基于光学定位导航的骨科手术机器人系统及其控制方法与流程

1.本发明属于医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于光学定位导航的骨科手术机器人系统及其控制方法。

背景技术：

2.医疗、护理和康复的需求不断增加，同时由于人们对生活品质追求的提高，使得医疗不管在质上还是量上都要满足更高水准的要求。另一方面，医护人力相对缺乏，医疗及健康服务机器人具有巨大的发展潜力。骨科手术机器人用数字化方式赋能医生的“手”(机械臂)、“眼”(导航)和“脑”(智能规划)，可有效解决传统手术中过于依赖术者经验、无法实现标准化和不可重复化操作的临床痛点。同时，因其操作简单、学习曲线短等优势，骨科手术机器人的应用可助力骨科手术的精准化、微创化、智能化诊疗流程建设，将有效缓解国内优质骨科手术医疗资源短缺与不断增长的手术需求之间的矛盾，为更多骨科疾病患者提供更精准、更智能、更普惠的骨科手术解决方案。但是传统骨科手术视野狭窄，定位精度低，手术创口大，失血多，医患受辐射多，手术操作严重依赖临床医生经验。
3.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：传统骨科手术视野狭窄，定位精度低，手术创口大，失血多，医患受辐射多，手术操作严重依赖临床医生经验。

技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于光学定位导航的骨科手术机器人系统及其控制方法。
5.本发明是这样实现的，一种基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统包括：
6.执行台车，用于进行移动，执行用户指定的固定针、螺钉的位置，引导用户进行精准钻孔、置钉操作；
7.mr系统，用于提供一种交互式三维动态视景和行为系统仿真环境；通过患者的三维模型重建和虚拟手术环境，通过交互设备在虚拟环境中开展与实际手术相近的模拟手术，达到训练和教学目的；在虚拟环境中直接观测实时3d影像，制定合理的手术方案；
8.提示系统，用于在手术过程的每个阶段中，利用声音和灯光两种方式提醒患者和医护人员，使仪器状态信息传达清晰；
9.中控台车，用于在骨科手术机器人中进行监控跟踪，扩展医生视野，以保证手术过程的安全可控；
10.安全防护系统，通过急停开关在手术过程当发生紧急情况时，进行切断电源；
11.手术操作模块，通过软件程序提供给用户手术操作。
12.进一步，所述执行台车包括：骨钻系统、跟踪系统、机械臂系统；机械臂系统分为两种：术中指引、辅助钻孔；在软件端做好术前规划后，机械臂末端按照预定的规划路径到达指定的位姿状态；手术过程中病患位置当出现变动，机械臂系统根据新的位姿进行实时变
换。
13.进一步，所述骨钻系统安装于机械臂末端法兰处，用于给规划钻孔位置进行钻孔，代替人工手持骨钻进行钻孔；骨钻系统包括两个部分：骨钻运动模块、进给机构模块；进给机构模块，采用一个电机伺服，保持骨钻末端的进给，当到达指定位置时，骨钻运动模块开始运动，钻孔过程保持骨钻正转，钻孔完成后骨钻反转退出。
14.进一步，所述跟踪系统安装在执行台车上边，跟踪系统包括两部分：机械臂本体跟踪模块、机械臂末端跟踪模块；机械臂本体跟踪模块用于调整跟踪工具的位置，由一个不规则的四边形框架及四个反光标记球组成，反光标记球在机械臂运动过程中以保证被光学导航传感器观察到；机械臂本体、机械臂本体跟踪模块以及机械臂末端跟踪模块共同构成一个闭环系统，以保证推车系统的稳定性；在骨钻系统执行钻骨的过程中，跟踪系统与显示模块扩宽医生视野，以保证钻骨精度。
15.进一步，所述mr系统包括：
16.三维数字化模型操作模块，在mr系统中导入三维重建的数字化模型后，为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积信息，在模型上进行任意旋转、放大、缩小、拖拽、剖切和测量；
17.手术规划模块，在术前mr系统中，进行手术的模拟，对骨科手术进行虚拟操作，达到训练和教学目的，同时指导后续的手术过程，通过不断试错，制定合理的手术方案；
18.病患信息显示模块，在病患处于麻醉状态中，mr系统显示病患信息和生命体征信息；
19.机械臂路径规划模块，通过虚拟的执行机械臂的操作，避开空间中障碍物，对机械臂本体的运动进行术前虚拟路径模拟；在路径规划完成后，在术中执行阶段，机械臂在mr系统中呈现运动过程，以确保实体机械臂运动的安全无误；
20.术后操作模块，通过术后操作界面显示术后的植入物真实位置和术前规划位置、术后x光图像、病患信息和生命体征信息。
21.进一步，所述中控台车包括：光学导航传感器、操作中心、显示模块；操作中心进行人机交互、控制系统、数据存储传输及计算；人机交互提供给医护人员交互接口，对手术过程进行模拟，以及术前规划、查看信息功能；
22.控制系统用来控制整机的通信过程，以确保整机系统安全可控；显示模块进行操作显示和跟踪显示；操作显示提供给用户人眼可视化界面，包括软件操作、控制操作、注册操作；跟踪显示用以显示手术过程，提供手术视野，以保证手术的安全性。
23.进一步，所述光学导航传感器设置有工具注册模块和实时跟踪模块；工具注册模块对工具进行注册，生成配置文件，在手术过程中，光学导航根据配置文件对工具进行精准识别，以保证目标物的唯一性；实时跟踪模块中跟踪机械臂本体跟踪工具，跟踪机械臂末端跟踪工具，执行台车在运动的过程中，光学导航持续监控跟踪，以确保机械臂运动过程安全可控。
24.进一步，所述手术操作模块包括：
25.硬件系统自检模块，用于开机自测，检测骨科机器人系统整机硬件连通性以及可使用情况，包括执行台车、中控台车、mr系统，以保证在执行手术前整机处于待命状态；
26.用户登录模块，包含医生信息数据库，软件启动后，根据注册账号进行登录，以保
证医生及手术过程的安全隐私；
27.硬件系统标定模块，用以对硬件系统之间的坐标转换关系进行标定，在手术过程执行之前，以保证各个系统之间的坐标系统一；骨科手术机器人系统由中控台车、执行台车、骨钻系统、mr系统各个硬件系统组成，硬件系统之间的存在坐标转换关系及每个硬件系统自身存在相对应的坐标转换关系；
28.三维数字化重建模块，用以对病患信息在计算机中建立相同的三维虚拟模型；手术前，将患者的ct、mri二维医学影像原始数据导入，生成精准的三维可视化数字模型；重建的三维模型直观显示病灶区域的血管、神经、骨质组织结构，并任意旋转、缩放和测量，用于精准定位病灶位置，明确病灶与周围组织的空间毗邻关系，辅助医生进行准确诊断；同时用于术前的手术路径设计和风险评估，术中的模型校准，术后的效果评估；用于模拟手术操作，让医生得到充分训练，清晰地掌握手术过程，以提高手术的准确性和安全性；根据成像原理的不同，三维数字模型的重建可分为三类：基于ct影像、基于mri影像、基于超声影像的三维重建；
29.智能分割模块，用以帮助医生将感兴趣的区域提取并显示出来，并使尽可能的接近解剖结果，为后续数据的处理、临床诊疗和病理学研究提供可靠的依据。
30.进一步，所述手术操作模块还包括：
31.智能规划模块，根据三维数字化病灶模型，为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积信息，任意旋转、剖切和测量三维模型，获得更多信息，作为手术规划的重要参考；在执行手术前对手术过程进行模拟，并制定手术方案，用于术中引导医生和机械臂的操作，以降低临床失误率；在软件中建立虚拟手术环境并模拟手术过程，精确地修正切除范围、切除路径、切口位置；
32.手术注册模块，骨科手术机器人执行手术之前将三维数字化模型中预先规划的手术路径与现实中的手术目标物进行注册，注册后将术前规划方案用于手术过程，引导机械臂或者医生进行手术操作；
33.术中观察模块，在执行手术的过程中，术中观察模块，对手术过程的关键性步骤进行观察显示，同时实时观察手术过程，当出现紧急情况，进行操作处理，以保证手术过程的安全性；术中观察模块加入mr系统之后，将手术真实客观世界与虚拟影像结合，用于可视化引导手术执行；术区三维模型和规划的手术路径通过增强现实技术投射至医生视野，现实当前位置与规划路径的偏差，辅助引导医生和机械进行操作；同时，使医生监控手术状态，扩大手术视野；
34.术后评估模块，在骨科手术机器人执行手术完成，缝合伤口后，系统拍摄 x-ray图片与术前规划影像进行对比，并在软件中显示，评估本次手术的效果，以保证手术过程的标准化。
35.本发明的另一目的在于提供一种所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统的基于光学定位导航的骨科手术机器人系统控制方法，所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统控制方法包括：
36.入院诊断：输入病患信息，症状信息，并根据相关症状做初步诊断，包括实验室检查、x光检查常规诊断方法，最后根据诊断结果确定病灶部位；
37.术前操作：执行手术前对病患进行插管麻醉，并根据病灶位置确定病患固定姿态；
待病患麻醉固定后，将跟踪工具植入病患病灶处，跟踪工具植入位置不能妨碍手术过程，以确保手术过程中跟踪工具可见；跟踪工具植入病灶后，进行三维重建扫描，并根据三维数字化重建模块进行病患处的三维重建；根据重建后的效果，对病灶处进行观察并做术前规划处理，依据病灶处的复杂情况利用智能分割模块对相应组织进行分割识别；
38.术中执行：将术前规划信息与真实手术区域进行手术注册；光学导航传感器根据当前病灶所在真实位置，指引机械臂末端到达指定位置；利用mr系统进行机械臂的路径规划，以保证机械臂运动过程中不与真实环境中的物体发生碰撞；机械臂末端按路径规划后的路径到达指定位置后，骨钻进给机构进行进给操作到达执行手术区域，控制骨钻进行手术操作；骨钻执行过程中，显示模块显示手术操作过程及当前手术状态；
39.术后评估：系统拍摄x-ray图片与术前规划图片进行对比展示在屏幕上，进行效果评价；生成报告信息，供医生或者患者查看。
40.结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
41.第一、本发明本着创口小、失血少和恢复快的微创化手术目标，基于现在科学技术的发展，结合骨科手术的临床经验，实现了一种骨科手术机器人系统。该系统是集医学、影像学、计算机视觉、机器人技术、自动控制技术、光学导航定位技术、虚拟现实交互、定制化制造于一体的多学科交叉系统；该系统针对传统骨科手术视野狭窄，定位精度低，手术创口大，失血多，医患受辐射多，手术操作严重依赖临床医生经验等问题，为了解决上述的问题，术前根据ct图像进行动态规划手术方案，精准手术过程，实现微创化，术后恢复较快；重建患者骨骼三维模型，与手术空间进行注册，医生借助mr眼镜可随时看到患者解剖结构，实现透视功能，从而有效增加医生手术视野；机械臂辅助医生精准定位，减少抖动与误操作，显著提高手术成功率。
42.同时本发明与传统骨科手术相比，还具有以下优势：
43.精准导航设备的引入以及经过多次验证、测试的成熟可靠的标定算法、机器人算法、图像处理算法可显著提高手术精度，实现目标靶点的精准定位，即“打得准”。解决了传统手术完全依靠医生临床经验的痛点，并可模拟手术教学，缩短医生培训时间。解决了传统手术无法实现标准化和不可重复化操作的临床痛点，保证手术过程的标准化和重复化，标准化的存在严格按照标准执行手术，提高手术的精准度，缩短了手术时间，同时标准化过程中可与患者进行沟通，间接减少了医患矛盾。传统骨科手术视野狭窄，为了扩大视野经常需更大的手术创口，术中失血也会相应增多。骨科手术机器人系统可将手术视野扩大至整个病患区域，特别是mr系统的加入，整个病灶几乎完全暴露于医生视野中，即“看得见”。因此，手术创口更小，失血更少，恢复更快，避免了传统手术盲操作的手术风险，提高了安全性。骨科手术机器人减少了医生的工作量，传统手术中医生需长期手持笨重的医疗器械进行操作，骨科手术机器人可将医疗器械安装于机械臂末端法兰，即“拿得稳”，避免因抖动产生失误的同时减轻了医生的工作量。
44.第二、把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
45.本发明作为辅助医生进行手术的系统，在设计上占用空间小，在手术执行中，占用时间短，解决了医院占地问题及手术耗时长的问题。另外，该系统结合人工智能知识辅助医
生进行病灶判断，解决了骨科医生需要长期经验的难题，加快了医疗进程。本发明加入mr系统，更方便了医生进行虚拟培训，缩短了医生培训时间。
46.第三、本发明骨科手术机器人系统适用于宠物医疗领域，填补的宠物医疗领域手术机器人系统的空白，为该领域医疗发展做了铺垫性准备。
附图说明
47.图1是本发明实施例提供的基于光学定位导航的骨科手术机器人系统结构示意图；
48.图2是本发明实施例提供的执行台车组成示意图；
49.图3是本发明实施例提供的mr系统组成示意图
50.图4是本发明实施例提供的中控台车组成示意图
51.图5是本发明实施例提供的手术操作模块组成示意图
52.图6是本发明实施例提供的执行台车结构示意图；
53.图7是本发明实施例提供的中控台车结构示意图；
54.图中：1、执行台车；2、mr系统；3、提示系统；4、中控台车；5、安全防护系统；6、手术操作模块；7、骨钻系统；8、跟踪系统；9、机械臂系统；10、光学导航传感器；11、操作中心；12、显示模块。
具体实施方式
55.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
56.一、如图1所示，本发明实施例提供的基于光学定位导航的骨科手术机器人系统包括：
57.执行台车1，用于进行移动，执行用户指定的固定针、螺钉的位置，引导用户进行精准钻孔、置钉操作。
58.mr系统2，用于提供一种交互式三维动态视景和行为系统仿真环境；通过患者的三维模型重建和虚拟手术环境，通过交互设备在虚拟环境中开展与实际手术相近的模拟手术，达到训练和教学目的，在虚拟环境中直接观测实时3d影像，制定合理的手术方案。
59.提示系统3，用于在手术过程的每个阶段中，利用声音和灯光两种方式提醒患者和医护人员，使仪器状态信息传达清晰。
60.中控台车4，用于在骨科手术机器人中进行监控跟踪，扩展医生视野，保证手术过程的安全可控。
61.安全防护系统5，通过急停开关在手术过程当发生紧急情况时进行切断电源。
62.手术操作模块6，通过软件程序提供给用户手术操作。
63.本发明实施例提供的执行台车1包括：骨钻系统7、跟踪系统8、机械臂系统9。机械臂系统分为两种：术中指引、辅助钻孔；在软件端做好术前规划后，机械臂末端按照预定的规划路径到达指定的位姿状态。手术过程中病患位置当出现变动，机械臂系统会根据新的位姿进行实时变换。骨钻系统安装于机械臂末端法兰处，用于给规划钻孔位置进行钻孔，代
替人工手持骨钻进行钻孔；骨钻系统7包括两个部分：骨钻运动模块、进给机构模块。进给机构模块，采用一个电机伺服，保持骨钻末端的进给，当到达指定位置时，骨钻运动模块开始运动，钻孔过程保持骨钻正转，钻孔完成后骨钻反转退出。跟踪系统安装在执行台车上边，跟踪系统包括两部分：机械臂本体跟踪模块、机械臂末端跟踪模块。机械臂本体跟踪模块用于调整跟踪工具的位置，由一个不规则的四边形框架及四个反光标记球组成，反光标记球在机械臂运动过程中保证被光学导航传感器观察到。机械臂本体、机械臂本体跟踪模块以及机械臂末端跟踪模块共同构成一个闭环系统，保证推车系统的稳定性。在骨钻系统执行钻骨的过程中，跟踪系统与显示模块能扩宽医生视野，保证钻骨精度。
64.本发明实施例提供的mr系统2包括：
65.三维数字化模型操作模块，在mr系统中导入三维重建的数字化模型后，为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积信息，在模型上进行任意旋转、放大、缩小、拖拽、剖切和测量。
66.手术规划模块，在术前mr系统中，进行手术的模拟，对骨科手术进行虚拟操作，达到训练和教学目的，同时指导后续的手术过程，通过不断试错，制定合理的手术方案。
67.病患信息显示模块，在病患处于麻醉状态中，mr系统显示病患信息和生命体征信息。
68.机械臂路径规划模块，通过虚拟的执行机械臂的操作，避开空间中障碍物，对机械臂本体的运动进行术前虚拟路径模拟；在路径规划完成后，在术中执行阶段，机械臂在mr系统中呈现运动过程，以确保实体机械臂运动的安全无误。
69.术后操作模块，通过术后操作界面显示术后的植入物真实位置和术前规划位置、术后x光图像、病患信息和生命体征信息。
70.本发明实施例提供的中控台车4包括：光学导航传感器10、操作中心11、显示模块12。
71.光学导航传感器10设置有工具注册模块和实时跟踪模块；工具注册模块能够对工具进行注册，生成配置文件，在手术过程中，光学导航能够根据配置文件对工具进行精准识别，从而保证目标物的唯一性。实时跟踪模块，首先跟踪机械臂本体跟踪工具，其次跟踪机械臂末端跟踪工具，执行台车在运动的过程中，光学导航持续监控跟踪，以确保机械臂运动过程安全可控。
72.操作中心进行人机交互、控制系统、数据存储传输及计算。人机交互提供给医护人员交互接口，对手术过程进行模拟，以及术前规划、查看信息功能。控制系统用来控制整机的通信过程，以确保整机系统安全可控。
73.显示模块进行操作显示和跟踪显示；操作显示提供给用户人眼可视化界面，包括软件操作、控制操作、注册操作。跟踪显示用以显示手术过程，提供手术视野，以保证手术的安全性。
74.本发明实施例提供的手术操作模块6包括：
75.硬件系统自检模块，用于开机自测，检测骨科机器人系统整机硬件连通性以及可使用情况，包括执行台车、中控台车、mr系统，以保证在执行手术前整机处于待命状态。
76.用户登录模块，包含医生信息数据库，软件启动后，根据注册账号进行登录，以保证医生及手术过程的安全隐私。
77.硬件系统标定模块，用以对硬件系统之间的坐标转换关系进行标定，在手术过程执行之前，以保证各个系统之间的坐标系统一。骨科手术机器人系统由中控台车、执行台车、骨钻系统、mr系统各个硬件系统组成，硬件系统之间的存在坐标转换关系及每个硬件系统自身存在相对应的坐标转换关系。
78.三维数字化重建模块，用以对病患信息在计算机中建立相同的三维虚拟模型；手术前，将患者的ct、mri二维医学影像原始数据导入，生成精准的三维可视化数字模型；重建的三维模型直观显示病灶区域的血管、神经、骨质组织结构，并任意旋转、缩放和测量，用于精准定位病灶位置，明确病灶与周围组织的空间毗邻关系，辅助医生进行准确诊断；同时用于术前的手术路径设计和风险评估，术中的模型校准，术后的效果评估；用于模拟手术操作，让医生得到充分训练，清晰地掌握手术过程，以提高手术的准确性和安全性。根据成像原理的不同，三维数字模型的重建可分为三类：基于ct影像、基于mri影像、基于超声影像的三维重建。
79.智能分割模块，用以帮助医生将感兴趣的区域提取并显示出来，并使尽可能的接近解剖结果，为后续数据的处理、临床诊疗和病理学研究提供可靠的依据。
80.智能规划模块，根据三维数字化病灶模型，为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积信息，任意旋转、剖切和测量三维模型，获得更多信息，作为手术规划的重要参考。在执行手术前对手术过程进行模拟，并制定手术方案，用于术中引导医生和机械臂的操作，以降低临床失误率。在软件中建立虚拟手术环境并模拟手术过程，精确地修正切除范围、切除路径、切口位置。
81.手术注册模块，骨科手术机器人执行手术之前将三维数字化模型中预先规划的手术路径与现实中的手术目标物进行注册，注册后将术前规划方案用于手术过程，引导机械臂或者医生进行手术操作。
82.术中观察模块，在执行手术的过程中，术中观察模块，对手术过程的关键性步骤进行观察显示，同时实时观察手术过程，当出现紧急情况，进行操作处理，以保证手术过程的安全性。术中观察模块加入mr系统之后，将手术真实客观世界与虚拟影像结合，用于可视化引导手术执行。术区三维模型和规划的手术路径通过增强现实技术投射至医生视野，现实当前位置与规划路径的偏差，辅助引导医生和机械进行操作。同时，使医生监控手术状态，扩大手术视野。
83.术后评估模块，在骨科手术机器人执行手术完成，缝合伤口后，系统拍摄 x-ray图片与术前规划影像进行对比，并在软件中显示，医生可评估本次手术的效果，以保证手术过程的标准化。
84.下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细的描述。
85.1、执行台车
86.执行台车固定后保持稳定状态，不固定的时候又能轻易被医护人员推动，手术过程中，如果出现视野遮挡，可轻易推动，方便操作。另外，系统执行用户指定的固定针、螺钉的位置，引导用户进行精准钻孔、置钉操作。同时机械臂能够代替人手臂握持操作器械，减轻医护人员的工作量，提高工作效率。如图2和图6所示，执行台车包括三个重要部分：骨钻系统7、跟踪系统8、机械臂系统9。
87.机械臂系统9的功能主要分为两种：术中指引、辅助钻孔。医生在软件端做好术前
规划后，机械臂末端能够按照预定的规划路径到达指定的位姿状态。手术过程中病患位置如果出现变动，机械臂系统会根据新的位姿进行实时变换。骨钻系统安装于机械臂末端法兰处，用于给规划钻孔位置进行钻孔，代替人工手持骨钻进行钻孔，减轻医护人员长时间手持骨钻带来的疲劳，同时机械臂法兰处安装骨钻克服了人工钻孔过程抖动带来的不安全问题。骨钻系统7主要包括两个部分：骨钻运动模块、进给机构模块。进给机构模块，采用一个电机伺服，保持骨钻末端的进给，当到达指定位置时，骨钻运动模块开始运动，钻孔过程保持骨钻正转，钻孔完成后骨钻反转退出。跟踪系统8安装在执行台车上边，跟踪系统8由两部分组成：机械臂本体跟踪模块、机械臂末端跟踪模块。机械臂本体跟踪模块用于调整跟踪工具的位置，其由一个不规则的四边形框架及四个反光标记球组成，反光标记球在机械臂运动过程中必须保证能被光学导航传感器观察到。机械臂本体、机械臂本体跟踪模块以及机械臂末端跟踪模块共同构成一个闭环系统，保证了推车系统的稳定性。在骨钻系统执行钻骨的过程中，跟踪系统与显示模块能扩宽医生视野，保证钻骨精度。
88.2、mr系统
89.虚拟现实技术利用计算机生成一种模拟环境，是一种可使用户沉浸其中的交互式三维动态视景和行为系统仿真环境。通过患者的三维模型重建和虚拟手术环境，医生通过交互设备即可在虚拟环境中开展与实际手术非常接近的模拟手术，达到训练和教学目的，手术医生也可在虚拟环境中直接观测实时3d影像，制定合理的手术方案。如图3所示，mr系统主要内容有：三维数字化模型操作模块、手术规划模块、病患信息显示模块、机械臂路径规划模块、术后操作模块。
90.三维数字化模型操作模块：mr系统中导入三维重建的数字化模型后，可为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积等信息，医生可在该模型上进行任意旋转、放大、缩小、拖拽、剖切和测量。
91.手术规划模块：在术前mr系统中，可进行手术的模拟，对骨科手术进行虚拟操作，达到训练和教学目的，也可指导后续的手术过程，即使不熟悉的医生，通过不断试错，最终也能够制定合理的手术方案。
92.病患信息显示模块：病患处于麻醉状态中，mr系统需显示病患信息(姓名，年龄，性别)和生命体征信息，例如血压、脉搏、呼吸、心电图等。
93.机械臂路径规划模块：mr系统的机械臂路径规划模块，通过虚拟的执行机械臂的操作，避开空间中障碍物，对机械臂本体的运动进行术前虚拟路径模拟。另外路径规划完成后，在术中执行阶段，机械臂可在mr系统中呈现运动过程，确保实体机械臂运动的安全无误。
94.术后操作模块：术后操作界面，mr系统显示术后的植入物真实位置和术前规划位置、术后x光图像、病患信息(姓名，年龄，性别)和生命体征信息(血压、脉搏、呼吸、心电图)，点击可展开查看详情。用户也可以对整个界面进行放大、缩小、旋转、拖拽操作。
95.3、提示系统
96.在手术过程的每个阶段，会有声音和灯光两种方式提醒患者和医护人员，使仪器状态信息传达更加清晰。
97.4、中控台车
98.中控台车由光学导航传感器10、操作中心11、显示模块12三部分组成。中控台车在
骨科手术机器人中起到一个监控跟踪作用，扩展了医生视野，同时保证手术过程的安全可控。如图4和图7所示，中控台车包括光学导航传感器 10、操作中心11、显示模块12。
99.光学导航传感器10有两种作用：工具注册、实时跟踪。工具注册模块，能够对工具进行注册，生成配置文件，在手术过程中，光学导航能够根据配置文件对工具进行精准识别，从而保证目标物的唯一性。实时跟踪模块，首先要跟踪机械臂本体跟踪工具，其次要跟踪机械臂末端跟踪工具，执行台车在运动的过程中，光学导航持续监控跟踪，确保机械臂运动过程安全可控。操作中心11 有三个主要功能：人机交互、控制系统、数据存储传输及计算。人机交互提供给医护人员交互接口，可对手术过程进行模拟，以及术前规划、查看信息等功能。控制系统用来控制整机的通信过程，确保整机系统安全可控。显示模块12 主要有两部分功能，操作显示和跟踪显示。操作显示部分提供给用户人眼可视化界面，包括软件操作、控制操作、注册操作等。跟踪显示主要显示手术过程，提供手术视野，保证手术的安全性。
100.5、安全防护系统
101.手术过程中，从医患双方安全角度出发，设置安全防护措施。安全防护系统设有急停开关，手术过程若发生紧急情况，医护人员可按下急停开关，立刻切断电源。
102.6、手术操作模块
103.如图5所示，手术操作模块，具体内容包括：硬件系统自检模块、用户登录模块、硬件系统标定模块、三维数字化重建模块、智能分割模块、智能规划模块、手术注册模块、术中观察模块、术后评估模块、风险防护模块。
104.硬件系统自检模块：用于开机自测，检测骨科机器人系统整机硬件连通性以及可使用情况，包括执行台车、中控台车、mr系统等，该自检模块可保证在执行手术前整机处于待命状态。
105.用户登录模块：包含医生信息数据库，软件启动后，医生可根据注册账号进行登录，用户登录模块的设计能保证医生及手术过程的安全隐私。
106.硬件系统标定模块：骨科手术机器人系统，由中控台车、执行台车、骨钻系统、mr系统等各个硬件系统组成，除了这些大的硬件系统之间的坐标转换关系之外，每个硬件系统其自身也存在相对应的坐标转换关系，例如执行工具与机械臂法兰之间的关系，光学导航传感器与执行台车之间的关系等。硬件系统标定模块，可对这些硬件系统之间的坐标转换关系进行标定，在手术过程执行之前，保证各个系统之间的坐标系统一。
107.三维数字化重建模块：当前，医生主要通过观察超声、x光、ct和mri等二维图像进行诊断。但是，二维图像无法直观展现病灶区域的立体解剖结构，需医生依靠经验进行推断；同时，图像存在走样、噪音、伪影等问题，影响医生准确判断病情。三维数字化重建模块，可对病患信息在计算机中建立相同的三维虚拟模型。手术前，可将患者的ct、mri等二维医学影像原始数据导入该模块，生成精准的三维可视化数字模型。重建的三维模型可直观显示病灶区域的血管、神经、骨质等组织结构，并可任意旋转、缩放和测量，用于精准定位病灶位置，明确病灶与周围组织的空间毗邻关系，有效辅助医生进行准确诊断。
108.三维模型重建除用于辅助诊断，还可用于术前的手术路径设计和风险评估，术中的模型校准，术后的效果评估；另外，还可用于模拟手术操作，让医生得到充分训练，更清晰地掌握手术过程，提高手术的准确性和安全性。
109.根据成像原理的不同，三维数字模型的重建可分为三类：基于ct影像、基于mri影像、基于超声影像等的三维重建。
110.智能分割模块：可帮助医生将感兴趣的区域提取并显示出来，并使其尽可能的接近解剖结果，为后续数据的处理、临床诊疗和病理学研究提供可靠的依据。
111.智能规划模块：根据三维数字化病灶模型，可为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积等信息，医生可任意旋转、剖切和测量三维模型，获得更多信息，作为手术规划的重要参考。在执行手术前对手术过程进行模拟，并制定手术方案，用于术中引导医生和机械臂的操作，以此降低临床失误率。该模块可在软件中建立虚拟手术环境并模拟手术过程，更精确地修正切除范围、切除路径、切口位置等。这样可预知手术的要点与难点、明确规避的血管与神经、评估术后的效果，提高手术的预见性，减少术中的探查时间，提高手术准确性。人工智能技术的引入，可帮助医生自动实现上述过程中的操作要求，做到手术过程的智能化，减少医生的工作量。即使对于新手医生，也能保证手术的可靠性，安全性。
112.手术注册模块：骨科手术机器人执行手术之前需将三维数字化模型中预先规划的手术路径与现实中的手术目标物进行注册，注册后可将术前规划方案用于手术过程，引导机械臂或者医生进行手术操作。
113.术中观察模块：在执行手术的过程中，术中观察模块，可对手术过程的关键性步骤进行观察显示，同时医护人员能够实时观察手术过程，如果出现紧急情况，可进行其他操作处理，保证手术过程的安全性。术中观察模块加入mr系统之后，可将手术真实客观世界与虚拟影像结合，用于可视化引导手术执行。术区三维模型和规划的手术路径通过增强现实技术投射至医生视野，现实当前位置与规划路径的偏差，辅助引导医生和机械进行操作。同时，也方便医生监控手术状态，扩大手术视野。
114.术后评估模块：骨科手术机器人执行手术完成，缝合伤口后，系统拍摄x-ray 图片与术前规划影像进行对比，并在软件中显示，医生可评估本次手术的效果，该模块可保证手术过程的标准化。
115.本发明的工作原理为：
116.入院诊断：入院后，医生可录入病患信息，症状信息，并根据相关症状做初步诊断，一般包括实验室检查、x光检查等常规诊断方法，最后根据诊断结果确定病灶部位。
117.术前操作：执行手术前需对病患进行插管麻醉，并根据病灶位置确定病患固定姿态。待病患麻醉固定后，可将跟踪工具植入病患病灶处，该位置不能妨碍手术过程，以确保手术过程中跟踪工具可见。跟踪工具植入病灶后，进行三维重建扫描，并根据三维数字化重建模块进行病患处的三维重建。根据重建后的效果，对病灶处进行观察并做术前规划处理，该过程模拟手术过程。必要情况下，依据病灶处的复杂情况可利用智能分割模块对相应组织进行分割识别。
118.术中执行：术前规划完成后，将术前规划信息与真实手术区域进行手术注册。此时光学导航传感器会根据当前病灶所在真实位置，指引机械臂末端到达指定位置。此时可选择利用mr系统进行机械臂的路径规划，保证机械臂运动过程中不与真实环境中的物体发生碰撞。机械臂末端按路径规划后的路径到达指定位置后，骨钻进给机构进行进给操作到达执行手术区域，可控制骨钻进行手术操作。骨钻执行过程中，显示模块会显示手术操作过程
及当前手术状态。
119.术后评估：手术完成后，缝合伤口，系统拍摄x-ray图片与术前规划图片进行对比展示在屏幕上，医生进行效果评价；生成报告信息，供医生或者患者查看。
120.二、应用实施例。
121.以宠物骨折固定术为例，具体实施步骤如下：
122.入院诊断：入院后，宠物医生可录入病患信息，症状信息，并根据相关症状做初步诊断，一般包括实验室检查、x光检查等常规诊断方法，最后根据诊断结果确定病灶部位。
123.术前操作：执行手术前需对病患进行插管麻醉，并根据病灶位置确定病患固定姿态。待病患麻醉固定后，可将跟踪工具植入病患病灶处，该位置不能妨碍手术过程，以确保手术过程中跟踪工具可见。跟踪工具植入病灶后，进行三维重建扫描，并根据三维数字化重建模块进行病患处的三维重建。根据重建后的效果，对病灶处进行观察并做术前规划处理，该过程模拟手术过程。必要情况下，依据病灶处的复杂情况可利用智能分割模块对相应组织进行分割识别。
124.术中执行：术前规划完成后，将术前规划信息与真实手术区域进行手术注册。此时光学导航传感器会根据当前病灶所在真实位置，指引机械臂末端到达指定位置。此时可选择利用mr系统进行机械臂的路径规划，保证机械臂运动过程中不与真实环境中的物体发生碰撞。机械臂末端按路径规划后的路径到达指定位置后，骨钻进给机构进行进给操作到达执行手术区域，可控制骨钻进行手术操作。骨钻执行过程中，显示模块会显示手术操作过程及当前手术状态。骨钻打完孔后，宠物医生会将骨板安置于对应病患处，进行手术固定。
125.术后评估：手术完成后，缝合伤口，系统拍摄x-ray图片与术前规划图片进行对比展示在屏幕上，医生进行效果评价；生成报告信息，供医生或者患者查看。
126.以宠物tplo手术为例，具体实施步骤如下：
127.入院诊断：入院后，宠物医生可录入病患信息，症状信息，并根据相关症状做初步诊断，一般包括实验室检查、x光检查等常规诊断方法，最后根据诊断结果确定病灶部位。
128.术前操作：执行手术前需对病患进行插管麻醉，并根据病灶位置确定病患固定姿态。待病患麻醉固定后，可将跟踪工具植入病患病灶处，该位置不能妨碍手术过程，以确保手术过程中跟踪工具可见。跟踪工具植入病灶后，进行三维重建扫描，并根据三维数字化重建模块进行病患处的三维重建。根据重建后的效果，对病灶处进行观察并做术前规划处理，该过程模拟手术过程。必要情况下，依据病灶处的复杂情况可利用智能分割模块对相应组织进行分割识别。
129.术中执行：术前规划完成后，将术前规划信息与真实手术区域进行手术注册。此时光学导航传感器会根据当前病灶所在真实位置，指引机械臂末端到达指定位置。此时可选择利用mr系统进行机械臂的路径规划，保证机械臂运动过程中不与真实环境中的物体发生碰撞。机械臂末端按路径规划后的路径到达指定位置后，骨钻进给机构进行进给操作到达执行手术区域，采用圆锯对定位区域进行精准切割。骨钻切割过程中，显示模块会显示手术操作过程及当前手术状态。tplo胫骨近端切割完成后，采用克氏针对切割区域进行旋转到指定角度，此时按照术前规划的骨板放置于固定区域，并采用骨钻钻孔，将tplo骨板固定于手术区域。
130.术后评估：手术完成后，缝合伤口，系统拍摄x-ray图片与术前规划图片进行对比
展示在屏幕上，医生进行效果评价；生成报告信息，供医生或者患者查看。
131.三、针对宠物骨折固定术，本发明能精准定位骨折区域，在微创情况下完成骨折固定操作，解决了传统骨折手术创口大、失血多的问题，同时术后恢复时间大大缩短。针对宠物tplo手术，本发明解决了精准切割问题，解决了传统手术切割位置不准确，骨板难以放置以及切割导致的骨折等问题。另外针对以上实施例，本发明采用mr系统，使整个病灶几乎完全暴露于医生视野中，增加了安全性，减轻了医生的疲劳度，缩短了手术时间。
132.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
133.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统包括：执行台车，用于进行移动，执行用户指定的固定针、螺钉的位置，引导用户进行精准钻孔、置钉操作；mr系统，用于提供一种交互式三维动态视景和行为系统仿真环境；通过患者的三维模型重建和虚拟手术环境，通过交互设备在虚拟环境中开展与实际手术相近的模拟手术，达到训练和教学目的；在虚拟环境中直接观测实时3d影像，制定合理的手术方案；提示系统，用于在手术过程的每个阶段中，利用声音和灯光两种方式提醒患者和医护人员，使仪器状态信息传达清晰；中控台车，用于在骨科手术机器人中进行监控跟踪，扩展医生视野，以保证手术过程的安全可控；安全防护系统，通过急停开关在手术过程当发生紧急情况时，进行切断电源；手术操作模块，通过软件程序提供给用户手术操作。2.如权利要求1所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述执行台车包括：骨钻系统、跟踪系统、机械臂系统；机械臂系统分为两种：术中指引、辅助钻孔；在软件端做好术前规划后，机械臂末端按照预定的规划路径到达指定的位姿状态；手术过程中病患位置当出现变动，机械臂系统根据新的位姿进行实时变换。3.如权利要求2所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述骨钻系统安装于机械臂末端法兰处，用于给规划钻孔位置进行钻孔，代替人工手持骨钻进行钻孔；骨钻系统包括两个部分：骨钻运动模块、进给机构模块；进给机构模块，采用一个电机伺服，保持骨钻末端的进给，当到达指定位置时，骨钻运动模块开始运动，钻孔过程保持骨钻正转，钻孔完成后骨钻反转退出。4.如权利要求2所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述跟踪系统安装在执行台车上边，跟踪系统包括两部分：机械臂本体跟踪模块、机械臂末端跟踪模块；机械臂本体跟踪模块用于调整跟踪工具的位置，由一个不规则的四边形框架及四个反光标记球组成，反光标记球在机械臂运动过程中以保证被光学导航传感器观察到；机械臂本体、机械臂本体跟踪模块以及机械臂末端跟踪模块共同构成一个闭环系统，以保证推车系统的稳定性；在骨钻系统执行钻骨的过程中，跟踪系统与显示模块扩宽医生视野，以保证钻骨精度。5.如权利要求1所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述mr系统包括：三维数字化模型操作模块，在mr系统中导入三维重建的数字化模型后，为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积信息，在模型上进行任意旋转、放大、缩小、拖拽、剖切和测量；手术规划模块，在术前mr系统中，进行手术的模拟，对骨科手术进行虚拟操作，达到训练和教学目的，同时指导后续的手术过程，通过不断试错，制定合理的手术方案；病患信息显示模块，在病患处于麻醉状态中，mr系统显示病患信息和生命体征信息；机械臂路径规划模块，通过虚拟的执行机械臂的操作，避开空间中障碍物，对机械臂本体的运动进行术前虚拟路径模拟；在路径规划完成后，在术中执行阶段，机械臂在mr系统中
呈现运动过程，以确保实体机械臂运动的安全无误；术后操作模块，通过术后操作界面显示术后的植入物真实位置和术前规划位置、术后x光图像、病患信息和生命体征信息。6.如权利要求1所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述中控台车包括：光学导航传感器、操作中心、显示模块；操作中心进行人机交互、控制系统、数据存储传输及计算；人机交互提供给医护人员交互接口，对手术过程进行模拟，以及术前规划、查看信息功能；控制系统用来控制整机的通信过程，以确保整机系统安全可控；显示模块进行操作显示和跟踪显示；操作显示提供给用户人眼可视化界面，包括软件操作、控制操作、注册操作；跟踪显示用以显示手术过程，提供手术视野，以保证手术的安全性。7.如权利要求6所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述光学导航传感器设置有工具注册模块和实时跟踪模块；工具注册模块对工具进行注册，生成配置文件，在手术过程中，光学导航根据配置文件对工具进行精准识别，以保证目标物的唯一性；实时跟踪模块中跟踪机械臂本体跟踪工具，跟踪机械臂末端跟踪工具，执行台车在运动的过程中，光学导航持续监控跟踪，以确保机械臂运动过程安全可控。8.如权利要求1所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述手术操作模块包括：硬件系统自检模块，用于开机自测，检测骨科机器人系统整机硬件连通性以及可使用情况，包括执行台车、中控台车、mr系统，以保证在执行手术前整机处于待命状态；用户登录模块，包含医生信息数据库，软件启动后，根据注册账号进行登录，以保证医生及手术过程的安全隐私；硬件系统标定模块，用以对硬件系统之间的坐标转换关系进行标定，在手术过程执行之前，以保证各个系统之间的坐标系统一；骨科手术机器人系统由中控台车、执行台车、骨钻系统、mr系统各个硬件系统组成，硬件系统之间的存在坐标转换关系及每个硬件系统自身存在相对应的坐标转换关系；三维数字化重建模块，用以对病患信息在计算机中建立相同的三维虚拟模型；手术前，将患者的ct、mri二维医学影像原始数据导入，生成精准的三维可视化数字模型；重建的三维模型直观显示病灶区域的血管、神经、骨质组织结构，并任意旋转、缩放和测量，用于精准定位病灶位置，明确病灶与周围组织的空间毗邻关系，辅助医生进行准确诊断；同时用于术前的手术路径设计和风险评估，术中的模型校准，术后的效果评估；用于模拟手术操作，让医生得到充分训练，清晰地掌握手术过程，以提高手术的准确性和安全性；根据成像原理的不同，三维数字模型的重建可分为三类：基于ct影像、基于mri影像、基于超声影像的三维重建；智能分割模块，用以帮助医生将感兴趣的区域提取并显示出来，并使尽可能的接近解剖结果，为后续数据的处理、临床诊疗和病理学研究提供可靠的依据。9.如权利要求8所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述手术操作模块还包括：智能规划模块，根据三维数字化病灶模型，为医生提供更直观、更精准的病灶位置、空间解剖结构、形态和容积信息，任意旋转、剖切和测量三维模型，获得更多信息，作为手术规
划的重要参考；在执行手术前对手术过程进行模拟，并制定手术方案，用于术中引导医生和机械臂的操作，以降低临床失误率；在软件中建立虚拟手术环境并模拟手术过程，精确地修正切除范围、切除路径、切口位置；手术注册模块，骨科手术机器人执行手术之前将三维数字化模型中预先规划的手术路径与现实中的手术目标物进行注册，注册后将术前规划方案用于手术过程，引导机械臂或者医生进行手术操作。10.如权利要求8所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统，其特征在于，所述手术操作模块还包括：术中观察模块，在执行手术的过程中，术中观察模块，对手术过程的关键性步骤进行观察显示，同时实时观察手术过程，当出现紧急情况，进行操作处理，以保证手术过程的安全性；术中观察模块加入mr系统之后，将手术真实客观世界与虚拟影像结合，用于可视化引导手术执行；术区三维模型和规划的手术路径通过增强现实技术投射至医生视野，现实当前位置与规划路径的偏差，辅助引导医生和机械进行操作；同时，使医生监控手术状态，扩大手术视野；术后评估模块，在骨科手术机器人执行手术完成，缝合伤口后，系统拍摄x-ray图片与术前规划影像进行对比，并在软件中显示，评估本次手术的效果，以保证手术过程的标准化。

技术总结

本发明属于医疗器械技术领域，公开了一种基于光学定位导航的骨科手术机器人系统及其控制方法，所述基于光学定位导航的骨科手术机器人系统包括：执行台车，用于进行移动，执行用户指定的固定针、螺钉的位置，引导用户进行精准钻孔、置钉操作；MR系统，用于提供一种交互式三维动态视景和行为系统仿真环境；提示系统，利用声音和灯光两种方式提醒患者和医护人员，使仪器状态信息传达清晰；中控台车，用于在骨科手术机器人中进行监控跟踪，扩展医生视野，以保证手术过程的安全可控；安全防护系统，通过急停开关在手术过程当发生紧急情况时，进行切断电源。本发明解决了传统手术完全依靠医生临床经验的痛点，可模拟手术教学，缩短医生培训时间。训时间。训时间。