一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统，该手术定位装置包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机械臂，上位机与串联机械臂连接，定位标尺包括透X光的两相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标记点，标记点为不透X光的部件；任一相对面或连接面固定连接标尺柄，标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；上位机通过控制串联机械臂的运动来调整定位标尺的位置，并根据采集的图像中的标记点进行空间定位计算，得到规划路径。该装置能够实现任意角度的透视定位，并能消除计算手术路径时引起的系统误差，增大工作空间，提高手术定位精度。
【专利说明】一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种手术定位技术，特别是一种用于骨科手术的手术定位装置、手术 定位方法以及采用本发明手术定位装置的机器人手术系统。
【背景技术】
[0002] 随着机器人技术与医学科学交叉应用的快速发展，各种医用机器人的研究也成为 热点，并在医学领域中得到越来越广泛的应用，而手术机器人是其中的前沿研究热点之一。 目前手术机器人已在神经外科、人工关节置换、泌尿科、胆囊摘除等方面取得了广泛的应 用。利用手术机器人进行手术操作与医生手工操作相比，在某些方面具有典型优势，比如： 手术机器人的定位更为准确、其机械臂的抓取更为稳定且有力，可以避免外科医生长时间 手术而带来的疲劳，提高了手术的精度、稳定性以及安全性；并且，机器人技术可以缩短手 术时间，减少病人和医生在手术过程中受到的X射线损伤，保护病人和医生的身体健康。
[0003] 在各种骨科导航手术中，空间定位是其核心的技术之一。如专利号为 200910237998. 6,发明名称为骨科机器人导航装置及定位系统的专利是通过直杆型导向装 置卡接在两个万向节上连同一对串联机械臂共同构成四自由度双平面定位机构，该直杆型 导向装置最终能够实现四个自由度的运动，利用针对特定类型骨科手术的特定的定位部件 进行X线透视成像和手术路径规划计算，实现直杆型导向装置的定位。此定位系统能够实 现手术路径在空间上的准确定位，但适应症单一，在具体使用中针对每个适应症需要使用 不同定位部件来完成手术定位。现有技术通常是在X光光源和X光成像装置之间设置定位 部件，该定位部件通常是单独设置或者设置在机器人的底座上。在手术时，通过X光光源从 正位和侧位两个角度照射病人患处，在X光成像装置上形成图像，配合具有标记点的定位 部件实现空间定位计算，最终确定手术路径。现有定位部件需要保证X光光轴与标记点所 在平面垂直，但是在正位和侧位透视时并不能保证X光光轴与定位部件所在平面垂直，故 会使得计算出的手术路径存在一定偏差。而且在使用定位部件进行正位和侧位透视时要 求定位标尺不能移动，造成由于定位标尺在其中一个透视方向位置不合理需要调整位置时 必须重新进行另一个方向的透视，采集图像位置不便也会造成透视次数增加，这就增加了 X 光辐射损伤，延长了手术时间。进一步讲，现有的特定的定位部件构型限制了手术中C型臂 透视角度，且定位系统的工作空间小，机械臂行程短，手术摆位难度高，故现有的定位部件 的使用范围受到极大的限制；而且现有的定位部件通常利用螺纹接口安装，拆卸麻烦，且不 易保证是否安装到位，需要仔细检查确认。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新型的手术定位装置，该装 置通过串联机械臂与特定结构的定位标尺配合，实现任意角度的透视定位，并能消除计算 手术路径时引起的系统误差，增大工作空间，提高手术定位精度，从而更好地满足手术的需 求。本发明还涉及一种手术定位方法以及采用上述手术定位装置的机器人手术系统。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种手术定位装置，其特征在于，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机 械臂，所述上位机与串联机械臂连接，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面 通过透X光的连接面固定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四 个不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；所述任一相对面或连接面固 定连接标尺柄，所述标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；所述上位机通过控制串联机 械臂的运动来调整定位标尺的位置以进行透射角度的变换，并根据采集的图像中的标记点 进行空间定位计算，得到规划路径。
[0007] 还包括在串联机械臂上设置的第一位置监测装置以及用于跟踪病人患处的第二 位置监测装置，所述上位机分别与第一位置监测装置和第二位置监测装置连接；所述上位 机根据在不同透视角度下的图像计算处理得到规划路径并根据串联机械臂的绝对坐标、第 一位置监测装置得到的串联机械臂的位置数据以及第二位置监测装置得到的病人患处的 位置数据进行计算处理得到病人患处的位移变化，并根据位移补偿结果重新定位串联机械 臂的规划路径。
[0008] 所述第一位置监测装置包括机械臂示踪器和光学导航系统，所述第二位置监测装 置包括病人示踪器和光学导航系统；所述上位机记录病人患处在世界坐标系下的初始位置 数据和机械臂示踪器在世界坐标系中的坐标，并在不同角度透视完成后根据机械臂示踪器 在世界坐标系和光学导航系统坐标系的坐标计算此时两坐标系之间的转换关系，再根据所 述转换关系及病人患处在光学导航系统坐标系中的坐标计算得到病人患处在世界坐标系 下的最新位置数据，得到病人患处的位移变化。
[0009] 所述定位标尺中的两相对面为两相互平行的平面，所述连接面为分别与两相互平 行的平面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面的距离为5cm - 15cm ;或所述连接面为 分别与两相对面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒 形的直径为6cm -12cm。
[0010] 所述每组标记均包括等间距、呈正四边形对称分布的八个标记点及一个不规则分 布的标记点；和/或，每组标记中的标记点均为不透X光的球形部件；所述两组标记中的标 记点的等间距大小不同。
[0011] 所述接口为可拆卸接口，所述串联机械臂末端通过所述接口与定位标尺或套筒导 向装置连接；当串联机械臂末端通过所述接口与定位标尺连接时，所述接口包括锁紧螺母 和球头柱塞，所述串联机械臂末端设置有锥面结构，所述标尺柄的端头设置有与所述锥面 配合的锥孔，所述锁紧螺母通过螺纹连接标尺柄，所述球头柱塞设置于锁紧螺母上，所述定 位标尺的相对的两外凸弧面上设置有相对应的套筒安装孔。
[0012] 一种机器人手术系统，包括C型臂，其特征在于，还包括上述的手术定位装置。
[0013] 一种手术定位方法，其特征在于，该方法通过在至少六自由度的串联机械臂末端 安装定位标尺，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面通过透X光的连接面固 定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标 记点，所述标记点为不透X光的部件，所述任一相对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺 柄通过接口与串联机械臂末端连接；再通过上位机控制串联机械臂的运动来调整定位标尺 的位置以进行不同体位透射角度的变换，并将C型臂在不同体位下分别透过定位标尺拍摄 病人患处采集的两幅图像传输至上位机，上位机再根据采集的图像中的标记点进行空间定 位计算，得到规划路径。
[0014] 该方法在至少六自由度的串联机械臂末端安装定位标尺，还在串联机械臂上安装 机械臂示踪器以及在病人患处安装病人示踪器并配合光学导航系统来分别实现串联机械 臂和病人患处的位置监控；通过上位机记录病人患处在世界坐标系下的初始位置数据和机 械臂示踪器在世界坐标系中的坐标，利用C型臂在不同角度分别透过定位标尺对病人患处 透视后，上位机再根据机械臂示踪器在世界坐标系和光学导航系统坐标系的坐标计算此时 两坐标系之间的转换关系，并根据所述转换关系及病人患处在光学导航系统坐标系中的坐 标计算得到病人患处在世界坐标系下的最新位置数据，得到病人患处的位移变化，根据位 移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。
[0015] 所述方法采用的定位标尺的两相对面为两相互平行的平面，所述连接面为分别与 两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面的距离为5cm - 15cm;或所述 连接面为分别与两相对面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形， 所述圆筒形的直径为6cm -12cm ；
[0016] 和/或，该方法通过可拆卸接口使得定位标尺安装到串联机械臂上，在定位到规 划路径后通过所述可拆卸接口拆卸定位标尺再通过所述可拆卸接口安装套筒导向装置；或 在定位到规划路径后不拆卸定位标尺，直接通过定位标尺的相对的两外凸弧面上设置的相 对应的套筒安装孔装载套筒。
[0017] 本发明的技术效果如下：
[0018] 本发明涉及的手术定位装置，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机械 臂，通过在至少六自由度的串联机械臂上安装特定结构的定位标尺，并配合上位机工作，上 位机通过控制串联机械臂的运动来调整定位标尺的位置以透过定位标尺进行透射角度的 变换，并根据采集的医学图像进行手术路径规划及定位。该手术定位装置可以通过定位标 尺上的两相对面均设置的仅仅一组标记点来实现任意角度下的透视定位，在使用时定位标 尺通过接口连接至串联机械臂通过串联机械臂的运动来调整定位标尺的位置以进行角度 的变换，通过建立多个角度透视时定位标尺的位置关系映射，避免了传统的定位标尺在X 光光轴与标记点所在平面不垂直时引入系统误差的问题，同时也避免了采用至少两排正位 透X光标尺和至少两排侧位透X光标尺构成的特定标尺构型使得应用范围受到限制的问 题，使其成为一种通用的手术导航定位装置，只需设置一组两相对面的标记点，进行一个角 度的透视以后调整手术标尺的位置便可以仍然采用该组相对面的标记点进行下一个角度 的透视，且定位标尺在角度变换时可以进行位置调整，无需如现有的定位系统设置正位和 侧位的标尺架构同时进行正位和侧位的透视和计算，即可完成任意角度的透视，克服了标 尺构型对术中C型臂透视角度的限制，减少透视次数，减少对病人和医生的辐射损伤。该手 术定位装置可以用于多类手术的定位导航，且对于不同类型的手术，均可采用同一构型的 定位标尺进行位置关系映射，不需要根据不同适应症设计不同外形的标尺，标尺形状固定， 其上的标记点在设计构造上更加合理，增加了定位标尺的可靠性，可基于特定原理设置的 标记点以便在成像后为上位机的三维坐标计算提供定位基准；所用串联机械臂为至少实现 六个自由度（至少包括三个平移、三个旋转）的工业机械臂，串联机械臂的运动灵活性大大 提高，工作空间增大，运动行程增加，能够实现各个角度下的定位，并可以在各个不同需求 位置下摆放，降低了摆位难度，大大提高了手术定位装置的灵活性，缩短手术时间，从而手 术更加方便。该手术定位装置稳定可靠，并适用于多种类型的手术定位，能够很好的满足手 术需求。
[0019] 在串联机械臂上设置用于跟踪串联机械臂的第一位置监测装置以及在病人患处 设置用于跟踪病人患处的第二位置监测装置，上位机根据在不同透视角度下的图像计算处 理得到规划路径并根据串联机械臂的绝对坐标、第一位置监测装置得到的串联机械臂的位 置数据以及第二位置监测装置得到的病人患处的位置数据进行计算处理得到病人患处的 位移变化，根据位移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。该设置能够减小因手术中 病人患处移动造成的规划路径与实际路径偏差，采用两位置监测装置优选如机械臂示踪器 和病人示踪器配合光学导航系统实时监控病人患处的位置移动，这样上位机就可以控制串 联机械臂根据病人患处位置移动的数据进行自身运动的修正，实现串联机械臂的规划路径 的重新定位，保证手术定位的精确性，提高本发明手术定位装置的精度。
[0020] 本发明涉及的手术定位方法，通过在至少六自由度的串联机械臂末端安装特定结 构的定位标尺，通过上位机控制串联机械臂的运动来调整定位标尺的位置以进行不同体位 透射角度的变换，并将C型臂在不同体位下分别透过定位标尺拍摄患处采集的两幅图像传 输至上位机，上位机再根据采集的图像中的标记点进行空间定位计算，实现手术路径的规 划和在空间上的准确定位。该定位方法可以通过串联机械臂自身的姿态矩阵建立多个角度 透视时定位标尺的位置关系映射，只用定位标尺上两相对面均设置的一组标记点实现任意 角度的透视定位，克服了标尺构型对术中C型臂透视角度的限制，可以减少透视次数，减少 对病人和医生的辐射损伤。该方法可以在大范围内调整串联机械臂（和定位标尺）与病人 患处的相对位置，且定位方便灵活，操作也十分简便，容易得到串联机械臂的摆放位置，提 高了该装置的顺应性，故可适用于多类手术的定位导航。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明手术定位装置的优选结构示意图。
[0022] 图2a和图2b均为本发明手术定位装置中的定位标尺的优选结构示意图。
[0023] 图3为图2a所示的定位标尺的标记点成像示意图。
[0024] 图4为本发明手术定位装置的第二种优选结构示意图。
[0025] 图5为本发明第三种优选的手术定位装置的工作原理图。
[0026] 图6为本发明手术定位装置中的串联机械臂和定位标尺的连接示意图。
[0027] 图7为本发明机器人手术系统的结构示意图。
[0028] 图8为本发明的手术定位方法的优选流程图。
[0029] 图中各标号列示如下：
[0030] 1 -串联机械臂；11 -串联机械臂末端；12 -法兰盘；2 -定位标尺；21 -第一标 尺面；211 -第一组标记；212 -标记点；22 -第二标尺面；221 -第二组标记；222 -标记 点；23 -连接面；24 -标尺柄；25 -套筒安装孔；3 -接口；31 -锁紧螺母；32 -球头柱塞； 4 一病人不踪器；5 -机械臂不踪器；6 -套筒导向装置；7 -套筒支架；8 -光学导航系统； 〇c -光学导航系统坐标系；0w -世界坐标系；9 一 C型臂；91 一 X光光源；92 - X光成像装 置；10 -上位机；13 -病人患处；14 -套筒；15 -导针。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图对本发明进行说明。
[0032] 本发明涉及一种手术定位装置，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机 械臂，上位机与串联机械臂连接，串联机械臂末端与定位标尺连接。如图1所示优选结构， 包括六自由度的串联机械臂1，该六自由度的串联机械臂包括六个臂段，各臂段之间通过关 节串联连接，串联机械臂1的运动由上位机进行控制，通过上位机控制串联机械臂1的运动 实现三个平移和三个旋转，当然，本发明的串联机械臂可包括更多自由度，或为六自由度的 其它构型，其工作空间大、运动灵活、具有很高的定位精度，能够实现基于手术空间约束的 冗余自由度条件下的最优轨迹规划。定位标尺2包括透X光的两相对面，两相对面通过透 X光的连接面固定连接，两相对面的距离优选为5cm - 15cm，在两相对面上均设置有一组标 记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标记点，各标记点均为不透X光的部件；任一 相对面或连接面固定连接标尺柄，标尺柄通过接口 3与串联机械臂末端11连接；上位机通 过控制串联机械臂1的运动来调整定位标尺2的位置以进行透射角度的变换，并根据采集 的图像中的标记点进行空间定位计算，得到规划路径，即利用医学图像进行手术路径的规 划和定位。
[0033] 定位标尺用于X光光源与X光成像装置之间的手术路径的空间定位计算，优选地 定位标尺的结构如图2a和图2b所示。其中，图2a中的定位标尺的两相对面为两相互平行 的平面，连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧面。该定位标尺2包括 两个空间上互相平行的透X光的标尺平面：第一标尺面21和第二标尺面22,第一标尺面21 和第二标尺面22的两侧通过两个连接面23固定连接；两标尺平面上各设置有一组标记： 第一标尺面21上设置有第一组标记211，第一组标记211包括至少四个不在一条直线上的 标记点，如图2a所示的9个标记点212,这9个标记点的分布优选为非完全对称分布，并基 于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置，具体是包括等 间距、呈正四边形对称分布的8个标记点及1个不规则分布的标记点；第二标尺面22上设 置有第二组标记221，第二组标记221包括至少四个不在一条直线上的标记点，该实施例为 9个标记点22,这9个标记点的分布优选为非完全对称分布，具体是包括等间距、呈正四边 形对称分布的8个标记点及1个不规则分布的标记点。两组标记中的标记点212和222均 为不透X光的球形部件，如钢球或铜球。第一标尺面21和第二标尺面22和两连接面23围 成筒形，筒形的一端固定连接标尺柄24,标尺柄24通过接口 3连接串联机械臂末端11，连 接面23上设置有相对应的套筒安装孔25。
[0034] 图2b所示的定位标尺的两相对面为两相对弧面：透X光的第一标尺面21和第二 标尺面22,第一标尺面21和第二标尺面22的两侧通过两个连接面23固定连接，连接面23 为两外凸弧面，第一标尺面21和第二标尺面22和两连接面23形成圆筒形，优选圆筒形的 直径为6cm - 12cm，圆筒形的一端固定连接标尺柄24,标尺柄24通过接口 3连接串联机械 臂末端11，连接面23上设置有相对应的套筒安装孔25。
[0035] 本发明的手术定位装置在进行手术定位时，定位标尺2在X光成像装置上的成像 图中的标记点如图3所示，圆形区域内为成像视野，两组标记中的标记点212和222均为不 透X光的球形部件，第一组标记211中的9个标记点212包括标记点Γ?9'，具体包括等 间距、呈正四边形对称分布的8个标记点Γ?8'及1个用于标记位置关系的不规则分布 的标记点9'，标记点9'为辅助标记点,标记点Γ?8'可呈逆时针方向排布,标记点Γ位 于正四边形的右上角，标记点9'位于标记点Γ的正上方；第二组标记221中的9个标记点 222包括标记点1"?9"，具体包括等间距、呈正四边形对称分布的8个标记点1"?8"及1 个用于标记位置关系的不规则分布的标记点9"，标记点9"为辅助标记点，标记点1"?8" 可呈逆时针方向排布，标记点1"位于正四边形的左下角，标记点9"位于标记点1"和8"之 间。优选两组标记中的标记点的等间距大小不同，如实施例中的第一组标记211中的标记 点Γ?8'的等间距大，第二组标记221中的标记点1"?8"的等间距小，且标记点Γ? 9'的半径大于标记点1"?9"的半径，即第一标尺面21上的等间距较大的标记点（Γ， 2'，……9'），可称为大标记点组，第二标尺面22上的等间距较大的标记点（1"，2"，…… 9"），可称为小标记点组。定位计算中需要准确识别出图像中的各个标记点，并进行正确的 分组和顺序标记排序，定位标尺上的辅助标记点-标记点9'和标记点9",用于上位机自 动识别标记点的位置排序，辅助标记点与其所在分组的其它各个标记点在图像中的相对位 置是既定不变的，上位机可以据此进行标记点的排序。（Γ，2'，……9'）表示大标记点组 的标记点序号，（1"，2"，......9"）表示小标记点组的标记点符号。
[0036] 手术定位装置中的上位机可以接收术前及术中图像，并进行分析和处理。上位机 设置有通信接口，可以设定相应手术参数；通信接口可以是多种形式：鼠标、键盘、触摸屏 等，可以用于操作者输入参数、规划路径等。
[0037] 本发明的手术定位装置的工作原理为：以串联机械臂的基座坐标系为世界坐标 系，基于双目视觉原理的双平面定位算法、根据手术路径的入针点Ρ(或出针点）及定位标 尺在两个不同方向上的X线透视图像信息，计算出Ρ点的世界坐标（也成为绝对坐标）；根 据入针点和出针点的世界坐标，手术路径的空间坐标就可以表达为世界坐标系中的一条直 线；然后就可以控制串联机械臂精确运动，使与其末端相连的套筒导向装置（通过接口拆 卸定位标尺并通过该接口装载套筒导向装置）指向此手术路径。该手术定位装置在两个不 同方向上的X线透视在具体实施时可以是进行基于多角度透射图像进行手术规划：在病人 的第一个体位下，将定位标尺上有标记点的两个对侧平面朝向患处，C型臂发射的X线透过 定位标尺的双平面后照射到患处成像，拍摄第一个体位下的X线图像；移动定位标尺到其 它角度体位下，重复上述过程，由C型臂拍摄其它体位下的X线图像。拍照时定位标尺的双 平面优选尽量正对所测体位下的患处，配合两外凸弧面的连接面，能够使得定位标尺双平 面上的各标记点在成像中都不被遮挡或产生重叠。在拍摄的多幅X线图像中，选择其中任 意两个角度下的透视图像进行手术路径规划计算，其它角度下的图像可以用于验证规划路 径的合理性。
[0038] 考虑到手术中病人患处位置发生轻微的移动会导致实际路径与规划手术路径存 在偏差，可采用位置监测装置来实时监控病人患处的位置移动，并计算出移动的方向和大 小；串联机械臂可以根据病人患处位置移动的位移数据进行自身运动的修正，从而保证实 际路径与规划手术路径精确一致，保证手术定位的精确性。此时本发明的手术定位装置还 包括在串联机械臂1上设置的第一位置监测装置以及用于跟踪病人患处的第二位置监测 装置，上位机分别与第一位置监测装置和第二位置监测装置连接，上位机根据在不同透视 角度下的图像计算处理得到规划路径并根据机械臂的坐标、第一位置监测装置得到的串联 机械臂的位置数据以及第二位置监测装置得到的病人患处的位置数据进行计算处理得到 病人患处的位移变化，根据位移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。具体可以采用 光学跟踪系统实时监控病人患处的位置移动，此时，第一位置监测装置包括机械臂示踪器5 和光学导航系统8,第二位置监测装置包括病人示踪器4和光学导航系统8 ;具体工作原理 如图5所示，在六自由度的串联机械臂1的末端11上装载定位标尺2,安装病人示踪器4和 机械臂示踪器5,上位机记录病人患处在世界坐标系Ow下的初始位置数据Positionl，同时 记录机械臂示踪器5在世界坐标系Ow中的坐标；利用C型臂在不同角度下分别透过定位标 尺对病人患处透视，采用不同透视角度下的两幅图像（比如体位1下的X线图像P1和体位 2下X线图像P2)进行配准计算，并计算规划路径，串联机械臂1带动手术器械按照规划路 径进行手术定位导航；光学导航系统8将置钉前的病人位置数据传输给上位机，上位机根 据机械臂示踪器5在世界坐标系Ow (即串联机器人本身坐标系）和光学导航系统坐标系Oc 中的坐标，计算此时两坐标系之间的转换关系，并根据所述转换关系及病人患处在光学导 航系统坐标系〇c中的坐标，通过旋转矩阵的计算方式得到此时病人患处在世界坐标系Ow 下的最新位置数据Position〗，上位机分析Positionl和Position〗的位置数据变化，计算 得到病人患处的位移，并根据位移补偿结果重新定位机械臂依据新的规划路径进行手术导 航。
[0039] 机械臂示踪器5优选安装在其六自由度的串联机械臂2末端关节上的法兰盘12 上，如图4所示的本发明手术定位装置的优选结构示意图，法兰盘12可360°旋转。对于 不同手术，可以通过调节法兰盘12的转向来调节机械臂示踪器5的空间位置，使其在手术 过程中保持位于光学导航系统8的有效跟踪视野范围内。上位机根据定位标尺2在X光 光源下形成的透视图像中的特定标记点的分布就可以进行空间定位计算，最终确定手术路 径，之后将串联机械臂1移动至目标位置，再通过接口 3拆卸该定位标尺，并在串联机械臂 1上安装手术工具，具体是将手术工具装载在串联机械臂末端的第六关节上，手术工具中至 少要有一种是套筒导向装置。如图4所示，套筒导向装置6设置在套筒支架7上，在串联机 械臂1的末端通过接口装载套筒支架7以实现套筒导向装置6的安装，由套筒导向装置6进 行套筒的导向，套筒内套有导针，将导针插入到患肢内完成手术。若是如图2a或图2b所示 的定位标尺在两连接面23上设置相应的套筒安装孔25,则可以替代套筒导向装置，直接在 定位标尺上装载套筒，具体是在串联机械臂移动至目标位置后，直接通过套筒安装孔25插 入套筒，就可以将套筒内的导针插入到患肢内完成手术。
[0040] 图6为本发明手术定位装置中的串联机械臂和定位标尺的连接示意图。串联机械 臂末端11通过接口与定位标尺2连接，该接口优选为可拆卸接口，串联机械臂末端11还可 以通过所述接口与套筒导向装置6连接。当串联机械臂末端11通过所述接口与定位标尺 2连接时，该接口可包括锁紧螺母31和球头柱塞32,串联机械臂末端11设置有锥面结构， 定位标尺2的标尺柄24的端头设置有与所述锥面配合的锥孔，所述锁紧螺母31通过螺纹 连接标尺柄24,所述球头柱塞32设置于锁紧螺母31上。该接口为快装快卸接口，利用快装 快卸接口进行定位标尺的装夹，易于操作，且能保证安装到位，在拆装过程中，不需要借用 任何工具，徒手即可完成，可以实现快速、方便、省力的拆装，并可以保证固定可靠。
[0041] 本发明还涉及一种采用上述手术定位装置的机器人手术系统，即在手术定位装置 的基础上，扩展光学导航系统和C型臂，组成一种机器人手术系统，优选结构如图7所示，包 括如图1所示的手术定位装置，还包括C型臂9。手术定位装置包括至少六自由度的串联机 械臂1、定位标尺2和上位机10,上位机10与串联机械臂1连接，定位标尺2设置于串联机 械臂1末端，手术定位装置放置在病人患处13的侧面，串联机械臂1上设置有机械臂示踪 器5,病人患处13处设置有病人示踪器4,配合光学导航系统来分别实现串联机械臂1和病 人患处13的位置监控。C型臂9包括X光光源91和X光成像装置92, X光光源91从两个 角度照射病人患处13,并在X光成像装置92上形成图像，将该图像采集后经过视频数据线 传输至上位机10内，经上位机10建立二维坐标体系并基于双目视觉原理进行计算处理最 终确定手术路径，即确定需插入的导针的轴线位置坐标并作为目标点几何位置，也可以在 上位机10的图像控制操作软件中设置运行按钮，点击该运行按钮后能够控制串联机械臂1 运动到目标点几何位置，然后通过定位标尺2中的套筒安装孔插入套筒14,再将导针15插 入该套筒14的内部，最终将导针15插入到病人患处13内完成手术（当然也可以通过套筒 导向装置插入导针15)。
[0042] 该机器人手术系统进行手术定位导航操作的主要步骤如下：
[0043] A、进行定位导航手术的准备工作：合理安排手术空间布局，病人（麻醉后）卧于手 术床上，手术定位装置放置在病人患处13的侧面（也可称为患侧），C型臂9位于健侧，光 电导航系统根据需要放在健侧或患侧，对病人进行牵引复位，固定病人的位置；同时，对手 术定位装置及有关联的周边设备装置进行消毒（比如套筒支架等）。
[0044] B、进行相关手术定位：安装病人示踪器4和机械臂示踪器5,上位机10记录病人 患处初始位置数据；运用C型臂9、定位标尺2分别采集病人不同体位下患处的X射线图像， 同时光电导航系统跟踪病人患处的位置；上位机10基于双目视觉原理的双平面定位算法、 根据采集的多幅X线图像进行空间路径计算，规划手术路径；上位机10控制串联机械臂1 根据规划路径自动运动，将手术器械定位到规划点位置处；记录置钉前病人患处13的空间 位置并与初始位置比较、计算位移，若病人患处移位超过允许范围（针对手术允许精度）， 上位机10自动进行位移补偿计算自动调整规划路径；
[0045] C、进行手术：在更新位移补偿信息、定位到精确地规划点处后，安装套筒14,置入 导针15。
[0046] 本发明还涉及一种手术定位方法，该方法与本发明上述的手术定位装置相对应， 可理解为是实现手术定位装置的方法。该方法通过在至少六自由度的串联机械臂1末端11 安装定位标尺2,形成如图1所示结构；再通过上位机控制串联机械臂1的运动来调整定位 标尺2的位置以进行不同体位透射角度的变换，并将C型臂在不同体位下分别透过定位标 尺2拍摄病人患处采集的两幅图像传输至上位机，上位机再根据采集的图像中的标记点进 行空间定位计算，得到规划路径。
[0047] 该方法所采用的定位标尺结构可如2a和图2b所示，定位标尺2包括透X光的两 相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组 标记包括至少四个不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件，所述任一相 对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；图2a中的定 位标尺2的两相对面为两相互平行的平面，连接面23为分别与两相互平行的平面的两侧连 接的两外凸弧面，两相对面的距离优选为5cm - 15cm ;图2b中的定位标尺2的连接面23为 分别与两相对面的两侧连接的两外凸弧面，两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒形的 直径优选为6cm -12cm。
[0048] 本发明的手术定位方法的优选流程如图8所示，该方法在至少六自由度的串联机 械臂末端安装定位标尺，还在串联机械臂上安装机械臂示踪器以及在病人患处安装和病人 示踪器，以便配合光学导航系统来分别实现串联机械臂和病人患处的位置监控；拍摄图像， 进行图像配准和路径规划，再根据规划路径，由上位机来控制串联机械臂自动定位到预置 钉处，为避免病人患处的移动导致的偏差，优选设置判断患处是否发生移位的步骤，当没有 移位时，直接定位串联机械臂，根据规划路径进行导航定位；在发生移位时，则计算患处位 移大小，对规划路径进行位移补偿，更新规划路径，再定位串联机械臂，根据更新的规划路 径进行导航定位。其中，进行位移补偿及更新规划路径的实现步骤是通过上位机记录病人 患处在世界坐标系下的初始位置数据和机械臂示踪器在世界坐标系中的坐标，利用C型臂 在不同角度分别透过定位标尺对病人患处透视后，上位机再根据机械臂示踪器在世界坐标 系和光学导航系统坐标系的坐标计算此时两坐标系之间的转换关系，并根据所述转换关系 及病人患处在光学导航系统坐标系中的坐标计算得到病人患处在世界坐标系下的最新位 置数据，得到病人患处的位移变化，根据位移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。本 发明的手术定位方法采用主、被动结合的运动控制方式，被动运动进行串联机械臂姿态的 粗调整、主动运动实现串联机械臂的精确定位，如此同时实现了精确定位和安全控制功能。 [0049] 本发明的手术定位方法优选通过可拆卸接口使得定位标尺安装到串联机械臂上， 在定位到规划路径后通过所述可拆卸接口拆卸定位标尺，再通过所述可拆卸接口安装套筒 导向装置，以便进行后续套筒导向装置内的导针置入操作；或在定位到规划路径后不拆卸 定位标尺，直接通过定位标尺的相对的两外凸弧面上设置的相对应的套筒安装孔装载套 筒，再置入套筒内的导针。
[0050] 应当指出，以上所述【具体实施方式】可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明 创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创 造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改 或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵 盖在本发明创造专利的保护范围当中。
【权利要求】
1. 一种手术定位装置，其特征在于，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机械 臂，所述上位机与串联机械臂连接，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面通 过透X光的连接面固定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个 不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；所述任一相对面或连接面固定 连接标尺柄，所述标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；所述上位机通过控制串联机械 臂的运动来调整定位标尺的位置以进行透射角度的变换，并根据采集的图像中的标记点进 行空间定位计算，得到规划路径。
2. 根据权利要求1所述的手术定位装置，其特征在于，还包括在串联机械臂上设置的 第一位置监测装置以及用于跟踪病人患处的第二位置监测装置，所述上位机分别与第一位 置监测装置和第二位置监测装置连接；所述上位机根据在不同透视角度下的图像计算处理 得到规划路径并根据串联机械臂的绝对坐标、第一位置监测装置得到的串联机械臂的位置 数据以及第二位置监测装置得到的病人患处的位置数据进行计算处理得到病人患处的位 移变化，并根据位移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。
3. 根据权利要求2所述的手术定位装置，其特征在于，所述第一位置监测装置包括机 械臂示踪器和光学导航系统，所述第二位置监测装置包括病人示踪器和光学导航系统；所 述上位机记录病人患处在世界坐标系下的初始位置数据和机械臂示踪器在世界坐标系中 的坐标，并在不同角度透视完成后根据机械臂示踪器在世界坐标系和光学导航系统坐标系 的坐标计算此时两坐标系之间的转换关系，再根据所述转换关系及病人患处在光学导航系 统坐标系中的坐标计算得到病人患处在世界坐标系下的最新位置数据，得到病人患处的位 移变化。
4. 根据权利要求1至3之一所述的手术定位装置，其特征在于，所述定位标尺中的两相 对面为两相互平行的平面，所述连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧 面，所述两相对面的距离为5cm - 15cm ;或所述连接面为分别与两相对面的两侧连接的两 外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒形的直径为6cm -12cm。
5. 根据权利要求1至3之一所述的手术定位装置，其特征在于，所述每组标记均包括等 间距、呈正四边形对称分布的八个标记点及一个不规则分布的标记点；和/或，每组标记中 的标记点均为不透X光的球形部件；所述两组标记中的标记点的等间距大小不同。
6. 根据权利要求1至3之一所述的手术定位装置，其特征在于，所述接口为可拆卸接 口，所述串联机械臂末端通过所述接口与定位标尺或套筒导向装置连接；当串联机械臂末 端通过所述接口与定位标尺连接时，所述接口包括锁紧螺母和球头柱塞，所述串联机械臂 末端设置有锥面结构，所述标尺柄的端头设置有与所述锥面配合的锥孔，所述锁紧螺母通 过螺纹连接标尺柄，所述球头柱塞设置于锁紧螺母上，所述定位标尺的相对的两外凸弧面 上设置有相对应的套筒安装孔。
7. -种机器人手术系统，包括C型臂，其特征在于，还包括权利要求1至6之一所述的 手术定位装置。
8. -种手术定位方法，其特征在于，该方法通过在至少六自由度的串联机械臂末端安 装定位标尺，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面通过透X光的连接面固定 连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标记 点，所述标记点为不透X光的部件，所述任一相对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺柄 通过接口与串联机械臂末端连接；再通过上位机控制串联机械臂的运动来调整定位标尺的 位置以进行不同体位透射角度的变换，并将C型臂在不同体位下分别透过定位标尺拍摄病 人患处采集的两幅图像传输至上位机，上位机再根据采集的图像中的标记点进行空间定位 计算，得到规划路径。
9. 根据权利要求8所述的手术定位方法，其特征在于，该方法在至少六自由度的串联 机械臂末端安装定位标尺，还在串联机械臂上安装机械臂示踪器以及在病人患处安装病人 示踪器并配合光学导航系统来分别实现串联机械臂和病人患处的位置监控；通过上位机记 录病人患处在世界坐标系下的初始位置数据和机械臂示踪器在世界坐标系中的坐标，利用 C型臂在不同角度分别透过定位标尺对病人患处透视后，上位机再根据机械臂示踪器在世 界坐标系和光学导航系统坐标系的坐标计算此时两坐标系之间的转换关系，并根据所述转 换关系及病人患处在光学导航系统坐标系中的坐标计算得到病人患处在世界坐标系下的 最新位置数据，得到病人患处的位移变化，根据位移补偿结果重新定位串联机械臂的规划 路径。
10. 根据权利要求8或9所述的手术定位方法，其特征在于，所述定位标尺的两相对面 为两相互平行的平面，所述连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧面， 所述两相对面的距离为5cm - 15cm ;或所述连接面为分别与两相对面的两侧连接的两外凸 弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒形的直径为6cm - 12cm ; 和/或，该方法通过可拆卸接口使得定位标尺安装到串联机械臂上，在定位到规划路 径后通过所述可拆卸接口拆卸定位标尺再通过所述可拆卸接口安装套筒导向装置；或在定 位到规划路径后不拆卸定位标尺，直接通过定位标尺的相对的两外凸弧面上设置的相对应 的套筒安装孔装载套筒。
【文档编号】A61B19/00GK104083217SQ201410314667
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月3日 优先权日:2014年7月3日
【发明者】张送根, 张维军, 王彬彬, 王军强, 高冠群, 李晓芸 申请人:北京天智航医疗科技股份有限公司