[发明专利]全数字化全膝关节置换手术机器人系统及其模拟手术方法

说明书

本发明涉及全数字化全膝关节置换手术机器人系统及其工作方法，所述系统包括控制计算机、机器人，所述机器人上安装末端执行器，所述末端执行器根据机器人的指令进行动作，所述控制计算机控制机器人的动作；还包括结构光导航仪、动态基准、固定装置；所述结构光导航仪安装在手术床的附近，所述固定装置安装在手术床上，所述固定装置上安装动态基准，所述结构光导航仪能够捕捉动态基准的运动轨迹。

技术领域

本发明涉及一种用于全膝关节置换手术的全数字化的手术机器人系统及其利用这个系统进行模拟手术的方法。

背景技术

随着世界人口老龄化，膝关节疾病的发生率呈逐年上升趋势。在国内，仅膝关节骨性关节炎的发病率就高达8.3％，其关节疼痛与功能障碍对病人生活质量影响不能低估。膝关节骨性关节炎病因复杂，其病理特征是关节软骨发生原发或继发性改变和由此而导致的关节软骨变性，软骨下骨质改变，骨板层骨质硬化，随后出现软骨下及边缘骨赘形成，继发关节滑膜炎、关节囊挛缩、关节间隙狭窄，引起关节功能障碍等症状。人工全膝关节置换(Total Knee Arthroplasty，以下简称TKA)是一种治疗膝关节疾病的新技术，能非常有效地根除重度膝关节病痛，极大地提高病人的生活质量。人工关节置换手术的主要影响因素包括三维立体空间上的准确截骨、韧带等软组织的平衡及稳定、假体安放的位置和角度，而全膝关节置换术对这些因素的要求尤其严格。传统手术通过机械导向装置进行髓内、外定位后截骨，手术者凭肉眼、手感和经验来判断截骨、假体位置和软组织的平衡情况，许多主观因素直接影响手术的精确性，甚至导致手术的失败。

由于医生的手术操作依赖于其经验，在长时间的手术后易疲劳，手术精准度相对较差，尤其是没有实战经验或者实战经验较少的医生或者学生需要进行手术训练和教学，但是在病人身上进行训练或者练习是很危险的事情，而且重复在病人身上进行手术练习也不现实。

发明内容

本发明提出了一种综合利用结构光扫描和/或动态追踪仪通过探针于骨表面滑动获得骨面的三维点云图像配准的骨科手术导航仪和机器人进行膝关节置换手术的新型装置，称为全数字化膝关节置换手术机器人系统，并利用此装置进行模拟手术操作，实现教学、训练的目的。实现上述目的的技术方案如下：

全数字化全膝关节置换手术机器人系统，包括控制计算机、机器人，所述机器人上安装末端执行器，所述末端执行器根据机器人的指令进行动作，所述控制计算机控制机器人的动作；还包括结构光导航仪、动态基准、固定装置；所述结构光导航仪安装在手术床的附近，所述固定装置安装在手术床上，所述固定装置或者膝关节上安装动态基准，所述结构光导航仪能够捕捉动态基准、末端执行器的运动轨迹；所述结构光导航仪上安装扫描仪，所述扫描仪用于捕捉患骨的三维数据。

使用的时候，(1)首先扫描患骨得到首次CT三维数字模型；

(2)在患骨、首次CT三维数字模型上分别选取特征点；

(3)基于选取的特征点在首次CT三维数字模型上确定患骨的力线；

(4)确定首次CT三维数字模型的坐标系；

(5)力线确定后，选取与首次CT三维数字模型匹配的虚拟膝关节假体，并以虚拟假体的截骨面生成机器人的手术运动规划路径；

(6)手术床的附近安装机器人，患者的腿部进行固定，患骨的膝关节上安装动态基准；

(7)在控制计算机上设置末端执行器坐标系(T-cos)、动态基准坐标系(P-cos)、结构光导航仪坐标系(C-cos)，形成原始坐标系；

(8)结构光导航仪扫描患骨形态，得到二次CT三维数字模型；确定二次CT三维数字模型的坐标系；

扫描动态基准的运动轨迹，确定动态基准的坐标系；

扫描末端执行器的运动轨迹，确定末端执行器的坐标系；