基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102727312 A (43)申请公布日 2012.10.17 CN 102727312 A *CN102727312A* (21)申请号 201210227724.0 (22)申请日 2012.07.03 A61B 19/00(2006.01) (71)申请人 张春霖 地址 450052 河南省郑州市建设东路 1 号郑 州大学第一附属医院骨科 (72)发明人 张春霖 (74)专利代理机构 北京集佳知识产权代理有限 公司 11227 代理人 魏晓波 (54) 发明名称 基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定 方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于体外标志物的手术。

2、机 器人骨骼基准确定方法， 所述骨骼基准确定方法 包括步骤 ： 11) 将体外标志物与目标骨骼作为整 体进行 CT 扫描并三维重建， 确定影像坐标系 ； 12) 确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物， 获取所述参照物在影像坐标系中的坐标， 并获取 所述目标骨骼的基准与所述参照物的相对位置 ； 13) 根据所述相对位置获取所述目标骨骼的基准 在影像坐标系中的坐标， 以便在手术时将手术机 器人坐标系与所述影像坐标系配准， 并以所述目 标骨骼的基准的坐标引导或控制手术机器人进行 手术。这种基准确定方法能够实现对骨骼基准的 准确定位， 以保证骨骼手术的安全性和疗效。 (51)Int.Cl. 权利要。

3、求书 2 页 说明书 9 页 附图 9 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 9 页 附图 9 页 1/2 页 2 1. 一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 它由体外标志物、 机器人本 体、 手术台、 移动单元、 操控台、 探针、 三维重建软件及编程控制软件、 刀具等组成 ； 其特征在 于 ： 术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其 “绑定” 进行影像学检查， 数据资料传输并储 存于计算机 ； 术中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面多点的坐标， 与上述储存 的数据资料进行比对后， 在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点。

4、、 线或面的坐标， 再以这些点、 线或面等作为基准， 引导或控制机器人进行精确手术。 2. 根据权利要求 1 所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其特征在 于 ： 体外标志物可用多种材料之制成， 可呈矩形或其他任何形状， 其上的点、 线或面等均可 作为骨骼手术参照基准。 3. 根据权利要求 1 所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其特征在 于 ： 以体外标志物上的点、 线或面等作为骨骼手术参照基准的各种编程控制软件。 4. 根据权利要求 1 所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其特征在 于， 所述骨骼基准确定方法包括步骤 ： 11) 将体外标志物。

5、与目标骨骼作为整体进行 CT 扫描并三维重建， 确定影像坐标系 ； 12) 确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物， 获取所述参照物在影像坐标系中 的坐标， 并获取所述目标骨骼的基准点与所述参照物的相对位置 ； 13) 根据所述相对位置获取所述基准点在影像坐标系中的坐标， 以便在手术时将手术 机器人坐标系与所述影像坐标系配准， 并以所述基准点的坐标引导手术机器人进行手术。 5. 根据权利要求 4 所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其特征在 于， 所述目标骨骼为寰椎， 所述基准确定方法的各个步骤具体为 ： 11) 将所述体外标志物、 所述寰椎和与所述寰椎相邻的枢椎作为整体进行。

6、 CT 扫描并三 维重建， 确定影像坐标系 ； 12) 确定所述寰椎、 所述枢椎的内外等分剖面在所述体外标志物表面的投影为参照线， 获取所述参照线在所述影像坐标系中的坐标 ； 获取所述枢椎左、 右椎弓根置入点连线的中 点的坐标， 以及该点到所述参照线的第一高度， 获取所述寰椎、 所述枢椎的寰枢关节中心点 到所述参照线的第二高度， 并测量所述枢椎左、 右椎弓根置入点连线的中点与所述寰枢关 节中心点的水平距离 ； 13) 根据所述第一高度与所述第二高度的差值， 以及所述水平距离获取所述寰枢关节 中心点在所述影像坐标系中的坐标。 6. 根据权利要求 5 所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方。

7、法， 其特征在 于， 所述步骤 13) 后还包括 ： 14) 将所述手术机器人的机器手以所述寰枢关节中心点为圆心， 以大于所述寰枢关节 中心点至寰椎左椎弓根置入点、 寰椎右椎弓根置入点的距离， 且小于所述寰枢关节中心点 至所述寰椎左边缘点、 所述寰椎右边缘点的距离为半径转动， 使所述机器手的导针与所述 寰椎后弓左、 右触碰， 生成两触点的中心点的坐标 ； 15) 将导针沿所述寰枢关节中心点与所述两触点的中心点的连线运动， 再继续向左或 向右移动所述寰椎置入点到正中面的距离 ； 16) 按照预先测量的左、 右椎弓根置入角度调整姿态， 以便进行手术。 7. 根据权利要求 5 所述的基于体外标志物的。

8、手术机器人骨骼基准确定方法， 其特征在 权 利 要 求 书 CN 102727312 A 2 2/2 页 3 于， 所述目标骨骼为股骨， 所述基准确定方法的各个步骤具体为 ： 11) 将所述体外标志物、 所述股骨作为整体进行 CT 扫描并三维重建， 确定影像坐标系 ； 12) 以所述体外标志物上的水平面为参照面 ( 水平面 )， 确定所述股骨上的第一预设 点， 所述参照面上的第二预设点、 第三预设点、 第四预设点， 并确定所述参照面在所述影像 坐标系中的坐标 ； 获取在所述股骨最大截面处截取所述股骨的第一水平剖面到所述参照面的距离， 确定 第二预设点、 第三预设点分别在所述第一水平 剖面图的第。

9、一投影点、 第二投影点的位置， 并测量所述股骨头中心点、 所述第一投影点、 第二投影点两两之间的距离 ； 获取通过所述股骨的髁间窝的第二水平剖面到所述参照面的距离， 确定所述第二预设 点、 第三预设点分别在所述第二水平剖面图上的第三投影点、 第四投影点的位置， 并测量所 述股骨髁间窝中心点、 所述第三投影点、 所述第四投影点两两之间的距离 ； 13) 根据所述股骨头中心点、 所述第一投影点、 第二投影点两两之间的距离获取所述股 骨头中心点的坐标 ； 根据所述股骨髁间窝中心点、 所述第三投影点、 所述第四投影点两两之 间的距离获取所述股骨髁间窝中心点的坐标 ； 获取所述股骨头中心点与所述股骨髁间。

10、窝中 心点的第一连线。 8. 根据权利要求 7 所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其特征在 于， 所述步骤 12) 中还包括 ： 获取通过距骨顶点中心的第三水平剖面到所述参照面的距离， 确定所述第二预设点、 第三预设点分别在所述第三水平剖面上的第五投影点、 第六投影点的位置， 并测量所述距 骨顶点中心、 所述第五投影点、 所述第六投影点两两之间的距离 ； 所述步骤 13) 中还包括 ： 根据所述距骨顶点中心、 所述第五投影点、 所述第六投影点两两之间的距离获取所述 距骨中心点的坐标， 获取所述股骨髁间窝中心点与所述距骨顶点中心的第二连线。 9. 根据权利要求 7 或 8 所述。

11、的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其特 征在于， 所述第一预设点为所述股骨髁的滋养孔， 或者所述第一预设点采用穿刺针在所述 股骨上扎刺获得。 10. 根据权利要求 5 所述的基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其特征 在于， 所述步骤 11) 具体为 ： 先采用固定装置通过无创伤的方式固定所述体外标志物和所述目标骨骼， 再将所述体 外标志物与所述目标骨骼作为整体进行 CT 扫描， 建立影像坐标系。 权 利 要 求 书 CN 102727312 A 3 1/9 页 4 基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法 技术领域 0001 本发明属于一种医疗技术， 尤其涉及一种基。

12、于体外标志物的手术机器人骨骼基准 确定方法。 背景技术 0002 目前每年全世界都有成千上万的患者进行各种与骨骼有关的手术， 如骨科手术、 神经外科手术等， 这些手术的安全性与疗效果无疑和手术定位及操作的精度紧密相关。例 如， 脊柱椎弓根钉内固定手术， 由于椎弓根周围是脊髓、 血管和脏器等重要组织， 经椎弓根 置入螺钉内固定存在一定风险， 穿透其骨皮质造成血管、 脏器和神经损伤， 发生瘫痪。 因此， 准确的经椎弓根置入在脊柱外科领域具有十分重要的意义。 但目前最为常用的经椎弓根途 径置入方法是人工置入， 依据体内骨表面标志精度较差， 文献报道其失误率可达6-41。 又 例如， 人工膝关节置换手。

13、术， 由于股骨、 胫骨形状不规则， 缺乏可靠的骨表面标志， 术中定位 困难， 势必影响手术精度的精度， 而对于这种人工膝关节置换， 精准的下肢力线重建非常重 要， 是术后获得满意疗效和假体长期存活的关键。 生理状态下， 当人体站立时， 股骨头中心、 膝关节中心及踝关节中心处于同一条直线， 此直线即下肢力线(也称机械轴)。 轻微的力线 不良即可引发早期松动、 平台塑件磨损和关节功能不良。研究表明， 下肢力线偏差在 3 以内的假体10年存留率可达到90， 超过3则降为73。 下肢力线偏离膝关节中心与 假体的无菌性松动也有密切关系， 下肢力线偏差如果在 3之内， 术后 12 年假体松动率 为3， 如。

14、果下肢力线偏差超过4则松动率增加至24。 下肢力线内翻时还会增加聚乙 烯衬垫的磨损， 当膝关节内翻5或更多时， 聚乙烯衬垫的磨损将增加到0.1050.125mm/ y。为保证术后下肢力线的精度， 目前有髓内定位法、 髓外定位法和计算机导航辅助定位法 应用于人工膝关节置换。 髓内及髓外定位法依靠大量的体内骨性标志， 如经股骨髁上轴线、 Whiteside 线、 股骨后髁轴线、 胫骨结节内侧缘、 内上髁最高点、 外上髁最高点、 胫骨后髁线、 胫骨经髁线、 胫骨中沟线、 踝间线、 第 2 跖骨线和胫骨结节中内 1/3 线等， 准确率为 65 89.1。计算机导航辅助定位分为 CT、 X 射线影像依赖。

15、型和非依赖型， 但都需要录入下肢的 体内的骨性标志方能实现。 再例如， 脊柱骨折、 脊柱肿瘤、 脊柱侧弯、 椎间盘突出、 椎管狭窄、 脊柱滑脱等多种脊柱疾患， 尽管其减压手术方法多种多样， 但均面临一个同样的风险， 即手 术可能发生神经损伤、 造成灾难性的后果， 其原因主要还是和不能精准地进行骨骼基准确 定及手术操作有关。 0003 综上所述， 尽管涉及骨骼的各种手术方法形式迥异， 但无一例外都要参照或依赖 体内骨骼表面的标志。 由于这些标志可能受到解剖变异、 骨赘增生、 肥胖、 过多的软组织、 畸 形等因素的影响， 会造成目测判读或触摸困难， 这样无疑将影响定位精度导致偏差， 进而影 响手术。

16、的安全与疗效。 0004 此外， 现有技术中一些其他的定位方法， 如框架定位， 由于有创目前已趋于淘汰。 基于特定底框内 CT、 MRI 扫描的立体定向手术系统， 利用扫描罩注册精度较高， 但手术只能 在CT或MRI室进行， 应用受到局限 ； 采用体表马克注册， 由于不能保证术中及术前体位一致 说 明 书 CN 102727312 A 4 2/9 页 5 及皮肤的移动而定位精度较低， 只能用于精度要求不高的骨科手术。 0005 有鉴于此， 亟待针对上述技术问题， 另辟蹊径设计一种手术机器人骨骼基准确定 方法， 实现对骨骼基准的准确定位， 以保证骨骼手术的安全性和疗效。 发明内容 0006 本发。

17、明的目的是提供一种新的骨骼手术点、 线或面等参照标志的确定方法， 从而 为各种需要精确操作包括数字化切割的骨骼手术提供基准， 保证手术精度， 提高手术的安 全和疗效。 0007 为解决上述技术问题， 本发明提供一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确 定方法， 它由体外标志物、 机器人本体、 手术台、 移动单元、 操控台、 探针、 三维重建软件及编 程控制软件、 刀具等组成 ； 其特征在于 ： 术前在手术目标骨骼体外放置标志物和其 “绑定” 进行影像学检查， 数据资料传输并储存于计算机 ； 术中机器人探测并记录体外标志物对应 的骨骼表面一个或以上的点的坐标， 与上述储存的数据资料进行比对后， 。

18、在机器人的坐标 系中自动生成体外标志物上的点、 线或面的坐标， 再以这些点、 线或面等作为基准， 引导或 控制机器人进行精确手术。 0008 优选地， 体外标志物可用多种材料之制成， 可呈矩形或其他任何形状， 其上的点、 线或面等均可作为骨骼手术参照基准。 0009 优选地， 以体外标志物上的点、 线或面等作为骨骼手术参照基准的各种编程控制 软件。 0010 优选地， 所述骨骼基准确定方法包括步骤 ： 0011 11) 将体外标志物与目标骨骼作为整体进行 CT 扫描并三维重建， 确定影像坐标 系 ； 0012 12) 确定所述体外标志物上的点或线或面为参照物， 获取所述参照物在影像坐标 系中的。

19、坐标， 并获取所述目标骨骼的基准点与所述参照物的相对位置 ； 0013 13) 根据所述相对位置获取所述基准点在影像坐标系中的坐标， 以便在手术时将 手术机器人坐标系与所述影像坐标系配准， 并以所述基准点的坐标引导手术机器人进行手 术。 0014 优选地， 所述目标骨骼为寰椎， 所述基准确定方法的各个步骤具体为 ： 0015 11) 将所述体外标志物、 所述寰椎和与所述寰椎相邻的枢椎作为整体进行 CT 扫描 并三维重建， 确定影像坐标系 ； 0016 12) 确定所述寰椎、 所述枢椎的内外等分剖面在所述体外标志物表面的投影为参 照线， 获取所述参照线在所述影像坐标系中的坐标 ； 获取所述枢椎左。

20、、 右椎弓根置入点连线 的中点的坐标， 以及该点到所述参照线的第一高度， 获取所述寰椎、 所述枢椎的寰枢关节中 心点到所述参照线的第二高度， 并测量所述枢椎左、 右椎弓根置入点连线的中点与所述寰 枢关节中心点的水平距离 ； 0017 13) 根据所述第一高度与所述第二高度的差值， 以及所述水平距离获取所述寰枢 关节中心点在所述影像坐标系中的坐标。 0018 优选地， 所述步骤 13) 后还包括 ： 0019 14) 将所述手术机器人的机器手以所述寰枢关节中心点为圆心， 以大于所述寰枢 说 明 书 CN 102727312 A 5 3/9 页 6 关节中心点至寰椎左椎弓根置入点、 寰椎右椎弓根置。

21、入点的距离， 且小于所述寰枢关节中 心点至所述寰椎左边缘点、 所述寰椎右边缘点的距离为半径转动， 使所述机器手的导针与 所述寰椎后弓左、 右触碰， 生成两触点的中心点的坐标 ； 0020 15) 将导针沿所述寰枢关节中心点与所述两触点的中心点的连线运动， 再继续向 左或向右移动所述寰椎置入点到正中面的距离 ； 0021 16) 按照预先测量的左、 右椎弓根置入角度调整姿态， 以便进行手术。 0022 优选地， 所述目标骨骼为股骨， 所述基准确定方法的各个步骤具体为 ： 0023 11) 将所述体外标志物、 所述股骨作为整体进行 CT 扫描并三维重建， 确定影像坐 标系 ； 0024 12) 以。

22、所述体外标志物上的水平面为参照面， 确定所述股骨上的第一预设点， ， 确 定所述参照面上的第二预设点、 第三预设点， 第四预设点， 并确定所述参照面在所述影像坐 标系中的坐标 ； 0025 获取在所述股骨最大截面处截取所述股骨的第一水平剖面到所述参照面的距离， 确定第二预设点、 第三预设点分别在所述第一水平剖面图的第一投影点、 第二投影点的位 置， 并测量所述股骨头中心点、 所述第一投影点、 第二投影点两两之间的距离 ； 0026 获取通过所述股骨的髁间窝的第二水平剖面到所述参照面的距离， 确定所述第二 预设点、 第三预设点分别在所述第二水平剖面图上的第三投影点、 第四投影点的位置， 并测 量。

23、所述股骨髁间窝中心点、 所述第三投影点、 所述第四投影点两两之间的距离 ； 0027 13) 根据所述股骨头中心点、 所述第一投影点、 第二投影点两两之间的距离获取所 述股骨头中心点的坐标 ； 根据所述股骨髁间窝中心点、 所述第三投影点、 所述第四投影点两 两之间的距离获取所述股骨髁间窝中心点的坐标 ； 获取所述股骨头中心点与所述股骨髁间 窝中心点的第一连线。 0028 优选地， 所述步骤 12) 中还包括 ： 0029 获取通过距骨顶点中心的第三水平剖面到所述参照面的距离， 确定所述第二预设 点、 第三预设点分别在所述第三水平剖面上的第五投影点、 第六投影点的位置， 并测量所述 距骨顶点中心。

24、、 所述第五投影点、 所述第六投影点两两之间的距离 ； 0030 所述步骤 13) 中还包括 ： 0031 根据所述距骨顶点中心、 所述第五投影点、 所述第六投影点两两之间的距离获取 所述距骨中心点的坐标， 获取所述股骨髁间窝中心点与所述距骨顶点中心的第二连线。 0032 优选地， 所述第一预设点为所述股骨髁的滋养孔或其他具有类似作用的结构， 或 者所述第一预设点采用穿刺针在所述股骨上扎刺获得。 0033 优选地， 所述步骤 11) 具体为 ： 0034 先采用固定装置通过无创伤的方式固定所述体外标志物和所述目标骨骼， 再将所 述体外标志物与所述目标骨骼作为整体进行 CT 扫描， 建立影像坐标。

25、系。 0035 本发明提供一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 其术前在手术 目标骨骼体外放置标志物和其 “绑定” 进行影像学检查， 数据资料传输并储存于计算机 ； 术 中机器人探测并记录体外标志物对应的骨骼表面多点的坐标， 与上述储存的数据资料进行 比对后， 在机器人的坐标系中自动生成体外标志物上的点、 线或面的坐标， 再以这些点、 线 或面等作为基准， 引导或控制机器人进行精确手术。 说 明 书 CN 102727312 A 6 4/9 页 7 0036 采用这种方法能够准确地获取目标骨骼的基准点， 提高骨骼手术的准确度和疗 效。 附图说明 0037 图 1 为体外标志物及骨骼。

26、 “绑定” CT 扫描示意图 ； 0038 图 2 为手术机器人端视图 ； 0039 图 3 为手术机器人侧视图 ； 0040 图 4 为手术机器人俯视图 ； 0041 图 5 为手术机器人的操控台结构示意图 ； 0042 图 6 为本发明所提供基准确定方法的一种具体实施方式的流程框图 ； 0043 图 7 为本发明所提供基准确定方法的另一种具体实施方式流程框图 ； 0044 图 8 为寰、 枢椎内外等分剖视图 ； 0045 图 9 为枢椎端视图 ； 0046 图 10 为寰、 枢椎俯视图 ； 0047 图 11 为寰椎端视图 ； 0048 图 12 为本发明所提供基准确定方法的第三种具体实施。

27、方式的流程框图 ； 0049 图 13 为体外标志物与股骨、 胫骨 “绑定” 基准构建示意图 ； 0050 图 14 为体外标志物与股骨、 胫骨 “绑定” 基准构建侧视图 ； 0051 图 15 为图 14 的 K 向示意图 ； 0052 图 16 为体外标志物与股骨、 胫骨 “绑定” 基准构建俯视图 ； 0053 图 17 为坐标系配准胫骨截骨后膝关节屈曲状态示意图。 0054 图 1 至图 17 中的附图标记与部件名称之间的对应关系为 ： 0055 1 体外标志物 ； 11 矩形板 ； 12 侧圆柱 ； 13 基准线 ； 14 基准点 ； 15 基准面 ； 0056 2机器人 ； 22机器。

28、人本体 ； 23手术台 ； 24移动单元 ； 25操控台 ； 26探针 ； 27显示器 ； 28 电机 ； 0057 3 寰椎 ； 31 寰枢椎左右等分剖面 ； 32 正中面 ； 寰枢椎关节中心点 O ； N 寰椎左置入 点 ； N寰椎右置入点 ； n 垂直距离 ； 寰椎左椎弓根置入角度 ； 寰椎右椎弓根置入角 度 ； K 寰椎左边缘点 ； K寰椎右边缘点 ； L 寰椎后弓左侧触点 ； L寰椎后弓右侧触点 ； D 中 心点 ； 0058 4 枢椎 ； M 枢椎左置入点 ； M枢椎右置入点 ； A 中点 ； h第一高度 ； 0059 5、 股骨 ； 51第一预设点 ； E股骨头中心点 ； B股骨。

29、内弧线点 ； B股骨外弧线点 ； G髁 间窝中心点 ； P 股骨内侧后髁最低点 ； P股骨外侧后髁最低点 ； 距骨顶点中心 E ； 0060 6 胫骨 ； u， u水平距离 ； w， w水平距离 ； Q 内踝触点 ； Q外踝触点 ； 0061 7 固定装置 ； 71 固定板 ； 72 固定座 ； 73 底座 ； 75 固定螺钉 ； 76 固定带 ； 77 挡板 ； 78 滑槽 ； 79 钢针 ； 710 固定架 ； 711 锁紧装置 ； 712 压力传感器。 具体实施方式 0062 本发明的核心为提供一种基于体外标志物的手术机器人骨骼基准确定方法， 该方 法能够对目标骨骼的基准进行准确定位， 。

30、以提高骨骼手术的安全性和疗效。 说 明 书 CN 102727312 A 7 5/9 页 8 0063 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案， 下面结合附图和具体实 施例对本发明作进一步的详细说明。 0064 请参考图 2 至图 5 所示， 图 2 为手术机器人端视图 ； 图 3 为手术机器人侧视图 ； 图 4 为手术机器人俯视图 ； 图 5 为手术机器人的操控台。 0065 在一种具体实施方式中， 如图 2 至图 5 所示， 手术机器人 2 由机器人本体 22、 手术 台 23、 移动单元 24、 操控台 25、 探针 26、 三维重建软件及编程控制软件、 刀具等组成。体外 标志。

31、物 1 由不影响 CT 扫描的材料组成， 其可以呈矩形、 表面光滑且平整， 可依据其上的点、 线或面等作为基准参照标志。手术台 23 可沿 X 轴、 Y 轴、 Z 轴平移或升降。移动单元 24 由 多根导轨、 电机 28、 驱动器、 传感器等组成。操控台 25 由计算机、 显示器 27、 三维重建软件 及编程控制软件等组成。探针 26 由电机 28、 驱动器、 移动机构、 传感器等组成。 0066 如图 1 所示， 该图 1 为体外标志物及骨骼 “绑定” CT 扫描示意图 ； 以股骨 5 远端截 骨为例， 术前将体外标志物 1 放置在股骨 5 上方体外合适位置并固定牢稳， 体外标志物 1 与 。

32、股骨 5 一并进行 CT 扫描并三维重建， 数据资料传输并储存于计算机。以基准面 15 为参照 面， 在距其垂直高度为 a 的通过股骨头的最大 CT 剖面图上， 确定股骨头的中心点 E， 股骨 5 内弧线上选取点 B， 外弧线上选取点 B。测量 EB、 EB、 B B的长度。术中显露部分股骨 5， 手术台 23 平移， 探针 26 上下多次运动， 探测并记录体外标志物 1 下方股骨 5 上表面多点 的坐标。计算机与上述储存的数据资料进行比对后， 在其坐标系中自动生成体外标志物 1 空间点、 线或面等坐标位置。以之为参照， 探针 26 运动至点 B、 B并自动记录这些点的坐 标， 以之为基准， 。

33、由于 EB、 EB及 BB的长度为已知， 这样机器人 2 的计算机系统即可自动 生成股骨头中心 E 的坐标。同样以基准面 15 为参照面， 自动生成股骨 5 髁间窝中心点 G 的 坐标， EG 连线即下肢力线的股骨段。以该下肢力线为参照， 机器人 2 在编程控制软件的控 制下， 其刀具自动完成股骨 5 远端五个端面的数字化截骨。 0067 本发明构思巧妙， 骨骼基准建立的过程中既无创伤， 也不受解剖变异、 骨赘增生、 畸形等因素的影响， 精确度高， 可靠简便， 适用范围广。 0068 请参考图 6， 图 6 为本发明所提供基准确定方法的一种具体实施方式的流程框图 ； 0069 在一种具体实施方。

34、式中， 如图6所示， 本发明所提供的基于体外标志物1的手术机 器人 2 骨骼基准确定方法， 该骨骼基准确定方法包括如下步骤 ： 0070 S11 ： 将体外标志物1与目标骨骼作为整体进行CT扫描并三维重建， 确定影像坐标 系 ； 0071 S12 ： 确定体外标志物 1 上的点或线或面为参照物， 获取参照物在影像坐标系中的 坐标， 并获取目标骨骼的基准点与参照物的相对位置 ； 0072 S13 ： 根据相对位置获取目标骨骼的基准在影像坐标系中的坐标， 以便在手术时将 手术机器人 2 坐标系与影像坐标系配准， 并以目标骨骼的基准的坐标引导或控制手术机器 人 2 进行手术。 0073 上述基准确定。

35、方法首先将体外标志物 1 和目标骨骼置于同一坐标系中， 体外标志 物 1 相当于一块形状规则、 且位置固定的 “骨骼” 设置该坐标系中， 然后将体外标志物 1 的 一部分作为参照物， 该参照物在影像坐标系中的坐标可以通过测量等手段获取 ； 再通过测 量目标骨骼的基准与参照物的相对位置获取目标骨骼的基准在影像坐标系中的坐标。 0074 采用这种基准确定方法， 设置位置固定、 形状规则的体外标志物 1 的参照物作为 说 明 书 CN 102727312 A 8 6/9 页 9 中介桥梁， 通过依次确定参照物的坐标-基准与参照物的相对位置-基准的坐标的方法， 巧 妙地解决了手术过程中某些目标骨骼的基。

36、准在 CT 坐标下无法直接测量确定的难题， 实现 了对目标骨骼的基准进行准确定位的效果， 以便后续手术机器人 2 依照该基准进行手术， 能够大大提高骨骼手术的安全性和疗效。 0075 需要说明的是， 上述参照物可以具体为体外标志物 1 上的参照点或参照线或参照 面。这样， 通过灵活地设置参照物能够为基准确定方法提供最大程度的便利。 0076 上述手术机器人 2 基准确定方法的应用极为广泛， 其可以适用于多种骨骼手术 中， 例如脊椎骨手术， 四肢骨手术， 颌骨， 颅骨， 甚至还可以用于整形美容手术等。下面具体 以寰椎手术和股骨手术为例具体介绍上述基准确定方法的具体执行过程。 0077 请参考图 。

37、7 至图 11， 图 7 为本发明所提供基准确定方法的另一种具体实施方式流 程框图 ； 图 8 为寰椎、 枢椎内外等分剖视图 ； 图 9 为枢椎端视图 ； 图 10 为寰、 枢椎俯视图 ； 图 11 为寰椎端视图。 0078 在另一种具体实施方式中， 如图 7 所示， 具体步骤为 ： 0079 S21 ： 如图 8 所示， 将体外标志物 1 设置于寰椎 3 和与寰椎 3 相邻的枢椎 4 的下方， 并将三者作为整体进行 CT 扫描并三维重建， 确定影像坐标系 ； 0080 S22 ： 确定寰椎3、 枢椎4的内外等分剖面在体外标志物1表面的投影为参照线13， 通过测量获取参照线在影像坐标系中的坐标。

38、 ； 获取枢椎 4 左、 右椎弓根置入点 M、 M连线的 中点 A 的坐标， 以及该点 A 到参照线的第一高度 h， 获取寰椎 3、 枢椎 4 的寰枢关节中心点 O 到参照线 13 的第二高度 h， 并测量左、 右椎弓根置入点 M、 M连线的中点 A 与寰枢关节中 心点 O 的水平距离。 0081 由于该参照线 13 正对寰椎 3、 枢椎 4 的内外等分剖面 31， 使其对寰椎 3、 枢椎 4 的 可参照性较高， 并有利于后续相对位置的确定和距离的测量。该步骤获取枢椎 4 左、 右椎弓 根置入点M、 M连线中点A的坐标的方法为已知技术， 具体可以参考ZL201110417113.8， 并 通过。

39、 CT 剖面图直接测量上述第一高度 h、 第二高度 h。 0082 S23 ： 根据第一高度 h与第二高度 h 的差值， 以及水平距离获取寰枢关节中心点 O 在影像坐标系中的坐标， 即通过检测寰枢关节中心 O 相对于枢椎 4 左、 右椎弓根置入点 M、 M连线的中点 A 的水平偏差、 竖直偏差获取寰枢关节中心点 O 的坐标。 0083 采用这种方法， 更进一步借助枢椎 4 作为中间桥梁， 利用寰枢关节中心点 O 是寰 椎 3 和第二枢椎 4 的共同点这一特性， 采用依次获取基准线 13 坐标 - 枢椎 4 左、 右椎弓根 置入点 M、 M连线的中点 O 与基准线 13 相对位置 - 寰枢关节中。

40、心点 O 与枢椎 4 左、 右椎弓 根置入点 M、 M连线中点 A 的水平偏差、 竖直偏差 - 寰枢关节中心点坐标的顺序获取寰椎 3 关节点。这种将枢椎 4 和寰椎 3， 以及体外标志物 1 三者作为整体扫描， 利用在枢椎 4 上 检测到的已知点的坐标获取寰椎 3 与参考线的位置关系， 进而确定寰椎 3 在影像坐标系的 坐标的方法， 巧妙地解决了寰椎 3 由于其本身的基准点不易测量导致其基准难以确定的问 题， 大大提高了寰椎 3 手术的安全性和疗效。 0084 在另一种具体实施方式中， 上述基准确定方法还可以包括如下步骤 ： 0085 S24 ： 将机器手以寰枢关节中心点 O 为圆心， 以大于。

41、寰枢关节中心点 O 至寰椎 3 左 椎弓根置入点N、 寰椎3右椎弓根置入点N的距离， 且小于寰枢关节中心点O至寰椎3左边 缘点 K、 寰椎 3 右边缘点 K的距离为半径转动， 使机器手的导针与寰椎 3 后弓左、 右触碰， 说 明 书 CN 102727312 A 9 7/9 页 10 生成寰椎后弓左侧触点 L、 寰椎后弓右侧触点 L的中心点 D 的坐标 ； 0086 S25 ： 使导针沿寰枢关节中心点 O 与中心点 D 的连线运动， 再继续向左或向右移动 寰椎 3 置入点到正中面 32 的距离 n ； 0087 S26 ： 按照预先测量的左、 右椎弓根置入角度 、 调整姿态。 0088 上述步。

42、骤能够根据寰椎 3 关节点进一步准确地找到寰椎 3 的左右椎弓根置入点， 便于在手术中进行准确定位， 进一步提高手术的疗效。 0089 请参考图如图 12 至图 17， 图 12 为本发明所提供基准确定方法的第三种具体实施 方式的流程框图 ； 图 13 为体外标志物 1 与股骨 5、 胫骨 6“绑定” 基准构建示意图 ； 图 14 为 体外标志物 1 与股骨 5、 胫骨 6“绑定” 基准构建侧视图 ； 图 15 为图 14 的 K 向示意图 ； 图 16 为体外标志物 1 与股骨 5、 胫骨 6“绑定” 基准构建俯视图 ； 图 17 为坐标系配准胫骨 6 截骨 后膝关节屈曲状态示意图。 009。

43、0 在另一种具体实施方式中， 如图 12 所示， 上述基准确定方法还可以具体用于股骨 手术， 由于股骨 5 手术依据的基准为下肢力线， 因此， 该基准确定方法的最终目标是获取下 肢力线， 具体执行步骤如下 ： 0091 S31 ： 将体外标志物 1、 股骨 5 作为整体进行 CT 扫描并三维重建， 确定影像坐标系 ； 0092 S32 ： 以体外标志物 1 上的水平面为参照面， 确定股骨 5 上的第一预设点 51， 参照 面上的第二预设点、 第三预设点、 第四预设点， 并确定参照面在影像坐标系中的坐标 ； 0093 获取在股骨头的最大截面处截取的第一水平剖面到参照面的距离， 确定第二预设 点、。

44、 第三预设点分别在第一水平剖面的第一投影点、 第二投影点的位置， 并测量股骨头中心 点 E、 第一投影点、 第二投影点两两之间的距离 ； 0094 获取通过股骨 5 的髁间窝的第二水平剖面到参照面的距离， 确定第二预设点、 第 三预设点分别在第二水平剖面图上的第三投影点、 第四投影点的位置， 并测量股骨 5 髁间 窝中心点 G、 第三投影点、 第四投影点两两之间的距离。 0095 S33 ： 根据股骨头中心点 E、 第一投影点、 第二投影点两两之间的距离获取股骨头 中心点 E 的坐标 ； 根据股骨 5 髁间窝中心点 G、 第三投影点、 第四投影点两两之间的距离获 取股骨 5 髁间窝中心点 G 。

45、的坐标 ； 获取股骨头中心点 E 与股骨 5 髁间窝中心点 G 的第一连 线。 0096 采用上述方法， 首先获取参照面的坐标， 然后分别通过参照面上若干个选定点在 第一水平剖面图上的投影、 在第二水平剖面图上的投影确定股骨头中心点 E、 股骨 5 的髁间 窝中心点G的影像坐标， 最终获取股骨头中心点E、 股骨5的髁间窝中心点G的坐标， 二者连 线即为下肢力线的股骨段。该下肢力线即为股骨 5 手术提供准确的基准， 提高股骨 5 手术 的安全性和疗效。 0097 进一步的方案中， 上述股骨5手术的基准确定方法中的步骤S32还可以包括 ： 获取 通过距骨顶点中心 E的第三水平剖面到参照面的距离， 。

46、确定第二预设点、 第三预设点分别 在第三水平剖面上的第五投影点、 第六投影点的位置， 并测量距骨顶点中心 E、 第五投影 点、 第六投影点两两之间的距离 ； 0098 上述股骨 5 手术的基准确定方法中的步骤 S33 还可以包括 ： 根据距骨顶点中心 E、 第五投影点、 第六投影点两两之间的距离获取距骨中心点 E的坐标， 获取股骨 5 髁间 窝中心点 G 与距骨顶点中心 E的第二连线即为下肢力线的胫骨段。 说 明 书 CN 102727312 A 10 8/9 页 11 0099 然后， 在距第一预设点 51( 可以选用髁上滋养孔 ) 的水平距离分别是 u、 u通过 内、 外踝的 CT 剖面骨。

47、表面上或稍外任意各取一点 Q 和 Q， 记录其坐标。上述数据资料传 输并储存于机器人主控系统的计算机， 建立体外标志物的影像坐标系， 计算机可通过软件 计算出髁上滋养孔距离点 Q 和 Q的长度 w、 w。CT 扫描完成后去除体外标志物。术中以 术前压力传感器 712 记录的压力值重新用固定带 76 将患者的骨盆固定于机器人的手术台 23 上， 再按术前的步骤与方式， 同样将下肢置于固定座 72 上， 保持拇趾及足跟内侧触及挡 板外侧的压力同术前， 这样下肢的位置即与术前基本相同。切开膝关节， 用两枚钢针 79， 79 及固定架 710 固定股骨 5， 显露并确认髁上滋养孔后， 探针 26 运动。

48、至并记录其坐标， 与其在 体外标志物影像坐标系内距离平面 15 的高度值比对后， 微调固定架 710 的高度， 使机器人 测量的髁上滋养孔的高度与体外标志物影像坐标系内的高度相同。探针 26 以髁上滋养孔 为圆心， w、 w为半径， 在通过点 Q 和 Q与手术台平行的平面内运动， 如探针 26 为尖针， 可 刺入皮内触及点 Q， Q ； 如探针 26 为钝尖， 当以同样压力触碰内、 外踝时， 由于此处皮肤较 薄， 可以认为探针 26 触及点 Q， Q， 记录点 Q， Q的坐标， 结合 CT 扫描数据资料， 通过软件 可建立体外标志物机器人坐标系并同时实现与体外标志物影像坐标系的精确配准。 这样。

49、机 器人在其体外标志物机器人坐标系中即能自动确定股骨头中心点 E 的坐标。将探针 26 更 换为刀具， 机器人在编程控制软件的控制下， 先以 E G 线 ( 下肢力线胫骨段 ) 为基准首先 进行胫骨一个面的截骨。去除踝部的固定机构， 将膝关节屈曲并脱位至理想位置， 再以 EG 连线(下肢力线股骨段)为基准， 测定股骨内侧后髁最低点P和外侧后髁最低点P的坐标 后， 以点 P， P的连线即股骨后髁线进行股骨假体旋转定位 也可采用股骨外科上髁轴线 (是指股骨内上髁凹与外上髁凸的连线)、 股骨临床上髁轴线(是指股骨内上髁凸与外上髁 凸的连线 )、 Whiteside s 线 ( 是指股骨滑车最低点与髁间窝中点的连线在额状面上的垂 线 ) 等线 ， 自动。