專利名稱:基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)定位方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于并聯(lián)機器人在外科手術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用,具體涉及一種基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助頸椎間盤置換手術(shù)定位方法。
背景技術(shù):
人工頸椎間盤置換術(shù)與常規(guī)頸椎前路減壓融合手術(shù)相比,在治療頸椎病方面具有明顯優(yōu)勢,患者恢復快,早期可以實現(xiàn)頸部活動,頸部僵直感少。盡管如此,人工頸椎間盤置換術(shù)開展的并不廣泛,這主要是由于其手術(shù)復雜、操作困難,一般的醫(yī)生難以掌握,而且手術(shù)精度不高,影響手術(shù)效果,手術(shù)并發(fā)癥高。人工頸椎間盤置換手術(shù)中的最大難點是需要在正確的位置磨削出與假體吻合的骨關(guān)節(jié)面,保證假體和人骨的配合,治療效果嚴重依賴于手術(shù)的精度。傳統(tǒng)的機械定位精度主要依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗,這無疑增加了手術(shù)的不確定性, 影響了假體的安裝精度。為了提高手術(shù)定位精度,醫(yī)生經(jīng)常需要使用X光機反復觀察,受射線輻射嚴重。即使這樣,就算是技術(shù)高超的脊柱外科醫(yī)生,進行人工頸椎間盤置換術(shù)也難以保證每次手術(shù)都獲得令人滿意的結(jié)果,尤其是對于重癥患者,手術(shù)難度更大。上述精度不足、輻射過多操作疲勞等問題成為人工頸椎間盤置換手術(shù)領(lǐng)域迫切需要解決的問題。近年來,隨著機器人、醫(yī)學影像、生物力學以及材料等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,醫(yī)療機器人已經(jīng)成為機器人發(fā)展的重要方向,成為提高醫(yī)療技能的一種重要手段,也為解決上述人工頸椎間盤置換手術(shù)中的問題帶來了契機。引入機器人輔助進行脊柱外科手術(shù),能滿足脊柱外科醫(yī)生一系列迫切需要解決的問題,提高了手術(shù)的精確性與安全性,為開展新型手術(shù)術(shù)式提供了有力的支持。在機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)中,磨鉆與患者間的定位是保證手術(shù)順利完成并滿足手術(shù)精度要求的關(guān)鍵一環(huán),同時也是解決醫(yī)生受輻射過多等問題的關(guān)鍵步驟,目前國內(nèi)尚無該方面發(fā)明的報導。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)定位方法,以實現(xiàn)手術(shù)磨鉆對患者病患處的定位,從而保證實際手術(shù)磨鉆與患者的位姿關(guān)系符合虛擬環(huán)境中由醫(yī)生確定的虛擬磨鉆與患者模型的位姿關(guān)系。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明所述的基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)定位方法是基于光學定位系統(tǒng)、并聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人磨鉆和計算機來實現(xiàn)的,所述光學定位系統(tǒng)包含有兩個反光件和一個光學定位儀和一個探針,所述的并聯(lián)機器人、光學定位儀與計算機相連,并聯(lián)機器人磨鉆的鉆柄上安裝有一個反光件;所述方法的具體過程為步驟A、利用三維重建軟件由所述計算機完成對患者病灶處的頸椎骨CT圖像的三維重建,得到病患處頸椎骨的三維模型,同時用solidworks軟件對磨鉆進行建模,并將磨鉆模型導入頸椎骨三維模型的圖像空間內(nèi);步驟B、采用三點對刀方法,由醫(yī)生在虛擬環(huán)境中設(shè)定術(shù)前磨鉆相對于頸椎骨的位 姿關(guān)系并設(shè)置磨鉆的進給方向;所述三點對刀方法具體步驟如下在圖像空間{V}中,P1,P2 和P3是頸椎骨矢狀面上不在一條直線上的三點,分別表示進刀路徑的起點,進刀路徑的終 點和確定刀具位姿的第三點,P” P2和P3三點確定ー個平面,以P1為刀具規(guī)劃坐標系KUk, yk, zk)的原點K,沿]pf方向為刀具規(guī)劃坐標系KUk,yk, zk)的ら方向,P3為刀具規(guī)劃坐標 系平面上位于yk軸正方向ー側(cè)的ー個點,該點用來確定yk軸的方向,刀具規(guī)劃坐標系 &軸則由向量^f向到向量^f的向量積來確定,則刀具規(guī)劃坐標系KUk,yk,zk)相對于圖 像空間IV}的配準變換矩陣vTk的表達式為
權(quán)利要求
1. 一種基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)定位方法,所述定位方法是基于光學定位系統(tǒng)、并聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人磨鉆(5)和計算機來實現(xiàn)的,所述光學定位系統(tǒng)包含有兩個反光件(4)和一個光學定位儀(1)和一個探針,所述的并聯(lián)機器人、光學定位儀與計算機相連,并聯(lián)機器人磨鉆(5)的鉆柄上安裝有一個反光件;其特征在于 所述方法的具體過程為步驟A、利用三維重建軟件由所述計算機完成對患者病灶處的頸椎骨CT圖像的三維重建,得到病患處頸椎骨的三維模型,同時用solidworks軟件對磨鉆進行建模,并將磨鉆模型導入頸椎骨三維模型的圖像空間內(nèi);步驟B、采用三點對刀方法,由醫(yī)生在虛擬環(huán)境中設(shè)定術(shù)前磨鉆相對于頸椎骨的位姿關(guān)系并設(shè)置磨鉆的進給方向;所述三點對刀方法具體步驟如下在圖像空間IV}中,Pp P2和 P3是頸椎骨矢狀面上不在一條直線上的三點,分別表示進刀路徑的起點,進刀路徑的終點和確定刀具位姿的第三點,P1I2和P3三點確定一個平面,以P1為刀具規(guī)劃坐標系K(xk,yk, zk)的原點K,沿]pf方向為刀具規(guī)劃坐標系K(xk,yk, zk)的、方向,P3為刀具規(guī)劃坐標系 YkKzk平面上位于yk軸正方向一側(cè)的一個點,該點用來確定yk軸的方向,刀具規(guī)劃坐標系& 軸則由向量^Pf向到向量^Pf的向量積來確定,則刀具規(guī)劃坐標系K(xk,yk,zk)相對于圖像空間{V}的配準變換矩陣vTk的表達式為
全文摘要
基于圖像導航的并聯(lián)機器人輔助人工頸椎間盤置換手術(shù)定位方法,它屬于并聯(lián)機器人在外科手術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用,為了保證實際手術(shù)磨鉆與患者的位姿關(guān)系符合虛擬環(huán)境中由醫(yī)生確定的虛擬磨鉆與患者模型的位姿關(guān)系。技術(shù)要點利用VTK軟件包對CT圖像進行三維重建,得到患者病患處頸椎骨的三維模型。在圖像空間中導入虛擬磨鉆,然后由醫(yī)生在計算機上完成虛擬定位。利用光學定位系統(tǒng)及ICP算法,建立“圖像-患者-機器人”三者之間的位置和姿態(tài)映射關(guān)系??刂撇⒙?lián)機器人運動,最終完成并聯(lián)機器人磨鉆與患者的定位。
文檔編號A61B17/56GK102429726SQ201110221070
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月3日
發(fā)明者吳冬梅, 杜志江, 王偉東, 趙俊 申請人:哈爾濱工業(yè)大學