技术领域
[0001] 本
发明涉及医疗设备领域，尤其涉及一种基于5G的椎体强化遥操作系统。
背景技术
[0002] 椎体成形手术，主要用于
治疗中老年骨质疏松，是通过向椎体内注入骨
水泥以达到增加椎体强度和
稳定性，防止塌陷，缓解
疼痛，甚至部分恢复椎体高度的一种微创脊椎外科手术。该手术目前主要分为脊柱穿刺、球囊扩充、骨
水泥注射三个步骤。
[0003] 现有椎体成形术需要医生徒手完成脊柱穿刺、球囊扩充、骨水泥注射等操作，存在明显的弊端，如：1、医生在射线环境下工作，长期操作危害医生的身体健康；2、整个过程操作繁琐，手术过程持续时间长，增加了手术
风险；3、手术对操作的精准性要求极高，技巧性强，稍有不慎可能会造成软组织、血管的损伤；4、我国的医疗资源分布不均衡，偏远地区的病患难以获得专家诊治的机会，对于手术过程中出现的突发情况，经验不足的医生可能找不到正确的处理方式，因此如何将优质的医疗资源的共享也是一个亟待解决的问题。
发明内容
[0004] 发明目的：基于上述不足，本发明提出一种基于5G的椎体强化遥操作系统，可准确、快速、安全地完成椎体成形手术。
[0005] 技术方案：
[0006] 一种基于5G的椎体强化遥操作系统，包括C臂机、影像工作站、椎体强化
机器人、导航工作站及遥操作工作站；所述影像工作站与所述C臂机通信连接，所述导航工作站与所述影像工作站连接，所述遥操作工作站通过网络与所述导航工作站连接，所述椎体强化机器人与所述导航工作站通信连接；在所述椎体强化机器人
机械臂末端安装有可拆卸的显影标记物；
[0007] 所述椎体强化机器人的机械臂将其末端的显影标记物移至创口作为标记点；所述C臂机移至校准位，扫描病体区域的二维影像数据，并将获得的二维影像数据发送至影像工作站；所述校准位为C臂机射线中点与病灶中心点
位置重叠位置；所述病灶中心为患者病体区域的脊椎段中点，根据C臂机扫描的显影标记物计算得到；
[0008] 所述影像工作站接收所述C臂机发送的不同
角度的病体区域的二维影像数据并进行
三维重建得到病体区域三维影像模型，并将获得的病体区域三维影像模型传送到所述导航工作站；
[0009] 所述导航工作站根据椎体强化机器人的机械臂各关节的
位姿在椎体强化机器人的
坐标系统中的已知信息，计算出机械臂末端显影标记物在椎体强化机器人坐标系下的位置，然后结合机械臂末端显影标记物的影像位置，求出影像坐标系和椎体强化机器人坐标系之间的配准关系 ，根据 将患者示踪器的影像位置变换到椎体强化机器人坐标系下，完成患者示踪器的注册；然后将影像工作站重建的病体区域三维影像模型的各个
体素的坐标变换到椎体强化机器人坐标系中，生成三维导航影像；
[0010] 医生通过所述遥操作工作站在所述导航工作站生成的三维导航影像上设计各钉道，在三维导航影像中规划各个钉道的位置、朝向以及钉入深度，设计对病人软组织、神经破坏性最小的注射路径，并发送至椎体强化机器人；
[0011] 所述椎体强化机器人通过其机械臂卸掉创口处的显影标记物，并在其机械臂末端安装执行器，根据医生规划的各钉道路径进行椎体穿刺及填充骨水泥操作。
[0012] 所述导航工作站将所述病体区域三维影像模型变换到所述椎体强化机器人的坐标系下，具体为：根据椎体强化机器人的机械臂各关节的位姿在椎体强化机器人的坐标系统中的已知信息，计算出所述椎体强化机器人的机械臂末端显影标记物在所述椎体强化机器人坐标系下的位置，然后结合所述椎体强化机器人的机械臂末端显影标记物的影像位置，求出影像坐标系和椎体强化机器人坐标系之间的配准关系 ，根据 将所述患者示踪器的影像位置变换到所述椎体强化机器人坐标系下，完成患者示踪器的注册；然后将所述影像工作站重建的病体区域三维影像模型的各个体素的坐标变换到所述椎体强化机器人坐标系中，生成三维导航影像。
[0013] 还包括光学
定位跟踪模
块，所述光学定位跟踪模块与所述导航工作站通信连接，在所述椎体强化机器人机械臂末端安装有机械臂示踪器，在患者的椎体棘突上紧固有患者示踪器，所述机械臂示踪器与所述患者示踪器均在所述光学定位跟踪模块的
视野内；所述机械臂示踪器与所述患者示踪器安装有至少三个共面不共线的红外线被动反射球，对所述光学定位跟踪模块发射的红外线进行反射，所述光学定位跟踪模块会计算出所述机械臂示踪器及所述患者示踪器中某一反射球在跟踪模块坐标系下的坐标。
[0014] 在所述机械臂示踪器及所述患者示踪器上均安装有4个共面不共线的发光球，其中一个发光球用于校准其他发光球的位置，并在其中任一发光球被遮挡情况下实现示踪功能。
[0015] 所述光学定位跟踪模块在手术过程中实时采集患者示踪器的位置，追踪手术过程中患者的位置改变信息，并将位置改变信息发送到导航工作站，导航工作站根据患者的位置改变信息生成椎体强化机器人机械臂末端位姿信息并发送至椎体强化机器人，椎体强化机器人根据椎体强化机器人机械臂末端位姿信息调整其机械臂末端的位姿。
[0016] 在手术过程中，患者发生轻微位移时，光学定位跟踪模块通过实时采集患者示踪器的位置对患者的位移信息进行捕捉；患者示踪器的坐标变为 ，则 ，为患者示踪器由 到 的位置变换关系。为了消除轻微位移对手术精准性的影响，导航工作站对机械臂示踪器在跟踪模块坐标系中做同样的位置变换，变换后的坐标为 ，即，然后根据椎体强化机器人坐标系和跟踪模块坐标系之间的配准关系 ，求出此时在椎体强化机器人坐标系下机械臂示踪器的坐标 ；其中，导航工作站根据机械臂示踪器在跟踪模块坐标系和椎体强化机器人坐标系中的坐标获得两个坐标系下的配准关系 ；
[0017] 导航工作站根据未发生移动前的坐标 和发生移动后的坐标 ，求二者的变换前后发生的位移变化 ,最后根据 得到椎体强化机器人机械臂各关节的位姿，并生成控制指令发送至椎体强化机器人；椎体强化机器人根据控制指令调整其机器臂执行器末端到相应的目标位置。
[0018] 所述C臂机扫描病体区域的二维影像数据具体为：C臂机移动至C臂机射线中点与病灶所处锥体段中心重叠的位置，并通过正侧位透视确认显影标记物标记点在透视视野内，然后在显影标记物及病体保持静止情况下，C臂机旋转135 190度连续扫描获取不同角~度的病体区域的二维影像数据。
[0019] 在所述椎体强化机器人完成椎体穿刺之后，通过所述C臂机进行正位旋转扫描180°，经过三维重建得到各钉道实际的三维影像，确认各钉道实际起始位置与规划起始位置之间的偏差；再通过所述C臂机进行侧位旋转扫描180°，确定穿刺针实际钉道与规划钉道之间的偏差；当穿刺
精度满足要求之后，通过人工进行球囊扩充操作，然后再通过椎体强化机器人进行骨水泥填充。
[0020] 还包括异地遥操作工作站，所述遥操作工作站及所述异地遥操作工作站通过网络与导航工作站连接，医生通过遥操作工作站及异地遥操作工作站远程控制整个手术过程。
[0021] 在所述椎体强化机器人的骨水泥
注射器上安装有压
力传感器和位移传感器，分别实时采集骨水泥注射器内的压力和容量，并发送至所述导航工作站；所述导航工作站将其反馈至遥操作工作站；医生根据所述导航工作站反馈的压力和容量数据，通过遥操作工作站控制所述椎体强化机器人的骨水泥注射器的
电机启动或停止以及电机转速，进而控制骨水泥的注入量和注入速度。
[0022] 本发明与
现有技术相比，具有如下有益效果：
[0023] 1、本发明将医生从高
辐射的
手术室中解脱出来，在遥操作控制室即可对椎体强化机器人进行遥操作。
[0024] 2、本发明利用5G网络可以远程操控椎体强化机器人，可以实现医疗资源的共享。
[0025] 3、本发明利用影像导航技术完成手术，保障了手术的精确性。
[0026] 4、本发明通过在骨水泥注射器上安装压力和位移传感器，可实时显示注射器内的压力和容量，并将压力和容量数据通过导航工作站反馈到遥操作工作站或异地遥操作工作站，医生根据压力和容量数据，通过遥操作工作站或异地遥操作工作站控制电机启动或停止以及电机转速，可以精确控制骨水泥的注入量和注入速度。
附图说明
[0027] 图1为本发明基于5G的椎体强化遥操作系统的示意图。
[0028] 图2为本发明基于5G的椎体强化遥操作系统的操作方法
流程图。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图和具体
实施例，进一步阐明本发明。
[0030] 图1为本发明基于5G的椎体强化遥操作系统的示意图，如图1所示，本发明基于5G的椎体强化遥操作系统包括C臂机、影像工作站、光学定位跟踪模块、椎体强化机器人、导航工作站、遥操作工作站以及异地遥操作工作站。影像工作站与C臂机通信连接，导航工作站与影像工作站连接，光学定位跟踪模块与导航工作站通信连接，遥操作工作站和异地遥操作工作站均通过网络与导航工作站连接，椎体强化机器人与导航工作站通信连接。椎体强化机器人包括底座、安装在底座上的机械臂和骨水泥注射器；骨水泥注射器通过可伸缩支杆安装在底座上；在骨水泥注射器的出口处连接有软管，椎体强化机器人通过其骨水泥注射器将骨水泥注入患者体内。
[0031] 在椎体强化机器人机械臂末端安装有可拆卸的显影标记物和机械臂示踪器，在患者的椎体棘突上通过夹骨钳或紧固棒紧固有患者示踪器，机械臂示踪器与患者示踪器均在光学定位跟踪模块的视野内。
[0032] 其中，机械臂示踪器与患者示踪器安装有至少三个共面不共线的红外线被动反射球，对光学定位跟踪模块发射的红外线进行反射，光学定位跟踪模块会计算出机械臂示踪器及患者示踪器中某一反射球在跟踪模块坐标系下的坐标。假设在跟踪模块坐标系下，患者示踪器的坐标为 ，机械臂示踪器的坐标为 ，机械臂示踪器在椎体强化机器人坐标系下的坐标为 ，导航工作站根据机械臂示踪器在跟踪模块坐标系和椎体强化机器人坐标系中的坐标获得两个坐标系下的配准关系 ,即 。
[0033] 椎体强化机器人的机械臂将其末端的显影标记物移至创口，与
皮肤贴合作为标记点；C臂机扫描病体区域的二维影像数据，并将获得的二维影像数据发送至影像工作站；更具体的，C臂机移动至校准位（C臂机射线中点与病灶所处椎体段中心点重叠的位置）并通过正侧位透视确认显影标记物标记点在透视视野内，然后在显影标记物及病体保持静止情况下，C臂机旋转135 190度连续扫描获取不同角度的病体区域的二维影像数据；其中，病灶所~处椎体段中心点为患者病体区域的脊椎段中点，根据所述患者示踪器的安装高度计算得到；
[0034] 影像工作站接收C臂机发送的不同角度的病体区域的二维影像数据并进行三维重建得到病体区域三维影像模型，并将获得的病体区域三维影像模型传送到导航工作站；
[0035] 导航工作站将所述的病体区域三维影像模型变换到椎体强化机器人的坐标系下，具体为：根据椎体强化机器人的机械臂各关节的位姿在椎体强化机器人的坐标系统中的已知信息，计算出机械臂末端显影标记物在椎体强化机器人坐标系下的位置，然后结合机械臂末端显影标记物的影像位置（根据C臂机扫描的不同角度的病体区域的二维影像数据进行三维重建得到的病体区域三维影像模型中的位置），求出影像坐标系和椎体强化机器人坐标系之间的配准关系 ，根据 将患者示踪器的影像位置变换到椎体强化机器人坐标系下，完成患者示踪器的注册；然后将影像工作站重建的病体区域三维影像模型的各个体素的坐标变换到椎体强化机器人坐标系中，生成三维导航影像，实现在椎体强化机器人坐标系下对患者的空间位置的定位；
[0036] 医生通过遥操作工作站或异地遥操作工作站在导航工作站生成的三维导航影像上设计各钉道，在三维导航影像中规划各个钉道的位置、朝向以及钉入深度，设计对病人软组织、神经破坏性最小的注射路径，并发送至椎体强化机器人；椎体强化机器人通过其机械臂卸掉创口附近的显影标记物，并在其机械臂末端安装执行器，根据医生规划的各钉道路径进行椎体穿刺及填充骨水泥操作。光学定位跟踪模块在手术过程中实时采集患者示踪器的位置，追踪手术过程中患者的位置改变信息，并将位置改变信息发送到导航工作站，导航工作站根据患者的位置改变信息生成椎体强化机器人机械臂末端位姿信息并发送至椎体强化机器人，椎体强化机器人根据椎体强化机器人机械臂末端位姿信息调整其机械臂末端的位姿。具体的：在手术过程中，患者发生轻微位移时，光学定位跟踪模块对位移信息进行捕捉，患者示踪器的坐标变为 ，则 ，为患者示踪器由 到 的位置变换关系。为了消除轻微位移对手术精准性的影响，导航工作站对机械臂示踪器在跟踪模块坐标系中做同样的位置变换，变换后的坐标为 ，即 ，然后根据椎体强
化机器人坐标系和跟踪模块坐标系之间的配准关系 ，求出此时在椎体强化机器人坐标系下机械臂示踪器的坐标 。导航工作站根据未发生移动前的坐标 和发生移动后的坐标 ，求二者的变换前后发生的位移变化 ,最后根据 得到椎体强化机器人机械臂各关节的位姿，并生成控制指令发送至椎体强化机器人；椎体强化机器人根据控制指令调整其机器臂执行器末端到相应的目标位置。
[0037] 遥操作工作站及异地遥操作工作站通过网络与导航工作站连接，医生通过遥操作工作站及异地遥操作工作站远程控制整个手术过程。
[0038] 在本发明中，在机械臂示踪器及患者示踪器上均安装有4个共面不共线的发光球，其中一个发光球用于校准其他发光球的位置，并可在其中任一发光球被遮挡情况下实现示踪功能。
[0039] 在本发明中，在椎体强化机器人完成椎体穿刺之后，通过C臂机正位旋转扫描180°，经过三维重建得到各钉道实际三维影像，从而可以确认各钉道实际起始位置与规划起始位置之间的偏差；再通过C臂机侧位旋转扫描180°，确定穿刺针实际钉道与规划钉道之间的偏差。当穿刺精度满足要求之后，通过人工进行球囊扩充操作，然后再通过椎体强化机器人进行骨水泥填充。
[0040] 图2为本发明基于5G的椎体强化遥操作系统的操作方法流程图，如图2所示，本发明基于5G的椎体强化遥操作系统的操作方法如下：
[0041] 1、手术场景布置：按照图1布置手术场景，保证C臂机、影像工作站、光学定位跟踪模块、椎体强化机器人、机器人工作站、遥操作工作站、异地遥操作工作站通信正常，且能正常工作。2、术中注册：在椎体强化机器人机械臂末端安装可拆卸的显影标记物和机械臂示踪器，通过夹骨钳或紧固棒在椎体棘突上紧固患者示踪器。在机械臂示踪器与患者示踪器均在追踪器视野内情况下，机械臂将显影标记物并移至创口，与皮肤贴合，C臂机移至校准位（C臂机射线中点与病灶中心点位置重叠位置），并正侧位透视确认显影标记物标记点在透视视野内，然后显影标记物及病体保持静止情况下，C臂机旋转135 190度连续扫描透视，~获取不同角度的病体区域的二维影像数据，影像工作站接收C臂机发送的不同角度的病体区域的二维影像数据并进行三维重建得到病体区域三维影像模型，并将获得的病体区域三维影像模型传送到导航工作站；此时，可知显影标记物在影像坐标系中的位置，由于显影标记物与椎体强化机器人机械臂的空间几何位置是已知的，故导航工作站可求取显影标记物在影像坐标系与椎体强化机器人坐标系间的变换关系 ，根据 将患者失踪器的影像位置变换到椎体强化机器人坐标系下，完成患者示踪器的注册。然后将重建的三维影像（三维影像为半径10厘米的球体，以1mm的间隔将球体分割为若干体素）的各个体素的坐标变换到椎体强化机器人坐标系中，生成三维导航影像，实现在椎体强化机器人坐标系下对患者的的空间位置的定位。
[0042] 、椎体强化手术路径规划：医生通过遥操作工作站或异地遥操作工作站在导航工作站生成的三维导航影像上设计各钉道，在三维导航影像中规划好各个钉道的位置、朝向以及钉入深度，设计好对病人最小的软组织、神经破坏的注射路径，并发送至椎体强化机器人。
[0043] 4、椎体强化手术执行：
锁定椎体强化机器人（机器人的位姿不发生改变），通过其机械臂卸掉显影标记物，在其机械臂末端安装执行器，在遥操作工作站或异地遥操作工作站的界面中，根据医生规划的各钉道路径，得到椎体强化机器人机械臂
末端执行器的目标位姿，通过逆运动学求解的方式可以解算出椎体强化机器人机械臂各关节的位姿，然后发送控制指令给椎体强化机器人，使其按照逆运动学解算出的位姿进行位姿微调。椎体强化机器人机械臂末端执行器到达目标位置以后，医生通过遥操作工作站或异地遥操作工作站发送椎体穿刺指令，椎体强化机器人的机械臂末端执行器进行椎体穿刺操作，建立骨水泥注射工作通道。
[0044] 、术中轻微移动跟踪：机械臂示踪器与患者示踪器安装有红外线被动反射球，对光学定位跟踪模块发射的红外线进行反射，光学定位跟踪模块会计算出机械臂示踪器及患者示踪器中某一反射球在跟踪模块坐标系下的坐标。假设在跟踪模块坐标系下，患者示踪器的坐标为 ，机械臂示踪器的坐标为 ，机械臂示踪器在椎体强化机器人坐标系下的坐标为 ，导航工作站根据机械臂示踪器在跟踪模块坐标系和椎体强化机器人坐标系中的坐标获得两个坐标系下的配准关系 ,即 。在手术过程中，患者发生轻微位移时，光学定位跟踪模块对位移信息进行捕捉，患者示踪器的坐标变为 ，则 ，为患者示踪器由 到 的位置变换关系。为了消除轻微位移对手术精准性的影响，导航工作站对机械臂示踪器在跟踪模块坐标系中做同样的位置变换，变换后的坐标为 ，即 ，然后根据椎体强化机器人坐标系和跟踪模块坐标系之间的配准关系 ，求出此时在椎体强化机器人坐标系下机械臂示踪器的坐标 。导航工作站根据未发生移动前的坐标 和发生移动后的坐标 ，求二者的变换前后发生的位移变化 ,最后根据 得到椎体强化机器人机械臂各关节的位姿，并生成控制指令发送至椎体强化机器人；椎体强化机器人根据控制指令调整其机器臂执行器末端到相应的目标位置。
[0045] 、穿刺精度确认：用C臂机正位旋转扫描180°，确认钉道实际起始位置与规划起始位置之间的偏差；用C臂机侧位旋转扫描180°，确定穿刺针实际钉入通道与规划通道之间的偏差。当穿刺精度满足要求之后，人工进行球囊扩充操作。
[0046] 、注射骨水泥：如图1所示，椎体强化机器人由机械臂、骨水泥注射器、固定底座构成，其中骨水泥注射器的支杆为可伸缩结构，其高度可以调整，注射器的出口处连有软管。工作人员将软管放入通过椎体穿刺形成的骨水泥注射工作通道，医生在遥操作工作站或异地遥操作工作站发送控制指令，在C臂机侧位扫描的环境下，椎体强化机器人将骨水泥通过软管注入患者体内。在本发明中，在骨水泥注射器上安装有压力和位移传感器，可实时显示注射器内的压力和容量，并将压力和容量数据通过导航工作站反馈到遥操作工作站或异地遥操作工作站，医生根据压力和容量数据，通过遥操作工作站或异地遥操作工作站控制电机启动或停止以及电机转速，可以精确控制骨水泥的注入量和注入速度。
[0047] 、异地遥操作：为了均衡医疗资源，帮助资质较低的医院完成高精准的手术，设置了异地遥操作工作站。利用大流量、低时延、大带宽的5G网络使得上级医院的专家可以协助本地遥操作端的医生一起完成手术。
[0048] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护。
