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WO2025055941A1 - 用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架和其校准方法 - Google Patents

用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架和其校准方法 Download PDF

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WO2025055941A1
WO2025055941A1 PCT/CN2024/118269 CN2024118269W WO2025055941A1 WO 2025055941 A1 WO2025055941 A1 WO 2025055941A1 CN 2024118269 W CN2024118269 W CN 2024118269W WO 2025055941 A1 WO2025055941 A1 WO 2025055941A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reference frame
positioning
calibration
designed
fusion
Prior art date
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Pending
Application number
PCT/CN2024/118269
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English (en)
French (fr)
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杨晓东
古普塔肖里亚
史伟松
陈朝良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chunfenghuayu Suzhou Intelligent Medical Technology Co Ltd
Original Assignee
Chunfenghuayu Suzhou Intelligent Medical Technology Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Chunfenghuayu Suzhou Intelligent Medical Technology Co Ltd filed Critical Chunfenghuayu Suzhou Intelligent Medical Technology Co Ltd
Publication of WO2025055941A1 publication Critical patent/WO2025055941A1/zh
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    • A61F2002/4632Special tools for implanting artificial joints using computer-controlled surgery, e.g. robotic surgery

Definitions

  • the present disclosure relates to a reference frame for electromagnetic positioning navigation of an orthopedic surgical robot and also relates to a method for calibrating the reference frame.
  • Robot-assisted orthopedic surgery is an important application of orthopedic surgical robots.
  • surgeons placed screws in the spinal bones to perform complex spinal surgeries manually or with the assistance of a large number of X-rays taken during the operation, which put patients and surgeons at risk of radiation exposure.
  • spinal surgery requires high accuracy in screw placement, and the consequences of placing screws in the wrong or suboptimal position are very serious.
  • Orthopedic surgical robots can provide a guidance system based on computerized preoperative planning, which can significantly improve accuracy and reduce the risk of misplaced screws.
  • Conventional orthopedic robotic spinal pedicle screw placement surgery is based on intraoperative planning, inserting a guide needle, and then inserting a hollow pedicle screw through the guide needle. Ultimately, the doctor still has to drill and screw manually, which is inefficient.
  • Existing orthopedic surgical robots are generally equipped with an infrared navigation system, which is easily blocked by objects during surgery and affected by the movement of patients or patient support devices, resulting in navigation deviations and surgical interruptions.
  • the inventors have developed a reference frame for an electromagnetic navigation device of a surgical robot and an electromagnetic navigation system having the reference frame, which can avoid the disadvantage of the optical navigation of the surgical robot in the prior art that it is easily blocked by objects and achieve high-precision navigation.
  • infrared navigation systems for surgical robots are usually equipped with a small reflective ball for tracking on a separate reference frame, and this reference frame is far away from the surgical area, which causes the small reflective ball for tracking to be far away.
  • This arrangement in the infrared navigation system will lead to a large error in positioning and navigation. Therefore, it is currently necessary to find a solution suitable for electromagnetic positioning of orthopedic surgical robots that can improve the positioning and navigation accuracy of orthopedic surgical robots.
  • a reference frame for electromagnetic positioning navigation of an orthopedic surgical robot the reference frame being designed as an intervertebral fusion device, comprising:
  • a fusion device body which is used to be implanted between two vertebrae related to the lesion, and has a top surface, a bottom surface and a side surface, and an opening for filling a bone graft material is provided in the middle area between the top surface and the bottom surface;
  • a positioning sensor device for electromagnetic positioning navigation of an orthopedic surgical robot which is detachably connected to the intervertebral fusion device;
  • a developing device used for displaying coordinate positions in images acquired by medical imaging equipment, and fixedly arranged on the intervertebral fusion cage body.
  • the reference frame as an intervertebral fusion device, there is no need to additionally install an external reference frame in the orthopedic surgical robot system before, for example, spinal fusion surgery. This can simplify the operating procedures, eliminate the need for equipment designed solely as a reference frame, and thus save equipment costs.
  • the reference frame is designed as an intervertebral fusion device
  • the positioning sensor device detachably installed thereon is close enough to the surgical area, and the intervertebral fusion device is positioned in real time through the electromagnetic navigation positioning system, thus avoiding errors introduced by the movement of the surgical object and the like, and greatly improving the precision and accuracy of positioning.
  • the developing device is designed as at least three tantalum markers, and the at least three tantalum markers are dispersedly arranged on the fusion device body as marking devices, thereby calculating the registration matrix from the coordinates of the medical imaging device to the electromagnetic space coordinates. Further preferably, the developing device is designed as four tantalum markers, thereby obtaining a more accurate registration effect. This registration effect also depends on the degree of dispersion of the tantalum markers on the fusion device body. If the degree of dispersion of the tantalum markers on the fusion device body is higher, a more accurate registration effect can be obtained.
  • the top and bottom surfaces of the fusion device body are at least partially provided with anti-skid parts, respectively, for increasing the surface friction resistance of the two vertebrae in contact with them.
  • the anti-skid parts are designed as inverted teeth, which are especially used to prevent the fusion device body from slipping out from between the two vertebrae and are evenly distributed over the entire surface of the top and bottom surfaces of the fusion device body.
  • a hole for detachably connecting the positioning sensor device is provided on the side of the fusion device body, wherein the connection is performed in a friction fit manner.
  • At least one opening is provided on the side of the fusion device body for positioning on a calibration device for calibrating a reference frame, and the at least one opening is connected to a protrusion on the calibration device in a form-fitting manner or in a plug-in manner or in a snap-on manner.
  • the cross section of the opening is non-circular, preferably polygonal or elliptical
  • only a minimum opening, i.e., one opening is required on the side of the device body to ensure the positioning of the calibration device for calibrating the position on the reference frame, especially the intervertebral fusion device disclosed herein, because the non-circular, preferably polygonal or elliptical cross section of the opening can be connected in a shape-matched manner with a corresponding protrusion on the device body to limit the rotation of the intervertebral fusion device mounted thereon around the protrusion.
  • the design of only one opening of this shape is particularly advantageous when the device body is small and the location or space for opening the opening is small.
  • two or more openings for positioning on the calibration device for the reference frame can also be opened on the side of the fusion body, and the cross-section of the opening is circular.
  • the opening with this cross-sectional shape is easier to process, so the manufacture of the fusion body is also correspondingly easier.
  • S1 Provide a calibration device for a reference frame, on which a positioning device for positioning the reference frame, especially an intervertebral fusion device, is provided and a calibration sensor device is fixedly installed, wherein the calibration device can be used to determine a position relationship matrix between the positioning sensor device and the developing device to obtain the coordinates of the developing device in the electromagnetic space.
  • S6 Calculate the position relationship matrix between the positioning sensor device and the developing device according to the calculated conversion matrix and the determined position relationship.
  • step S7 can be additionally performed: moving the calibration device in the electromagnetic field used for electromagnetic positioning navigation, wherein the movement can be in the form of translation or rotation, but rotation is preferred, to obtain a plurality of different postures of the calibration device, wherein steps S3-S6 are repeated in each posture to obtain a plurality of position relationship matrices between the positioning sensor device and the developing device, and an average position relationship matrix is obtained for the plurality of position relationship matrices.
  • the calibration device has a top side and a bottom side, wherein on its top side there is at least one recess for accommodating at least one reference frame, the depth of which corresponds to the height of the reference frame and in which a positioning device is arranged.
  • step S2' is additionally performed: the reference frame is pressed downward against the calibration device by an additional pressing device and kept fixed to prevent the reference frame, in particular the intervertebral fusion device, from moving in the height direction of the positioning device when the calibration device is moved.
  • the positioning device is designed as at least one projection, the shape and size of which are designed to be connected in a form-fitting manner or in a plug-in manner or in a snap-on manner to at least one opening in a side surface of the reference frame body.
  • the calibration device can be positioned on the reference frame, especially the intervertebral fusion device of the present invention, with a minimum number of protrusions, i.e., one protrusion, because the non-circular, preferably polygonal or elliptical cross section of the protrusion can limit the rotation of the intervertebral fusion device mounted thereon around the protrusion by being connected in a form-fitting manner with the opening on the intervertebral fusion device body.
  • the design of only one protrusion of this shape makes it easier to provide the calibration device and thus the calibration process is also simpler.
  • the cross section of the protrusion can be designed to be circular or annular, wherein the protrusion can be designed in particular in the form of a positioning pin, so that these protrusions can be processed more easily.
  • FIG. 1 is a perspective view of a non-limiting embodiment of an intervertebral fusion cage device according to the present disclosure
  • FIG. 2 is a perspective view of a non-limiting embodiment of a cage body of an intervertebral fusion cage device according to the present disclosure
  • FIG3 is a perspective view of a non-limiting embodiment of a calibration device in a calibration method according to the present disclosure
  • FIG. 4 is a flow chart of the steps of a method for calibrating a reference frame according to the present disclosure.
  • the developing device 121 is detectable on the medical imaging device, and is designed as four tantalum markers in FIG. 2 , which are used to develop in the image captured by the medical imaging device and provide the positional relationship between them and the positioning sensor device 200, wherein the four tantalum markers are dispersedly arranged on the fusion device body 110, thereby obtaining a more accurate registration effect.
  • This registration effect also depends on the degree of dispersion of the tantalum markers on the fusion device body 110. If the degree of dispersion of the tantalum markers on the fusion device body 110 is higher, a more accurate registration effect can be obtained.
  • the tantalum markers can also be designed to be three or more than four, wherein the more the number of tantalum markers, the better the registration effect with the reference frame disclosed in the present invention, especially the intervertebral fusion device 100.
  • the tantalum markers can be implemented in the form of tantalum wires, tantalum rods, tantalum balls, etc.

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Abstract

一种用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架以及一种用于校准参考架的方法,该参考架设计为椎间融合器装置(100),包括:融合器本体(110),用于植入与病灶相关的两节椎体之间,其具有顶面(122)、底面(123)和侧面(124,125),在顶面(122)与底面(123)的中间区域开设有用于填入骨移植材料的开口(111);用于骨科手术机器人电磁定位导航的定位传感器装置(200),其可拆卸地连接在椎间融合器装置(100)上;显影装置(121),用于在医学成像设备采集的图像中显示坐标位置,其固定地设置在椎间融合器本体(110)上。

Description

用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架和其校准方法
出于所有目的,本申请要求于2023年9月14日递交的中国申请第202311184296.2号的优先权,将它们以其整体引入本文作为参考。
技术领域
本公开涉及一种用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架。此外,本公开还涉及一种用于校准该参考架的方法。
背景技术
机器人辅助骨科手术是骨科手术机器人的一项重要应用。过去外科医生以人手或在手术中大量拍摄的X光照片的协助下,在脊柱骨中放置螺钉以进行复杂的脊柱手术,患者及外科医生存在辐射暴露的风险。此外,脊柱手术中对螺钉放置的精确性要求较高,将螺钉放置于错误或并非最理想的位置的后果非常严重。
骨科手术机器人能够提供基于电脑化术前规划的指引系统,显著提高准确度及降低错置螺钉的风险。常规骨科机器人脊柱椎弓根置钉手术根据术中规划,置入导针,再通过导针置入空心椎弓根螺钉,最终还是依赖医生进行手动钻孔打钉,置钉效率低。现有的骨科手术机器人一般配备红外导航系统,该导航系统易受术中物品遮挡,以及患者或患者支撑装置移动的影响,造成导航偏差以及手术中断等。
本发明人开发了一种用于手术机器人的电磁导航设备的参考架和具有该参考架的电磁导航系统,其能够规避现有技术中手术机器人的光学导航容易受物体遮挡的缺点并且实现高精度导航。
在现有技术中已知用于手术机器人的红外导航系统通常将用于追踪的反光小球设置在单独参考架上,而这个参考架离手术区域较远,这导致用于追踪的反光小球也较远。红外导航系统中的这种布置会导致定位导航的较大误差。因此,目前需要寻找适合于骨科手术机器人的电磁定位的可提高骨科手术机器人的定位导航精度的解决方案。
发明内容
本公开要解决的技术问题是,提供一种用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架,该参考架与电磁定位导航系统配合使用可为手术机器人的运行提供实时的、精准的导航。
该技术问题在一方面通过一种用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架解决,该参考架设计为椎间融合器装置,包括:
-融合器本体,用于植入与病灶相关的两节椎体之间,其具有顶面、底面和侧面,在顶面与底面的中间区域开设有用于填入骨移植材料的开口;
-用于骨科手术机器人电磁定位导航的定位传感器装置,其可拆卸地连接在所述椎间融合器装置上;
-显影装置,用于在医学成像设备采集的图像中显示坐标位置,其固定地设置在所述椎间融合器本体上。
通过将参考架设计为椎间融合器装置,在例如脊柱融合术之前无需在骨科手术机器人系统中额外地安装设置在体外的参考架,这可以简化操作工序,省去单独作为参考架设计的设备并因此节约了设备成本。
此外,由于将参考架设计为椎间融合器装置,其上可拆卸地安设的定位传感器装置离待手术区域足够近,并且通过电磁导航定位系统实时定位椎间融合器,避免了手术对象等运动引入的误差,大大提高了定位的精度和准确度。
为了获得准确的配准数据,显影装置设计为至少三个钽标记,所述至少三个钽标记作为标记装置分散地布置在所述融合器本体上,由此,能够计算出医学成像设备坐标到电磁空间坐标的配准矩阵。进一步优选地,将显影装置设计为四个钽标记,由此,能够获得较准确的配准效果。这种配准效果还取决于钽标记在融合器本体上的分散程度,如果钽标记在融合器本体上的分散程度越高,就可以得到更精准的配准效果。
在一种扩展方案中规定,融合器本体的顶面和底面分别至少部分地设有防滑部,用于增大所述两节椎体与之接触的表面摩擦阻力。优选地将防滑部设计为倒齿,其尤其用于防止融合器本体从两节椎体之间脱出并且均匀地分布在所述融合器本体的顶面和底面的整个面上。
为了将定位传感器装置稳固地安装在参考架,尤其是椎间融合器装置的椎间融合器本体上并且考虑到椎间融合器装置置入两节相关脊椎之间或从其中取出的便利性,在所述融合器本体的侧面上设有用于可拆卸地连接所述定位传感器装置的孔,其中,所述连接以摩擦配合的方式进行。
在另一种扩展的方案中规定,在所述融合器本体的侧面开设有至少一个开口,用于定位在用于校准参考架的校准装置上,该至少一个开口与所述校准装置上的凸起形状配合地连接或插接式连接或卡接式连接。
如果在所述融合器本体的侧面仅开设一个用于定位在用于参考架的校准装置上的开口,该开口的横截面呈非圆形,优选多边形或椭圆形,则只需要在融合器本体的侧面用最少的开口,即一个开口来保证用于校准位置的校准装置对参考架,尤其是本公开的椎间融合器的定位,因为开口的非圆形,优选多边形或椭圆形截面能够通过与椎间融合器本体上的对应凸起形状配合地连接而限制安装在其上的椎间融合器装置围绕凸起转动。仅一个这种形状的开口的设计尤其在融合器本体较小时其用于开设开口的部位或者说空间很小的情况下是非常有利的。
当然也可以在所述融合器本体的侧面开设两个或更多个用于定位在用于参考架的校准装置上的开口,该开口的横截面呈圆形,这种横截面形状的开口更容易加工,因此融合器本体的制造也相应更容易。
本发明的技术问题在另一方面可以通过用于校准上述参考架的方法解决,所述方法包括步骤:
S1:提供用于参考架的校准装置,在所述校准装置上设置有用于定位所述参考架,尤其是椎间融合器装置的定位装置并且固定不动地安装有校准传感器装置,其中,通过该校准装置可以确定定位传感器装置和显影装置之间的位置关系矩阵,以获取显影装置在电磁空间中坐标。
S2:通过所述定位装置将所述参考架,尤其是椎间融合器装置定位在校准装置上;
S3:在用于电磁定位导航的电磁场下分别获取定位传感器装置和校准传感器装置在电磁空间中的坐标;
S4:根据获取的所述坐标计算从校准传感器装置到定位传感器装置的转换矩阵;
S5:基于显影装置和校准传感器装置在校准装置中预先规定的布置确定校准传感器装置和显影装置的位置关系;
S6:根据计算出的转换矩阵和已确定的位置关系计算定位传感器装置和显影装置之间的位置关系矩阵。
作为补充,为了减少算出的位置关系矩阵的误差并因此进一步提高对显 影体的电磁定位精度,在完成步骤S6之后还可以附加地执行步骤S7:在用于电磁定位导航的电磁场中移动校准装置,其中,移动的形式可以是平移,也可以转动,但优选转动,以获得校准装置的多个不同的姿态,其中,在每一个姿态下重复进行步骤S3-S6,以获取定位传感器装置和显影装置之间的多个位置关系矩阵,并且对所述多个位置关系矩阵求出平均的位置关系矩阵。
在进一步的扩展方案中规定,所述校准装置具有顶侧和底侧,在其顶侧上具有用于容纳至少一个参考架的至少一个凹处,其深度设计为与参考架的高度相应并且在所述至少一个凹处中设有定位装置。
在另一个扩展方案中规定,在步骤S2之后且步骤S3之前,附加地执行步骤S2`:通过附加的按压装置将参考架向下压靠在校准装置上并保持固定,以防止在校准装置移动时参考架,尤其是椎间融合器装置沿定位装置的高度方向移动。
在进一步的扩展方案中规定,所述定位装置设计为至少一个凸起,其形状和尺寸设计为与参考架本体的侧面中的至少一个开口形状配合地连接或插接式连接或卡接式连接。
如果将定位装置设计为仅一个凸起,该凸起的横截面呈非圆形,优选多边形或椭圆形,则通过可以用最少的凸起数量,即一个凸起就能保证该校准装置对参考架,尤其是本发明的椎间融合器的定位,因为凸起的非圆形,优选多边形或椭圆形截面能够通过与椎间融合器本体上的开口形状配合地连接而限制安装在其上的椎间融合器装置围绕凸起转动。仅一个这种形状的凸起的设计能够更容易提供校准装置并因此校准流程也更简单。
如果将定位装置设计为两个或更多凸起,该凸起横截面可以设计为圆形或圆环形,其中,该凸起尤其可以设计成定位销的形式,则能够更容易地加工出这些凸起。
在结合附图以下对示例进行详细描述,在此详细描述的示例的更多细节和优点将变得清楚。
附图说明
图1是根据本公开的椎间融合器装置的非限制性实施例的透视图;
图2是根据本公开的椎间融合器装置的融合器本体的非限制性实施例的透视图;
图3是根据本公开的校准方法中的校准装置的非限制性实施例的透视图;
图4是根据本公开的用于校准参考架的方法的步骤流程图。
参考附图,其中相同的附图标记在多个视图中指代相同的部件,本公开涉及一种用于骨科手术的手术机器人。
具体实施方式
参考附图,其中相同的附图标记在多个视图中指代相同的部件,本公开涉及一种用于骨科手术的手术机器人的。
本文中使用的术语“椎间融合装置”、“椎间融合器装置”可以互换使用,因为它们基本上描述的是同一种器械。本文描述的是一种用于手术机器人电磁导航的椎间融合器装置,通过将本公开的椎体间椎间融合器装置植入椎间盘或脊柱病变或受损患者的两个椎体之间的空间,能够实现骨骼在两个椎体之间生长,以弥补椎间盘切除后留下的间隙。
图1是从椎间融合器装置100斜上方看的用于骨科手术机器人电磁定位导航的作为参考架的椎间融合器装置100的透视图。根据本公开的椎间融合器装置100设计用于电磁导航系统与医学成像设备采集到的数据配准以及骨科手术机器人术中导航,同时恢复椎间隙高度及生理曲度,实现术后即刻稳定,减少椎弓根螺钉断裂发生,促进椎间骨性融合,并在一定程度上减少自体骨用量,从而减少由此引发的一系列并发症。该椎间融合器装置100包括融合器本体110、定位传感器装置200和显影装置121。所述医学成像设备优选可以设计为三维CT扫描仪,还可以将医学成像设备设计为其他三维成像设备。
融合器本体110设计用于植入与病灶相关的两节椎体之间并且具有顶面122、底面123和多个例如四个侧面,即,两个短侧面125和两个长侧面124,其中,在顶面122与底面123的中间区域开设有用于填入骨移植材料的开口111,其中,定位传感器装置200设计用于对椎间融合器进行电磁定位并且能够可拆卸地连接在椎间融合器本体110上,以便将定位传感器装置200稳固地安装在参考架,尤其是椎间融合器装置的椎间融合器本体110上并且考虑到椎间融合器装置100置入两节相关脊椎之间或从其中取出的便利性,其中,所述可拆卸的连接优选可以通过摩擦配合的方式,尤其螺纹连接或形状配合的方式,尤其快插连接方式等类似易于拆卸的连接方式实现,其中,定位传感 器装置200在本公开的非限制性实施例中可以包括传感器线缆210、传感器接头220、外螺纹和外六方222,其中,外螺纹与融合器本体110中的孔112(如图2所示)的内螺纹相互摩擦接合式连接以便相互拧紧,外六方222用于定位传感器装置200取出时与取出器,例如内六方套筒配合,并且其中,显影装置121设计用于在医学成像设备采集的图像中显示坐标位置并且固定地设置在所述椎间融合器本体110上。下面还将进一步描述融合器本体110。
图2是本公开的融合器本体110的立体图,该融合器本体110的轮廓可以设计成大致多边形,尤其是如图2所示的长方形,以便于融合器本体110的制造加工,在该融合器本体110的顶面122和底面123上分别设有防滑部115,用于增大所述两节椎体与之接触的表面摩擦阻力,其中,防滑部115既可以整面地分布,尤其是均匀地分布在融合器本体110的整个顶面122和底面123上,也可以部分地分布,尤其是均匀地分布在融合器本体110的部分顶面122和底面123上。在本非限制性实施例中,防滑部115可以设计为倒齿,其尤其用于防止融合器本体110从两节椎体之间脱出并且均匀地分布在所述融合器本体110的顶面122和底面123的整个面上。作为备选,防滑部115也可以设计为凸点状或凸钉状。
显影装置121在医学成像设备上是可检测的,并且图2中设计为四个钽标记,用于在医学成像设备采集的图像中显影并提供它们与定位传感器装置200之间的位置关系,其中,四个钽标记分散地设置在融合器本体110上,由此可以获得较准的配准效果。这种配准效果还取决于钽标记在融合器本体110上的分散程度,如果钽标记在融合器本体110上的分散程度越高,就可以得到更精准的配准效果。当然,钽标记也可以设计为三个或大于四个,其中,钽标记的数量越多,借助本公开的参考架,尤其是椎间融合器装置100配准的效果就越好。钽标记可以实施为钽丝、钽棒、钽球等形式。
在本公开中,显影装置121,尤其是钽标记根据其布置在融合器本体110上的位置、个数和组成的图案等预先设定唯一标识符,从而能够对诸如唯一手术对象的标识符的信息进行编码,通过它可以识别出手术对象和其状况,还能提供关于钽标记和手术对象的信息、关于植入体内的情况和日期、手术操作者、手术地点等的信息。医疗信息本身也可以被直接编码到显影装置121中,或者显影装置121上的代码可以被手动或自动输入到包含医疗信息的计算机化数据库中的相应记录,其中,医疗信息可以包括诸如从被标记的部位采集的 病理报告的数据,并且可以在植入标记装置之前或之后将该信息输入到计算机记录中。
从图2中可以看出,用于可拆卸地连接定位传感器装置200的孔112设置在长方体的融合器本体110的短侧面125上,这有利于患者获得较小的用于植入椎间融合器装置100的手术创伤口。当然,在融合器本体110的长侧面124上也可以设置用于可拆卸地连接所述定位传感器装置200的孔112。如图所示,在孔112中还设有内螺纹,通过该内螺纹与定位传感器线缆210的外螺纹能够实现可拆卸的连接。附加地,还在融合器本体110的长侧面124与短侧面125的过渡区域设有承接凹槽113,用于在置入椎间融合器装置100或取出融合器本体110时承接融合器本体110的未示出的夹取工具。当然承接凹槽113也可以随着孔112位置的变化而设置在融合器本体110的侧面的其他部位,优选将该承接凹槽113的定向与孔112的定向设计为,使得连接到孔112上的定位传感器装置200的定向与夹在融合器本体110上的夹取工具的定向一致。
如图2所示,在融合器本体110的侧面还设有至少一个开口114,用于定位在用于校准参考架,尤其是椎间融合器装置100的校准装置上,该至少一个开口114与后面仍将进一步阐述的校准装置上的第二凸起303形状配合地连接或插接式连接或卡接式连接。如果在所述融合器本体110的侧面仅开设一个所示开口114,该开口114的横截面呈非圆形,优选多边形或椭圆形,则只需要在融合器本体110的侧面用最少的开口114,即一个开口114来保证用于校准位置的校准装置对参考架,尤其是本公开的椎间融合器的定位,因为开口114的非圆形,优选多边形或椭圆形截面能够通过与椎间融合器本体110上的对应第二凸起303形状配合地连接而限制安装在其上的椎间融合器装置100围绕第二凸起303转动。仅一个这种形状的开口114的设计尤其在融合器本体110较小时其用于开设开口114的部位或者说空间很小的情况下是非常有利的。如果在所述融合器本体110的侧面开设两个或更多个用于定位在用于参考架的校准装置300上的开口114,该开口114的横截面呈环形或圆形,则可以获得更容易加工的开口114并因此获得更容易制造的融合器本体110。
图3是用于参考架的校准装置300的非限制性实施例的透视图,该校准装置300根据本公开的校准装置300原则上可以设计成任何形式,只要能容 纳并定位参考架和校准传感器装置400。如本图所示,校准装置300可以包括用于容纳参考架的凹处、用于校准的校准传感器装置400以及用于定位参考架的定位装置,其中,在校准装置300中已安装好参考架,尤其是椎间融合器。为了形象地描述本公开的用于校准参考架的方法,在本公开中作为举例,校准装置300设计成大致长方体的盒子形式,其具有顶侧和底侧,在其顶侧上具有与有待校准的参考架的数量相当数量的凹处,例如三个凹处,其具有不同的尺寸,其中,图3中最右边示出第一凹处307,中间示出用于容纳本公开的椎间融合器装置100的第二凹处306,最左边示出第三凹处308,其中,在第一凹处307和第三凹处308分别设计用于容纳与椎间融合器装置100不同大小、样式或造型的参考架,其中,第一凹处307、第二凹处306和第三凹处308的深度设计为与对应的参考架的高度相应,其中,在第一凹处307、第二凹处306和第三凹处308中尤其在它们的底部分别设有用于将参考架定位在校准装置300上的定位装置,在第一、第二和第三凹处304、306、308中的定位装置分别可以设计为至少一个第一凸起304、第二凸起303和第三凸起305,这些凸起的形状和尺寸设计为与参考架的侧面中的用于固定在校准装置上的开口形状配合地连接。尤其在本实施例中,两个第二凸起303的形状和尺寸设计为与融合器本体110的侧面中的两个开口114形状配合地连接或插接式连接或卡接式连接。
通常需要根据手术的实际情况选择合适尺寸、形状的椎间融合器装置100,这决定了置入体内的椎间融合器装置100的大小,尤其是融合器本体110用于开设与第二凸起303配合的开口114的空间大小,根据空间的大小最终又可以确定第二凸起303的数量。如果融合器本体110用于开设与第二凸起303配合的开口114的空间很小,则可以将定位装置设计为仅一个第二凸起303,该第二凸起303的横截面呈非圆形,优选多边形或椭圆形,由此可以通过最少的第二凸起303,即一个第二凸起303就能保证该校准装置300对参考架,尤其是本发明的椎间融合器装置100的定位,因为第二凸起303的非圆形,优选多边形或椭圆形截面能够通过与椎间融合器本体110上的开口114形状配合地连接限制安装在其上的椎间融合器装置100围绕第二凸起303转动。如果融合器本体110用于开设与第二凸起303配合的开口114的空间足够大,则可以将定位装置设计为两个或更多第二凸起303,该第二凸起303的横截面可以设计为圆形或圆环形。在本实施例中,第二凸起 303尤其可以设计成定位销的形式,这使得第二凸起303的加工更简单。
图4示出根据本公开的用于校准上述参考架,尤其是椎间融合器装置100的方法的步骤流程图,其中,虚线框表示的是可选的步骤,实线框表示的是根据本公开的方法的必要步骤。根据本公开的用于校准参考架的方法包括步骤:
S1:提供用于参考架的校准装置300,在所述校准装置300上设置有用于定位所述参考架,尤其是椎间融合器装置100的定位装置,该定位装置设计为例如至少一个第二凸起303,并且在所述校准装置300上固定不动地安装有校准传感器装置400,借助该校准装置300可以确定定位传感器装置200和显影装置121之间的位置关系矩阵以获取显影装置121在电磁空间中坐标。
S2:通过所述定位装置将所述参考架,尤其是椎间融合器装置100定位在校准装置300上,其中,在定位参考架之后还可以附加地执行图4中用虚线框表示的步骤S2`:通过附加的按压装置将参考架,尤其是椎间融合器装置100向下压靠在校准装置300上并保持固定,以防止在校准装置300移动时参考架,尤其是椎间融合器装置100沿定位装置的高度方向移动。
S3:在用于电磁定位导航的电磁场下分别获取定位传感器装置200和校准传感器装置400在电磁空间中的坐标;
S4:根据获取的所述坐标计算从校准传感器装置400到定位传感器装置200的转换矩阵;
S5:基于显影装置121和校准传感器装置400在校准装置300中预先规定的布置确定校准传感器装置400和显影装置121的位置关系;
S6:根据计算出的转换矩阵和已确定的位置关系计算定位传感器装置200和显影装置121之间的位置关系矩阵。
作为补充,为了减少算出的位置关系矩阵的误差并因此进一步提高对显影装置121的电磁定位精度,还可以附加地在计算出一个在定位传感器装置200和显影装置121之间的位置关系矩阵之后,即,在完成步骤S6之后执行图4中用虚线框表示的步骤S7:在用于电磁定位导航的电磁场中移动校准装置300,其中,移动的方式可以是平动也可以转动,但根据本公开优先转动,以获得校准装置300的多个不同姿态,其中,在每一个姿态下重复进行步骤S3-S6,以获取定位传感器装置200和显影装置121之间的多个位置关系矩阵并且对所述多个位置关系矩阵求出平均的位置关系矩阵。
虽然在前面的描述中提供了本公开的示例,但是本领域技术人员可以在 不脱离本公开的范围和精神的情况下对这些示例进行修改和变更。例如,应该理解,本文的实施例的特征可以适用于这里描述的其他实施例。因此,描述旨在说明而非限制。公开内容由所附权利要求限定,并且落入权利要求的含义和等同范围内的对公开内容的所有改变都将包含在它们的范围内。

Claims (16)

  1. 一种用于骨科手术机器人电磁定位导航的参考架,其特征在于,该参考架设计为椎间融合器装置,包括:
    -融合器本体,用于植入与病灶相关的两节椎体之间,其具有顶面、底面和侧面,在顶面与底面的中间区域开设有用于填入骨移植材料的开口;
    -用于骨科手术机器人电磁定位导航的定位传感器装置,其可拆卸地连接在所述椎间融合器装置上;
    -显影装置,用于在医学成像设备采集的图像中显示坐标位置,其固定地设置在所述椎间融合器本体上。
  2. 根据权利要求1所述的参考架,其特征在于,所述显影装置设计为至少三个钽标记,所述至少三个钽标记作为标记装置分散地布置在所述融合器本体上。
  3. 根据权利要求2所述的参考架,其特征在于,所述显影装置设计为四个钽标记。
  4. 根据权利要求2或3所述的参考架,其特征在于,所述融合器本体的顶面和底面分别至少部分地设有防滑部,用于增大所述两节椎体与之接触的表面摩擦阻力。
  5. 根据权利要求4所述的参考架,其特征在于,所述防滑部设计为倒齿,其均匀地分布在所述融合器本体的顶面和底面的整个面上。
  6. 根据权利要求1或2所述的参考架,其特征在于,在所述融合器本体的侧面上设有用于可拆卸地连接所述定位传感器装置的孔,其中,所述连接以摩擦配合的方式进行。
  7. 根据权利要求1所述的参考架,其特征在于,在所述融合器本体的侧面开设有至少一个开口,用于定位在用于校准参考架的校准装置上,该至少一个开口与所述校准装置上的凸起形状配合地连接或插接式连接或卡接式连接。
  8. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,在所述融合器本体的侧面仅开设一个开口,该开口的横截面呈非圆形。
  9. 根据权利要求7所述的方法,其特征在于,在所述融合器本体的侧面开设两个或更多个开口,这些开口的横截面呈圆形。
  10. 一种用于校准根据权利要求1至9之一所述的参考架的方法,所述 方法包括步骤:
    S1:提供用于对椎间融合器装置校准的校准装置,在所述校准装置上设置有用于定位所述参考架的定位装置并且固定不动地安装有校准传感器装置;
    S2:通过所述定位装置将所述参考架定位在校准装置上;
    S3:在用于电磁定位导航的电磁场下分别获取定位传感器装置和校准传感器装置在电磁空间中的坐标;
    S4:根据获取的所述坐标计算从校准传感器装置到定位传感器装置的转换矩阵;
    S5:基于显影装置和校准传感器装置在校准装置中预先规定的布置确定校准传感器装置和显影装置的位置关系;
    S6:根据计算出的转换矩阵和已确定的位置关系计算定位传感器装置和显影装置之间的位置关系矩阵。
  11. 根据权利要求10所述的方法,其特征在于,在完成步骤S6之后执行步骤S7:在用于电磁定位导航的电磁场中移动校准装置,以获得校准装置的多个不同的姿态,其中,在每一个姿态下重复进行步骤S3-S6,以获取定位传感器装置和显影装置之间的多个位置关系矩阵,并且对所述多个位置关系矩阵求出平均的位置关系矩阵。
  12. 根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,所述校准装置具有顶侧和底侧,在其顶侧上具有用于容纳至少一个参考架的至少一个凹处,其深度设计为与参考架的高度相应并且在所述至少一个凹处中设有定位装置。
  13. 根据权利要求12所述的方法,其特征在于,在步骤S2之后且步骤S3之前,执行步骤S2`:通过附加的按压装置将参考架向下压靠在校准装置的上并保持固定,以防止在校准装置移动时参考架沿定位装置的高度方向移动。
  14. 根据权利要求10或11所述的方法,其特征在于,所述定位装置设计为至少一个凸起,其形状和尺寸设计为与参考架本体的侧面中的至少一个开口形状配合地连接或插接式连接或卡接式连接。
  15. 根据权利要求14所述的方法,其特征在于,所述定位装置设计为仅一个凸起,该凸起的横截面呈非圆形。
  16. 根据权利要求14所述的方法,其特征在于,所述定位装置设计为两个或更多凸起,该凸起横截面呈圆形或圆环形。
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