[发明专利]一种手术定位装置、定位系统及定位方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种手术定位装置、定位系统及定位方法，属于手术定位技术领域。

背景技术

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：机器人的定位更为准确、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。

随着科技的发展，术中螺旋CT机开始在医院普及，相比锥形束CT(Cone beam CT)机等其它术中三维影像设备而言，其成像范围大且清晰度高，特别适合配合机器人开展高精度定位手术。对于导航机器人类设备必须建立CT图像、患者自身及机器人定位系统三者的相互关系。用于图像配准的CT识别标尺，一般情况下由机械臂把持并摆放在患者CT扫描部位附近。其中，CT识别标尺的作用是在CT图像中形成特定的标记点分布，根据标记点的分布可实现空间定位计算，确定机器人CT图像患者自身的关系，从而确定手术路径。但术中螺旋CT机多采用患者固定扫描器移动的方式。扫描器体积较大移动时需要很大的空间，机器人进入移动区域就有可能造成碰撞的危险。从安全应用的角度上需要去除独立的CT识别标尺，使机械臂在CT扫描时可以远离患者、远离可能碰撞的区域，但若去除CT识别标尺，对机器人手术路径的规划则无法实现。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够适用于螺旋CT机并且占用空间极小的手术定位装置，以及基于该手术定位装置的定位系统及定位方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种手术定位装置，其特征在于：它包括一支架，在所述支架上设置有三个以上的用于反射红外光的反光球以及四个以上不透X光的定位点。

任意两个所述反光球之间的距离均大于50mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述反光球成75°以下的夹角。

所述定位点分成两个组，每个组包含三个以上的定位点，每个组内的定位点在所 述支架上的分布满足下述条件：任意两个定位点之间的距离均大于20mm且各距离之间的差值大于5mm；至少有三个所述定位点成75°以下的夹角。

一种手术定位系统，其特征在于：它包括一手术机器人、一上位机、一光学跟踪器、一机器人示踪器、一三维成像设备以及手术定位装置；所述手术机器人为一具有至少三个平移自由度和三个旋转自由度的机械臂；所述上位机与所述手术机器人电连接，用于对所述手术机器人的运动进行控制；在所述手术机器人的末端安装所述机器人示踪器；所述手术定位装置固定在患者身上；所述三维成像设备用于对所述手术定位装置进行扫描从而形成含有定位点的三维图像，并由所述上位机对所述图像中的定位点与所述手术定位装置上的定位点进行对应识别；所述光学跟踪器用于对所述机器人示踪器和所述手术定位装置进行跟踪，并将位置数据传输给所述上位机。

所述三维成像设备为螺旋CT机或C型及O型锥形束CT机。

一种定位方法，包括以下步骤：1)将固定在患者身上的手术定位装置放置在三维成像设备的成像视野内进行扫描，三维成像设备获取手术定位装置上的定位点的图像，并传输给上位机；在对手术定位装置进行三维扫描的同时，光学跟踪器获取机器人示踪器和手术定位装置的坐标并传输给上位机；2)上位机对图像中的定位点与预先设置的定位点几何特征循环进行比较，实现手术定位装置中的定位点与图像中的定位点的对应识别；3)上位机通过机器人示踪器坐标向量与手术定位装置坐标向量之间的旋转矩阵与平移向量，计算出患者、图像、手术机器人在手术定位装置所在坐标系下的变换关系，并选择患者坐标系、机器人坐标系、机器人基座坐标系和图像坐标系之一作为世界坐标系，将患者、图像和手术机器人统一到世界坐标系的变换关系作为图像注册的输出结果。