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定位方法
技術領域：
本發(fā)明屬于并聯(lián)機器人在外科手術領域中的應用，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定位方法。
背景技術：
人工頸椎間盤置換術與常規(guī)頸椎前路減壓融合手術相比，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開展的并不廣泛，這主要是由于其手術復雜、操作困難，一般的醫(yī)生難以掌握，而且手術精度不高，影響手術效果，手術并發(fā)癥高。人工頸椎間盤置換手術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節(jié)面，保證假體和人骨的配合，治療效果嚴重依賴于手術的精度。傳統(tǒng)的機械定位精度主要依賴于醫(yī)生的經(jīng)驗，這無疑增加了手術的不確定性， 影響了假體的安裝精度。為了提高手術定位精度，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，就算是技術高超的脊柱外科醫(yī)生，進行人工頸椎間盤置換術也難以保證每次手術都獲得令人滿意的結果，尤其是對于重癥患者，手術難度更大。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領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技術的發(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中的問題帶來了契機。引入機器人輔助進行脊柱外科手術，能滿足脊柱外科醫(yī)生一系列迫切需要解決的問題，提高了手術的精確性與安全性，為開展新型手術術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中，磨鉆與患者間的定位是保證手術順利完成并滿足手術精度要求的關鍵一環(huán)，同時也是解決醫(yī)生受輻射過多等問題的關鍵步驟，目前國內尚無該方面發(fā)明的報導。

發(fā)明內容
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定位方法，以實現(xiàn)手術磨鉆對患者病患處的定位，從而保證實際手術磨鉆與患者的位姿關系符合虛擬環(huán)境中由醫(yī)生確定的虛擬磨鉆與患者模型的位姿關系。本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是本發(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；步驟B、采用三點對刀方法，由醫(yī)生在虛擬環(huán)境中設定術前磨鉆相對于頸椎骨的位 姿關系并設置磨鉆的進給方向；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；步驟B、采用三點對刀方法，由醫(yī)生在虛擬環(huán)境中設定術前磨鉆相對于頸椎骨的位姿關系并設置磨鉆的進給方向；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定位方法，它屬于并聯(lián)機器人在外科手術領域中的應用，為了保證實際手術磨鉆與患者的位姿關系符合虛擬環(huán)境中由醫(yī)生確定的虛擬磨鉆與患者模型的位姿關系。技術要點利用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