手术机器人辅助定位装置

1.本实用新型涉及医疗器械技术领域，具体涉及一种手术机器人辅助定位装置。


背景技术：

2.骨科手术前通常需要进行透视扫描来对患肢的情况进行查看，为医生制定手术方案提供支持；术中需要对患肢再次进行透视扫描来确定手术进行情况与手术方案是否一致；术后还需要对患肢进行透视扫描以确定植入物是否达到预期效果。而人眼视觉没有透视功能，在术中需要进行多次透视扫描直到置管位置与术前方案一致才可，这使得无论患者还是医务人员都将多次暴露在射线下。
3.手术机器人可以通过术前的透视扫描建立患肢的三维模型，使医生通过机器人的人机交互系统制定手术方案。手术开始时，将患肢固定在手术台上，图像定位系统通过手术台上和患肢上的示踪器对患肢的位置和姿态进行定位，随后医生可以操作机械臂按照手术方案向患肢特定位置移动。由于辅助机器人具有患肢的三维模型，可以准确定位手术部位，并根据患肢的微小移动做出偏移量修正。在术中仅需一次透视扫描确定实际操作与手术方案一致即可，大大减少了患者和医务人员的辐射量，同时也缩短了手术时间，减少手术对患者的附加伤害。
4.在图像定位系统对示踪器进行定位的过程中，图像定位系统需在可视范围内识别出示踪器，并对示踪器进行定姿定位，进而对与示踪器刚性连接在一起的患肢进行定姿定位，以便按手术方案将手术机器人运动到合适位置。
5.通常手术辅助机器人需与医生一同在手术室工作，而手术室内场景相对复杂，主要体现在：
6.1、医用物品器械及人员较多，其位置和姿态不确定性较高；
7.2、手术室可见光源环境复杂，图像定位系统视场中多数物体都可成像；
8.3、不同患者需进行手术的部位和手术方案差别较大，手术机器人的定位装置不能在固定位置对固定的目标进行识别；
9.4、示踪器在图像定位系统中成像的位置和姿态具有较大的不确定性；
10.5、手术环境中相关人员会在视场中出现并移动，即使刻意保证不遮挡合作目标，仍会在视场中成像，对图像定位系统的识别功能造成干扰。
11.上述原因使得图像定位系统难以在其获得的图像中准确提取示踪器进行定位和姿态测量。即使定位系统可以在某一时间段内获取示踪器在图像中的位置并进行定位，也很难保证在未来某一时刻或时间段内，不受光照变化或示踪器位置、姿态变化等影响导致目标提取失败或提取精度下降。


技术实现要素：

12.针对手术辅助机器人的图像定位系统受光照条件和背景环境影响、难以在获取的图像中提取示踪器或在手术过程中难以稳定的提取示踪器的缺点，本实用新型设计了一种
手术机器人辅助定位装置，用以提高手术机器人对示踪器进行定位和姿态测量时的稳定性和准确度。
13.为实现上述目的，本实用新型采用以下具体技术方案：
14.本实用新型提供的手术机器人辅助定位装置，包括：安装在手术机器人上的短波红外相机和安装在患肢上的患肢示踪器；短波红外相机用于采集患肢示踪器发出的近红外光来进行成像；患肢示踪器包括：支撑架、安装在支撑架正面上的近红外波段灯泡、安装在支撑架上的电池、安装在支撑架上的电源开关、安装在支撑架上的示踪器连接杆；近红外波段灯泡用于发出近红外光；电池用于为近红外波段灯泡提供电能；电源开关用于控制近红外波段灯泡；示踪器连接杆用于连接患肢和支撑架。
15.优选地，支撑架的正面开设有用于安装近红外波段灯泡的灯孔，灯孔的数量至少为4个；灯孔在支撑架上成各向异性分布方式。
16.优选地，电池与电源开关电连接。
17.优选地，示踪器连接杆的一端通过螺纹连接在支撑架的背面，示踪器连接杆的另一端安装在患者的患肢上，与患肢进行刚性连接。
18.优选地，在患肢的骨头上提前钻好螺纹孔，通过螺纹固定连接示踪器连接杆。
19.本实用新型能够取得以下技术效果：
20.采用近红外光源和短波相机相配合的方式，避免了图像定位系统在获得的图像中显示过多与患肢示踪器不相关的物像从而影响目标提取稳定性和精度的问题出现。由于手术室内无阳光，几乎不含近红外波段的光源，且可见光波段在短波相机上不成像，所以图像定位系统获取的图像中仅有患肢示踪器可以清晰成像，进而提高了手术机器人对患肢示踪器的识别及定位的效率和准确度，减小了错误定位的概率。
附图说明
21.图1是根据本实用新型实施例的患肢示踪器的结构示意图；
22.其中的附图标记包括：近红外波段灯泡1、支撑架2、示踪器连接杆3。
具体实施方式
23.在下文中，将参考附图描述本实用新型的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
24.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，而不构成对本实用新型的限制。
25.下面结合图1对本实用新型的具体工作方式进行详细说明：
26.本实用新型提供的手术机器人辅助定位装置，包括：安装在手术机器人上的短波红外相机和安装在患肢上的患肢示踪器。
27.短波红外相机用于采集患肢示踪器发出的近红外光来进行识别和成像。短波红外相机只采集近红外波段的光，不采集可见光波段的光来成像。在本实用新型的实施例中，短波红外相机安装在手术机器人机械臂末端。
28.患肢示踪器包括：支撑架2、安装在支撑架2正面上的近红外波段灯泡1、安装在支撑架2上的电池、安装在支撑架2上的电源开关、安装在支撑架2上的示踪器连接杆3；近红外波段灯泡1用于发出近红外光；电池用于为近红外波段灯泡1提供电能，与电源开关电连接且被电源开关控制；电源开关用于控制近红外波段灯泡1；示踪器连接杆3用于连接患者的患肢和支撑架2。患肢示踪器整体由刚性材料制成。
29.支撑架2的正面开设有用于安装近红外波段灯泡1的灯孔，灯孔的数量至少为四个；灯孔在支撑架2上成各向异性分布方式。各向异性分布方式的意思为：在支撑架2的正面，4个或以上的灯孔的位置分布不具备对称性，灯孔两两之间的连线长度都不相同。在本实用新型的实施例中，支撑架2上开设有四个灯孔。(如图1所示)。
30.在本实用新型的实施例中，电池安装在支撑架2的背面，通过导线与近红外波段灯泡1电连接，为近红外波段灯泡1供电；电源开关安装在支撑架2的背面。
31.近红外波段灯泡1安装在灯孔内，且数量与灯孔数量相同；近红外波段灯泡1发出近红外波段光，通过被短波红外相机采集来定位患肢示踪器的位置。
32.示踪器连接杆3的一端通过螺纹连接在支撑架2的背面，示踪器连接杆3的另一端安装在患者的患肢上，与患肢进行刚性连接。在安装示踪器连接杆3之前，要在患者的患肢的骨头上提前钻好螺纹孔，通过螺纹来固定连接示踪器连接杆3。安装时一方面尽量保证患肢和示踪器连接杆3之间不发生偏移或旋转，另一方面保证患肢示踪器的整体不与手术机器人发生干涉。
33.综上所述，本实用新型采用近红外光源和短波相机相配合的方式来对患肢示踪器进行搜索定位，以解决可见光相机在复杂手术室背景下提取患肢示踪器的位置易受干扰甚至定位失败的问题，进而提高了手术机器人对患肢示踪器的识别及定位的效率和准确度，减小了错误定位的概率。
34.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
35.尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制。本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
36.以上本实用新型的具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限定。任何根据本实用新型的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围内。