CN114903566A - 超声骨刀位置判定方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种超声骨刀位置判定方法、系统、计算机可读存储介质和计算机程序产品，该方法包括：获取超声骨刀的声阻抗信号；基于声阻抗信号确定超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置。本申请提供的超声骨刀位置判定方法、系统、计算机可读存储介质和计算机程序产品，通过声阻抗信号确定超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，从而可以方便操作者实时获取超声骨刀的位置，能够有效防止超声骨刀的移动路径偏离目标路径，进而减少手术时对软组织的损伤。

Description

超声骨刀位置判定方法及系统

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种超声骨刀位置判定方法、系统、计算机可读存储介质和计算机程序产品。

背景技术

超声骨刀已经被大量用于对于骨组织的切割和破碎，虽然超声骨刀具有保护软组织的特性，但是当超声骨刀在软组织上实加一定压力后，仍然会对软组织造成损伤，特别是在脊柱手术或神外手术中，当切破内侧皮质骨后，如果不继续停止向下切割，仍然会对骨腔内的脊髓或脑等神经组织造成损伤，因此，如何减轻手术对软组织的损伤具有重要的意义。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请的一个目的在于提出超声骨刀位置判定方法、系统、计算机可读存储介质和计算机程序产品，以减少手术时对软组织的损伤。

本申请第一方面的实施例提供一种超声骨刀位置判定方法，包括：获取超声骨刀的声阻抗信号；基于声阻抗信号确定超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置。

在一些实施例中，基于声阻抗信号确定超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，包括：响应于确定声阻抗信号在预设时间内处于第一上升沿、且第一上升沿的平均斜率位于第一斜率范围，判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面。

在一些实施例中，判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，包括：响应于确定第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第一预设范围，判定当前位置为空气与皮质骨的分界面。

在一些实施例中，判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，包括：响应于确定第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第二预设范围，判定当前位置为软组织与皮质骨的分界面。

在一些实施例中，判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，包括：响应于确定第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第三预设范围，判定当前位置为松质骨与皮质骨的分界面。

在一些实施例中，基于声阻抗信号确定超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，包括：响应于确定声阻抗信号在预设时间内处于第一下降沿、且第一下降沿的平均斜率位于第二斜率范围，判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面。

在一些实施例中，判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面，包括：响应于确定第一下降沿终点处的声阻抗幅值处于第三预设范围，判定当前位置为皮质骨与松质骨的分界面。

在一些实施例中，判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面，包括：响应于确定第一下降沿终点处的声阻抗幅值处于第二预设范围，判定当前位置为皮质骨与软组织的分界面。

在一些实施例中，判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面，包括：响应于确定声阻抗信号在预设时间内始终处于第四预设范围，判定当前位置为皮质骨中。

在一些实施例中判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面，包括：响应于确定声阻抗信号在预设时间内始终处于第三预设范围，判定当前位置为松质骨中。

在一些实施例中，待切割骨组织包括由外至内依次设置的外层皮质骨、松质骨以及内层皮质骨；方法还包括：响应于确定当前位置为内层皮质骨与软组织的分界面发出第一提示信息。

在一些实施例中，确定当前位置为内层皮质骨与软组织的分界面，包括：响应于确定当前位置第二次位于皮质骨与其他组织的分界面，判定当前位置为内层皮质骨与软组织的分界面。

在一些实施例中，待切割骨组织包括由外至内依次设置的皮质骨与松质骨；方法还包括：响应于确定超声骨刀的位移位于预设尺寸内、且当前位置为松质骨与皮质骨的分界面，发出第二提示信息

在一些实施例中，待切割骨组织包括皮质骨；方法还包括：响应于确定当前位置为皮质骨与软组织的分界面，发出第三提示信息。

根据本申请第二方面的实施例，提供一种超声手术系统，包括：超声骨刀，用于切割待切割骨组织；以及处理器，用于执行如上的方法。

在一些实施例中，超声手术系统还包括：手术机器人，与超声骨刀连接；显示设备，用于显示超声骨刀的声阻抗信号；处理器还用于通过控制手术机器人操作超声骨刀。

根据本申请第三方面的实施例，提供一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使所述计算机执行如上任一项所述的方法。

根据本申请第四方面的实施例，提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，所述计算机程序在被处理器执行时实现如上任一项所述的方法。

本申请实施例提供的超声骨刀位置判定方法、系统、计算机可读存储介质和计算机程序产品，通过声阻抗信号确定超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，从而可以方便操作者实时获取超声骨刀的位置，能够有效防止超声骨刀的移动路径偏离目标路径，进而减少手术时对软组织的损伤。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。

图1A示出了根据本申请一些实施例的超声骨刀位置判定方法的流程图；

图1B示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；

图2为图1中步骤S102的具体实现方式；

图3A示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；

图3B为图3A中超声骨刀的声阻抗变化图；

图3C为应用于图3A的超声手术系统中的超声骨刀位置判定方法的流程图；

图4A示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；

图4B为图4A中超声骨刀的声阻抗变化图；

图4C为应用于图4A的超声手术系统中的超声骨刀位置判定方法的流程图；

图5A示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；

图5B为图5A中超声骨刀的声阻抗变化图；

图5C为应用于图5A的超声手术系统中的超声骨刀位置判定方法的流程图；

图6示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的结构图；

图7为图6中超声骨刀的局部放大图。

附图标记说明：

10：超声骨刀； 11：换能器；

20：待切割骨组织； 21：皮质骨；

21a：外层皮质骨； 21b：内层皮质骨；

22：松质骨； 30：处理器；

40：显示设备； 50：操作者；

51：手术机器人； 60：超声驱动电源。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本申请的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

相关技术中，超声手术时通常采用影像定位方式对切割位置进行探测，但是由于患者的呼吸运动及切割过程中的骨位置形变，会导致影像定位的方式存在定位误差，容易损伤软组织。特别是脊柱手术或神外手术中，软组织通常为骨腔内的脊髓或脑等神经组织，其受到损伤后会给患者带来严重影响。

为了解决上述问题中的至少一个，本申请提供一种超声骨刀位置判定方法及系统，通过声阻抗信号确定超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，从而可以方便操作者实时获取超声骨刀的位置，且其相比于影像定位的精度更高，能够有效防止超声骨刀的移动路径偏离目标路径，进而减少手术时对软组织的损伤。

以下结合附图对本申请实施例进行具体阐述，图1A示出了根据本申请一些实施例的超声骨刀位置判定方法的流程图；图1B示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；请参照图1A和图1B，本实施例提供一种超声骨刀位置判定方法100，可以用于采用超声骨刀的开放式手术或微创手术，尤其用于对骨组织的相关手术中。该方法100包括步骤S101至步骤S102。

步骤S101中，获取超声骨刀10的声阻抗信号。

步骤S102中，基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置。

如图1B所示，超声骨刀10可以为相关技术中常见的能够利用超声能量切割骨组织的结构，其可以包括刀体和换能器11，刀体具有与患者接触的刀头，刀头能够作为切割执行器。刀头可以有多种形状，包括各种切割，磨削，钻孔刀头等。换能器11可以与超声驱动电源60以及刀头连接，从而将电能转换为超声振动，同时提供采集声阻抗信息的反馈电路连接。超声驱动电源60是可以产生超声驱动信号的电源装置。

声阻抗信号可以用于反映介质中某位置对因力学扰动而引起的质点的阻尼特性，其可以表示成声阻抗曲线或数据表等。可以理解，对于超声骨刀10而言，其刀头接触不同的介质例如空气、软组织、骨组织等的声阻抗均不相同。其中，骨组织从结构上可以分为皮质骨和松质骨，刀头接触皮质骨和松质骨的声阻抗也不相同。声阻抗信号可以通过一定的采样频率实时获取。

待切割骨组织20为需要使用超声骨刀10切割的骨组织，待切割骨组织20的类型可以有多种，例如其可以为皮质骨，又例如其可以为皮质骨与松质骨的组合结构，具体可以根据手术类型或者手术位置而不同。

当前位置可以为超声骨刀10的刀头在待切割骨组织中的当前位置信息。操作者50可以是医生或者操作超声骨刀10的手术机器人，不做限定。

手术时，可以通过实时获取超声骨刀10的声阻抗信号，根据不同骨组织及其分界面反馈的声阻抗信号不同，进而确定超声骨刀10的刀头的当前位置，进而判断切割位置是否满足手术要求，做到切割和探测同时进行。相比于相关技术的影像定位的精度更高，能够有效防止超声骨刀的移动路径偏离目标路径，进而减少手术时对脊髓或脑等神经组织的损伤，提高了手术安全性，且提升了手术效率。

图2为图1中步骤S102的具体实现方式，请参照图2，基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置，可以包括：步骤S201，响应于确定声阻抗信号在预设时间内处于第一上升沿、且第一上升沿的平均斜率位于第一斜率范围，判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面。

为了便于说明步骤S201，图3A示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；图3B为图3A中超声骨刀的声阻抗变化图；请参照图3A和图3B，在一些实施例中，待切割骨组织20包括由靠近超声骨刀10的一侧向背离超声骨刀10的一侧依次排列的外层皮质骨21a、松质骨22以及内层皮质骨21b。内层皮质骨21b和外层皮质骨21a均为皮质骨21，内外侧分别代表其与松质骨22的位置关系，外侧可以为手术中较先切到的位置，内侧可以为手术中相对较晚切到的位置。

图3B为以声阻抗曲线的方式表示的超声骨刀10依次切透外层皮质骨21a、松质骨22以及内层皮质骨21b的声阻抗信号，横坐标为时间，纵坐标为声阻抗的幅值。图3B中，实线为实验过程中的声阻抗变化曲线，虚线为理想声阻抗变化曲线。可以理解，由于干扰的存在，实验过程中的声阻抗变化曲线相比于理想声阻抗变化曲线存在一定的抖动和偏差。

在步骤S201中，第一上升沿为声阻抗信号的幅值随时间的增长而增大的过程，以图3B中的虚线为例，41a和41b均表示第一上升沿。

而预设时间可以根据实际情况设置为多个采样周期，通过判断预设时间内声阻抗信号的幅值是否随时间而逐渐增大，可以判断声阻抗信号是否处于第一上升沿中。并且通过合理设置预设时间还可以避免信号抖动对第一上升沿判断的干扰。

第一上升沿的斜率可以为第一下降沿与横坐标之间的夹角，第一上升沿的平均斜率为预设时间段内的第一上升沿的斜率平均值。第一斜率范围为一个数值区间，具体可以根据实际切割速度进行设置。例如，当超声骨刀10的切割速度大于或者等于0.5毫米/秒，以秒作为声阻抗信号的横坐标的单位，以欧姆作为声阻抗信号的纵坐标的单位，第一斜率范围为45度至90度，例如为45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度或90度。较佳的一种实施例中，第一斜率范围为60度至90度，即第一斜率范围可以大于等于60度且小于等于90度，从而可以较为准确地判断刀头的当前位置。

其中，其他组织可以为除皮质骨外的其他组织，例如松质骨、软组织或空气等。其他组织与皮质骨21的分界面代表了其他组织位于皮质骨21的外侧，刀头的切入方向是由其他组织向皮质骨21。

参考图3B中的第一上升沿41a和41b，若声阻抗信号位于第一上升沿，且其平均斜率位于第一斜率范围，可以较为准确的判定当前位置为其他组织与皮质骨21的分界面，从而便于操作者50了解超声骨刀10的当前位置。

在一些实施例中，步骤S201中的判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，可以包括：响应于确定第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第一预设范围，判定当前位置为空气与皮质骨的分界面。

可以理解，由于超声骨刀10在不同组织中的声阻抗不同，可以通过整个第一上升沿41a起点处的声阻抗幅值来判定超声骨刀10是位于何种组织与皮质骨21的分界面。

第一预设范围为超声骨刀10在空气中的声阻抗幅值范围，通过判断第一上升沿41a起点处的声阻抗幅值是否位于第一预设范围内，可以准确判断当前位置是否为空气与皮质骨21的分界面。

另外，步骤S201中的判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，还可以包括：

响应于确定第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第二预设范围，判定当前位置为软组织与皮质骨的分界面。

第二预设范围为超声骨刀10在软组织中的声阻抗幅值范围，同理可知，通过判断第一上升沿41a起点处的声阻抗幅值是否位于第二预设范围内，可以准确判断当前位置是否为软组织与皮质骨21的分界面。

当然，步骤S201中的判定当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，还可以包括：响应于确定第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第三预设范围，判定当前位置为松质骨与皮质骨的分界面。

第三预设范围为超声骨刀10在松质骨中的声阻抗幅值范围，同理可知，通过判断第一上升沿41b起点处的声阻抗幅值是否位于第三预设范围内，可以准确判断当前位置是否为松质骨22与皮质骨21的分界面。

另外，第三预设范围的最低值大于第一预设范围的最大值，且第三预设范围的最低值大于第二预设范围的最大值。

可以理解，对于三层骨组织的切割，当超声骨刀10的切割速度大于或者等于0.5毫米/秒，空气或软组织与外层皮质骨21a的分界面的第一上升沿41a平均斜率为45度至90度，松质骨22与内层皮质骨21b的分界面的第一上升沿41b平均斜率为45度至90度。

如图2所示，在一些实施例中，步骤S102，基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置，还可以包括：步骤S202，响应于确定声阻抗信号在预设时间内处于第一下降沿、且第一下降沿的平均斜率位于第二斜率范围，判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面。

继续参照图3B，在步骤S202中，第一下降沿为声阻抗信号的幅值随时间的增长而减小的过程，以图3B中的虚线为例，42a和42b均表示第一下降沿。

而预设时间可以根据实际情况设置为多个采样周期，通过判断预设时间内声阻抗信号的幅值是否随时间而逐渐减小，可以判断声阻抗信号是否处于第一下降沿中。并且通过合理设置预设时间还可以避免信号抖动对第一下降沿判断的干扰。

第一下降沿的斜率可以为第一下降沿与横坐标之间的夹角，第一下降沿的平均斜率为预设时间段内的第一下降沿的斜率平均值。第二斜率范围为一个数值区间，具体可以根据实际切割速度进行设置。例如，当超声骨刀10的切割速度大于或者等于0.5毫米/秒，以秒作为声阻抗信号的横坐标的单位，以欧姆作为声阻抗信号的纵坐标的单位，第二斜率范围为45度至90度，例如为45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度或90度。较佳的一种实施例中，第二斜率范围为60度至90度。即第二斜率范围可以大于等于60度且小于等于90度，从而可以较为准确地判断刀头的当前位置。

其中，其他组织可以为除皮质骨外的其他组织，例如松质骨、软组织或空气等。皮质骨21与其他组织的分界面代表了皮质骨21位于其他组织的外侧，刀头的切入方向是由皮质骨21向其他组织。

参考图3B中的第一下降沿42a和42b，若声阻抗信号位于第一下降沿，且其平均斜率位于第二斜率范围，可以较为准确的判定当前位置为皮质骨21与其他组织的分界面，从而便于操作者50了解超声骨刀10的当前位置。

在一些实施例中，步骤S202中判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面的步骤，可以包括：响应于确定第一下降沿终点处的声阻抗幅值处于第三预设范围，判定当前位置为皮质骨21与松质骨22的分界面。

可以理解，由于超声骨刀10在不同组织中的声阻抗不同，可以通过整个第一下降沿42a终点处的声阻抗幅值来判定超声骨刀10是位于皮质骨21与何种组织的分界面。

第三预设范围为超声骨刀10在松质骨22中的声阻抗幅值范围，通过判断第一下降沿42a终点处的声阻抗幅值是否位于第三预设范围内，可以准确判断当前位置是否为皮质骨21与松质骨22的分界面。

在一些实施例中，步骤S202中判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面的步骤，还可以包括：响应于确定第一下降沿终点处的声阻抗幅值处于第二预设范围，判定当前位置为皮质骨与软组织的分界面。

第二预设范围为超声骨刀10在软组织中的声阻抗幅值范围，同理可知，通过判断第一下降沿42b终点处的声阻抗幅值是否位于第二预设范围内，可以准确判断当前位置是否为皮质骨21与软组织的分界面。

当然，步骤S202中判定当前位置为皮质骨与其他组织的分界面的步骤，还可以包括：响应于确定第一下降沿终点处的声阻抗幅值处于第一预设范围，判定当前位置为皮质骨与空气的分界面。

继续参照图2，步骤S102基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置，可以包括：步骤S203，响应于确定声阻抗信号在预设时间内始终处于第四预设范围，判定当前位置为皮质骨中。

第四预设范围可以为超声骨刀10在皮质骨21中的声阻抗幅值范围，其可以具有一个最低值，当声阻抗幅值大于该最低值时，可以认为刀头已位于皮质骨21中。同理可知，通过判断声阻抗信号是否位于第四预设范围内，可以准确判断当前位置是否为皮质骨21。

预设时间可以根据实际情况设置为多个采样周期，通过判断预设时间内声阻抗信号的幅值是否始终位于第四预设范围内，可以判断声阻抗信号是否处于皮质骨阻抗水平段。如图3B所示，声阻抗信号在预设时间内始终位于第四预设范围内，即位于皮质骨阻抗水平段43b中，皮质骨阻抗水平段43b表示刀头穿过其他组织与皮质骨21的分界面，并位于皮质骨21中，皮质骨阻抗水平段43b在横坐标上的长度可以根据皮质骨21的厚度不同而有所不同。

另外，对于不同个体或同一个体不同位置的皮质骨，第四预设范围可以有所不同，例如，图3B中，代表外层皮质骨的皮质骨阻抗水平43b和代表内层皮质骨的皮质骨阻抗水平43d的第四预设范围可以不同。

在一些实施例中，继续参照图2，步骤S102基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置，可以包括：步骤S204，响应于确定声阻抗信号在预设时间内始终处于第三预设范围，判定当前位置为松质骨中。

由于皮质骨的硬度大于松质骨，因此，第三预设范围的最大值小于第四预设范围的最低值。松质骨中的声阻抗的幅值应在皮质骨中的声阻抗的幅值的60％及以下，即第三预设范围的平均值大致在第四预设范围的平均值的60％及以下。第三预设范围可以为超声骨刀10在松质骨22中的声阻抗幅值范围，如图3B所示，当声阻抗幅值位于该范围内，可以认为声阻抗信号位于松质骨阻抗水平段43c中，而刀头位于松质骨22中。松质骨阻抗水平段43c表示刀头穿过其他组织例如皮质骨21与松质骨22的分界面，并位于松质骨22中，松质骨阻抗水平段43c在横坐标上的长度可以根据松质骨22的厚度不同而有所不同。

本步骤S204中，判断当前位置为松质骨的方法与步骤S203中判断当前位置为皮质骨的方法类似，具体可以参考上述步骤S203描述，不再赘述。

以上实施例描述了判断当前位置的方法，以下将结合具体的待切割骨组织20的类型对本申请的应用进行阐述。

图3C为应用于图3A的超声手术系统中的超声骨刀位置判定方法的流程图。请参照图3A、图3B和图3C，本实施例提供的方法可以用于三层骨组织的切割手术中。例如，其可以为脊柱开窗手术等。如图3A所示，待切割骨组织20包括由外至内依次设置的外层皮质骨21a、松质骨22以及内层皮质骨21b。

超声骨刀位置判定方法300可以包括步骤S301至步骤S302。

步骤S301，获取超声骨刀10的声阻抗信号。

步骤S302，基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置。

步骤S303，响应于确定当前位置为内层皮质骨21b与软组织的分界面，发出第一提示信息。

其中，步骤S301和步骤S302与上述实施例中的步骤S101和步骤S102相同，具体可以参考上述实施例的阐述。

可以理解，图3B示出的为三层骨组织全切透的声阻抗曲线。阻抗水平段43a表示超声骨刀10的刀头始终位于空气或软组织中。第一上升沿41a表示刀头位于空气或软组织与外层皮质骨21a的分界面。皮质骨阻抗水平段43b表示刀头位于外层皮质骨21a中。第一下降沿42a表示刀头位于外层皮质骨21a与松质骨22的分界面。松质骨阻抗水平段43c表示刀头位于松质骨22中。第一上升沿41b表示刀头位于松质骨22与内层皮质骨21b的分界面。皮质骨阻抗水平段43d表示刀头位于内层皮质骨21b中。第一下降沿42b表示刀头位于内层皮质骨21b与软组织的分界面。阻抗水平段43e表示刀头已穿透三层骨组织结构。

实际手术过程中，内层皮质骨21b的内侧通常为脊髓或脑等软组织，一旦超声骨刀10穿透内层皮质骨21b将会容易损伤神经组织。

因此，当确定当前位置为内层皮质骨21b与软组织的分界面时，若操作者50为医生，可以及时向操作者50发出第一提示信息，第一提示信息可以为声音、光照或振动等信号，以方便医生停止或提起超声骨刀10。另外，若操作者50为手术机器人，发出的第一提示信息则可以直接用于控制超声骨刀10停止切割。

综上，通过上述方法300可以检测刀头当前位置，并对危险的位置进行提示，进一步提高手术的安全性，减少对脊髓或脑等神经组织的意外损伤。

在一些实施例中，步骤S303中的确定当前位置为内层皮质骨与软组织的分界面的步骤，可以包括：响应于确定当前位置第二次位于皮质骨21与其他组织的分界面，判定当前位置为内层皮质骨21b与软组织的分界面。

可以理解，对于三层骨组织，切割顺序为外层皮质骨21a、松质骨22和内层皮质骨21b。外层皮质骨21a和内层皮质骨21b均为皮质骨21，其与其他组织的分界面的判定方法可以参考上述实施例的皮质骨与其他组织分界面的判定方法。

本实施例中，可以通过记录当前位置处于皮质骨21与其他组织的分界面的次数来判断当前位置是外层皮质骨21a还是内层皮质骨21b与软组织的分界面。当刀头的当前位置第一次位于皮质骨21与其他组织的分界面时，该分界面为外层皮质骨21a与松质骨22的分界面。当刀头的当前位置第二次位于皮质骨21与其他组织的分界面时，该分界面为内层皮质骨21b与软组织的分界面，从而可以准确判断刀头所接触的是外层皮质骨21a或内层皮质骨21b。

图4A示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；图4B为图4A中超声骨刀的声阻抗变化图；图4C为应用于图4A的超声手术系统中的超声骨刀位置判定方法的流程图。

请参照图4A、图4B和图4C，本实施例还提供一种超声骨刀位置判定方法400，可以用于二层骨组织结构的切割手术中，例如椎弓根螺钉钻孔手术。如图4A所示，待切割骨组织20可以包括由外至内依次设置的皮质骨21与松质骨22，皮质骨21位于松质骨22外侧。该方法可以包括步骤S401至步骤S403。

步骤S401，获取超声骨刀10的声阻抗信号。

步骤S402，基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置。

步骤S403，响应于确定超声骨刀10的位移位于预设尺寸内、且当前位置为松质骨22与皮质骨21的分界面，发出第二提示信息。

其中，步骤S401和步骤S402与上述实施例中的步骤S101和步骤S102相同，具体可以参考上述实施例的阐述。

可以理解，图4B示出的为二层骨组织全切透的声阻抗曲线。阻抗水平段43f表示超声骨刀10的刀头始终位于空气或软组织中。第一上升沿41c表示刀头位于空气或软组织与皮质骨21的分界面。皮质骨阻抗水平段43g表示刀头位于皮质骨21中。第一下降沿42c表示刀头位于皮质骨21与松质骨22的分界面。松质骨阻抗水平段43h表示刀头位于松质骨22中。

以椎弓根螺钉钻孔手术而言，实际手术过程中，钻孔应穿透皮质骨21并停止在松质骨22中。可以理解，该手术过程中并不存在刀头位于松质骨与皮质骨分界面的现象。

在步骤S403中，预设尺寸可以为所需的钻孔长度，即超声骨刀10的位移应该达到预设尺寸。并且，在超声骨刀10的位移未达到预设尺寸，并且当前位置为松质骨22与皮质骨的分界面时，表示刀头的切割方向即钻孔方向错误，超声骨刀10已接触到其他皮质骨，此时需要调整钻孔方向。判定当前位置为松质骨22与皮质骨的分界面的方法可以参考上述实施例。

另外，当超声骨刀10的位移位于预设尺寸内、且当前位置为松质骨22与皮质骨21的分界面时，如果操作者50为医生，可以及时向操作者50发出第二提示信息，第二提示信息可以为声音、光照或振动等信号，以提醒医生调整刀头的切割方向，另外，如果操作者50为手术机器人，发出的第二提示信息则可以直接用于控制超声骨刀10调整刀头的方向。

综上，通过上述方法400可以检测刀头当前位置，并在钻孔方向错误时及时提示操作者50，使得钻孔位置准确，进一步提高手术的安全性。

图5A示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的工作原理图；图5B为图5A中超声骨刀的声阻抗变化图；图5C为应用于图5A的超声手术系统中的超声骨刀位置判定方法的流程图。

请参照图5A、图5B和图5C，本实施例还提供一种超声骨刀位置判定方法500，可以用于单层皮质骨的切割手术中，例如腿骨中。如图5A所示，待切割骨组织20可以包括皮质骨21。该方法可以包括步骤S501至步骤S503。

步骤S501，获取超声骨刀10的声阻抗信号。

步骤S502，基于声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织20中的当前位置。

步骤S503，响应于确定当前位置为皮质骨与软组织的分界面，发出第三提示信息。

其中，步骤S501和步骤S502与上述实施例中的步骤S101和步骤S102相同，具体可以参考上述实施例的阐述。

可以理解，图5B示出的为单层皮质骨全切透的声阻抗曲线。阻抗水平段43i表示超声骨刀10的刀头始终位于空气或软组织中。第一上升沿41d表示刀头位于空气或软组织与皮质骨21的分界面。皮质骨阻抗水平段43j表示刀头位于皮质骨21中。第一下降沿42d表示刀头位于皮质骨21与软组织的分界面。

步骤S503中，当出现皮质骨21与软组织的分界面时，则认为超声骨刀10已切透骨组织，此时若操作者50为医生，可以及时向操作者50发出第三提示信息，第三提示信息可以为声音、光照或振动等信号，以方便医生停止或提起超声骨刀10。另外，若操作者50为手术机器人，发出的第三提示信息则可以直接用于控制超声骨刀10停止切割。

其中判定当前位置为皮质骨与软组织的分界面的方法可以参考上述实施例的描述。

综上，通过上述方法500可以检测刀头当前位置，并在超声骨刀10切透骨组织后及时进行提示，进一步提高手术的安全性，减少对软组织的损伤。

如图1B中，本申请还提供一种超声手术系统，包括：超声骨刀10以及处理器30，超声骨刀10用于切割待切割骨组织20；处理器30用于执行上述实施例所述的超声骨刀位置判定方法。

其中，超声骨刀10可以由医生或手术机器人操控，处理器30为常见的能够实现数据处理的结构，其可以通过换能器11采集刀头的声阻抗信号，并对声阻抗信号进行处理，以判定刀头的当前位置。超声骨刀位置判定方法与上述实施例相同，具体可以参考上述各实施例。

本实施例提供的超声手术系统，通过声阻抗信号确定超声骨刀10在待切割骨组织的当前位置，从而可以方便操作者50实时获取超声骨刀10的位置，且其相比于影像定位的精度更高，能够有效防止超声骨刀的移动路径偏离目标路径，进而减少手术时对软组织的损伤，且提升了手术效率。

图6示出了根据本申请一些实施例的超声手术系统的结构图；图7为图6中超声骨刀的局部放大图。请参照图6和图7，在一些实施例中，超声手术系统，还包括：手术机器人51以及显示设备40，手术机器人51与超声骨刀10连接；显示设备40用于显示超声骨刀10的声阻抗信号；处理器30还用于通过控制手术机器人51操作超声骨刀10。

其中，手术机器人51可以为常见的能够实现运动控制的机器人。显示设备40可以为显示器等显示结构，其可以用于实时的显示声阻抗信息和数据反馈，还可以用于x显示提示信息等。

手术机器人51可以与超声骨刀10连接，处理器30可以与手术机器人51通信连接，以向手术机器人51发送控制指令，从而带动超声骨刀10沿目标路径移动。

当然，超声手术系统中也可以设置有影像设备，其可用于拍摄超声骨刀10与待切割骨组织20的影像，显示设备40能够显示影像，以辅助操作者50直观了解刀头的位置。

根据本申请的实施例，还提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质和一种计算机程序产品。

其中，计算机指令用于使所述计算机执行如上任一项所述的方法。计算机程序产品包括计算机程序，其中，计算机程序在被处理器执行时实现如上任一项的方法。

计算机可以是被配置为执行处理和/或计算的任何机器，可以是但不限于工作站、服务器、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、个人数字助理、智能电话、车载计算机、可穿戴设备或其任何组合。根据一些实施方式，上述的超声骨刀位置判定方法也可以全部或至少部分地由计算机或类似设备或系统实现。

计算机可以包括(可能经由一个或多个接口)与总线连接或与总线通信的元件。例如，计算机可以包括总线、一个或多个处理器、一个或多个输入设备以及一个或多个输出设备。一个或多个处理器可以是任何类型的处理器，并且可以包括但不限于一个或多个通用处理器和/或一个或多个专用处理器(例如特殊处理芯片)。输入设备可以是能向计算机输入信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于传感器(例如前文所述的获取图像的传感器)、鼠标、键盘、触摸屏、麦克风和/或遥控器。输出设备可以是能呈现信息的任何类型的设备，并且可以包括但不限于显示器、扬声器(例如可用于实施前文所述的输出声音数据的输出设备)、视频/音频输出终端、振动器和/或打印机。计算机还可以包括非瞬时性存储设备或者与非瞬时性存储设备连接，所述非瞬时性存储设备(例如可以用于实施前文所述的计算机可读存储介质)可以是非瞬时性的并且可以实现数据存储的任何存储设备，并且可以包括但不限于磁盘驱动器、光学存储设备、固态存储器、软盘、柔性盘、硬盘、磁带或任何其他磁介质，光盘或任何其他光学介质、ROM(只读存储器)、RAM(随机存取存储器)、高速缓冲存储器和/或任何其他存储器芯片或盒、和/或计算机可从其读取数据、指令和/或代码的任何其他介质。非瞬时性存储设备可以从接口拆卸。非瞬时性存储设备可以具有用于实现上述方法和步骤的数据/程序(包括指令)/代码。计算机还可以包括通信设备。通信设备可以是使得能够与外部设备和/或与网络通信的任何类型的设备或系统，并且可以包括但不限于调制解调器、网卡、红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组，例如蓝牙设备、1302.11设备、WiFi设备、WiMax设备、蜂窝通信设备和/或类似物。

计算机还可以包括工作存储器(其可以用于实施前述系统的存储器)，其可以是可以存储对处理器的工作有用的程序(包括指令)和/或数据的任何类型的工作存储器，并且可以包括但不限于随机存取存储器和/或只读存储器设备。

软件要素(程序)可以位于工作存储器中，包括但不限于操作系统、一个或多个应用程序、驱动程序和/或其他数据和代码。用于执行上述方法和步骤的指令可以被包括在一个或多个应用程序中。软件要素(程序)的指令的可执行代码或源代码可以存储在非瞬时性计算机可读存储介质(例如上述存储设备)中，并且在执行时可以被存入工作存储器中(可能被编译和/或安装)。软件要素(程序)的指令的可执行代码或源代码也可以从远程位置下载。

用于实施本申请的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本申请中记载的各步骤可以并行地执行、也可以顺序地或以不同的次序执行，只要能够实现本申请公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

应当理解的是，在本说明书中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系或尺寸为基于附图所示的方位或位置关系或尺寸，使用这些术语仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，并且因此不能理解为对本申请的保护范围的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本说明书提供了能够用于实现本申请的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本申请的保护范围。本领域技术人员在本申请的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

Claims (18)

1.一种超声骨刀位置判定方法，其特征在于，包括：

获取超声骨刀的声阻抗信号；

基于所述声阻抗信号确定所述超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述声阻抗信号确定所述超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，包括：

响应于确定所述声阻抗信号在预设时间内处于第一上升沿、且所述第一上升沿的平均斜率位于第一斜率范围，判定所述当前位置为其他组织与皮质骨的分界面。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判定所述当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，包括：

响应于确定所述第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第一预设范围，判定所述当前位置为空气与皮质骨的分界面。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判定所述当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，包括：

响应于确定所述第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第二预设范围，判定所述当前位置为软组织与皮质骨的分界面。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述判定所述当前位置为其他组织与皮质骨的分界面，包括：

响应于确定所述第一上升沿起点处的声阻抗幅值处于第三预设范围，判定所述当前位置为松质骨与皮质骨的分界面。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述声阻抗信号确定所述超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，包括：

响应于确定所述声阻抗信号在预设时间内处于第一下降沿、且所述第一下降沿的平均斜率位于第二斜率范围，判定所述当前位置为皮质骨与其他组织的分界面。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述判定所述当前位置为皮质骨与其他组织的分界面，包括：

响应于确定所述第一下降沿终点处的声阻抗幅值处于第三预设范围，判定所述当前位置为皮质骨与松质骨的分界面。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述判定所述当前位置为皮质骨与其他组织的分界面，包括：

响应于确定所述第一下降沿终点处的声阻抗幅值处于第二预设范围，判定所述当前位置为皮质骨与软组织的分界面。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述声阻抗信号确定所述超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，包括：

响应于确定所述声阻抗信号在预设时间内始终处于第四预设范围，判定所述当前位置为皮质骨中。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述声阻抗信号确定所述超声骨刀在待切割骨组织中的当前位置，包括：

响应于确定所述声阻抗信号在预设时间内始终处于第三预设范围，判定所述当前位置为松质骨中。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述待切割骨组织包括由外至内依次设置的外层皮质骨、松质骨以及内层皮质骨；所述方法还包括：

响应于确定所述当前位置为内层皮质骨与软组织的分界面，发出第一提示信息。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述确定所述当前位置为内层皮质骨与软组织的分界面，包括：

响应于确定所述当前位置第二次位于皮质骨与其他组织的分界面，判定所述当前位置为内层皮质骨与软组织的分界面。

13.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述待切割骨组织包括由外至内依次设置的皮质骨与松质骨；所述方法还包括：

响应于确定所述超声骨刀的位移位于预设尺寸内、且所述当前位置为松质骨与皮质骨的分界面，发出第二提示信息。

14.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述待切割骨组织包括皮质骨；所述方法还包括：

响应于确定所述当前位置为皮质骨与软组织的分界面，发出第三提示信息。

15.一种超声手术系统，其特征在于，包括：

超声骨刀，用于切割待切割骨组织；

处理器，用于执行权利要求1-14中任一项所述的方法。

16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，还包括：

手术机器人，与所述超声骨刀连接；

显示设备，用于显示所述超声骨刀的声阻抗信号；

所述处理器还用于通过控制所述手术机器人操作所述超声骨刀。

17.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其中，所述计算机指令用于使计算机执行根据权利要求1-14中任一项所述的方法。

18.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其中，所述计算机程序在被处理器执行时实现权利要求1-14中任一项所述的方法。

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