术前空间配准方法及装置、计算机设备、存储介质制造方法及图纸

技术编号:36431442 阅读:21 留言:0更新日期:2023-01-20 22:43
本发明专利技术提供了一种踝关节手术机器人系统的术前空间配准方法,涉及手术机器人图像配准,具体实现方案为:以光学定位系统为空间配准核心,通过计算机械臂的基坐标系与光学定位系统坐标系、光学定位系统坐标系与病灶坐标系、病灶坐标系与三维图像坐标系的变换矩阵,以计算出机械臂的基坐标系与三维图像坐标系之间的变换矩阵。也即基于光学定位系统的空间配准方法,将病灶空间位置映射到机械臂的基坐标系,为机器臂末端的工具精确定位病灶奠定基础,同时实现三维图像与真实场景下踝关节空间姿态配准,以便外科医生使用三维医学图像制定踝关节手术方案,合理规划手术路径。合理规划手术路径。合理规划手术路径。

【技术实现步骤摘要】
术前空间配准方法及装置、计算机设备、存储介质
优先权申请
[0001]本申请要求2022年9月19提交的中国专利技术专利申请【2022111369349】“【一种踝关节手术系统术前空间配准方法、装置】”的优先权,以及2022年 9月19日提交的中国专利技术专利申请【2022111362405】“【一种踝关节手术机器人系统】”的优先权,该两个优先权专利技术专利申请以引用方式全文并入。


[0002]本专利技术涉及一种骨科手术机器人,尤其是一种应用于踝关节手术机器人系统的术前空间配准方法及装置、术前空间配准的计算机设备及存储介质。

技术介绍

[0003]踝关节的距骨骨软、骨损伤是运动医学中常见的疾病,常见的手术治疗方案括关节镜下骨髓刺激、自体软骨细胞植入、自体骨膜与骨复合体移植、同种异体骨软骨移植或同种异体青少年软骨微粒移植等。关节镜下骨髓刺激技术(特别是微骨折)适用于较小的病灶,自体骨膜、骨复合体移植常用于伴有较大囊性病变的距骨骨软骨损伤患者。
[0004]针对目前医疗手术规划系统功能较为单一、对于关节等复杂解剖结构分割重建的模型精度以及病灶识别的精度较低、手术过程规划严重依赖医生经验,自动化处理能力不强、且无法对手术方案进行自主分析评价等问题。因此,需要一种可提高准确性、安全性及可重复性的新方法引入到踝关节手术中。随着计算机性能、人工智能技术的提高与医学影像技术的发展,使得基于光学图形导航的技术广泛应用于各种疾病治疗中;而机器人具有精度高、定位准、稳定性好及重复性好等优点,其广泛应用于医疗过程。目前,国内还没有专门用于踝关节修复的手术机器人系统,也没有提出一种专门针对踝关节手术机器人系统的术前空间配准方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种踝关节手术机器人系统的术前空间配准方法及装置,部分地解决或缓解现有技术中的上述不足,能够快速地进行空间配准,缩短了整个手术耗费时长。
[0006]为了解决上述所提到的技术问题,本专利技术具体采用以下技术方案:
[0007]本专利技术的第一方面在于,提供一种踝关节手术机器人系统,包括:
[0008]机械臂,用于通过所述机械臂末端安装的手术器具执行踝关节手术方案;
[0009]光学定位系统,用于进行所述机械臂与患者足部三维图像之间的图像配准、机械臂与病灶之间的定位;其中,所述三维图像是术前预先对患者足踝胫骨进行CT扫描,并基于CT数据所构建的,且CT扫描前,通过克氏针在所述患者足踝的病灶处安装第一定位工具E1,而CT扫描时需将所述第一定位工具E1一同扫描;
[0010]手术床,用于固定患者足踝位姿,保证足踝位姿在术中固定不变;所述手术床包括
手术床本体,以及用于使得所述患者足部在手术过程中保持相同足部姿态和相同位置的足部定位机构,所述足部定位机构可拆卸地安装在手所述术床本体上;
[0011]工作站,用于根据所述三维图像进行术前手术方案规划、手术导航及控制所述机械臂执行所述手术方案;
[0012]其中,所述机械臂末端的所述手术器具包括:
[0013]用于切割胫骨以完全暴露位于距骨末端的病灶的第一手术器具;
[0014]用于清除病灶,并在所述病灶位置形成孔洞的第二手术器具;
[0015]用于在所述患者胫骨提取骨膜

骨复合体的第三手术器具,其包括骨膜分割器具、骨膜下层骨提取器具;
[0016]用于将骨膜

骨复合体置入所述孔洞换移植器具未第四手术器具;
[0017]用于打入胫骨末端以形成复位孔的第五手术器具。
[0018]在一些实施例中,所述足部定位机构包括L形的足部定位板,以及用于将所述足部定位板可拆卸地连接在所述手术床本体上的连接部件。采用L形的足部定位板,是为了顺应踝关节的特殊结构,以使得患者踝关节能够保持在一个既具有一定舒适度,又利于机械臂进行胫骨切割,以及后续操作的角度,也即在舒适度和手术操作便利性的两者之间取平衡。
[0019]在一些实施例中,所述工作站包括:
[0020]数据通信模块,用于与CT扫描设备进行数据通信,以获取所述三维图像;
[0021]手术方案规划模块,用于基于所述三维图像进行病灶识别,匹配到相应的手术方案;
[0022]手术方案执行模块,用于控制所述机械臂执行所述手术方案。
[0023]在一些实施例中,所述手术方案执行模块具体包括:
[0024]切割模块,用于当所述机械臂更换好所述第一手术器具时,控制所述机械臂利用所述第一手术器具切割胫骨以准确、完全暴露位于距骨上的病灶;
[0025]清除病灶模块,用于当所述机械臂更换好所述第二手术器具时,控制所述机械臂利用所述第二手术器具清除病灶,并在所述病灶位置形成孔洞;
[0026]移植体提取模块,用于当所述机械臂更换好所述第三手术器具时,控制所述机械臂利用所述第三手术器具进行在所述患者胫骨提取健康的骨膜

骨复合体。
[0027]本专利技术的第二方面,在于提供一种踝关节手术机器人系统的控制方法,其基于上述的踝关节手术机器人系统,相应地,所述控制方法具体包括步骤:
[0028]响应于用户的第一操作,控制CT扫描装置对患者的足踝,以及预先安装在所述足踝病灶处的第一光学定位工具E1进行CT扫描,并基于扫描得到的CT数据重建所述足踝的三维图像;
[0029]响应于用户的第二操作,控制光学定位系统进行术前空间配准,包括机械臂与病灶的定位、所述机械臂与所述三维图像配准;其中,空间配准过程中,所述患者的足踝在手术床上通过足部定位机构保持固定的足踝位姿;
[0030]响应于用户的第三操作,调用手术规划系统基于所述三维图像匹配相应的踝关节手术方案;
[0031]响应于用户的第四操作,控制所述手术机器人系统中所述机械臂执行所述手术方案。
[0032]在一些实施例中,控制所述手术机器人系统中机械臂执行所述手术方案的步骤,具体包括:
[0033]控制所述机械臂通过预先安装在末所述机械臂端的打孔工具在患者胫骨打两复位孔;
[0034]控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第一手术器具对胫骨进行切割,以准确、完全地暴露位于距骨的病灶;
[0035]控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第二手术器具对距骨病灶进行清除操作并形成孔洞;
[0036]控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第三手术器具在胫骨分割指定大小的骨膜,并在分割骨膜的位置提取骨膜下层的骨完成骨膜

骨移植物提取。
[0037]在一些实施例中,控制所述手术机器人系统中机械臂执行所述手术方案的步骤,还包括:控制所述机械臂通过预先在所述机械臂末端更换好的第四手术器具将所述骨膜

骨移植物填充到距骨上病灶处的孔洞中。
[0038]在一些实施例中,控制所述手术机器人系统中机械臂执行所述手术方案的步骤,还包括:控制所述本文档来自技高网
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种踝关节手术机器人系统的术前空间配准方法,其特征在于,包括步骤:分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B};计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BE
;其中,所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端,且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的基坐标系之间的欧拉角为N
×
90
°
,整数N取值范围为[

3,3];计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵T
EO
,并基于所述第二定位工具E2的坐标系{E}分别与所述机械臂的基坐标系{B}和所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵T
BE
、T
EO
,计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BO
=T
BE
T
EO
;计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵T
OP
;并基于所述光学定位仪的坐标系{O}分别与所述机械臂的所述基坐标系{B}和所述第一定位工具E1的坐标系{P}之间的变换矩阵T
BO
、T
OP
,计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BP
=T
BE
T
EO
T
OP
;其中,所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上;获取患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V},并计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述三维图像中的所述第一定位工具E1的所述虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵T
PV
,并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系之间的变换矩阵T
BV
=T
BE
T
EO
T
OP
T
PV
;其中,所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后,基于CT数据重建的三维图像。2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第一定位工具E1的支架为非金属材料。3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述第二定位工具E2的支架为金属支架或者非金属支架。4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,计算第一定位工具E1的坐标系{P}与光学定位仪的坐标系{O}之间的变换矩阵T
OP
的步骤之前,还包括步骤:保持患者病灶、所述机械臂与所述光学定位仪相对位置固定,且直至手术结束。5.一种踝关节手术机器人系统的术前空间配准装置,其特征在于,包括:数据获取模块,用于分别获取光学定位仪的坐标系{O}、第一定位工具E1的坐标系{P}、第二定位工具E2的坐标系{E}与机械臂的基坐标系{B};第一计算模块,用于计算所述第二定位工具E2的坐标系{E}与所述机械臂的基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BE
;其中,所述第二定位工具E2预先安装在执行踝关节手术方案的所述机械臂的末端,且所述第二定位工具E2的坐标系与所述机械臂的所述基坐标系的欧拉角为N
×
90
°
,整数N取值范围为[

3,3];第二计算模块,用于计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述第二定位工具E2的坐标系{E}之间的变换矩阵T
EO
,以及计算所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BO
=T
BE
T
EO
;第三计算模块,用于计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标
系{O}之间的变换矩阵T
OP
;病灶定位模块,基于所述光学定位仪的坐标系{O}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BO
、所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述光学定位仪的坐标系{O}之间的变化矩阵T
OP
,计算所述第一定位工具E1的坐标系{P}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BP
=T
BE
T
EO
T
OP
,从而实现病灶定位;其中,所述第一定位工具E1安装在预先打在患者病灶所在脚的胫骨上的克氏针上;图像配准模块,用于计算用于定位真实空间病灶的所述第一定位工具E1的坐标系{P}与患者足部三维图像中的所述第一定位工具E1的虚拟坐标系{V}之间的变换矩阵T
PV
,并计算所述虚拟坐标系{V}与所述机械臂的所述基坐标系{B}之间的变换矩阵T
BV
=T
BE
T
EO
T
OP
T
PV
,从而实现图像配准;其中,所述三维图像是预先对打入所述克氏针的患者病灶所在脚和所述第一定位工具E1进行CT扫描后,基于CT数据重建的三维图像。6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述第一定位工具E1的支架为非金属材料。7.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述第二定位工具E2的支架为金属支架或者非金属支架...

【专利技术属性】
技术研发人员:吴文杰谢海琼周忠娇
申请(专利权)人:重庆生物智能制造研究院
类型:发明
国别省市:

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