定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法

摘要

本发明提供一种定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法，所述定位工具包括工具本体、注册尖端和靶标；其中，所述工具本体的一端用于固定在一机械臂的末端，所述工具本体的另一端连接所述注册尖端；所述注册尖端用于抵靠一预设位置，所述靶标用于标记于所述工具本体、所述注册尖端或者所述机械臂上，用于与一导航设备通信。即，本发明采用的工具为一体化注册配准工具，过程中无需进行注册配准工具的更换，即可实现机械臂以及手术对象的注册，简化手术流程，缩短手术时间，另外，所述靶标无需反复安装和拆卸，可以使整个手术过程中，导航设备都能实时有效的监控定位工具的空间位置，因此提升了手术的可视化程度以及提高安全性。

权利要求

1.一种定位工具，其特征在于，包括：工具本体、注册尖端和靶标；所述工具本体的一端用于固定在一机械臂的末端，所述工具本体的另一端连接所述注册尖端，所述注册尖端用于抵靠一目标对象的特征点，以对所述目标对象进行注册，所述靶标用于与一导航跟踪设备通信，所述靶标设置于所述工具本体、所述注册尖端或所述机械臂上。

2.如权利要求1所述的定位工具，其特征在于，所述定位工具包括至少3个所述靶标。

3.如权利要求1所述的定位工具，其特征在于，所述靶标为反光标记。

4.如权利要求1所述的定位工具，其特征在于，所述工具本体包括安装特征结构，用于设置手术器械。

5.一种机械臂系统，其特征在于，包括：机械臂和如权利要求1 4任一项所述的定位工~

具。

6.如权利要求5所述的机械臂系统，其特征在于，所述机械臂包括多个可活动关节，所述靶标标记于任一所述可活动关节上。

7.一种手术系统，其特征在于，所述手术系统包括：导航跟踪设备、控制设备以及如权利要求5或6所述的机械臂系统；其中，所述导航跟踪设备用于实时跟踪所述靶标并采集所述靶标的空间位置信息；

所述控制设备用于获取所述靶标的空间位置信息，并用于控制所述机械臂运动，以使所述机械臂带动所述定位工具运动；

所述控制设备用于在所述机械臂处于指定注册姿态以及在所述注册尖端抵靠一目标对象的特征点时，根据所采集的所述机械臂的相应关节的空间位置信息，以及所述导航设备采集的所述靶标的空间位置信息，分别确定所述注册尖端的空间位置，以分别对所述机械臂和所述手术对象进行注册。

8.如权利要求7所述的手术系统，其特征在于，所述手术系统包括一手术台车，所述控制设备和所述机械臂设于所述手术台车上。

9.如权利要求7所述的手术系统，其特征在于，所述手术系统包括一导航台车，所述导航跟踪设备设于所述导航台车上。

10.一种利用如权利要求1‑4任意项所述的定位工具进行注册配准的方法，其特征在于，所述方法包括：

采集将所述机械臂调整到指定注册姿态时，所述靶标的空间位置信息以及所述机械臂的相应关节的空间位置信息，并根据采集的信息，确定所述注册尖端的空间位置，以对所述机械臂进行注册；以及

采集所述注册尖端与一目标对象的特征点相接触时，所述靶标的空间位置信息以及所述机械臂的相应关节的空间位置信息，并根据采集的信息，确定所述注册尖端的空间位置，以对所述目标对象进行注册。

11.如权利要求10所述的注册配准方法，其特征在于，所述靶标设于所述机械臂的末端关节、所述工具本体或所述注册尖端上，则所述机械臂的相应关节为所述机械臂的末端关节。

12.如权利要求10所述的注册配准方法，其特征在于，所述靶标设于所述机械臂的非末端关节，则所述机械臂的相应关节包括所述靶标所在关节、所述末端关节以及所述靶标所在关节与所述末端关节之间的关节。

13.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如权利要求10至12任一项所述的方法。

14.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求10至12任一项所述的方法。

说明书

定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法。

背景技术

[0002] 手术导航系统因其可以在手术中实时观察手术器械位置的特性而越来越多的被动用到外科手术当中，特别是骨科手术，例如MAKO骨科手术导航系统、Robodoc骨科手术导
航系统等，均是利用机械臂以及红外光学导航设备的结合，根据医生的术前规划，结合术中
的注册配准技术，使用机器人辅助医生完成手术操作。这其中，注册配准技术是连接机器人
和导航设备的关键技术；机器人通过注册配准技术得知需要操作的手术区域的位置，根据
手术规划，进行主动的定位操作或者辅助手术操作，但是目前通用的注册工具以及方法存
在着以下问题：

[0003] (1)流程繁琐，增加额外手术时间。通用的机械臂注册方法为：在机械臂末端工具上安装注册用靶标，注册完成后，将机械臂注册靶标拆除。靶标的安装要求可靠，因此多采
用固定连接的方式实现机械臂与靶标的连接，拆除和安装都比较的费时。且当进行骨骼注
册的时候，需要更换另一类的靶标进行注册配准。而骨科手术要求尽量的减少手术区域的
暴漏时间，以降低受感染的概率，传统的注册方法因流程繁琐增加了手术时间。

[0004] (2)可靠性差、实时性差。注册完成后，由于手术的过程中会对末端的靶标造成遮挡或是碰撞，一般均会将注册靶标拆除。若是拆除之后，机械臂的某个关节发生故障，会导
致机械臂的末端位置不正确，一般采用的方法是反复的利用另外的工具对机械臂的末端进
行校准，实时性和可靠性都较差。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法，以解决现有技术在进行外科手术时，机械臂注册和手术对象注册流程繁琐、可靠性差以及
实时性差的问题。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种定位工具，包括：工具本体、注册尖端和靶标；所述工具本体的一端用于固定在一机械臂的末端，所述工具本体的另一端连接所述注
册尖端，所述注册尖端用于抵靠一预设位置，所述靶标用于与一导航跟踪设备通信，所述靶
标设置于所述工具本体、所述注册尖端或所述机械臂上。

[0007] 可选的，在所述的定位工具中，所述定位工具包括至少3个所述靶标。

[0008] 可选的，在所述的定位工具中，所述靶标为反光标记。

[0009] 可选的，在所述的定位工具中，所述工具本体包括安装特征结构，用于设置手术器械。

[0010] 本发明还提供一种机械臂系统，包括：机械臂和一如上所述的定位工具。

[0011] 可选的，在所述的机械臂系统中，所述机械臂包括多个可活动关节，所述靶标标记于任一所述可活动关节上。

[0012] 本发明还提供一种手术系统，所述手术系统包括：导航跟踪设备、控制设备以及如上所述的机械臂系统；其中，

[0013] 所述导航跟踪设备用于实时跟踪所述靶标并采集所述靶标的空间位置信息；

[0014] 所述控制设备用于获取所述靶标的空间位置信息，并用于控制所述机械臂运动，以使所述机械臂带动所述定位工具运动；

[0015] 所述控制设备用于在所述机械臂处于指定注册姿态以及在所述注册尖端抵靠一目标对象的特征点时，根据所采集的所述机械臂的相应关节的空间位置信息，以及所述导
航设备采集的所述靶标的空间位置信息，分别确定所述注册尖端的空间位置，以分别对所
述机械臂和所述手术对象进行注册。

[0016] 可选的，在所述的手术系统中，所述手术系统包括一手术台车，所述控制设备和所述机械臂设于所述手术台车上。

[0017] 可选的，在所述的手术系统中，所述手术系统包括一导航台车，所述导航跟踪设备设于所述导航台车上。

[0018] 本发明还提供一种利用如上所述的定位工具进行注册配准的方法，其特征在于，所述方法包括：

[0019] 采集将所述机械臂调整到指定注册姿态时，所述靶标的空间位置信息以及所述机械臂的相应关节的空间位置信息，并根据采集的信息，确定所述注册尖端的空间位置，以对
所述机械臂进行注册；以及

[0020] 采集所述注册尖端与一目标对象的特征点相接触时，所述靶标的空间位置信息以及所述机械臂的相应关节的空间位置信息，并根据采集的信息，确定所述注册尖端的空间
位置，以对所述目标对象进行注册。

[0021] 可选的，在所述的注册配准方法中，所述靶标设于所述机械臂的末端关节、所述工具本体或所述注册尖端上，则所述机械臂的相应关节为所述机械臂的末端关节。

[0022] 可选的，在所述的注册配准方法中，所述靶标设于所述机械臂的非末端关节，则所述机械臂的相应关节包括所述靶标所在关节、所述末端关节以及所述靶标所在关节与所述
末端关节之间的关节。

[0023] 本发明还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上所述的注册配准方法。

[0024] 本发明还提供一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的注册配准方法。

[0025] 在本发明提供的定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法中，所述定位工具包括工具本体、注册尖端和靶标；其中，所述工具本体的一端用于固定在一机械臂的末
端，所述工具本体的另一端连接所述注册尖端，所述注册尖端用于抵靠一预设位置，所述靶
标用于与一导航跟踪设备通信，所述靶标设置于所述工具本体、所述注册尖端或所述机械
臂上。即，本发明提供的所述定位工具为一体化注册配准工具，利用所述定位工具即可实现
机械臂以及手术对象的注册，在机械臂处于指定注册姿态时，采集所述靶标的空间位置信
息，以对所述机械臂进行注册，在所述注册尖端与一手术对象的特征点相接触时，采集所述
靶标的空间位置信息以对所述手术对象进行注册，过程中无需进行注册配准工具的更换，
简化手术流程，缩短手术时间。另外，所述定位工具的靶标设置于所述工具本体、所述注册
尖端或者所述机械臂上，在手术的过程中不会造成遮挡或是碰撞，因此无需反复安装和拆
卸，可以使整个手术过程中，导航设备都能实时有效的监控定位工具的空间位置，因此提升
了手术的可视化程度以及提高安全性。

附图说明

[0026] 图1为本发明实施例中靶标设置于注册尖端上的示意图；

[0027] 图2为本发明实施例是靶标设置于工具本体上的示意图

[0028] 图3为本发明实施例提供的定位工具处于拆卸状态的示意图；

[0029] 图4为本发发明实施例提供的另一种定位工具的示意图；

[0030] 图5为本发明实施例中机械臂系统的示意图；

[0031] 图6为本发明实施例提供的手术系统的示意图；

[0032] 图7为本发明实施例提供的注册配准方法的流程示意图；

[0033] 图8～图10所示分别为本发明实施例中靶标设于机械臂不同位置上的示意图；

[0034] 其中，各附图标记说明如下：

[0035] 11‑定位工具；111‑工具本体；112‑注册尖端；113‑靶标；12‑机械臂；13‑导航跟踪设备；200‑安装法兰；300安装特征结构；121‑基关节；122‑肩关节；123‑肘关节；124‑小臂关
节；125‑腕关节；126‑自转关节；14‑手术台车；15‑导航台车。

具体实施方式

[0036] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非
精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构
往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比
例。

[0037] 本发明提供的定位工具、手术系统、注册配准方法以及手术方法对应用环境没有特别的限制，例如可以应用于膝关节置换，也可应用于其他的外科手术，例如针对关节外科
手术、脊柱外科手术以及脑外科手术等。以下描述中，以用于膝关节置换为示例来进行说
明，相应的，前文所述预设位置/所述目标对象即为以下描述中的骨骼，但不应以此作为对
本发明的限定。

[0038] 本发明的核心思想在于实现注册配准一体化，通过同一工具即可实现机械臂的注册和手术对象的注册，过程中无需进行靶标的更换，以简化手术流程，缩短手术时间，另外，
通过该工具进行注册配准时，其靶标无需拆卸，使得整个手术过程中，该靶标都能被导航设
备实时有效的监控，因此可以提升手术的可视化程度以及提高安全性。

[0039] 基于上述思想，本发明实施例提供一种定位工具11，请参考图1或图2，并结合图5，所述定位工具11包括：工具本体111、注册尖端112和靶标113。所述工具本体111的一端用于
固定在一机械臂12的末端，所述工具本体111的另一端连接所述注册尖端112。

[0040] 如图1所示，所述工具本体111可通过安装法兰200固定在所述机械臂12的末端；如图3所示，本实施例优选所述工具本体111和所述注册尖端112为可拆卸连接，所述拆卸连接
包括螺钉紧固连接、磁铁衔接等，以使同样的所述注册尖端112可适用于不同手术类型的工
具本体，而在另一些实施例中，所述工具本体11和所述注册尖端112也可为不可拆卸连接，
例如为一体化连接。

[0041] 所述注册尖端用于抵靠一预设位置，以实现对骨骼的注册，所述注册尖端112可采用图1及图2所示的锥形结构，其尖部能够刺到骨骼，当然，也可采用具有尖部的其它结构。

[0042] 所述靶标113用于设置于所述工具本体111、所述注册尖端112或者所述机械臂12上，以被一导航跟踪设备13实时捕捉并采集空间位置信息，采集到的所述空间位置信息包
括位置信息和姿态信息。具体的，所述机械臂12处于指定注册姿态时的所述靶标113的空间
位置信息用于对所述机械臂12进行注册，所述注册尖端112与一骨骼的特征点相接触时的
所述靶标113的空间位置信息用于对所述骨骼进行注册。由于所述靶标113无需反复安装和
拆卸，可以使整个手术过程中，导航跟踪设备13都能实时有效的监控定位工具11的空间位
置，因此提升了手术的可视化程度以及提高安全性。其中，图1所示是以所述靶标113设于所
述注册尖端112上作出示例，图2所示是以所述靶标113位于所述工具本体111上作出示例。

[0043] 本实施例中，优选的，所述靶标113为标记式靶标，即所述靶标采用标记的方式设置于所述定位工具11或所述机械臂12。相比于机械固定式靶标，采用标记式靶标省去了安
装的麻烦，而且也可避免在注册配准过程中靶标发生碰撞而产生松动。另外，由于所述靶标
113与所述导航跟踪设备13配套使用，因此所述靶标113具体可根据所述导航跟踪设备13的
类型进行选择，例如当所述导航跟踪设备13为光学导航设备时，所述靶标113对应可采用反
光标记。

[0044] 本实施例中，所述靶标113的数量至少为3个，所述靶标113例如为圆周分布或是线性分布，在其它实施例中，所述靶标为非共线设置，以保证至少有一靶标113能够被捕捉到。

[0045] 本实施例中，所述工具本体111可采用如图1所示的结构，所述工具本体包括截骨槽和/或截骨孔等安装特征结构300，用于设置手术器械，例如供摆锯通过。但需理解，图1所
示的结构不应构成对本申请的限制，事实上，在一些实施例中，所述工具111采用其它用于
截骨导向的结构，如图4所示，为示例的另一种工具本体，所述工具本体也包括截骨孔、导向
通槽等安装特征结构300，可用于引导其它如穿设类型的手术器械。

[0046] 基于所述定位工具11，本发明实施例还提供一种机械臂系统，所述机械臂系统包括机械臂12和一所述定位工具11。

[0047] 一般的，用于外科手术的机械臂12包括多个关节，图5所示为示例性的一种机械臂12，所述机械臂12包括基关节121、肩关节122、肘关节123、小臂关节124、腕关节125以及自
转关节126。其中，所述肩关节122、肘关节123、小臂关节124、腕关节125以及自转关节126均
为可活动关节，这些关节的具体空间位置与所述注册尖端112的空间位置相关联，因此，在
通过获取所述靶标113的空间位置以获取所述注册尖端112的空间位置时，若所述靶标113
设于所述机械臂12上，则优选地，所述靶标设于这些可活动关节上。

[0048] 为进一步体现本发明的核心思想，本发明实施例还提供一种手术系统，如图6所示，所述手术系统包括：导航跟踪设备13、控制设备(图示未示出)、机械臂12以及一如上所
述的定位工具11；其中，

[0049] 所述导航跟踪设备13，用于实时跟踪所述靶标113并采集所述靶标113的空间位置信息；

[0050] 所述控制设备用于从所述导航跟踪设备13获取所述靶标113的空间位置信息，并用于控制所述机械臂12运动，以使所述机械臂12带动所述定位工具11运动；所述控制设备
获取的所述空间位置信息也包括位置信息和姿态信息；

[0051] 所述控制设备用于在所述机械臂12处于指定注册姿态以及在所述注册尖端112与一骨骼的特征点相接触时，根据所采集的所述机械臂12的相应关节的空间位置信息，以及
所述导航跟踪设备13采集的所述靶标113的空间位置信息，分别确定所述注册尖端112的空
间位置，以分别对所述机械臂12和所述骨骼进行注册。

[0052] 本实施例中，所述手术系统还包括一手术台车14和一导航台车15，所述导航跟踪设备13设于所述导航台车15上，所述控制设备设于所述手术台车14内，并和所述导航跟踪
设备13之间建立通信，以获取所述导航跟踪设备13采集的所述靶标113的空间位置信息；所
述机械臂12的基关节121固定在所述手术台车14上，而且，所述手术台车14还设置有整个手
术系统的供电设备。此外，所述手术台车15还可用于设置一基座靶标，所述基座靶标用于提
供一基坐标系，所述基座靶标也可采用标记的方式设置于所述手术台车15上。

[0053] 所述导航跟踪设备13作为系统的视觉设备，能够监控所有安装有靶标113的设备，所述导航跟踪设备13包括但不限于光学导航跟踪设备13、磁导航跟踪设备以及惯性导航跟
踪设备13等。当所述导航跟踪设备13采用光学导航跟踪设备时，所述靶标113相应的为反光
标记。

[0054] 此外，基于本实施例提供的所述手术系统，本实施例还提供一种注册配准方法，如图7所示，所述注册配准方法包括如下步骤：

[0055] S11，将所述机械臂12调整到指定注册姿态；

[0056] S12，完成对所述机械臂12的注册，其过程包括：采集将所述机械臂12调整到指定注册姿态时，所述靶标113的空间位置信息以及所述机械臂12的相应关节的空间位置信息，
并根据采集的信息，确定所述注册尖端112的空间位置，以对所述机械臂12进行注册；

[0057] S13，将所述注册尖端的位置调整到与一骨骼的特征点相接触；

[0058] S14，完成对所述骨骼的注册，其过程包括：采集所述注册尖端112与一骨骼的特征点相接触时，所述靶标113的空间位置信息以及所述机械臂12的相应关节的空间位置信息，
并根据采集的信息，确定所述注册尖端112的空间位置，以对所述骨骼进行注册。

[0059] 其中，当要进行骨骼注册时，可通过操作者握持所述定位工具11来使所述注册尖端112与所述骨骼的特征点相接触。

[0060] 以下对本发明实施例提供的所述注册配准方法做出示例性说明。

[0061] 示例一，所述相应关节为所述机械臂12的末端关节。如图1所示，所述靶标113设于所述注册尖端112，在注册过程中，所述导航跟踪设备13采集所述靶标113的空间位置信息，
所述控制设备会获取所述自转关节126的空间位置信息，由于所述注册尖端112和所述自转
关节126的姿态保持一致，故通过采集所述靶标113的空间位置信息以及所述自转关节126
的姿态信息即可计算出所述注册尖端112的空间位置，实现机械臂12和骨骼注册的过程。

[0062] 示例二，所述相应关节为所述机械臂12的末端关节，如图2或图4所示，所述靶标113设于所述工具本体111。在注册过程中，所述导航跟踪设备13采集所述靶标113的空间位
置信息，所述控制设备会获取所述自转关节126的空间位置信息，由于所述靶标113和所述
注册尖端112的相对位置已知，且所述注册尖端112和所述自转关节126的姿态保持一致，故
通过采集所述靶标113的空间位置信息以及所述自转关节126的空间位置信息即可计算出
所述注册尖端112的空间位置，实现机械臂12和骨骼注册的过程。

[0063] 示例三，所述相应关节为所述机械臂12的末端关节，如图8所示，所述靶标113设于所述机械臂12末端的自转关节126上。在注册过程中，所述导航跟踪设备13采集所述靶标
113的空间位置信息，即是所述腕部关节的输出轴的空间位置，而所述控制设备会获取所述
自转关节126的空间位置信息，由于所述靶标113与所述注册尖端112的相对位置已知，故通
过采集到的所述靶标113的空间位置信息以及所述自转关节126的空间位置信息即可计算
出所述注册尖端112的空间位置，实现机械臂12和骨骼注册的过程。

[0064] 示例四，所述相应关节为所述机械臂12的非末端关节，如图9所示，所述靶标113设于所述机械臂12末端的腕部关节上。在注册过程中，所述导航跟踪设备13采集所述靶标113
的空间位置信息，即是所述小臂关节124的输出轴的空间位置信息，而所述控制设备会获取
所述腕部关节和所述自转关节126的空间位置信息，由于所述靶标113与所述注册尖端112
的相对位置已知，故通过采集到的所述靶标113的空间位置信息以及所述腕部关节、所述自
转关节126的空间位置信息即可计算出所述注册尖端112的空间位置，实现机械臂12和骨骼
注册的过程。

[0065] 此外，当所述靶标113设于所述肩关节122、肘关节123以及小臂关节124时，同样可以实现注册，例如，如图10所示，所述靶标113设于所述小臂关节124时，则所述相应关节包
括所述小臂关节124、所述腕部关节以及所述自转关节126，其注册过程与所述靶标113设于
腕部关节类似，在此不再赘述。

[0066] 进一步的，在利用如上所述的注册配准方法完成机械臂12注册和手术对象注册后，可根据目标位置信息，控制所述机械臂12运动，以使所述机械臂12带动所述定位工具11
运动，直至所述注册尖端112运动到目标位置，此时，医生手持截骨电锯通过定位工具的引
导进行截骨操作。

[0067] 基于本发明实施例提供的所述注册配准方法，本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括处理器和存储器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序
被所述处理器执行时，实现如上所述的注册配准方法。本发明实施例还提供一种可读存储
介质，所述可读存储介质内存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上
所述的注册配准方法。

[0068] 综上所述，本发明提供的所述定位工具、机械臂系统、手术系统以及注册配准方法，解决了现有技术在进行外科手术时，机械臂注册和手术对象注册流程繁琐、可靠性差以
及实时性差的问题。

[0069] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护
范围。