專利名稱：機器人導航骨科手術裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種醫療設備，是一種借助于機器人技術和計算機圖像處理技術來實現骨科導航手術的外科手術設備，具體地說是指一種機器人導航骨科手術裝置。
背景技術：
普通的骨科手術床，是專門針對某些骨科手術而設計的，針對性較強。其功能大都是調整患者的手術姿態，來方便醫生完成手術。普通手術床對醫生的外科手術沒有導航輔助作用，醫生在做手術時是通過經驗和常規的C型臂X光機檢查來修正自己的手術動作，進行骨科手術的。手術結果的好壞同醫生本人掌握的手術技巧及手術經驗有較大的直接關系，同時，由于手術過程中過多地使用了X光設備，大量的X光線的輻射也大大地傷害了醫生和患者的健康。
發明內容
本發明的目的之一是提出一種綜合利用機器人技術和計算機圖像處理技術來進行骨科手術的裝置。
本發明的目的之二是提供一種通過計算機及其軟件對機器人空間到圖像空間的映射、手術空間到圖像空間的映射變換的方法，根據醫學圖像處理結果對骨科手術的手術路徑進行規劃，對要進行手術的動作進行導航，虛擬地顯示醫生的手術動作，評估手術動作的偏差。
本發明的裝置減小了X光線對患者和醫生的傷害，提高了手術精度和效率，減小了手術創傷。該裝置按照較佳的運動軌跡運行到手術空間的規劃位置，借助醫療器械，進行鉆孔，擰入螺釘等器械，并在計算機控制下進行微動精細的前進后退運動，進行有關的髓內釘打入、固定手術。
本發明的機器人導航骨科手術裝置，包括計算機、C型臂X光機、手術床機構，還包括拉伸機構和導航機器人，以及醫學圖像處理軟件，拉伸機構安裝在手術床機構的右活動支撐的球座上，C型臂X光機和導航機器人隨手術床機構的位置擺放而移動，由C型臂X光機采集圖像，經采集卡輸送到計算機內進行醫學圖像軟件處理。
所述的手術床機構，床底架在同一側面平行伸出有兩個支臂，床支架安裝在床底架的框體上，床支架上端面安裝有上架，上架上安裝有床板，上架同床底架支臂平行水平面安裝有托板支撐軸，上架的其余面上有掛件，托板架安裝在托板和托板支撐軸上，橫擋安裝在托板上；床底架的底部有固定支撐和滾輪，床底架的一支臂活動連接右滑軌，右滑塊在右滑軌上滑動，支撐板固定在右滑軌上，滾輪安裝在支撐板的底面，右固定支撐安裝在右滑塊上，右固定支撐連接有右活動支撐，右固定支撐上有升降調節手柄，用于調節右活動支撐的升降，右活動支撐的端部安裝有一球座，球座的一端安裝有擺動球，拉伸裝置通過螺桿安裝在右活動支撐的擺動球上。
床底架的另一支臂活動連接左滑軌，左滑塊在左滑軌上滑動，支撐板固定在左滑軌上，滾輪安裝在支撐板的底面，左固定支撐安裝在左滑塊上，左固定支撐連接有左活動支撐，左固定支撐上有升降調節手柄，用于調節左活動支撐的升降，左活動支撐上端面安裝有左腳板架。
所述的拉伸機構，拉伸框通過左端蓋、右端蓋安裝在絲杠上，拉伸框內有蝸輪、蝸桿，絲杠的一端安裝在連接板上，連接板上安裝有拉力傳感器，連接板通過滑軸連接腳板。
所述的導航機器人，升降支撐架、固定支撐安裝在底座上，滾輪安裝在底座的底面，電機通過聯軸器連接在絲杠上，絲杠安裝在絲杠支撐上，絲杠支撐安裝在升降支撐架上，升降軸安裝在絲母連接件上，通過絲母在絲杠的運動實現上下升降，絲杠的一邊安裝有側板，側板上安裝有線性導軌，線性導軌通過連接件與升降軸的底部連接，升降支撐架上部的四個方向上安裝有四個調節滾輪，升降軸頂部安裝有可手控調節的旋轉軸，平行底板的滑塊安裝在升降軸頂部的旋轉板上，平行底板的滑塊通過絲杠與線性導軌與底板連接，平行底板內安裝有電機，電機的輸出軸通過聯軸器與絲杠的一端連接，平行底板通過轉臺連接小臂，小臂內安裝有電機，電機的輸出軸安裝在減速器的內孔上，減速器的輸出軸通過聯軸器與小臂軸連接，小臂通過小臂軸同手腕座連接，手腕軸通過軸承支撐在手腕座上，手腕軸的內部安裝有電機，電機的輸出軸同減速器的內孔連接，手腕座的端部有法蘭，連接件活動連接在法蘭上，標定器活動連接在連接件上。
本發明的機器人導航骨科手術床有以下優點(1)采用已有的C型臂X光機獲取圖像，降低了成本，提高了普及率，圖像的獲取方便、實時。可以在手術過程中實時采集，方便了手術，使手術更加精確，效率更高。
(2)在手術過程中采用的是實時圖像導航，所以在手術過程中醫生和患者可以避免X光的輻射。
(3)手術過程中，醫生在計算機上對手術方案進行規劃，并可以對規劃的結果進行虛擬演示，獲得最佳的手術方案。
(4)醫生得到的最佳手術方案用機器人來進行手術導航，可以精確地將醫生的規劃結果在手術空間表達出來，減小了由于醫生技術水平的高低等原因引起的手術誤差。
(5)機器人在根據手術方案對手術路徑導航后，可以在手術空間中充當醫生手術的平臺，可以減小因為醫生的人為因數引起的誤差。
圖1是本發明的整體結構示意圖。
圖2是本發明拉伸裝置的結構示意圖。
圖3是本發明導航機器人的平移裝置部分結構示意圖。
圖4是床支架、床底架的裝配圖。
圖5是床板、托板的裝配圖。
圖6是拉伸裝置、右支撐的裝配圖。
圖7是左支撐的裝配圖。
圖8是機器人升降支撐架的裝配圖。
圖9是機器人平移裝置的裝配圖。
圖10是機器人腕部的裝配圖。
圖11是醫學圖像軟件處理的流程框圖。
圖中1.手術床機構 2.拉伸機構3.導航機器人 4.連接件5.標定器101.床底架 102.床支架103.上架 104.固定支撐 105.滾輪106.掛件107.床板 108.海棉墊109.托板支撐軸110.托板架111.托板112.橫擋 113.右滑軌114.右滑塊 115.支撐板116.滾輪117.右固定支撐118.右活動支撐119.升降調節手柄120.球座121.擺動球122.左滑軌123.左滑塊 124.支撐板125.滾輪126.左固定支撐127.左活動支撐128.升降調節手柄129.連接板130.左腳板架201.拉伸框 202.絲母 203.絲杠 204.蝸輪205.蝸桿 206.左端蓋207.右端蓋 208.連接板209.拉力傳感器210.滑軸 211.右腳板架
301.底座302.固定支撐303.滾輪 304.升降支撐架305.電機306.聯軸器 307.絲杠308.絲母 309.絲母連接件310.絲杠支撐311.止動擋塊 312.側板 313.線性滑軌314.連接件 315.調節滾輪316.導向套317.升降軸 318.轉軸319.螺釘320.滑塊321.絲母322.絲杠 323.絲母連接件324.線性滑軌325.電機326.法蘭 327.聯軸器328.后絲杠支撐 329.平移底板 330.前絲杠支撐331.轉臺332.旋轉連接件 333.小臂 334.小臂蓋 335.電機336.法蘭337.減速器 338.輸出軸 339.聯軸器340.小臂支撐341.軸承342.小臂軸 343.防護罩 344.軸承蓋345.手腕座 346.手腕軸347.減速器 348.電機349.法蘭具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。
請參見附圖所示，本發明是一種機器人導航骨科手術裝置，由C型臂X光機(為常規手術用設備，圖中未表示出)、計算機設備以及存儲在計算機內的醫學圖像軟件、手術床機構1、拉伸機構2和導航機器人3組成，拉伸機構2安裝在手術床機構1的右活動支撐118的球座120上，C型臂X光機和導航機器人3隨手術床機構3的位置擺放而移動，由C型臂X光機采集圖像，經采集卡輸送到計算機內進行醫學圖像軟件處理。
手術床機構1，床底架101在同一側面平行伸出有兩個支臂，床支架102安裝在床底架101的框體上，床支架102上端面安裝有上架103，上架103上安裝有床板107，上架103同床底架101支臂平行水平面安裝有托板支撐軸109，上架103的其余面上有掛件106，托板架110安裝在托板111和托板支撐軸109上，橫擋112安裝在托板111上；床底架101的底部有固定支撐104和滾輪105，床底架101的一支臂活動連接右滑軌113，右滑塊114在右滑軌113上滑動，支撐板115固定在右滑軌113上，滾輪116安裝在支撐板115的底面，右固定支撐117安裝在右滑塊114上，右固定支撐117連接有右活動支撐118，右固定支撐117上有升降調節手柄119，用于調節右活動支撐118的升降，右活動支撐118的端部安裝有一球座119，球座119的一端安裝有擺動球120，拉伸裝置2通過螺桿安裝在右活動支撐118的擺動球120上；床底架101的另一支臂活動連接左滑軌，左滑塊在左滑軌上滑動，支撐板固定在左滑軌上，滾輪安裝在支撐板的底面，左固定支撐安裝在左滑塊上，左固定支撐連接有左活動支撐，左固定支撐上有升降調節手柄，用于調節左活動支撐的升降，左活動支撐上端面安裝有左腳板架；拉伸機構2，拉伸框201通過左端蓋206、右端蓋207安裝在絲杠203上，拉伸框201內有蝸輪204、蝸桿205，蝸輪204、蝸桿205與拉伸絲杠203固連，絲杠203的一端安裝在連接板208上，當蝸桿205帶動蝸輪204轉動時，絲杠203同時隨蝸輪204轉動，實現拉伸機構2的拉伸運動，連接板208上安裝有拉力傳感器209，連接板208通過滑軸210連接腳板211，腳板211可以沿著滑軸210移動。在本發明中，調節升降桿可以控制拉伸機構2的上下方向的位置，擺動球120用于調節拉伸機構2的姿態，拉伸機構2的姿態調好后，使用升降調節手柄118鎖緊固定。
導航機器人3，升降支撐架304安裝在底座301上，固定支撐302、滾輪303安裝在底座301底面，電機305通過聯軸器306與絲杠307連接，絲杠307安裝在絲杠支撐310上，絲杠支撐310安裝在升降支撐架304上，升降軸317安裝在絲母連接件309上，通過絲母308在絲杠307的運動實現上下升降，絲杠307的一邊安裝有側板312，側板312上安裝有線性導軌313，線性導軌313通過連接件314與升降軸317的底部連接，升降支撐架304上部的四個方向上安裝有四個調節滾輪315，升降軸317頂部安裝有可手控調節的旋轉軸318，平行底板329的滑塊320安裝在升降軸318頂部的旋轉板上，平行底板329的滑塊320通過絲杠322與線性導軌324與底板連接，平行底板329內安裝有電機325，電機325的輸出軸通過聯軸器327與絲杠322的一端連接，平行底板329通過轉臺331連接小臂333，小臂333內安裝有電機335，電機335的輸出軸安裝在減速器337的內孔上，減速器337的輸出軸通過聯軸器339與小臂軸342連接，小臂333通過小臂軸342同手腕座345連接，手腕軸346通過軸承支撐在手腕座345上，手腕軸346的內部安裝有電機348，電機348的輸出軸同減速器347的內孔連接，手腕座345的端部有法蘭349，連接件4活動連接在法蘭349上，標定器5活動連接在連接件4上。
在本發明中，根據患者手術的部位，可以將左、右固定支撐、滑軌進行相互交換安裝。
在本發明中，發明人提出的技術方案是由圖像引導定位方法來控制數字化機器人進行導航，并對骨科手術床機構的運動進行控制，對計算機的輔助軟件可以由圖像引導定位方法、醫療圖像模型、手術環境標定方法組成。
一、圖像引導定位方法為了準確地引導手術動作，在手術空間精確的定位，必須準確地確定手術空間、圖像空間之間的映射關系。因此首先要利用計算機處理圖像，確定圖像空間中的手術對象和手術器械的位置和姿態，并在此基礎上進行手術規劃并模擬手術效果，選擇最佳的手術方案，并將最終規劃的參數傳給系統各個部分，完成手術導航動作。
采用普通的C型臂X光機，即可以進行復雜的骨科導航手術，在醫生不吃線的環境下或少吃線的環境下，完成手術操作。
二、醫療圖像和臨床手術環境的標定方法在計算機與機器人輔助手術的過程中，首先需要解決的問題是實現醫療圖像和臨床手術環境的標定，即將二維影像的手術規劃路徑位置映射到手術空間的實際操作路徑的位置上。
在本發明中，利用導航機器人、普通的C型臂X光機，提出了無創傷的映射方法這里我們定義虛擬空間是基于X光的圖像空間，現實空間是機器人和病人所在的空間，X光圖像空間是二維空間，它上面的每一點都對應手術空間中的一條沿X光射線的空間直線，顯然在兩個不同位置獲得的X光圖像上，如果都有空間某目標點的投影，這點的投影對應的兩條投影直線的交點就是空間的目標點。
為了解決這個問題，我們設計了位置測量模塊，該模塊測量出兩次投影空間的相對位置，利用空間幾何換算，可以確定出虛擬空間到手術現實空間的變換矩陣，從而實現一種快速的有效定位算法。
在使用時，將C型臂X光機移到手術空間，采集一幅圖像，圖像上有裝在機器人末端的標定器和手術空間目標點，旋轉C型臂X光機一個角度采集另一幅有相同標定器和手術空間目標點的圖像。同時位置測量模塊記錄兩次圖像采集的相對位置。通過變換矩陣，可以建立機器人空間、手術空間、和圖像空間的相互映射關系。
在本發明中提出的映射方法，突出的特點是無創傷，定位問題簡單方便。
三、數字化機器人導航骨科手術床的運動控制技術方案包括手術器械，機器人軌跡規劃、機器人運動能控制算法和通訊程序。
數字化機器人導航骨科手術床，實現了基于圖像導航的人機交互界面，醫生可以通過計算機或操作盒實現對系統的運動控制。通過控制程序，醫生可以在采集的兩幅圖像上對手術方案進行規劃，選擇最佳的手術方案。同時該手術方案的一些參數通過映射變化，確定了機器人和手術空間的映射，機器人將醫生在圖像空間規劃的手術方案和手術路徑在手術空間中表達出來，然后工作人員可以使用相關的手術器械，進行手術操作。
本發明采用計算機及醫學圖像來實現圖像引導定位方法(見圖11所示)，實現在圖標驅動下的可視化手術動作導航定位。首先將標定器夾持在導航機器人腕部的連接件上，然后將標定器置于手術空間，手術空間的世界坐標系由標定器確定。打開計算機及醫學圖像處理軟件，通過C型臂X光機對準標定器采集一副圖像，此時應判斷圖像中是否包括了所需的六個標記點，如果可視點的數目不到六個，需要重新采集圖像。C型臂X光機成像的幾何關系可以簡化為針孔模型，這樣就可以根據針孔成像原理，由已知的不共面空間六點標定出C型臂X光機的內、外參數。C型臂X光機的內參數就是它的焦距，外參數表示點光源相對于世界坐標系的位置和姿態。將C型臂X光機轉過一定的角度(記下此角度)，在重復以上過程求出此位置與C型臂X光機的外參數。
C型臂X光機標定完成后，將患者置于手術空間，對其采集一副圖像，由所求點的像在圖像中的坐標和C型臂X光機的內、外參數可求出像點在世界坐標系的三維坐標。通過C型臂X光機點光源和所求點的像點作一條直線，此直線過所求點。將C型臂X光機轉回到初始位置，重復上而步驟再求出一條過所求點的直線。理論上，這兩條直線都過同一點，所以可求出它們的交點，即所求點。但由于誤差的存在，求兩條直線的交點時，可能不存在解，所以使用最小二乘解方法近似求出直線的交點的三維坐標。
軟件主要功能介紹(1)前坐標系軟件的圖片框調入X光圖像后，單擊此按鈕后，依次點擊標定器的前坐標系的三點在X光圖像上的像點。點擊完成后，程序中的相應的變量也將記下前坐標系三點的像點坐標。此按鈕的操作完成，此操作稱之為前坐標系的標定。
(2)后坐標系前坐標系標定完成后，單擊此按鈕，然后依次點擊后坐標系的三點在X光圖像上的像點。點擊完成后，三個像點的在圖像中的坐標也被記下來。加上前坐標系的三像點的坐標，此時程序記下六個像點的坐標。由這六個像點坐標標定出C型臂的內外參數，即焦距、位置、姿態。
(3)前孔中心點單擊“后坐標系”按鈕并分別點擊后坐標系的三像點后，程序即可完成C型臂的內、外參數標定。然后將包含所求點的X光圖像調入軟件，單擊此按鈕后，再對所求點的像點單擊。此時，由已知C型臂內、外參數和所求點的像點的位置，可以求出一條過所求點的直線方程。
(4)后孔中心點此按鈕的操作與“前孔中心點”按鈕的操作相同，當單擊所求點的像點后，也求出一條過所求點的直線方程。程序接著算出兩條直線的交點，即所求點的空間坐標。
本發明的軟件操作系統具有一般Window操作平臺，下面只針對在本發明中增加的功能圖標進行說明。
(A)讀寫文件操作圖標從C型臂X光機上采集透射圖片，并在顯示器上顯示出來，或者將修改的圖像和手術數據記錄存入文件，或者將手術參數、病例報告輸出打印。
(B)圖標功能之二是，在計算機顯示器上顯示的圖像上，選者手術的進入點(C)圖標功能之三是，在計算機顯示器上顯示的圖像上，選者手術的路徑的終止點。
(D)圖標功能之四是，根據功能圖標2和3的操作，通過幾何變換，計算出相對于圖像坐標的路徑X、Y、Z坐標，選擇手術的進入點。
(E)圖標功能之五是，在計算機顯示器上顯示的圖像上，模擬手術規劃的路徑，對手術規劃的動作進行模擬。
(F)圖標的功能之六是，根據圖標功能之四的操作，將路徑的參數傳給導航機器人、拉伸模塊、手術床等系統設備，控制他們的運動。
權利要求
1.一種機器人導航骨科手術裝置，包括計算機、C型臂X光機、手術床機構，其特征在于還包括拉伸機構(2)和導航機器人(3)，以及醫學圖像處理軟件，拉伸機構(2)安裝在手術床機構(1)的右活動支撐(118)的球座(120)上，C型臂X光機和導航機器人(3)隨手術床機構(1)的位置擺放而移動，由C型臂X光機采集圖像，經采集卡輸送到計算機內進行醫學圖像軟件處理，所述的手術床機構(1)，床底架(101)在同一側面平行伸出有兩個支臂，床支架(102)安裝在床底架(101)的框體上，床支架(102)上端面安裝有上架(103)，上架(103)上安裝有床板(107)，上架(103)同床底架(101)支臂平行水平面安裝有托板支撐軸(109)，上架(103)的其余面上有掛件(106)，托板架(110)安裝在托板(111)和托板支撐軸(109)上，橫擋(112)安裝在托板(111)上；床底架(101)的底部有固定支撐(104)和滾輪(105)，床底架(101)的一支臂活動連接右滑軌(113)，右滑塊(114)在右滑軌(113)上滑動，支撐板(115)固定在右滑軌(113)上，滾輪(116)安裝在支撐板(115)的底面，右固定支撐(117)安裝在右滑塊(114)上，右固定支撐(117)連接有右活動支撐(118)，右固定支撐(117)上有升降調節手柄(119)，用于調節右活動支撐(118)的升降，右活動支撐(118)的端部安裝有一球座(119)，球座(119)的一端安裝有擺動球(120)，拉伸裝置(2)通過螺桿安裝在右活動支撐(118)的擺動球(120)上；床底架(101)的另一支臂活動連接左滑軌(122)，左滑塊(123)在左滑軌(122)上滑動，支撐板(124)固定在左滑軌(122)上，滾輪(125)安裝在支撐板(124)的底面，左固定支撐(126)安裝在左滑塊(123)上，左固定支撐(126)連接有左活動支撐(127)，左固定支撐(126)上有升降調節手柄(128)，用于調節左活動支撐(127)的升降，左活動支撐(127)上端面通過連接板(129)安裝有左腳板架(130)；所述的拉伸機構(2)，拉伸框(201)通過左端蓋(206)、右端蓋(207)安裝在絲杠(203)上，拉伸框(201)內有蝸輪(204)、蝸桿(205)，絲杠(203)的一端安裝在連接板(208)上，連接板(208)上安裝有拉力傳感器(209)，連接板(208)通過滑軸(210)連接腳板(211)；所述的導航機器人(3)，升降支撐架(304)、固定支撐(302)安裝在底座(301)上，滾輪(303)安裝在底座(301)的底面，電機(305)通過聯軸器(306)連接在絲杠(307)上，絲杠(307)安裝在絲杠支撐(310)上，絲杠支撐(310)安裝在升降支撐架(304)上，升降軸(317)安裝在絲母連接件(309)上，通過絲母(308)在絲杠(307)的運動實現上下升降，絲杠(307)的一邊安裝有側板(312)，側板(312)上安裝有線性導軌(313)，線性導軌(313)通過連接件(314)與升降軸(317)的底部連接，升降支撐架(304)上部的四個方向上安裝有四個調節滾輪(315)，升降軸(317)頂部安裝有可手控調節的旋轉軸(318)，平行底板(329)的滑塊(320)安裝在升降軸(318)頂部的旋轉板上，平行底板(329)的滑塊(320)通過絲杠(322)與線性導軌(324)與底板連接，平行底板(329)內安裝有電機(325)，電機(325)的輸出軸通過聯軸器(327)與絲杠(322)的一端連接，平行底板(329)通過轉臺(331)連接小臂(333)，小臂(333)內安裝有電機(335)，電機(335)的輸出軸安裝在減速器(337)的內孔上，減速器(337)的輸出軸通過聯軸器(339)與小臂軸(342)連接，小臂(333)通過小臂軸(342)同手腕座(345)連接，手腕軸(346)通過軸承支撐在手腕座(345)上，手腕軸(346)的內部安裝有電機(348)，電機(348)的輸出軸同減速器(347)的內孔連接，手腕座(345)的端部有法蘭(349)，連接件(4)活動連接在法蘭(349)上，標定器(5)活動連接在連接件(4)上。
2.根據權利要求1所述的骨科手術裝置，其特征在于左、右固定支撐可以交換安裝在床底架的支臂上。
3.根據權利要求1所述的骨科手術裝置，其特征在于采用C型臂X光機、標定器(5)實現醫學圖像的參數標定。
4.根據權利要求1所述的骨科手術裝置，其特征在于醫學圖像軟件實現機器人空間、手術空間、圖像空間的相互映射。
全文摘要
本發明公開了一種機器人導航骨科手術裝置，包括計算機、C型臂X光機、手術床機構、拉伸機構和導航機器人，以及醫學圖像處理軟件，拉伸機構安裝在手術床機構的球座上，C型臂X光機和導航機器人隨手術床機構的位置擺放而移動，由C型臂X光機采集圖像，經采集卡輸送到計算機內進行醫學圖像軟件處理。該裝置綜合利用機器人技術和計算機圖像處理技術來進行骨科手術，從機器人空間到圖像空間的映射、手術空間到圖像空間的映射變換，根據醫學圖像處理結果對骨科手術的手術路徑進行規劃，對要進行手術的動作進行導航，虛擬地顯示醫生的手術動作，評估手術動作的偏差。該裝置減小了X光線對患者和醫生的傷害，提高了手術精度和效率，減小了手術創傷。
文檔編號A61B17/56GK1481764SQ0315327
公開日2004年3月17日 申請日期2003年8月15日 優先權日2003年8月15日
發明者王田苗, 王滿宜, 胡磊, 王軍強, 張 杰, 孫磊, 劉文勇, 張力丹, 趙永濤, 高翌飛, 王豫, 王振清, 高書圖, 王宗仁, 丑武勝 申請人:北京航空航天大學