一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法、装置及存储介质制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法、装置及存储介质，包括第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和上位机，第一机械臂上安装成像传感器，第二机械臂上安装X射线源，第三机械臂上安装通道把持装置；第一机械臂在第一滑动轨道上移动，第二机械臂在第二滑动轨道上移动，第三机械臂在第三滑动轨道上移动。上位机将各部件统一到同一个三维坐标系中，不仅可以完成高质量高精度的三维CT图像，还能灵活完成术中各种姿态的X光透视图像，而且利用机械臂的高精度定位结合高质量的术中三维图像，可以完成高精度的骨科手术导航和定位。可以完成高精度的骨科手术导航和定位。可以完成高精度的骨科手术导航和定位。

【技术实现步骤摘要】
一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法、装置及存储介质


[0001]本专利技术属于医疗器械
，尤其是涉及一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法、装置及存储介质。

技术介绍

[0002]随着社会现代化进程不断提高，骨科疾病已经位居全球人类死亡的第四位，日趋成为严重影响人类生命和健康的突出问题；进行骨科手术是临床医学上促进病人恢复的一个很重要的方式。
[0003]传统的骨科手术是借助C臂机的X光透视引导医生完成断骨复位、置针、固定等一系列操作。传统的手术方法，需要进行大量的X光透视，并且及其依赖医生的经验，因此存在手术时间长、辐射剂量高、患者创伤大等问题。
[0004]近些年国内外均发展出了骨科手术机器人系统，该机器人借助术中的X光透视、术中或术前的CT图像、光学双目追踪系统等多种不同的手段，获取病人的三维姿态信息，完成导航和定位功能。具有定位精准、微创、手术时间短、操作简单、易学等突出优势，是对传统骨科手术的一种重大创新。但还是存在各种各样的问题，例如术中CBCT成像范围小，需要术中和术前数据匹配融合(该技术难度较大)等问题。
[0005]现有技术中，已经有利用两个机械臂完成CT成像的系统，该系统既可以做三维扫描，又可以做二维透视，并且可以做到多种姿态的透视，非常灵活。例如公开号为CN107115120A的专利文献公开了一种多自由度动物锥束CT成像系统，包括末端固定有探测器的第一六轴机械臂、末端固定有球管的第二六轴机械臂和同步传送带，第一六轴机械臂和第二六轴机械臂对称安装在同步传送带两侧，第一六轴机械臂和第二六轴机械臂可实现空间六自由度运动。但该系统只是一个单纯的成像系统，与手术坐标系无关联，并不能完成手术的导航和定位。
[0006]公开号为US8781630的专利文献公开了一种成像平台系统，为手术指导提供集成导航功能。该系统可包括两个机械臂系统，一个机械臂系统保持成像源，另一个机械臂系统保持成像传感器。这些机械臂系统能够移动并提供三维断层扫描、静态射线照相图像和动态荧光图像序列。手术机械臂系统包括在成像平台系统中，以准确地实现图像引导的手术计划。该系统中，由外科医生抓住手术机械臂上的手术通道手动移动到所需射线照相投影的位置，利用附加到成像传感器机械臂和手术机械臂上的标准X射线校准目标来识别它们相对于X射线源机器人的空间姿态。这样手术器械定位主要依靠医生的经验和能力，而且需要反复多次成像，同样存在手术时间长、辐射剂量高等问题。
[0007]公开号为WO2020079596的专利文献公开一种机器人手术系统，包括至少两个具有彼此相对已知的坐标系的机械臂，其中一个机械臂载有X射线源，另一个机械臂载有成像检测器板。一个机械臂承载外科手术工具或工具保持器，在成像坐标系中已知手术工具的姿态。该系统通过将三个机械臂安装在同一个基座上(或者将手术工具安装在成像机械臂上)，虽然实现了成像坐标系和手术坐标系的统一，但是，依靠机械臂的物理安装位置实现
相对定位，不仅操作范围非常局限容易出现机械臂之间互相干扰或碰撞，动作误差容易累积，而且校准要求和校准难度都很高。
[0008]综上所述，现有技术存在下述问题：
[0009]1、传统骨科手术非常依赖医生经验，年轻医生要熟练掌握手术，需要大量的练习和经验积累，学习周期非常长；传统手术中还存在手术时间长，辐射剂量高，患者创伤大等多种问题。
[0010]2、现有的骨科手术机器人系统较为复杂，借助多种图像信息，处理复杂，并且不是所有部位均可使用。例如利用术中CBCT的手术机器人，由于CBCT成像范围有限，不能做骨盆类的手术；利用术前CT和术中X光图像的手术机器人，定位精度取决于CT和X光的配准精度，而由于种种误差，二维X光图像和三维CT图像的配准精度很难达到亚毫米量级，限制了该种手术机器人在一些需要超高精度的手术中的使用。
[0011]3、无论是传统的骨科手术还是骨科手术机器人系统，在手术过程中都需要医生手动拖动C臂机完成各种角度方位的透视图，而且很多姿态的透视图像需要反复透视，C臂机就要来回拖动摆姿态，不仅麻烦而且需要长时间的操作学习才能熟练掌握姿态的摆放，此外还延长了手术时间。

技术实现思路

[0012]为了解决上述的技术问题，本专利技术的目的是提供一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法、装置及存储介质，将机械臂和X光成像结合，不仅可以完成高质量高精度的三维CT图像，还能灵活完成术中各种姿态的X光透视图像，而且利用机械臂的高精度定位结合高质量的术中三维图像，可以完成高精度的骨科手术导航和定位。
[0013]为了达到上述的目的，本专利技术采用了以下的技术方案：
[0014]一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法，包括第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)和上位机(10)，第一机械臂(1)的末端法兰上安装有成像传感器(4)，第二机械臂(2)的末端法兰上安装有X射线源(5)，第三机械臂(3)的末端法兰上安装有通道把持装置(6)；第一机械臂(1)在第一滑动轨道(7)上移动，第二机械臂(2)在第二滑动轨道(8)上移动，第三机械臂(3)在第三滑动轨道(9)上移动，第三滑动轨道(9)围绕手术病床设置，第一滑动轨道(7)和第二滑动轨道(8)分别设置在第三滑动轨道(9)的左右两侧；上位机(10)将第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)、成像传感器(4)、X射线源(5)、通道把持装置(6)、第一滑动轨道(7)、第二滑动轨道(8)、第三滑动轨道(9)和手术病床统一到同一个三维坐标系中，第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)、成像传感器(4)和X射线源(5)均与上位机(10)通信相连以实时交互数据或信号；实施如下步骤：
[0015]1)上位机(10)根据使用者选择的成像模式，计算第一机械臂(1)和第二机械臂(2)该去的位置和姿态；
[0016]2)第一机械臂(1)和第二机械臂(2)到达指定位置和姿态后完成透视；
[0017]3)成像传感器(4)将数据发回上位机(10)处理生成二维图像；
[0018]4)上位机(10)根据使用者在二维图像中选择的定位点，控制第三机械臂(3)到达指定位置和姿态完成手术通道定位；
[0019]5)完成手术操作后，通过二维透视或三维CT扫描以确认植入物的位置是否合适，
确认无误后手术完成。
[0020]一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法，包括第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)和上位机(10)，第一机械臂(1)的末端法兰上安装有成像传感器(4)，第二机械臂(2)的末端法兰上安装有X射线源(5)，第三机械臂(3)的末端法兰上安装有通道把持装置(6)；第一机械臂(1)在第一滑动轨道(7)上移动，第二机械臂(2)在第二滑动轨道(8)上移动，第三机械臂(3)在第三滑动轨道(9)上移动，第三滑动轨道(9)围绕手术病床设置，第一滑动轨道(7)和第二滑动轨道(8)分别设置在第三滑动轨道(9)的左右两侧；上位机(10)将第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法，其特征在于，包括第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)和上位机(10)，第一机械臂(1)的末端法兰上安装有成像传感器(4)，第二机械臂(2)的末端法兰上安装有X射线源(5)，第三机械臂(3)的末端法兰上安装有通道把持装置(6)；第一机械臂(1)在第一滑动轨道(7)上移动，第二机械臂(2)在第二滑动轨道(8)上移动，第三机械臂(3)在第三滑动轨道(9)上移动，第三滑动轨道(9)围绕手术病床设置，第一滑动轨道(7)和第二滑动轨道(8)分别设置在第三滑动轨道(9)的左右两侧；上位机(10)将第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)、成像传感器(4)、X射线源(5)、通道把持装置(6)、第一滑动轨道(7)、第二滑动轨道(8)、第三滑动轨道(9)和手术病床统一到同一个三维坐标系中，第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)、成像传感器(4)和X射线源(5)均与上位机(10)通信相连以实时交互数据或信号；实施如下步骤：1)上位机(10)根据使用者选择的成像模式，计算第一机械臂(1)和第二机械臂(2)该去的位置和姿态；2)第一机械臂(1)和第二机械臂(2)到达指定位置和姿态后完成透视；3)成像传感器(4)将数据发回上位机(10)处理生成二维图像；4)上位机(10)根据使用者在二维图像中选择的定位点，控制第三机械臂(3)到达指定位置和姿态完成手术通道定位；5)完成手术操作后，通过二维透视或三维CT扫描以确认植入物的位置是否合适，确认无误后手术完成。2.一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法，其特征在于，包括第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)和上位机(10)，第一机械臂(1)的末端法兰上安装有成像传感器(4)，第二机械臂(2)的末端法兰上安装有X射线源(5)，第三机械臂(3)的末端法兰上安装有通道把持装置(6)；第一机械臂(1)在第一滑动轨道(7)上移动，第二机械臂(2)在第二滑动轨道(8)上移动，第三机械臂(3)在第三滑动轨道(9)上移动，第三滑动轨道(9)围绕手术病床设置，第一滑动轨道(7)和第二滑动轨道(8)分别设置在第三滑动轨道(9)的左右两侧；上位机(10)将第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)、成像传感器(4)、X射线源(5)、通道把持装置(6)、第一滑动轨道(7)、第二滑动轨道(8)、第三滑动轨道(9)和手术病床统一到同一个三维坐标系中，第一机械臂(1)、第二机械臂(2)、第三机械臂(3)、成像传感器(4)和X射线源(5)均与上位机(10)通信相连以实时交互数据或信号；实施如下步骤：1)上位机(10)根据使用者选择的成像模式，计算第一机械臂(1)和第二机械臂(2)该去的位置、姿态以及扫描路径；2)第一机械臂(1)和第二机械臂(2)到达指定位置和姿态后按照所述扫描路径进行三维CT扫描；3)成像传感器(4)将数据发回上位机(10)；扫描完成，上位机(10)收到全部数据后重建出三维图像；4)上位机(10)根据使用者在三维图像中规划的手术路径，控制第三机械臂(3)到达指定位置和姿态以完成手术通道定位；5)完成手...

【专利技术属性】
技术研发人员：何滨，沈丽萍，徐琦，陈汉清，林必贵，
申请(专利权)人：杭州三坛医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：