一种骨科手术机器人CT成像、导航和定位装置及系统的制作方法

一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置及系统
技术领域
1.本发明属于医疗器械技术领域，尤其是涉及一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置及系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.综上所述，现有技术存在下述问题：
9.1、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。
10.2、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。
11.3、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。


技术实现要素：

12.为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置及系统，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。
13.为了达到上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
14.一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置，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)；其特征在于，第一机械臂(1)安装在第一移动座上，第一移动座在第一滑动轨道(7)上移动，第二机械臂(2)安装在第二移动座上，第二移动座在第二滑动轨道(8)上移动，第三机械臂(3)安装在第三移动座上，第三移动座在第三滑动轨道(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，上位机(10)分别控制第一机械臂(1)、第二机械臂(2)和第三机械臂(3)运动到指定位置和姿态，上位机(10)分别控制成像传感器(4)和x射线源(5)完成透视或三维扫描。
15.作为优选，第一滑动轨道(7)和第二滑动轨道(8)均为直线形轨道。
16.作为优选，第三滑动轨道(9)呈环形跑道形状，包括分别靠近手术病床头侧和脚侧的两个弧形轨道段和分别位于手术病床左右两侧的两个直线形轨道段。
17.作为优选，第一滑动轨道(7)、第二滑动轨道(8)和第三滑动轨道(9)上分别设有用
于驱动相应机械臂移动座运动的驱动装置，这些驱动装置均与上位机(10)通信相连并实时交互数据或信号。
18.作为优选，第一滑动轨道(7)、第二滑动轨道(8)和第三滑动轨道(9)上均分布有多个用于检测相应机械臂位置的传感器，这些传感器均与上位机(10)通信相连并实时交互数据或信号。
19.作为优选，所述第一机械臂(1)、第二机械臂(2)和第三机械臂(3)均为六轴或六轴以上机械臂。
20.作为优选，所述x射线源(5)为锥形x射线球管。
21.作为优选，所述上位机(10)为可移动式计算机。
22.作为优选，成像传感器(4)为平板探测器。
23.一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位系统，包括如上所述的一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置。
24.本发明由于采用了以上的技术方案，将机械臂和x光成像结合，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。因此，具有下述有益效果：
25.1、术中可以获得多种扫描方式重建出的高精度三维ct图像。
26.2、可以轻松获得各种姿态的二维x光透视图像。
27.3、实现高精度定位和导航。
28.4、由于全部使用机械臂，所有机械臂的运动自动完成，手术过程非常灵活，不占用医生的操作空间，也无需医生手动拖动设备拍摄各种视角的透视片，降低手术难度，缩短手术时间。
29.5、由于统一了坐标系，因此三个机械臂之间的相对关系都是已知的，三个机械臂均可沿各自的滑动轨道移动定位，不仅使得机械臂的动作路径更加简单可靠，方便校准调试，动作精度更高，定位更加准确，而且根据防碰撞算法，可以完全避免三个机械臂之间发生碰撞和干扰。
30.相对于现有技术来说，本发明还具有下述优点：
31.1、公开号为us8781630的专利文献中，使用两个机械臂分别安装球管和探测器进行三维ct扫描，然后通过光学、电磁(em)或机器人探针注册目标进行导航，然后用第三个机械臂进行定位。而本发明方案中，无需通过光学、电磁(em)或机器人探针注册目标进行导航，因为三个机械臂是统一在一个坐标系中的，因此扫描完ct，第三个机械臂就知道了目标物体的所有位置。
32.2、公开号为us8781630的专利文献中，进行模拟c臂机成像时，需要医生手动拖拽其中一个机械臂。而本发明方案中，所有二维x成像，均由上位机控制第一和第二机械臂主动到达位置拍摄图像，完全不需要人来移动机械臂。
33.3、公开号为wo2020079596的专利文献中，三个机械臂安装在同一个基座上，也实现了坐标系的统一，可以无需配准进行导航定位。但是其有以下两个缺点：(1)三个机械臂均安装在同一个基座上，则三个机械臂的相对位置关系固定。因此其操作范围非常局限，而且容易出现机械臂之间互相干扰或碰撞；(2)术中是通过生成两个或多个x射线图像，从而
获得三维图像集，三维属性是通过在两个非共面成像平面(最方便的是在两个垂直成像平面)上生成平面图来实现。因此该种定位并不是真正的三维成像定位。其中使用术前三维图像和术中两个机械臂采集的x光图像进行配准，然后用第三个机械臂进行定位的方案就和本发明扫描术中三维ct图像的定位导航完全不同。而本发明方案中：针对缺点(1)，使用了三个统一坐标系的滑轨来统一三个机械臂的坐标，不仅增大了机械臂的操作范围，而且校准调试方便，没有相互干扰和碰撞；针对缺点(2)，在术中扫描三维ct进行导航，实现了真正的三维定位。
附图说明
34.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
35.图1是本发明系统的立体图。
36.图2是本发明系统的俯视图。
37.图3是本发明二维透视模式的流程图。
38.图4是本发明三维扫描模式的流程图。
39.图5是本发明二维导航定位模式的流程图。
40.图6是本发明三维导航定位模式的流程图。
41.其中，1、第一机械臂；2、第二机械臂；3、第三机械臂；4、成像传感器；5、x射线源；6、通道把持装置；7、第一滑动轨道；8、第二滑动轨道；9、第三滑动轨道，10、上位机。
具体实施方式
42.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
43.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
44.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
45.在本发明的描述中，除非上下文另有明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
46.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
47.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两
个或两个以上，除非另有明确的限定。
48.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
50.如图1和图2所示的一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置，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；其特征在于，第一机械臂1安装在第一移动座上，第一移动座在第一滑动轨道7上移动，第二机械臂2安装在第二移动座上，第二移动座在第二滑动轨道8上移动，第三机械臂3安装在第三移动座上，第三移动座在第三滑动轨道9上移动，第三滑动轨道9为环形轨道并围绕设置在手术病床四周，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，上位机10分别控制第一机械臂1、第二机械臂2和第三机械臂3运动到指定位置和姿态，上位机10分别控制成像传感器4和x射线源5完成透视或三维扫描。
51.本实施例中，第一滑动轨道7和第二滑动轨道8均为直线形轨道。第三滑动轨道9呈环形跑道形状，包括分别靠近手术病床头侧和脚侧的两个弧形轨道段和分别位于手术病床左右两侧的两个直线形轨道段。第一滑动轨道7、第二滑动轨道8和第三滑动轨道9上分别设有用于驱动相应机械臂移动座运动的驱动装置，这些驱动装置均与上位机10通信相连并实时交互数据或信号。这些驱动装置可以是电机丝杆螺母驱动机构，也可以是电机链传动驱动机构，还可以是沿轨道行走的电动小车。第一滑动轨道7、第二滑动轨道8和第三滑动轨道9上均分布有多个用于检测相应机械臂位置的传感器，这些传感器均与上位机10通信相连并实时交互数据或信号。这样滑动轨道均可将机械臂移动到上位机下发的指定位置，并能向上位机发送机械臂在轨道上所在的位置。
52.本实施例中，所述第一机械臂1、第二机械臂2和第三机械臂3均为六轴机械臂。机械臂均可接收上位机下发的指令，到达指定位置和姿态，并能向上位机发送机械臂当前姿态。所述x射线源5为锥形x射线球管。所述成像传感器4为平板探测器。平板探测器和球管接收上位机的命令完成透视。所述通道把持装置6建立了手术通道，用于定位手术器械便于医生手术操作。
53.本实施例中，所述上位机10为可移动式计算机。上位机可以由使用者选择透视模式和姿态，计算两个成像机械臂该去的位置和姿态，滑动轨道和机械臂到达指定位置后完成透视；平板探测器将数据发回上位机处理生成图像；如果是ct扫描模式，则等数据全部发回上位机后重建出三维ct图像。得到ct图像后，在三维图像中规划手术通道(自动规划和医生手动规划)，然后向手术机械臂和轨道下发位置和姿态信息，当滑动轨道和机械臂到达指定位置后完成导航和定位功能。完成手术器械的植入后，可再次控制两个成像机械臂完成特定姿态的二维透视或三维ct扫描，用于确认植入物的位置是否合适。由于三个机械臂统一了坐标系，因此的相对关系都是已知的，根据防碰撞算法，可使得三个机械臂之间不会发生碰撞和干扰。
54.一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位系统，包括如上所述的一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置。
55.上述骨科手术机器人ct成像、导航和定位系统，可以有多种工作实施模式，例如，本实施例可以有四种工作模式，分别为：如图3所示的二维透视模式，如图4所示的三维扫描模式，如图5所示的二维导航定位模式，如图6所示的三维导航定位模式。具体流程说明如下：
56.如图3所示的二维透视模式，一种骨科手术机器人成像方法，包括如上所述的一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置，实施如下步骤：
57.1)上位机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；
58.2)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；
59.3)成像传感器4将数据发回上位机处理生成图像。
60.如图4所示的三维扫描模式，一种骨科手术机器人成像方法，包括如上所述的一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置，实施如下步骤：
61.1)上位机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；
62.2)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；
63.3)成像传感器4将数据发回上位机；
64.4)扫描完成，上位机收到全部数据后重建出三维ct图像。
65.如图5所示的二维导航定位模式，一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法，包括如上所述的一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置，实施如下步骤：
66.1)上位机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；
67.2)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；
68.3)成像传感器4将数据发回上位机处理生成图像；
69.4)上位机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；
70.5)完成手术操作后，上位机根据使用者选择的透视姿态，计算第一机械臂1和第二机械臂2的位置和姿态；
71.6)第三机械臂3收回，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；
72.7)根据透视图像确认无误后手术完成。
73.如图6所示的三维导航定位模式，一种骨科手术机器人成像、导航和定位方法，包括如上所述的一种骨科手术机器人ct成像、导航和定位装置，实施如下步骤：
74.1)上位机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；
75.2)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；
76.3)成像传感器4将数据发回上位机；
77.4)扫描完成，上位机收到全部数据后重建出三维ct图像。
78.5)上位机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完成手术通道定位；
79.5)完成手术操作后，上位机根据使用者选择的透视姿态，计算第一机械臂1和第二机械臂2的位置和姿态；
80.6)第三机械臂3收回，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；
81.7)根据透视图像确认无误后手术完成。
82.其中，二维导航定位模式中，定位点就是图像中的任意一点，形成的通道是定位点对应的x射线方向。三维导航定位模式中的通道是在ct数据中规划的任意路径。上述二维导航定位模式和三维导航定位模式中，也可以采用如图4所示的三维ct扫描方法来确认植入物的位置是否合适。
83.本发明将三台机械臂和三条滑动轨道全部统一在同一个坐标系中，并由上位机整体控制，因此才能实现上述的高精度导航和定位，无需任何配准过程，而且可以防止互相碰撞和干扰，机械臂的动作路径更加简单，精度更高，灵活性更好。
84.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“一种实施方式”、“具体实施方式”、“其他实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例、实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，上述描述的具体特征、结构、材料或者特点也可以在任何的一个或多个实施例、实施方式或示例中以合适的方式结合。本发明记载的技术方案也包括上述描述的任意一个或多个具体特征、结构、材料或者特点以单独或者组合的方式形成的技术方案。
85.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换、变型、删除部分特征、增加特征或重新进行特征组合形成的技术方案，凡是依据本发明的创新原理对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。