一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法
【技术领域】：
[0001] 本发明属于计算机辅助微创治疗领域，尤其适用于股骨颈骨折和骶髂关节骨折等 骨外科创伤的微创固定手术的引导。
【背景技术】：
[0002] 股骨颈和骶髂关节骨折是常见的骨外科创伤，临床中越来越多地采用空心加压螺 钉的内固定微创手术治疗股骨颈和骶髂关节骨折。对于股骨颈骨折，要求植入的三根空心 加压螺钉之间相互平行、具有合理的空间分布以及其尖端固定于骨皮质层，且不能穿过骨 皮质层；对于骶髂关节骨折，需要保证植入的空心加压螺钉避开骨盆部位的主要动脉和神 经，否则可能造成大出血和神经损伤。因此，精确地规划和定位手术路径是股骨颈和骶髂关 节骨折微创内固定手术成功的关键。
[0003] 开放复位和固定是治疗股骨颈和骶髂关节骨折的标准流程，但是由于开放手术对 于患者损伤较大，因此近年来借助影像引导的经皮植入空心加压螺钉的微创治疗方法得到 了广泛应用。外科医生早期借助透视方法的引导植入空心加压螺钉，但是该方法伴随着长 时间的多次X射线放射，有损医生健康。2D虚拟透视导航方法可以将手术工具实时投影在 若干幅（通常是四幅）不同视角的透视图像中，从而引导医生规划植入路径，很大程度上减 少了X射线放射剂量。但是，医生需要多次手动移动手术工具才能在使其在各个视角图像 中的投影满足植入要求，延长了手术操作时间。3D透视导航方法相对于2D透视导航可以提 供更多的空间信息，使得路径规划变得更容易，但是3D透视导航通常需要术中3D数据的获 取，延长了放射和图像处理时间。并且，由于操作中没有稳固的支撑，使用2D和3D透视导 航方法时，医生很难稳定地把持手术工具，造成实际植入路径偏离规划路径。
[0004] 为了解决手持稳定性问题，研宄人员引入了手术机器人。其中一些机器人只是为 医生提供固定工具的支撑，另外一些机器人则可以自动定位手术路径，但是这类机器人需 要在手术中用X射线机扫描很多X射线图像进行重建或者与术前CT数据进行复杂的注册 配准过程。双平面手术机器人系统可以利用两张不同视角的X线透视图像规划手术路径， 控制分别位于两平面内的两个球形铰链在平面内的位置，并通过两个球的中心点来准确、 自动地确定手术植入路径。并且球形铰链的运动平面位于牵引床一侧，使得机器人在完成 引导运动时不会与患者或其他手术室设备发生碰撞。该机器人系统算法的核心是透过双平 面手术机器人机身固定的立体定标架，同时获取定标架及创伤部位的正位和侧位图像，从 而利用传统的双目立体视觉原理将针对创伤骨骼的规划手术路径映射到机器人工作空间 内，实现机器人引导位置自动、精确的定位。
[0005] 双平面手术机器人系统只需要两张X射线图像进行定位，在原理上减少了X射线 获取数量。但是，由于双平面机器人导航系统是利用图像和立体定标架上的标志点来同时 定位患者创伤部位和双平面手术机器人，并且两者之间无法刚性连接。因此，在图像获取过 程开始后，必须保证患者和双平面手术机器人的绝对静止，否则就无法利用已获取的图像 定位移动后患者和双平面手术机器人，因此不得不重新获取X线透视图像和规划。然而，医 生在获取正位图像后，常常需要人工移动C形臂X线机获取侧位图像，这个过程有时需要对 患者进行重新摆位；在第一或第二根空心加压螺钉植入和加压操作时对患者施加的外力也 会造成患者的移位，因此经常不得不重新获取X线图像和反复规划，延长了手术时间，同时 也增加了X射线放射剂量。除此之外，对于每一次图像获取，双平面手术机器人导航系统必 须同时获取到合适的骨折部位和机器人上固定点立体定标架上所有的标志点。然而，由于 该立体定标架所占空间较大，因此每一次都需要耗费时间多次人工移动C形臂X线机进行 透视才能获取合适的图像，很大程度上延长了手术操作时间，并增加了X射线放射剂量。
[0006] 鉴于以上所述传统双平面手术机器人的不足，本发明对于传统双平面手术机器人 机身体积庞大的立体定标架进行了改进，设计了固定于C形臂X线机影像增强器的靶罩替 代该立体定标架。这样一来，无论C形臂X线机以任何视角获取图像，靶罩上的所有标志点 都会全部呈现在图像之中，只需要保证获取到合适的创伤部位图像即可，减少了获取图像 过程中反复人工移动C形臂X线机所引入的操作时间和X射线放射剂量。由于改进后的靶 罩随着C形臂X线机的影像增强器移动，无法利用解析算法求出C形臂X线机成像的外透 视参数，因此无法用传统的方法进行C形臂X线机的标定和重建。我们在靶罩上固定示踪 器，利用光学定位子系统获取C形臂X线机成像外透视参数，并用DLT方法求解C形臂X线 机成像内透视参数，再根据成熟的极线几何原理与双目视觉算法就可以进行路径规划和重 建。同时，在患者和双平面手术机器人上也固定了示踪器并进行实时位置跟踪，结合上述的 方法，利用光学定位子系统就可以建立图像、靶罩、患者和双平面手术机器人之间的动态联 系，从而在现有双平面机器人自动精确定位优点的基础上，实现了双平面手术机器人的术 中运动补偿，减少了术中操作时间和X射线放射剂量。
【发明内容】
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[0007] 本发明的目的是提出一种用于骨外科定位引导的手术机器人运动补偿方法和相 应的操作流程，避免手术过程中由于患者和手术机器人移位而造成固定螺钉的实际植入路 径偏离规划路径，减少手术中由于患者和双平面手术机器人移位所造成的重新获取图像和 重新进行手术路径规划的操作，以及因此增加的X射线放射剂量和操作时间。本发明克服 了现有双平面手术机器人系统在获取图像时，必须进行多次X射线透视才能将双平面手术 机器人机身的体积庞大的立体定标架上所有标志点全部呈现在图像中的缺点，操作流程简 单，实现了快速、准确的手术路径定位，很大程度上减少了术中操作时间和X射线放射剂 量。本发明用光学定位子系统对患者和双平面手术机器人进行跟踪和运动补偿，兼顾手术 效率、精度和X射线辐射剂量，可以对使用双平面手术机器人进行操作的手术流程进行改 进，并且该运动补偿方法也适用于各种其他类型手术机器人，尤其适用于以股骨颈骨折和 骶髂关节骨折为代表的骨外科创伤手术，方法科学、通用性强，在骨外科创伤微创手术中具 有明确的使用价值。
[0008] 我们注意到传统的双平面手术机器人系统工作的前提是假设患者和双平面手术 机器人以及其机身固定的立体定标架绝对静止，其方法核心是在术中从两个不同的透视角 度获取患者创伤部位与立体定标架的X射线图像，利用双目视觉算法来定位患者和双平面 手术机器人的位置，从而在图像中进行路径规划就可以代表真实患者创伤部位的手术路 径，也就能将该路径的坐标映射到双平面手术机器人工作空间内。但是传统的双平面手术 机器人系统工作的前提是手术过程中患者必须相对于双平面手术机器人及其机身立体定 标架绝对静止，这是由于规划图像只能反映在图像获取时刻患者和双平面手术机器人的位 置。一旦患者或者双平面手术机器人相对于获取图像时自身的位置发生移动，双平面手术 机器人无法感知和补偿这一运动，如果双平面手术机器人仍然按照之前获取的图像规划的 路径执行操作，就会偏离正确的手术路径。
[0009] 我们发现对患者和双平面手术机器人的运动进行运动补偿，本质上是建立术中图 像、立体定标架、患者和双平面手术机器人之间的动态联系。只要在立体定标架、患者和双 平面手术机器人上固定示踪器，光学定位子系统可以定位和跟踪这些物体，建立它们之间 的联系。然后再进行C形臂X线机的标定建立立体定标架与图像的联系，就可以建立图像、 立体定标架、患者和双平面手术机器人之间的动态联系。因此问题的本质就夺成了如何利 用光学宙位子系统律立术中图像、立体宙标架、患者和双平而手术机器人之间的苧间夺换 矩阵。
[0010] 我们又发现如果沿用传统的双平面手术机器人系统的立体定标架，在获取两张不 同角度的透视图像过程中，必须保证在患者和双平面手术机器人及其机身的立体定标架绝 对静止的前提下，将立体定标架上所有标志点和骨折部位都呈现在透视图像中。然而，该立 体定标架体积较大，获取透视图像过程中，经常需要多次人工移动C形臂X线机进行X射线 透视才能满足上述要求；有时在正位图像获取之后，必须对患者再次进行人工摆位才能获 取侧位图像，因此不得不通过透视重新获取正位图像。因此我们考虑用固定于C形臂X线 机影像增强器的靶罩来替代传统双平面手术机器人机身的立体定标架，这样就可以避免丢 失标志点的情况，只需要在图像中呈现骨折部位，就可以实现手术路径的规划和引导，很大 程度上减少了获取图像过程的操作时间和X射线放射剂量。
[0011] 用靶罩代替传统双平面手术机器人系统的立体定标架可以使得图像获取变得更 简单，但是由于靶罩是随着C形臂X线机影像增强器移动的，所以不能利用解析的方法计 算出C形臂X线机的外透视参数，传统的C形臂X线机标定和重建算法已经不再适用。我 们考虑到，C形臂X线机的外透视参数本质上是C形臂X线机在获取不同视角的透视图像 之间的空姐变换矩阵，于是我们在靶罩和患者身上都固定了示踪器，可以利用光学定位子 系统计算患者示踪器坐标系到靶罩示踪器坐标系之间的空间变换矩阵，以此作为外透视参 数，然后可以用极限几何原理进行手术路径规划。以上提出的方法已经将光学定位子系统 与术中图像、靶罩、患者建立起了联系，只需再利用注册过程将双平面手术机器人同光学定 位子系统进行关联。
[0012] 本发明的特征在于，是在一种