一種用于骨外科定位引導的手術機器人運動補償方法
【技術領域】：
[0001] 本發明屬于計算機輔助微創治療領域，尤其適用于股骨頸骨折和骶髂關節骨折等 骨外科創傷的微創固定手術的引導。
【背景技術】：
[0002] 股骨頸和骶髂關節骨折是常見的骨外科創傷，臨床中越來越多地采用空心加壓螺 釘的內固定微創手術治療股骨頸和骶髂關節骨折。對于股骨頸骨折，要求植入的三根空心 加壓螺釘之間相互平行、具有合理的空間分布以及其尖端固定于骨皮質層，且不能穿過骨 皮質層；對于骶髂關節骨折，需要保證植入的空心加壓螺釘避開骨盆部位的主要動脈和神 經，否則可能造成大出血和神經損傷。因此，精確地規劃和定位手術路徑是股骨頸和骶髂關 節骨折微創內固定手術成功的關鍵。
[0003] 開放復位和固定是治療股骨頸和骶髂關節骨折的標準流程，但是由于開放手術對 于患者損傷較大，因此近年來借助影像引導的經皮植入空心加壓螺釘的微創治療方法得到 了廣泛應用。外科醫生早期借助透視方法的引導植入空心加壓螺釘，但是該方法伴隨著長 時間的多次X射線放射，有損醫生健康。2D虛擬透視導航方法可以將手術工具實時投影在 若干幅（通常是四幅）不同視角的透視圖像中，從而引導醫生規劃植入路徑，很大程度上減 少了X射線放射劑量。但是，醫生需要多次手動移動手術工具才能在使其在各個視角圖像 中的投影滿足植入要求，延長了手術操作時間。3D透視導航方法相對于2D透視導航可以提 供更多的空間信息，使得路徑規劃變得更容易，但是3D透視導航通常需要術中3D數據的獲 取，延長了放射和圖像處理時間。并且，由于操作中沒有穩固的支撐，使用2D和3D透視導 航方法時，醫生很難穩定地把持手術工具，造成實際植入路徑偏離規劃路徑。
[0004] 為了解決手持穩定性問題，研宄人員引入了手術機器人。其中一些機器人只是為 醫生提供固定工具的支撐，另外一些機器人則可以自動定位手術路徑，但是這類機器人需 要在手術中用X射線機掃描很多X射線圖像進行重建或者與術前CT數據進行復雜的注冊 配準過程。雙平面手術機器人系統可以利用兩張不同視角的X線透視圖像規劃手術路徑， 控制分別位于兩平面內的兩個球形鉸鏈在平面內的位置，并通過兩個球的中心點來準確、 自動地確定手術植入路徑。并且球形鉸鏈的運動平面位于牽引床一側，使得機器人在完成 引導運動時不會與患者或其他手術室設備發生碰撞。該機器人系統算法的核心是透過雙平 面手術機器人機身固定的立體定標架，同時獲取定標架及創傷部位的正位和側位圖像，從 而利用傳統的雙目立體視覺原理將針對創傷骨骼的規劃手術路徑映射到機器人工作空間 內，實現機器人引導位置自動、精確的定位。
[0005] 雙平面手術機器人系統只需要兩張X射線圖像進行定位，在原理上減少了X射線 獲取數量。但是，由于雙平面機器人導航系統是利用圖像和立體定標架上的標志點來同時 定位患者創傷部位和雙平面手術機器人，并且兩者之間無法剛性連接。因此，在圖像獲取過 程開始后，必須保證患者和雙平面手術機器人的絕對靜止，否則就無法利用已獲取的圖像 定位移動后患者和雙平面手術機器人，因此不得不重新獲取X線透視圖像和規劃。然而，醫 生在獲取正位圖像后，常常需要人工移動C形臂X線機獲取側位圖像，這個過程有時需要對 患者進行重新擺位；在第一或第二根空心加壓螺釘植入和加壓操作時對患者施加的外力也 會造成患者的移位，因此經常不得不重新獲取X線圖像和反復規劃，延長了手術時間，同時 也增加了X射線放射劑量。除此之外，對于每一次圖像獲取，雙平面手術機器人導航系統必 須同時獲取到合適的骨折部位和機器人上固定點立體定標架上所有的標志點。然而，由于 該立體定標架所占空間較大，因此每一次都需要耗費時間多次人工移動C形臂X線機進行 透視才能獲取合適的圖像，很大程度上延長了手術操作時間，并增加了X射線放射劑量。
[0006] 鑒于以上所述傳統雙平面手術機器人的不足，本發明對于傳統雙平面手術機器人 機身體積龐大的立體定標架進行了改進，設計了固定于C形臂X線機影像增強器的靶罩替 代該立體定標架。這樣一來，無論C形臂X線機以任何視角獲取圖像，靶罩上的所有標志點 都會全部呈現在圖像之中，只需要保證獲取到合適的創傷部位圖像即可，減少了獲取圖像 過程中反復人工移動C形臂X線機所引入的操作時間和X射線放射劑量。由于改進后的靶 罩隨著C形臂X線機的影像增強器移動，無法利用解析算法求出C形臂X線機成像的外透 視參數，因此無法用傳統的方法進行C形臂X線機的標定和重建。我們在靶罩上固定示蹤 器，利用光學定位子系統獲取C形臂X線機成像外透視參數，并用DLT方法求解C形臂X線 機成像內透視參數，再根據成熟的極線幾何原理與雙目視覺算法就可以進行路徑規劃和重 建。同時，在患者和雙平面手術機器人上也固定了示蹤器并進行實時位置跟蹤，結合上述的 方法，利用光學定位子系統就可以建立圖像、靶罩、患者和雙平面手術機器人之間的動態聯 系，從而在現有雙平面機器人自動精確定位優點的基礎上，實現了雙平面手術機器人的術 中運動補償，減少了術中操作時間和X射線放射劑量。
【發明內容】
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[0007] 本發明的目的是提出一種用于骨外科定位引導的手術機器人運動補償方法和相 應的操作流程，避免手術過程中由于患者和手術機器人移位而造成固定螺釘的實際植入路 徑偏離規劃路徑，減少手術中由于患者和雙平面手術機器人移位所造成的重新獲取圖像和 重新進行手術路徑規劃的操作，以及因此增加的X射線放射劑量和操作時間。本發明克服 了現有雙平面手術機器人系統在獲取圖像時，必須進行多次X射線透視才能將雙平面手術 機器人機身的體積龐大的立體定標架上所有標志點全部呈現在圖像中的缺點，操作流程簡 單，實現了快速、準確的手術路徑定位，很大程度上減少了術中操作時間和X射線放射劑 量。本發明用光學定位子系統對患者和雙平面手術機器人進行跟蹤和運動補償，兼顧手術 效率、精度和X射線輻射劑量，可以對使用雙平面手術機器人進行操作的手術流程進行改 進，并且該運動補償方法也適用于各種其他類型手術機器人，尤其適用于以股骨頸骨折和 骶髂關節骨折為代表的骨外科創傷手術，方法科學、通用性強，在骨外科創傷微創手術中具 有明確的使用價值。
[0008] 我們注意到傳統的雙平面手術機器人系統工作的前提是假設患者和雙平面手術 機器人以及其機身固定的立體定標架絕對靜止，其方法核心是在術中從兩個不同的透視角 度獲取患者創傷部位與立體定標架的X射線圖像，利用雙目視覺算法來定位患者和雙平面 手術機器人的位置，從而在圖像中進行路徑規劃就可以代表真實患者創傷部位的手術路 徑，也就能將該路徑的坐標映射到雙平面手術機器人工作空間內。但是傳統的雙平面手術 機器人系統工作的前提是手術過程中患者必須相對于雙平面手術機器人及其機身立體定 標架絕對靜止，這是由于規劃圖像只能反映在圖像獲取時刻患者和雙平面手術機器人的位 置。一旦患者或者雙平面手術機器人相對于獲取圖像時自身的位置發生移動，雙平面手術 機器人無法感知和補償這一運動，如果雙平面手術機器人仍然按照之前獲取的圖像規劃的 路徑執行操作，就會偏離正確的手術路徑。
[0009] 我們發現對患者和雙平面手術機器人的運動進行運動補償，本質上是建立術中圖 像、立體定標架、患者和雙平面手術機器人之間的動態聯系。只要在立體定標架、患者和雙 平面手術機器人上固定示蹤器，光學定位子系統可以定位和跟蹤這些物體，建立它們之間 的聯系。然后再進行C形臂X線機的標定建立立體定標架與圖像的聯系，就可以建立圖像、 立體定標架、患者和雙平面手術機器人之間的動態聯系。因此問題的本質就奪成了如何利 用光學宙位子系統律立術中圖像、立體宙標架、患者和雙平而手術機器人之間的苧間奪換 矩陣。
[0010] 我們又發現如果沿用傳統的雙平面手術機器人系統的立體定標架，在獲取兩張不 同角度的透視圖像過程中，必須保證在患者和雙平面手術機器人及其機身的立體定標架絕 對靜止的前提下，將立體定標架上所有標志點和骨折部位都呈現在透視圖像中。然而，該立 體定標架體積較大，獲取透視圖像過程中，經常需要多次人工移動C形臂X線機進行X射線 透視才能滿足上述要求；有時在正位圖像獲取之后，必須對患者再次進行人工擺位才能獲 取側位圖像，因此不得不通過透視重新獲取正位圖像。因此我們考慮用固定于C形臂X線 機影像增強器的靶罩來替代傳統雙平面手術機器人機身的立體定標架，這樣就可以避免丟 失標志點的情況，只需要在圖像中呈現骨折部位，就可以實現手術路徑的規劃和引導，很大 程度上減少了獲取圖像過程的操作時間和X射線放射劑量。
[0011] 用靶罩代替傳統雙平面手術機器人系統的立體定標架可以使得圖像獲取變得更 簡單，但是由于靶罩是隨著C形臂X線機影像增強器移動的，所以不能利用解析的方法計 算出C形臂X線機的外透視參數，傳統的C形臂X線機標定和重建算法已經不再適用。我 們考慮到，C形臂X線機的外透視參數本質上是C形臂X線機在獲取不同視角的透視圖像 之間的空姐變換矩陣，于是我們在靶罩和患者身上都固定了示蹤器，可以利用光學定位子 系統計算患者示蹤器坐標系到靶罩示蹤器坐標系之間的空間變換矩陣，以此作為外透視參 數，然后可以用極限幾何原理進行手術路徑規劃。以上提出的方法已經將光學定位子系統 與術中圖像、靶罩、患者建立起了聯系，只需再利用注冊過程將雙平面手術機器人同光學定 位子系統進行關聯。
[0012] 本發明的特征在于，是在一種