一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统，该手术定位装置包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机械臂，上位机与串联机械臂连接，定位标尺包括透X光的两相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标记点，标记点为不透X光的部件；任一相对面或连接面固定连接标尺柄，标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；上位机通过控制串联机械臂的运动来调整定位标尺的位置，并根据采集的图像中的标记点进行空间定位计算，得到规划路径。该装置能够实现任意角度的透视定位，并能消除计算手术路径时引起的系统误差，增大工作空间，提高手术定位精度。

【技术实现步骤摘要】
一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统
本专利技术涉及一种手术定位技术，特别是一种用于骨科手术的手术定位装置、手术 定位方法以及采用本专利技术手术定位装置的机器人手术系统。
技术介绍
随着机器人技术与医学科学交叉应用的快速发展，各种医用机器人的研究也成为 热点，并在医学领域中得到越来越广泛的应用，而手术机器人是其中的前沿研究热点之一。 目前手术机器人已在神经外科、人工关节置换、泌尿科、胆囊摘除等方面取得了广泛的应 用。利用手术机器人进行手术操作与医生手工操作相比，在某些方面具有典型优势，比如： 手术机器人的定位更为准确、其机械臂的抓取更为稳定且有力，可以避免外科医生长时间 手术而带来的疲劳，提高了手术的精度、稳定性以及安全性；并且，机器人技术可以缩短手 术时间，减少病人和医生在手术过程中受到的X射线损伤，保护病人和医生的身体健康。 在各种骨科导航手术中，空间定位是其核心的技术之一。如专利号为 200910237998. 6,专利技术名称为骨科机器人导航装置及定位系统的专利是通过直杆型导向装 置卡接在两个万向节上连同一对串联机械臂共同构成四自由度双平面定位机构，该直杆型 导向装置最终能够实现四个自由度的运动，利用针对特定类型骨科手术的特定的定位部件 进行X线透视成像和手术路径规划计算，实现直杆型导向装置的定位。此定位系统能够实 现手术路径在空间上的准确定位，但适应症单一，在具体使用中针对每个适应症需要使用 不同定位部件来完成手术定位。现有技术通常是在X光光源和X光成像装置之间设置定位 部件，该定位部件通常是单独设置或者设置在机器人的底座上。在手术时，通过X光光源从 正位和侧位两个角度照射病人患处，在X光成像装置上形成图像，配合具有标记点的定位 部件实现空间定位计算，最终确定手术路径。现有定位部件需要保证X光光轴与标记点所 在平面垂直，但是在正位和侧位透视时并不能保证X光光轴与定位部件所在平面垂直，故 会使得计算出的手术路径存在一定偏差。而且在使用定位部件进行正位和侧位透视时要 求定位标尺不能移动，造成由于定位标尺在其中一个透视方向位置不合理需要调整位置时 必须重新进行另一个方向的透视，采集图像位置不便也会造成透视次数增加，这就增加了 X 光辐射损伤，延长了手术时间。进一步讲，现有的特定的定位部件构型限制了手术中C型臂 透视角度，且定位系统的工作空间小，机械臂行程短，手术摆位难度高，故现有的定位部件 的使用范围受到极大的限制；而且现有的定位部件通常利用螺纹接口安装，拆卸麻烦，且不 易保证是否安装到位，需要仔细检查确认。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新型的手术定位装置，该装 置通过串联机械臂与特定结构的定位标尺配合，实现任意角度的透视定位，并能消除计算 手术路径时引起的系统误差，增大工作空间，提高手术定位精度，从而更好地满足手术的需 求。本专利技术还涉及一种手术定位方法以及采用上述手术定位装置的机器人手术系统。 本专利技术的技术方案如下： -种手术定位装置，其特征在于，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机 械臂，所述上位机与串联机械臂连接，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面 通过透X光的连接面固定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四 个不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；所述任一相对面或连接面固 定连接标尺柄，所述标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；所述上位机通过控制串联机 械臂的运动来调整定位标尺的位置以进行透射角度的变换，并根据采集的图像中的标记点 进行空间定位计算，得到规划路径。 还包括在串联机械臂上设置的第一位置监测装置以及用于跟踪病人患处的第二 位置监测装置，所述上位机分别与第一位置监测装置和第二位置监测装置连接；所述上位 机根据在不同透视角度下的图像计算处理得到规划路径并根据串联机械臂的绝对坐标、第 一位置监测装置得到的串联机械臂的位置数据以及第二位置监测装置得到的病人患处的 位置数据进行计算处理得到病人患处的位移变化，并根据位移补偿结果重新定位串联机械 臂的规划路径。 所述第一位置监测装置包括机械臂示踪器和光学导航系统，所述第二位置监测装 置包括病人示踪器和光学导航系统；所述上位机记录病人患处在世界坐标系下的初始位置 数据和机械臂示踪器在世界坐标系中的坐标，并在不同角度透视完成后根据机械臂示踪器 在世界坐标系和光学导航系统坐标系的坐标计算此时两坐标系之间的转换关系，再根据所 述转换关系及病人患处在光学导航系统坐标系中的坐标计算得到病人患处在世界坐标系 下的最新位置数据，得到病人患处的位移变化。 所述定位标尺中的两相对面为两相互平行的平面，所述连接面为分别与两相互平 行的平面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面的距离为5cm - 15cm ;或所述连接面为 分别与两相对面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒 形的直径为6cm -12cm。 所述每组标记均包括等间距、呈正四边形对称分布的八个标记点及一个不规则分 布的标记点；和/或，每组标记中的标记点均为不透X光的球形部件；所述两组标记中的标 记点的等间距大小不同。 所述接口为可拆卸接口，所述串联机械臂末端通过所述接口与定位标尺或套筒导 向装置连接；当串联机械臂末端通过所述接口与定位标尺连接时，所述接口包括锁紧螺母 和球头柱塞，所述串联机械臂末端设置有锥面结构，所述标尺柄的端头设置有与所述锥面 配合的锥孔，所述锁紧螺母通过螺纹连接标尺柄，所述球头柱塞设置于锁紧螺母上，所述定 位标尺的相对的两外凸弧面上设置有相对应的套筒安装孔。 一种机器人手术系统，包括C型臂，其特征在于，还包括上述的手术定位装置。 一种手术定位方法，其特征在于，该方法通过在至少六自由度的串联机械臂末端 安装定位标尺，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面通过透X光的连接面固 定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标 记点，所述标记点为不透X光的部件，所述任一相对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺 柄通过接口与串联机械臂末端连接；再通过上位机控制串联机械臂的运动来调整定位标尺 的位置以进行不同体位透射角度的变换，并将C型臂在不同体位下分别透过定位标尺拍摄 病人患处采集的两幅图像传输至上位机，上位机再根据采集的图像中的标记点进行空间定 位计算，得到规划路径。 该方法在至少六自由度的串联机械臂末端安装定位标尺，还在串联机械臂上安装 机械臂示踪器以及在病人患处安装病人示踪器并配合光学导航系统来分别实现串联机械 臂和病人患处的位置监控；通过上位机记录病人患处在世界坐标系下的初始位置数据和机 械臂示踪器在世界坐标系中的坐标，利用C型臂在不同角度分别透过定位标尺对病人患处 透视后，上位机再根据机械臂示踪器在世界坐标系和光学导航系统坐标系的坐标计算此时 两坐标系之间的转换关系，并根据所述转换关系及病人患处在光学导航系统坐标系中的坐 标计算得到病人患处在世界坐标系下的最新位置数据，得到病人患处的位移变化，根据位 移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。 所述方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种手术定位装置，其特征在于，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机械臂，所述上位机与串联机械臂连接，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面通过透X光的连接面固定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；所述任一相对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；所述上位机通过控制串联机械臂的运动来调整定位标尺的位置以进行透射角度的变换，并根据采集的图像中的标记点进行空间定位计算，得到规划路径。

【技术特征摘要】
1. 一种手术定位装置，其特征在于，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机械 臂，所述上位机与串联机械臂连接，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面通 过透X光的连接面固定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个 不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；所述任一相对面或连接面固定 连接标尺柄，所述标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；所述上位机通过控制串联机械 臂的运动来调整定位标尺的位置以进行透射角度的变换，并根据采集的图像中的标记点进 行空间定位计算，得到规划路径。2. 根据权利要求1所述的手术定位装置，其特征在于，还包括在串联机械臂上设置的 第一位置监测装置以及用于跟踪病人患处的第二位置监测装置，所述上位机分别与第一位 置监测装置和第二位置监测装置连接；所述上位机根据在不同透视角度下的图像计算处理 得到规划路径并根据串联机械臂的绝对坐标、第一位置监测装置得到的串联机械臂的位置 数据以及第二位置监测装置得到的病人患处的位置数据进行计算处理得到病人患处的位 移变化，并根据位移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。3. 根据权利要求2所述的手术定位装置，其特征在于，所述第一位置监测装置包括机 械臂示踪器和光学导航系统，所述第二位置监测装置包括病人示踪器和光学导航系统；所 述上位机记录病人患处在世界坐标系下的初始位置数据和机械臂示踪器在世界坐标系中 的坐标，并在不同角度透视完成后根据机械臂示踪器在世界坐标系和光学导航系统坐标系 的坐标计算此时两坐标系之间的转换关系，再根据所述转换关系及病人患处在光学导航系 统坐标系中的坐标计算得到病人患处在世界坐标系下的最新位置数据，得到病人患处的位 移变化。4. 根据权利要求1至3之一所述的手术定位装置，其特征在于，所述定位标尺中的两相 对面为两相互平行的平面，所述连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧 面，所述两相对面的距离为5cm - 15cm ;或所述连接面为分别与两相对面的两侧连接的两 外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒形的直径为6cm -12cm。5. 根据权利要求1至3之一所述的手术定位装置，其特征在于，所述每组标记均包括等 间距、呈正四边形对称分布的八个标记点及一个不规则分布的标记点；和/或，每组标记中 的标记点均为不透X光的球形部件；所述两组标记中的标记点的等间距大小不同。6. 根据权利要求1至3之一所述的手术定位装置，其特征在于，所述接口为可拆卸接 口，所述串联机械臂末端通过所述接口与定位标尺或套筒导向装置连接；当串联机械臂末 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：张送根，张维军，王彬彬，王军强，高冠群，李晓芸，
申请(专利权)人：北京天智航医疗科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11