膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法和装置与流程

1.本公开涉及医疗设备技术领域，具体地，涉及一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法和装置。


背景技术：

2.定位精准是骨科手术机器人系统相对于传统徒手手术方法的核心性能和突出优势，因此，正确评价和检测骨科手术机器人系统的定位精度，是评估产品性能、保障手术安全和效果的关键环节，是技术研发、产品开发和验证的重要基础。例如，针对中晚期膝关节关节骨性关节炎的患者，通过膝关节置换手术机器人系统协助对膝关节进行精确截骨，可保证膝关节置换手术的精确性和安全性。
3.工业机器人的定位精度检测，一般是测量其末端执行器相对于参考坐标系的重复定位精度和绝对定位精度，分为采用接触式和非接触式两种位置测量方式。这些方法只是描述机器人执行机构末端与目标之间点到点的误差。
4.然而膝关节手术机器人的精度受到多种因素的影响，包括图像变形、机器人运动误差、导针间隙、光学跟踪定位误差等，系统综合定位精度不仅要求定点误差范围，而且需要同时兼顾定向要求。
5.进而，针对膝关节手术机器人系统的精度评价指标和检测方法不一致，给产品性能评价、产品检验造成难题。
6.因此，如何有效地衡量膝关节置换手术机器人系统的精度，是目前需要解决的问题。


技术实现要素：

7.为克服相关技术中存在的问题，本公开提供一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法和装置。
8.根据本公开实施例的第一方面，提供一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法，所述膝关节置换手术机器人系统包括手术机器人，所述方法包括：
9.获取目标截骨平面的空间位置信息，所述目标截骨平面为膝关节模具包括的多个平面中的一个平面；
10.根据手术规划指令，控制所述手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于所述机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置，所述规划位置表征对所述目标截骨平面截骨操作的工作位置；
11.获取所述截骨槽所在平面的空间位置信息，并
12.确定所述目标截骨平面的空间位置信息与所述截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差。
13.可选地，通过空间位置测量设备测量得到所述目标截骨平面的空间位置信息和所述工作平面的空间位置信息。
14.可选地，所述膝关节置换手术机器人系统还包括医学成像设备、光学跟踪设备以及规划与导航系统，在根据手术规划指令，控制所述手术机器人的机械臂进行运动，直至安装于所述机械臂上截骨器的截骨槽位于规划位置之前，所述方法还包括：
15.控制所述医学成像设备对所述膝关节模具进行扫描成像；
16.利用扫描探针对所述膝关节模具进行扫描，并通过所述光学跟踪设备跟踪识别所述扫描探针上设置的示踪器，以确定所述扫描探针所扫描经过的空间位置；
17.将通过所述医学成像设备获取的医学图像与通过所述扫描探针获取的所述膝关节模具的空间位置进行图像配准；
18.接收操作者的手术规划指令，所述手术规划指令包括操作者在所述规划与导航系统上规划出的所述目标截骨平面的规划位置。
19.可选地，所述目标截骨平面包括第一测量点、第二测量点和第三测量点，所述目标截骨平面的空间位置信息包括所述第一测量点的空间坐标、所述第二测量点的空间坐标、所述第三测量点的空间坐标。
20.可选地，所述确定所述目标截骨平面的空间位置信息与所述截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差，包括：
21.确定所述第一测量点、所述第二测量点、所述第三测量点中的至少一个测量点到所述截骨槽所在平面的空间位置信息的距离，并
22.确定所述第一测量点、所述第二测量点和所述第三测量点所组成的平面和所述工作平面的角度；
23.将所述距离和所述角度确定为所述目标截骨平面的空间位置信息与所述工作平面的空间位置信息之间的误差。
24.根据本公开实施例的第二方面，提供一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测装置，所述膝关节置换手术机器人系统包括手术机器人，所述装置包括：
25.获取模块，用于获取目标截骨平面的空间位置信息，所述目标截骨平面为膝关节模具包括的多个平面中的一个平面；
26.确定模块，用于根据手术规划指令，控制所述手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于所述机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置，所述规划位置表征对所述目标截骨平面截骨操作的工作位置，获取所述截骨槽所在平面的空间位置信息，并
27.确定所述目标截骨平面的空间位置信息与所述截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差。
28.可选地，通过空间位置测量设备测量得到所述目标截骨平面的空间位置信息和所述工作平面的空间位置信息。
29.可选地，所述膝关节置换手术机器人系统还包括医学成像设备、光学跟踪设备以及规划与导航系统，在根据手术规划指令，控制所述手术机器人的机械臂进行运动，直至安装于所述机械臂上截骨器的截骨槽位于规划位置之前，所述确定模块还用于：
30.控制所述医学成像设备对所述膝关节模具进行扫描成像；
31.利用扫描探针对所述膝关节模具进行扫描，并通过所述光学跟踪设备跟踪识别所述扫描探针上设置的示踪器，以确定所述扫描探针所扫描经过的空间位置；
32.将通过所述医学成像设备获取的医学图像与通过所述扫描探针获取的所述膝关
节模具的空间位置进行图像配准；
33.接收操作者的手术规划指令，所述手术规划指令包括操作者在所述规划与导航系统上规划出的所述目标截骨平面的规划位置。
34.可选地，所述目标截骨平面包括第一测量点、第二测量点和第三测量点，所述目标截骨平面的空间位置信息包括所述第一测量点的空间坐标、所述第二测量点的空间坐标、所述第三测量点的空间坐标。
35.可选地，所述确定模块采用如下方式确定所述目标截骨平面的空间位置信息与所述截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差：
36.确定所述第一测量点、所述第二测量点、所述第三测量点中的至少一个测量点到所述截骨槽所在平面的空间位置信息的距离，并
37.确定所述第一测量点、所述第二测量点和所述第三测量点所组成的平面和所述工作平面的角度；
38.将所述距离和所述角度确定为所述目标截骨平面的空间位置信息与所述工作平面的空间位置信息之间的误差。
39.通过上述技术方案，利用膝关节置换手术机器人系统中包括的手术机器人，在获取膝关节模具包括的目标截骨屏边的空间位置信息之后，根据操作者的手术规划指令，控制手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于所述机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置后，可获取截骨槽所在平面的空间位置信息，进而根据截骨槽所在平面的空间位置信息和目标截骨平面的空间位置信息，可确定膝关节置换手术机器人系统的精度检测结果，由于该结果是基于膝关节置换手术机器人系统的综合定位精度，即包括了整个膝关节置换手术机器人系统中的光学设备、计算设备、操作设备等在软件、硬件等各方面的综合误差，故可准确地对膝关节置换手术机器人系统的精度做出综合评价。
40.本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
41.附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：
42.图1是根据一示例性实施例示出的一种膝关节精度检测工装的示例图。
43.图2是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法的流程图。
44.图3是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法的流程图。
45.图4是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测装置的框图。
46.图5是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的框图。
具体实施方式
47.以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
48.在真实的机器人辅助膝关节置换手术过程中，首先需要进行计算机辅助术前规划，基于患者膝关节的ct等扫描影像，运用图像处理技术进行医学图像、光学摄像系统、患者三个坐标系之间的配准，并生成真实感图形。医生在三维可视化环境中确定膝关节置换的目标截骨平面等手术方案。基于医生规划的手术方案，规划与导航系统形成控制指令，控制膝关节置换手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于机械臂上的截骨槽位于患者患处，到达对目标截骨平面截骨操作的工作位置，以备后续对患者膝关节的目标截骨平面进行关节置换。
49.由于真实膝关节置换手术需实施于真实患者，故无法在真实手术中进行系统精度的检测。由此本公开中，膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法，可利用膝关节精度检测工装模拟并还原实际的临床关节置换手术的过程，并获取精度检测结果，即通过该过程获得手术机器人系统的理论目标定位和实际工作定位之间的误差，该误差可包括表征位置误差和角度误差的综合定位精度。基于本公开所检测到的系统精度与实际临床应用的精度相符，并且操作简便，能够准确、全面地评价关节置换手术机器人的系统定位精度。
50.图1是根据一示例性实施例示出的膝关节精度检测工装的示例图。在图1中，膝关节精度检测工装包括膝关节模具和光学跟踪设备。
51.其中，膝关节模具包括用于模拟人体膝关节表面轮廓的膝关节曲面和截骨平面。其中，截骨平面可以是模拟医生术前规划时根据膝关节曲面确定的股骨截骨的位置或胫骨截骨的位置，或者可以是模拟待安装股骨假体或胫骨假体的平面位置。其中，在图1中示例性的示出了三个截骨平面，包括截骨平面a、截骨平面b和截骨平面c。
52.光学跟踪设备(参考坐标系)用于在扫描探针对膝关节模具进行扫描时，跟踪识别扫描探针上设置的示踪器，以确定扫描探针所扫描经过的空间位置。进而在得到膝关节模具的空间位置后，可根据医学成像设备获取的对膝关节模具进行扫描成像后的医学图像，实现术前对医学成像设备获取的膝关节模具的医学图像与通过所述扫描探针获取的所述膝关节模具的位置进行图像配准。
53.图2是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法的流程图，如图2所示，膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法包括以下步骤。
54.在步骤s11中，获取目标截骨平面的空间位置信息。
55.本公开中，目标截骨平面例如可以是从图1所示的膝关节模具包括的多个截骨平面(截骨平面a、截骨平面b和截骨平面c)中选定的一个截骨平面。该目标截骨平面可以是模拟医生术前规划时根据膝关节曲面确定的股骨截骨的位置或胫骨截骨的位置，或者可以是模拟待安装股骨假体或胫骨假体的平面位置。
56.其中，目标截骨平面的空间位置信息例如可通过空间位置测量设备测量得到，空间位置测量设备例如为三坐标仪。
57.在步骤s12中，根据手术规划指令，控制手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置，规划位置表征对目标截骨平面截骨操作的工作位置。
58.在本公开中，手术规划指令可以是术前对医学成像设备获取的膝关节模具的医学图像与通过扫描探针获取的所述膝关节模具的位置进行图像配准之后，根据图像配准的结果，确定的手术规划指令。该手术规划指令可以被实施为控制手术机器人的机械臂进行运
动，直到安装于机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置。
59.在步骤s13中，获取截骨槽所在平面的空间位置信息，并确定目标截骨平面的空间位置信息与截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差。
60.例如可通过空间位置测量设备测量得到截骨槽所在平面的空间位置信息。在得到截骨槽所在平面的空间位置信息后，可通过如下方式确定所述目标截骨平面的空间位置信息与所述截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差：
61.通过在目标截骨平面上确定多个测量点，若得到第一测量点、第二测量点和第三测量点，则目标截骨平面的空间位置信息包括所述第一测量点的空间坐标、所述第二测量点的空间坐标、所述第三测量点的空间坐标。
62.确定所述第一测量点、所述第二测量点、所述第三测量点中的至少一个测量点到所述截骨槽所在平面的空间位置信息的距离，并确定所述第一测量点、所述第二测量点和所述第三测量点所组成的平面和所述工作平面的角度，将所述距离和所述角度确定为所述目标截骨平面的空间位置信息与所述工作平面的空间位置信息之间的误差。
63.在本公开的示例性实施例中，通过膝关节置换手术机器人系统中包括的手术机器人，在获取膝关节模具包括的目标截骨平面的空间位置信息之后，根据操作者的手术规划指令，控制手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于所述机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置后，可获取截骨槽所在平面的空间位置信息，进而根据截骨槽所在平面的空间位置信息和目标截骨平面的空间位置信息，可确定出膝关节置换手术机器人系统的精度检测结果，由于该结果是基于膝关节置换手术机器人系统的综合定位精度，即包括了整个膝关节置换手术机器人系统中的光学设备、计算设备、操作设备等在软件、硬件等各方面的综合误差，故可准确地对膝关节置换手术机器人系统的精度做出综合评价。
64.图3是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法的流程图，如图3所示，膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法包括以下步骤。
65.在步骤s21中，获取目标截骨平面的空间位置信息。
66.在步骤s22中，控制医学成像设备对膝关节模具进行扫描成像。
67.在实际应用中，需先利用膝关节置换手术机器人系统中的医学成像设备对固定后的膝关节模具进行扫描，得到膝关节模具的图像。也即例如可预先通过医学成像设备(ct设备)扫描图1中固定有膝关节模具的膝关节精度检测工装，得到膝关节模具的扫描影像。
68.在步骤s23中，利用扫描探针对膝关节模具进行扫描，并通过光学跟踪设备跟踪识别扫描探针上设置的示踪器，以确定扫描探针所扫描经过的空间位置。
69.本公开中的扫描探针上设置有示踪器，当例如操作者手持扫描探针对膝关节模具进行扫描时，由于扫描探针具有预定的尺寸，且示踪器设置在扫描探针上的预定位置处，因此可以根据光学跟踪设备捕捉到的各示踪器的空间位置数据计算出扫描探针末端的运动轨迹，从而得到光学跟踪设备坐标系下的膝关节模具的空间位置。
70.在步骤s24中，将通过医学成像设备获取的医学图像与通过扫描探针获取的膝关节模具的空间位置进行图像配准。
71.本公开中，在得到光学跟踪设备坐标系下的膝关节模具的空间位置之后，通过医学成像设备获取的医学图像与通过扫描探针获取的膝关节模具的空间位置进行图像配准。由此，使得将光学跟踪设备坐标系和三坐标测量仪的世界坐标系之间建立起联系，模拟完
成了实际临床过程中的图像配准工作。
72.其中，通过医学成像设备获取的医学图像与通过扫描探针获取的膝关节模具的空间位置进行图像配准时，由于膝关节精度检测工装的图像(例如三维图像)中，医生从膝关节曲面的图像规划出截骨平面并不是容易的事情，一方面膝关节曲面图像往往会经过腐蚀、膨胀处理，导致三维图像中的膝关节曲面偏离真实的情况，另一方面直接在点、三角面片等基础元素组成的图像中拾取平面涉及到拟合问题，复杂且有精度问题。由此本公开中可预先在膝关节模具中放置易于识别的标记物，并预先通过三坐标测量仪测量出截骨平面和标记物的空间位置关系。进而通过医学成像设备获取膝关节模具的图像中，通过识别标记物位置在图像坐标系下的位置，就可以推断出截骨平面在图像坐标系下的精准位置，根据截骨平面在图像坐标系下的精准位置，可实现精准的图像配准。
73.在步骤s25中，接收操作者的手术规划指令，手术规划指令包括操作者在规划与导航系统上规划出的目标截骨平面的规划位置。
74.一种实施方式中，通过医学成像设备获取的医学图像与通过扫描探针获取的膝关节模具的空间位置进行图像配准之后，操作者可以根据图像配准的结果，在规划与导航系统上规划出的目标截骨平面的规划位置。
75.在步骤s26中，根据手术规划指令，控制手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置，规划位置表征对目标截骨平面截骨操作的工作位置。
76.在步骤s27中，获取截骨槽所在平面的空间位置信息，并确定目标截骨平面的空间位置信息与截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差。
77.通过上述技术方案，利用膝关节置换手术机器人系统中包括的手术机器人，在获取膝关节模具包括的目标截骨屏边的空间位置信息之后，根据操作者的手术规划指令，控制手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于所述机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置后，可获取截骨槽所在平面的空间位置信息，进而根据截骨槽所在平面的空间位置信息和目标截骨平面的空间位置信息，可确定膝关节置换手术机器人系统的精度检测结果，由于该结果是基于膝关节置换手术机器人系统的综合定位精度，即包括了整个膝关节置换手术机器人系统中的光学设备、计算设备、操作设备等在软件、硬件等各方面的综合误差，故可准确地对膝关节置换手术机器人系统的精度做出综合评价。
78.图4是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术机器人系统的精度检测装置400的框图。参照图4，膝关节置换手术机器人系统的精度检测装置包括：
79.获取模块401，用于获取目标截骨平面的空间位置信息；
80.确定模块402，用于根据手术规划指令，控制所述手术机器人的机械臂进行运动，直到安装于所述机械臂上的截骨器的截骨槽位于规划位置，所述规划位置表征对所述目标截骨平面截骨操作的工作位置，获取所述截骨槽所在平面的空间位置信息，并确定所述目标截骨平面的空间位置信息与所述截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差。
81.可选地，通过空间位置测量设备测量得到所述目标截骨平面的空间位置信息和所述工作平面的空间位置信息。
82.可选地，所述膝关节置换手术机器人系统还包括医学成像设备、光学跟踪设备以及规划与导航系统，在根据手术规划指令，控制所述手术机器人的机械臂进行运动，直至安
装于所述机械臂上截骨器的截骨槽位于规划位置之前，所述确定模块402还用于：
83.控制所述医学成像设备对所述膝关节模具进行扫描成像；
84.利用扫描探针对所述膝关节模具进行扫描，并通过所述光学跟踪设备跟踪识别所述扫描探针上设置的示踪器，以确定所述扫描探针所扫描经过的空间位置；
85.将通过所述医学成像设备获取的医学图像与通过所述扫描探针获取的所述膝关节模具的空间位置进行图像配准；
86.接收操作者的手术规划指令，所述手术规划指令包括操作者在所述规划与导航系统上规划出的所述目标截骨平面的规划位置。
87.可选地，所述目标截骨平面包括第一测量点、第二测量点和第三测量点，所述目标截骨平面的空间位置信息包括所述第一测量点的空间坐标、所述第二测量点的空间坐标、所述第三测量点的空间坐标。
88.可选地，所述确定模块402采用如下方式确定所述目标截骨平面的空间位置信息与所述截骨槽所在平面的空间位置信息之间的误差：
89.确定所述第一测量点、所述第二测量点、所述第三测量点中的至少一个测量点到所述截骨槽所在平面的空间位置信息的距离，并
90.确定所述第一测量点、所述第二测量点和所述第三测量点所组成的平面和所述工作平面的角度；
91.将所述距离和所述角度确定为所述目标截骨平面的空间位置信息与所述工作平面的空间位置信息之间的误差。
92.关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
93.图5是根据一示例性实施例示出的一种电子设备700的框图。如图5所示，该电子设备700可以包括：处理器701，存储器702。该电子设备700还可以包括多媒体组件703，输入/输出(i/o)接口704，以及通信组件705中的一者或多者。
94.其中，处理器701用于控制该电子设备700的整体操作，以完成上述的膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法中的全部或部分步骤。存储器702用于存储各种类型的数据以支持在该电子设备700的操作，这些数据例如可以包括用于在该电子设备700上操作的任何应用程序或方法的指令，以及应用程序相关的数据，例如联系人数据、收发的消息、图片、音频、视频等等。该存储器702可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read
‑
only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read
‑
only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read
‑
only memory，简称prom)，只读存储器(read
‑
only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。多媒体组件703可以包括屏幕和音频组件。其中屏幕例如可以是触摸屏，音频组件用于输出和/或输入音频信号。例如，音频组件可以包括一个麦克风，麦克风用于接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器702或通过通信组件705发送。音频组件还包括至少一个扬声器，用于输出音频信号。i/o接口704为处理器701和其他接口模块之间提供接口，上述其他接口模块可以是键盘，鼠标，按钮等。这些按钮可以是虚拟按钮或者实体按钮。通信组件705用于
该电子设备700与其他设备之间进行有线或无线通信。无线通信，例如wi
‑
fi，蓝牙，近场通信(near field communication，简称nfc)，2g、3g、4g、nb
‑
iot、emtc、或其他5g等等，或它们中的一种或几种的组合，在此不做限定。因此相应的该通信组件705可以包括：wi
‑
fi模块，蓝牙模块，nfc模块等等。
95.在一示例性实施例中，电子设备700可以被一个或多个应用专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device，简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述的xxxx方法。
96.在另一示例性实施例中，还提供了一种包括程序指令的计算机可读存储介质，该程序指令被处理器执行时实现上述的膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法的步骤。例如，该计算机可读存储介质可以为上述包括程序指令的存储器702，上述程序指令可由电子设备700的处理器701执行以完成上述的膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法。
97.在另一示例性实施例中，还提供一种计算机程序产品，该计算机程序产品包含能够由可编程的装置执行的计算机程序，该计算机程序具有当由该可编程的装置执行时用于执行上述的膝关节置换手术机器人系统的精度检测方法的代码部分。
98.以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
99.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
100.此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。