一種手術(shù)定位裝置和方法以及機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種手術(shù)定位裝置和方法以及機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，該手術(shù)定位裝置包括定位標(biāo)尺、上位機(jī)和至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂，上位機(jī)與串聯(lián)機(jī)械臂連接，定位標(biāo)尺包括透X光的兩相對面，兩相對面通過透X光的連接面固定連接，兩相對面上均設(shè)置有一組標(biāo)記，每組標(biāo)記包括至少四個(gè)不在一條直線上的標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)為不透X光的部件；任一相對面或連接面固定連接標(biāo)尺柄，標(biāo)尺柄通過接口與串聯(lián)機(jī)械臂末端連接；上位機(jī)通過控制串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺的位置，并根據(jù)采集的圖像中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間定位計(jì)算，得到規(guī)劃路徑。該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)任意角度的透視定位，并能消除計(jì)算手術(shù)路徑時(shí)引起的系統(tǒng)誤差，增大工作空間，提高手術(shù)定位精度。
【專利說明】一種手術(shù)定位裝置和方法以及機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種手術(shù)定位技術(shù)，特別是一種用于骨科手術(shù)的手術(shù)定位裝置、手術(shù) 定位方法以及采用本發(fā)明手術(shù)定位裝置的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著機(jī)器人技術(shù)與醫(yī)學(xué)科學(xué)交叉應(yīng)用的快速發(fā)展，各種醫(yī)用機(jī)器人的研究也成為 熱點(diǎn)，并在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，而手術(shù)機(jī)器人是其中的前沿研究熱點(diǎn)之一。 目前手術(shù)機(jī)器人已在神經(jīng)外科、人工關(guān)節(jié)置換、泌尿科、膽囊摘除等方面取得了廣泛的應(yīng) 用。利用手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)操作與醫(yī)生手工操作相比，在某些方面具有典型優(yōu)勢，比如： 手術(shù)機(jī)器人的定位更為準(zhǔn)確、其機(jī)械臂的抓取更為穩(wěn)定且有力，可以避免外科醫(yī)生長時(shí)間 手術(shù)而帶來的疲勞，提高了手術(shù)的精度、穩(wěn)定性以及安全性；并且，機(jī)器人技術(shù)可以縮短手 術(shù)時(shí)間，減少病人和醫(yī)生在手術(shù)過程中受到的X射線損傷，保護(hù)病人和醫(yī)生的身體健康。
[0003] 在各種骨科導(dǎo)航手術(shù)中，空間定位是其核心的技術(shù)之一。如專利號(hào)為 200910237998. 6,發(fā)明名稱為骨科機(jī)器人導(dǎo)航裝置及定位系統(tǒng)的專利是通過直桿型導(dǎo)向裝 置卡接在兩個(gè)萬向節(jié)上連同一對串聯(lián)機(jī)械臂共同構(gòu)成四自由度雙平面定位機(jī)構(gòu)，該直桿型 導(dǎo)向裝置最終能夠?qū)崿F(xiàn)四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，利用針對特定類型骨科手術(shù)的特定的定位部件 進(jìn)行X線透視成像和手術(shù)路徑規(guī)劃計(jì)算，實(shí)現(xiàn)直桿型導(dǎo)向裝置的定位。此定位系統(tǒng)能夠?qū)?現(xiàn)手術(shù)路徑在空間上的準(zhǔn)確定位，但適應(yīng)癥單一，在具體使用中針對每個(gè)適應(yīng)癥需要使用 不同定位部件來完成手術(shù)定位。現(xiàn)有技術(shù)通常是在X光光源和X光成像裝置之間設(shè)置定位 部件，該定位部件通常是單獨(dú)設(shè)置或者設(shè)置在機(jī)器人的底座上。在手術(shù)時(shí)，通過X光光源從 正位和側(cè)位兩個(gè)角度照射病人患處，在X光成像裝置上形成圖像，配合具有標(biāo)記點(diǎn)的定位 部件實(shí)現(xiàn)空間定位計(jì)算，最終確定手術(shù)路徑?，F(xiàn)有定位部件需要保證X光光軸與標(biāo)記點(diǎn)所 在平面垂直，但是在正位和側(cè)位透視時(shí)并不能保證X光光軸與定位部件所在平面垂直，故 會(huì)使得計(jì)算出的手術(shù)路徑存在一定偏差。而且在使用定位部件進(jìn)行正位和側(cè)位透視時(shí)要 求定位標(biāo)尺不能移動(dòng)，造成由于定位標(biāo)尺在其中一個(gè)透視方向位置不合理需要調(diào)整位置時(shí) 必須重新進(jìn)行另一個(gè)方向的透視，采集圖像位置不便也會(huì)造成透視次數(shù)增加，這就增加了 X 光輻射損傷，延長了手術(shù)時(shí)間。進(jìn)一步講，現(xiàn)有的特定的定位部件構(gòu)型限制了手術(shù)中C型臂 透視角度，且定位系統(tǒng)的工作空間小，機(jī)械臂行程短，手術(shù)擺位難度高，故現(xiàn)有的定位部件 的使用范圍受到極大的限制；而且現(xiàn)有的定位部件通常利用螺紋接口安裝，拆卸麻煩，且不 易保證是否安裝到位，需要仔細(xì)檢查確認(rèn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，提供一種新型的手術(shù)定位裝置，該裝 置通過串聯(lián)機(jī)械臂與特定結(jié)構(gòu)的定位標(biāo)尺配合，實(shí)現(xiàn)任意角度的透視定位，并能消除計(jì)算 手術(shù)路徑時(shí)引起的系統(tǒng)誤差，增大工作空間，提高手術(shù)定位精度，從而更好地滿足手術(shù)的需 求。本發(fā)明還涉及一種手術(shù)定位方法以及采用上述手術(shù)定位裝置的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種手術(shù)定位裝置，其特征在于，包括定位標(biāo)尺、上位機(jī)和至少六自由度的串聯(lián)機(jī) 械臂，所述上位機(jī)與串聯(lián)機(jī)械臂連接，所述定位標(biāo)尺包括透X光的兩相對面，所述兩相對面 通過透X光的連接面固定連接，所述兩相對面上均設(shè)置有一組標(biāo)記，每組標(biāo)記包括至少四 個(gè)不在一條直線上的標(biāo)記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)為不透X光的部件；所述任一相對面或連接面固 定連接標(biāo)尺柄，所述標(biāo)尺柄通過接口與串聯(lián)機(jī)械臂末端連接；所述上位機(jī)通過控制串聯(lián)機(jī) 械臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺的位置以進(jìn)行透射角度的變換，并根據(jù)采集的圖像中的標(biāo)記點(diǎn) 進(jìn)行空間定位計(jì)算，得到規(guī)劃路徑。
[0007] 還包括在串聯(lián)機(jī)械臂上設(shè)置的第一位置監(jiān)測裝置以及用于跟蹤病人患處的第二 位置監(jiān)測裝置，所述上位機(jī)分別與第一位置監(jiān)測裝置和第二位置監(jiān)測裝置連接；所述上位 機(jī)根據(jù)在不同透視角度下的圖像計(jì)算處理得到規(guī)劃路徑并根據(jù)串聯(lián)機(jī)械臂的絕對坐標(biāo)、第 一位置監(jiān)測裝置得到的串聯(lián)機(jī)械臂的位置數(shù)據(jù)以及第二位置監(jiān)測裝置得到的病人患處的 位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到病人患處的位移變化，并根據(jù)位移補(bǔ)償結(jié)果重新定位串聯(lián)機(jī)械 臂的規(guī)劃路徑。
[0008] 所述第一位置監(jiān)測裝置包括機(jī)械臂示蹤器和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，所述第二位置監(jiān)測裝 置包括病人示蹤器和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)；所述上位機(jī)記錄病人患處在世界坐標(biāo)系下的初始位置 數(shù)據(jù)和機(jī)械臂示蹤器在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并在不同角度透視完成后根據(jù)機(jī)械臂示蹤器 在世界坐標(biāo)系和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)計(jì)算此時(shí)兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，再根據(jù)所 述轉(zhuǎn)換關(guān)系及病人患處在光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算得到病人患處在世界坐標(biāo)系 下的最新位置數(shù)據(jù)，得到病人患處的位移變化。
[0009] 所述定位標(biāo)尺中的兩相對面為兩相互平行的平面，所述連接面為分別與兩相互平 行的平面的兩側(cè)連接的兩外凸弧面，所述兩相對面的距離為5cm - 15cm ;或所述連接面為 分別與兩相對面的兩側(cè)連接的兩外凸弧面，所述兩相對面和連接面形成圓筒形，所述圓筒 形的直徑為6cm -12cm。
[0010] 所述每組標(biāo)記均包括等間距、呈正四邊形對稱分布的八個(gè)標(biāo)記點(diǎn)及一個(gè)不規(guī)則分 布的標(biāo)記點(diǎn)；和/或，每組標(biāo)記中的標(biāo)記點(diǎn)均為不透X光的球形部件；所述兩組標(biāo)記中的標(biāo) 記點(diǎn)的等間距大小不同。
[0011] 所述接口為可拆卸接口，所述串聯(lián)機(jī)械臂末端通過所述接口與定位標(biāo)尺或套筒導(dǎo) 向裝置連接；當(dāng)串聯(lián)機(jī)械臂末端通過所述接口與定位標(biāo)尺連接時(shí)，所述接口包括鎖緊螺母 和球頭柱塞，所述串聯(lián)機(jī)械臂末端設(shè)置有錐面結(jié)構(gòu)，所述標(biāo)尺柄的端頭設(shè)置有與所述錐面 配合的錐孔，所述鎖緊螺母通過螺紋連接標(biāo)尺柄，所述球頭柱塞設(shè)置于鎖緊螺母上，所述定 位標(biāo)尺的相對的兩外凸弧面上設(shè)置有相對應(yīng)的套筒安裝孔。
[0012] 一種機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，包括C型臂，其特征在于，還包括上述的手術(shù)定位裝置。
[0013] 一種手術(shù)定位方法，其特征在于，該方法通過在至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂末端 安裝定位標(biāo)尺，所述定位標(biāo)尺包括透X光的兩相對面，所述兩相對面通過透X光的連接面固 定連接，所述兩相對面上均設(shè)置有一組標(biāo)記，每組標(biāo)記包括至少四個(gè)不在一條直線上的標(biāo) 記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)為不透X光的部件，所述任一相對面或連接面固定連接標(biāo)尺柄，所述標(biāo)尺 柄通過接口與串聯(lián)機(jī)械臂末端連接；再通過上位機(jī)控制串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺 的位置以進(jìn)行不同體位透射角度的變換，并將C型臂在不同體位下分別透過定位標(biāo)尺拍攝 病人患處采集的兩幅圖像傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)再根據(jù)采集的圖像中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間定 位計(jì)算，得到規(guī)劃路徑。
[0014] 該方法在至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂末端安裝定位標(biāo)尺，還在串聯(lián)機(jī)械臂上安裝 機(jī)械臂示蹤器以及在病人患處安裝病人示蹤器并配合光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)來分別實(shí)現(xiàn)串聯(lián)機(jī)械 臂和病人患處的位置監(jiān)控；通過上位機(jī)記錄病人患處在世界坐標(biāo)系下的初始位置數(shù)據(jù)和機(jī) 械臂示蹤器在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，利用C型臂在不同角度分別透過定位標(biāo)尺對病人患處 透視后，上位機(jī)再根據(jù)機(jī)械臂示蹤器在世界坐標(biāo)系和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)計(jì)算此時(shí) 兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系及病人患處在光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐 標(biāo)計(jì)算得到病人患處在世界坐標(biāo)系下的最新位置數(shù)據(jù)，得到病人患處的位移變化，根據(jù)位 移補(bǔ)償結(jié)果重新定位串聯(lián)機(jī)械臂的規(guī)劃路徑。
[0015] 所述方法采用的定位標(biāo)尺的兩相對面為兩相互平行的平面，所述連接面為分別與 兩相互平行的平面的兩側(cè)連接的兩外凸弧面，所述兩相對面的距離為5cm - 15cm;或所述 連接面為分別與兩相對面的兩側(cè)連接的兩外凸弧面，所述兩相對面和連接面形成圓筒形， 所述圓筒形的直徑為6cm -12cm ；
[0016] 和/或，該方法通過可拆卸接口使得定位標(biāo)尺安裝到串聯(lián)機(jī)械臂上，在定位到規(guī) 劃路徑后通過所述可拆卸接口拆卸定位標(biāo)尺再通過所述可拆卸接口安裝套筒導(dǎo)向裝置；或 在定位到規(guī)劃路徑后不拆卸定位標(biāo)尺，直接通過定位標(biāo)尺的相對的兩外凸弧面上設(shè)置的相 對應(yīng)的套筒安裝孔裝載套筒。
[0017] 本發(fā)明的技術(shù)效果如下：
[0018] 本發(fā)明涉及的手術(shù)定位裝置，包括定位標(biāo)尺、上位機(jī)和至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械 臂，通過在至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂上安裝特定結(jié)構(gòu)的定位標(biāo)尺，并配合上位機(jī)工作，上 位機(jī)通過控制串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺的位置以透過定位標(biāo)尺進(jìn)行透射角度的 變換，并根據(jù)采集的醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃及定位。該手術(shù)定位裝置可以通過定位標(biāo) 尺上的兩相對面均設(shè)置的僅僅一組標(biāo)記點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)任意角度下的透視定位，在使用時(shí)定位標(biāo) 尺通過接口連接至串聯(lián)機(jī)械臂通過串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺的位置以進(jìn)行角度 的變換，通過建立多個(gè)角度透視時(shí)定位標(biāo)尺的位置關(guān)系映射，避免了傳統(tǒng)的定位標(biāo)尺在X 光光軸與標(biāo)記點(diǎn)所在平面不垂直時(shí)引入系統(tǒng)誤差的問題，同時(shí)也避免了采用至少兩排正位 透X光標(biāo)尺和至少兩排側(cè)位透X光標(biāo)尺構(gòu)成的特定標(biāo)尺構(gòu)型使得應(yīng)用范圍受到限制的問 題，使其成為一種通用的手術(shù)導(dǎo)航定位裝置，只需設(shè)置一組兩相對面的標(biāo)記點(diǎn)，進(jìn)行一個(gè)角 度的透視以后調(diào)整手術(shù)標(biāo)尺的位置便可以仍然采用該組相對面的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行下一個(gè)角度 的透視，且定位標(biāo)尺在角度變換時(shí)可以進(jìn)行位置調(diào)整，無需如現(xiàn)有的定位系統(tǒng)設(shè)置正位和 側(cè)位的標(biāo)尺架構(gòu)同時(shí)進(jìn)行正位和側(cè)位的透視和計(jì)算，即可完成任意角度的透視，克服了標(biāo) 尺構(gòu)型對術(shù)中C型臂透視角度的限制，減少透視次數(shù)，減少對病人和醫(yī)生的輻射損傷。該手 術(shù)定位裝置可以用于多類手術(shù)的定位導(dǎo)航，且對于不同類型的手術(shù)，均可采用同一構(gòu)型的 定位標(biāo)尺進(jìn)行位置關(guān)系映射，不需要根據(jù)不同適應(yīng)癥設(shè)計(jì)不同外形的標(biāo)尺，標(biāo)尺形狀固定， 其上的標(biāo)記點(diǎn)在設(shè)計(jì)構(gòu)造上更加合理，增加了定位標(biāo)尺的可靠性，可基于特定原理設(shè)置的 標(biāo)記點(diǎn)以便在成像后為上位機(jī)的三維坐標(biāo)計(jì)算提供定位基準(zhǔn)；所用串聯(lián)機(jī)械臂為至少實(shí)現(xiàn) 六個(gè)自由度（至少包括三個(gè)平移、三個(gè)旋轉(zhuǎn)）的工業(yè)機(jī)械臂，串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)靈活性大大 提高，工作空間增大，運(yùn)動(dòng)行程增加，能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)角度下的定位，并可以在各個(gè)不同需求 位置下擺放，降低了擺位難度，大大提高了手術(shù)定位裝置的靈活性，縮短手術(shù)時(shí)間，從而手 術(shù)更加方便。該手術(shù)定位裝置穩(wěn)定可靠，并適用于多種類型的手術(shù)定位，能夠很好的滿足手 術(shù)需求。
[0019] 在串聯(lián)機(jī)械臂上設(shè)置用于跟蹤串聯(lián)機(jī)械臂的第一位置監(jiān)測裝置以及在病人患處 設(shè)置用于跟蹤病人患處的第二位置監(jiān)測裝置，上位機(jī)根據(jù)在不同透視角度下的圖像計(jì)算處 理得到規(guī)劃路徑并根據(jù)串聯(lián)機(jī)械臂的絕對坐標(biāo)、第一位置監(jiān)測裝置得到的串聯(lián)機(jī)械臂的位 置數(shù)據(jù)以及第二位置監(jiān)測裝置得到的病人患處的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到病人患處的 位移變化，根據(jù)位移補(bǔ)償結(jié)果重新定位串聯(lián)機(jī)械臂的規(guī)劃路徑。該設(shè)置能夠減小因手術(shù)中 病人患處移動(dòng)造成的規(guī)劃路徑與實(shí)際路徑偏差，采用兩位置監(jiān)測裝置優(yōu)選如機(jī)械臂示蹤器 和病人示蹤器配合光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控病人患處的位置移動(dòng)，這樣上位機(jī)就可以控制串 聯(lián)機(jī)械臂根據(jù)病人患處位置移動(dòng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自身運(yùn)動(dòng)的修正，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)機(jī)械臂的規(guī)劃路徑 的重新定位，保證手術(shù)定位的精確性，提高本發(fā)明手術(shù)定位裝置的精度。
[0020] 本發(fā)明涉及的手術(shù)定位方法，通過在至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂末端安裝特定結(jié) 構(gòu)的定位標(biāo)尺，通過上位機(jī)控制串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺的位置以進(jìn)行不同體位 透射角度的變換，并將C型臂在不同體位下分別透過定位標(biāo)尺拍攝患處采集的兩幅圖像傳 輸至上位機(jī)，上位機(jī)再根據(jù)采集的圖像中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間定位計(jì)算，實(shí)現(xiàn)手術(shù)路徑的規(guī) 劃和在空間上的準(zhǔn)確定位。該定位方法可以通過串聯(lián)機(jī)械臂自身的姿態(tài)矩陣建立多個(gè)角度 透視時(shí)定位標(biāo)尺的位置關(guān)系映射，只用定位標(biāo)尺上兩相對面均設(shè)置的一組標(biāo)記點(diǎn)實(shí)現(xiàn)任意 角度的透視定位，克服了標(biāo)尺構(gòu)型對術(shù)中C型臂透視角度的限制，可以減少透視次數(shù)，減少 對病人和醫(yī)生的輻射損傷。該方法可以在大范圍內(nèi)調(diào)整串聯(lián)機(jī)械臂（和定位標(biāo)尺）與病人 患處的相對位置，且定位方便靈活，操作也十分簡便，容易得到串聯(lián)機(jī)械臂的擺放位置，提 高了該裝置的順應(yīng)性，故可適用于多類手術(shù)的定位導(dǎo)航。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明手術(shù)定位裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖2a和圖2b均為本發(fā)明手術(shù)定位裝置中的定位標(biāo)尺的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023] 圖3為圖2a所示的定位標(biāo)尺的標(biāo)記點(diǎn)成像示意圖。
[0024] 圖4為本發(fā)明手術(shù)定位裝置的第二種優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖5為本發(fā)明第三種優(yōu)選的手術(shù)定位裝置的工作原理圖。
[0026] 圖6為本發(fā)明手術(shù)定位裝置中的串聯(lián)機(jī)械臂和定位標(biāo)尺的連接示意圖。
[0027] 圖7為本發(fā)明機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖8為本發(fā)明的手術(shù)定位方法的優(yōu)選流程圖。
[0029] 圖中各標(biāo)號(hào)列示如下：
[0030] 1 -串聯(lián)機(jī)械臂；11 -串聯(lián)機(jī)械臂末端；12 -法蘭盤；2 -定位標(biāo)尺；21 -第一標(biāo) 尺面；211 -第一組標(biāo)記；212 -標(biāo)記點(diǎn)；22 -第二標(biāo)尺面；221 -第二組標(biāo)記；222 -標(biāo)記 點(diǎn)；23 -連接面；24 -標(biāo)尺柄；25 -套筒安裝孔；3 -接口；31 -鎖緊螺母；32 -球頭柱塞； 4 一病人不蹤器；5 -機(jī)械臂不蹤器；6 -套筒導(dǎo)向裝置；7 -套筒支架；8 -光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)； 〇c -光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系；0w -世界坐標(biāo)系；9 一 C型臂；91 一 X光光源；92 - X光成像裝 置；10 -上位機(jī)；13 -病人患處；14 -套筒；15 -導(dǎo)針。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明。
[0032] 本發(fā)明涉及一種手術(shù)定位裝置，包括定位標(biāo)尺、上位機(jī)和至少六自由度的串聯(lián)機(jī) 械臂，上位機(jī)與串聯(lián)機(jī)械臂連接，串聯(lián)機(jī)械臂末端與定位標(biāo)尺連接。如圖1所示優(yōu)選結(jié)構(gòu)， 包括六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂1，該六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂包括六個(gè)臂段，各臂段之間通過關(guān) 節(jié)串聯(lián)連接，串聯(lián)機(jī)械臂1的運(yùn)動(dòng)由上位機(jī)進(jìn)行控制，通過上位機(jī)控制串聯(lián)機(jī)械臂1的運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)三個(gè)平移和三個(gè)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)然，本發(fā)明的串聯(lián)機(jī)械臂可包括更多自由度，或?yàn)榱杂啥鹊?其它構(gòu)型，其工作空間大、運(yùn)動(dòng)靈活、具有很高的定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)基于手術(shù)空間約束的 冗余自由度條件下的最優(yōu)軌跡規(guī)劃。定位標(biāo)尺2包括透X光的兩相對面，兩相對面通過透 X光的連接面固定連接，兩相對面的距離優(yōu)選為5cm - 15cm，在兩相對面上均設(shè)置有一組標(biāo) 記，每組標(biāo)記包括至少四個(gè)不在一條直線上的標(biāo)記點(diǎn)，各標(biāo)記點(diǎn)均為不透X光的部件；任一 相對面或連接面固定連接標(biāo)尺柄，標(biāo)尺柄通過接口 3與串聯(lián)機(jī)械臂末端11連接；上位機(jī)通 過控制串聯(lián)機(jī)械臂1的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺2的位置以進(jìn)行透射角度的變換，并根據(jù)采集 的圖像中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間定位計(jì)算，得到規(guī)劃路徑，即利用醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行手術(shù)路徑的規(guī) 劃和定位。
[0033] 定位標(biāo)尺用于X光光源與X光成像裝置之間的手術(shù)路徑的空間定位計(jì)算，優(yōu)選地 定位標(biāo)尺的結(jié)構(gòu)如圖2a和圖2b所示。其中，圖2a中的定位標(biāo)尺的兩相對面為兩相互平行 的平面，連接面為分別與兩相互平行的平面的兩側(cè)連接的兩外凸弧面。該定位標(biāo)尺2包括 兩個(gè)空間上互相平行的透X光的標(biāo)尺平面：第一標(biāo)尺面21和第二標(biāo)尺面22,第一標(biāo)尺面21 和第二標(biāo)尺面22的兩側(cè)通過兩個(gè)連接面23固定連接；兩標(biāo)尺平面上各設(shè)置有一組標(biāo)記： 第一標(biāo)尺面21上設(shè)置有第一組標(biāo)記211，第一組標(biāo)記211包括至少四個(gè)不在一條直線上的 標(biāo)記點(diǎn)，如圖2a所示的9個(gè)標(biāo)記點(diǎn)212,這9個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的分布優(yōu)選為非完全對稱分布，并基 于X光成像裝置中的線性攝像機(jī)模型的標(biāo)定以及三維空間點(diǎn)重建原理設(shè)置，具體是包括等 間距、呈正四邊形對稱分布的8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)及1個(gè)不規(guī)則分布的標(biāo)記點(diǎn)；第二標(biāo)尺面22上設(shè) 置有第二組標(biāo)記221，第二組標(biāo)記221包括至少四個(gè)不在一條直線上的標(biāo)記點(diǎn)，該實(shí)施例為 9個(gè)標(biāo)記點(diǎn)22,這9個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的分布優(yōu)選為非完全對稱分布，具體是包括等間距、呈正四邊 形對稱分布的8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)及1個(gè)不規(guī)則分布的標(biāo)記點(diǎn)。兩組標(biāo)記中的標(biāo)記點(diǎn)212和222均 為不透X光的球形部件，如鋼球或銅球。第一標(biāo)尺面21和第二標(biāo)尺面22和兩連接面23圍 成筒形，筒形的一端固定連接標(biāo)尺柄24,標(biāo)尺柄24通過接口 3連接串聯(lián)機(jī)械臂末端11，連 接面23上設(shè)置有相對應(yīng)的套筒安裝孔25。
[0034] 圖2b所示的定位標(biāo)尺的兩相對面為兩相對弧面：透X光的第一標(biāo)尺面21和第二 標(biāo)尺面22,第一標(biāo)尺面21和第二標(biāo)尺面22的兩側(cè)通過兩個(gè)連接面23固定連接，連接面23 為兩外凸弧面，第一標(biāo)尺面21和第二標(biāo)尺面22和兩連接面23形成圓筒形，優(yōu)選圓筒形的 直徑為6cm - 12cm，圓筒形的一端固定連接標(biāo)尺柄24,標(biāo)尺柄24通過接口 3連接串聯(lián)機(jī)械 臂末端11，連接面23上設(shè)置有相對應(yīng)的套筒安裝孔25。
[0035] 本發(fā)明的手術(shù)定位裝置在進(jìn)行手術(shù)定位時(shí)，定位標(biāo)尺2在X光成像裝置上的成像 圖中的標(biāo)記點(diǎn)如圖3所示，圓形區(qū)域內(nèi)為成像視野，兩組標(biāo)記中的標(biāo)記點(diǎn)212和222均為不 透X光的球形部件，第一組標(biāo)記211中的9個(gè)標(biāo)記點(diǎn)212包括標(biāo)記點(diǎn)Γ?9'，具體包括等 間距、呈正四邊形對稱分布的8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)Γ?8'及1個(gè)用于標(biāo)記位置關(guān)系的不規(guī)則分布 的標(biāo)記點(diǎn)9'，標(biāo)記點(diǎn)9'為輔助標(biāo)記點(diǎn),標(biāo)記點(diǎn)Γ?8'可呈逆時(shí)針方向排布,標(biāo)記點(diǎn)Γ位 于正四邊形的右上角，標(biāo)記點(diǎn)9'位于標(biāo)記點(diǎn)Γ的正上方；第二組標(biāo)記221中的9個(gè)標(biāo)記點(diǎn) 222包括標(biāo)記點(diǎn)1"?9"，具體包括等間距、呈正四邊形對稱分布的8個(gè)標(biāo)記點(diǎn)1"?8"及1 個(gè)用于標(biāo)記位置關(guān)系的不規(guī)則分布的標(biāo)記點(diǎn)9"，標(biāo)記點(diǎn)9"為輔助標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)1"?8" 可呈逆時(shí)針方向排布，標(biāo)記點(diǎn)1"位于正四邊形的左下角，標(biāo)記點(diǎn)9"位于標(biāo)記點(diǎn)1"和8"之 間。優(yōu)選兩組標(biāo)記中的標(biāo)記點(diǎn)的等間距大小不同，如實(shí)施例中的第一組標(biāo)記211中的標(biāo)記 點(diǎn)Γ?8'的等間距大，第二組標(biāo)記221中的標(biāo)記點(diǎn)1"?8"的等間距小，且標(biāo)記點(diǎn)Γ? 9'的半徑大于標(biāo)記點(diǎn)1"?9"的半徑，即第一標(biāo)尺面21上的等間距較大的標(biāo)記點(diǎn)（Γ， 2'，……9'），可稱為大標(biāo)記點(diǎn)組，第二標(biāo)尺面22上的等間距較大的標(biāo)記點(diǎn)（1"，2"，…… 9"），可稱為小標(biāo)記點(diǎn)組。定位計(jì)算中需要準(zhǔn)確識(shí)別出圖像中的各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，并進(jìn)行正確的 分組和順序標(biāo)記排序，定位標(biāo)尺上的輔助標(biāo)記點(diǎn)-標(biāo)記點(diǎn)9'和標(biāo)記點(diǎn)9",用于上位機(jī)自 動(dòng)識(shí)別標(biāo)記點(diǎn)的位置排序，輔助標(biāo)記點(diǎn)與其所在分組的其它各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)在圖像中的相對位 置是既定不變的，上位機(jī)可以據(jù)此進(jìn)行標(biāo)記點(diǎn)的排序。（Γ，2'，……9'）表示大標(biāo)記點(diǎn)組 的標(biāo)記點(diǎn)序號(hào)，（1"，2"，......9"）表示小標(biāo)記點(diǎn)組的標(biāo)記點(diǎn)符號(hào)。
[0036] 手術(shù)定位裝置中的上位機(jī)可以接收術(shù)前及術(shù)中圖像，并進(jìn)行分析和處理。上位機(jī) 設(shè)置有通信接口，可以設(shè)定相應(yīng)手術(shù)參數(shù)；通信接口可以是多種形式：鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏 等，可以用于操作者輸入?yún)?shù)、規(guī)劃路徑等。
[0037] 本發(fā)明的手術(shù)定位裝置的工作原理為：以串聯(lián)機(jī)械臂的基座坐標(biāo)系為世界坐標(biāo) 系，基于雙目視覺原理的雙平面定位算法、根據(jù)手術(shù)路徑的入針點(diǎn)Ρ(或出針點(diǎn)）及定位標(biāo) 尺在兩個(gè)不同方向上的X線透視圖像信息，計(jì)算出Ρ點(diǎn)的世界坐標(biāo)（也成為絕對坐標(biāo)）；根 據(jù)入針點(diǎn)和出針點(diǎn)的世界坐標(biāo)，手術(shù)路徑的空間坐標(biāo)就可以表達(dá)為世界坐標(biāo)系中的一條直 線；然后就可以控制串聯(lián)機(jī)械臂精確運(yùn)動(dòng)，使與其末端相連的套筒導(dǎo)向裝置（通過接口拆 卸定位標(biāo)尺并通過該接口裝載套筒導(dǎo)向裝置）指向此手術(shù)路徑。該手術(shù)定位裝置在兩個(gè)不 同方向上的X線透視在具體實(shí)施時(shí)可以是進(jìn)行基于多角度透射圖像進(jìn)行手術(shù)規(guī)劃：在病人 的第一個(gè)體位下，將定位標(biāo)尺上有標(biāo)記點(diǎn)的兩個(gè)對側(cè)平面朝向患處，C型臂發(fā)射的X線透過 定位標(biāo)尺的雙平面后照射到患處成像，拍攝第一個(gè)體位下的X線圖像；移動(dòng)定位標(biāo)尺到其 它角度體位下，重復(fù)上述過程，由C型臂拍攝其它體位下的X線圖像。拍照時(shí)定位標(biāo)尺的雙 平面優(yōu)選盡量正對所測體位下的患處，配合兩外凸弧面的連接面，能夠使得定位標(biāo)尺雙平 面上的各標(biāo)記點(diǎn)在成像中都不被遮擋或產(chǎn)生重疊。在拍攝的多幅X線圖像中，選擇其中任 意兩個(gè)角度下的透視圖像進(jìn)行手術(shù)路徑規(guī)劃計(jì)算，其它角度下的圖像可以用于驗(yàn)證規(guī)劃路 徑的合理性。
[0038] 考慮到手術(shù)中病人患處位置發(fā)生輕微的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致實(shí)際路徑與規(guī)劃手術(shù)路徑存 在偏差，可采用位置監(jiān)測裝置來實(shí)時(shí)監(jiān)控病人患處的位置移動(dòng)，并計(jì)算出移動(dòng)的方向和大 ?。淮?lián)機(jī)械臂可以根據(jù)病人患處位置移動(dòng)的位移數(shù)據(jù)進(jìn)行自身運(yùn)動(dòng)的修正，從而保證實(shí) 際路徑與規(guī)劃手術(shù)路徑精確一致，保證手術(shù)定位的精確性。此時(shí)本發(fā)明的手術(shù)定位裝置還 包括在串聯(lián)機(jī)械臂1上設(shè)置的第一位置監(jiān)測裝置以及用于跟蹤病人患處的第二位置監(jiān)測 裝置，上位機(jī)分別與第一位置監(jiān)測裝置和第二位置監(jiān)測裝置連接，上位機(jī)根據(jù)在不同透視 角度下的圖像計(jì)算處理得到規(guī)劃路徑并根據(jù)機(jī)械臂的坐標(biāo)、第一位置監(jiān)測裝置得到的串聯(lián) 機(jī)械臂的位置數(shù)據(jù)以及第二位置監(jiān)測裝置得到的病人患處的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到 病人患處的位移變化，根據(jù)位移補(bǔ)償結(jié)果重新定位串聯(lián)機(jī)械臂的規(guī)劃路徑。具體可以采用 光學(xué)跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控病人患處的位置移動(dòng)，此時(shí)，第一位置監(jiān)測裝置包括機(jī)械臂示蹤器5 和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)8,第二位置監(jiān)測裝置包括病人示蹤器4和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)8 ;具體工作原理 如圖5所示，在六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂1的末端11上裝載定位標(biāo)尺2,安裝病人示蹤器4和 機(jī)械臂示蹤器5,上位機(jī)記錄病人患處在世界坐標(biāo)系Ow下的初始位置數(shù)據(jù)Positionl，同時(shí) 記錄機(jī)械臂示蹤器5在世界坐標(biāo)系Ow中的坐標(biāo)；利用C型臂在不同角度下分別透過定位標(biāo) 尺對病人患處透視，采用不同透視角度下的兩幅圖像（比如體位1下的X線圖像P1和體位 2下X線圖像P2)進(jìn)行配準(zhǔn)計(jì)算，并計(jì)算規(guī)劃路徑，串聯(lián)機(jī)械臂1帶動(dòng)手術(shù)器械按照規(guī)劃路 徑進(jìn)行手術(shù)定位導(dǎo)航；光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)8將置釘前的病人位置數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)根 據(jù)機(jī)械臂示蹤器5在世界坐標(biāo)系Ow (即串聯(lián)機(jī)器人本身坐標(biāo)系）和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系Oc 中的坐標(biāo)，計(jì)算此時(shí)兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系及病人患處在光學(xué)導(dǎo) 航系統(tǒng)坐標(biāo)系〇c中的坐標(biāo)，通過旋轉(zhuǎn)矩陣的計(jì)算方式得到此時(shí)病人患處在世界坐標(biāo)系Ow 下的最新位置數(shù)據(jù)Position〗，上位機(jī)分析Positionl和Position〗的位置數(shù)據(jù)變化，計(jì)算 得到病人患處的位移，并根據(jù)位移補(bǔ)償結(jié)果重新定位機(jī)械臂依據(jù)新的規(guī)劃路徑進(jìn)行手術(shù)導(dǎo) 航。
[0039] 機(jī)械臂示蹤器5優(yōu)選安裝在其六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂2末端關(guān)節(jié)上的法蘭盤12 上，如圖4所示的本發(fā)明手術(shù)定位裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)示意圖，法蘭盤12可360°旋轉(zhuǎn)。對于 不同手術(shù)，可以通過調(diào)節(jié)法蘭盤12的轉(zhuǎn)向來調(diào)節(jié)機(jī)械臂示蹤器5的空間位置，使其在手術(shù) 過程中保持位于光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)8的有效跟蹤視野范圍內(nèi)。上位機(jī)根據(jù)定位標(biāo)尺2在X光 光源下形成的透視圖像中的特定標(biāo)記點(diǎn)的分布就可以進(jìn)行空間定位計(jì)算，最終確定手術(shù)路 徑，之后將串聯(lián)機(jī)械臂1移動(dòng)至目標(biāo)位置，再通過接口 3拆卸該定位標(biāo)尺，并在串聯(lián)機(jī)械臂 1上安裝手術(shù)工具，具體是將手術(shù)工具裝載在串聯(lián)機(jī)械臂末端的第六關(guān)節(jié)上，手術(shù)工具中至 少要有一種是套筒導(dǎo)向裝置。如圖4所示，套筒導(dǎo)向裝置6設(shè)置在套筒支架7上，在串聯(lián)機(jī) 械臂1的末端通過接口裝載套筒支架7以實(shí)現(xiàn)套筒導(dǎo)向裝置6的安裝，由套筒導(dǎo)向裝置6進(jìn) 行套筒的導(dǎo)向，套筒內(nèi)套有導(dǎo)針，將導(dǎo)針插入到患肢內(nèi)完成手術(shù)。若是如圖2a或圖2b所示 的定位標(biāo)尺在兩連接面23上設(shè)置相應(yīng)的套筒安裝孔25,則可以替代套筒導(dǎo)向裝置，直接在 定位標(biāo)尺上裝載套筒，具體是在串聯(lián)機(jī)械臂移動(dòng)至目標(biāo)位置后，直接通過套筒安裝孔25插 入套筒，就可以將套筒內(nèi)的導(dǎo)針插入到患肢內(nèi)完成手術(shù)。
[0040] 圖6為本發(fā)明手術(shù)定位裝置中的串聯(lián)機(jī)械臂和定位標(biāo)尺的連接示意圖。串聯(lián)機(jī)械 臂末端11通過接口與定位標(biāo)尺2連接，該接口優(yōu)選為可拆卸接口，串聯(lián)機(jī)械臂末端11還可 以通過所述接口與套筒導(dǎo)向裝置6連接。當(dāng)串聯(lián)機(jī)械臂末端11通過所述接口與定位標(biāo)尺 2連接時(shí)，該接口可包括鎖緊螺母31和球頭柱塞32,串聯(lián)機(jī)械臂末端11設(shè)置有錐面結(jié)構(gòu)， 定位標(biāo)尺2的標(biāo)尺柄24的端頭設(shè)置有與所述錐面配合的錐孔，所述鎖緊螺母31通過螺紋 連接標(biāo)尺柄24,所述球頭柱塞32設(shè)置于鎖緊螺母31上。該接口為快裝快卸接口，利用快裝 快卸接口進(jìn)行定位標(biāo)尺的裝夾，易于操作，且能保證安裝到位，在拆裝過程中，不需要借用 任何工具，徒手即可完成，可以實(shí)現(xiàn)快速、方便、省力的拆裝，并可以保證固定可靠。
[0041] 本發(fā)明還涉及一種采用上述手術(shù)定位裝置的機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，即在手術(shù)定位裝置 的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)和C型臂，組成一種機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，優(yōu)選結(jié)構(gòu)如圖7所示，包 括如圖1所示的手術(shù)定位裝置，還包括C型臂9。手術(shù)定位裝置包括至少六自由度的串聯(lián)機(jī) 械臂1、定位標(biāo)尺2和上位機(jī)10,上位機(jī)10與串聯(lián)機(jī)械臂1連接，定位標(biāo)尺2設(shè)置于串聯(lián)機(jī) 械臂1末端，手術(shù)定位裝置放置在病人患處13的側(cè)面，串聯(lián)機(jī)械臂1上設(shè)置有機(jī)械臂示蹤 器5,病人患處13處設(shè)置有病人示蹤器4,配合光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)來分別實(shí)現(xiàn)串聯(lián)機(jī)械臂1和病 人患處13的位置監(jiān)控。C型臂9包括X光光源91和X光成像裝置92, X光光源91從兩個(gè) 角度照射病人患處13,并在X光成像裝置92上形成圖像，將該圖像采集后經(jīng)過視頻數(shù)據(jù)線 傳輸至上位機(jī)10內(nèi)，經(jīng)上位機(jī)10建立二維坐標(biāo)體系并基于雙目視覺原理進(jìn)行計(jì)算處理最 終確定手術(shù)路徑，即確定需插入的導(dǎo)針的軸線位置坐標(biāo)并作為目標(biāo)點(diǎn)幾何位置，也可以在 上位機(jī)10的圖像控制操作軟件中設(shè)置運(yùn)行按鈕，點(diǎn)擊該運(yùn)行按鈕后能夠控制串聯(lián)機(jī)械臂1 運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)點(diǎn)幾何位置，然后通過定位標(biāo)尺2中的套筒安裝孔插入套筒14,再將導(dǎo)針15插 入該套筒14的內(nèi)部，最終將導(dǎo)針15插入到病人患處13內(nèi)完成手術(shù)（當(dāng)然也可以通過套筒 導(dǎo)向裝置插入導(dǎo)針15)。
[0042] 該機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行手術(shù)定位導(dǎo)航操作的主要步驟如下：
[0043] A、進(jìn)行定位導(dǎo)航手術(shù)的準(zhǔn)備工作：合理安排手術(shù)空間布局，病人（麻醉后）臥于手 術(shù)床上，手術(shù)定位裝置放置在病人患處13的側(cè)面（也可稱為患側(cè)），C型臂9位于健側(cè)，光 電導(dǎo)航系統(tǒng)根據(jù)需要放在健側(cè)或患側(cè)，對病人進(jìn)行牽引復(fù)位，固定病人的位置；同時(shí)，對手 術(shù)定位裝置及有關(guān)聯(lián)的周邊設(shè)備裝置進(jìn)行消毒（比如套筒支架等）。
[0044] B、進(jìn)行相關(guān)手術(shù)定位：安裝病人示蹤器4和機(jī)械臂示蹤器5,上位機(jī)10記錄病人 患處初始位置數(shù)據(jù)；運(yùn)用C型臂9、定位標(biāo)尺2分別采集病人不同體位下患處的X射線圖像， 同時(shí)光電導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤病人患處的位置；上位機(jī)10基于雙目視覺原理的雙平面定位算法、 根據(jù)采集的多幅X線圖像進(jìn)行空間路徑計(jì)算，規(guī)劃手術(shù)路徑；上位機(jī)10控制串聯(lián)機(jī)械臂1 根據(jù)規(guī)劃路徑自動(dòng)運(yùn)動(dòng)，將手術(shù)器械定位到規(guī)劃點(diǎn)位置處；記錄置釘前病人患處13的空間 位置并與初始位置比較、計(jì)算位移，若病人患處移位超過允許范圍（針對手術(shù)允許精度）， 上位機(jī)10自動(dòng)進(jìn)行位移補(bǔ)償計(jì)算自動(dòng)調(diào)整規(guī)劃路徑；
[0045] C、進(jìn)行手術(shù)：在更新位移補(bǔ)償信息、定位到精確地規(guī)劃點(diǎn)處后，安裝套筒14,置入 導(dǎo)針15。
[0046] 本發(fā)明還涉及一種手術(shù)定位方法，該方法與本發(fā)明上述的手術(shù)定位裝置相對應(yīng)， 可理解為是實(shí)現(xiàn)手術(shù)定位裝置的方法。該方法通過在至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂1末端11 安裝定位標(biāo)尺2,形成如圖1所示結(jié)構(gòu)；再通過上位機(jī)控制串聯(lián)機(jī)械臂1的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位 標(biāo)尺2的位置以進(jìn)行不同體位透射角度的變換，并將C型臂在不同體位下分別透過定位標(biāo) 尺2拍攝病人患處采集的兩幅圖像傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)再根據(jù)采集的圖像中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn) 行空間定位計(jì)算，得到規(guī)劃路徑。
[0047] 該方法所采用的定位標(biāo)尺結(jié)構(gòu)可如2a和圖2b所示，定位標(biāo)尺2包括透X光的兩 相對面，兩相對面通過透X光的連接面固定連接，所述兩相對面上均設(shè)置有一組標(biāo)記，每組 標(biāo)記包括至少四個(gè)不在一條直線上的標(biāo)記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)為不透X光的部件，所述任一相 對面或連接面固定連接標(biāo)尺柄，所述標(biāo)尺柄通過接口與串聯(lián)機(jī)械臂末端連接；圖2a中的定 位標(biāo)尺2的兩相對面為兩相互平行的平面，連接面23為分別與兩相互平行的平面的兩側(cè)連 接的兩外凸弧面，兩相對面的距離優(yōu)選為5cm - 15cm ;圖2b中的定位標(biāo)尺2的連接面23為 分別與兩相對面的兩側(cè)連接的兩外凸弧面，兩相對面和連接面形成圓筒形，所述圓筒形的 直徑優(yōu)選為6cm -12cm。
[0048] 本發(fā)明的手術(shù)定位方法的優(yōu)選流程如圖8所示，該方法在至少六自由度的串聯(lián)機(jī) 械臂末端安裝定位標(biāo)尺，還在串聯(lián)機(jī)械臂上安裝機(jī)械臂示蹤器以及在病人患處安裝和病人 示蹤器，以便配合光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)來分別實(shí)現(xiàn)串聯(lián)機(jī)械臂和病人患處的位置監(jiān)控；拍攝圖像， 進(jìn)行圖像配準(zhǔn)和路徑規(guī)劃，再根據(jù)規(guī)劃路徑，由上位機(jī)來控制串聯(lián)機(jī)械臂自動(dòng)定位到預(yù)置 釘處，為避免病人患處的移動(dòng)導(dǎo)致的偏差，優(yōu)選設(shè)置判斷患處是否發(fā)生移位的步驟，當(dāng)沒有 移位時(shí)，直接定位串聯(lián)機(jī)械臂，根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行導(dǎo)航定位；在發(fā)生移位時(shí)，則計(jì)算患處位 移大小，對規(guī)劃路徑進(jìn)行位移補(bǔ)償，更新規(guī)劃路徑，再定位串聯(lián)機(jī)械臂，根據(jù)更新的規(guī)劃路 徑進(jìn)行導(dǎo)航定位。其中，進(jìn)行位移補(bǔ)償及更新規(guī)劃路徑的實(shí)現(xiàn)步驟是通過上位機(jī)記錄病人 患處在世界坐標(biāo)系下的初始位置數(shù)據(jù)和機(jī)械臂示蹤器在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，利用C型臂 在不同角度分別透過定位標(biāo)尺對病人患處透視后，上位機(jī)再根據(jù)機(jī)械臂示蹤器在世界坐標(biāo) 系和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)計(jì)算此時(shí)兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系 及病人患處在光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算得到病人患處在世界坐標(biāo)系下的最新位 置數(shù)據(jù)，得到病人患處的位移變化，根據(jù)位移補(bǔ)償結(jié)果重新定位串聯(lián)機(jī)械臂的規(guī)劃路徑。本 發(fā)明的手術(shù)定位方法采用主、被動(dòng)結(jié)合的運(yùn)動(dòng)控制方式，被動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行串聯(lián)機(jī)械臂姿態(tài)的 粗調(diào)整、主動(dòng)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)機(jī)械臂的精確定位，如此同時(shí)實(shí)現(xiàn)了精確定位和安全控制功能。 [0049] 本發(fā)明的手術(shù)定位方法優(yōu)選通過可拆卸接口使得定位標(biāo)尺安裝到串聯(lián)機(jī)械臂上， 在定位到規(guī)劃路徑后通過所述可拆卸接口拆卸定位標(biāo)尺，再通過所述可拆卸接口安裝套筒 導(dǎo)向裝置，以便進(jìn)行后續(xù)套筒導(dǎo)向裝置內(nèi)的導(dǎo)針置入操作；或在定位到規(guī)劃路徑后不拆卸 定位標(biāo)尺，直接通過定位標(biāo)尺的相對的兩外凸弧面上設(shè)置的相對應(yīng)的套筒安裝孔裝載套 筒，再置入套筒內(nèi)的導(dǎo)針。
[0050] 應(yīng)當(dāng)指出，以上所述【具體實(shí)施方式】可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明 創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實(shí)施例對本發(fā)明創(chuàng) 造已進(jìn)行了詳細(xì)的說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進(jìn)行修改 或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進(jìn)，其均應(yīng)涵 蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護(hù)范圍當(dāng)中。
【權(quán)利要求】
1. 一種手術(shù)定位裝置，其特征在于，包括定位標(biāo)尺、上位機(jī)和至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械 臂，所述上位機(jī)與串聯(lián)機(jī)械臂連接，所述定位標(biāo)尺包括透X光的兩相對面，所述兩相對面通 過透X光的連接面固定連接，所述兩相對面上均設(shè)置有一組標(biāo)記，每組標(biāo)記包括至少四個(gè) 不在一條直線上的標(biāo)記點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)為不透X光的部件；所述任一相對面或連接面固定 連接標(biāo)尺柄，所述標(biāo)尺柄通過接口與串聯(lián)機(jī)械臂末端連接；所述上位機(jī)通過控制串聯(lián)機(jī)械 臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺的位置以進(jìn)行透射角度的變換，并根據(jù)采集的圖像中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn) 行空間定位計(jì)算，得到規(guī)劃路徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)定位裝置，其特征在于，還包括在串聯(lián)機(jī)械臂上設(shè)置的 第一位置監(jiān)測裝置以及用于跟蹤病人患處的第二位置監(jiān)測裝置，所述上位機(jī)分別與第一位 置監(jiān)測裝置和第二位置監(jiān)測裝置連接；所述上位機(jī)根據(jù)在不同透視角度下的圖像計(jì)算處理 得到規(guī)劃路徑并根據(jù)串聯(lián)機(jī)械臂的絕對坐標(biāo)、第一位置監(jiān)測裝置得到的串聯(lián)機(jī)械臂的位置 數(shù)據(jù)以及第二位置監(jiān)測裝置得到的病人患處的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理得到病人患處的位 移變化，并根據(jù)位移補(bǔ)償結(jié)果重新定位串聯(lián)機(jī)械臂的規(guī)劃路徑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的手術(shù)定位裝置，其特征在于，所述第一位置監(jiān)測裝置包括機(jī) 械臂示蹤器和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)，所述第二位置監(jiān)測裝置包括病人示蹤器和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)；所 述上位機(jī)記錄病人患處在世界坐標(biāo)系下的初始位置數(shù)據(jù)和機(jī)械臂示蹤器在世界坐標(biāo)系中 的坐標(biāo)，并在不同角度透視完成后根據(jù)機(jī)械臂示蹤器在世界坐標(biāo)系和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系 的坐標(biāo)計(jì)算此時(shí)兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，再根據(jù)所述轉(zhuǎn)換關(guān)系及病人患處在光學(xué)導(dǎo)航系 統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算得到病人患處在世界坐標(biāo)系下的最新位置數(shù)據(jù)，得到病人患處的位 移變化。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的手術(shù)定位裝置，其特征在于，所述定位標(biāo)尺中的兩相 對面為兩相互平行的平面，所述連接面為分別與兩相互平行的平面的兩側(cè)連接的兩外凸弧 面，所述兩相對面的距離為5cm - 15cm ;或所述連接面為分別與兩相對面的兩側(cè)連接的兩 外凸弧面，所述兩相對面和連接面形成圓筒形，所述圓筒形的直徑為6cm -12cm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的手術(shù)定位裝置，其特征在于，所述每組標(biāo)記均包括等 間距、呈正四邊形對稱分布的八個(gè)標(biāo)記點(diǎn)及一個(gè)不規(guī)則分布的標(biāo)記點(diǎn)；和/或，每組標(biāo)記中 的標(biāo)記點(diǎn)均為不透X光的球形部件；所述兩組標(biāo)記中的標(biāo)記點(diǎn)的等間距大小不同。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的手術(shù)定位裝置，其特征在于，所述接口為可拆卸接 口，所述串聯(lián)機(jī)械臂末端通過所述接口與定位標(biāo)尺或套筒導(dǎo)向裝置連接；當(dāng)串聯(lián)機(jī)械臂末 端通過所述接口與定位標(biāo)尺連接時(shí)，所述接口包括鎖緊螺母和球頭柱塞，所述串聯(lián)機(jī)械臂 末端設(shè)置有錐面結(jié)構(gòu)，所述標(biāo)尺柄的端頭設(shè)置有與所述錐面配合的錐孔，所述鎖緊螺母通 過螺紋連接標(biāo)尺柄，所述球頭柱塞設(shè)置于鎖緊螺母上，所述定位標(biāo)尺的相對的兩外凸弧面 上設(shè)置有相對應(yīng)的套筒安裝孔。
7. -種機(jī)器人手術(shù)系統(tǒng)，包括C型臂，其特征在于，還包括權(quán)利要求1至6之一所述的 手術(shù)定位裝置。
8. -種手術(shù)定位方法，其特征在于，該方法通過在至少六自由度的串聯(lián)機(jī)械臂末端安 裝定位標(biāo)尺，所述定位標(biāo)尺包括透X光的兩相對面，所述兩相對面通過透X光的連接面固定 連接，所述兩相對面上均設(shè)置有一組標(biāo)記，每組標(biāo)記包括至少四個(gè)不在一條直線上的標(biāo)記 點(diǎn)，所述標(biāo)記點(diǎn)為不透X光的部件，所述任一相對面或連接面固定連接標(biāo)尺柄，所述標(biāo)尺柄 通過接口與串聯(lián)機(jī)械臂末端連接；再通過上位機(jī)控制串聯(lián)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)來調(diào)整定位標(biāo)尺的 位置以進(jìn)行不同體位透射角度的變換，并將C型臂在不同體位下分別透過定位標(biāo)尺拍攝病 人患處采集的兩幅圖像傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)再根據(jù)采集的圖像中的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行空間定位 計(jì)算，得到規(guī)劃路徑。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的手術(shù)定位方法，其特征在于，該方法在至少六自由度的串聯(lián) 機(jī)械臂末端安裝定位標(biāo)尺，還在串聯(lián)機(jī)械臂上安裝機(jī)械臂示蹤器以及在病人患處安裝病人 示蹤器并配合光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)來分別實(shí)現(xiàn)串聯(lián)機(jī)械臂和病人患處的位置監(jiān)控；通過上位機(jī)記 錄病人患處在世界坐標(biāo)系下的初始位置數(shù)據(jù)和機(jī)械臂示蹤器在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，利用 C型臂在不同角度分別透過定位標(biāo)尺對病人患處透視后，上位機(jī)再根據(jù)機(jī)械臂示蹤器在世 界坐標(biāo)系和光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)計(jì)算此時(shí)兩坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并根據(jù)所述轉(zhuǎn) 換關(guān)系及病人患處在光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)坐標(biāo)系中的坐標(biāo)計(jì)算得到病人患處在世界坐標(biāo)系下的 最新位置數(shù)據(jù)，得到病人患處的位移變化，根據(jù)位移補(bǔ)償結(jié)果重新定位串聯(lián)機(jī)械臂的規(guī)劃 路徑。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的手術(shù)定位方法，其特征在于，所述定位標(biāo)尺的兩相對面 為兩相互平行的平面，所述連接面為分別與兩相互平行的平面的兩側(cè)連接的兩外凸弧面， 所述兩相對面的距離為5cm - 15cm ;或所述連接面為分別與兩相對面的兩側(cè)連接的兩外凸 弧面，所述兩相對面和連接面形成圓筒形，所述圓筒形的直徑為6cm - 12cm ; 和/或，該方法通過可拆卸接口使得定位標(biāo)尺安裝到串聯(lián)機(jī)械臂上，在定位到規(guī)劃路 徑后通過所述可拆卸接口拆卸定位標(biāo)尺再通過所述可拆卸接口安裝套筒導(dǎo)向裝置；或在定 位到規(guī)劃路徑后不拆卸定位標(biāo)尺，直接通過定位標(biāo)尺的相對的兩外凸弧面上設(shè)置的相對應(yīng) 的套筒安裝孔裝載套筒。
【文檔編號(hào)】A61B19/00GK104083217SQ201410314667
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月3日
【發(fā)明者】張送根, 張維軍, 王彬彬, 王軍強(qiáng), 高冠群, 李曉蕓 申請人:北京天智航醫(yī)療科技股份有限公司