[发明专利]一种手术定位装置和方法以及机器人手术系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种手术定位技术，特别是一种用于骨科手术的手术定位装置、手术定位方法以及采用本发明手术定位装置的机器人手术系统。

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。利用手术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：手术机器人的定位更为准确、其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。

在各种骨科导航手术中，空间定位是其核心的技术之一。如专利号为200910237998.6，发明名称为骨科机器人导航装置及定位系统的专利是通过直杆型导向装置卡接在两个万向节上连同一对串联机械臂共同构成四自由度双平面定位机构，该直杆型导向装置最终能够实现四个自由度的运动，利用针对特定类型骨科手术的特定的定位部件进行X线透视成像和手术路径规划计算，实现直杆型导向装置的定位。此定位系统能够实现手术路径在空间上的准确定位，但适应症单一，在具体使用中针对每个适应症需要使用不同定位部件来完成手术定位。现有技术通常是在X光光源和X光成像装置之间设置定位部件，该定位部件通常是单独设置或者设置在机器人的底座上。在手术时，通过X光光源从正位和侧位两个角度照射病人患处，在X光成像装置上形成图像，配合具有标记点的定位部件实现空间定位计算，最终确定手术路径。现有定位部件需要保证X光光轴与标记点所在平面垂直，但是在正位和侧位透视时并不能保证X光光轴与定位部件所在平面垂直，故会使得计算出的手术路径存在一定偏差。而且在使用定位部件进行正位和侧位透视时要求定位标尺不能移动，造成由于定位标尺在其中一个透视方向位置不合理需要调整位置时必须重新进行另一个方向的透视，采集图像位置不便也会造成透视次数增加，这就增加了X光辐射损伤，延长了手术时间。进一步讲，现有的特定的定位部件构型限制了手术中C型臂透视角度，且定位系统的工作空间小，机械臂行程短，手术摆位难度高，故现有的定位部件的使用范围受到极大的限制；而且现有的定位部件通常利用螺纹接口安装，拆卸麻烦，且不易保证是否安装到位，需要仔细检查确认。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新型的手术定位装置，该装置通过串联机械臂与特定结构的定位标尺配合，实现任意角度的透视定位，并能消除计算手术路径时引起的系统误差，增大工作空间，提高手术定位精度，从而更好地满足手术的需求。本发明还涉及一种手术定位方法以及采用上述手术定位装置的机器人手术系统。

本发明的技术方案如下：

一种手术定位装置，其特征在于，包括定位标尺、上位机和至少六自由度的串联机械臂，所述上位机与串联机械臂连接，所述定位标尺包括透X光的两相对面，所述两相对面通过透X光的连接面固定连接，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括至少四个不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；所述任一相对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺柄通过接口与串联机械臂末端连接；所述上位机通过控制串联机械臂的运动来调整定位标尺的位置以进行透射角度的变换，并根据采集的图像中的标记点进行空间定位计算，得到规划路径。

还包括在串联机械臂上设置的第一位置监测装置以及用于跟踪病人患处的第二位置监测装置，所述上位机分别与第一位置监测装置和第二位置监测装置连接；所述上位机根据在不同透视角度下的图像计算处理得到规划路径并根据串联机械臂的绝对坐标、第一位置监测装置得到的串联机械臂的位置数据以及第二位置监测装置得到的病人患处的位置数据进行计算处理得到病人患处的位移变化，并根据位移补偿结果重新定位串联机械臂的规划路径。

所述第一位置监测装置包括机械臂示踪器和光学导航系统，所述第二位置监测装置包括病人示踪器和光学导航系统；所述上位机记录病人患处在世界坐标系下的初始位置数据和机械臂示踪器在世界坐标系中的坐标，并在不同角度透视完成后根据机械臂示踪器在世界坐标系和光学导航系统坐标系的坐标计算此时两坐标系之间的转换关系，再根据所述转换关系及病人患处在光学导航系统坐标系中的坐标计算得到病人患处在世界坐标系下的最新位置数据，得到病人患处的位移变化。