骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法与流程

1.本发明涉及医疗设备技术领域，特别涉及一种骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法。


背景技术：

2.外科手术趋向于微创化，在带来创口小、失血少和恢复快等便利的同时，也缩小了医生的视野，不利于直接观察，而且，部分手术的病灶组织结构复杂，需频繁探查，一些隐藏较深的病灶甚至需要医生凭技巧进行盲操作，这都极大的影响了外科手术的准确性和安全性。近年来，导航定位系统技术成为医疗领域创新的主流，特别机器人技术的创新应用，更是提高了手术的安全性和有效性。
3.骨科手术机器人是目前广泛应用于骨科手术中的机器人系统，可实现更加个性化的手术方案设计和模拟，提供超越人手极限的手术定位精度，从而极大地方便了医生的操作，有效降低并发症风险，提升手术质量，缩短术后康复周期，并从总体上降低医疗费用。
4.骨科手术机器人系统的基本功能是利用计算机对医学影像设备提供的图像进行处理、显示、结合光学跟踪系统，最终控制机器人安全、有效地进行手术定位。
5.需要特别指出的是，对于包括骨科手术机器人在内的手术机器人而言，导航跟踪系统是核心技术壁垒之一，例如骨科手术导航系统能够被用于术前制定手术计划和术中导航，可以在手术过程中跟踪手术器械，并将手术器械的位置在病人术前或术中的影像上实时更新显示出来，让手术医生随时知道手术器械的位置同病人解剖结构的关系。在手术应用中，高测量精度的导航系统可以更精确地定位病灶，从而精确的控制机械臂操纵手术器械达到病灶部位进行手术操作，避免损伤脆弱和/或重要的解剖部位。
6.因此，正确的评价和检测骨科手术导航系统的定位精度，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。
7.现有技术的骨科手术导航系统的精度验证方法，多依赖于外部的三维测量设备获取相关部件的三维坐标，例如通过外部的成像设备获取包含测试模具以及导航系统机械臂的图像信息，通过对图像进行处理，得到机械臂以及测试模具的相关坐标信息，以此来验证导航系统的精度。但这种验证方法一方面需要外部测量设备进行辅助测试，经过图像处理后得到的空间坐标数据存在较大误差，导致精度测试较为粗糙，无法精确的获悉导航系统的精度值；另一方面，测试过程较为繁琐，且需要对图像信息进行处理，处理过程较为复杂，且当外部设备采集的图像信息出现变形等偏差时，将直接导致精度测试存在较大误差。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法，以解决现有技术中精度测试系统需要依赖外部成像设备进行测试，导致测试精度低，测试过程复杂的问题。
9.为解决上述技术问题，本发明提供一种骨科手术导航系统的精度测试系统，包括：
测试工装、手术工具、机械臂、光学追踪系统和上位机；手术工具设置于机械臂上，机械臂用于带动手术工具朝靠近或远离测试工装的方向运动；测试工装上设置有多个传感器，多个传感器用于采集手术工具的位姿信号；光学追踪系统与机械臂电连接，并用于追踪手术工具和测试工装的位姿；光学追踪系统还用于根据机械臂规划位置引导机械臂运动；上位机与光学追踪系统和传感器连接；上位机用于根据传感器反馈的位姿信号以及机械臂规划位置获取骨科手术导航系统的精度。
10.进一步的，测试系统还包括注册探针，注册探针的一端用于对测试工装的形貌进行注册，注册探针的另一端安装有注册靶标，注册靶标能够被光学追踪系统识别跟踪，测试工装的表面还设置有多个注册靶点，注册探针通过接触注册靶点完成对测试工装的注册。
11.进一步的，测试工装的表面设置有多个注册靶点，注册靶点中安装有金属球。
12.进一步的，手术工具上设置有能够被光学追踪系统识别的工具靶标，测试工装上设置有能够被光学追踪系统识别的工装靶标。
13.进一步的，精度测试系统还包括成像设备，成像设备用于采集包含手术工具和/或测试工装的影像并传递给上位机，上位机还用于根据接收到的影像获取手术工具和/或测试工装的位姿。
14.进一步的，测试工装的部分表面向内凹陷，形成一半球面凹槽，手术工具的末端的形状与半球面凹槽相匹配，手术工具的末端为远离机械臂的一端。
15.进一步的，传感器的数量包括第一传感器和第二传感器，第一传感器设置于所述半球面凹槽的底部中心位置，第一传感器用于采集手术工具的距离信号；第二传感器间隔设置在所述半球面凹槽的球面上，第二传感器用于采集手术工具的角度信号。
16.本发明还提供了一种骨科手术导航系统的精度测试方法，包括如下步骤：
17.s1：获取手术工具以及测试工装的初始位姿；
18.s2：根据手术工具和测试工装的初始位姿获取机械臂的规划位置；
19.s3：引导机械臂运动至规划位置，机械臂运动时带动手术工具朝靠近测试工装的方向运动；
20.s4：测试工装上的传感器采集手术工具的实际位姿信号并传递给上位机；
21.s5：根据手术工具的实际位姿信号获取手术工具的实际位姿；
22.s6：根据手术工具的实际位姿和机械臂规划位置获取骨科手术导航系统的精度。
23.进一步的，在s1与s2之间，测试方法还包括工装注册步骤：光学追踪系统实时识别追踪注册探针和测试工装；注册探针对测试工装进行注册，并获取注册探针的注册位置数据；根据注册探针的注册位置数据拟合得到测试工装的实际模型；将测试工装的实际模型和虚拟模型进行配准，进行工装注册。
24.进一步的，测试工装的表面具有多个注册靶点，注册探针的一端通过点击测试工装的注册靶点，对测试工装进行注册。
25.进一步的，测试工装的表面设置有多个注册靶点，注册靶点中安装有金属球，成像设备采集测试工装的影像，根据测试工装的影像获取测试工装的虚拟模型。
26.进一步的，s1中，光学追踪系统获取手术工具的初始位姿具体包括：手术工具上设置有能够被光学追踪系统识别跟踪的工具靶标，光学追踪系统通过识别工具靶标获取手术工具的初始位姿。
27.进一步的，s1中，光学追踪系统获取手术工具的初始位姿具体包括：测试工装上的传感器采集手术工具的初始位姿信号并发送给上位机；上位机根据接收到的初始位姿信号获取手术工具的初始位姿并传递给光学追踪系统。
28.进一步的，s1中，光学追踪系统获取测试工装的初始位姿具体包括：测试工装上设置有能够被光学追踪系统识别跟踪的工装靶标，光学追踪系统通过识别工装靶标获取测试工装的初始位姿。
29.进一步的，s1中，光学追踪系统获取测试工装的初始位姿具体包括：成像设备获取包含测试工装的影像并传递给上位机；上位机根据接收到的影像获取测试工装的初始位姿并传递给光学追踪系统。
30.进一步的，s6中，上位机根据机械臂规划位置获取手术工具的理论位姿，并将手术工具的理论位姿与实际位姿进行比对，得到骨科手术导航系统的精度。
31.进一步的，测试方法还包括s7：当手术工具的理论位姿与实际位姿的差值大于预设范围时，上位机向光学追踪系统发出报警信息，并将差值传递给光学追踪系统；光学追踪系统根据差值重新规划机械臂的规划位置。
32.综上，与现有技术相比，本发明提供的骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法具有以下优点：
33.本发明的测试工装可以模拟骨科手术中的骨关节，通过手术工具对测试工装进行操作可以模拟常见的骨科手术过程，例如模拟髋关节置换手术、膝关节置换手术或磨骨手术等，测试工装上的传感器可以采集手术工具的位姿信号，从而得到手术工具的实际位姿，将其与规划的理论位姿相比较，就可以得到骨科手术导航系统的精度。相比于现有技术需要外部成像设备间接计算得到手术工具的位置坐标，本发明采用传感器直接获取位姿信号，准确度更高，并且获取结果的速度更快，无需繁琐的图像处理过程，操作更便捷。
34.而且，本发明的精度测试方法可以得到手术工具准确的偏差值，并给光学追踪系统进行报警，光学追踪系统可以根据准确的偏差值，重新规划机械臂的运动，实现对导航系统的精度校正功能。
附图说明
35.图1为本发明一实施方式的一种骨科手术导航系统的精度测试系统的结构示意图；
36.图2和图3为本发明一实施方式的一种骨科手术导航系统的精度测试系统中测试工装的结构示意图；
37.图4为本发明一实施方式的一种骨科手术导航系统的精度测试系统中注册探针对测试工装进行注册扫描的示意图；
38.图5和图6为本发明一实施方式的一种骨科手术导航系统的精度测试系统中手术工具与测试工装模拟骨科手术过程的对接示意图；
39.图7和图8为本发明一实施方式的骨科手术导航系统的精度测试方法的流程示意图；
40.图9至图12本发明一实施方式的骨科手术导航系统的精度测试方法中进行骨注册以及对机械臂进行规划的流程示意图；
41.图13至图14本发明一实施方式的骨科手术导航系统的精度测试方法中上位机的工作流程图。
具体实施方式
42.以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的一种骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。
43.需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
44.本发明的目的在于提供一种骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法，以解决现有技术中精度测试系统需要依赖外部成像设备进行测试，导致测试精度低，测试过程复杂的问题。
45.实施例1
46.如图1至图5所示，本发明提供了一种骨科手术导航系统的精度测试系统，包括：测试工装10、手术工具20、机械臂30、光学追踪系统40和上位机50；手术工具20设置在机械臂30上，机械臂20用于带动手术工具20朝靠近或远离测试工装10的方向运动；测试工装10上设置有多个传感器60，多个传感器60用于采集手术工具20的位姿信号；光学追踪系统40与机械臂30电连接，并用于追踪手术工具20和测试工装10的位姿；光学追踪系统40还用于根据机械臂规划位置引导机械臂30运动；上位机50与光学追踪系统40和传感器60连接；上位机50用于根据传感器60反馈的位姿信号以及机械臂规划位置获取骨科手术导航系统的精度。
47.在本发明的方案中，测试工装10可以模拟骨科手术中的骨关节，通过手术工具20对测试工装10进行操作可以模拟常见的骨科手术过程，例如模拟髋关节置换手术、膝关节置换手术、脊外科手术、骨科创伤手术等，测试工装10上的传感器60可以采集手术工具20的位姿信号，从而得到手术工具20的实际位姿，将其与规划的理论位姿相比较，就可以得到骨科手术导航系统的精度。相比于现有技术需要外部成像设备间接计算得到手术工具的位置坐标，本发明采用传感器60直接获取位姿信号，准确度更高，并且获取结果的速度更快，无需繁琐的图像处理过程，操作更便捷。
48.如图2所示，在本发明的一实施例中，手术工具20可以包括芯杆21和末端工具22，其中，芯杆21可以直接通过可拆卸安装方式与机械臂30的末端连接，末端工具22可以是模拟骨科手术中所需的器械，例如在关节置换手术中，末端工具22可以模拟待置换移植到患者体内的关节。此外，手术工具20上还可以设置有能够被光学追踪系统40识别的工具靶标23，从而使光学追踪系统40能够识别追踪到手术工具20。
49.如图3和图4所示，作为本发明的一种实现方式，测试工装10的部分表面可以向内凹陷，形成一半球面凹槽11，用来模拟髋关节置换手术中的髋臼窝，凹槽11附近的平面对应
髋臼窝附近的盆骨特征，相应的，手术工具20的末端，即末端工具22的形状与凹槽11相匹配，手术工具20的末端为远离机械臂30的一端，在手术过程中，机械臂30会带动手术工具20朝靠近测试工装10的方向运动，当运动到位后，此时手术工具20的末端工具22正好与凹槽11对接，如图6和图7所示。当然，本领域技术人员可以理解的是，本发明的测试工装10的形状并不局限与上述提到的结构，还可以是对应其他骨科手术中关节的形状，例如，测试工装10的表面可以具有一凸起部分，用来模拟膝关节置换手术中的关节形状，这些针对不同骨科手术而对测试工装10的形状进行简单变形的方案均属于本发明的保护范畴。另外，测试工装10上也同样设置有能够被光学追踪系统40识别的工装靶标12，以使光学追踪系统40能够识别追踪到测试工装10。
50.在上述的实施例中，安装在测试工装10上的传感器60包括第一传感器61和第二传感器62，其中，第一传感器61设置于半球面凹槽11的底部中心位置，第一传感器61用于采集手术工具20的距离信号；第二传感器62间隔设置在半球面凹槽11的球面上，第二传感器62用于采集手术工具20的角度信号。其中，第一传感器61的数量至少为一个，第二传感器62的数量优选可以为3个，通过四个传感器的配合采集得到的距离信号和角度信号，可以反应手术工具20的位姿信息。例如，第一传感器61可以光学传感器、位移传感器或超声波传感器等可以感测距离信号的传感器类型，采集距离信号后，经上位机50分析计算后，可以获取第一传感器61与手术工具20的末端之间的距离；第二传感器62则可以是视觉传感器或激光传感器等可以感测角度信号的传感器类型，采集三个与手术工具20相关的角度信号后，经过上位机50的处理，就可以得到手术工具20相对于测试工装10的角度信息，由于四个传感器60的空间位置、手术工具20的形状，测试工装10的位姿等信息都是确定的，经过分析计算后，就可以得到手术工具20的实际位姿信息。
51.进一步的，第一传感器61可以设置于半球面凹槽11的底部中心位置，三个第二传感器62则间隔设置在半球面凹槽11的球面上。优选的，三个第二传感器62可以均匀间隔设置，例如，三个第二传感器62可以确定唯一的圆，这三个第二传感器62所在的位置将该圆三等分。进一步优选的，三个第二传感器62所在的平面可以与测试工装10的半球面凹槽11附近的表面平行。通过传感器60的位置优化设置，可以减少后续获取手术工具20位姿的计算量。
52.进一步的，如图5所示，本发明的精度测试系统还包括注册探针70，注册探针70的一端用于对测试工装10的形貌进行注册，注册探针70的另一端安装有注册靶标71，注册靶标71能够被光学追踪系统40识别跟踪。骨科手术导航过程中，光学追踪系统40能精准的识别追踪测试工装10，可以使导航过程更加精准，当光学追踪系统40识别追踪测试工装10后，为了验证测试工装10的位姿精度，可以对测试工装10进行注册，具体来说，可以利用注册探针70对测试工装10进行注册，例如测试工装10的表面可以设置有多个注册靶点13，通过注册探针70的尖端依次接触注册靶点13，然后利用光学追踪系统40识别注册探针70的位姿，并获取注册探针70尖端的位置坐标，注册探针70尖端的位置坐标即为测试工装10的注册靶点13的位置坐标，从而获取注册探针70的注册位置数据，根据这些注册位置数据可以拟合得到测试工装10的实际3d模型，再将测试工装10的实际3d模型与预先储存的虚拟3d模型进行配准对齐，从而完成测试工装10的工装注册。
53.进一步的，本发明的精度测试系统还可以包括成像设备，成像设备与上位机50连
接，成像设备用于采集包含手术工具20和/或测试工装10的影像并传递给上位机50，上位机50还用于根据接收到的影像获取手术工具20和/或测试工装10的位姿。除可以通过光学追踪系统40直接识别追踪手术工具20和/或测试工装10的位姿外，本发明还可以通过成像设备拍摄包含手术工具20和/或测试工装10的影像，经过上位机50计算分析后，得到位姿信息。优选的，成像设备可以为计算机断层成像设备(ct)。例如，在获取测试工装10的虚拟3d模型时，可以在测试工装10的注册靶点13中安装有金属球，以方便ct对测试工装10进行成像扫描，通过获取测试工装10的ct影像，即可进行重建得到测试工装的虚拟3d模型，并储存在测试系统中，以方面后续进行工装注册。。
54.实施例2
55.基于本发明实施例1公开的骨科手术导航系统的精度测试系统，本发明还公开了一种骨科手术导航系统的精度测试方法，如图8所示，精度测试方法包括如下步骤：
56.s1：光学追踪系统40获取手术工具20以及测试工装10的初始位姿；
57.s2：根据手术工具20和测试工装10的初始位姿获取机械臂30的规划位置；
58.s3：光学追踪系统40引导机械臂30运动至规划位置，机械臂30运动时带动手术工具20朝靠近测试工装10的方向运动；
59.s4：测试工装10上的传感器60采集手术工具20的实际位姿信号并传递给上位机50；
60.s5：上位机50根据手术工具20的实际位姿信号获取手术工具20的实际位姿；
61.s6：根据手术工具20的实际位姿和机械臂规划位置获取骨科手术导航系统的精度。
62.本发明提供的精度测试方法，通过测试工装10模拟骨科手术中的骨关节，通过手术工具20对测试工装10进行操作模拟常见的骨科手术过程，并通过传感器60采集手术工具的实际位姿，将其于理论位姿比对，实现对骨科手术导航系统的精度验证。而且，通过传感器60直接获取位姿信号，准确度更高，从而提高精度测试的准确度，并且测试过程中，在获取手术工具的实际位姿时，无需繁琐的图像处理过程，操作更便捷。
63.进一步的，为了提高光学追踪系统40的追踪精度，如图9所示，本发明的精度测试方法中，在s1与s2之间，还包括工装注册步骤：光学追踪系统40实时识别追踪注册探针70和测试工装10；注册探针70对测试工装10进行注册，并获取注册探针70的注册位置数据；根据注册探针的注册位置数据拟合得到测试工装10的实际模型；将测试工装10的实际模型和虚拟模型进行配准，进行工装注册。例如，测试工装10的表面具有多个注册靶点13，注册探针70的一端通过点击测试工装10的注册靶点13，对测试工装10进行注册。此时，利用光学追踪系统40识别注册探针70和测试工装的实际位姿，并获取注册探针70尖端的位置坐标，注册探针70尖端的位置坐标即为测试工装10的注册靶点13的位置坐标，从而获取注册探针70的注册位置数据，根据这些注册位置数据可以拟合得到测试工装10的实际3d模型，再将测试工装10的实际3d模型与预先储存的虚拟3d模型进行配准对齐，从而完成测试工装10的工装注册。
64.在本发明提供的精度测试方法的s1步骤中，光学追踪系统40获取手术工具20的初始位姿可以采用多种手段。
65.如图10和图11所示，其中一种方案为：手术工具20上设置有能够被光学追踪系统
40识别跟踪的工具靶标23，光学追踪系统40通过识别工具靶标23获取手术工具20的初始位姿。由于工具靶标23的形状以及其安装在手术工具20上的位置都是确定的，因此，光学追踪系统40通过识别追踪工具靶标23，即可实现对手术工具20的追踪，得到其初始位姿信息。优选的，在工具靶标23上设置有反光小球，可以更有利于光学追踪系统40进行识别追踪，图中ndi即为本发明实施例提到的光学追踪系统40。
66.此外，如图12和图13所示，本发明还可以采用另一种方案来实现光学追踪系统40获取手术工具20的初始位姿：可以利用测试工装10上的传感器60来直接采集手术工具20的初始位姿信号并发送给上位机50；上位机50根据接收到的初始位姿信号获取手术工具20的初始位姿并传递给光学追踪系统40。一般来说，骨科手术导航过程所占用的空间并不大，传感器60可以感知的范围是可以涵盖该空间范围的，因此，可以利用设置在测试工装10上的传感器60直接采集手术工具20的初始位姿信号，通过上位机50处理，得到手术工具20的初始位信息，再传递给光学追踪系统40。
67.本领域技术人员可以想到的是，除上述提到的两种方案外，还可以通过其他方式来获取手术工具20的初始位姿，这些方式均属于本发明的保护范畴，例如可以利用外部成像设备获取包含手术工具20的影像，再通过对影像进行处理分析，得到手术工具20的初始位姿。
68.进一步的，本发明精度测试方法的s1步骤中，光学追踪系统获取测试工装的初始位姿也可以采用多种手段来实现。
69.如图10和图13所示，其中一种方案为：测试工装10上设置有能够被光学追踪系统40识别跟踪的工装靶标12，光学追踪系统40通过识别工装靶标12获取测试工装10的初始位姿。
70.如图11和图12所示，另一种方案为，通过成像设备获取包含测试工装10的影像并传递给上位机50；上位机50根据接收到的影像获取测试工装10的初始位姿并传递给光学追踪系统40。例如，可以在测试工装10上设置多个能拟合测试工装10基本形貌的金属小球，利用ct技术获取测试工装10的影像。
71.在本发明的精度测试方法的s2步骤中，根据手术工具20和测试工装10的初始位姿获取机械臂30的规划位置时，需要对测试工装10和手术工具20的坐标系进行转换统一，可以通过如下方法实现：光学追踪系统40在获取测试工装10的初始位姿后，可以得到测试工装10的第一传感器61的位置坐标，即第一传感器61在m1坐标系中的位置坐标；光学追踪系统在获取手术工具20的初始位姿后，可以得到手术工具20末端的位置坐标，即手术工具20末端在m2坐标系中的位置坐标；然后利用传感器60感测获取手术工具20的初始位姿信号，经过上位机50的处理后，得到手术工具20的末端在m1坐标系中的位置坐标，这样可以根据手术工具20的末端在m1坐标系和m2坐标系中的位置坐标，实现对两个坐标系的转换。
72.在本发明提供的骨科手术导航系统的精度测试方法的s6步骤中，上位机50根据机械臂规划位置获取手术工具20的理论位姿，并将手术工具20的理论位姿与实际位姿进行比对，得到骨科手术导航系统的精度。具体来说，在前面的步骤中，光学追踪系统40在获取到手术工具20和测试工装10的初始位姿后，会对机械臂30的路径进行规划，以使机械臂30按照规划的路径进行运动时，可以让机械臂30达到规划位置，此时在理论上，机械臂30会带动手术工具20运动到指定位置并正好与测试工装10进行对接，完成模拟骨科手术。由于手术
工具20在机械臂30上的安装位置及姿态都是确定的，因此，根据机械臂30的规划位置可以计算出当机械臂30到达规划位置后，对应的手术工具20的理论位姿。当导航系统正式模拟骨科手术，光学追踪系统40带动机械臂30实际运动到位后，通过传感器60感测到的手术工具20的实际位姿信号，上位机50可以得到手术工具20的实际位姿，将理论位姿与实际位姿进行比对，就可以获得导航系统导航过程的精度是多少，当理论位姿与实际位姿偏差过大时，说明导航系统的精度交底，当偏差在允许范围内，说明该导航系统的导航过程是可靠的，可以用来进行骨科手术导航，这样就完成了骨科手术导航系统的精度测试过程。
73.其中，手术工具20的实际位姿与理论位姿进行比对的过程具体为，手术工具20的位姿信息包含了相对距离信息，夹角信息和法向量信息。例如，当手术工具20正好处于理论位姿时，此时手术工具20与测试工装10正好对接，手术工具20的末端与第一传感器61之间的距离即为理论的相对距离，手术工具20的轴向此时垂直于测试工装10的表面，此时其与z向的夹角为0，手术工具20与测试工装10的表面之间的夹角也均为90度，即此时法向量与测试工装10表面的x轴和y轴夹角均为90度。当手术工具20的实际位姿与理论位姿存在偏差时，此时手术工具20的末端与第一传感器61之间的实时距离即为实时的相对距离，手术工具20的轴向与z向的夹角可能就会存在偏差，会大于0度，同样，其与x轴和y周方向的夹角就不等于90度，通过比较这些实时的位姿信息与理论的位姿信息，就可以准确的知道手术工具20的实际位姿与理论位姿偏差了多少。准确的得出导航系统的精度值。
74.基于上述精度值，如图9所示，本发明的精度测试方法还可以包括步骤s7：当手术工具20的理论位姿与实际位姿的差值大于预设范围时，上位机50向光学追踪系统40发出报警信息，并将差值传递给光学追踪系统40；光学追踪系统40可以根据该差值重新规划机械臂30的规划位置。从而实现对导航系统的精度校正。
75.在本发明的实施例中，上位机50可以集成在光学追踪系统40中，也可以与光学追踪系统40独立开。其中，上位机50在本发明的实施例中的工作流程如图13和图14所示。其中，当精度测试方法的s1步骤中，采用光学追踪系统40直接获取手术工具40的初始位姿时，上位机的工作流程如图13所示；当利用传感器60采集手术工具40的初始位姿信号，然后利用上位机50对初始位姿信号进行处理后得到手术工具10的初始位姿并传递给光学追踪系统40，此时上位机的工作流程如图14所示。
76.综上，与现有技术相比，本发明提供的骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法具有以下优点：
77.本发明的测试工装可以模拟骨科手术中的骨关节，通过手术工具对测试工装进行操作可以模拟常见的骨科手术过程，例如模拟髋关节置换手术、膝关节置换手术或磨骨手术等，测试工装上的传感器可以采集手术工具的位姿信号，从而得到手术工具的实际位姿，将其与规划的理论位姿相比较，就可以得到骨科手术导航系统的精度。相比于现有技术需要外部成像设备间接计算得到手术工具的位置坐标，本发明采用传感器直接获取位姿信号，准确度更高，并且获取结果的速度更快，无需繁琐的图像处理过程，操作更便捷。
78.而且，本发明的精度测试方法可以得到手术工具准确的偏差值，并给光学追踪系统进行报警，光学追踪系统可以根据准确的偏差值，重新规划机械臂的运动，实现对导航系统的精度校正功能。
79.上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，并非对本发明范围的任何限定，本
发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

技术特征：
1.一种骨科手术导航系统的精度测试系统，其特征在于，包括：测试工装、手术工具、机械臂、光学追踪系统和上位机；所述手术工具设置于所述机械臂上，所述机械臂用于带动所述手术工具朝靠近或远离所述测试工装的方向运动；所述测试工装上设置有多个传感器，多个所述传感器用于采集所述手术工具的位姿信号；所述光学追踪系统与所述机械臂电连接，并用于追踪所述手术工具和所述测试工装的位姿；所述光学追踪系统还用于根据机械臂规划位置引导所述机械臂运动；所述上位机与所述光学追踪系统和所述传感器连接；所述上位机用于根据所述传感器反馈的位姿信号以及所述机械臂规划位置获取所述骨科手术导航系统的精度。2.根据权利要求1所述的骨科手术导航系统的精度测试系统，其特征在于，还包括注册探针，所述注册探针的一端用于对所述测试工装的形貌进行注册，所述注册探针的另一端安装有注册靶标，所述注册靶标能够被所述光学追踪系统识别跟踪；所述测试工装的表面还设置有多个注册靶点，所述注册探针通过接触所述注册靶点完成对所述测试工装的注册。3.根据权利要求1所述的骨科手术导航系统的精度测试系统，其特征在于，所述测试工装的表面设置有多个注册靶点，所述注册靶点中安装有金属球。4.根据权利要求1所述的骨科手术导航系统的精度测试系统，其特征在于，所述手术工具上设置有能够被光学追踪系统识别的工具靶标，所述测试工装上设置有能够被光学追踪系统识别的工装靶标。5.根据权利要求1所述的骨科手术导航系统的精度测试系统，其特征在于，所述精度测试系统还包括成像设备，所述成像设备用于采集包含所述手术工具和/或所述测试工装的影像并传递给所述上位机，所述上位机还用于根据接收到的影像获取所述手术工具和/或测试工装的位姿。6.根据权利要求1所述的骨科手术导航系统的精度测试系统，其特征在于，所述测试工装的部分表面向内凹陷，形成一半球面凹槽，所述手术工具的末端的形状与所述半球面凹槽相匹配，所述手术工具的末端为远离所述机械臂的一端。7.根据权利要求7所述的骨科手术导航系统的精度测试系统，其特征在于，所述传感器包括第一传感器和第二传感器，所述第一传感器设置于所述半球面凹槽的底部中心位置，所述第一传感器用于采集所述手术工具的距离信号；所述第二传感器间隔设置在所述半球面凹槽的球面上，所述第二传感器用于采集所述手术工具的角度信号。8.一种骨科手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：获取手术工具以及测试工装的初始位姿；s2：根据所述手术工具和所述测试工装的初始位姿获取机械臂的规划位置；s3：引导所述机械臂运动至所述规划位置，所述机械臂运动时带动所述手术工具朝靠近所述测试工装的方向运动；s4：测试工装上的传感器采集所述手术工具的实际位姿信号并传递给上位机；s5：根据所述手术工具的实际位姿信号获取所述手术工具的实际位姿；s6：根据所述手术工具的实际位姿和所述机械臂规划位置获取所述骨科手术导航系统
的精度。9.根据权利要求8所述的一种骨科手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，在所述s1与所述s2之间，所述测试方法还包括工装注册步骤：光学追踪系统实时识别追踪注册探针和测试工装；注册探针对测试工装进行注册，并获取所述注册探针的注册位置数据；根据所述注册探针的注册位置数据拟合得到所述测试工装的实际模型；将所述测试工装的实际模型和虚拟模型进行配准，进行工装注册。10.根据权利要求9所述的一种骨科手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，所述测试工装的表面具有多个注册靶点，所述注册探针的一端通过点击所述测试工装的注册靶点，对所述测试工装进行注册；或者所述测试工装的表面设置有多个注册靶点，所述注册靶点中安装有金属球，成像设备采集所述测试工装的影像，根据所述测试工装的影像获取所述测试工装的虚拟模型。11.根据权利要求10所述的一种骨科手术导航系统的精度测试方法，其特征在于，还包括s7：当所述手术工具的理论位姿与实际位姿的差值大于预设范围时，向所述光学追踪系统发出报警信息，并将所述差值传递给所述光学追踪系统；根据所述差值重新规划所述机械臂的规划位置。

技术总结
本发明提供一种骨科手术导航系统的精度测试系统及测试方法，测试系统包括：测试工装、手术工具、机械臂、光学追踪系统和上位机；手术工具设置于机械臂上，机械臂用于带动手术工具朝靠近或远离测试工装的方向运动；测试工装上设置有多个传感器，多个传感器用于采集手术工具的位姿信号；光学追踪系统与机械臂电连接，并用于追踪手术工具和测试工装的位姿；光学追踪系统还用于根据机械臂规划位置引导机械臂运动；上位机与光学追踪系统和传感器连接；上位机用于根据传感器反馈的位姿信号以及机械臂规划位置获取骨科手术导航系统的精度。本发明提供的精度测试系统及测试方法可以解决现有技术中精度测试系统测试精度低，测试过程复杂的问题。杂的问题。杂的问题。


技术研发人员：请求不公布姓名 请求不公布姓名 请求不公布姓名 李涛
受保护的技术使用者：苏州微创畅行机器人有限公司
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/9/23