一种基于一体化手术机器人的术中规划调整方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于一体化手术机器人的术中规划调整方法及系统，通过将三维成像设备移动式平板C臂与手术机器人作软硬件结合的一体化设计，能够获取三维扫描重建得到的影像数据，对机器人的发送控制信号和接收实时反馈数据，完成系统配准之后，术前和术中都不再需要标尺做两套系统的标定，并且能够稳定地达到较高的定位执行精度。手术执行过程中，无需在病人身上额外安装红外示踪器，只需通过对病人扫描多张二维透视图像，利用骨结构和手术器械的刚性结构，配准到三维图像上，就能够对规划时的目标骨结构的实际偏差进行修正，提示并辅助医生调整手术器械的空间位置和姿态，提高手术的准确性，减少对患者的伤害。

说明书

技术领域

本发明属于骨科手术机器人领域，特别是涉及一种基于一体化手术机器人的术中规划调整方法及系统。

背景技术

近年来，全球骨科疾病发病率逐步提高，精准治疗成为骨科手术未来的发展方向。随着医疗影像和器械技术的进步，基于机械臂技术的手术机器人越来越多地与医疗影像数据相结合，共同参与辅助医生的手术过程，不仅方便了医生的操作，还提升了手术精度。由于传统手术机器人辅助系统与医学成像设备各自是一套完整系统，术前需要在病人的患病部位附近放入标尺进行术中三维扫描，便于两者坐标配准实现已经过规划的手术导航方案。这一方案能够有效整合医学影像和手术机器人，辅助医生更安全精准完成骨科手术，如螺钉内固定术，能够减少手术体力消耗，达到高难手术安全化，复杂手术简单化，常规手术微创化的效果。

然而在现有的系统解决方案下，手术机器人在术中对患者的操作需要在医生的控制下进行手术，一旦手术部位发生位移，或手术器械实际介入的角度和位置与实际情形有误差，都会对手术的精确性造成较大的影响，对医生操作手术机器人提出了更高的要求。另外，传统手术导航系统中，需要在病人身上安装红外示踪装置，为了保证相对位移的稳定，该装置一般以侵入的方式固定在患者的骨骼结构(如椎骨)上，给患者带来了额外的伤害。

因此，亟需一种一体化式的医学影像骨科手术机器人辅助方法及系统来降低操作系统的复杂度和难度，并能够实现手术执行过程中的误差修正成为研究人员关注的热点。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于一体化手术机器人的术中规划调整系统及方法，既可以降低操作系统的复杂度和难度，减少占用临床空间，又增大了成像视野和可用信息量，并以非侵入式的方式，实现了手术执行过程中的误差修正，提高了系统精度、稳定性和保养维护成本。

为实现上述目的，本发明提出一种基于一体化手术机器人的术中规划调整方法，具体包括以下步骤：

S1、手术实施前，对患者手术部位进行三维扫描，得到3D图像；并根据所述3D图像定制术前规划方案，确定手术器械的置钉位置和方向；

S2、手术实施过程中，将手术器械按照规划的置钉位置和方向植入患者体内，再对患者同一手术部位和体内的手术器械一起做不同角度的透视扫描，得到不同角度的2D透视图像；然后，将所述2D透视图像配准到所述3D图像上；

S3、配准后，计算手术器械实际的置钉方向与规划的置钉方向之间的偏移旋转矩阵和平移量；

S4、基于所述偏移旋转矩阵和平移量，确定机械臂尖端手术器械需要调整的角度和位置，实时更新手术规划方案。

优选地，所述S1具体为：

S1.1、手术实施前，采用一体化手术机器人的移动式三维C臂对患者手术部位进行三维扫描，重建出3D图像；

S1.2、根据所述3D图像定制术前规划方案，标记出感兴趣点，并确定手术器械的入钉点和入钉方向。

优选地，所述S2具体为：

S2.1、手术实施过程中，将手术器械按照规划的置钉位置和方向植入患者体内；

S2.2、采用一体化手术机器人的移动式三维C臂再对患者同一手术部位和体内的手术器械一起进行不同角度的低剂量二维透视扫描，得到不同角度的2D透视图像；

S2.2、将所述不同角度的2D透视图像进行图像重建，识别出施术骨骼块和手术器械的刚性结构；

S2.3、基于所述刚性结构，将所述2D透视图像配准到所述3D图像上。

优选地，所述S2.3具体为：

将术前规划的3D图像投影生成多个2D图像，并采用内插法或者神经网络算法将所述2D透视图像与所述2D图像进行配准，获得所述2D透视图像的成像角度和位置信息。

优选地，所述S3具体为：

S3.1、找出手术器械的尖端的实际位置和手术器械中轴线上某一点位置，计算出手术器械的实际入钉方向；

S3.2、将所述手术器械的实际入钉方向与规划的入钉方向进行对比，计算出二者之间的偏移旋转矩阵；

S3.3、验证手术器械在规划时的入钉点是否在实际入钉方向上；若不在，计算规划入钉点与实际入钉点之间的平移量。

优选地，当所述手术器械植入患者体内还是未植入患者体内时，只要将所述手术机械在2D扫描成像范围内，均能计算出手术器械相对于2D扫描图像的位置。

优选地，计算所述手术器械相对于2D扫描图像的位置的方法，具体为：

根据红外装置识别到的C臂的实际位置和角度，确定探测器中心点红外坐标下的位置；并通过机械臂末端或基座红外探测器的位置，结合机械臂反馈的末端手术器械的位置，计算出手术器械的尖端和中轴线上某一点在红外坐标系下的实际位置，同时计算对应点在图像坐标系下的位置。

一种基于一体化手术机器人的术中规划调整系统，包括：移动式三维C臂一体化手术机器人、机械臂实时运动控制及反馈模块、规划补偿模块和用户操作中心；

所述移动式三维C臂一体化手术机器人，用于负责整个医学影像系统的二维/三维CT图像扫描、重建、配准和图像三维坐标、术中三维坐标转换和手术机器人的控制；所述运动控制及反馈模块，用于实时控制机械臂以及反馈当前机械臂的状态；所述规划补偿模块，用于二维CT图像重建，并与术前三维CT重建图像配准，计算出偏移量，制定术中目标点的规划补偿方案，对机械臂位置及时进行动态补偿；所述用户操作中心，用于整个系统的参数配置、数据管理和交互。

优选地，所述机械臂实时运动控制及反馈模块是通过TCP/IP协议传输机械臂当前状态，所述状态包括：各关节角度、工具中心接触点位姿、移动速度、加速度和安全电压电流限值。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明基于一体化手术机器人，增加了术中规划调整的环节，降低了术中操作的误差和难度，能帮助医生更精准的实时手术；

2.本发明正常情况下(即，将手术器械扫描进2D透视图像的情况下)是不需要红外校准系统来进行辅助医疗，无需在病人身上安装红外校准器，减少了对病患的额外伤害。本发明还给出了特殊情况下(未将手术器械扫描进2D透视图像的情况下)需要NDI红外追踪系统的情况，依旧能够计算得知手术器械对于扫描区域的相对位置，进而将配准后的图像用于更新手术规划。

附图说明

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

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明术前规划图；

图3为本发明实际入钉方向示意图；

图4为本发明C臂探测器、机械臂末端或者机械臂基座上都安装红外示踪器示意图；其中，(a)为C臂探测器安装红外示踪器示意图；(b)为机械臂末端上安装红外示踪器示意图；(c)为机械臂基座上安装红外示踪器示意图；

图5为C臂成像区域与探测器位置关系示意图；

图6为本发明系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

参照图1所示，本发明提出一种基于一体化手术机器人的术中规划调整方法，具体包括以下步骤：

S1、手术实施前，对患者手术部位进行三维扫描，得到3D图像；并根据所述3D图像定制术前规划方案，确定手术器械的置钉位置和方向；

本发明采用移动式三维C臂一体化手术机器人(医学成像设备)的移动式三维C臂对患者需要手术的部位进行三维扫描，并根据三维扫描数据重建出3D图像；然后根据重建出的3D图像进行术前规划，标记出感兴趣点P

V

S2、手术实施过程中，将手术器械按照规划的置钉位置和方向植入人体，再对患者的同一手术部位做不同角度的透视扫描，得到不同角度的2D透视图像；然后将所述2D透视图像配准到所述3D图像上；

手术实施过程中，将手术器械按照规划的入钉点和入钉方向到位或植入人体后，再使用移动式三维C臂一体化手术机器人的移动式三维C臂对同一患病部位做不同角度(至少两个角度)低剂量透视扫描，获得不同角度的2D透视图像(手术器械也被扫描进2D透视图像)，然后对2D透视图像进行图像重建，进而识别出施术骨骼块和手术器具等刚性结构。然后，基于这些刚性结构，将2D透视图像配准到手术规划时扫描的3D图像上。

其中，基于刚性结构的2D透视图像到3D图像配准算法，具体为：

将术前规划的3D图像投影生成多个2D图像，将所述2D透视图像与所述2D图像进行配准，得到所述2D透视图像的成像角度、位置等信息。配准是通过解剖结构的关键点来完成的，其中所述的获得透视的2D透视图像的成像角度、位置等信息可以通过内插方法，也可以通过神经网络等方法实现。

S3、计算手术器械实际的置钉方向与规划的置钉方向之间的偏移旋转矩阵和平移量；

如图3所示，找到手术器械的尖端的实际位置P

V′

对比实际入钉方向V’

V

另外，检查规划时的入钉点P

P

若k无解，则需要平移机械臂尖端手术器械的位置，平移量P

P

S4、根据偏移旋转矩阵T

P

其中，T为手术器械尖端移动前位置PHead和移动后位置P

T

T

其中，Rx、Ry、Rz分别为：

根据式(7)和(8)，即可解算出机械臂需要依次绕自身的z轴、y轴和x轴的旋转角度Ψ、Φ和θ(可以更改绕自身旋转轴的旋转顺序，如先绕x轴再绕y轴最后绕z轴旋转，需要对应调整R

根据手术器械植入的不同阶段(正式植入前、植入过程中、植入完成)，由医生决定是否要将手术器械延当前方向继续深入。

其次，在步骤S2中，若未将手术器械扫描进二维图像中，由于C臂的左右旋转角度未知，无法得知手术器械对于扫描区域的相对位置，则不能将配准后的图像用于更新手术规划。此时，本发明引入了红外校准系统，在C臂探测器和机械臂末端(或基座)上都安装红外示踪器，如图4所示。根据红外装置计算出机械臂末端手术器械相对于二维扫描图像的位置，再按照S3和S4更新手术规划并实施。

其中，红外装置的应用原理如下：

由于C臂扫描区域与其探测器的相对位置固定，如图5所示，即探测器中心点P

P

只要知道探测器中心点P

P

即可计算出该点在图像坐标系下的实际位置P

P

根据红外装置识别到的C臂的实际位置和角度，确定探测器中心点红外坐标下的位置P

此时，将图像分割出来的感兴趣骨结构上的特定感兴趣点与三维重建模型中的特定感兴趣点坐标做匹配，如果没有发生位移，无需更新手术规划，机械臂按原路径继续执行指令；如果发现产生一定位移，规划补偿方案解算出位移矩阵和旋转矩阵，更新手术规划，重新生成规划路径并转换为机械臂执行指令。

另外，参照图6所示，本发明还提出了一种基于一体化手术机器人的术中规划调整系统，包括：移动式三维C臂一体化手术机器人、机械臂实时运动控制及反馈模块、规划补偿模块和用户操作中心；

所述移动式三维C臂一体化手术机器人，用于负责整个医学影像系统的二维/三维CT图像扫描、重建、配准和图像三维坐标、术中三维坐标转换和手术机器人的控制；所述运动控制及反馈模块，用于实时控制机械臂以及反馈当前机械臂的状态；所述规划补偿模块，用于二维CT图像重建，并与术前三维CT重建图像配准，计算出偏移量，制定术中目标点的规划补偿方案，对机械臂位置及时进行动态补偿；所述用户操作中心，用于整个系统的参数配置、数据管理和交互。

(1)移动式三维C臂一体化手术机器人

移动式三维C臂一体化手术机器人模块负责整个医学影像系统的二维/三维图像扫描、重建、配准、图像三维坐标与术中三维坐标转换及手术机器人的控制等。

(2)机械臂实时控制及状态反馈模块

机械臂实时控制及状态反馈负责实时控制机械臂，尤其是其末端位置和姿态，保证手术器具能够达到指定位点并且保持一定姿态。与此同时，通过通信端口以TCP/IP协议传输机械臂当前状态，包括各关节角度，工具中心接触点(Tool Center Point，TCP)位姿，移动速度，加速度、安全电压电流限值等。用户可以实时监控机械臂状态反馈数据，根据手术过程中的场景需求加以约束和限定，保证使用安全。

(3)规划补偿模块

规划补偿模块负责术中的二维CT重建图像，并与术前三维CT重建图像配准，计算出偏移量，制定术中目标点的规划补偿方案，对机械臂位置及时进行动态补偿。

(4)用户操控中心

1.一站式交互界面

医学图像、机器人参数实时向用户中心上传，可以读取显示二维/三维重建得到的CT图像，如显示通过某个选取位点的横冠矢三个方向的二维图像；实现三维重建的渲染模型；调整机器人各关节角度，TCP位置及姿态。

2.设备参数配置

操控中心可以对成像设备和机械臂相关参数分别进行配置，实施手术规划，仿真模拟，有效提高使用效率。

3.数据管理

可以根据实际需要或用户指令实现上传、调取相关本地数据，历史扫描记录等。实现异地远程操控，局域网内数据共享。

其中，规划补偿原理为：

人体的骨骼、手术器具(如克氏针、骨钉等)属于刚性结构，在不同状态下进行CT断层图像扫描的结果不会发生形变。考虑到术中施术部位的位移，操作误差等因素，可以在术中对手术规划进行更新补偿。

综上，本发明的技术方案为：

术前扫描：通过医学成像设备移动式C臂，对患者需要手术部位进行三维扫描，根据成像数据重建出三维模型和靶点坐标。

手术实施过程：手术器械到位后或介入过程中，对同一部位做不同角度(至少两个角度)低剂量扫描，获得二维投影图像。此时，将图像分割出来的感兴趣骨结构上的特定感兴趣点与三维重建模型中的特定感兴趣点坐标做匹配，如果没有发生位移，无需更新手术规划，机械臂按原路径继续执行指令；如果发现产生一定位移，规划补偿方案解算出位移矩阵和旋转矩阵，更新手术规划，重新生成规划路径并转换为机械臂执行指令。

本发明的关键点是机器人与成像系统的一体化设计的刚性连接结构、成像系统与机械臂系统的坐标配准算法以及通过二维图像与三维体数据配准实现手术规划路径的更新方法。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。