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一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法技术

技术编号:11810386 阅读:46 留言:0更新日期:2015-08-01 04:35
一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法属于CAD微创骨外科治疗技术领域,其特征在于用固定在C形臂X线机影像增强器上的靶罩代替传统的立体定标架,减少了操作时间和放射量,同时用固定在靶罩上的示踪器,经光学定位子系统获取C形臂X线机成像外透视参数,用DLT方法求解内透视参数,再按极线几何原理和双目视觉算法进行路径规划和重建,在患者和双平面手术机器人上也固定示踪器进行位置跟踪,建立了图像、靶罩、患者和双平面手术机器人之间的空间坐标传递关系,也同时实现了在传统的双平面手术机器人自动精确定位基础上,利用空间变换矩阵,实现了在减少手术操作时间和放射量的同时解决了双平面手术机器人和患者由于相对运动而产生的坐标动态误差问题。

【技术实现步骤摘要】

: 本专利技术属于计算机辅助微创治疗领域,尤其适用于股骨颈骨折和骶髂关节骨折等 骨外科创伤的微创固定手术的引导。
技术介绍
: 股骨颈和骶髂关节骨折是常见的骨外科创伤,临床中越来越多地采用空心加压螺 钉的内固定微创手术治疗股骨颈和骶髂关节骨折。对于股骨颈骨折,要求植入的三根空心 加压螺钉之间相互平行、具有合理的空间分布以及其尖端固定于骨皮质层,且不能穿过骨 皮质层;对于骶髂关节骨折,需要保证植入的空心加压螺钉避开骨盆部位的主要动脉和神 经,否则可能造成大出血和神经损伤。因此,精确地规划和定位手术路径是股骨颈和骶髂关 节骨折微创内固定手术成功的关键。 开放复位和固定是治疗股骨颈和骶髂关节骨折的标准流程,但是由于开放手术对 于患者损伤较大,因此近年来借助影像引导的经皮植入空心加压螺钉的微创治疗方法得到 了广泛应用。外科医生早期借助透视方法的引导植入空心加压螺钉,但是该方法伴随着长 时间的多次X射线放射,有损医生健康。2D虚拟透视导航方法可以将手术工具实时投影在 若干幅(通常是四幅)不同视角的透视图像中,从而引导医生规划植入路径,很大程度上减 少了X射线放射剂量。但是,医生需要多次手动移动手术工具才能在使其在各个视角图像 中的投影满足植入要求,延长了手术操作时间。3D透视导航方法相对于2D透视导航可以提 供更多的空间信息,使得路径规划变得更容易,但是3D透视导航通常需要术中3D数据的获 取,延长了放射和图像处理时间。并且,由于操作中没有稳固的支撑,使用2D和3D透视导 航方法时,医生很难稳定地把持手术工具,造成实际植入路径偏离规划路径。 为了解决手持稳定性问题,研宄人员引入了手术机器人。其中一些机器人只是为 医生提供固定工具的支撑,另外一些机器人则可以自动定位手术路径,但是这类机器人需 要在手术中用X射线机扫描很多X射线图像进行重建或者与术前CT数据进行复杂的注册 配准过程。双平面手术机器人系统可以利用两张不同视角的X线透视图像规划手术路径, 控制分别位于两平面内的两个球形铰链在平面内的位置,并通过两个球的中心点来准确、 自动地确定手术植入路径。并且球形铰链的运动平面位于牵引床一侧,使得机器人在完成 引导运动时不会与患者或其他手术室设备发生碰撞。该机器人系统算法的核心是透过双平 面手术机器人机身固定的立体定标架,同时获取定标架及创伤部位的正位和侧位图像,从 而利用传统的双目立体视觉原理将针对创伤骨骼的规划手术路径映射到机器人工作空间 内,实现机器人引导位置自动、精确的定位。 双平面手术机器人系统只需要两张X射线图像进行定位,在原理上减少了X射线 获取数量。但是,由于双平面机器人导航系统是利用图像和立体定标架上的标志点来同时 定位患者创伤部位和双平面手术机器人,并且两者之间无法刚性连接。因此,在图像获取过 程开始后,必须保证患者和双平面手术机器人的绝对静止,否则就无法利用已获取的图像 定位移动后患者和双平面手术机器人,因此不得不重新获取X线透视图像和规划。然而,医 生在获取正位图像后,常常需要人工移动C形臂X线机获取侧位图像,这个过程有时需要对 患者进行重新摆位;在第一或第二根空心加压螺钉植入和加压操作时对患者施加的外力也 会造成患者的移位,因此经常不得不重新获取X线图像和反复规划,延长了手术时间,同时 也增加了X射线放射剂量。除此之外,对于每一次图像获取,双平面手术机器人导航系统必 须同时获取到合适的骨折部位和机器人上固定点立体定标架上所有的标志点。然而,由于 该立体定标架所占空间较大,因此每一次都需要耗费时间多次人工移动C形臂X线机进行 透视才能获取合适的图像,很大程度上延长了手术操作时间,并增加了X射线放射剂量。 鉴于以上所述传统双平面手术机器人的不足,本专利技术对于传统双平面手术机器人 机身体积庞大的立体定标架进行了改进,设计了固定于C形臂X线机影像增强器的靶罩替 代该立体定标架。这样一来,无论C形臂X线机以任何视角获取图像,靶罩上的所有标志点 都会全部呈现在图像之中,只需要保证获取到合适的创伤部位图像即可,减少了获取图像 过程中反复人工移动C形臂X线机所引入的操作时间和X射线放射剂量。由于改进后的靶 罩随着C形臂X线机的影像增强器移动,无法利用解析算法求出C形臂X线机成像的外透 视参数,因此无法用传统的方法进行C形臂X线机的标定和重建。我们在靶罩上固定示踪 器,利用光学定位子系统获取C形臂X线机成像外透视参数,并用DLT方法求解C形臂X线 机成像内透视参数,再根据成熟的极线几何原理与双目视觉算法就可以进行路径规划和重 建。同时,在患者和双平面手术机器人上也固定了示踪器并进行实时位置跟踪,结合上述的 方法,利用光学定位子系统就可以建立图像、靶罩、患者和双平面手术机器人之间的动态联 系,从而在现有双平面机器人自动精确定位优点的基础上,实现了双平面手术机器人的术 中运动补偿,减少了术中操作时间和X射线放射剂量。
技术实现思路
: 本专利技术的目的是提出和相 应的操作流程,避免手术过程中由于患者和手术机器人移位而造成固定螺钉的实际植入路 径偏离规划路径,减少手术中由于患者和双平面手术机器人移位所造成的重新获取图像和 重新进行手术路径规划的操作,以及因此增加的X射线放射剂量和操作时间。本专利技术克服 了现有双平面手术机器人系统在获取图像时,必须进行多次X射线透视才能将双平面手术 机器人机身的体积庞大的立体定标架上所有标志点全部呈现在图像中的缺点,操作流程简 单,实现了快速、准确的手术路径定位,很大程度上减少了术中操作时间和X射线放射剂 量。本专利技术用光学定位子系统对患者和双平面手术机器人进行跟踪和运动补偿,兼顾手术 效率、精度和X射线辐射剂量,可以对使用双平面手术机器人进行操作的手术流程进行改 进,并且该运动补偿方法也适用于各种其他类型手术机器人,尤其适用于以股骨颈骨折和 骶髂关节骨折为代表的骨外科创伤手术,方法科学、通用性强,在骨外科创伤微创手术中具 有明确的使用价值。 我们注意到传统的双平面手术机器人系统工作的前提是假设患者和双平面手术 机器人以及其机身固定的立体定标架绝对静止,其方法核心是在术中从两个不同的透视角 度获取患者创伤部位与立体定标架的X射线图像,利用双目视觉算法来定位患者和双平面 手术机器人的位置,从而在图像中进行路径规划就可以代表真实患者创伤部位的手术路 径,也就能将该路径的坐标映射到双平面手术机器人工作空间内。但是传统的双平面手术 机器人系统工作的前提是手术过程中患者必须相对于双平面手术机器人及其机身立体定 标架绝对静止,这是由于规划图像只能反映在图像获取时刻患者和双平面手术机器人的位 置。一旦患者或者双平面手术机器人相对于获取图像时自身的位置发生移动,双平面手术 机器人无法感知和补偿这一运动,如果双平面手术机器人仍然按照之前获取的图像规划的 路径执行操作,就会偏离正确的手术路径。 我们发现对患者和双平面手术机器人的运动进行运动补偿,本质上是建立术中图 像、立体定标架、患者和双平面手术机器人之间的动态联系。只要在立体定标架、患者和双 平面手术机器人上固定示踪器,光学定位子系统可以定位和跟踪这些物体,建立它们之间 的联系。然后再进行C形臂X线机的标定建立立体定标架与图像的联系,就可以本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法,其特征在于,是在一种双平面手术机器人运动补偿系统平台,以下简称系统中,依次按以下步骤实现的:步骤(1),构建一个所述的系统,包括C形臂X线机(1)、靶罩(2)、作为测试对象的股骨模型(3)、光学定位子系统(4)、双平面手术机器人(5)和工作站(6),其中:C形臂X线机(1),用于获取手术中所述作为测试对象的股骨模型(3),通过所述C形臂X线机(1)的转动,能在所述股骨模型(3)水平放置时自底向上地获取股骨颈部位的正位图像,或者从侧面获取所述股骨颈部位的侧位图像,靶罩(2),由靶罩标志点定标架和靶罩示踪器两部分构成,其中:所述靶罩标志点定标架,用于在所述C形臂X线机(1)获取所述正位图像或侧位图像后对所述C形臂X线机(1)进行标定,所述靶罩标志点定标架包括:所述靶罩(2)的底层塑料板和顶层塑料板,其中:在底层塑料板上,至少安放了作为标志点的6个直径为3mm的钢珠,按数字“4”的形状顺序排列,在顶层塑料班上,至少安放了作为标志点的4个直径为2mm的钢珠,按正方形的形状从左上角开始逆时针方向排列,所述底层塑料板和顶层塑料板上、下平行地同轴放置,中间留有80mm~120mm的间距,且用金属框架固定,构成了所述靶罩标志点定标架,上、下两层所述塑料板上的标志点既不互相遮挡,也不妨碍识别在所述C形臂X线机(1)所获取的二维图像中各所述标志点所对应的像素值,以实现对所述C形臂X线机(1)的标定,所述靶罩示踪器,是垂直地连接在所述金属框架上、下周边之间的所述靶罩(2)的一块侧面面板,上面固定着由刚性十字架连接且在所述刚性十字架的四个端部各装有一个反光球的示踪器,用于跟踪所述靶罩(2)的空间位置,所述靶罩(2)固定在所述C形臂X线机(1)的影像增强器上,所述顶部塑料板面向且平行于所述影像增强器的平面,股骨模型(3),平放在牵引床上,用以模拟受试患者,在所述股骨模型(3)上端面的几何中心刚性地固定患者示踪器,这是一个四个端部各安装着反光球的刚性十字架,在初始位置,所述靶罩示踪器面对着所述股骨模型(3)的上端面,处于所述光学定位子系统(4)的跟踪范围,光学定位子系统(4),是一个安装在三脚架上的CCD摄像机,面对所述股骨模型(3),靠人工移动,双平面手术机器人(5),在机身侧面固定着一个双平面手术机器人示踪器,也是一个在四个端部各固定着一个反光球的刚性十字架,用于跟踪所述双平面手术机器人(5)的运动,所述双平面手术机器人(5)平行且紧靠着所述牵引床,且使所述双平面手术机器人示踪器面向所述股骨模型(3)的侧面,工作站(6),是一台上位计算机,三个控制信号输入端分别与所述C形臂X线机(1)、所述光学定位子系统(4)和所述双平面手术机器人(5)对应的输出端相连,所述工作站(6)内部置有:图像输入模块、图形交互模块、数据处理模块和双平面手术机器人注册与控制模块;步骤(2)建立所述双平面手术机器人运动补偿系统内涉及的各个坐标系及其相互变换关系,步骤(2.1)所述坐标系是齐次加一的齐次坐标系,用h表示尺度因子,h=1:步骤(2.1.1)靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,h),h=1,原点为其中任意一个反光球的球心,所述靶罩(2)内各个标志点i的坐标为fi(x,y,z,1),i=0,1,2,...,9,其余各点的坐标为f(x,y,z,1),各标志点的总合为I=10,步骤(2.1.2)患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1),其原点为其中任一反光球球心,各点的坐标为p(x,y,z,1),步骤(2.1.3)双平面手术机器人示踪器坐标系Rt(X,Y,Z,1),其原点为其中任一反光球球心,各点的坐标为rt(x,y,z,1),步骤(2.1.4)双平面手术机器人坐标系R(X,Y,Z,1),其原点位于所述双平面手术机器人(5)机身的几何中心,各点的坐标为r(x,y,z,1),步骤(2.1.5)所述股骨模型(3)的正位图像坐标系A(X,Y,1),左下角为所述坐标系的原点,各点的坐标为a(x,y,1),步骤(2.1.6)所述股骨模型(3)的侧位图像坐标系L(X,Y,1),左下角为所述坐标系的原点,各点的坐标为l(x,y,1),步骤(2.1.7)所述光学定位子系统(4)自定义的坐标系:世界坐标系W(X,Y,Z,1),是Auto CAD的基本坐标系,各点坐标为w(x,y,z,1),步骤(2.2)建立各所述坐标系之间的空间变换矩阵:步骤(2.2.1)TP(F‑A)表示当所述靶罩(2)的底层塑料板面对所述股骨模型(3)正面以获取所述股骨模型(3)的正位图像时,从所述患者示踪器坐标系P(X,Y,Z,1)到所述靶罩示踪器坐标系F(X,Y,Z,1)的4*4空间变换矩阵,步骤(2.2.2)TP(F‑L)为当所述靶罩(2)的底层塑料板面对所述股骨模型(3)侧...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员:王广志宋健丁辉王军强韩巍
申请(专利权)人:清华大学
类型:发明
国别省市:北京;11

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