用于手术导航的设备及手术机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，更具体地讲，涉及一种用于手术导航的设备及手 术机器人。
【背景技术】
[0002] 机器人不仅应用于工业领域，在医疗领域也已得到推广应用。手术机器人 (SurgicalRobot)的问世不过短短10年，已经取得重大进展。手术机器人是一组器械的 组合装置，它通常由一个探头（内窥镜或超声探头等）、手术器械、微型摄像头、操纵杆、多 个机械臂等器件组装而成，此外，还包括手术导航系统。目前使用的手术机器人的工作原理 是：医生坐在电脑显示屏前，通过显示屏观察病人体内的病灶情况，通过远程操控机器人手 中的手术器械将病灶精确切除（或修复）。
[0003] 图1示出现有的手术机器人的示例，包括远程操纵杆、手术器械、超声探头、多个 机械臂（分别用于夹持手术器械、超声探头等）以及手术导航系统，医生通过远程操纵杆来 控制机械臂（即控制被夹持在机械臂末端的手术器械和超声探头）来进行手术，在医生面 前显示的是实时超声图像，图像中有对应于实际位置的人体手术区域以及手术器械模型， 医生以实时超声图像提供的信息为依据操纵机械臂进行手术操作。显而易见，想要顺利地 进行手术，必须要获取手术器械与人体手术区域的实时的、精确的空间位置关系。
[0004] 手术导航系统即在手术中提供手术器械与人体手术区域实时空间位置关系的设 备，图1所示出的手术机器人的手术导航系统为最常见的NDIPolaris光学跟踪定位系统， 使用方式如下：机械臂处于初始状态，机械臂末端分别夹持有手术器械和超声探头，手术器 械和超声探头分别固连有定位标志点阵列（例如，被动刚体），将定位传感器安置在三角支 架上，将支架放置在合适的位置后不再移动，以其作为世界坐标系的参考点；开启定位传感 器，获取手术器械的初始位置和超声探头的初始位置（即，在世界坐标系下的绝对位置）； 开始实际操作，利用超声探头获取人体手术区域的在世界坐标系中的空间位置和姿态，以 及手术器械在世界坐标系中的空间位置和姿态，为医生提供实时的导航信息（计算机根据 此空间位置信息以三维形式生成并显示人体手术区域的超声画面和手术器械模型。
[0005] 然而，现有的光学跟踪定位系统还存在一定的弊端，主要集中在：手术过程中无法 保证光学跟踪定位系统对待定位装置进行连续有效的定位（即，无法保证一直定位正常）， 而一旦定位失效，手术就会因医生无法获取待定位装置的实时位置信息而中断。
【发明内容】
[0006] 本发明的示例性实施例在于提供一种用于手术导航的设备及手术机器人，以克服 现有的手术导航系统无法保证对待定位装置进行连续定位的问题。
[0007] 根据本发明的一方面，提供一种用于手术导航的设备，所述设备包括：光学跟踪定 位装置，用于检测待定位装置的第一空间位置和第一姿态；加速度跟踪定位装置，用于检测 待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度；融合定位装置，用于根据检测到的第一空 间位置和第一姿态以及待定位装置的空间线性加速度和空间角加速度确定待定位装置的 第二空间位置和第二姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
[0008] 可选地，融合定位装置根据在第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第 一姿态以及在第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间线性加速度和空间角 加速度，确定待定位装置在第二时刻的第二空间位置和第二姿态，其中，第一时刻早于第二 时刻。
[0009] 可选地，第一时刻是光学跟踪定位装置开始处于定位失效状态之前最后一次检测 到第一空间位置和第一姿态的时刻，第二时刻是光学跟踪定位装置开始处于定位失效状态 时或之后的时刻，其中，在光学跟踪定位装置处于定位失效状态之前，融合定位装置将第一 空间位置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
[0010] 可选地，融合定位装置根据第一时刻与第二时刻之间检测到的待定位装置的空间 线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第一时刻与第二时刻之间的空间位置变化 和姿态变化，并根据第一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置和第一姿态，以及在第 一时刻与第二时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第二时刻的第二空 间位置和第二姿态。
[0011] 可选地，融合定位装置根据第i时刻与第i-1时刻之间检测到的待定位装置的空 间线性加速度和空间角加速度计算待定位装置在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变 化和姿态变化，并根据计算得到的第i-1时刻的待定位装置的第二空间位置和第二姿态， 以及在第i-1时刻与第i时刻之间的空间位置变化和姿态变化确定待定位装置在第i时刻 的第二空间位置和第二姿态，其中，i为大于等于3的整数，第i-1时刻早于第i时刻。
[0012] 可选地，在光学跟踪定位装置处于定位正常状态时，融合定位装置将第一空间位 置和第一姿态作为待定位装置的空间位置和姿态。
[0013] 可选地，光学跟踪定位装置包括定位传感器和定位标志点阵列，其中，当定位传感 器检测不到定位标志点阵列，或者定位传感器检测到定位标志点阵列处于特定姿态时，融 合定位装置确定光学跟踪定位装置处于定位失效状态；当定位传感器检测到定位标志点阵 列且检测到定位标志点阵列没有处于特定姿态时，融合定位装置确定光学跟踪定位装置处 于定位正常状态。
[0014] 可选地，加速度跟踪定位装置包括空间三向陀螺仪、空间三向加速度传感器、无线 通信装置和电源，其中，无线通信装置将包括空间三向加速度传感器检测到的待定位装置 的空间线性加速度、空间三向陀螺仪检测到的待定位装置的空间角加速度、以及加速度跟 踪定位装置的标识信息的信息发送到融合定位装置。
[0015] 可选地，所述设备还包括：报警装置，当光学跟踪定位装置处于定位失效状态超过 预定时间段时，提示操作者光学跟踪定位装置处于定位失效状态已超过预定时间段。
[0016] 可选地，所述预定时间段通过下述方式确定：从一时刻开始，对待定位装置的第一 空间位置和第一姿态、第二空间位置和第二姿态进行连续检测，将空间位置误差初次大于 空间位置误差阈值或姿态误差初次大于姿态误差阈值的时刻与所述一时刻之间的时间差 作为预定时间段，其中，空间位置误差为在同一时刻检测到的待定位装置的第一空间位置 与第二空间位置之间的误差，姿态误差为在同一时刻检测到的待定位装置的第一姿态与第 二姿态之间的误差。
[0017] 可选地，光学跟踪定位装置以定位传感器的位置为参考点来检测第一空间位置和 第一姿态，其中，定位传感器被固定于手术室的预定位置。
[0018] 可选地，加速度跟踪定位装置固定于待定位装置上或固定于夹持待定位装置的机 械臂末端上。
[0019] 可选地，待定位装置包括手术器械和手术成像设备中的至少一个。
[0020] 根据本发明的另一方面，提供一种手术机器人，包括：用于夹持待定位装置的机械 臂，以及所述用于手术导航的设备。
[0021] 根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备及手术机器人，能够实现对手术 中的待定位装置进行连续的、精确的空间定位，且成本低、运算量小。
[0022] 将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部 分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
【附图说明】
[0023] 图1示出根据本发明示例性实施例的现有的手术机器人的示例；
[0024] 图2示出根据本发明示例性实施例的用于手术导航的设备的结构框图。
【具体实施方式】
[0025] 现将详细参照本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中