基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人的製作方法
2023-10-07 06:44:14 1
專利名稱：基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人的製作方法
基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人本發明屬於一種醫療手術器械。儘管脊柱手術的治療方式有多種多樣，如脊柱骨折椎弓根釘內固定、脊柱滑脫椎弓根釘內固定、脊柱側彎矯形術、椎體成形術等，但大多數都要通過椎弓根這一途徑置入螺釘內固定或穿刺方能實現。所謂椎弓根就是連接人椎骨椎體和椎弓較窄的、呈不規則圓柱狀、半中空的骨性結構，左右側各有一個，從腰椎到頸椎，其寬度和高度逐漸減小，其周圍是脊髓、血管和臟器等重要組織。毫無疑問，經椎弓根置入螺釘內固定或穿刺存在一定風險， 穿透其骨皮質即有可能損傷神經、血管和臟器，造成癱瘓等災難性後果。因此，準確的經椎弓根置入在脊柱外科領域具有十分重要的意義。目前最為常用的經椎弓根途徑置入方法是人工置入，採用X線正、側位透視引導，手感調整角度，精度較差，文獻報導其失誤率可達6-41%。近年來，許多不同的方法應用於提高經椎弓根途徑置入的精確性，如誘發電位 (SEP)、術中電誘發肌電圖監測(EMG)，電阻抗、計算機輔助導航(computer aided surgery navigation system, CASNS)、個體化導向模板或數位化導向模板、電磁導航(EM)、手術機器人等。SEP、EMG、電阻抗等是以將要突破椎弓根骨皮質時發出警報的方式提醒術者調整置入方向，這類技術的不足是發現失誤時可能為時已晚。個體化導向模板或數位化導向模板是利用逆向工程原理製作三維模板及引導管，模板與椎骨後表面配合後引導椎弓根置入。 CASNS、EM等將術前獲取的脊柱CT、MRI圖像三維重建後數據存於「虛擬世界坐標空間」，術中定位器實時地將目標椎骨和手術器械的空間位置建立在「現實世界坐標系」中，通過這兩個坐標空間的匹配引導經椎弓根置入。根據影像採集的方式不同，CASNS可分為兩種(1) 基於CT的導航系統。術前進行手術部位脊柱CT掃描並三維重建。術者通過重新格式化和幾何測量選擇合適的進針點，術中根據系統的引導減少手術的盲目性。(2)基於C形臂X 線機透視的導航系統。無需術前CT掃描，手術時將數據收集環安裝到影像增強器並掃描數據收集環空影像，然後將參考架連接到需要手術的脊柱位置開始掃描。選擇並激活圖像，術者根據多幅圖像顯示的手術器械位置，模擬手術操作的路徑，可謂是脊柱外科真正意義的實時導航。CASNS雖顯著提高了置入的準確性，但仍存在6%的失誤率，還存在影像易漂移 (漂移發生率為66% )、追蹤系統易受幹擾、操作繁瑣費時、定位方法有創、不能動態實時監測等不足。1995年以來，國外相繼研發了幾種用於椎弓根置入的機器人，如以色列的脊柱助理(Spineass iant)、韓國的SPINEB0T以及德國的一種機器人等，都要依賴於上述CASNS 進行定位和姿態控制，這樣CASNS的不足在它們身上都可能會有體現。包含CASNS的手術機器人，不僅構成更加複雜，置入精度也難以進一步提高。綜上所述，儘管這些引導置入的方法形式迥異，但無一例外都要參照或依賴椎骨表面的解剖標誌。由於脊柱外科手術時，椎骨表面的解剖標誌可能被破壞，組織也會發生變形(如椎板切除減壓硬脊膜膨隆)，這樣它們會偏離術前圖像重建所確定的位置，偏離範圍有時甚至可達幾個釐米，使術前配準和融合形成的數據在術中出現偏差，這樣無疑會影響導航的精度。而糾正這種組織變形產生誤差的最佳方法就是術中應用實時超聲、術中CT和MRI實時成像技術、實時更新定位影像，及時發現和糾正偏差。這無疑將使整個手術系統更加複雜，操作也更為繁瑣費時，臨床上難以推廣應用。
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本發明的目的是提供一種基於基於椎骨內虛擬標識配準操控的、準確高效、操作簡便的脊柱導航手術機器人。本發明的技術方案是這樣實現的。該脊柱導航手術機器人由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手、單置入機器手等部分組成。機器人本體包括手術臺車和兩個六自由度移動單元，可分別使機器人本體連接器和χ線透視設備沿X方向(指手術臺長軸方向)、Y方向(指手術臺短軸方向)、z(指與手術臺垂直方向) 方向移動和旋轉。X線透視設備包括球管、影像接收器等。主控系統由控制臺、計算機、手控器、外部場景顯示系統、電機驅動器、控制軟體等組成。線配準器包括固定器、刻度尺、定位滑塊等。十字配準器包括固定器、四個透X線刻度板和金屬配準球及距離調節鎖緊裝置等。 雙置入機器手包括定位器、兩個導針及距離調整機構、角度調整機構和旋轉下降機構等。定位器包括兩個定位杆、信號開關、復位彈簧等。單置入機器手包括一個導針及旋轉升降機構等。由於臨床上以頸椎和上胸椎的椎弓根置入最為困難，下面分別以寰椎和第一胸椎為例說明該機器人的椎弓根置入過程。(1)寰椎「椎弓根」置入寰椎由前後兩弓及兩個側塊相互連成，呈環狀。前弓前部中央有前結節，後弓後部粗隆為後結節。解剖學上寰椎並無椎弓根結構，其兩個側塊相當於其他椎骨的椎弓根。術前在頭尾向等分寰椎的CT掃描剖面上， 進行以下測定(1)左右「椎弓根」置入點間距。(2)左右「椎弓根」中心軸線(即在頭尾向和內外向均等分椎弓根的軸線)與寰椎正中線的夾角。⑶在寰椎正中線兩側、後弓弧形骨線上選取兩點，其距切過後弓後結節最遠點的水平線的垂直距離相等。測量該兩點的間距， 其聯線為一虛擬標識即第一虛擬線段；測量兩點向切過後結節最遠點的水平線所作垂線的長度，其也為一虛擬標識即第二虛擬線段。術中設定(1)定位器兩定位杆相互平行並始終與X線透視設備的中心投照線垂直，兩定位杆尖端投影恰好位於該中心投照線上。(2)令兩定位杆尖端間的距離與後弓弧形骨線上選取的兩點長度相等。兩個定位杆尖端之間的聯線為一虛擬標識即第三虛擬線段。(3)將線配準器固定於X線透視設備，刻度尺的最遠端影恰好位於X線透視設備的中心投照線上。(4)調整定位滑塊，使其最下端至刻度尺最遠端的距離與第二虛擬線段的長度相等，定位滑塊最下端與刻度尺最遠端之間的聯線為一虛擬標識，即第四虛擬線段。(5)用X線透視設備對寰椎進行側位投照，使左、右椎弓根投影重合。 (6)通過手控器將雙置入機器手運動至寰椎後弓正上方，透視下調整兩定位杆，使其中心軸線頭尾向等分寰椎「椎弓根」，兩定位杆的投影完全重合，且其尖端緊壓寰椎後弓骨面，二者上移至接通信號開關。(7)微調雙置入機器手和X線透視設備，使定位滑塊最下端的投影和寰椎後結節最遠點的投影剛好接觸。定位滑塊的外徑必須大於兩定位杆的外徑，否則無法觀察滑塊的下緣的投影。當(5)、(6)、(7)三個狀態同時滿足時，第三虛擬線段與第一虛擬線段、第四虛擬線段第二虛擬線段即實現準確配準。由於第四和第二虛擬線段在空間上具有相當遠的距離，寰椎或機器人與X線透視設備的位置稍有變化，定位滑塊最下端的投影就會偏離寰椎後結節最遠點的投影，如此配準的精度就很高。(4)調整令雙置入機器手兩導針中心軸線的距離與左右「椎弓根」置入點的間距相等、兩導針中心軸線與正中面的夾角與左右「椎弓根」中心軸線與寰椎正中線的夾角相等。(5)啟動電機旋入導針並實時動態監測， 即在置入過程中透視觀察保持上述(5)、(6)、(7)三個狀態不變，導針即能沿椎弓根中心軸線準確置入。第一胸椎椎弓根置入椎弓根最為狹窄的部分即椎弓根峽部，如從椎弓根標準軸位即沿中心軸線投照，椎弓根峽部骨壁的內側緣必然投影為椎弓根投影的內緣。術前(1)在頭尾向等分寰椎的CT掃描剖面上，測量位於椎弓根峽部內、外側壁內面之間的、與椎弓根中心軸線垂直的最短線的長度，此線為第一虛擬線段。(2)在內外向等分寰椎的CT掃描剖面上，測量位於椎弓根峽部頭、尾側壁內面之間的、與椎弓根中心軸線垂直的最短線的長度，此線為第二虛擬線段。第一與第二虛擬線段相互垂直，構成了一個虛擬十字標識即第一虛擬十字標識。術中(1)保持X線透視設備的中心投照線與單置入機器手的導針的中心軸線始終重合。(2)將十字配準器固定於X線透視設備，四個金屬配準球外緣間的距離按內外和頭尾向調整與上述第一和第二虛擬線段的長度相等，這兩條虛擬線段相互垂直，就在四個金屬配準球外緣間形成另一個虛擬十字標識即第二虛擬十字標識。( 用X線透視設備從軸位對第一胸椎椎弓根投照，調整X線透視設備與單置入機器手，使四個金屬配準球投影的外緣恰好觸及內、外和頭、尾側壁投影的內緣，這樣就實現了第二和第一虛擬十字標識的配準。由於第二和第一虛擬十字標識在空間上具有相當遠的距離，第一胸椎或X線透視設備與單置入機器手的位置稍有變化，四個金屬配準球投影的外緣即會偏離內、外和頭、 尾側壁投影的內緣，如此配準的精度就很高。(4)啟動電機旋入導針並實時動態監測，即始終保持四個金屬配準球投影的外緣恰好觸及內、外和頭、尾側壁投影的內緣，這樣導針即能沿椎弓根中心軸線準確置入。本發明的結構結合附圖詳述如下。基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手、單置入機器手等部分組成。機器人本體包括手術臺車1和兩個六自由度移動單元，可分別使機器人本體連接器2和X線透視設備沿X方向(指手術臺長軸方向)、Y方向(指手術臺短軸方向)、Ζ(指與手術臺垂直方向)方向移動和旋轉。X線透視設備包括影像接收器3、球管4。機器人本體連接器2左右各有一個， 以便雙或單機器手插接。主控系統由控制臺、計算機、手控器、外部場景顯示系統、電機驅動器、控制軟體等組成。線配準器包括固定器5、刻度尺6、定位滑塊7等。固定器5可將線配準器固定於影像接收器3上。十字配準器包括固定器8、四個透X線刻度板9、四個金屬配準球10及距離調節鎖緊裝置11等。固定器8同樣可將線配準器固定於影像接收器3上。 雙置入機器手包括定位器12、兩個導針13及距離調整機構(由螺紋杆14，15和手柄16等組成)、角度調整機構(由刻度盤17、轉軸18、鎖緊螺母19組成)、旋轉下降機構(由電機 20、同步帶21、帶輪22，軸承23、底座M組成)和連接柱25。導針13的前段外部為螺紋， 安裝於底座M的螺紋孔26內，後段為方形，尾部有一槽。帶輪22內部為方形，其旋轉可使導針13旋轉下降。尾部的槽42以便人工轉動使導針13與機器手脫離。定位器12包括兩個定位杆27、信號開關觀、復位彈簧四、距離調節螺紋杆及手柄30等。轉動手柄30可調節兩定位杆27間的距離。單置入機器手包括一個導針31、旋轉升降機構(包括電機32、同步帶33、帶輪34，軸承35、底座36、透射線底託37、旋轉管38)和連接柱39。旋轉管38前段外為螺紋，後段外為方形結構，其內中空可透過射線。透射線底託37安裝於旋轉管38底部的孔40內。帶輪34內亦為方形結構，其旋轉可使導針31旋轉下降。導針31的後段外部為螺紋，尾部有一槽41以便人工旋轉使之與機器手脫開。由於臨床上以頸椎和上胸椎的椎弓根置入最為困難，下面分別以寰椎和第一胸椎為例說明該機器人的椎弓根置入過程。(1) 寰椎「椎弓根」置入寰椎由前後兩弓及兩個側塊相互連成，呈環狀。前弓前部中央有前結節，後弓後部粗隆為後結節。解剖學上寰椎並無椎弓根結構，其兩個側塊相當於其他椎骨的
5椎弓根。術前在頭尾向等分寰椎的CT掃描剖面上，進行以下測定(1)左右「椎弓根」置入點43間距。(2)左右「椎弓根」中心軸線44(即在頭尾向和內外向均等分椎弓根的軸線) 與寰椎正中線的夾角。(3)在寰椎正中線兩側、後弓弧形骨線上選取兩點，其距切過後結節最遠點的水平線的垂直距離相等。測量該兩點的間距，其聯線為一虛擬標識即第一虛擬線段45;測量兩點向切過後結節最遠點的水平線所作垂線的長度，其也為一虛擬標識即第二虛擬線段46。術中設定(1)定位器兩定位杆27相互平行並始終與X線透視設備的中心投照線垂直，兩定位杆27尖端投影恰好位於該中心投照線上。(2)令兩定位杆27尖端間的距離與後弓弧形骨線上選取的兩點長度相等。兩個定位杆27尖端之間的聯線為一虛擬標識即第三虛擬線段47。(3)將線配準器固定於X線透視的設備影像接收器3上，刻度尺6的最遠端影恰好位於X線透視設備的中心投照線上。(4)調整定位滑塊7，使其最下端至刻度尺6最遠端的距離與第二虛擬線段46的長度相等，定位滑塊7最下端與刻度尺最6遠端之間的聯線為一虛擬標識，即第四虛擬線段48。(5)用X線透視設備對寰椎進行側位投照，使左、右椎弓根投影重合。(6)通過手控器將雙置入機器手運動至寰椎後弓正上方，透視下調整兩定位杆27，使其中心軸線頭尾向等分寰椎「椎弓根」，兩定位杆27的投影完全重合，且其尖端緊壓寰椎後弓骨面，二者上移至接通信號開關觀。(7)微調雙置入機器手和X線透視設備，使定位滑塊7最下端的投影和寰椎後結節最遠點的投影剛好接觸。定位滑塊7的外徑必須大於兩定位杆27的外徑，否則無法觀察滑塊的下緣的投影。當(5)、(6)、(7)三個狀態同時滿足時，第三虛擬線段47與第一虛擬線段45、第四虛擬線段48第二虛擬線段46 即實現準確配準。由於第四48和第二虛擬線段46在空間上具有相當遠的距離，寰椎或機器人與X線透視設備的位置稍有變化，定位滑塊7最下端的投影就會偏離寰椎後結節最遠點的投影，如此配準的精度就很高。(4)調整令雙置入機器手兩導針中心軸線的距離與左右「椎弓根」置入點的間距相等、兩導針13中心軸線與正中面的夾角與左右「椎弓根」中心軸線與寰椎正中線的夾角相等。(5)啟動電機20旋入導針13並實時動態監測，即在置入過程中透視觀察保持上述(5)、(6)、(7)三個狀態不變，導針13即能沿椎弓根中心軸線準確置入。第一胸椎椎弓根置入椎弓根最為狹窄的部分即椎弓根峽部，如從椎弓根標準軸位即沿中心軸線投照，椎弓根峽部骨壁的內側緣必然投影為椎弓根投影的內緣。術前(1)在頭尾向等分寰椎的CT掃描剖面上，測量位於椎弓根峽部內、外側壁內面之間的、與椎弓根中心軸線垂直的最短線的長度，此線為第一虛擬線段49。(2)在內外向等分寰椎的CT掃描剖面上，測量位於椎弓根峽部頭、尾側壁內面之間的、與椎弓根中心軸線垂直的最短線的長度，此線為第二虛擬線段50。第一與第二虛擬線段相互垂直，構成了一個虛擬十字標識即第一虛擬十字標識51。術中(1)保持X線透視設備的中心投照線與單置入機器手的導針31 的中心軸線始終重合。( 將十字配準器固定於X線透視設備的影像接收器3，四個金屬配準球10外緣間的距離按內外和頭尾向調整與上述第一 49和第二虛擬線段50的長度相等， 這兩條虛擬線段相互垂直，就在四個金屬配準球外緣間形成另一個虛擬十字標識即第二虛擬十字標識52。( 用X線透視設備從軸位對第一胸椎椎弓根投照，調整X線透視設備與單置入機器手，使四個金屬配準球10投影的外緣恰好觸及內、外和頭、尾側壁投影的內緣， 這樣就實現了第二 52和第一虛擬十字標識51的配準。由於第二 52和第一虛擬十字標識 51在空間上具有相當遠的距離，第一胸椎X線透視設備與單置入機器手的位置稍有變化， 四個金屬配準球10投影的外緣即會偏離內、外和頭、尾側壁投影的內緣，如此配準的精度就很高。(4)啟動電機32旋入導針31並實時動態監測，即始終保持四個金屬配準球10投影的外緣恰好觸及內、外和頭、尾側壁投影的內緣，這樣導針即能沿椎弓根中心軸線準確置入。本發明具有以下優點定位精度高，不需要多坐標系相互匹配，操作簡便，能降低醫生的工作強度，可進行遠程手術，適用於多種脊柱手術。說明書
1.手術臺車2.機器人本體連接器3.影像接收器4.球管5.線配準器固定器6.刻度尺7.定位滑塊8.十字配準器固定器9.透X線刻度板10.金屬配準球11.配準球距離調節鎖緊裝置12.雙置入機器手定位器13.導針14.螺紋杆15.螺紋杆16.手柄17.刻度盤 18.轉軸19.鎖緊螺母20.電機21.同步帶22.帶輪23.軸承24.底座25.雙置入機器手連接柱26.螺紋孔27.定位杆28.信號開關29.復位彈簧30.手柄31.單置入機器手導針 32.電機33.同步帶34.帶輪35.軸承36.底座37.透射線底託38.旋轉管39.單置入機器手連接柱40.螺紋孔41.單置入機器手導針尾槽42.雙置入機器手導針尾槽43. 「椎弓根^入點44. 「椎弓根」中心軸線45.第一虛擬線段(寰椎)46.第二虛擬線段(寰椎)47. 第三虛擬線段(寰椎)48.第四虛擬線段(寰椎)49.第一虛擬線段(第一胸椎)50.第二虛擬線段(第一胸椎)51.第一虛擬十字標識52.第二虛擬十字標識圖1 基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人主視2 基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人俯視3 基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人側視4:線配準器圖5 十字配準器圖6:雙置入機器手俯視7:雙置入機器手側視8:單置入機器手側視9 寰椎「椎弓根」雙置入示意圖。
權利要求
1.一種基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人，它由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手、單置入機器手等部分組成。其特徵在於將設定在人椎骨內的虛擬標識和體外配準器上同樣的虛擬標識通過X線進行配準，引導經椎弓根置入或穿刺。
2.根據權力要求1所述的基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人，其特徵在於虛擬標識可以為虛擬線段或其他虛擬形式。
3.根據權力要求1所述的基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人，其特徵在於機器人本體包括手術臺車和兩個六自由度移動單元，可分別使機器人本體連接器和X 線透視設備沿X、Y、Z方向移動和旋轉。
4.根據權力要求1所述的基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人，其特徵在於機器人本體連接器左右各有一個，方便機器手插接。
5.根據權力要求1所述的基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人，其特徵在於線配準器的定位滑塊可成各種形狀，其外徑大於定位器的定位杆的外徑。
6.根據權力要求1所述的基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人，其特徵在於十字配準器金屬配準球也可以為其他各種形狀的、不透射線的材料所製成。
7.根據權力要求1所述的基於虛擬標識配準操控的脊柱導航手術機器人，其特徵在於雙置入機器手定位器的定位杆為兩個或以上。
全文摘要
一種脊柱導航手術機器人，它由機器人本體、X線透視設備、主控系統、線配準器、十字配準器、雙置入機器手、單置入機器手等部分組成。其特徵在於將設定在人椎骨內的虛擬標識和體外配準器上同樣的虛擬標識通過X線進行配準，引導經椎弓根置入或穿刺。它具有定位精度高、不需要多坐標系相互匹配、操作簡便、能降低醫生的工作強度、可進行遠程手術等優點，適用於多種脊柱手術。
文檔編號A61B19/00GK102485181SQ201010582649
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者張春霖 申請人:張春霖