手术导航定位系统、装置及存储介质的制作方法

1.本发明涉及骨科医疗器械领域，尤其涉及一种手术导航定位系统、装置及存储介质。


背景技术：

2.近年来，骨科手术取得了巨大的发展，已经逐步迈入了精准化微创化的阶段。以脊柱外科手术为例，脊柱的解剖结构复杂且毗邻重要血管神经，脊柱外科手术中椎弓根螺钉需准确置入，但由于患者的病情各有差异，手术方案也互不相同，因此精准的置钉操作成为了这些手术的关键和技术难点，为了提高骨科手术中置钉的准确性，减少神经及脏器血管的损伤,提高手术成功率，各式各样的骨科导航系统得以研发应用，包括机器人导航、计算机辅助术中ct三维重建导航、c臂机导航、电磁导航。
3.然而大多数机器人导航需要在术中采集三维数据，这就增加了术中的辐射，另外大多数机器人导航系统都需要在患者身上安装参考架和使用双目摄像机，操作复杂；单一的ct导航模式并不能为手术提供入路信息；c臂机辅助导航只是提供二维图像，需要在术中拍摄多张x光图像，病人及医护人员接受辐射量大；电磁导航是结合二维图像或三维图像，为医生提供导针在人体内的实时位置信息，而准确的进针方向需要医生自己寻找。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供一种手术导航定位系统、装置及存储介质。
5.第一方面，本发明提供一种可读存储介质，包括：
6.其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如下述方法所述的步骤：
7.获取包含校准板和患者病灶的多张x光图像；
8.基于所述x光图像确定三维进针通道；
9.基于所述三维进针通道确定机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态；
10.基于所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态。
11.可选地，根据本发明的可读存储介质，所述基于所述x光图像确定三维进针通道，包括：
12.对所述x光图像进行配准，确定所述多张x光图像间的空间位置关系；
13.基于所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道。
14.可选地，根据本发明的可读存储介质，所述对所述x光图像进行配准，确定所述多张x光图像间的空间位置关系，包括：
15.对所述x光图像进行配准，获得多个c臂机姿态和机械臂之间的关系矩阵；
16.基于所述关系矩阵，确定所述多张x光图像间的空间位置关系。
17.可选地，根据本发明的可读存储介质，所述基于所述多张x光图像间的空间位置关
系，确定所述三维进针通道，包括：
18.确定每张x光图像中的标记线段；
19.基于所述标记线段以及所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道。
20.可选地，根据本发明的可读存储介质，所述方法还包括：
21.判断机械臂运动过程中是否与周围物体发生碰撞，若发生碰撞，则控制所述机械臂停止运动。
22.可选地，根据本发明的可读存储介质，所述对所述x光图像进行配准，包括：
23.每获取一张x光图像，进行一次配准。
24.可选地，根据本发明的可读存储介质，所述包含配准板和患者病灶的多张x光图像是c臂机在不同姿态下拍摄得到的。
25.第二方面，本发明提供一种手术导航定位装置，包括：
26.图像获取模块，用于获取包含校准板和患者病灶的多张x光图像；
27.进针通道确定模块，用于基于所述x光图像确定三维进针通道；
28.运行参数确定模块，用于基于所述三维进针通道确定机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态；
29.运动控制模块，用于基于所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态。
30.第三方面，本发明实施例提供一种手术导航定位系统，包括：
31.机械臂台车和c臂机，所述机械臂台车与c臂机通信连接；
32.所述机械臂台车包括电脑主机、控制器和机械臂；
33.所述机械臂包括机械臂本体以及安装于机械臂末端的末端器械和配准板；
34.所述c臂机用于获取包含配准板和患者病灶的多张x光图像；
35.所述控制器与所述机械臂通信连接，用于基于所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制所述机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态；
36.所述电脑主机包括：
37.显示器、处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器；
38.其中，所述处理器被配置为用于实现如第一方面所述可读存储介质中的方法的步骤。
39.可选的，所述机械臂台车还包括：
40.与所述电脑主机电连接的键盘和鼠标；
41.所述末端器械为套筒，所述套筒的目标位置及目标姿态用于指示所述三维进针通道；
42.所述机械臂还包括力反馈装置，用于检测机械臂运动过程中是否与周围物体发生碰撞。
43.本发明提供的手术导航定位系统、装置及存储介质，通过获取包含配准板和患者病灶的多张x光图像，基于所述x光图像确定三维进针通道，并基于所述三维进针通道确定所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制所述机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态，能够帮助医生精准置钉，同时让医生和患者接受最少的x光
辐射，并且大大降低了导航系统的复杂度和使用难度。
附图说明
44.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
45.图1是本发明提供的可读存储介质中存储的计算机指令对应的方法流程示意图；
46.图2是本发明提供的手术导航定位装置的结构示意图；
47.图3是本发明提供的手术导航定位系统的结构示意图。
48.附图标记：
49.1：机械臂台车；
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2：机械臂；
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3：c臂机；
50.4：末端器械。
具体实施方式
51.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.图1是本发明提供的可读存储介质中存储的计算机指令对应的方法流程示意图。所述可读存储介质，其上存储有计算机指令，该指令被处理器执行时实现如下述方法所述的步骤：
53.步骤101，获取包含校准板和患者病灶的多张x光图像。
54.步骤102，基于所述x光图像确定三维进针通道。
55.步骤103，基于所述三维进针通道确定机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态。
56.步骤104，基于所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态。
57.具体的，在工作过程中，c臂机拍摄包含配准板和患者病灶的多张x光图像，电脑主机获取所述x光图片，并基于所述x光图像确定三维进针通道，并基于所述三维进针通道确定机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，再通过控制器基于所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制所述机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态，医护人员根据机械臂指示的三维进针通道，即可实现精准置钉。术中最少只需要两张x光图像即可确定所述三维进针通道，且无需在病人身上安装参考架。
58.本发明提供的可读存储介质，通过获取包含配准板和患者病灶的多张x光图像，基于所述x光图像确定三维进针通道，并基于所述三维进针通道确定所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制所述机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态，能够帮助医生精准置钉，同时让医生和患者接受最少的x光辐射，并且大大降低了导航系统的复杂度和使用难度。
59.基于上述实施例，所述基于所述x光图像确定三维进针通道，包括：
60.对所述x光图像进行配准，确定所述多张x光图像间的空间位置关系；
61.基于所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道。
62.具体的，电脑主机获取c臂机拍摄得到的x光图像之后，会对其进行配准，确定所述多张x光图像间的空间位置关系，再基于所述多张x光图像间的空间位置关系，通过内置的上位机软件确定所述三维进针通道。
63.本发明提供的可读存储介质，通过电脑主机对所述x光图像进行配准确定所述多张x光图像间的空间位置关系，再基于所述多张x光图像间的空间位置关系确定所述三维进针通道，能够快速确定进针通道，提高置钉效率。
64.基于上述实施例，所述对所述x光图像进行配准，确定所述多张x光图像间的空间位置关系，包括：
65.对所述x光图像进行配准，获得多个c臂机姿态和机械臂之间的关系矩阵；
66.基于所述关系矩阵，确定所述多张x光图像间的空间位置关系。
67.具体的，电脑主机对所述x光图像进行配准，可以获得多个c臂机姿态和机械臂之间的关系矩阵，通过电脑主机中的上位机软件算法对所述关系矩阵进行分析，得到所述多张x光图像间的空间位置关系。
68.本发明提供的可读存储介质，通过电脑主机对所述x光图像进行配准获得多个c臂机姿态和机械臂之间的关系矩阵，基于所述关系矩阵，确定所述多张x光图像间的空间位置关系，能够保证空间位置关系的准确性，进而确保后续进针通道的准确性。
69.基于上述实施例，所述基于所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道，包括：
70.确定每张x光图像中的标记线段；
71.基于所述标记线段以及所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道。
72.具体的，电脑主机在获得所述x光图像之后，先确定每张x光图像中的标记线段(该标记线段即为二维进针通道)，再根据所述标记线段以及所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道。在实际操作过程中，所述标记线段可以是医生根据经验在x光图像中进行标记得到的，也可以是电脑主机中的上位机软件根据x光图像中病灶区域的骨骼结构在每张x光图像中标记得到的，本发明实施例对此不作具体限定。
73.本发明提供的可读存储介质，通过电脑主机确定每张x光图像中的标记线段，再基于所述标记线段以及所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道，提高了置钉效率，同时简化了装置的硬件结构，降低了操作难度。
74.基于上述实施例，所述方法还包括：
75.判断机械臂运动过程中是否与周围物体发生碰撞，若发生碰撞，则控制所述机械臂停止运动。
76.具体的，电脑主机在机械臂运动过程中会判断机械臂是否与周围物体发生碰撞，当判断发生故障时，则立即控制所述机械臂停止运动。至于具体的判断过程可以采用现有技术中的任意判断方式，本发明实施例对比不作具体限定。
77.本发明提供的可读存储介质，通过判断机械臂运动过程中是否与周围物体发生碰撞，若发生碰撞，则控制所述机械臂停止运动，提高了机械臂在术中的安全性，避免意外情
况发生。
78.基于上述实施例，所述对所述x光图像进行配准，包括：
79.每拍摄一张x光图像，进行一次配准。
80.具体的，出于保证x光图像间空间位置关系确定的准确性，c臂机每拍摄一张x光图像配准一次，直到拍摄结束。
81.本发明提供的可读存储介质，通过每拍摄一张x光图像，进行一次配准的方式，最大限度地保证了x光图像间空间位置关系确定的准确性，进而保证了进针通道的准确性。
82.基于上述实施例，所述包含配准板和患者病灶的多张x光图像是所述c臂机在不同姿态下拍摄得到的。
83.具体的，c臂机在不同姿态下进行拍摄，可以获取包含配准板和患者病灶的不同角度的照片，以确保所述x光图像能够包含尽可能多的定位信息，基于这些图像可以保证后续空间位置关系和进针通道确定的准确性。实际的拍摄过程为：c臂机以某一个姿态拍摄得到一张x光图像之后，调整所述c臂机到下一个姿态，继续进行拍摄，依此类推，直至完成全部x光图像的拍摄。所述调整方式优选通过程序控制的自动调整，当然也可以设置为手动调整，本发明实施例对此不作具体限定。
84.在实际操作过程中，可以根据需要，通过调整c臂机的姿态拍摄两张或者两张以上x光图像，拍摄两张x光图像的情形，如正位和侧位，拍摄三张x光图像的情形，如入口位、出口位和侧位。可以理解的是，c臂机的姿态并不局限于正位、侧位、入口位、出口位和侧位，x光图像数量也并不局限于两张或三张，本发明实施例对此不作具体限定。
85.本发明提供的可读存储介质，通过所述c臂机在不同姿态下拍摄得到所述多张x光图像，能够确保所述x光图像能够包含尽可能多的定位信息，进而保证后续空间位置关系和进针通道确定的准确性。
86.图2是本发明提供的手术导航定位装置的结构示意图，如图2所示，该装置包括：
87.图像获取模块201，用于获取包含校准板和患者病灶的多张x光图像；
88.进针通道确定模块202，用于基于所述x光图像确定三维进针通道；
89.运行参数确定模块203，用于基于所述三维进针通道确定机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态；
90.运动控制模块204，用于基于所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，控制机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态。
91.基于上述实施例，所述基于所述x光图像确定三维进针通道，包括：
92.对所述x光图像进行配准，确定所述多张x光图像间的空间位置关系；
93.基于所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道。
94.基于上述实施例，所述对所述x光图像进行配准，确定所述多张x光图像间的空间位置关系，包括：
95.对所述x光图像进行配准，获得多个c臂机姿态和机械臂之间的关系矩阵；
96.基于所述关系矩阵，确定所述多张x光图像间的空间位置关系。
97.基于上述实施例，所述基于所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道，包括：
98.确定每张x光图像中的标记线段；
99.基于所述标记线段以及所述多张x光图像间的空间位置关系，确定所述三维进针通道。
100.基于上述实施例，所述方法还包括：
101.判断机械臂运动过程中是否与周围物体发生碰撞，若发生碰撞，则控制所述机械臂停止运动。
102.基于上述实施例，所述对所述x光图像进行配准，包括：
103.每获取一张x光图像，进行一次配准。
104.基于上述实施例，所述包含配准板和患者病灶的多张x光图像是c臂机在不同姿态下拍摄得到的。
105.具体来说，本技术实施例提供的上述手术导航定位装置，能够实现上述可读存储介质实施例所实现的所有方法步骤，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与可读存储介质实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。
106.图3为本发明提供的手术导航定位系统的结构示意图，如图3所示，该系统包括：
107.机械臂台车1和c臂机3，所述机械臂台车1与c臂机3通信连接；
108.所述机械臂台车1包括电脑主机、控制器和机械臂2；
109.所述机械臂2包括机械臂本体以及安装于机械臂末端的末端器械4和配准板；
110.所述c臂机3用于获取包含配准板和患者病灶的多张x光图像；
111.所述控制器与所述机械臂2通信连接，用于基于所述机械臂2的运行路径、目标位置及目标姿态，控制所述机械臂2按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态；
112.所述电脑主机包括：
113.显示器、处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器；
114.其中，所述处理器被配置为用于实现上述可读存储介质实施例所实现的所有方法的步骤。
115.具体的，在工作过程中，c臂机3获取包含配准板和患者病灶的多张x光图像，电脑主机用于基于所述x光图像确定三维进针通道，并基于所述三维进针通道确定所述机械臂2的运行路径、目标位置及目标姿态，所述控制器基于所述机械臂2的运行路径、目标位置及目标姿态，控制所述机械臂2按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态，可实现机械臂2的自动避障，最短路径运行。处于目标姿态的末端器械4用于指示所述三维进针通道。医护人员根据末端器械4指示的三维进针通道，即可实现精准置钉。术中最少只需要两张x光图像即可确定所述三维进针通道，且无需在病人身上安装参考架。
116.本发明提供的系统，通过c臂机获取包含配准板和患者病灶的多张x光图像，所述电脑主机基于所述x光图像确定三维进针通道，并基于所述三维进针通道确定所述机械臂的运行路径、目标位置及目标姿态，所述控制器控制所述机械臂按照所述运行路径运行到所述目标位置并保持目标姿态，能够帮助医生精准置钉，同时让医生和患者接受最少的x光辐射，并且大大降低了导航系统的复杂度和使用难度。
117.基于上述实施例，所述机械臂台车还包括：
118.与所述电脑主机电连接键盘和鼠标；
119.所述末端器械为套筒，所述套筒的目标位置及目标姿态用于指示所述三维进针通道；
120.所述机械臂还包括力反馈装置，用于检测机械臂运动过程中是否与周围物体发生碰撞。
121.具体的，在手术过程中，医护人员可以通过与所述电脑主机电连接的显示器进行x光图像、x光图像间的空间位置关系以及三维进针通道等的查看操作，也可以通过与所述电脑主机电连接的键盘和鼠标，实现相关指令的输入以及相关显示界面的操作。套筒的目标位置和姿态用于指示所述三维进针通道，医护人员通过所述套筒进行置钉即可将髓内钉置入所述进针通道内；所述机械臂2通过所述力反馈装置实现力反馈控制功能，当检测并判断机械臂运动过程中与周围物体发生碰撞时，则立即控制所述机械臂停止运动。至于具体的判断过程可以采用现有技术中的任意判断方式，本发明实施例对比不作具体限定。
122.本发明提供的系统，通过与所述电脑主机电连接键盘和鼠标实现相关指令输入，通过套筒的目标位置及目标姿态指示所述三维进针通道，通过力反馈装置检测并判断机械臂运动过程中是否与周围物体发生碰撞，能够准确指示进针通道，大大降低医护人员的操作难度，提高了机械臂在术中的安全性。
123.以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
124.通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
125.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。