基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法技術

本發明專利技術公開了一種基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，所述骨骼基準確定方法包括步驟：11)將體外標志物與目標骨骼作為整體進行CT掃描并三維重建，確定影像坐標系；12)確定所述體外標志物上的點或線或面為參照物，獲取所述參照物在影像坐標系中的坐標，并獲取所述目標骨骼的基準與所述參照物的相對位置；13)根據所述相對位置獲取所述目標骨骼的基準在影像坐標系中的坐標，以便在手術時將手術機器人坐標系與所述影像坐標系配準，并以所述目標骨骼的基準的坐標引導或控制手術機器人進行手術。這種基準確定方法能夠實現對骨骼基準的準確定位，以保證骨骼手術的安全性和療效。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于一種醫療技術，尤其涉及一種。
技術介紹
目前每年全世界都有成千上萬的患者進行各種與骨骼有關的手術，如骨科手術、神經外科手術等，這些手術的安全性與療效果無疑和手術定位及操作的精度緊密相關。例如，脊柱椎弓根釘內固定手術，由于椎弓根周圍是脊髓、血管和臟器等重要組織，經椎弓根置入螺釘內固定存在一定風險，穿透其骨皮質造成血管、臟器和神經損傷，發生癱瘓。因此，準確的經椎弓根置入在脊柱外科領域具有十分重要的意義。但目前最為常用的經椎弓根途徑置入方法是人工置入，依據體內骨表面標志精度較差，文獻報道其失誤率可達6-41 %。又例如，人工膝關節置換手術，由于股骨、脛骨形狀不規則，缺乏可靠的骨表面標志，術中定位 困難，勢必影響手術精度的精度，而對于這種人工膝關節置換，精準的下肢力線重建非常重要，是術后獲得滿意療效和假體長期存活的關鍵。生理狀態下，當人體站立時，股骨頭中心、膝關節中心及踝關節中心處于同一條直線，此直線即下肢力線(也稱機械軸)。輕微的力線不良即可引發早期松動、平臺塑件磨損和關節功能不良。研究表明，下肢力線偏差在±3°以內的假體10年存留率可達到90%，超過±3°則降為73%。下肢力線偏離膝關節中心與假體的無菌性松動也有密切關系，下肢力線偏差如果在±3°之內，術后12年假體松動率為3%，如果下肢力線偏差超過±4°則松動率增加至24%。下肢力線內翻時還會增加聚乙烯襯墊的磨損，當膝關節內翻5°或更多時,聚乙烯襯墊的磨損將增加到0. 105 0. 125mm/I。為保證術后下肢力線的精度，目前有髓內定位法、髓外定位法和計算機導航輔助定位法應用于人工膝關節置換。髓內及髓外定位法依靠大量的體內骨性標志，如經股骨髁上軸線、Whiteside線、股骨后髁軸線、脛骨結節內側緣、內上髁最高點、外上髁最高點、脛骨后髁線、脛骨經髁線、脛骨中溝線、踝間線、第2跖骨線和脛骨結節中內1/3線等，準確率為65% 89. 1%。計算機導航輔助定位分為CT、X射線影像依賴型和非依賴型，但都需要錄入下肢的體內的骨性標志方能實現。再例如，脊柱骨折、脊柱腫瘤、脊柱側彎、椎間盤突出、椎管狹窄、脊柱滑脫等多種脊柱疾患，盡管其減壓手術方法多種多樣，但均面臨一個同樣的風險，即手術可能發生神經損傷、造成災難性的后果，其原因主要還是和不能精準地進行骨骼基準確定及手術操作有關。綜上所述，盡管涉及骨骼的各種手術方法形式迥異，但無一例外都要參照或依賴體內骨骼表面的標志。由于這些標志可能受到解剖變異、骨贅增生、肥胖、過多的軟組織、畸形等因素的影響，會造成目測判讀或觸摸困難，這樣無疑將影響定位精度導致偏差，進而影響手術的安全與療效。此外，現有技術中一些其他的定位方法，如框架定位，由于有創目前已趨于淘汰。基于特定底框內CT、MRI掃描的立體定向手術系統，利用掃描罩注冊精度較高，但手術只能在CT或MRI室進行，應用受到局限；采用體表馬克注冊，由于不能保證術中及術前體位一致及皮膚的移動而定位精度較低，只能用于精度要求不高的骨科手術。有鑒于此，亟待針對上述技術問題，另辟蹊徑設計一種手術機器人骨骼基準確定方法，實現對骨骼基準的準確定位，以保證骨骼手術的安全性和療效。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種新的骨骼手術點、線或面等參照標志的確定方法，從而為各種需要精確操作包括數字化切割的骨骼手術提供基準，保證手術精度，提高手術的安全和療效。為解決上述技術問題，本專利技術提供一種，它由體外標志物、機器人本體、手術臺、移動單元、操控臺、探針、三維重建軟件及編程控制軟件、刀具等組成；其特征在于術前在手術目標骨骼體外放置標志物和其“綁定” 進行影像學檢查，數據資料傳輸并儲存于計算機；術中機器人探測并記錄體外標志物對應的骨骼表面一個或以上的點的坐標，與上述儲存的數據資料進行比對后，在機器人的坐標系中自動生成體外標志物上的點、線或面的坐標，再以這些點、線或面等作為基準，引導或控制機器人進行精確手術。優選地，體外標志物可用多種材料之制成，可呈矩形或其他任何形狀，其上的點、線或面等均可作為骨骼手術參照基準。優選地，以體外標志物上的點、線或面等作為骨骼手術參照基準的各種編程控制軟件。優選地，所述骨骼基準確定方法包括步驟11)將體外標志物與目標骨骼作為整體進行CT掃描并三維重建，確定影像坐標系;12)確定所述體外標志物上的點或線或面為參照物，獲取所述參照物在影像坐標系中的坐標，并獲取所述目標骨骼的基準點與所述參照物的相對位置；13)根據所述相對位置獲取所述基準點在影像坐標系中的坐標，以便在手術時將手術機器人坐標系與所述影像坐標系配準，并以所述基準點的坐標引導手術機器人進行手術。優選地，所述目標骨骼為寰椎，所述基準確定方法的各個步驟具體為11)將所述體外標志物、所述寰椎和與所述寰椎相鄰的樞椎作為整體進行CT掃描并三維重建，確定影像坐標系；12)確定所述寰椎、所述樞椎的內外等分剖面在所述體外標志物表面的投影為參照線，獲取所述參照線在所述影像坐標系中的坐標；獲取所述樞椎左、右椎弓根置入點連線的中點的坐標，以及該點到所述參照線的第一高度，獲取所述寰椎、所述樞椎的寰樞關節中心點到所述參照線的第二高度，并測量所述樞椎左、右椎弓根置入點連線的中點與所述寰樞關節中心點的水平距離；13)根據所述第一高度與所述第二高度的差值，以及所述水平距離獲取所述寰樞關節中心點在所述影像坐標系中的坐標。優選地，所述步驟13)后還包括14)將所述手術機器人的機器手以所述寰樞關節中心點為圓心，以大于所述寰樞關節中心點至寰椎左椎弓根置入點、寰椎右椎弓根置入點的距離，且小于所述寰樞關節中心點至所述寰椎左邊緣點、所述寰椎右邊緣點的距離為半徑轉動，使所述機器手的導針與所述裳椎后弓左、右觸碰，生成兩觸點的中心點的坐標;15)將導針沿所述寰樞關節中心點與所述兩觸點的中心點的連線運動，再繼續向左或向右移動所述寰椎置入點到正中面的距離；16)按照預先測量的左、右椎弓根置入角度調整姿態，以便進行手術。優選地，所述目標骨骼為股骨，所述基準確定方法的各個步驟具體為11)將所述體外標志物、所述股骨作為整體進行CT掃描并三維重建，確定影像坐標系; 12)以所述體外標志物上的水平面為參照面，確定所述股骨上的第一預設點，，確定所述參照面上的第二預設點、第三預設點，第四預設點，并確定所述參照面在所述影像坐標系中的坐標；獲取在所述股骨最大截面處截取所述股骨的第一水平剖面到所述參照面的距離，確定第二預設點、第三預設點分別在所述第一水平剖面圖的第一投影點、第二投影點的位置，并測量所述股骨頭中心點、所述第一投影點、第二投影點兩兩之間的距離；獲取通過所述股骨的髁間窩的第二水平剖面到所述參照面的距離，確定所述第二預設點、第三預設點分別在所述第二水平剖面圖上的第三投影點、第四投影點的位置，并測量所述股骨髁間窩中心點、所述第三投影點、所述第四投影點兩兩之間的距離；13)根據所述股骨頭中心點、所述第一投影點、第二投影點兩兩之間的距離獲取所述股骨頭中心點的坐標；根據所述股骨髁間窩中心點、所述第三投影點、所述第四投影點兩兩之間的距離獲取所述股骨髁間窩中心點的坐標；獲取所述股骨頭中心點與所述股骨髁間窩中心點的第一連線。優選地，所述步驟12)中還包括獲取通過距骨頂點中心的第三水平剖面本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，它由體外標志物、機器人本體、手術臺、移動單元、操控臺、探針、三維重建軟件及編程控制軟件、刀具等組成；其特征在于：術前在手術目標骨骼體外放置標志物和其“綁定”進行影像學檢查，數據資料傳輸并儲存于計算機；術中機器人探測并記錄體外標志物對應的骨骼表面多點的坐標，與上述儲存的數據資料進行比對后，在機器人的坐標系中自動生成體外標志物上的點、線或面的坐標，再以這些點、線或面等作為基準，引導或控制機器人進行精確手術。

【技術特征摘要】
1.一種基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，它由體外標志物、機器人本體、手術臺、移動單元、操控臺、探針、三維重建軟件及編程控制軟件、刀具等組成；其特征在于術前在手術目標骨骼體外放置標志物和其“綁定”進行影像學檢查，數據資料傳輸并儲存于計算機；術中機器人探測并記錄體外標志物對應的骨骼表面多點的坐標，與上述儲存的數據資料進行比對后，在機器人的坐標系中自動生成體外標志物上的點、線或面的坐標，再以這些點、線或面等作為基準，弓I導或控制機器人進行精確手術。2.根據權利要求I所述的基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，其特征在于體外標志物可用多種材料之制成，可呈矩形或其他任何形狀，其上的點、線或面等均可作為骨骼手術參照基準。3.根據權利要求I所述的基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，其特征在于以體外標志物上的點、線或面等作為骨骼手術參照基準的各種編程控制軟件。4.根據權利要求I所述的基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，其特征在 于，所述骨骼基準確定方法包括步驟 11)將體外標志物與目標骨骼作為整體進行CT掃描并三維重建，確定影像坐標系； 12)確定所述體外標志物上的點或線或面為參照物，獲取所述參照物在影像坐標系中的坐標，并獲取所述目標骨骼的基準點與所述參照物的相對位置； 13)根據所述相對位置獲取所述基準點在影像坐標系中的坐標，以便在手術時將手術機器人坐標系與所述影像坐標系配準，并以所述基準點的坐標引導手術機器人進行手術。5.根據權利要求4所述的基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，其特征在于，所述目標骨骼為寰椎，所述基準確定方法的各個步驟具體為 11)將所述體外標志物、所述寰椎和與所述寰椎相鄰的樞椎作為整體進行CT掃描并三維重建，確定影像坐標系； 12)確定所述寰椎、所述樞椎的內外等分剖面在所述體外標志物表面的投影為參照線，獲取所述參照線在所述影像坐標系中的坐標；獲取所述樞椎左、右椎弓根置入點連線的中點的坐標，以及該點到所述參照線的第一高度，獲取所述寰椎、所述樞椎的寰樞關節中心點到所述參照線的第二高度，并測量所述樞椎左、右椎弓根置入點連線的中點與所述寰樞關節中心點的水平距離； 13)根據所述第一高度與所述第二高度的差值，以及所述水平距離獲取所述寰樞關節中心點在所述影像坐標系中的坐標。6.根據權利要求5所述的基于體外標志物的手術機器人骨骼基準確定方法，其特征在于，所述步驟13)后還包括 14)將所述手術機器人的機器手以所述寰樞關節中心點為圓心，以大于所述寰樞關節中心點至寰椎左椎弓根置入點、寰椎右椎弓根置入點的距離，且小于所述寰樞關節中心點至所述寰椎左邊緣點、所述寰椎右邊緣點的距離為半徑轉...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張春霖，
申請(專利權)人：張春霖，
類型：發明
國別省市：