CN113017834B - 一种关节置换手术导航装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种关节置换手术导航装置及方法，涉及医疗设备技术领域。关节置换手术导航装置包括光学阵列组件、视觉追踪机构和手持式关节置换手术机器人；所述光学阵列组件包括安装杆和多个光学标记物，所述多个光学标记物固定安装在所述安装杆上；所述视觉追踪机构包括用于获取所述光学标记物在现实三维空间中的自由度位姿信息；所述手持式关节置换手术机器人包括骨钻、磨削杆和磨削头，所述磨削杆的一端与所述骨钻固定安装，所述磨削头安装在所述磨削杆的另一端，所述光学阵列组件的安装杆固定安装在所述磨削杆上。该关节置换手术导航装置可以实现提升手术效率的技术效果。

Description

一种关节置换手术导航装置及方法

技术领域

本申请涉及医疗设备技术领域，具体而言，涉及一种关节置换手术导航装置及方法。

背景技术

目前，手术的精准性、微创性和智能安全性是外科医师的追求目标。随着计算机辅助手术(CAS，Computer Aided Surgery)、计算机辅助微创手术(CAMIS，Computer AidedMinimally Invasive Surgery)、计算机辅助导航骨科手术(CAOS，Computer AidedOrthopedics Surgery)等的发展，以及这些技术与多学科的紧密结合，手术导航机器人成为未来外科手术的主要发展方向之一。手术导航机器人涉及自动化、人工智能、电子信息、医学图像处理等技术，将外科手术学与计算机软件、工程机械紧密整合，延伸外科医师的视觉、触觉范围，提高手术操作的精准性、安全性和可重复性，辅助以使完成一些既往不可能完成的高风险复杂手术，有效减少手术创伤。

现有技术中，随着科学技术的发展，手术导航机器人已经在临床中普遍使用，它在定位的精准度和运动的稳定性等方面远优于普通的人工手术。目前关节置换手术机器人装置多基于机械臂设备，而机械臂设备来源于工业，占地面积大，由于手术室通常放置了较多其他中型或大型医疗设备，同时需要若干名医务人员在现场，对机械臂的工作空间及安全性要求极高。此外，基于机械臂的机器人装置安装使用较为复杂，不方便在手术室间移动，不利于提升手术室的使用效率的提升。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种关节置换手术导航装置及方法，可以实现提升手术效率的技术效果。

第一方面，本申请实施例提供了一种关节置换手术导航装置，包括光学阵列组件、视觉追踪机构和手持式关节置换手术机器人；

所述光学阵列组件包括安装杆和多个光学标记物，所述多个光学标记物固定安装在所述安装杆上；

所述视觉追踪机构包括用于获取所述光学标记物在现实三维空间中的自由度位姿信息；

所述手持式关节置换手术机器人包括骨钻、磨削杆和磨削头，所述磨削杆的一端与所述骨钻固定安装，所述磨削头安装在所述磨削杆的另一端，所述光学阵列组件的安装杆固定安装在所述磨削杆上。

在上述实现过程中，该关节置换手术导航装置通过光学阵列组件和视觉追踪机构能够将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，通过手持式关节置换手术机器人进行关节置换手术的操作，并在手术中通过视觉追踪机构实时跟踪手持式关节置换手术机器人，实现手持式关节置换手术机器人相对于病人影像的虚拟位置和实际位置的实时对应；从而，该关节置换手术导航装置可以使外科手术更直观、更精确、更安全，同时该装置便携程度高，操作简单，利于节约术前准备及术中操作时间，实现提升手术效率的技术效果。

进一步地，所述手持式关节置换手术机器人还包括弹簧上盖和弹簧底座，所述弹簧底座安装在所述磨削杆的另一端，所述弹簧上盖安装在所述弹簧底座上。

在上述实现过程中，弹簧上盖和弹簧底座组成手持式关节置换手术机器人的弹性组件。

进一步地，所述手持式关节置换手术机器人还包括夹头，所述夹头安装在所述弹簧上盖和所述磨削头之间，所述夹头的一端固定连接所述弹簧上盖，所述夹头的另一端禁锢所述磨削头。

在上述实现过程中，夹头是用来禁锢磨削头的一种筒形的夹具。

进一步地，所述手持式关节置换手术机器人还包括前端导向套，所述前端导向套套接在所述磨削杆上。

在上述实现过程中，前端导向套套接在磨削杆上，实现手持式关节置换手术机器人的导向作用。

进一步地，所述光学阵列组件的安装杆安装在所述前端导向套和所述骨钻之间。

在上述实现过程中，光学阵列组件中的光学标记物设置在磨削杆的上部，靠近骨钻的位置，避免了骨钻在工作过程中，因为骨钻发生的抖动引起光学标记物的移动，避免导致的定位追踪不精准，从而提高定位的精准性。

进一步地，所述骨钻设置有持握手柄。

在上述实现过程中，骨钻的持握手柄方便使用人员手持。

进一步地，所述装置还包括显示器，所述显示器与所述视觉追踪机构电连接。

在上述实现过程中，视觉追踪机构采集到的光学阵列组件中的光学标记物的位置信息，并将位置信息发送至显示器，从而通过显示器实时显示手持式关节置换手术机器人的末端结构(磨挫装置或敲击装置)相对于患者的空间位置。

进一步地，所述视觉追踪机构为双目视觉图像定位机构。

在上述实现过程中，双目视觉图像定位机构具有两个摄像头，可以有效解决单摄像头视野有限的问题，同时具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点。

第二方面，本申请实施例提供了一种关节置换手术导航方法，应用于第一方面任一项所述的关节置换手术导航装置，包括：

根据患者手术部位的CT图像，建立关节3D模型和患者骨骼参考坐标系；

根据关节3D模型和患者骨骼参考坐标系进行术前虚拟手术规划；

进行关节置换手术导航装置的配准，以使所述关节置换手术导航装置的坐标系与所述患者骨骼参考坐标系统一；

根据所述术前虚拟手术规划和所述关节置换手术导航装置的导航操作手持式关节置换手术机器人，提示磨削头或假体的角度信息及深度信息。

进一步地，所述根据关节3D模型和患者骨骼参考坐标系进行术前虚拟手术规划的步骤，包括：

计算术前双侧腿长差值及偏距差值；

生成假体3D虚拟模型，所述假体3D虚拟模型用于调整假体在所述3D关节模型中的位置和角度，以规划所述假体在关节中的预设位置与角度；

根据所述假体3D虚拟模型和所述3D关节模型，计算所述假体规划后的双侧腿长差值及偏距差值。

本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的关节置换手术导航装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的手持式关节置换手术机器人的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的关节置换手术导航方法的流程示意图；

图4为本申请实施例提供的术前虚拟手术规划的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本申请实施例提供了一种关节置换手术导航装置及方法，可以应用于关节置换手术中，例如髋臼的磨挫及假体的安放；该关节置换手术导航装置通过光学阵列组件和视觉追踪机构能够将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，通过手持式关节置换手术机器人进行关节置换手术的操作，并在手术中通过视觉追踪机构实时跟踪手持式关节置换手术机器人，实现手持式关节置换手术机器人相对于病人影像的虚拟位置和实际位置的实时对应；从而，该关节置换手术导航装置可以使外科手术更直观、更精确、更安全，同时该装置便携程度高，操作简单，利于节约术前准备及术中操作时间，实现提升手术效率的技术效果。

请参见图1和图2，图1为本申请实施例提供的关节置换手术导航装置的结构示意图，图2为本申请实施例提供的手持式关节置换手术机器人的结构示意图，该关节置换手术导航装置包括光学阵列组件100、视觉追踪机构200和手持式关节置换手术机器人300，以及显示器400、患者骨性结构500。

示例性地，光学阵列组件100包括安装杆和多个光学标记物，多个光学标记物固定安装在安装杆上。

示例性地，光学阵列组件100上的光学标记物通过特定的视觉追踪系统可实现物体的追踪和定位；可选地，光学阵列组件100分别安装于手持式关节置换手术机器人300、探针、患者骨性结构500上，分别实现手持式关节置换手术机器人300、探针、患者骨性结构500的追踪和定位。

示例性地，视觉追踪机构200包括用于获取光学标记物在现实三维空间中的自由度位姿信息。

示例性地，视觉跟踪是指对图像序列中的运动目标进行检测、提取、识别和跟踪，获得运动目标的运动参数，如位置、速度、加速度和运动轨迹等，从而进行下一步的处理与分析，实现对运动目标的行为理解，以完成更高一级的检测任务。

示例性地，在视频跟踪的过程中，根据使用的摄像头的数目，可将目标跟踪方法分为单摄像头跟踪方法(Monocular camera)与多摄像头跟踪方法(Multiple cameras)。由于单摄像头视野有限，大范围场景下的目标跟踪需要使用多摄像头系统。基于多个摄像头的跟踪方法有利于解决遮挡问题，场景混乱、环境光照突变情况下的目标跟踪问题。

可选地，视觉追踪机构200为双目视觉图像定位机构。

示例性地，双目视觉图像定位机构具有两个摄像头，可以有效解决单摄像头视野有限的问题，同时具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点。

示例性地，手持式关节置换手术机器人300包括骨钻310、磨削杆320和磨削头330，磨削杆320的一端与骨钻310固定安装，磨削头330安装在磨削杆320的另一端，光学阵列组件100的安装杆固定安装在磨削杆320上。

示例性地，磨削杆320由骨钻310进行驱动，磨削头330安装在磨削杆320的末端，由磨削头330对患者目标部位(如髋臼等)进行磨挫。

在一些实施方式中，该关节置换手术导航装置通过光学阵列组件100和视觉追踪机构200能够将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，通过手持式关节置换手术机器人300进行关节置换手术的操作，并在手术中通过视觉追踪机构200实时跟踪手持式关节置换手术机器人300，实现手持式关节置换手术机器人300相对于病人影像的虚拟位置和实际位置的实时对应；从而，该关节置换手术导航装置可以使外科手术更直观、更精确、更安全，同时该装置便携程度高，操作简单，利于节约术前准备及术中操作时间，实现提升手术效率的技术效果。

示例性地，手持式关节置换手术机器人300还包括弹簧上盖340和弹簧底座350，弹簧底座350安装在磨削杆320的另一端，弹簧上盖340安装在弹簧底座350上。

示例性地，弹簧上盖340和弹簧底座350组成手持式关节置换手术机器人300的弹性组件。

示例性地，手持式关节置换手术机器人300还包括夹头360，夹头360安装在弹簧上盖340和磨削头330之间，夹头360的一端固定连接弹簧上盖340，夹头360的另一端禁锢磨削头330。

示例性地，夹头360是用来禁锢磨削头330的一种筒形的夹具。

示例性地，夹头又可称为弹性夹头或者是筒夹，是一种用来装置在铣床上的一种用来禁锢钻头或者是铣刀的一种筒形的夹具；也可以是一种用来固定加固需要改造的零件的一种固定装置。

示例性地，手持式关节置换手术机器人300还包括前端导向套370，前端导向套370套接在磨削杆320上。

示例性地，前端导向套370套接在磨削杆320上，实现手持式关节置换手术机器人300的导向作用。

示例性地，光学阵列组件100的安装杆安装在前端导向套370和骨钻310之间。

示例性地，光学阵列组件100中的光学标记物设置在磨削杆320的上部，靠近骨钻310的位置，避免了骨钻310在工作过程中，因为骨钻310发生的抖动引起光学标记物的移动，避免导致的定位追踪不精准，从而提高定位的精准性。

示例性地，骨钻310设置有持握手柄。

示例性地，骨钻310的持握手柄方便使用人员手持。

示例性地，该关节置换手术导航装置还包括显示器400，显示器400与视觉追踪机构200电连接。

示例性地，视觉追踪机构200采集到的光学阵列组件100中的光学标记物的位置信息，并将位置信息发送至显示器400，从而通过显示器400实时显示手持式关节置换手术机器人300的末端结构(磨挫装置或敲击装置)相对于患者的空间位置。

可选地，该关节置换手术导航装置还包括计算机410，计算机分别与视觉追踪机构200、显示器400电连接，通过接收视觉追踪机构200的数据并进行处理，然后将图像数据输出至显示器进行显示。

请参见图3，图3为本申请实施例提供的关节置换手术导航方法的流程示意图，该关节置换手术导航方法包括如下步骤：

S100：根据患者手术部位的CT图像，建立关节3D模型和患者骨骼参考坐标系。

示例性地，S100中根据患者手术部位的CT图像，建立关节3D模型，可进行关键解剖特征标注，并建立患者骨骼参考坐标系。

S200：根据关节3D模型和患者骨骼参考坐标系进行术前虚拟手术规划。

示例性地，关节3D模型和患者骨骼参考坐标系可辅助医生进行术前虚拟手术规划。

S300：进行关节置换手术导航装置的配准，以使关节置换手术导航装置的坐标系与患者骨骼参考坐标系统一。

在一些实施方式中，可分别进行关节置换手术导航装置的配准及患者目标部位(如髋臼等)配准。将导航、患者与世界的坐标统一；可选地，以髋臼的配准为例，髋臼的配准通过带有光学标识的探针依次选取髋臼窝内若干点的来完成。

S400：根据术前虚拟手术规划和关节置换手术导航装置的导航操作手持式关节置换手术机器人，提示磨削头或假体的角度信息及深度信息。

示例性地，以髋关节的关节置换手术为例，手持式关节置换手术机器人的末端安装由磨挫杆或敲击杆，医生持握手持式关节置换手术机器人进行髋臼的磨挫及假体的安放，通过对应的软件可实时提示磨挫头或假体的角度信息及深度值。

在一些实施方式中，关节置换手术导航方法对应一个关节置换手术导航系统，该关节置换手术导航系统包括图像预处理模块、手术规划模块、手术配准模块、定位导航模块；关节置换手术导航方法中的各个步骤如S100、S200、S300、S400分别由对应的图像预处理模块、手术规划模块、手术配准模块、定位导航模块完成。

本申请实施例提供的关节置换手术导航装置，可以为外科医生提供了实时互动式指导，指导外科医生如何按照计划切割骨骼以适应植入物。在关节置换手术导航方法中，该过程涉及在3D中跟踪器械和骨骼，可以向用户提供视觉和音频提示，和/或对切割器械的某些控制。可选地，关节置换手术导航装置可包括导航、指导、手术辅助、结果评估等模块。

在一些实施方式中，关节置换手术导航装置还包括手术笔；通过手术笔外科医生可以直接在骨骼上绘制每个切口的起点。该系统提供视觉指导，以便在所需位置精确地绘制标记。可选地，导航笔的其他更智能的版本(例如“智能导航笔”和“智能导航打印机”等)是可以开发并用作替代选项的选项，这些智能版本可实现禁止在错误的位置绘制，从而实现更好的导航效果。

请参见图4，图4为本申请提供的术前虚拟手术规划的流程示意图。

示例性地，在S200：根据关节3D模型和患者骨骼参考坐标系进行术前虚拟手术规划的步骤中，包括：

S210：计算术前双侧腿长差值及偏距差值；

S220：生成假体3D虚拟模型，假体3D虚拟模型用于调整假体在3D关节模型中的位置和角度，以规划假体在关节中的预设位置与角度；

S230：根据假体3D虚拟模型和3D关节模型，计算假体规划后的双侧腿长差值及偏距差值。

示例性地，在S210中，计算术前双侧腿长差值及偏距差值后还可以对其进行显示或声频播报，给医生提供术前患者实际情况，以便医生进行手术计划。可选地，在计算时，腿长的计算以股骨机械轴对齐的前提下，从ASIS轴到股骨小转子的距离；偏距为股骨干轴垂直对齐的前提下，从中轴到股骨干轴线的距离。

示例性地，生成假体3D虚拟模型，可规划假体在关节中的理想位置与角度，具有实时数据显示，医生可根据该数值来调整假体在3D关节模型中的位置和角度，可以完成假体理想位置的规划。

在一些实施方式中，3D关节模型包括CT三维数据；规划假体在关节中的预设位置与角度的具体算法如下：在CT三维数据中，计算人体骨盆轴线(AA轴)与冠状面的夹角，该夹角为前倾角。计算人体骨盆轴线(AA轴)在冠状面上的投影与人体纵轴的夹角，该角为外展角。

示例性地，在S230中，计算假体规划后的双侧腿长差值及偏距差值，并对其进行显示或声频播报，可用于预测规划后的手术效果。

在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。

应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种关节置换手术导航装置，其特征在于，包括光学阵列组件、视觉追踪机构和手持式关节置换手术机器人；

所述光学阵列组件包括安装杆和多个光学标记物，所述多个光学标记物固定安装在所述安装杆上；

所述视觉追踪机构包括用于获取所述光学标记物在现实三维空间中的自由度位姿信息；

所述手持式关节置换手术机器人包括骨钻、磨削杆和磨削头，所述磨削杆的一端与所述骨钻固定安装，所述磨削头安装在所述磨削杆的另一端，所述光学阵列组件的安装杆固定安装在所述磨削杆上；

所述手持式关节置换手术机器人还包括弹簧上盖和弹簧底座，所述弹簧底座安装在所述磨削杆的另一端，所述弹簧上盖安装在所述弹簧底座上；

所述手持式关节置换手术机器人还包括夹头，所述夹头安装在所述弹簧上盖和所述磨削头之间，所述夹头的一端固定连接所述弹簧上盖，所述夹头的另一端禁锢所述磨削头；

所述手持式关节置换手术机器人还包括前端导向套，所述前端导向套套接在所述磨削杆上；

所述光学阵列组件的安装杆安装在所述前端导向套和所述骨钻之间。

2.根据权利要求1所述的关节置换手术导航装置，其特征在于，所述骨钻设置有持握手柄。

3.根据权利要求1所述的关节置换手术导航装置，其特征在于，所述装置还包括显示器，所述显示器与所述视觉追踪机构电连接。

4.根据权利要求1所述的关节置换手术导航装置，其特征在于，所述视觉追踪机构为双目视觉图像定位机构。