[發明專利]基于主副機器人相互協作的顱面骨畸形整復全程精確手術系統及其手術操作方法

在審

• 申請號: 201810139307.8
• 申請日: 2018-02-11
• 公開（公告）號: CN108324378A
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發明（設計）人: 劉云峰;王衛彬;程康杰;姜獻峰;董星濤
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: A61B34/37
• 分類號: A61B34/37;A61B34/10;A61B34/20;A61B17/16
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強;李百玲

1.一種基于主副機器人相互協作的顱面骨畸形整復全程精確手術系統，其特征在于：包括機械手臂、顱面截骨銑刀裝置、骨瓣抓持裝置、腦室鏡檢測裝置、用于臨床醫生佩戴的AR眼鏡、電腦、顯示屏、控制系統和定位標志器，所述機械手臂包括主機械手臂和輔助機械手臂，所述腦室鏡檢測裝置安裝在所述顱面截骨銑刀裝置上，所述顱面截骨銑刀裝置安裝在所述主機械手臂的末端，所述骨瓣抓持裝置安裝在所述輔助機械手臂的末端，所述主機械手臂、輔助機械手臂分別通過控制系統與所述電腦連接，所述電腦與所述顯示屏連接；

所述定位標志器包括用于固定到患者腦部上的固定部分和用于AR眼鏡和機械手臂定位的標記部分，所述標記部分位于AR眼鏡和機器視覺能觀察到的區域，所述標記部分上設有多個定位標志點；所述定位標志器包括用于建立患者腦顱骨的世界坐標系的全局定位標志器和用于骨瓣切割移位建立局部坐標系的局部定位標志器；

所述機械手臂的末端上還設有用于識別定位標志器上定位標志點的傳感器模塊，所述傳感器模塊與電腦連接，所述控制系統還與AR眼鏡連接；

所述傳感器模塊包括位移傳感器和視覺傳感器，所述主機械手臂、輔助機械手臂均為六自由度機械臂。

2.一種如權利要求1所述的基于主副機器人相互協作的顱面骨畸形整復全程精確手術系統的手術操作方法，其特征在于：包括以下步驟：

(1)設計制作全局定位標志器

在機械手臂手術過程運動和手術區域外，患者腦部其他非手術區域固定該定位標志器；

(2)獲取患者在固定全局標志器后的腦顱圖像數據

通過電腦斷層掃描或磁共振成像設備獲取患者的固定全局標志器后腦顱CT/MRI圖像數據，且CT/MRI切層厚度不大于1毫米，以DICOM數據格式保存；

(3)三維重建得到腦顱模型

利用醫學圖像處理軟件處理患者腦顱數據，得到重建后的3D腦顱模型；進一步分析確立小兒患者顱內具體組織和病灶情況，并建立與實際患者腦顱完全相同的三維復合模型；該三維復合模型上包含有全局定位標志器；

(4)設計腦顱手術截骨、重塑方案

根據步驟(3)中建立的三維復合模型，觀察患者腦部病灶及周圍的相關組織情況，進行術前診斷和手術計劃的制定，手術計劃包括顱面截骨方案和骨瓣修整、移位、固定以重塑顱面的方案，然后根據手術計劃規劃兩臺機械手臂的手術過程協調配合和運動路徑，以及臨床醫生佩戴AR眼鏡后能實時觀察手術過程中可能需要應對的緊急情況并所做應對的預防措施；

(5)設計腦顱骨骨瓣局部定位標記

在腦顱的骨瓣上布置一系列的標記點用于建立局部坐標系，并通過返算得到腦顱骨骨瓣的實時位置，用于修正截骨路徑，實現實時導航控制；

(6)三維復合模型圖像與術區融合

將步驟(3)中重建的三維復合模型圖像疊加在患者真實手術部位；通過AR眼鏡坐標系及世界坐標系的融合，完成AR眼鏡和現實手術場景的完全融合；手術時使用主機械手臂末端的腦室鏡檢測裝置動態實時檢測手術區的腦積水、出血量，并實時傳送到電腦中進行三維成像、坐標校準；

(7)根據手術截骨、重塑方案生成機器人離線程序指令

根據步驟(4)中的手術方案的設定以及機械手臂的路徑規劃用編程軟件編寫出人機協作顱面骨整復手術對應的主機械手臂、輔助機械手臂相應程序，通過坐標校準和程序優化后，實現機械手臂按設定的程序進行手術操作；

患者佩戴全局定位標志器，機械手臂進行位置較準，根據術前預先設計的位置，將全局定位標志器精確固定在患者顱面部；在整個手術過程中，若患者頭部或者身體有偶爾的微動，安裝在機械手臂上的位移傳感器和視覺傳感器接收到患者佩戴的全局定位標志器的位置和坐標發生改變的信號，通過電腦反饋并計算出微動后的坐標后并做出相應的位置調整，同時完成接下來的手術過程；

(8)實時精確計算定位

臨床醫生手工分離頭皮組織，暴露術區腦顱骨，主機械手臂根據設計的局部定位標記，使用醫用記號筆在相應的腦顱骨上做上標記，根據記號筆位置佩戴局部標志器，用于構建每塊腦顱骨的局部坐標系，實時反算出骨瓣的位置，并修正主機械手臂末端的顱面截骨銑刀裝置的位置和角度，實現實時導航；

(9)截骨操作

主機械手臂執行手術規劃的截骨操作，臨床醫生從佩戴的AR眼鏡中觀察整個手術截骨方案與患者腦顱內的實際位置的對應情況，并人機融合技術介入調整；在此過程中，輔助機械手臂通過骨瓣抓持裝置上的吸盤固定截骨區域的骨瓣；

(10)骨瓣修整、移位及腦顱骨塑形固定

根據顱骨塑形方案，輔助機械手臂通過骨瓣抓持裝置抓持顱骨骨瓣后，由主機械手臂銑刀進行修整，然后輔助機械手臂抓持修整后的骨瓣移位并固定，主機械手臂用固定釘將固定板和腦顱骨骨瓣鉚固，實現腦顱的塑形固定。