一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统及方法，本发明专利技术系统包括影像处理模块、空间配准模块、手术导航模块和运动控制模块。本发明专利技术方法包括术前规划、术中执行、术后评估。本发明专利技术根据医生在图像中确认的脊柱椎体病变位置和手术方向，能够自动移动脊柱辅助手术机器人在机器人坐标系下定位手术方向从而指引医生实施手术，不仅方便医生手术而且提高手术的效率，还提高了手术的准确性和安全性。同时，本发明专利技术通过设置的空间配准探头拾取粘贴在患者背部靶点的方式完成图像坐标系和机器人坐标系的空间配准，避免了对患者的二次创伤。创伤。创伤。

【技术实现步骤摘要】
一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统及方法


[0001]本专利技术涉及医疗器械
，尤其涉及一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统及方法。

技术介绍

[0002]目前，中国逐步步入老龄化社会，骨质疏松问题越来越引起人们的关注，已成为常见代谢性骨病之一。骨质疏松性椎体压缩骨折(OsteoporoticVertebralCompressionFracture，OVCF)是骨质疏松常见的并发症之一，对患者健康危害非常大。经皮椎体成形术(Percutaneous Vertebroplasty，PVP)是指经皮通过椎弓根或椎弓根外向椎体内注入生物水泥以达到增加椎体强度和稳定性，防止塌陷，缓解疼痛，甚至部分恢复椎体高度为目的一种微创脊柱外科技术。与保守治疗相比，PVP治疗骨质疏松缓解疼痛迅速，椎体形态和高度可基本恢复，遏制恶性循环，改善患者的生存状态，已成为临床治疗OVCF的主要手段。然而，在传统PVP手术过程中，医生多数依靠二维医学图像判断脊柱椎体病变情况，凭经验确定病变位置和手术方向，此后一般还需要多次通过医学影像扫描调整确认病变位置和手术方向，整个手术过程，医务人员徒手操作，手术强度大，效率低，增加患者的痛苦，也使医患多次曝露在辐射环境中。
[0003]目前，脊柱手术辅助相关的手术导航系统还依靠二维医学图像信息，无法直观的反应脊柱椎骨三维形态，对于病变情况的观察不够直观，在整个PVP手术过程，容易存在手术方向判断不准，路径规划困难及精度低等问题，影响到手术的准确性和安全性。此外，现有的手术导航系统为了建立患者和手术导航系统的空间配准关系，需要在正常椎体或其余人体部位安装固定装置作为参考，给患者造成了二次创伤。

技术实现思路

[0004]针对现有技术存在的缺陷，本专利技术的主要目的在于提供一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统及方法，旨在解决现有手术导航系统没有三维重建脊柱椎骨实例，无法直观判定椎体病变情况及反映PVP手术过程，且依靠在正常椎体或其余人体部位安装固定装置作为参考完成空间配准而给患者造成二次创伤的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术所述脊柱手术辅助机器人包括三坐标平台、六轴并联机器人以及医生工作平台。
[0007]一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，包括：
[0008]影像处理模块，用于处理患者的脊柱CT数据，从人体的其余组织中分割出脊柱椎骨实例，并三维重建所述分割的脊柱椎骨实例；
[0009]空间配准模块，用于计算图像坐标系与机器人坐标系之间的空间配准关系；
[0010]手术导航模块，用于医生在所述三维重建后的脊柱椎骨实例中选择病变区域的位置及手术方向，并根据所述空间配准关系获得在机器人坐标系下病变区域的位置及手术方
向，以及根据所述机器人坐标系下病变区域的位置及手术方向，医生选择末端执行器的安装方向和Z轴方向的移动距离，产生手术导航指令；
[0011]运动控制模块，用于根据所述手术导航指令，控制脊柱手术辅助机器人的三坐标平台和六轴并联机器人运动，使末端执行器到达指定位姿。
[0012]优选地，所述空间配准模块通过在患者背部粘贴生物电极作为靶点，医生分别在图像坐标系和机器人坐标系下拾取这些靶点，获得靶点坐标值，并通过Helmert变换，确定图像坐标系与机器人坐标系之间的空间配准关系。
[0013]优选地，所述靶点数量至少为5个，所述在机器人坐标系下拾取靶点的方式为医生通过遥操作杆控制三坐标平台Y轴末端下方的空间配准探头与这些靶点接触，得到这些靶点在机器人坐标系下的坐标值。
[0014]优选地，所述遥操作杆为一种用于手动控制三坐标平台和六轴并联机器人的控制器，所述位于三坐标平台Y轴末端下方的空间配准探头为高精度的红宝石测头，并设计为可折叠结构，在医生完成靶点拾取后旋转90
°
隐藏，避免手术过程中与人体背部皮肤发生碰撞。
[0015]优选地，所述手术导航指令包括所述三坐标平台各轴的移动量，所述六轴并联机器人的位姿，医生允许操作的入针深度。
[0016]优选地，所述六轴并联机器人的位姿包括X轴的移动量，绕Y轴的旋转角度β以及绕Z轴的旋转角度γ。
[0017]优选地，该导航系统还包括位于医生工作平台上的导航显示模块，用于在整个手术过程中与医生交互，显示所述脊柱椎骨实例重建结果，医生在图像坐标系下选择所述脊柱椎骨实例的病变位置和方向，显示所述三坐标平台和六轴并联机器人的实时信息，以供医生在手术过程中作手术参考。
[0018]一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航方法，包括术前规划、术中执行、术后评估；
[0019]1)所述术前规划的步骤包括：
[0020]1‑
1)患者麻醉，并在患者背部粘贴用于所述空间配准的靶点，使用CT扫描患者并将患者的脊柱CT数据传至所述医生工作平台；
[0021]1‑
2)根据所述患者的脊柱CT数据，从人体的其余组织中分割出脊柱椎骨实例，并三维重建所述分割的脊柱椎骨实例；
[0022]1‑
3)医生分别在图像坐标系和机器人坐标系下拾取所述靶点，获得靶点坐标值，并通过Helmert变换，确定图像坐标系与机器人坐标系之间的空间配准关系；
[0023]1‑
4)医生在所述重建后的脊柱椎骨实例中选择病变区域的位置及手术方向，并根据所述空间配准关系获得在机器人坐标系下的病变区域的位置及手术方向；
[0024]1‑
5)医生根据所述机器人坐标系下的病变区域的位置及手术方向，选择末端执行器的安装方向和Z轴方向的移动距离，产生手术导航指令；
[0025]2)所述术中执行的步骤包括：
[0026]2‑
1)注册患者、引导管、穿刺针；
[0027]2‑
2)数据解析，三坐标平台与六轴并联机器人执行手术导航指令，使末端执行器到指定位姿；
[0028]2‑
3)医生安装穿刺引导管并手动将穿刺针刺入患者体内病变区域；
[0029]3)所述术后评估的步骤包括：
[0030]3‑
1)患者再次CT扫描，并将脊柱CT数据传至医生工作平台进行图像分析，以及比对穿刺入针是否到达病变位置；若否则重新确认病变位置和手术方向，产生手术导航指令，若是则注射生物水泥；
[0031]3‑
2)当前脊柱椎骨手术完成后，患者再次CT扫描，评估生物水泥填充效果；
[0032]3‑
3)判断是否还有其他椎体需要手术，若是则继续上述流程，若否则手术完成，脊柱手术辅助机器人回到原点。
[0033]相较于现有技术，本专利技术所述基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统及方法采用上述技术方案，达到了如下技术效果：
[0034]能够根据脊柱CT图像完成脊柱椎骨实例分割和三维重建，更直观的反映脊柱椎骨三维形态，更方便医生在经皮椎体成形术(PVP)中确认病变位置和手术方向。此外，通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，其特征在于，包括：影像处理模块，用于处理患者的脊柱CT数据，从人体的其余组织中分割出脊柱椎骨实例，并三维重建所述分割的脊柱椎骨实例；空间配准模块，用于计算图像坐标系与机器人坐标系之间的空间配准关系；手术导航模块，用于医生在所述三维重建后的脊柱椎骨实例中选择病变区域的位置及手术方向，并根据所述空间配准关系获得在机器人坐标系下病变区域的位置及手术方向，以及根据所述机器人坐标系下病变区域的位置及手术方向，医生选择末端执行器的安装方向和Z轴方向的移动距离，产生手术导航指令；运动控制模块，用于根据所述手术导航指令，控制脊柱手术辅助机器人的三坐标平台和六轴并联机器人运动，使末端执行器到达指定位姿。2.如权利要求1所述的基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，其特征在于，所述空间配准模块通过在患者背部粘贴生物电极作为靶点，医生分别在图像坐标系和机器人坐标系下拾取这些靶点，获得靶点坐标值，并通过Helmert变换，确定图像坐标系与机器人坐标系之间的空间配准关系。3.如权利要求2所述的基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，其特征在于，所述靶点数量至少为5个，所述在机器人坐标系下拾取靶点的方式为医生通过遥操作杆控制三坐标平台Y轴末端下方的空间配准探头与这些靶点接触，得到这些靶点在机器人坐标系下的坐标值。4.如权利要求3所述的基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，其特征在于，所述遥操作杆为一种用于手动控制三坐标平台和六轴并联机器人的控制器，所述位于三坐标平台Y轴末端下方的空间配准探头为高精度的红宝石测头，并设计为可折叠结构，在医生完成靶点拾取后旋转90
°
隐藏，避免手术过程中与人体背部皮肤发生碰撞。5.如权利要求1所述的基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航指令包括所述三坐标平台各轴的移动量，所述六轴并联机器人的位姿，医生允许操作的入针深度。6.如权利要求5所述的基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，其特征在于，所述六轴并联机器人的位姿包括X轴的移动量，绕Y轴的旋转角度β以及绕Z轴的旋转角度γ。7.如权利要求1至6任一项所述的基于脊柱手术辅助机器人的手术导航系统，其特征在于，该导航系统还包括位于医生工...

【专利技术属性】
技术研发人员：程鹏飞，何永义，杨浩，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：