基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法技术

本发明专利技术公开了一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，所述骨骼基准确定方法包括步骤：11)将体外标志物与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；12)确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物，获取所述参照物在影像坐标系中的坐标，并获取所述目标骨骼的基准与所述参照物的相对位置；13)根据所述相对位置获取所述目标骨骼的基准在影像坐标系中的坐标，以便在手术时将手术机器人坐标系与所述影像坐标系配准，并以所述目标骨骼的基准的坐标引导或控制手术机器人进行手术。这种基准确定方法能够实现对骨骼基准的准确定位，以保证骨骼手术的安全性和疗效。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种医疗技术，尤其涉及一种。
技术介绍
目前每年全世界都有成千上万的患者进行各种与骨骼有关的手术，如骨科手术、神经外科手术等，这些手术的安全性与疗效果无疑和手术定位及操作的精度紧密相关。例如，脊柱椎弓根钉内固定手术，由于椎弓根周围是脊髓、血管和脏器等重要组织，经椎弓根置入螺钉内固定存在一定风险，穿透其骨皮质造成血管、脏器和神经损伤，发生瘫痪。因此，准确的经椎弓根置入在脊柱外科领域具有十分重要的意义。但目前最为常用的经椎弓根途径置入方法是人工置入，依据体内骨表面标志精度较差，文献报道其失误率可达6-41 %。又例如，人工膝关节置换手术，由于股骨、胫骨形状不规则，缺乏可靠的骨表面标志，术中定位 困难，势必影响手术精度的精度，而对于这种人工膝关节置换，精准的下肢力线重建非常重要，是术后获得满意疗效和假体长期存活的关键。生理状态下，当人体站立时，股骨头中心、膝关节中心及踝关节中心处于同一条直线，此直线即下肢力线(也称机械轴)。轻微的力线不良即可引发早期松动、平台塑件磨损和关节功能不良。研究表明，下肢力线偏差在±3°以内的假体10年存留率可达到90%，超过±3°则降为73%。下肢力线偏离膝关节中心与假体的无菌性松动也有密切关系，下肢力线偏差如果在±3°之内，术后12年假体松动率为3%，如果下肢力线偏差超过±4°则松动率增加至24%。下肢力线内翻时还会增加聚乙烯衬垫的磨损，当膝关节内翻5°或更多时,聚乙烯衬垫的磨损将增加到0. 105 0. 125mm/I。为保证术后下肢力线的精度，目前有髓内定位法、髓外定位法和计算机导航辅助定位法应用于人工膝关节置换。髓内及髓外定位法依靠大量的体内骨性标志，如经股骨髁上轴线、Whiteside线、股骨后髁轴线、胫骨结节内侧缘、内上髁最高点、外上髁最高点、胫骨后髁线、胫骨经髁线、胫骨中沟线、踝间线、第2跖骨线和胫骨结节中内1/3线等，准确率为65% 89. 1%。计算机导航辅助定位分为CT、X射线影像依赖型和非依赖型，但都需要录入下肢的体内的骨性标志方能实现。再例如，脊柱骨折、脊柱肿瘤、脊柱侧弯、椎间盘突出、椎管狭窄、脊柱滑脱等多种脊柱疾患，尽管其减压手术方法多种多样，但均面临一个同样的风险，即手术可能发生神经损伤、造成灾难性的后果，其原因主要还是和不能精准地进行骨骼基准确定及手术操作有关。综上所述，尽管涉及骨骼的各种手术方法形式迥异，但无一例外都要参照或依赖体内骨骼表面的标志。由于这些标志可能受到解剖变异、骨赘增生、肥胖、过多的软组织、畸形等因素的影响，会造成目测判读或触摸困难，这样无疑将影响定位精度导致偏差，进而影响手术的安全与疗效。此外，现有技术中一些其他的定位方法，如框架定位，由于有创目前已趋于淘汰。基于特定底框内CT、MRI扫描的立体定向手术系统，利用扫描罩注册精度较高，但手术只能在CT或MRI室进行，应用受到局限；采用体表马克注册，由于不能保证术中及术前体位一致及皮肤的移动而定位精度较低，只能用于精度要求不高的骨科手术。有鉴于此，亟待针对上述技术问题，另辟蹊径设计一种手术机器人骨骼基准确定方法，实现对骨骼基准的准确定位，以保证骨骼手术的安全性和疗效。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种新的骨骼手术点、线或面等参照标志的确定方法，从而为各种需要精确操作包括数字化切割的骨骼手术提供基准，保证手术精度，提高手术的安全和疗效。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种，它由体外标志物、机器人本体、手术台、移动单元、操控台、探针、三维重建软件及编程控制软件、刀具等组成；其特征在于术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其“绑定” 进行影像学检查，数据资料传输并储存于计算机；术中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面一个或以上的点的坐标，与上述储存的数据资料进行比对后，在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点、线或面的坐标，再以这些点、线或面等作为基准，引导或控制机器人进行精确手术。优选地，体外标志物可用多种材料之制成，可呈矩形或其他任何形状，其上的点、线或面等均可作为骨骼手术参照基准。优选地，以体外标志物上的点、线或面等作为骨骼手术参照基准的各种编程控制软件。优选地，所述骨骼基准确定方法包括步骤11)将体外标志物与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系;12)确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物，获取所述参照物在影像坐标系中的坐标，并获取所述目标骨骼的基准点与所述参照物的相对位置；13)根据所述相对位置获取所述基准点在影像坐标系中的坐标，以便在手术时将手术机器人坐标系与所述影像坐标系配准，并以所述基准点的坐标引导手术机器人进行手术。优选地，所述目标骨骼为寰椎，所述基准确定方法的各个步骤具体为11)将所述体外标志物、所述寰椎和与所述寰椎相邻的枢椎作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系；12)确定所述寰椎、所述枢椎的内外等分剖面在所述体外标志物表面的投影为参照线，获取所述参照线在所述影像坐标系中的坐标；获取所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点的坐标，以及该点到所述参照线的第一高度，获取所述寰椎、所述枢椎的寰枢关节中心点到所述参照线的第二高度，并测量所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点与所述寰枢关节中心点的水平距离；13)根据所述第一高度与所述第二高度的差值，以及所述水平距离获取所述寰枢关节中心点在所述影像坐标系中的坐标。优选地，所述步骤13)后还包括14)将所述手术机器人的机器手以所述寰枢关节中心点为圆心，以大于所述寰枢关节中心点至寰椎左椎弓根置入点、寰椎右椎弓根置入点的距离，且小于所述寰枢关节中心点至所述寰椎左边缘点、所述寰椎右边缘点的距离为半径转动，使所述机器手的导针与所述裳椎后弓左、右触碰，生成两触点的中心点的坐标;15)将导针沿所述寰枢关节中心点与所述两触点的中心点的连线运动，再继续向左或向右移动所述寰椎置入点到正中面的距离；16)按照预先测量的左、右椎弓根置入角度调整姿态，以便进行手术。优选地，所述目标骨骼为股骨，所述基准确定方法的各个步骤具体为11)将所述体外标志物、所述股骨作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系; 12)以所述体外标志物上的水平面为参照面，确定所述股骨上的第一预设点，，确定所述参照面上的第二预设点、第三预设点，第四预设点，并确定所述参照面在所述影像坐标系中的坐标；获取在所述股骨最大截面处截取所述股骨的第一水平剖面到所述参照面的距离，确定第二预设点、第三预设点分别在所述第一水平剖面图的第一投影点、第二投影点的位置，并测量所述股骨头中心点、所述第一投影点、第二投影点两两之间的距离；获取通过所述股骨的髁间窝的第二水平剖面到所述参照面的距离，确定所述第二预设点、第三预设点分别在所述第二水平剖面图上的第三投影点、第四投影点的位置，并测量所述股骨髁间窝中心点、所述第三投影点、所述第四投影点两两之间的距离；13)根据所述股骨头中心点、所述第一投影点、第二投影点两两之间的距离获取所述股骨头中心点的坐标；根据所述股骨髁间窝中心点、所述第三投影点、所述第四投影点两两之间的距离获取所述股骨髁间窝中心点的坐标；获取所述股骨头中心点与所述股骨髁间窝中心点的第一连线。优选地，所述步骤12)中还包括获取通过距骨顶点中心的第三水平剖面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，它由体外标志物、机器人本体、手术台、移动单元、操控台、探针、三维重建软件及编程控制软件、刀具等组成；其特征在于：术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其“绑定”进行影像学检查，数据资料传输并储存于计算机；术中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面多点的坐标，与上述储存的数据资料进行比对后，在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点、线或面的坐标，再以这些点、线或面等作为基准，引导或控制机器人进行精确手术。

【技术特征摘要】
1.一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，它由体外标志物、机器人本体、手术台、移动单元、操控台、探针、三维重建软件及编程控制软件、刀具等组成；其特征在于术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其“绑定”进行影像学检查，数据资料传输并储存于计算机；术中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面多点的坐标，与上述储存的数据资料进行比对后，在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点、线或面的坐标，再以这些点、线或面等作为基准，弓I导或控制机器人进行精确手术。2.根据权利要求I所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于体外标志物可用多种材料之制成，可呈矩形或其他任何形状，其上的点、线或面等均可作为骨骼手术参照基准。3.根据权利要求I所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于以体外标志物上的点、线或面等作为骨骼手术参照基准的各种编程控制软件。4.根据权利要求I所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在 于，所述骨骼基准确定方法包括步骤 11)将体外标志物与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系； 12)确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物，获取所述参照物在影像坐标系中的坐标，并获取所述目标骨骼的基准点与所述参照物的相对位置； 13)根据所述相对位置获取所述基准点在影像坐标系中的坐标，以便在手术时将手术机器人坐标系与所述影像坐标系配准，并以所述基准点的坐标引导手术机器人进行手术。5.根据权利要求4所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述目标骨骼为寰椎，所述基准确定方法的各个步骤具体为 11)将所述体外标志物、所述寰椎和与所述寰椎相邻的枢椎作为整体进行CT扫描并三维重建，确定影像坐标系； 12)确定所述寰椎、所述枢椎的内外等分剖面在所述体外标志物表面的投影为参照线，获取所述参照线在所述影像坐标系中的坐标；获取所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点的坐标，以及该点到所述参照线的第一高度，获取所述寰椎、所述枢椎的寰枢关节中心点到所述参照线的第二高度，并测量所述枢椎左、右椎弓根置入点连线的中点与所述寰枢关节中心点的水平距离； 13)根据所述第一高度与所述第二高度的差值，以及所述水平距离获取所述寰枢关节中心点在所述影像坐标系中的坐标。6.根据权利要求5所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法，其特征在于，所述步骤13)后还包括 14)将所述手术机器人的机器手以所述寰枢关节中心点为圆心，以大于所述寰枢关节中心点至寰椎左椎弓根置入点、寰椎右椎弓根置入点的距离，且小于所述寰枢关节中心点至所述寰椎左边缘点、所述寰椎右边缘点的距离为半径转...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春霖，
申请(专利权)人：张春霖，
类型：发明
国别省市：