CN116712168B - 椎板磨削控制方法及手术机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种椎板磨削控制方法及手术机器人系统，其涉及外科手术机器人领域。其技术方案要点包括：获取椎板的医学图像，并根据医学图像建立椎板三维模型；获取磨削工具的移动行程范围，并根据移动行程范围建立磨削三维模型；将磨削三维模型与椎板三维模型相交来获取椎板的待磨削区域。本发明将磨削三维模型与椎板三维模型相交来获取椎板的待磨削区域，能够降低操作难度和要求，并且提高效率；同时，具象化的磨削三维模型能够让医生对磨削动作拥有更加清晰和直观的认识，从而能够对不同形态的椎板三维模型分别确定出合适的待磨削区域，进而能够提高效率以及手术质量。

Description

椎板磨削控制方法及手术机器人系统

技术领域

本发明涉及外科手术机器人领域，更具体地说，它涉及一种椎板磨削控制方法及手术机器人系统。

背景技术

椎板减压术是脊柱手术中常见的一种术式，也是高风险的外科手术之一。传统的椎板减压手术需要医生手持医用骨钻等手术工具对患者病灶区的椎板进行切割、磨削等操作，以剔除椎板并缓解该处的神经压力。但传统手术对医生的要求极高，它不仅要求医生具有熟练的手术技巧和较强的心理素质，还要求医生在手术过程中保持饱满的精神状态，医生一旦出现疲惫或紧张均可能导致误操作，从而导致严重后果。

现有授权公告号为CN110936379B的中国专利，公开了一种机器人控制方法、机器人控制装置及机器人，其控制方法包括从三维重建图像中获取待切削的椎板区域，然后根据椎板的各个位置点来获取机器人在切削过程中的运动路径；在获取待切削的椎板区域时，建立包围待切削的椎板区域的包围盒；其中，医生可以用鼠标拖动该控制点实现包围盒尺寸的调整，也可以通过深度学习网络从三维重建图像中获取待切削的椎板区域，并建立包围待切削的椎板区域的包围盒，而无需医生手动调整包围盒。

通过深度学习网络来自动建立包围盒，也是基于医生大量的实际操作案例。所以，上述专利中对包围盒的建立主要还是依赖于医生用鼠标拖动控制点来调整。

但是，医生用鼠标控制点来调整包围盒的尺寸，这样的操作方式不仅效率低，而且对医生的要求也较高。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的之一在于提供一种椎板磨削控制方法，其将磨削三维模型与椎板三维模型相交来获取椎板的待磨削区域，能够降低操作难度和要求，并且提高效率；同时，具象化的磨削三维模型能够让医生对磨削动作拥有更加清晰和直观的认识，从而能够对不同形态的椎板三维模型分别确定出合适的待磨削区域，进而能够提高效率以及手术质量。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种椎板磨削控制方法，所述磨削控制方法包括：

获取椎板的医学图像，并根据医学图像建立椎板三维模型；

获取磨削工具的移动行程范围，并根据移动行程范围建立磨削三维模型；

将磨削三维模型与椎板三维模型相交来获取椎板的待磨削区域。

进一步地，所述磨削三维模型与椎板三维模型相交后，调节磨削三维模型来获取椎板的待磨削区域；

建立一个或者多个磨削三维模型与椎板三维模型的相交截面来辅助调节磨削三维模型。

进一步地，所述磨削控制方法还包括：在磨削三维模型的顶角处建立起点指示模型。

进一步地，获取待磨削区域的截面轮廓线，沿着截面轮廓线建立磨削边界线，以磨削边界线为基准设定磨削安全余量。

进一步地，所述磨削控制方法还包括：以磨削边界线为引导路径，沿着引导路径来建立磨削路径。

进一步地，以磨削边界线为引导路径，以磨削安全余量为半径，建立多个沿引导路径阵列布置的圆；所述磨削路径包括位于截面轮廓线内、与多个圆相切的磨削线。

进一步地，所述磨削路径包括多个磨削线；其中，在后执行的磨削线作为相邻的在先执行的磨削线的引导路径。

进一步地，所述磨削三维模型的数量为一个；

或者，所述磨削三维模型的数量为多个，并且将多个磨削三维模型分别与椎板三维模型的不同位置相交。

进一步地，所述磨削工具在二维平面内移动，其移动行程范围包括第一方向行程以及第二方向行程，第一方向垂直于第二方向；

或者，所述磨削工具在三维空间内移动，其移动行程范围包括第一方向行程、第二方向行程以及第三方向行程，第一方向、第二方向以及第三方向相互垂直。

本发明的另一目的在于提供一种手术机器人系统，并提供了如下技术方案：

一种手术机器人系统，用于执行上述椎板磨削控制方法。

进一步地，包括磨削工具、用于驱动磨削工具移动来执行磨削动作的手术运动平台以及用于驱动手术运动平台移动的机械臂；

所述手术运动平台为二轴运动平台，用于驱动磨削工具在二维平面内移动；

或者，所述手术运动平台为三轴运动平台，用于驱动磨削工具在三维空间内移动。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

医生可以通过鼠标拖动磨削三维模型进行移动或者旋转，然后根据椎板三维模型的具体形态来改变相交区域，从而获取合适的待磨削区域；医生不需要调节磨削三维模型的形状和体积，只需要控制磨削三维模型进行平移或者旋转即可，从而能够降低操作难度和要求，并且提高效率；同时，具象化的磨削三维模型能够让医生对磨削动作拥有更加清晰和直观的认识，从而能够对不同形态的椎板三维模型分别确定出合适的待磨削区域，进而能够提高效率以及手术质量；

沿着截面轮廓线建立磨削边界线，并且以磨削边界线为引导路径，然后沿着引导路径来建立磨削路径，这样能够提高磨削的安全性，避免出现磨穿的情况。

附图说明

图1为实施例1中椎板磨削控制方法的流程示意图；

图2为实施例1中椎板三维模型与两个磨削三维模型的示意图；

图3为实施例1中椎板三维模型、磨削三维模型以及三个相交截面的示意图；

图4为实施例1中椎板三维模型与一个磨削三维模型的示意图；

图5为实施例1中截面轮廓线的示意图；

图6为实施例1中截面轮廓线与磨削边界线的示意图；

图7为实施例1中截面轮廓线、磨削边界线以及磨削路径的示意图；

图8为实施例1中磨削边界线、第一圆以及第一磨削线的示意图；

图9为实施例1中磨削边界线、第一圆、第一磨削线、第二圆以及第二磨削线的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

实施例1：

一种椎板磨削控制方法，参照图1至图9，其包括分别建立椎板三维模型和磨削三维模型，然后将磨削三维模型与椎板三维模型相交,来获取待磨削区域；具体地，建立椎板三维模型，需要获取椎板的医学图像，例如CT影像，然后根据医学图像来建立椎板三维模型；建立磨削三维模型，需要获取磨削工具的移动行程范围，然后根据移动行程范围来建立磨削三维模型；获取待磨削区域，需要先将磨削三维模型与椎板三维模型相交，然后可以调节磨削三维模型来改变相交区域的形状或者体积，确定后的相交区域则为椎板的待磨削区域。

其中，选定磨削工具以及磨削工具的移动行程范围之后，磨削三维模型的形状和体积则是固定的，所以医生只需要控制磨削三维模型进行平移或者旋转即可；例如，医生可以通过鼠标拖动磨削三维模型进行移动或者旋转，也可以配合键盘来输入具体的平移距离或者旋转角度，从而根据椎板三维模型的具体形态来改变相交区域，进而获取合适的待磨削区域；医生不需要调节磨削三维模型的形状和体积，只需要控制磨削三维模型进行平移或者旋转即可，从而能够降低操作难度和要求，并且提高效率；同时，具象化的磨削三维模型能够让医生对磨削动作拥有更加清晰和直观的认识，从而能够对不同形态的椎板三维模型分别确定出合适的待磨削区域，进而能够提高效率以及手术质量；当然，在其他可选的实施例中，也可以通过深度学习网络使磨削三维模型与椎板三维模型相交来获得合适的待磨削区域，在此不作限制。

其中，磨削三维模型根据磨削工具的移动行程范围来建立的，所以磨削三维模型的形状比椎板三维模型更加规整和简单，那么调节磨削三维模型来改变相交区域就更加方便；当然，在其他可选的实施例中，也可以调节椎板三维模型来改变相交区域，或者分别调节磨削三维模型和椎板三维模型来改变相交区域，在此不作限制；为了更加精确地调节磨削三维模型的位置或者角度，还可以建立一个或者多个磨削三维模型与椎板三维模型的相交截面来辅助调节磨削三维模型；具体地，参照图3，本实施例中建立了三个不同的相交截面（矢状图、冠状图、轴状图）来辅助调节磨削三维模型，通过相交截面能够更加清楚地观察磨削三维模型与椎板三维模型的相对位置，也就能够更加精确地调节磨削三维模型的位置或者角度，从而获得更加合适的待磨削区域，进而能够提高手术质量；上述相交截面的位置和数量，可以根据需要进行选择，在此不作限制。

椎板三维模型的数量为一个，而磨削三维模型的数量可以为一个或者多个；磨削三维模型的数量可以根据需要进行选择，在此不作限制；其中，图2中为一个椎板三维模型与两个磨削三维模型，图4中为一个椎板三维模型与一个磨削三维模型；图2中两个磨削三维模型分别与椎板三维模型的不同位置相交，每个磨削三维模型都是独立调节，这样能够分别获取两个不同的待磨削区域；图2中两个磨削三维模型由同一个磨削工具及其移动行程范围来建立；也就是说，两个磨削三维模型之间，只有位置和姿态不同；当然，在其他可选的实施例中，也可以由不同的磨削工具或者移动行程范围来分别建立多个磨削三维模型，在此不作限制。

具体地，本实施例中磨削工具为球头磨钻；当然，在其他可选的实施例中，磨削工具也可以选择超声骨刀或者铣刀等，在此不作限制；本实施例中磨削工具在二维平面内移动，其移动行程范围包括第一方向行程以及第二方向行程，第一方向垂直于第二方向；也就是说，球头磨钻可以在由第一方向行程和第二方向行程限定的平面内移动；磨削工具在二维平面内移动，那么在建立磨削三维模型时，还需要结合球头磨钻的尺寸；即，根据球头磨钻的半径、第一方向行程和第二方向行程来建立一个呈长方体的磨削三维模型；例如，定义球头磨钻的半径为r，第一方向行程为a，第二方向行程为b，那么a作为磨削三维模型的长，2r作为磨削三维模型的宽， b作为磨削三维模型的高，从而能够建立一个呈长方体的磨削三维模型；其中，磨削工具的移动行程范围通常会远大于待磨削区域，故建立磨削三维模型时，磨削三维模型的长或宽可以不考虑球头磨钻半径r；当然，将球头磨钻的半径r增加至磨削三维模型的长或宽中也可以，在此不作限制；在其他可选的实施例中，也可以根据球头磨钻的半径将长方体的棱边处做圆角处理，在此不作限制；控制磨削工具在二维平面内移动，能够简化磨削三维模型，而且能够方便对磨削路径进行规划，提高磨削效率；当然，在其他可选的实施例中，磨削工具也可以在三维空间内移动，其移动行程范围包括第一方向行程、第二方向行程以及第三方向行程，第一方向、第二方向以及第三方向相互垂直，在此不作限制；如果磨削工具在三维空间内移动，则可以由球头磨钻的半径与第三方向行程共同来限定磨削三维模型的宽，也可以仅由第三方向行程来限定磨削三维模型的宽，在此不作限制。

优选地，磨削控制方法还包括：在磨削三维模型的顶角处建立起点指示模型；起点指示模型与磨削三维模型的相对位置是保持不变的，那么具象化的起点指示模型能够方便医生对磨削三维模型的姿态拥有更加清晰和直观的认识，也方便对磨削三维模型进行调节；本实施例中起点指示模型呈圆锥体，圆锥体的顶点与磨削三维模型相对；当然，在其他可选的实施例中，起点指示模型也可以选择其它形状，在此不作限制。

具体地，磨削控制方法还包括：获取待磨削区域的截面轮廓线（参照图5），沿着截面轮廓线建立磨削边界线（参照图6），以磨削边界线为基准设定磨削安全余量；然后以磨削边界线为引导路径，沿着引导路径来建立磨削路径；本实施例中截面轮廓线由软件自动识别并示出，这样能够提高效率；当然，在其他可选的实施例中，截面轮廓线也可以由医生通过鼠标绘制，在此不作限制；图6中截面轮廓线的底部的较粗的线段则为磨削边界线；本实施例中根据待磨削区域的位置，为了避免向下磨穿，所以建立一个位于截面轮廓线的底部的磨削边界线；在其他可选的实施例中，为了磨削安全，磨削边界线的位置和数量可以根据需要进行调整，在此不作限制；本实施例中，截面轮廓线的截面平行于由第一方向行程和第二方向行程限定的平面；本实施例中沿着截面轮廓线来建立磨削边界线，然后以磨削边界线为基准设定磨削安全余量，并且以磨削边界线为引导路径来建立磨削路径，这样能够有效避免向下磨穿；具体地，医生通过鼠标沿着截面轮廓线画出磨削边界线，磨削边界线位于截面轮廓线的底部位置，并且具有起点和终点；当然，在其他可选的实施例中，磨削边界线也可以自动识别并生成，而不需要医生绘制，在此不作限制。

参照图7和图8，以磨削边界线为引导路径，以磨削安全余量为半径，建立多个沿引导路径阵列布置的第一圆；其中，以磨削边界线为引导路径，即，多个第一圆的圆心均位于磨削边界线上；磨削路径包括位于截面轮廓线内、与多个第一圆相切的第一磨削线；也就是说，将多个第一圆上的切点连接成线，然后截取位于截面轮廓线内的部分作为第一磨削线；第一磨削线上的任意一点与磨削边界线的最小距离都大于或者等于磨削安全余量，从而能够有效保证磨削的安全性；如果采用单次磨削，那么建立第一磨削线即可，沿着第一磨削线将第一磨削线上方的区域全部磨削；如果采用多次磨削，则可以在第一磨削线的基础上建立更多的磨削线，则磨削路径包括多个磨削线；其中，在后执行的磨削线作为相邻的在先执行的磨削线的引导路径，从而有利于保证磨削的安全性；例如，参照图7和图9，以第一磨削线为引导路径，以球头磨钻的半径尺寸为半径，建立多个沿引导路径阵列布置的第二圆，磨削路径则包括位于截面轮廓线内、与多个第二圆相切的第二磨削线，第二磨削线位于第一磨削线的上方；其中，多个第二圆的圆心均位于第一磨削线上；以此类推，参照图7，本实施例中磨削路径包括由下至上分布的第一磨削线、第二磨削线、第三磨削线、第四磨削线以及第五磨削线；磨削时，则从第五磨削线开始，由上往下，依次执行磨削；沿着引导路径阵列布置的圆的数量，可以根据需要进行调整，当然，优选为数量较多；本实施例中沿着第三、四、五磨削线阵列布置的圆，都是以球头磨钻的半径尺寸为圆的半径，从而方便形成磨削路径；当然，阵列布置的圆的半径可以根据需要进行调整，在此不作限制。

实施例2：

一种手术机器人系统，其用于执行实施例1中的椎板磨削控制方法；具体地，手术机器人系统包括包括磨削工具、用于驱动磨削工具移动来执行磨削动作的手术运动平台以及用于驱动手术运动平台移动的机械臂；手术机器人系统还包括定位标识、视觉识别机构以及控制系统；其中，手术运动平台为二轴运动平台，用于驱动磨削工具在二维平面内移动；本实施例中的二轴运动平台为现有技术，在此不做赘述。

具体地，视觉识别机构扫描定位标识上的标识图形，从而为机械臂的移动进行定位；控制系统驱动机械臂将手术运动平台移动至指定位置，然后由手术运动平台根据磨削路径来驱动磨削工具进行移动；采用手术运动平台来驱动磨削工具进行移动，有利于提高移动精度；当然，在其他可选的实施例中，手术运动平台也可以为三轴运动平台，用于驱动磨削工具在三维空间内移动，在此不作限制；同时，在其他可选的实施例中，在采用实施例1中的椎板磨削控制方法时，也可以由机械臂直接驱动磨削工具进行移动，在此不作限制。

Claims (10)

1.一种椎板磨削控制方法，其特征在于，所述磨削控制方法包括：

获取椎板的医学图像，并根据医学图像建立椎板三维模型；

获取磨削工具的移动行程范围，并根据移动行程范围建立磨削三维模型；

将磨削三维模型与椎板三维模型相交来获取椎板的待磨削区域；

所述磨削三维模型与椎板三维模型相交后，调节磨削三维模型来获取椎板的待磨削区域；

所述磨削三维模型的数量为一个；或者，所述磨削三维模型的数量为多个，并且将多个磨削三维模型分别与椎板三维模型的不同位置相交。

2.根据权利要求1所述的椎板磨削控制方法，其特征在于：建立一个或者多个磨削三维模型与椎板三维模型的相交截面来辅助调节磨削三维模型。

3.根据权利要求1所述的椎板磨削控制方法，其特征在于：所述磨削控制方法还包括：在磨削三维模型的顶角处建立起点指示模型。

4.根据权利要求1所述的椎板磨削控制方法，其特征在于：获取待磨削区域的截面轮廓线，沿着截面轮廓线建立磨削边界线，以磨削边界线为基准设定磨削安全余量。

5.根据权利要求4所述的椎板磨削控制方法，其特征在于：所述磨削控制方法还包括：以磨削边界线为引导路径，沿着引导路径来建立磨削路径。

6.根据权利要求5所述的椎板磨削控制方法，其特征在于：以磨削边界线为引导路径，以磨削安全余量为半径，建立多个沿引导路径阵列布置的圆；所述磨削路径包括位于截面轮廓线内、与多个圆相切的磨削线。

7.根据权利要求6所述的椎板磨削控制方法，其特征在于：所述磨削路径包括多个磨削线；其中，在后执行的磨削线作为相邻的在先执行的磨削线的引导路径。

8.根据权利要求1所述的椎板磨削控制方法，其特征在于：所述磨削工具在二维平面内移动，其移动行程范围包括第一方向行程以及第二方向行程，第一方向垂直于第二方向；

或者，所述磨削工具在三维空间内移动，其移动行程范围包括第一方向行程、第二方向行程以及第三方向行程，第一方向、第二方向以及第三方向相互垂直。

9.一种手术机器人系统，其特征在于：用于执行权利要求1-8中任一项所述的椎板磨削控制方法。

10.根据权利要求9所述的手术机器人系统，其特征在于：包括磨削工具、用于驱动磨削工具移动来执行磨削动作的手术运动平台以及用于驱动手术运动平台移动的机械臂；

所述手术运动平台为二轴运动平台，用于驱动磨削工具在二维平面内移动；

或者，所述手术运动平台为三轴运动平台，用于驱动磨削工具在三维空间内移动。