平面。
本申请提出了一种手术机器人导航定位方法，参见附图2所示的一种手术机器人导航定位方法的流程图；该方法包括以下的步骤：
步骤S202、生成术前规划信息。该方法中，术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型和基于骨骼假体模型确定的多个目标区域。
可选的，在获取到骨骼的医学图像后，对医学图像进行分割和三维重建，得到骨骼的三维骨骼模型。基于三维骨骼模型，确定骨骼关键参数；基于骨骼关键参数确定三维骨骼假体模型的类型和型号。
在本实施例中，在获取到目标用户的骨骼CT或者核磁图像数据后，可以通过神 经网络模型对扫描图像进行图像分割，可以按需分割成不同粒度的区域，例如，对获取到膝关节的骨骼CT图像进行分割，得到股骨区域和胫骨区域，或者还可以按需分割成股骨区域、胫骨区域、腓骨区域和髌骨区域；而后可以对分割后各个区域图像进行三维重建，得到各个骨骼区域的三维图像，参考图3A，基于CT或者核磁数据，所得到的三维骨骼模型。
参见图3B所示，骨骼关键参数可包括骨骼关键解剖点、骨骼关键轴线和骨骼尺寸参数，骨骼关键解剖点可基于深度学习算法，例如神经网络模型，进行识别，并在三维骨骼模型上将识别的骨骼关键解剖点进行标记。
骨骼尺寸可包括股骨左右径、股骨前后径、胫骨左右径和胫骨前后径，股骨左右径根据股骨内外侧缘连线，股骨前后径根据股骨前皮质切线和股骨后髁切线确定，胫骨左右径根据胫骨内外侧缘连线确定，胫骨前后径根据胫骨前后缘连线确定。
骨骼关键轴线基于骨骼关键解剖点确定，基于骨骼关键轴线确定骨骼关键角度。而基于骨骼关键轴线、骨骼关键角度有助于确定三维骨骼假体模型的类型和型号。膝关节的三维骨骼假体模型一般性地包括三维股骨假体模型、三维胫骨假体和连接三维胫骨假体模型和三维股骨假体模型的垫片模型。
三维骨骼假体模型可为目前市场上已有的全膝关节置换用的假体模型，三维骨骼假体模型有多种类型，每种类型的三维骨骼假体模型有多种型号。例如，三维股骨假体模型的类型有ATTUNE-PS、ATTUNE-CR、SIGMA-PS150等，ATTUNE-PS的型号有1、2、3、3N、4、4N、5、5N、6、6N。术前规划系统中可智能化的从假体库中推荐假体型号，操作者也可以基于骨骼关键轴线和骨骼关键角度，通过交互界面从假体库中选择骨骼假体模型的类型和型号，调整骨骼假体模型的安放位置和安放角度。参见图3C所示，在界面中可以显示假体的型号，可以更换假体型号，观察更换后的覆盖效果。
示例性地，骨骼关键轴线、骨骼关键角度可通过以下方式确定：
胫骨机械轴为胫骨膝关节中心(髁间棘的中心)到胫骨踝关节中心(内外踝外侧骨皮质连线的中点)确定；胫骨解剖轴为胫骨的骨干的中心线确定，胫骨机械轴与胫骨解剖轴两条线平行。
基于股骨解剖轴的一个端点为位于股骨远端(股骨头最上面的点)和近端(股骨内侧髁远端的部分)的股骨干内外侧宽度的中间的股骨干中心点，另一端点在膝关节面上10处，平分内外侧骨皮质处；股骨机械轴的一个断电位于髋关节中心，另一端点位于股骨的膝关节中心点(股骨髁间窝顶点)。
基于股骨内外后髁最低点之间的连线得到后髁连线，基于股骨内髁凹与股骨外髁最高点之间的连线得到通髁线。
基于股骨机械轴和胫骨机械轴二者形成的夹角得到胫骨角；基于股骨机械轴和解剖轴的夹角得到远端股骨角。根据股骨通髁线与后髁连线在横断面的投影线之间的夹 角得到股骨后髁角PCA。
示例性地，术前规划系统通过交互界面确定假体型号的实现方式可以包括：可以在界面设置各个三维骨骼假体模型的配置项，例如，可以是三维股骨假体模型配置项、三维胫骨假体模型配置项、和三维垫片模型的配置项，当某一个配置项被触发后(例如，选定方式触发配置项)，可以自动匹配对应的假体库，而后检测假体库中哪一个假体模型被触发，将被触发的假体模型信号作为置换假体。例如，当股骨假体模型配置项被触发后，可以与股骨假体库建立关联，而后在界面显示股骨假体库中的所有假体的型号，之后检测哪一个类型的股骨假体模型和该类型下的哪一个型号的股骨假体模型被触发，从而选定被触发的股骨假体模型作为股骨假体模型。
将选择的三维骨骼假体模型植入三维骨骼模型。基于骨骼关键参数和所述三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度。
在本实施例中，可以将三维骨骼假体模型和三维骨骼模型通过三维模型重合显示的方式，实现三维骨骼假体的模拟安装。
在本实施例中，实现了三维可视化显示三维骨骼模型与三维假体模型的匹配调节过程、匹配效果。在得到植入三维骨骼假体模型后的三维骨骼模型后，可以基于股骨外翻角、股骨内翻角、股骨外旋角、股骨内旋角、股骨左右径、股骨前后径确定股骨假体模型是否与三维股骨模型已安装适配。
可以基于胫骨内翻角、股骨外翻角、胫骨左右径、胫骨前后径确定胫骨假体模型是否与三维胫骨模型已安装适配。
参见图3D，可以模拟术后预览。在术后预览的过程中，可以观察假体是否合适。
作为本实施例一种可选的实现方式，三维骨骼模型包括三维股骨模型，三维骨骼假体模型包括三维股骨假体模型，骨骼关键参数包括股骨关键参数，股骨关键参数包括股骨机械轴、股骨通髁线、后髁连线、股骨左右径和股骨前后径；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整所述三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度的步骤包括：基于股骨左右径和股骨前后径，调整三维股骨假体模型的放置位置；调整三维股骨假体模型的内翻角或外翻角，使三维股骨假体模型的横截面与所述股骨机械轴垂直；调整三维股骨假体的内旋角或外旋角，使股骨后髁角PCA(股骨通髁线与后髁连线在横断面的投影线之间的夹角)在预设范围内。
在本可选的实现方式中，当股骨假体模型的放置位置满足股骨假体模型能覆盖股骨左右、股骨前后，则安装位置合适。
可以基于股骨假体模型的当前位置，实时根据股骨假体模型在冠状面上下方向上的中轴线与股骨力线相对角度确定股骨外翻角和股骨内翻角，根据股骨假体模型横轴和通髁线相对角度确定外旋角和内旋角；通过股骨机械轴和股骨假体模型在矢状面前后方向上的中轴线的角度确定股骨屈曲角。通过调整上述角度，可以确定三维股骨假体模型的安装角度是否合适，例如，当内/外翻角调整为0°时，PCA一般调整为3° 时，则认定为股骨假体模型的安放位置和安放角度调整到合适的位置。作为本实施例一种可选的实现方式，三维骨骼模型还包括三维胫骨模型，三维股骨假体模型还包括三维胫骨假体模型；骨骼关键参数还包括胫骨关键参数，胫骨关键参数包括胫骨机械轴、胫骨左右径和胫骨前后径；基于骨骼关键参数和三维骨骼假体模型的类型和型号调整三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度的步骤包括：基于胫骨左右径和胫骨前后径，调整三维胫骨假体模型的安放位置；调整三维胫骨假体的内翻角或外翻角，使胫骨机械轴与三维胫骨假体的横截面垂直。
在本可选的实现方式中，除通过上述方式确定安装位置和角度外，还可以根据胫骨假体的设计原则确定胫骨假体的后倾角，胫骨假体的屈曲角的调整大小可以基于患者生理特性确定，调整为0°或其他，避免出现notch(缺口)、Over。
作为本实施例一种可选的实现方式，在调整所述三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度的步骤之后，本实施例方法还包括：基于三维骨骼假体模型与三维假体模型的匹配关系进行模拟截骨，得到三维骨骼术后模拟模型；对三维股骨术后模拟模型进行包括伸直位和屈曲位的运动模拟；在伸直位状态确定伸直间隙，在屈曲状态确定屈曲间隙；对比伸直间隙与屈曲间隙，对三维骨骼假体模型进行匹配性验证。
在本可选的实现方式中，根据骨骼假体模型设计原则确定骨骼截骨厚度，不同的骨骼假体模型可能对应不同的截骨厚度；骨骼假体模型与骨骼匹配后，便可确定截骨平面。
截骨平面可以包括股骨截骨平面和胫骨截骨平面，胫骨截骨平面为胫骨平台，股骨截骨平面可包括股骨前端截骨平面、股骨前斜截骨平面、股骨后髁截骨平面、股骨后斜截骨平面、股骨远端截骨平面。
在调整好三维骨骼假体模型的安放位置和安放角度之后，基于三维骨骼假体模型与三维骨骼模型的匹配关系进行模拟截骨，得到三维骨骼术后模拟模型。参考图5A、图5B和图5C，阴影部分为胫骨假体，图5A至图5C为胫骨假体安装至截骨后的胫骨上不同角度的参考图。参考图5D、图5E和图5F，阴影部分为股骨假体，图5D至图5F为匹配股骨假体模型后的股骨模型在不同视角下的参考图。
在得到三维骨骼术后模拟模型后，可以通过如图6A的伸直位模拟图确定伸直间隙；通过如图6B的屈曲位模拟图，确定屈曲间隙。基于伸直间隙和屈曲间隙，确定三维骨骼假体模型是否与截骨后的三维骨骼模型适配。通过对假体的安装效果进行模拟可从不同角度观察假体大小、位置是否合适，是否出现假体碰撞、异位，进而能够精确地确定假体与骨骼是否适配。用户可通过该最终的模拟图像，确定是否需要重新对假体模型进行调整，如果更换假体型号，那么可重新调用假体库，基于新的骨骼假体模型生成置换后的三维骨骼术后模拟模型。通过对术后的预期效果进行模拟，可以使最终得到的骨骼假体模型与患者的膝关节更加匹配。
在一些实施例中，膝关节置换的术前规划方法还可包括：基于三维股骨模型确定 股骨髓腔中心点的三维坐标；通过圆形拟合法创建髓内定位模拟杆；由髓内定位模拟杆确定股骨开髓点。
在可选的实现方式中，在膝关节置换术中还需要确定股骨髓内定位模拟杆入针点的位置，其中髁间窝的顶点可作为髓内定位模拟杆的入针点位置，入针点的位置即可作为股骨开髓点。在术中，三维骨骼模型上可视化显示髓内定位模拟杆和股骨开髓点，引导医生开髓。
步骤S204、生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；获取骨骼的关键数据，在骨骼实体模型中可视化显示关键数据；响应于操作者基于关键数据对骨骼假体模型的调整；基于调整后的骨骼假体模型确定调整后的多个目标区域。
在应用于膝关节手术时，骨骼的关键数据可包括膝关节在运动状态下的动态力线数据。
在世界坐标系配准到三维模型坐标系后，通过红外双目相机对膝关节的股骨、胫骨上的示踪器(安装有多个光学小球)进行跟踪，采集到膝关节的动态力线数据。通过对假体模型的安放位置、安放角度的可视化显示以及对膝关节的动态力线数据的可视化显示，方便医生可根据动态力线数据对假体模型的安装位置、安放角度进行调整，以使假体模型与患者的膝关节更加匹配。
步骤S206、响应于操作者从调整后的多个目标区域选定的一个目标区域作为当前目标区域，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内。
术前规划信息还可包括多个目标区域被操作的顺序，为术中的医生提供参考，便于医生选择其中一个目标区域作为当前被操作的当前目标区域。在手术机器人导航定位方法及系统应用于膝关节置换手术时，目标区域可为前述的截骨平面。
术前计划结束之后，进入机械臂准备的工作，可以包括：机械臂控制、机械臂校准等方面的参数设置工作。例如，可以设定机械臂的运动的速度，可以进行初始摆位设置，套膜位设置、准备位设置、刹车测试，回零，示教，停止等操作。
可选的，根据执行器在运行之前和执行的过程中，上述步骤S206包括以下三种方式。
在一种实施方式中，步骤S206包括以下的步骤，在执行器运行前，当机械臂运动至骨骼处时，根据跟踪相机获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的当前位置确定执行器、当前目标区域在三维实体模型中的当前空间位置；
在三维实体模型中显示将执行器向当前目标区域调整的指示调节信息，以使操作者根据指示调节信息操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器与当前目标区域共面。
如图8所示，执行器在截骨前，三维模型中会突出显示骨骼的当前目标区域，例 如，彩色渲染当前目标区域，为医生提供参考。
在一种实施方式中，步骤S206还包括以下的步骤，在执行器与当前目标区域共面之后，在机械臂被操作时，运行所述执行器；
启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上执行器相对于当前目标区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，F＝Δx*C，从而将执行器的运动限定在当前目标区域内。
其中，笛卡尔阻尼控制模式下，机器人的行为是顺从敏感的，并能对外部影响作出反应，外部影响比如，可以为障碍物或过程力。施加外力可使机器人离开计划的轨道路径。
此模型基于虚拟弹簧和阻尼器实现，它们随当前测量值和TCP(Tool Center Point，工具中心点)的指定位置的差值而伸展变化。弹簧的特性由刚度值(stiffness)描述，阻尼器的特性由阻尼值(damping)描述。这些参数均可以在每个平移或旋转维度单独设置。在任意的一个目标区域中，在垂直于目标区域的方向上，设置比较大的刚度值，刚度值大于预定的阈值，以限制执行器在垂直于目标区域的方向上运动，从而有效避免执行器偏离目标区域。其中，预定的阈值可以灵活进行设定，以限制执行器在垂直于当前目标区域的方向上运动，从而有效避免执行器偏离当前目标区域。
在一种实施方式中，执行器向当前目标区域切入的方向记为进深方向，在当前目标区域内并与切入方向垂直的方向记为横向，与当前目标区域垂直的方向记为垂直方向；偏移量包括进深方向的偏移值、横向的偏移值、垂直方向的偏移值、绕进深方向旋转的偏移值、绕横向旋转的偏移值、绕垂直方向旋转的偏移值。
示例性的，进深方向上的虚拟弹簧的预设刚度值、横向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围均为0N/m～500N/m，根据胡克定律，当力一定时，刚度越小，弹簧形变量越大。所以，在进深方向的刚度设置的尽可能小，可以有助于执行器在该方向发生位移。在横向上，设置的刚度也比较小，也有助于执行器在该方向移动，进行切割。
垂直方向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围为4000N/m～5000N/m，根据胡克定律，当力一定时，刚度越大，弹簧形变量越小。所以，在Z方向的刚度设置的尽可能大，可以有助于避免执行器在方向发生位移，因为如果在Z方向发生位移之后，直接造成执行器脱离当前目标区域，容易给患者带来伤害，这是不允许的。
以垂直方向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的预设刚度值的取值范围为0Nm/rad～20Nm/rad，使得执行器可以垂直方向为轴在当前目标区域内旋转。
以进深方向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的预设刚度值、以横向为轴旋转方向上的虚拟弹簧的刚度值的取值范围均为200Nm/rad～300Nm/rad，限制执行器以进深方向为轴旋转、以横向为轴旋转的位移，进一步避免了执行器脱离当前目标区域，保证截骨的安全性。
当然，取值范围也可以是其他的范围值。可选的，设定不同自由度方向的弹簧刚度时，可以使用函数setStiffness(…)(type:double)进行设定。
在一种实施方式中，步骤S206还包括以下的步骤：当偏移量等于或大于预设偏移阈值时，停止运行执行器。
执行器停止之后，返回前述的步骤，将执行器重新调整为与目标区域共面。可选的，在三维实体模型中显示将执行器向当前目标区域调整的指示调节信息，以使操作者根据指示调节信息操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器的平面与当前目标区域共面。调整实现共面之后，再继续截骨。
在一种实施方式中，步骤S204中，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型的步骤包括：
获取术前规划点在三维模型坐标下的空间位置，以及实体(患者)的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置；
将术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行第一配准，即粗配准，得到第一配准矩阵；
获取实体的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置；
根据第一配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维模型进行第二配置，即精配准，得到配准结果。
可选的，术前规划信息还包括在骨骼三维模型上选择骨性标志点作为术前规划点。术前，会在骨骼的三维模型中的骨骼上确定术前规划点。在应用于膝关节置换手术时，膝关节三维模型在一些可能的情况下可以包括三维股骨模型和三维胫骨模型。在膝关节置换手术过程中，患者采用仰卧位，医生可以分别在患者的膝关节的各骨骼上植入固定钉，并在各骨骼上安装示踪器。之后取膝关节内侧入路，切开皮肤和皮下组织，进入关节充分暴露胫骨平台，依次对膝关节的各骨骼进行注册配准。
术中标记点为医生在术中利用手术探针在骨骼上标记的多个点，划线点集为医生在术中利用手术探针在骨骼上进行划线操作确定的，手术探针上安装有多个光学小球，上位机根据跟踪相机追踪到的光学小球的位置，确定术中标记点、划线点集分别在世界坐标系下的空间位置。
光学导航定位系统在骨骼配准过程中，获取骨骼的三维模型中骨骼上的术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置，以及实体的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置。例如，可以采集40个骨骼定位点作为术中标记点。参见附图7A、7B所示。
对三维模型的配准过程可以分为两个阶段：第一配准阶段和第二配准阶段，第一配准阶段对应粗配准阶段，第二配准阶段对应精配准阶段。第一配准阶段，可以采用预设三维空间点云搜索方式进行粗配准。
在本实施例的一种可选方式中，将术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与 术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准包括：通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置将术前规划点进行三角化处理，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置对术中标记点进行三角化处理，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列；通过预设三维空间点云搜索方式，根据规划三角形序列对术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的术前规划点；将实操三角形序列对应的术中标记点与修正后的术前规划点进行配准。
术中标记点和术前规划点均为点集。可以根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置将术前规划点进行三角化处理，同时根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置对术中标记点进行三角化处理。三角化处理是指将每三个点组成一个三角形，三角形的组成原则是周长最大，三角形之间中的点可以存在重合，从而得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列。进一步的，通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置将术前规划点进行三角化处理，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置对术中标记点进行三角化处理，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列包括：根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置将术前规划点的前三个点组成三角形，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置将术中标记点的前三个点组成三角形；从第四个点开始，分别在之前的点中选取两个点，与当前点组成三角形，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列；实操三角形序列与规划三角形序列的三角形组成顺序是相同的。术中标记点与术前规划点的三角化方式是相同的。
示例性的，对于术前规划点，假设术前规划点中的点云排列顺序为P1、P2、P3...Pn，则前三个点自动组成三角形，从第四个点开始需要从之前的点中挑选出两个点与当前点组成三角形，挑选原则为挑选过后所组成的三角形周长最大。根据这一原则得到若干三角形序列。术中标记点生成三角形序列的方式与术前规划点的方式是相同的。
在本可选的实现方式中，通过预设三维空间点云搜索方式，根据规划三角形序列对术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置进行修正包括：通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置在三维模型上确定第二邻域空间点集；在第二邻域空间点集中筛选出第二目标点集；根据规划三角形序列将术前规划点在三维模型坐标下的空间位置修正至第二目标点集的位置。
可选的，通过预设三维空间点云搜索方式，确定三维模型坐标下系的术前规划点在三维模型上的第二邻域空间点集。第二邻域空间点集中包括大量的点。
规划三角形序列中包括多个三角形，每个三角形包括三个三角点，对于当前三角形，根据预设筛选策略在第二邻域空间点集中筛选当前三角形的每个三角点对应的目标点，得到第一目标点集。预设筛选策略为筛选出的三个目标点组成的三角形与实操 三角形序列中的三角形为全等三角形。由于全等三角形误差极小，可以当前三角形的三个三角点在三维模型坐标下的空间位置分别修正至对应目标点的位置，重复该修正过程，实现通过规划三角形序列中的大量三角形不断对术前规划点在三维模型坐标下的空间位置进行修正，进而得到与术中标记点最相近的修正后的术前规划点。
之后，通过配准算法将实操三角形序列对应的术中标记点与修正后的术前规划点进行配准，得到配准结果。例如，配准算法可以是ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点算法)。当配准完成后，术前规划点可以变为透明。例如，术前规划的三维模型可以包括三维股骨模型和三维胫骨模型，三维股骨模型可以如图7A所示，图中的点为股骨标记点，三维胫骨模型可以如图7B所示，图中的点为胫骨标记点。将术中标记点中的股骨标记点与股骨规划点进行配准，配准完成后，该配准点变为透明。相应的，将术中标记点中的胫骨标记点与胫骨规划点进行配准，配准完成后，该配准点变为透明,参见附图8B所示的骨骼准备示意图。
示例性的，如图9所示，为术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准的原理示意图。其中，A中的点表示术中标记点；a中的点表示术前规划点；B表示术中标记点中可组成一个三角形的三角点；b表示术前规划点可组成一个三角形的三角点；c表示在术前规划点对应的邻域空间点集中筛选出目标点的过程，小点表示目标点；d表示将b中三角点的位置修正至目标点的位置的过程；e表示对b中三角点的位置进行修正后，得到的修正后的三角点；f表示通过经典的ICP配准算法将B中的三角点与e中修正后的三角点进行配准的过程。
在本实施例中，通过对术中标记点以及术前规划点进行三角化处理，根据规划三角形序列对术前规划点进行修正，得到修正后的术前规划点，由于三角形具有唯一性和足够的稳定性，且预先对术前规划点进行了修正，有效提高了配准的准确性。
在一种实施方式中，根据第一配准矩阵或者说粗配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维模型进行精配准，得到配准结果的步骤包括：
根据第一配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维模型坐标系中，得到划线点集在三维模型坐标系下的位置；
根据划线点集在三维模型坐标系下的位置在三维模型上进行邻域空间搜索，得到第一邻域空间点集；
根据第一邻域空间点集以及划线点集在世界坐标系下的空间位置对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；
将修正后的划线点集与所述划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。
可选的，在完成粗配准后，需要进行第二阶段的精配准。在精配准阶段，不需要进行术前规划，在术中可以利用手术探针等表标定设备在实体的骨骼表面进行划线操作，通过划线操作采集到各骨骼表面的划线点集。其中，需要进行划线操作的划线区 域是各骨骼表面的关键骨骼区域，即包含关键骨骼点的区域。
示例性的，通过光学导航定位系统中的跟踪相机追踪手术探针上的示踪器的位置，根据跟踪相机获取的手术探针在划线过程中，其上的示踪器在世界坐标系下的空间位置，确定实体的骨骼上的划线点集在世界坐标下的空间位置，以得到划线点集。
如图10所示，为在胫骨表面进行划线操作得到的划线实体图。其中，A、B、C分别为胫骨表面所划得线。
在本实施例的一种可选方式中，在划线操作中，可以通过手术探针以频率S进行采样，在线上进行采点操作，将整条线段细分为若干点集。
在精配准过程中，可以先确定划线点集在三维模型上的邻域空间点集，从而根据邻域空间点集中以及划线点集在世界坐标系下的空间位置对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，进而将修正后的划线点集与划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。
在本实施例的一种可选方式中，根据各骨骼第一配准矩阵将各骨骼划线点集在世界坐标系下的空间位置与各骨骼三维模型进行精配准包括：根据各骨骼第一配准矩阵将各骨骼划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维模型坐标系中，得到划线点集在三维模型坐标系下的位置；根据各骨骼划线点集在三维模型坐标系下的位置在各骨骼三维模型上进行邻域空间搜索，得到第一邻域空间点集；根据各骨骼第一邻域空间点集以及各骨骼划线点集在世界坐标系下的空间位置对各骨骼划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；将各骨骼修正后的划线点集与各骨骼划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。
第一配准矩阵表示粗配准得到的世界坐标系与三维模型坐标系的转换关系。根据第一配准矩阵可以将划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维模型坐标系中，从而得到划线点集在三维模型坐标系下的位置。由于三维模型对应三维模型坐标系，由此可根据划线点集在三维模型坐标系下的位置在三维模型上进行邻域空间搜索，得到第一邻域空间点集。第一邻域空间点集为三维模型坐标系下的划线点集对应的邻域空间点集。
可选的，根据第一邻域空间点集以及划线点集在世界坐标系下的空间位置对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正包括：根据划线点集在世界坐标系下的空间位置将划线点集中的点进行三角形配对，得到配对三角形序列；根据第一邻域空间点集以及配对三角形序列对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正。
划线点集是由多条线段上的点所组成的，例如，可以包括三条线段中的点。将划线点集中的点进行三角形配对，分别在每条线段中选取一个点，每三个点组成一个三角形，组成原则为三角形周长最大，按照该三角形配对方式，得到配对三角形序列。配对三角形序列包括多个三角形。
采用粗配准中通过第二邻域空间点集对术前规划点在三维模型坐标下的空间位 置进行修正的方式，根据第一邻域空间点集以及配对三角形序列对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正。
进一步的，根据第一邻域空间点集以及配对三角形序列对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正包括：在第一邻域空间点集中筛选出第一目标点集；根据配对三角形序列将所述划线点集在三维模型坐标系下的空间位置修正至第一目标点集的位置。
第一邻域空间点集中包括大量的点。配对三角形序列中包括多个三角形，每个三角形包括三个三角点，对于当前三角形，可以根据配对三角形序列在第二邻域空间点集中筛选当前三角形的每个三角点对应的目标点，得到第一目标点集。预设筛选策略为筛选出的三个目标点组成的三角形与配对三角形序列中的三角形为全等三角形。由于全等三角形误差极小，可以当前三角形的三个三角点在三维模型坐标下的空间位置分别修正至第一目标点集中对应目标点的位置，重复该修正过程，实现通过配对三角形序列中的大量三角形不断对划线点集在三维模型坐标下的空间位置进行修正，使得划线点集反射到三维模型坐标系中的空间位置更为准确。
之后，通过配准算法将修正后的划线点集与划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准，得到配准结果。例如，配准算法可以是ICP(Iterative Closest Point，迭代最近点算法)。配准结果可以是最终得到的世界坐标系与三维坐标下的转换关系，通过配准结果可以提高术中操作的精准性。
在本实施例中，通过划线操作获取实体的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置，从而根据第一配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置与所述三维模型进行精配准，与传统的取点配准算法相比，配准效率有利极大的提高，配准精准度也有较大提高。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
与上述的方法对应，根据本申请的第二方面，提供了一种手术机器人导航定位装置，参见附图11所示的一种手术机器人导航定位装置的结构示意图；该装置包括：
术前规划模块1101，被配置为确定术前规划信息。该装置中，术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型和基于骨骼假体模型确定的多个目标区域；
术中调整模块1102，被配置为生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；获取骨骼的关键数据，在膝关节实体模型中可视化显示关键数据；响应于操作者基于关键数据对骨骼假体模型的调整；基于调整后的骨骼假体模型确定调整后的多个目标区域；
执行模块1103，被配置为响应于操作者从调整后的多个目标区域选定的一个目标 区域作为当前目标区域，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内。
执行模块1103还被配置为，在执行器运行前，当机械臂运动至骨骼处时，根据跟踪相机获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的当前位置确定执行器、当前目标区域在三维实体模型中的当前空间位置；
在三维实体模型中显示将执行器向当前目标区域调整的指示调节信息，以使操作者根据指示调节信息操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器的平面与当前目标区域共面。
执行模块1103还被配置为，在执行器的平面与当前目标区域共面之后，在机械臂被操作时，运行执行器；
启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上执行器相对于当前目标区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，F＝Δx*C，从而将执行器的运动限定在当前目标区域内。
执行模块1103还被配置为，目标区域当偏移量等于或大于预设偏移阈值时，停止运行执行器。
在一种实施方式中，术前规划信息还包括在骨骼三维模型上选择骨性标志点作为术前规划点；
术中调整模块1102还被配置为，获取术前规划点在三维模型坐标下的空间位置，以及实体的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置；
将术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行粗配准，得到第一配准矩阵；
获取实体的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置；
根据第一配准矩阵将划线点集在世界坐标系下的空间位置与三维模型进行精配准，得到配准结果。
术中调整模块1102还被配置为，根据划线点集在三维模型坐标系下的位置在三维模型上进行邻域空间搜索，得到第一邻域空间点集；
根据第一邻域空间点集以及划线点集在世界坐标系下的空间位置对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；
将修正后的划线点集与划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。
术中调整模块1102还被配置为，根据划线点集在世界坐标系下的空间位置将划线点集中的点进行三角形配对，得到配对三角形序列；
根据第一邻域空间点集以及配对三角形序列对划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正。
术中调整模块1102还被配置为，在第一邻域空间点集中筛选出第一目标点集；
根据配对三角形序列将划线点集在三维模型坐标系下的空间位置修正至第一目标点集的位置。
术中调整模块1102还被配置为，通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置将术前规划点进行三角化处理，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置对术中标记点进行三角化处理，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列；
通过预设三维空间点云搜索方式，根据规划三角形序列对术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的术前规划点；
将实操三角形序列对应的术中标记点与修正后的术前规划点进行配准。
在一种实施方式中，术中调整模块1102还被配置为，通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置将术前规划点的前三个点组成三角形，以及根据术中标记点在世界坐标系下的空间位置将术中标记点的前三个点组成三角形；
从第四个点开始，分别在之前的点中选取两个点，与当前点组成三角形，得到术中标记点对应的实操三角形序列和术前规划点对应的规划三角形序列；实操三角形序列与规划三角形序列的三角形组成顺序是相同的。
在一种实施方式中，术中调整模块1102还被配置为，通过预设三维空间点云搜索方式，根据术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置在三维模型上确定第二邻域空间点集；
在第二邻域空间点集中筛选出第二目标点集；
根据规划三角形序列将术前规划点在三维模型坐标下的空间位置修正至第二目标点集的位置。
术前规划模块1101、术中调整模块1102均位于上位机主控系统11内，执行模块1103中控制机械臂的单元位于机械臂系统12内，其他单元位于上位机主控系统11内。
第三方面，本申请还提出了一种电子设备，参见附图12所示的电子设备的结构示意图；该设备包括：至少一个处理器1201和至少一个存储器1202；存储器1202用于存储一个或多个程序指令；处理器1201，用于运行一个或多个程序指令，用以执行上述任意一项方法的步骤。
第四方面，本申请还提出了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中包含一个或多个程序指令，一个或多个程序指令用于执行上述任意一项方法的步骤。
可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。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。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。 处理器读取存储介质中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
存储介质可以是存储器，例如可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。
其中，非易失性存储器可以是只读存储器(Read-Only Memory，简称ROM)、可编程只读存储器(Programmable ROM，简称PROM)、可擦除可编程只读存储器(Erasable PROM，简称EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(Electrically EPROM，简称EEPROM)或闪存。
易失性存储器可以是随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM可用，例如静态随机存取存储器(Static RAM，简称SRAM)、动态随机存取存储器(Dynamic RAM，简称DRAM)、同步动态随机存取存储器(Synchronous DRAM，简称SDRAM)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(Double Data RateSDRAM，简称DDRSDRAM)、增强型同步动态随机存取存储器(Enhanced SDRAM，简称ESDRAM)、同步连接动态随机存取存储器(Synchlink DRAM，简称SLDRAM)和直接内存总线随机存取存储器(DirectRambus RAM，简称DRRAM)。
本申请实施例描述的存储介质旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本申请不限制于任何特定的硬件和软件结合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种手术机器人导航定位方法，包括：
    生成术前规划信息；其中，所述术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型和基于骨骼假体模型确定的多个目标区域；
    生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；获取骨骼的关键数据，在骨骼实体模型中可视化显示关键数据，响应于操作者基于关键数据对骨骼假体模型的调整；基于调整后的骨骼假体模型确定调整后的多个目标区域；
    响应于操作者从调整后的多个目标区域选定的一个目标区域作为当前目标区域，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂。
  2. 根据权利要求1所述的手术机器人导航定位方法，其中，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂的步骤包括：
    在执行器运行前，当机械臂运动至骨骼处时，根据跟踪相机获取的机械臂末端上的示踪器、骨骼上的示踪器的当前位置确定执行器、当前目标区域在三维实体模型中的当前空间位置；
    在三维实体模型中显示将执行器向当前目标区域调整的指示调节信息，以使操作者根据指示调节信息操作机械臂，使机械臂带动执行器运动至当前目标区域的外缘，使执行器与当前目标区域共面。
  3. 根据权利要求1所述的手术机器人导航定位方法，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂的步骤还包括：
    在执行器与当前目标区域共面之后，在机械臂被操作时，运行所述执行器；
    启动以虚拟弹簧和阻尼器为模型的笛卡尔阻尼控制模式，机械臂基于多个自由度方向上的各个虚拟弹簧的预设刚度值C和多个自由度方向上执行器相对于当前目标区域的偏移量Δx，输出与被操作方向相反的反馈力F，且F＝Δx*C。
  4. 根据权利要求3所述的手术机器人导航定位方法，其中，执行器向当前目标区域切入的方向记为进深方向，在当前目标区域内并与切入方向垂直的方向记为横向，与当前目标区域垂直的方向记为垂直方向；偏移量包括进深方向的偏移值、横向的偏移值、垂直方向的偏移值、绕进深方向旋转的偏移值、绕横向旋转的偏移值、绕垂直方向旋转的偏移值。
  5. 根据权利要求3所述的手术机器人导航定位方法，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂，以将执行器的运动限定在当前目标区域内的步骤还包括：
    当所述偏移量等于或大于预设偏移阈值时，停止运行执行器。
  6. 根据权利要求1所述的手术机器人导航定位方法，其中，所述术前规划信息 还包括在骨骼三维模型上选择骨性标志点作为术前规划点；
    相应的，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型的步骤包括：
    获取术前规划点在三维模型坐标下的空间位置，以及实体的骨骼上的术中标记点在世界坐标系下的空间位置；
    将所述术前规划点在三维模型坐标系下的空间位置与所述术中标记点在世界坐标系下的空间位置进行第一配准，得到第一配准矩阵；
    获取实体的骨骼上的划线点集在世界坐标系下的空间位置；
    根据所述第一配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置与所述三维模型进行第二配准，得到配准结果。
  7. 根据权利要求6所述的手术机器人导航定位方法，其中，根据所述第一配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置与所述三维模型进行配准，得到配准结果的步骤包括：
    根据所述第一配准矩阵将所述划线点集在世界坐标系下的空间位置反射回三维模型坐标系中，得到划线点集在三维模型坐标系下的位置；
    根据所述划线点集在三维模型坐标系下的位置在所述三维模型上进行邻域空间搜索，得到第一邻域空间点集；
    根据所述第一邻域空间点集以及所述划线点集在世界坐标系下的空间位置对所述划线点集在三维模型坐标系下的空间位置进行修正，得到修正后的划线点集；
    将所述修正后的划线点集与所述划线点集在世界坐标系下的空间位置进行配准。
  8. 一种手术机器人导航定位装置，包括：
    术前规划模块，被配置为确定术前规划信息；其中，所述术前规划信息包括骨骼的三维模型、基于骨骼的三维模型确定的骨骼假体模型和基于骨骼假体模型确定的多个目标区域；
    术中调整模块，被配置为生成术中规划信息，将骨骼的三维模型坐标系与术中患者的骨骼所在的世界坐标系进行配准，得到骨骼实体模型；获取骨骼的关键数据，在骨骼实体模型中可视化显示关键数据；响应于操作者基于关键数据对骨骼假体模型的调整；基于调整后的骨骼假体模型确定调整后的多个目标区域；
    执行模块，被配置为响应于操作者从调整后的多个目标区域选定的一个目标区域作为当前目标区域，根据当前目标区域的空间位置、机器人的机械臂末端的执行器的空间位置，控制机械臂。
  9. 一种电子设备，包括：至少一个处理器和至少一个存储器；所述存储器用于存储一个或多个程序指令；所述处理器，用于运行一个或多个程序指令，用以执行如权利要求1-7任一项所述的方法的步骤。
  10. 一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中包含一个或多个程序指令， 所述一个或多个程序指令用于执行如权利要求1-7任一项所述的方法的步骤。
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