自主机器人跟踪制造技术

一种用于跟踪由外科手术机器人系统操纵的外科手术工具的位置以确定该工具被正确地定位和定向的系统。微型3

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自主机器人跟踪


[0001]本公开的实施方案描述了与例如如应用于矫形外科手术治疗的外科手术工具的机器人跟踪的领域相关的技术。

技术介绍

[0002]在一些情况下，机器人辅助的基于图像的外科手术的成功取决于感兴趣区域的术前图像与术中外科手术术野之间的准确配准。在整个外科手术过程依赖于准确地识别患者的解剖特征的情况下，配准的精确度可能是极为重要的，这些解剖特征与对操作进行计划所基于的术前图像中识别的那些解剖特征相对应。一旦已经建立了准确的配准，机器人外科手术系统就可以引导端部执行器对外科手术工具进行准确定位以执行根据术前三维图像生成的外科手术计划。在许多外科手术计划中，程序中的一些可能涉及外科手术医生方的手动操纵。一个此类示例性实例是在矫形程序中进行孔的钻进中，其中外科手术医生使用外科手术钻具手动地执行钻进程序。为了确定钻具钻头的纵向位置(即，钻具钻头在对象的骨中的插入深度)，必须使用监控系统以防止钻具的过度插入(可能伴随对对象的损害)所需的准确度来跟踪钻具的位置。在这方面，实时监控是必要的，以便保持对钻具的位置的持续不断的了解。
[0003]已经开发了使用多种装备和对准方法的不同系统，以确保在外科手术程序中对钻具位置的准确监控。一种方法是使用导航系统，在该导航系统中，通过用三维相机系统观察外科手术术野来实现要被跟踪的对象的运动，该三维相机系统能够对附着到一个或多个对象(其位置要被跟踪)的三维标记以及解剖特征(正在其上执行外科手术程序)进行成像。通过这种方式，可以跟踪比如外科手术钻具相对于矫形元件(钻具正在其上操作)的位置和取向。这些系统通常依赖于相机和标记之间的清晰视场，其中相机之间的视线需要不受诸如外科手术医生的臂或机器人臂等对象的阻碍。依赖于其他成像形式(诸如电磁辐射、超声波或无线电定位传输)的类似系统也可能需要类似的条件。

技术实现思路

[0004]本公开尤其描述了新的示例性系统和方法，这些新的示例性系统和方法用于跟踪由外科手术机器人系统操纵的对象(诸如，外科手术工具)的位置，使得可以确定工具处于正确计划的位置和正确计划的取向，以根据预定的外科手术计划执行分配给外科手术机器人系统的任务。这些目的通过使用安装在机器人系统的靠近感兴趣的外科手术区域的部分上(诸如，在端部执行器上)的一个或多个微型跟踪相机来实现。这些实施方案确定工具在其要操作的解剖身体部分的表面上的初始空间位置和取向，并且还能够在工具执行其功能时监控工具进入解剖身体部分的进程。这份公开中描述的系统中的一些的优点在于，这些系统不要求任何相机或传感器远离机器人本身，并且系统操作所必需的所有机械元件和传感器元件(但不一定是控制系统)可以安装在机器人的范围内。结果，这些实施方案较不倾向于或甚至不受由于远程相机或传感器与机器人或患者之间的通信中断而导致的操作中
断的影响。
[0005]本公开的实施方案通过结合最有利地安装在机器人的致动臂或端部执行器上的一个或多个微型三维传感器相机来实现这些目的，机器人的致动臂或端部执行器是机器人的最靠近工具和外科手术的区域的部分，但是也可以使用其他靠近位置。在下文中，术语端部执行器通常用于指机器人的这个部分。这些微型传感器相机相对于端部执行器具有固定的位置。每个相机或传感器通过对刚性地附接到正被跟踪的对象的三维参照标记元件或参照框架进行成像并且分析所得到的三维图像以确定跟踪标记的位置和取向并且因此确定对象的位置和取向来跟踪对象相对于端部执行器的位置和取向。对于适当装备的相机系统，这种分析还可以通过使用相机的直接三维输出信息配置来完成。必须在要跟踪的对象的三维空间位置和取向与由相机跟踪的三维标记的空间位置和取向之间建立初始相互关系。跟踪远程对象相对于端部执行器的位置可以提供若干不同的优点。
[0006]首先，跟踪远程对象(诸如附接到可移动外科手术工具的标记，或者更通常地，附接到工具本身所附接的工具驱动器的标记)使得能够知道工具相对于端部执行器的纵向位置并且因此能够知道工具相对于机器人坐标系的纵向位置。为了克服在此类外科手术工具保持器或驱动器与保持器旋转或振动或简单地保持的工具之间可能由于所使用的命名和特定工具配置的差异而引起的任何混淆，术语“外科手术工具”此后用于表示工具驱动器连同其所保持的外科手术工具。钻头的在对象身体的解剖部分上执行所述程序的末端于是相应地被称为外科手术工具的末端。无论工具保持器是钻具、或铣削机器、或超声波工具保持器、或甚至是其操作工具相对于工具保持器不移动的工具保持器，都使用该命名法。
[0007]外科手术工具的角取向在机器人坐标系中通常是已知的，因为外科手术工具所穿过的工具引导件的角取向对于机器人控制系统是已知的。然而，至少在由外科手术医生手动执行工具插入的系统中，外科手术工具相对于工具引导件的纵向位置对于机器人系统是未知的。对指向外科手术工具标记元件的端部执行器上的此类跟踪相机进行使用因此使得能够确定要获得的完整工具姿势(包括外科手术工具的纵向位置在内)。相对于外科手术工具将在其上操作的目标的纵向外科手术工具位置可以通过外科手术工具末端的相对于外科手术工具上的标记参照框架的位置的初步校准来确定。替代地，该位置可以通过将外科手术工具末端接触到其将在上面操作的目标的表面上而被确定，以便限定如下参照位置：外科手术工具运动将相对于该参照位置被参照。
[0008]第二，通过使用安装在端部执行器上并且指向附接到远程对象的标记的三维跟踪相机，这些实施方案能够跟踪解剖身体部分相对于端部执行器并且因此相对于机器人坐标系的姿势，该远程对象在该应用中可以是机器人系统要在其上执行外科手术程序的解剖身体部分。
[0009]第三，上述两个优点的组合提供了外科手术工具和机器人系统要在其上执行外科手术程序的解剖身体部分之间的直接坐标关系，因为两者都涉及机器人及其端部执行器的相同基础坐标系。因此，一旦已经在解剖身体部分(包括参照标记元件在内)的术中荧光镜图像与来自三维图像集的术前图像之间执行了配准，使得身体部位的术中姿势可以与已创建外科手术计划所根据的更高分辨率术前图像相关，则标记元件的术中光学跟踪使得外科手术工具的位置能够与感兴趣区域的术前高分辨率图像相关。这使得能够将从工具跟踪相机输出获知其姿势的外科手术工具末端的图像实时地植入到从术前三维图像集取得的术
前高分辨率图像上。因此，这种实施方式使得外科手术医生能够借助于植入在产生外科手术计划所根据的高分辨率图像(诸如，CT或MRI图像)上的、工具末端区域的图像实时地跟踪外科手术工具的末端的位置。在与本申请共同拥有并具有共同专利技术人的美国专利9,125,556号“On
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site Verification ofImplant Positioning(植入物定位的现场验证)”中，描述了一种方法，通过该方法，可以在较高分辨率的术前图像上植入通过术中X射线透视成像的外科手术插入物，这提供了优于在具有低得多的分辨率的术中X射线图像中观察插入物的主要优点。在目前描述的实施方式中，使用由工具引导的相机和身体部位引导的相机生成的图像信息的此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种机器人跟踪系统，所述机器人跟踪系统包括：第一跟踪相机，所述第一跟踪相机固定地附接到机器人的一部分，处于使得所述第一跟踪相机能够捕获附接到外科手术工具的第一三维参照框架的图像的位置；第二跟踪相机，所述第二跟踪相机固定地附接到所述机器人的一部分，处于使得所述第二跟踪相机能够捕获附接到对象的解剖部分的第二三维参照框架的图像的位置；以及控制系统，所述控制系统适于基于来自所述第一跟踪相机的所述第一三维参照框架的图像确定所述外科手术工具在所述机器人坐标系中的至少一位置，并且适于基于来自所述第二跟踪相机的所述第二三维参照框架的图像确定所述对象的解剖部分在所述机器人坐标系中的姿势。2.根据权利要求1所述的机器人跟踪系统，其中，所述控制系统进一步适于确定所述外科手术工具的取向。3.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述机器人的所述一部分是端部执行器。4.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述控制系统适于考虑所述外科手术工具的操作末端相对于由所述第一三维参照框架确定的所述外科手术工具的位置的位置，使得所述外科手术工具的所述操作末端相对于所述端部执行器的纵向位置是已知的。5.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述对象的所述解剖部分是骨，并且所述外科手术工具是携载钻具钻头的钻具，所述钻具钻头适于在由所述端部执行器携载的引导套筒内移动，并且其中所述控制系统适于跟踪所述钻具钻头到所述骨中的插入深度。6.根据权利要求5所述的机器人跟踪系统，其中，所述控制系统进一步适于使用所述机器人系统的坐标系与至少所述骨的一组术前三维图像的配准程序，使得所述钻具钻头根据从所述术前三维图像集生成的外科手术计划相对于所述骨定向和定位。7.根据权利要求6所述的机器人跟踪系统，其中，所述控制系统进一步适于将所述骨的由所述图像配准程序确定的姿势与所述骨的根据来自所述第二跟踪相机的图像确定的姿势进行比较，使得能够在术中验证所述骨的姿势。8.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述跟踪相机中的至少一个使得能够生成三维图像。9.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述第一跟踪相机和所述第二跟踪相机中的至少一者适于在距所述跟踪相机所对准的所述三维参照框架不超过100cm的位置中固定地附接到所述端部执行器。10.根据权利要求1至8中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述第一跟踪相机和所述第二跟踪相机中的至少一者适于在距所述跟踪相机所对准的所述三维参照框架不超过50cm的位置中固定地附接到所述端部执行器。11.根据权利要求1至8中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述第一跟踪相机和所述第二跟踪相机中的至少一者适于在距所述跟踪相机所对准的所述三维参照框架不超过20cm的位置中固定地附接到所述端部执行器。12.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，进一步包括固定地附接到接
触式探头的第三参照框架，使得附接到所述机器人的所述端部执行器的所述第一跟踪相机和所述第二跟踪相机中的至少一者能够确定所述接触式探头在所述机器人的坐标框架中的位置，使得所述对象的解剖结构的由所述接触式探头接触的点能够在所述机器人坐标框架中被配准。13.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述控制器进一步适于：在所述对象的所述解剖结构的由附接到所述机器人的所述端部执行器的所述第一跟踪相机和所述第二跟踪相机中的至少一者获得的图像中，检测激光束在所述对象的所述解剖结构的预定点上的撞击，使得所述对象的所述解剖结构的由所述激光束照射的所述预定点在所述机器人坐标框架中是已知的。14.根据前述权利要求中任一项所述的机器人跟踪系统，其中，所述控制系统进一步适于确定所述外科手术工具末端相对于所述对象的解剖部分的位置，而不需要与所述对象的术前图像配准。15.根据权利要求1所述的机器人跟踪系统，其中，所述外科手术工具是手持式的。16.一种机器人跟踪系统，所述机器人跟踪系统包括：第一二维成像相机，所述第一二维成像相机固定地附接到第一机器人臂并且被引导以生成附接到手持式外科手术工具的三维参照框架的第一二维图像；第二二维成像相机，所述第二二维成像相机固定地附接到第二机器人臂并且被引导以生成附接到所述手持式外科手术工具的所述三维参照框架的第二二维图像；以及控制系统，所述控制系统适于根据来自所述第一相机的第一二维图像以及根据来自所述第二相机的第二二维图像来确定所述外科手术工具在所述第一机器人和所述第二机器人中的至少一者的坐标系中的三维姿势，其中，所述第一机器人臂的位置和所述第二机器人臂的位置适于被保持间隔开一定距离，所述距离为所述手持式外科手术工具的所确定的姿势提供期望的准确度。17.根据权利要求16所述的机器人跟踪系统，进一步包括第三三维参照框架，所述第三三维参照框架附接到所述外科手术工具要在其上执行外科手术程序的对象的解剖部分，使得所述第一二维成像相机和所述第二二维成像相机能够提供信息以使得能够确定所述对象的所述解剖部分在所述第一机器人和所述第二机器人中的至少一者的坐标系中的三维姿势。18.根据权利要求17所述的机...

【专利技术属性】
技术研发人员：M，
申请(专利权)人：马佐尔机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：