一种导航手术系统

技术领域

本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种导航手术系统。

背景技术

利用手术机器人辅助执行的骨科手术操作例如膝关节手术中，需要监测患肢的实际位姿，并据此进行截骨或磨骨操作。实际手术过程中，患肢不可避免地发生移动，因此实践中，通过导航设备对患肢的位姿进行监测，并基于患肢的实时位姿对机械臂的截骨方向进行调整，提高截骨准确性。

现有技术中普遍采用光学导航来监测患肢的位姿。光学导航包括设置在患肢上的光学靶标及用于识别光学靶标的跟踪装置，跟踪装置通过识别光学靶标的位姿来监测患肢的位姿。光学导航依赖光线，当手术室内人员站位发生改变或因其他原因导致光线被遮挡，引起跟踪装置无法识别光学靶标时，光学导航失效，无法监测患肢的位姿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导航手术系统，旨在提高导航可靠性，降低手术风险，改善手术效果。

为实现上述目的，本发明提供了一种导航手术系统，包括：

支撑机构，用于与目标对象的目标部位连接；

导航设备，包括光学靶标、跟踪装置及传感器组件；所述光学靶标用于设置在所述目标部位的目标骨骼上，所述跟踪装置用于识别所述光学靶标以获取所述光学靶标的监测位姿；所述传感器组件包括压力传感器阵列，所述压力传感器阵列设置在所述支撑机构上，并用于监测所述目标部位施加于所述支撑机构上的压力信息；所述导航设备被配置为能够根据所述压力信息及预先确定的所述压力信息与所述监测位姿之间的映射关系获取所述光学靶标的计算位姿；

机器人设备，与所述导航设备通信连接，并包括机械臂；

所述导航手术系统被配置为根据所述光学靶标的监测位姿或计算位姿对所述机械臂的运动进行控制。

可选地，所述目标部位包括第一区域和第二区域；所述支撑机构包括第一子支撑机构和第二子支撑机构；所述第一子支撑机构用于与所述第一区域连接，所述第二子支撑机构用于与所述第二区域连接；所述压力信息包括所述第一区域施加于所述第一子支撑机构上的第一子压力信息和所述第二区域施加于所述第二子支撑机构上的第二子压力信息；

所述光学靶标的数量为两个，分别为第一光学靶标和第二光学靶标，所述第一光学靶标设置在所述第一区域的所述目标骨骼上，所述第二光学靶标设置在所述第二区域的所述目标骨骼；

所述压力信息与所述监测位姿之间的映射关系包括所述第一子压力信息与所述第一光学靶标的监测位姿之间的映射关系、及所述第二子压力信息与所述第二光学靶标的监测位姿之间的映射关系；

所述导航手术系统被配置为能够根据所述第一子压力信息及所述第一子压力信息与所述第一光学靶标的监测位姿之间的映射关系获取所述第一光学靶标的计算位姿；或者，根据所述第二子压力信息及所述第二子压力信息与所述第二光学靶标的监测位姿之间的映射关系获取所述第二光学靶标的计算位姿。

可选地，所述压力传感器阵列包括第一压力传感器子阵列和第二压力传感器子阵列，所述第一压力传感器子阵列设置在所述第一子支撑机构上，并用于接触所述目标部位的所述第一区域，以监测所述第一子压力信息；所述第二压力传感器子阵列设置在所述第二子支撑机构上，并用于接触所述目标部位的所述第二区域，以监测所述第二子压力信息。

可选地，所述第一子支撑机构包括用于与所述目标部位连接的第一托板；所述第一托板为弧形曲面结构，所述第一压力传感器子阵列包括多个行和多个列，所述第一压力传感器子阵列的多个行沿所述第一托板的轴向间隔布置，所述第一压力传感器子阵列的多个列沿所述第一托板的周向间隔排布。

可选地，还包括承载台上，所述第一子支撑机构还包括第一支撑部和第一锁紧件，所述第一支撑部与所述第一托板铰接，所述第一支撑部还与所述承载台连接；所述第一锁紧件用于选择性地锁紧所述第一托板与所述第一支撑部或解除所述第一托板与所述第一支撑部的锁紧；当所述第一锁紧件锁紧所述第一托板与所述第一支撑部时，阻止所述第一托板相对于所述第一支撑部旋转，当所述第一锁紧件解除所述第一托板与所述第一支撑部之间的锁紧时，允许所述第一托板相对于所述第一支撑部旋转。

可选地，所述第二子支撑机构包括托板组合体，所述托板组合体包括用于与所述目标部位连接的第二托板；所述第二托板为弧形曲面结构；所述第二压力传感器子阵列包括多个行和多个列，所述第二压力传感器子阵列的多个行沿所述第二托板的轴向间隔排布，所述第二压力传感器子阵列的多个列沿所述第二托板的周向间隔排布。

可选地，还包括承载台上；所述第二子支撑机构还包括第二支撑部及第二锁紧件，所述第二支撑部与所述托板组合体铰接，所述第二支撑部与所述承载台连接；所述第二锁紧件用于选择性地锁紧所述第二支撑部和所述托板组合体或解除所述第二支撑部与所述托板组合体之间的锁紧，当所述第二锁紧件锁紧所述第二支撑部与所述托板组合体时，阻止所述托板组合体相对于所述第二支撑部旋转，当所述第二锁紧件解除所述第二支撑部与所述托板组合体之间的锁紧时，允许所述托板组合体相对于所述承载台旋转。

可选地，所述传感器组件还包括惯性传感器，所述惯性传感器设置在所述光学靶标上；所述惯性传感器用于监测所述目标骨骼的姿态变化信息；

所述导航设备被配置为根据所述压力信息及所述姿态变化信息获取所述光学靶标的计算位姿。

可选地，所述光学靶标的坐标系与设置在其上的惯性传感器的坐标系相互平行。

可选地，所述光学靶标包括支架和体和反光体，所述支架体包括四根第一连接杆和两根第二连接杆，四根所述第一连接杆依次首尾相接并形成矩形框架，两根所述第二连接杆交叉布置，且每根所述第二连接杆连接所述矩形框架相对的两个顶点；所述矩形框架的每个所述顶点处均设置有所述反光体；所述惯性传感器设置在两个所述第二连接杆的相交处。

与现有技术相比，本发明的导航手术系统具有如下优点：

前述的导航手术系统包括支撑机构、导航设备及机器人设备；所述支撑机构用于与目标对象的目标部位连接；所述导航设备包括光学靶标、跟踪装置及传感器组件；所述光学靶标用于设置在所述目标部位的目标骨骼上，所述跟踪装置用于识别所述光学靶标以获取所述光学靶标的监测位姿；所述传感器组件包括多个压力传感器，多个所述压力传感器设置在所述支撑机构上，并用于监测所述目标部位施加于所述支撑机构上的压力信息；所述导航设备被配置为能够根据所述压力信息及预先确定的所述压力信息与所述光学靶标的的监测位姿之间的映射关系获取所述光学靶标的计算位姿；所述机器人设备与所述导航设备通信连接并包括机械臂；所述导航手术系统被配置为根据所述光学靶标的监测位姿或所述计算位姿对所述机械臂的运动进行控制。该导航手术系统提供了两种可供选择的导航方式，其一为光学导航方式，其二为非光学导航方式，在导航手术系统辅助执行手术操作时，可以根据实际情况选择导航策略，例如在光学导航失效的情形下，暂时根据传感器的输出信息进行导航，这样就不会出现整个导航设备失效的情况，提高导航设备的可靠性，进而降低手术风险，改善手术效果。

附图说明

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统的硬件的框架示意图；

图2是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统的应用场景示意图；

图3是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统的应用场景的局部示意图；

图4是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统的第一子支撑机构及设置在其上的第一压力传感器子阵列的示意图；

图5是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统的第二子支撑机构及设置在其上的第二压力传感器子阵列的示意图；

图6本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统的第一压力传感器子阵列的示意图；

图7是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统在应用时的整体流程图；

图8是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统在使用过程中，获取第一压力传感器子阵列所监测的第一子压力信息与第一光学靶标的位姿之间的映射关系、第二压力传感器子阵列所监测的第二子压力信息与第二光学靶标的位姿之间的映射关系的流程图；

图9是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统在使用过程中，对压力传感器阵列中每个压力传感器的设置位置的有效性进行定性地查验的流程图；

图10是本发明根据第一实施例所提供的导航手术系统的功能性模块的架构示意图；

图11本发明根据第二实施例所提供的导航手术系统的硬件的框架示意图；

图12是本发明根据第二实施例所提供的导航手术系统的局部应用场景示意图；

图13是本发明根据第二实施例所提供的导航手术系统的惯性传感器与相应的光学靶标的连接关系示意图；

图14是本发明根据第二实施例所提供的导航手术系统在进行手术导航时的详细流程图；

图15是本发明根据第二实施例所提供的导航手术系统的功能性模块的架构示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，以下说明内容的各个实施例分别具有一或多个技术特征，然此并不意味着使用本发明者必需同时实施任第一实施例中的所有技术特征，或仅能分开实施不同实施例中的一部或全部技术特征。换句话说，在实施为可能的前提下，本领域技术人员可依据本发明的公开内容，并视设计规范或实作需求，选择性地实施任第一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地实施多个实施例中部分或全部的技术特征的组合，借此增加本发明实施时的弹性。

本发明的目的在于提供一种导航手术系统，其可以在骨科手术例如膝关节手术中辅助执行骨去除操作，骨去除操作既包括采用截骨工具执行的截骨操作，也包括使用磨骨工具执行的磨骨操作。该导航手术系统旨在提供多种可选的导航方式，使得光学导航失效时，可以以非光学的导航方式继续对手术操作进行导航，避免因光学导航失效而造成手术中止或导致骨去除操作的准确性降低，达到降低手术风险、提高手术效果的目的。

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均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例的目的。附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

图1示出第一实施例所提供的导航手术系统的硬件的框架示意图，图2示出第一实施例所提供的导航手术系统的应用场景示意图，图3示出第一实施例所提供的导航手术系统的应用场景的局部示意图。

参考图1至图3，第一实施例所提供的导航手术系统包括支撑机构100、导航设备200及机器人设备300。其中，支撑机构100用于与目标对象400的目标部位连接。导航设备200包括光学靶标210、跟踪装置220及传感器组件230。光学靶标210用于设置在目标部位的目标骨骼上，光学靶标210的位姿用于表征目标骨骼的位姿。跟踪装置220用于识别光学靶标210以直接获取光学靶标210的位姿。传感器组件230包括压力传感器阵列231，如图4及图5所示，压力传感器阵列231设置在支撑机构100上，并用于监测目标部位施加在支撑机构100上的压力信息，该压力信息与目标骨骼的位姿有关。导航设备300被配置为能够基于该压力信息获取光学靶标210的位姿。机器人设备300与导航设备200通信连接，并包括机械臂310。机械臂310的末端用于连接手术器械，手术器械用于对目标骨骼执行手术操作。本文中将跟踪装置220识别光学靶标210时直接获取的光学靶标210的位姿称之为监测位姿，将根据目标部位施加在支撑机构100上的压力信息获取的光学靶标210的位姿称之为计算位姿。导航手术系统还被配置为根据所述光学靶标210的监测位姿和/或计算位姿对所述机械臂310的运动进行控制，以实现手术导航。

即，本实施例所提供的导航手术系统具有多种导航方式，这使得导航手术系统可以在实际应用过程中根据实际场景选择合适的导航策略。例如在一种可能的场景中，跟踪装置220能够识别光学靶标210，此时，导航手术系统可以只基于光学靶标210的监测位姿进行手术导航。当然，导航手术系统也可以同时基于光学靶标210的监测位姿和计算位姿进行手术导航。或者，导航手术系统只基于光学靶标210的计算位姿进行手术导航。在另一种可能的场景中，跟踪装置220不能识别光学靶标210，此时，导航手术系统可以基于光学靶标210的计算位姿进行手术导航。换而言之，该导航手术系统在应用时，不论跟踪装置220能否识别光学靶标210，其都可以实现手术导航，确保不会出现因光学靶标210被遮挡而引起导航中断的情况，具有较高的可靠性，这可以降低手术风险，改善手术效果。

应理解，压力传感器阵列231包括多个压力传感器，所有的压力传感器具有各向同质性，且压力传感器的输出信号可以是电压值、也可以是电流值、还可以是电阻值。

还应理解，导航设备200基于压力传感器阵列231所监测到的压力信息获取光学靶标210的计算位姿，指的是导航设备根据压力传感器阵列231所监测到的压力信息以及预先确定的压力信息与光学靶标210的监测位姿之间的映射关系，获取光学靶标210的计算位姿。

导航手术系统可以应用于膝关节手术。于此情形下，目标对象是人，目标部位包括患者的腿部，当执行股骨侧的操作时，目标骨骼包括股骨，当执行胫骨侧的操作时，目标骨骼包括胫骨，手术操作包括利用截骨工具执行的截骨操作或利用磨骨工具执行的磨骨操作。

因此，如图3所示，光学靶标210的数量为两个，分别为第一光学靶标211和第二光学靶标212。第一光学靶标211用于设置在股骨上，且第一光学靶标211的位姿用于表征股骨的位姿，股骨的位姿与大腿的位姿相匹配。第二光学靶标212用于设置在胫骨上，且第二光学靶标212的位姿用于表征胫骨的位姿，胫骨的位姿与人的小腿的位姿相匹配。

以及，如图3至图5所示，支撑机构100包括第一子支撑机构110和第二子支撑机构120。此外，手术过程中，人位于一承载台400上，承载台400例如是手术床。第一子支撑机构110用于与大腿连接，且第一子支撑机构110还与承载台400连接，以为大腿提供支撑。第二子支撑机构120至少用于与小腿连接，并还与承载台400连接，以对小腿提供支撑。

目标部位施加在支撑机构100上的压力信息，实际上也包括两部分，分别为腿部具体是大腿施加在第一子支撑机构110上的第一子压力信息和腿部具体是小腿施加在第二子支撑机构120上的第二子压力信息。可以理解，第一子压力信息与大腿的位姿有关，第二子压力信息与小腿的位姿有关。

压力信息与光学靶标210的监测位姿之间的映射关系则包括第一子压力信息与第一光学靶标211的监测位姿之间的映射关系、及第二子压力信息与第二光学靶标212的监测位姿之间的映射关系。

从而，导航设备200基于压力传感器阵列231所监测到的压力信息获取光学靶标210的计算位姿，可以更具体地描述为：导航设备200基于第一子压力信息、第一子压力信息与第一光学靶标211的监测位姿之间的映射关系，得到第一光学靶标211的计算位姿，或者基于第二子压力信息、第二子压力信息与第二光学靶标212的监测位姿之间的映射关系，得到第二光学靶标212的计算位姿。

为获取第一子压力信息和第二子压力信息，压力传感器阵列231包括第一压力传感器子阵列231a和第二压力传感器子阵列231b。其中，第一压力传感器子阵列231a设置在第一子支撑机构110上，并用于监测第一子压力信息。第二压力传感器子阵列231b设置在第二子支撑机构120，并用于监测第二子压力信息。

详细地，第一子支撑机构110包括第一托板111，第一托板111用于承托大腿。通常，如图4所示，第一托板111为弧形曲面结构，第一托板111的凹面用于朝向第一目标部位。第一压力传感器子阵列231a可以设置在第一托板111的凹面上，并包括多个行和多个列，例如，请参考图6，第一传感器子阵列包括n个行和m个列，n和m均为5。其中，第一压力传感器子阵列的n个行沿第一托板111的轴向间隔布置，第一压力传感器子阵列的m个列沿第一托板111的周向间隔布置。如此，第一压力传感器子阵列包括n×m个压力传感器。第一子压力信息由n×m个压力传感器共同监测得到，因而第一子压力信息包括n×m个压力传感器的输出信号值，其以n×m阵列的形式输出。

第二子支撑机构120包括托板组合体(图中未标注)，托板组合体至少包括第二托板121，第二托板121用于承托小腿。第二托板121也为弧形曲面结构。第二压力传感器子阵列231b设置在第二托板121上。可选地，第二压力传感器子阵列231b包括多个行和多个列，例如包括p个行和q个列。第二压力传感器子阵列231b的p个行沿第二托板121的轴向间隔布置，第二压力传感器子阵列231b的q个列沿第二托板121的周向间隔布置。如此，第一压力传感器子阵列231b包括p×q个压力传感器。第二子压力信息由p×q个压力传感器共同监测得到，因而第二子压力信息包括p×q个压力传感器的输出信号值，其以p×q阵列的形式输出。

此外，第一子支撑机构110还包括第一紧固件112，第一紧固件例如绑带，其用于通过绑扎的方式使第一托板111与大腿连接在一起。进一步地，第一子支撑机构110还包括第一支撑部113和第一锁紧件114。第一支撑部113连接第一托板111和承载台400，且第一支撑部113与第一托板111铰接。第一锁紧件114用于选择性地锁紧第一托板111和第一支撑部113，或解除第一托板111与第一支撑部113之间的锁紧。当第一锁紧件114锁紧第一托板111和第一支撑部113时，阻止第一支撑部113相对于第一托板111旋转，以使得第一托板111在承载台400上的位置固定。当第一锁紧件114解除第一托板111与第一支撑部113之间的锁紧时，允许第一支撑部113相对于第一托板111旋转，以调整第一托板111相对于承载台400倾斜的角度。于本发明实施例中，第一支撑部113例如是支撑杆，第一锁紧件例如是插销、螺钉或其他任意合适的结构件。

另外，第一支撑部113可以固定在承载台400上。或者，第一支撑部113与承载台400滑动连接，此时第一子支撑机构还包括第三锁紧件(图中未示出)，第三锁紧件用于选择性地锁紧第一支撑部113和承载台400，或解除第一支撑部113与承载台400的锁紧。当第三锁紧件锁紧第一支撑部113和承载台400时，阻止第一支撑部113在承载台400上滑动，使得第一支撑部113与承载台400保持相对静止。当第三锁紧件解除第一支撑部113与承载台400的锁紧，允许第一支撑部113在承载台400上滑动，以调整第一支撑部113在承载台400上的位置。

可选地，第二子支撑机构120还包括第二紧固件122，第二紧固件例如是绑带，其可以通过绑扎的方式使第二托板121与小腿连接在一起。进一步地，第二子支撑机构120还包括第二支撑部123和第二锁紧件(图中未示出)。第二支撑部123连接托板组合体和承载台400，且第二支撑部123与托板组合体铰接。第二锁紧件用于选择性地锁紧第二支撑部123和托板组合体或解除第二支撑部123与托板组合体之间的锁紧。当第二锁紧件锁紧第二支撑部123与托板组合体时，阻止托板组合体相对于第二支撑部123旋转，以使得托板组合体与承载台400保持相对静止。当第二锁紧件解除第二支撑部123与托板组合体支架的锁紧时，允许托板组合体相对于第二支撑部123旋转，以调整第二托板121相对于承载台400的倾斜角度。

可选地，所述第二子支撑机构120还与脚连接。具体地，托板组合体还包括第三托板124和接合板125，第三托板124、接合板125及第二托板121依次连接，且第三托板124与第二托板121成角度布置。第三托板124用于承托脚。接合板125与第二支撑部123铰接。于此情形系下，第二支撑部123可以是球铰，第二锁紧件可以是插销或螺钉或其他任意合适的结构件。

第二支撑部123可以与承载台400固定连接。替代性地，第二支撑部123可滑动地设置在承载台400上，且第二子支撑机构120还包括第四锁紧件(图中未示出)，第四锁紧件用于选择性地锁紧第二支撑部123和承载台400，或者解除第二支撑部123与承载台400之间的锁紧。当第四锁紧件锁紧第二支撑部123与承载台400时，阻止第二支撑部123在承载台400上移动，当第四锁紧件解除对第二支撑部123与承载台400的锁紧时，允许第二支撑部123在承载台400上滑动，以调整第二支撑部123在承载台400上的位置。

接下去介绍利用本实施例所提供的导航手术系统辅助执行手术时的一种具体流程，该流程如图7所示，包括如下步骤：

步骤S10、对患者进行摆位，并安装第一光学靶标211和第二光学靶标212。

步骤S20、执行骨注册。

步骤S30、执行标定操作，以获取第一子压力信息与第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，以及获取第二子压力信息与第二光学靶标212的位姿之间的映射关系。

步骤S40、执行股骨侧手术，并在手术过程中判断跟踪装置220能否能够识别第一光学靶标211，若是，则执行步骤S50，若否，则依次执行步骤S60。

步骤S50、获取第一光学靶标211的监测位姿，并基于第一光学靶标211监测位姿对机械臂310的运动进行控制。

步骤S60、获取第一子压力信息，并基于第一子压力信息及第一子压力信息与第一光学靶标211的监测位姿之间的映射关系，确定第一光学靶标211的计算位姿，且基于第一光学靶标211的计算位姿对机械臂310的运动进行控制。

步骤S70、执行胫骨侧手术，并在手术过程中判断跟踪装置220能否能够识别第二光学靶标212，若是，则执行步骤S80，若否，则依次执行步骤S90。

步骤S80、获取第二光学靶标212的监测位姿，并基于第二光学靶标212监测位姿对机械臂310的运动进行控制。

步骤S90、获取第二子压力信息，并基于第二子压力信息及第二子压力信息与第二光学靶标212的监测位姿之间的映射关系，确定第二光学靶标212的计算位姿，且基于第二光学靶标212的计算位姿对机械臂310的运动进行控制。

这样的手术流程，即便出现第一光学靶标211和/或第二光学靶标212被遮挡，而无法被跟踪装置220识别的情况，导航手术系统也能够继续对手术操作进行导航，不会发生导航失效的情形。

上述流程中，步骤S10对患者进行摆位的具体操作包括：首先使第一锁紧件114解除第一支撑部113与第一托板111之间的锁紧，以及使第二锁紧件解除托板组合体与第二支撑部123之间的锁紧，然后，医生根据需要调整腿部的位姿，使得腿部处于合适的初始位姿，之后再使第一锁紧件114锁紧第一支撑部113与第一托板111，以及使得第二锁紧件锁紧第二支撑部123与托板组合体。

在步骤S10执行完毕之后，支撑机构100被固定于承载台400上，其位姿不再发生改变。理论上来说，通过支撑机构100的支撑，腿部与承载台400保持相对静止，但由于腿部肌肉为软组织，且大腿肌肉与第一托板111、小腿与第二托板121、脚与第三托板124之间不可避免地存在间隙，因此，实践中，通过支撑机构100支撑腿部之后，腿部仍具有一定的活动自由度，例如腿部可以在左右方向上摆动。可以理解的是，在截骨之前，大腿和小腿可以同步地摆动，以使得股骨和胫骨同步地摆动，而在对股骨进行截骨时，若股骨发生摆动时，胫骨可能会随之摆动，但胫骨与股骨的摆动不同步，同理，对胫骨进行截骨时，若胫骨发生摆动，股骨可能也会发生摆动，但股骨与胫骨的摆动不同步。

当股骨向某一方向摆动，例如向左摆动时，安装在股骨上的第一光学靶标211随之向左摆动。同时，大腿施加在第一传感器子阵列中靠左侧的一列或几列压力传感器上的压力增大，以及大腿施加在第一传感器子阵列中靠右侧的一列或几列压力传感器上的压力减小，因而，第一压力传感器子阵列能够监测到相应的第一子压力信息，且第一子压力信息与第一光学靶标211之间具有映射关系。类似地，当胫骨向某一方向摆动，例如向左摆动时，安装在胫骨上的第二光学靶标212随之向左摆动。同时，小腿施加在第二传感器子阵列中靠左侧的一列或几列压力传感器上的压力增大，以及小腿施加在第二传感器子阵列中靠右侧的一列或几列压力传感器上的压力减小，因而，第二压力传感器子阵列中能够监测到相应的第二子压力信息，且第二子压力信息与第二光学靶标212的位姿之间具有映射关系。

步骤S20按照现有技术执行，此处不赘述。

步骤S30的具体操作请参考图8，包括步骤S31、步骤S32及步骤S33。步骤S31包括驱使腿部向预定方向例如向左摆动一定距离(此时股骨和胫骨同步地向左摆动一定距离)。步骤S32包括在腿部停止摆动后使跟踪装置220识别第一光学靶标211及第二光学靶标212，得到第一光学靶标211及第二光学靶标212在腿部停止摆动后的监测位姿，且获取第一压力传感器子阵列231a所监测到的第一子压力信息及第二传感器子阵列231b监测到的第二子压力信息。重复执行步骤S31及步骤S32，以得到腿部在不同摆动方向和/或不同摆动幅度下，第一光学靶标211的监测位姿、第二光学靶标212的监测位姿、第一子压力信息、以及第二子压力信息。步骤S33包括对多次执行步骤S41所得到的所有数据进行迭代，得到第一子压力信息与第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，以及第二子压力信息与第二光学靶标212的位姿之间的映射关系。

需要说明的是，在截骨操作或磨骨操作开始之前，医生还应对第一压力传感器子阵列231a及第二压力传感器子阵列231b的有效性进行查验，以确定每个压力传感器的功能均正常(即每个压力传感器均有效)，且第一压力传感器子阵列231a及第二压力传感器子阵列231b中各个压力传感器的位置有效，进而确保第一压力传感器子阵列231a能够在股骨的摆动过程中监测到相应的第一子压力信息，以及确保第二压力传感器子阵列231b能够在胫骨的摆动过程中监测到相应的第二子压力信息。

对第一压力传感器子阵列231a及第二压力传感器子阵列231b的有效性进行查验的步骤包括步骤S01和步骤S02，步骤S01一般在步骤S02之前执行。

步骤S01包括查验第一压力传感器子阵列231a及第二压力传感器子阵列231b中的每个压力传感器的有效性。在一些实现方式中，该步骤可以在摆位之前执行。具体操作是，采用具有位移测量功能的压力计分别向每个压力传感器施加压力，记录每个压力传感器的输出值以及压力计中的移动部件的位移值((该位移值由压力计直接读数得到)。重复操作多次，得到每个压力传感器的多组数据。然后采用最小二乘法对每个压力传感器的多组数据进行拟合，得到相应的拟合方程。

本发明实施例中所采用的压力传感器的输出信息号值与压力计中的移动部件的位移值成正比。因此，若压力传感器的拟合方程符合公式(1)：y

步骤S02包括查验第一压力传感器子阵列231a及第二压力传感器子阵列231b中的各个压力传感器的布置位置的有效性，步骤S02可以在步骤S20之后以及步骤S30之前执行。在一些实现方式中，步骤S02的具体流程如图9所示，包括如下：

步骤S02a、对压力传感器阵列231中的所有压力传感器子阵列进行编码。第一压力传感器子阵列中231a的每个压力传感器被编码为Qij，第二压力传感器子阵列231b中的每个压力传感器被编码为Pij，其中，i表示该压力传感器所在的行的编号，j表示该压力传感器所在的列的编号，例如Q12表示第一压力传感器子阵列231a中位于第1行第2列的压力传感器，P23表示第二压力传感器子阵列231b中位于第2行第3列的压力传感器。

步骤S02b、当腿部处于初始位姿时，获取第一压力传感器子阵列231a所监测的第一子压力信息和第二压力传感器子阵列231b所监测到的第二子压力信息。

步骤S02c、驱使腿部向左摆动预定距离，使得股骨和胫骨同步地向左摆动一定距离。

步骤S02d、在腿部停止向左摆动后，获取第一压力传感器子阵列231a所监测到的第一子压力信息，以及第二压力传感器子阵列231b所监测到的第二子压力信息。

步骤S02e、使腿部回到初始位姿，之后再驱使腿部向右摆动预定距离，使得股骨和胫骨同步地由初始位姿向右摆动预定距离。

步骤S02f、在腿部停止向右摆动后，获取第一压力传感器子阵列231a所监测到的第一子压力信息，以及第二压力传感器子阵列231b所监测到的第二子压力信息。

步骤S02g、根据初始位姿下的第一子压力信息、第二子压力信息，腿部停止向左摆动后的第一子压力信息、第二子压力信息，以及腿部停止向右摆动后的第一子压力信息及第二子压力信息，判断第一压力传感器子阵列231a中及第二传感器子阵列231b中每个压力传感器的布置位置是否有效。

本领域技术人员应理解，第一托板111可以被分为左右两个部分。当腿部停止向左摆动之后，大腿向第一托板111的左侧部分施加的压力大于向第一托板111的右侧部分施加的压力，且大腿在停止向左摆动后向第一托板111的左侧部分施加的压力比大腿处于初始位姿时向第一托板111的左侧部分施加的压力要大，以及大腿在停止向左摆动后向第一托板111的右侧部分施加的压力比大腿处于初始位姿时向第一托板111的右侧部分施加的压力要小。当腿部停止向右摆动时，大腿向第一托板111的左侧部分施加的压力小于向第一托板111的右侧部分施加的压力，且大腿在停止向右摆动后向第一托板111的左侧部分施加的压力比大腿处于初始位姿时向第一托板111的左侧部分施加的压力要小，以及大腿在停止向右摆动后向第一托板111的右侧部分施加的压力比大腿处于初始位姿时向第一托板111的右侧部分施加的压力要大。

假定第一压力传感器子阵列231a包括压力传感器Q11和压力传感器Q15，且压力传感器Q11位于第一托板111的左侧部分，压力传感器Q15位于第一托板111的右侧部分。并且，本文中，假定每个压力传感器所输出的信号值与其受到的压力成正比。那么若在腿部停止向左侧摆动后，压力传感器Q11输出的信号值大于压力传感器Q15的信号值，且压力传感器Q11在腿部停止向左侧摆动后所输出的信号值大于其在腿部处于初始位姿时所输出的信号值、压力传感器Q15在腿部停止向左侧摆动后所输出的信号值小于其在腿部处于初始位姿时所输出的信号值，以及在腿部停止向右摆动后，压力传感器Q11输出的信号值小于压力传感器Q15所输出的信号值，且压力传感器Q11在腿部停止向右侧摆动后所输出的信号值小于其在腿部处于初始位姿时所输出的信号值、压力传感器Q15在腿部停止向右侧摆动后所输出的信号值大于其在腿部处于初始位姿时所输出的信号值时，可以判定压力传感器Q11、压力传感器Q15的设置位置有效。

对于第一压力传感器子阵列231a的其他压力传感器及第二压力传感器子阵列231b的所有压力传感器232的布置位置的有效性均可以采用上述方式判断。

第一实施例所提供的导航手术系统实际应用了第一导航控制模块来对整个导航过程进行控制。如图10所示，第一导航控制模块包括信息采集模块10、数据处理模块20、存储模块30及通信模块40。其中，信息采集模块10包括第一信息采集模块11和第二信息采集模块12。第一信息采集模块11用于获取跟踪装置220所识别的第一光学靶标211的监测位姿以及第二光学靶标212的监测位姿。第二信息采集模块12用于获取第一压力传感器子阵列231a所监测到的第一子压力信息，以及获取第二压力传感器子阵列231b所监测到的第二子压力信息。数据处理模块20与信息采集模块10通信连接，并用于在标定操作的过程中获取第一子压力信息与第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，以及获取第二子压力信息与第二光学靶标212的位姿之间的映射关系。存储模块30与数据处理模块20通信连接，用于存储第一子压力信息与第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，以及第二子压力信息与第二光学靶标212的位姿之间的映射关系。数据处理模块20还用于在手术过程中，根据第一子压力信息和第一子压力信息与第一光学靶标211的映射关系获取第一光学靶标211的计算位姿；或者，根据第二子压力信息和第二子压力信息与第一光学靶标212的映射关系获取第二光学靶标212的计算位姿；并根据能够被跟踪装置220识别的光学靶标210的监测位姿或不能够被跟踪装置220识别的光学靶标210的计算位姿，获取机械臂310的运动指令。通信模块40与数据处理模块20通信连接，并用于将运动指令发送至机械臂310，使得机械臂310按照运动指令运动。

在第一实施例中，压力传感器阵列231所监测到的压力信息虽然可以反应腿部运动的距离及腿部运动后的姿态变化，但是其对于姿态变化的反馈的准确性相对较低。有鉴于此，本发明第二实施例对第一实施例做了进一步的改进。

图11是本发明根据第二实施例所提供的导航手术系统的硬件的框架示意图，图12该导航手术系统的应用场景的局部示意图。参考图11及图12，本实施例与第一实施例的区别之处在于，传感器组件230还包括惯性传感器232，每个惯性传感器232固定设置在一个光学靶标210上，以使得所述惯性传感器232与对应的所述光学靶标210之间具有恒定的相对位姿关系。惯性传感器232用于监测目标骨骼的位姿变化信息。导航手术系统被配置为基于压力传感器阵列231所监测到的压力信息及所述惯性传感器232所监测到的姿态变化信息，获取光学靶标210的计算位姿。通过设置惯性传感器232，并结合压力信息和惯性传感器232所监测到的目标骨骼的姿态变化信息来获取光学靶标210的计算位姿，可以提高所得到的计算位姿的准确性，进而提高导航准确性，进一步降低手术风险，改善手术效果。

此处，基于压力传感器阵列231所监测到的压力信息及所述惯性传感器232所监测到的姿态变化信息，获取光学靶标210的计算位姿，是指基于压力传感器阵列231所监测到的压力信息及所述惯性传感器232所监测到的姿态变化信息，以及预先确定的压力信息、姿态变化信息、光学靶标210的位姿之间的映射关系，获取光学靶标210的计算位姿。

如图14所示，在一种可选的实现方式中，光学靶标210包括支架体213和反光体214。支架体213可包括四根第一连接杆213a和两根第二连接杆213b，其中四根第一连接杆213a依次首尾相接并形成矩形框架。两根第二连接杆213b交叉布置，且每根第二连接杆213b连接矩形框架相对的两个顶点。矩形框架的每个顶点处均设有反光体214，反光体例如是反光球。惯性传感器232固定地连接在两个第二连接杆213b的相接处。

实践中，为便于计算，如图13所示，光学靶标210的坐标系F1与设置在其上的惯性传感器232的坐标系F2平行。也即，坐标系F1的X轴与坐标系F2的X轴平行，坐标系F1的Y轴与坐标系F2的Y轴平行，坐标系F1的Z轴与坐标系F2的Z轴平行。

本实施例中，惯性传感器232的数量为两个，分别为第一惯性传感器232a和第二惯性传感器232b，第一惯性传感器232a设置在第一光学靶标211上，第二惯性传感器232b设置在第二光学靶标212上。第一惯性传感器232a的坐标系与第一光学靶标211的坐标系的对应的坐标轴平行，第二惯性传感器232b的坐标系与第二光学靶标212的坐标系的对应的坐标轴平行。第一惯性传感器232a用于监测股骨的姿态变化信息，该姿态变化信息被称之为第一姿态变化信息。第二惯性传感器232b用于监测胫骨的姿态变化信息，该姿态变化信息被称之为第二姿态变化信息。因此，如图14所示，基于压力传感器阵列231所监测到的压力信息及所述惯性传感器232所监测到的姿态变化信息，获取光学靶标210的计算位姿可以更具体地描述为：基于第一压力传感器子阵列监测到的第一子压力信息和第一惯性传感器232监测到的第一姿态变化信息，以及预先确定的第一子压力信息、第一姿态变化信息、第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，得到第一光学靶标211的计算位姿；或者，基于第二压力传感器子阵列监测到的第二子压力信息和第二惯性传感器232监测到的第二姿态变化信息，以及预先确定的第二子压力信息、第二姿态变化矩阵、第二光学靶标212的位姿之间的映射关系，得到第二光学靶标212的计算位姿。

因此，利用本实施例所提供的导航手术系统辅助执行手术时的一种流程如图14所示，包括如下步骤：

步骤S100、对患者进行摆位，并安装光学靶标210及惯性传感器232。

步骤S200、执行骨注册。

步骤S300、执行标定操作，以获取第一压力传感器所监测到的第一子压力信息、第一惯性传感器232a所监测到的第一姿态变化信息与第一光学靶标211的监测位姿之间的映射关系，以及获取第二压力传感器所监测到的第二子压力信息、第二惯性传感器232b所监测到的第二姿态变化信息与第二光学靶标212的监测位姿之间的映射关系。

步骤S400、执行股骨侧手术，并在手术过程中判断跟踪装置220能否能识别第一光学靶标211，若是，则执行步骤S500，若否，则依次执行步骤S600。

步骤S500、获取第一光学靶标211的监测位姿，并基于第一光学靶标211的监测位姿对机械臂310的运动进行控制。

步骤S600、获取第一子压力信息和第一姿态变化信息并基于第一子压力信息、第一姿态变化信息，及第一子压力信息、第一姿态变化信息与第一光学靶标211的监测位姿之间的映射关系，确定第一光学靶标211的计算位姿，进而对机械臂310的运动进行控制。

步骤S700、执行胫骨侧手术，并在手术过程中判断跟踪装置220能否能识别第二光学靶标212，若是，则执行步骤S800，若否，则依次执行步骤S900。

步骤S800、获取第二光学靶标212的监测位姿，并基于第二光学靶标212的监测位姿对机械臂310的运动进行控制。

步骤S900、获取第二子压力信息和第二姿态变化信息，并基于第二子压力信息、第二姿态变化信息，及第二子压力信息、第二姿态变化信息与第二光学靶标212的监测位姿之间的映射关系，确定第二光学靶标212的计算位姿，进而对机械臂310的运动进行控制。

步骤S300的具体操作包括步骤S310及步骤S320((图中未示出)。步骤S310包括驱使腿部向左或向右摆动一定距离，并在腿部停止摆动后使跟踪装置220识别第一光学靶标211及第二光学靶标212，得到第一光学靶标211及第二光学靶标212在摆动后的监测位姿，且获取第一压力传感器子阵列所监测到的第一子压力信息、第二传感器子阵列监测到的第二子压力信息，第一惯性传感器232a所监测到的第一姿态变化信息，以及第二惯性传感器232b监测到的第二姿态变化信息。重复执行步骤S310，以得到腿部在不同摆动方向和/或不同摆动幅度下，第一光学靶标211及第二光学靶标212的监测位姿、第一子压力信息、第二子压力信息、第一姿态变化量及第二姿态变化量。步骤S320包括多多次执行步骤S410所得到的所有数据进行迭代，得到第一子压力信息、第一姿态变化量与第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，以及第二子压力信息、第二姿态变化量与第二光学靶标212的位姿之间的映射关系。

本实施例所提供的导航手术系统实际应用了第二导航控制模块来对整个导航过程进行控制。如图15所示，第二导航控制模块包括信息采集模块10、数据处理模块20、存储模块30及通信模块40。其中，信息采集模块10不仅包括前述的第一信息采集模块11、第二信息采集模块12，还包括第三信息采集模块13，第三信息采集模块13用于获取第一惯性传感器232a所监测到的第一姿态变化信息，以及获取第二惯性传感器232b所监测到的第二姿态变化信息。数据处理模块20在包括用于在标定操作的过程中获取第一子压力信息、第一姿态变化信息与第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，以及获取第二子压力信息、第二姿态变化信息与第二光学靶标212的位姿之间的映射关系。存储模块30用于存储第一子压力信息、第一姿态变化信息与第一光学靶标211的位姿之间的映射关系，以及第二子压力信息、第二姿态变化信息与第二光学靶标212的位姿之间的映射关系。数据处理模块20还用于在手术过程中，根据第一子压力信息，第一姿态变化信息，第一子压力信息、第一姿态变化信息与第一光学靶标211的映射关系获取第一光学靶标211的计算位姿；或者，根据第二子压力信息，第二姿态变化信息，第二子压力信息、第二姿态变化信息与第二光学靶标212的映射关系获取第一光学靶标212的计算位姿；并根据能够被跟踪装置220识别的光学靶标210的监测位姿和不能够被跟踪装置220识别的光学靶标210的计算位姿，获取机械臂310的运动指令。通信模块40用于将运动指令发送至机械臂310，使得机械臂310按照运动指令运动。

虽然本发明披露如上，但并不局限于此。本领域的技术人员可以对本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，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。