[发明专利]一种医用器械的精准定位装置、方法和系统

说明书

本申请公开了一种协作机械臂的末端执行器的精度定位方法，该方法利用两个定位架进行导航定位：末端定位架用于精确定位；到位后移开末端定位架，利用本体定位架进行实时监控。机械臂运动会有误差，利用导航设备实现多次校准，逐次递归，逼近准确位置，从而最大限度的保证达到更高精度。在导航定位过程中，本体定位架可以提供医用器械末端的实时位置与目标切割平面的空间位姿差距，并通过主机的屏幕反馈给操作者，通过视觉提示进行微调，如果超过一定的阈值则停止摆动。

技术领域

本申请涉及计算机辅助手术技术领域，特别涉及一种使用协作机械臂的计算机辅助手术导航系统，以及所述手术导航系统中对医用器械进行精准定位的装置、方法和系统。

背景技术

随着计算机技术的发展，由计算机辅助的外科手术系统也在迅速发展，在该类系统中，为便于移动等操作，通常设置协作机械臂。协作机械臂与其他类型机械臂的主要区别体现在使用协作机械臂时，其操作过程可以通过人手扶机械臂，直接对机械臂进行推、拉、提、压等操作动作，使用协作机械臂使得对末端执行器或者医用器械的控制模式更加灵活，对复杂的场景具有更好的适应性。与传统机械臂的固定运动轨迹不同，协作机械臂由于可以有人手的协助操作，其运动路径具有更多的不确定性，因此对末端执行器或者医用器械的位置定位具有更高的实时性和准确性要求。

协作机械臂的远端通常会搭载末端执行器，末端执行器的远端根据不同的场景需要，会搭载不同的医用器械，例如：锯、钻、铣刀等(在本文中，以“近端”表示相对而言更靠近机械臂操作者、更远离患者的一端，以“远端”表示相对而言更远离机械臂操作者、更靠近患者的一端)。通过协作机械臂-末端执行器-医用器械三者之间的机械连接机构和控制操作，实现对目标的切割、钻、研磨等动作。为了保证操作的精准，末端执行器、尤其是医用器械的最远端(也可称为前端或末端)位置的精准定位是非常重要的，只有对医用器械的末端位置进行尽可能精准的定位，系统才能精准确定医用器械末端位置与目标位置之间的关系，以确保医用器械精准地运动到目标位置，并能精准地按照预定的空间轨迹运动并完成操作。

现有技术中，对手术器械的末端位置进行定位通常采用光学导航仪追踪光学定位架的方法，即在被定位或追踪的物体上设置具有追踪标记的光学定位架，以光学导航仪追踪定位架上的追踪标记，从而确定定位架的所在位置，并由此确定被追踪的物体的所在位置。例如公开号为CN111012503A、名为“具有跟踪标记的手术机器人自动化”的专利中公开了采用跟踪标记实现手术机器人自动化的方法，并公开了跟踪标记包括能够使用商业上可获得的光学跟踪系统跟踪的常规反射球，将设置有跟踪标记的光学定位架安装在手术工具(例如螺丝刀、扩张器、植入物插入器等)，跟踪标记使得被标记的对象(例如末端执行器112、患者210和医用器械608)中的每一个都能够被机器人102跟踪。

然而，上述方法在存在一定问题，首先，通常而言，由于医用器械被用于具体的手术操作，通常具有较小的尺寸，且需要保障一定的活动空间和自由度，以电锯为例，电锯是末端执行器较常搭载的医用器械之一，电锯可以较为高效的对目标进行切割，适用于例如全膝关节置换手术等。以现有技术的追踪定位方法，在应用于高速摆动的医用器械例如电锯时，由于电锯锯片在手术过程中一直处于高速摆动状态(锯片的摆动速度高达8800次/分钟)，使得光学定位架难以被固定，且在锯片上安装光学定位架，不可避免的会干涉到手术时的视野以及操作空间，相应地也会影响到手术过程中的操作，再者，手术操作时，误碰等原因也容易对固定在锯片上的光学定位架上的追踪标记造成污染，影响定位追踪效果，更重要地，由于目前光学跟踪仪最高也仅能达到60帧每秒的采样频率，锯片的摆动速度却高达8800次/分，在高速摆动的锯片上安装定位架也意味着光学导航仪实际上也无法准确的捕捉到锯片实际所在的准确位置。