一种借助内窥镜的手术导航定位系统

本申请涉及医疗技术领域，具体涉及一种借助内窥镜的手术导航定位系统。

背景技术：

膝关节前交叉韧带损伤是最常见且严重的运动创伤之一，前交叉韧带撕裂引起膝关节不稳，治疗不当将引起膝关节功能严重障碍。前交叉韧带损伤的修复重建一直是骨科和运动创伤领域的重要研究课题。

前交叉韧带重建手术是前交叉韧带断裂适应症的有效治疗方法。手术过程是在膝关节股骨和胫骨的韧带连接点各钻制一个孔(韧带隧道)，利用人工韧带或其他材质的韧带穿过并固定在这两个韧带隧道里，代替已经断裂的韧带，稳定膝关节。手术难点之一就是正确定位韧带止点(韧带与骨骼的连接点)和韧带隧道的位置。不正确的韧带止点位置将导致前交韧带与周边骨组织发生碰撞摩擦，韧带的长度在膝关节运动过程中反复过度拉伸，降低前交叉韧带寿命，影响手术疗效。

传统的前交叉韧带重建手术方法中，医生利用利用统计数据来设计止点和韧带隧道位置，由于不能完全适配患者的个性化条件，具有很大的不确定性。

另一种方法是在术前3d影像上进行韧带止点和通道规划，然后投影到术中2d图像上，利用机器人进行路径导航。这种方法操作比较复杂，，而精度还存在一定问题。

还有一种方法是利用机械式韧带止点标定器，但这种方法依赖于人手操作，无法观察韧带隧道在骨内的位置分布，不仅精度不足，而且存在操作不便的问题。

技术实现要素：

本申请旨在提供一种借助内窥镜的手术导航定位系统，借助内窥镜准确规划手术位置，并实现精准手术定位。

本申请的其该用户特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本申请的实践而习得。

根据本申请的一方面，提出一种借助内窥镜的手术导航定位系统，包括：

手术机器人，包括机械臂；

引导装置，固定于所述机械臂的操作端；

引导装置跟踪系统，用于获取所述引导装置的位置数据；

扫描成像装置，用于对手术对象扫描以生成扫描图像；

手术跟踪系统，用于跟踪获取所述手术对象的位置数据；

内窥镜，用于获取手术部位图像；

规划探针，具有接触尖端和定位部，用于在所述内窥镜引导下拾取手术位置；

人机交互装置，用于显示所述手术对象的扫描图像、所述内窥镜获取的所述手术部位图像以及所述规划探针拾取的所述手术位置；

上位控制器，与所述手术机器人、所述引导装置跟踪系统、所述扫描成像装置、所述手术跟踪系统、所述内窥镜、所述规划探针及所述人机交互装置通信连接；

所述上位控制器配置为：

确定基于所述规划探针拾取的所述手术位置的手术通道；

控制所述机械臂使得所述引导装置定位于所述手术通道。

根据一些实施例，所述手术跟踪系统包括：

手术示踪器，用于固定于手术对象；

导航相机，用于获取所述手术示踪器的空间位置信息。

根据一些实施例，所述上位控制器还配置为：将所述手术对象的扫描图像与所述手术示踪器配准。

根据一些实施例，所述引导装置跟踪系统包括：

引导装置示踪器，设置于所述机械臂；

所述导航相机，用于获取所述引导装置示踪器的空间位置信息。

根据一些实施例，所述手术导航定位系统还包括：内窥镜示踪器，设置于所述内窥镜，用于定位所述内窥镜以将所述内窥镜注册到所述手术对象的扫描图像。

根据一些实施例，所述上位控制器还配置为：将所述内窥镜的图像与所述手术对象的扫描图像融合显示。

根据一些实施例，所述上位控制器还配置为：记录所述规划探针拾取的手术位置的空间坐标。

根据一些实施例，所述手术导航定位系统还包括：内窥镜持镜装置，用于保持内窥镜稳定对准手术部位。

根据一些实施例，所述手术导航定位系统还包括：手术对象固定装置，设置于手术台。

根据一些实施例，所述的系统还包括：标定器，用于辅助将所述手术对象的扫描图像与所述手术示踪器配准。

根据一些实施例，所述手术导航定位系统还包括：所述内窥镜与所述规划探针为一体结构。

根据一些实施例，所述手术导航定位系统用于交叉韧带重建手术；所述手术示踪器包括分别设置于股骨和胫骨的第一示踪器和第二示踪器；所述规划探针用于拾取韧带止点作为所述手术通道的出点和/或入点。

根据一些实施例，所述规划探针用于拾取确定所述手术通道的特征点。

根据一些实施例，所述上位控制器还配置为：响应用户操作，在所述手术对象的扫描图像上确定所述手术通道的入点；或者根据所述规划探针拾取的所述手术通道的出点自动规划所述手术通道的入点。

根据示例实施例，利用内窥镜、扫描图像及规划探针，准确拾取手术位置，准确规划通道位置，从而在操作方便的情况下提高定位精度。ct主要成像骨骼，不显示软组织。在做韧带手术时，在没有呈现软组织部分情况下，容易存在手术风险。内窥镜可以跟踪显示软组织，因此根据示例实施例的手术导航定位系统能够克服一般导航系统中通过ct或x线透视图像无法准确拾取韧带止点，或mri图像价格高、使用不便等问题。

根据一些示例实施例，可实现手术机器人准确定位，防止通道偏差造成手术失败。

根据一些示例实施例，可实现手术机器人自动定位，减少医生操作难度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本申请。

附图说明

通过参照附图详细描述其示例实施例，本申请的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。

图1a示出根据本申请示例实施例的用于交叉韧带重建手术的手术导航定位系统的组成示意图。

图1b示出根据本申请示例实施例的借助内窥镜的手术导航定位系统的框图。

图2示出根据本申请实施例的规划探针示意图。

图3示出根据本申请实施例的手术通道规划示意图。

图4示出根据示例性实施例的引导装置结构图。

图5示出根据示例性实施例的借助内窥镜的手术导航定位系统的定位方法流程图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本申请将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本申请的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本申请的技术方案而没有特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知方法、装置、实现或者操作以避免模糊本申请的各方面。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语乃用以区分一组件与另一组件。因此，下文论述的第一组件可称为第二组件而不偏离本申请概念的教示。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多者的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本申请所必须的，因此不能用于限制本申请的保护范围。

内窥镜下前/后交叉韧带重建手术是目前常见的手术方法，内窥镜下可清楚看到韧带损伤，探查韧带止点。但是，内窥镜视野狭小，无法包含所需要的全部解剖特征，医生需要结合自己专业知识，设计前交叉韧带的止点和韧带隧道位置。因此，这种方法的疗效受医生自身的专业水平影响较大。此外，韧带通道建立使用专用的机械定位装置，依赖人手操作，手术中需要多人配合，存在精度不高、操作不便等问题。

为此，本申请提出一种借助内窥镜的手术导航定位系统，利用内窥镜、扫描图像及规划探针，准确拾取手术位置，并可利用机器人辅助定位提高手术精度。

关节镜技术是骨科最早使用的微创技术。自应用于临床以来，极大地提高了关节疾病的确诊率，并且完成了很多常规手术很难执行的关节内病变手术。关节镜是一种用于观察关节内部结构的直径5mm左右的棒状光学器械，是用于诊治关节疾患的内窥镜。内窥镜是集中了传统光学、人体工程学、精密机械、现代电子、数学、软件等于一体的检测仪器，具有图像传感器、光学镜头、光源照明、机械装置等结构。内窥镜可以经人体的天然孔道，或者经手术做的小切口进入人体内。利用内窥镜可以看到x射线不能显示的病变，因此它对医生诊断患者病情非常有用。通过冷光源镜头、纤维光导线、图像传输系统、屏幕显示系统，采用激光照明，将待查部位的图像转化为数子化的光纤信号，再通过光纤传送仪器显示屏，并使疾病病变点的图像得以贮存、再现。

下面主要以交叉韧带重建手术为例，详细描述根据本申请实施例的技术方案。

图1a示出根据本申请示例实施例的用于交叉韧带重建手术操作的手术导航定位系统的组成示意图；图1b示出系统框图。

参见图1a和1b根据示例实施例借助内窥镜的手术导航定位系统可包括手术机器人105、引导装置112、引导装置跟踪系统111、扫描成像装置113、手术跟踪系统107、内窥镜110、规划探针109、人机交互装置103以及上位控制器101。

如图1a所示，手术机器人105可包括机械臂1050，手术工具的引导装置112可固定于机械臂1050的操作端。随着近年来微创手术的普遍应用和对手术当中器械或者内植入物定位精度要求不断提高，手术机器人得到越来越多的应用，例如用于手术辅助定位甚至自动完成手术操作。根据示例实施例，在确定手术通道后，可控制机械臂1050使得引导装置112定位于手术位置，从而后续可完成人工或自动/半自动的手术操作，例如，在交叉韧带重建手术中，引导装置112可引导手术工具对股骨、胫骨进行韧带隧道操作。

引导装置跟踪系统111可以是光学跟踪装置或磁导航跟踪装置，用于获取所述引导装置的位置数据。根据示例实施例，引导装置跟踪系统111可包括导航相机116及设置于所述机械臂1050的引导装置示踪器。引导装置示踪器可包括红外示踪器或者反光球示踪器。导航相机116包括光学传感器，可以接收引导装置示踪器的示踪元件发出的信号，并可将信号转换为引导装置的定位信息后发送至上位控制器101。上位控制器101因此可确定机械臂的位置，将其作为控制机械臂运动路径的依据。

扫描成像装置113用于对手术对象扫描以生成扫描图像。扫描成像装置113可以是ct或cbct，但本申请不限于此。手术对象可是准备施行手术的患者的相应身体部位，例如膝关节(可含部分或全部股骨和胫骨)。根据本申请的实施例，通过扫描成像装置113获取膝关节扫描图像，并建立图像与患者空间的映射关系，从而后续可控制机械臂1050定位于规划好的手术位置以进行手术操作。

手术跟踪系统107可以是光学跟踪装置或磁导航跟踪装置，用于获取手术对象的位置数据。根据示例实施例，手术跟踪系统107可包括前述导航相机116及可固定于手术对象的手术示踪器1070和1071。手术示踪器1070和1071可为可包括红外示踪器或者反光球示踪器。参见图1a，在示例实施例中，手术示踪器1070和1071可分别设置在股骨117和胫骨119上。导航相机116可接收手术示踪器1070和1071发出的信号从而采集下肢的位置信息，并可将上述信息发送至上位控制器101。上位控制器101因此可确定下肢的位置，将其作为规划机械臂的手术路径的依据。

医学图像引导的辅助定位或者手术导航系统中，需要将图像坐标系、定位装置坐标系、和/或患者坐标系等进行转换，完成图像注册或配准。例如，在术前获取三维图像与术中注册方式中，在术前先获取手术对象三维图像，术中采用空间坐标测量设备测量人体解剖特征点与图像当中的对应特征点进行配对后，实现图像注册。

根据示例实施例，可使用标定器115以进行图像注册。标定器115可安装在与患者身体相对固定的位置或安装在机械臂上，例如设置于机械臂、引导装置示踪器、或手术示踪器上。根据一些实施例，标定器与示踪器可为二合一结构。

在进行图像采集时，标定器115可放置于扫描成像装置的扫描野(fov)内，由扫描成像装置扫描并形成三维医学图像，从而标定器上特定分布的标记点就呈现在图像上。根据三维医学图像中特定标记点的分布就可以进行空间定位计算，从而实现图像空间和机器人空间、患者空间的自动注册或配准，进而进行手术规划和手术定位导航。

根据示例实施例，例如在交叉韧带重建手术中，手术示踪器1070和1071可分别与患肢股骨和胫骨固定，膝关节能够活动。由扫描成像装置113对股骨、胫骨和膝关节进行ct/cbct图像扫描，扫描过程至图像注册完成前，膝关节保持不动。通过ct/cbct图像、手术示踪器1070、标定器115将图像与手术示踪器1070进行注册或配准。通过ct/cbct图像、手术示踪器1071、标定器115将图像与手术示踪器1071进行注册或配准。通过ct/cbct图像、引导装置示踪器、标定器115将图像与机械臂进行注册或配准。注册完成后，通过手术示踪器1070追踪股骨位置，通过手术示踪器1071追踪胫骨位置，通过引导装置示踪器追踪机械臂上引导装置的位置。

内窥镜110(例如，关节镜)用于获取手术部位图像。在交叉韧带重建手术中，利用关节镜可看到韧带损伤，探查韧带止点。但是，内窥镜视野狭小，无法包含所需要的全部解剖特征，因此手术的成功依赖于医生的专业经验和水平。在本申请实施例中，内窥镜结合扫描图像一起使用，医生看到的信息更多，有利于提高准确确定韧带止点。

根据一些实施例，系统中还可包括内窥镜跟踪系统。与手术跟踪系统107类似，内窥镜跟踪系统可包括前述导航相机116及内窥镜示踪器114。内窥镜示踪器114设置于内窥镜。导航相机116可接收内窥镜示踪器114发出的信号从而采集内窥镜的位置信息，并可将上述信息发送至上位控制器101以将所述内窥镜注册到所述手术对象的扫描图像。

根据一些实施例，可以将内窥镜图像与扫描的医学图像(cb/cbct图像)融合显示，实现内窥镜图像与cb/cbct图像对应并在同一个设备上合并显示，从而更方便医生观察手术部位及确定手术位置，例如确定交叉韧带重建手术的手术通道。

可选地，系统还可包括内窥镜持镜装置，用于保持内窥镜稳定对准手术部位。

根据示例实施例，持镜装置可为被动臂，可在任意位姿锁定，保持内窥镜稳定对准手术部位。通道钻孔过程中，可通过内窥镜监控钻头，防止钻头钻出骨面后损伤关节内和关节周围组织。

根据一些实施例，系统还可包括手术对象固定装置，用于将手术对象固定于手术台。

规划探针109具有接触尖端和定位部，用于在所述内窥镜引导下拾取手术位置。例如，规划探针109可拾取确定手术通道的特征点。根据示例实施例，利用规划探针109可拾取手术通道的出点(韧带止点)和/或入点，上位机控制器101可获取规划探针109拾取点的空间坐标。

人机交互装置103用于显示手术对象的扫描图像、通过内窥镜获取的手术部位图像以及规划探针109拾取的手术位置，如后面参照图3所描述的。

上位控制器101可分别与人机交互装置103、手术机器人105及手术跟踪系统107、引导装置跟踪系统111、扫描成像装置113、规划探针109、内窥镜及内窥镜跟踪系统114通信连接，接收人机交互装置103、手术跟踪系统107、规划探针109及内窥镜示踪器114传送的信息，并向人机交互装置103、手术机器人105及手术跟踪系统107发送相关信息或指令。

在一些实施例中，上位控制器101可控制引导装置跟踪系统111、标定器115等启用。

根据示例实施例，上位控制器101可确定基于所述规划探针109拾取的所述手术位置的手术通道。

根据一些实施例，例如在交叉韧带重建手术中，规划探针109拾取韧带止点作为手术通道的出点，并拾取手术通道的入点。上位控制器101根据该出点和入点即可确定手术通道。

根据另一些实施例，例如在交叉韧带重建手术中，规划探针109可仅拾取韧带止点作为手术通道的出点，然后上位控制器101可响应医生操作，在所述手术对象的扫描图像上确定所述手术通道的入点，从而确定手术通道。

根据另一些实施例，例如在交叉韧带重建手术中，规划探针109可仅拾取韧带止点作为手术通道的出点，然后上位控制器101可根据该出点及扫描图像自动规划所述手术通道的入点，从而确定手术通道。

手术通道确定之后，上位控制器101可控制机械臂1050使得引导装置定位于该手术通道以进行后续手术。例如，上位控制器101控制机械臂1050运动，使机械臂1050末端的引导装置定位于通道位置，然后操作者在机械臂引导下钻取通道以设置并固定人工韧带。

图2示出可用于根据示例性实施例的系统的规划探针示意图。

如图2所示，规划探针109可包括直针1和示踪器组件3。直针1可包括直针本体21和直针尖22。直针本体21又可包括连接部211和握持部212。

示踪器组件3可包括至少三个示踪器单元31和示踪器支架32。示踪器单元31通过嵌入孔嵌入在示踪器支架32中。示踪器单元31通过被光学跟踪设备识别，而用于向导航相机传递探针位置。根据示例实施例，规划探针具有与上位控制器交互的功能。规划探针上可设置有确认按钮，按下确认按钮，上位控制器可记录规划探针的当前位置坐标，例如在上位控制器上配置有手术规划和控制软件，可利用该软件记录探针的当前位置坐标。

根据一些实施例，在内窥镜镜下，利用规划探针分别拾取手术通道的出点(韧带止点)和入点。

根据一些实施例，所述内窥镜与所述规划探针可为一体结构。

本领域技术人员对规划探针已熟知，此处不再赘述。易于理解，可用于本申请的规划探针不限于图2所示的类型，可以采用其他任何适合的手术规划探针。

图3示出根据一示例性实施例的手术通道规划照片图像。

参见图3，例如在交叉韧带重建手术中，扫描图像上示出规划完成的手术通道的出点和入点。此外，扫描图像上还包括标定器的图像。

根据一些实施例，在人机交互界面上，响应用户操作，可在所述手术对象的扫描图像上确定所述手术通道的入点。

根据另一些实施例，可根据所述规划探针拾取的所述手术通道的出点自动规划所述手术通道的入点。

图4示出可用于根据示例性实施例的系统的引导装置结构图。

引导装置可固定于所述机械臂的操作端，用于引导手术工具进行手术操作。

参见图4，根据一些实施例，引导装置可包括机械臂连接部401、导向连接部403和导向部405。

机械臂连接部401在手术中可与机械臂快速安装或拆卸，可通过v形面定位和螺钉压紧实现准确的重复安装精度。

导向部405可具有1个或2个与套筒的配合部，通过与套筒配合，实现手术路径准确定位。

导向连接部403连接所述机械臂连接部401和导向部405。

易于理解，图4所示的引导装置仅是示例性的，而不是对本申请的限制。

图5示出根据本申请示例实施例的内窥镜辅助的交叉韧带重建手术的导航定位方法流程图。

参见图5，在s501，将第一示踪器和第二示踪器分别安装在患者股骨和胫骨上，行ct图像扫描膝关节。可通过固定装置将患者的下肢固定在手术台上，避免下肢产生大的晃动和不稳定性，从而可更精准地完成后面的内窥镜手术操作。

在s503,图像配准，建立图像与患者空间的映射关系。例如，通过扫描图像获取相对移动的两部分的ct图像后，分别计算相对移动的两部分与第一示踪器和第二示踪器的空间位置关系。

在s505，在内窥镜镜下，利用规划探针分别拾取手术通道的出点(韧带止点)和/或入点，记录规划探针拾取点的空间坐标。基于所述出点和/或入点的空间位置坐标由上位控制器，例如配置有手术规划和控制软件，自动生成规划通道位置。

在s507，根据手术规划通道位置，控制机械臂运动，使机械臂末端的引导装置定位通道位置；操作者在机械臂引导下钻取通道。

以上主要以内窥镜辅助的交叉韧带重建手术为例对本申请的技术方案进行了说明。易于理解，根据本申请实施例的系统和方法还可以用于其他基于内窥镜进行的软组织手术，利用所述探针在内窥镜监控下，拾取手术对象的标定点，例如该标定点可位于手术对象的某软组织部位，从而获取标定点的空间位置坐标，由上位控制器控制机械臂引导所述引导装置定位于手术对象的标定点。

通过对示例实施例的描述，本领域技术人员易于理解，根据本申请实施例的技术方案至少具有以下优点中的一个或多个。

根据一些实施例，内窥镜下准确拾取韧带止点，准确规划通道位置。克服一般导航系统中通过ct或x线透视图像无法呈现软组织以准确拾取韧带止点，mri图像价格高、使用不便等问题。

根据一些实施例，通过探针准确拾取韧带止点，实现机器人准确定位，防止通道偏差造成手术失败。

根据一些实施例，通过手术机器人自动定位，减少医生操作难度。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请的技术方案可借助软件和/或硬件来实现。本说明书中的“单元”和“模块”是指能够独立完成或与其他部件配合完成特定功能的软件和/或硬件，其中硬件例如可以是现场可编程门阵列(field－programmablegatearray，fpga)、集成电路(integratedcircuit，ic)等。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上对本申请实施例进行了详细描述和解释。应清楚地理解，本申请描述了如何形成和使用特定示例，但本申请不限于这些示例的任何细节。相反，基于本申请公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施例。

以上具体地示出和描述了本申请的示例性实施例。应可理解的是，本申请不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本申请意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。