CN100399997C - 可转离式c形臂校准靶 - Google Patents

Abstract

一种医用工程技术领域的可转离式C形臂校准靶。本发明包括：主体框架、校准模板组件，主体框架上设有一个转轴，校准模板组件上设有对应的轴孔，主体框架和校准模板组件通过转轴、轴孔配合连接，装配后校准模板组件能绕该转轴相对于主体框架转动。本发明校准靶制备均采用现有成熟工艺。校准靶在模板组件转离X光视野时用于获取患者解剖图像，在模板组件转进X光视野时用于获取锥孔投影图像。校准靶主体选用锻铝材，部分零件选用不锈钢，采用锻造与常规切削工艺加工。新校准靶成本低、获取患者图像质量高、使导航系统性能发挥对图像处理算法健壮性依赖减少。

Description

可转离式C形臂校准靶

技术领域

本发明涉及的是一种医用工程技术领域的器件，具体是一种可转离式C形臂校准靶。

背景技术

临床医疗工程领域中存在多类计算机辅助外科手术导航系统，而基于C形臂X线透视图像的导航系统是其中的一类。C形臂校准靶是该类手术导航系统中的一个关键部件，它是导航系统实现C形臂位置跟踪、图像变形校正及C形臂相机校准功能所必需的工具，而这三项功能又是该类手术导航系统的关键技术，校准靶设计的优劣不仅直接影响靶体本身的制作成本，而切会影响手术导航系统的整体性能。

校准靶随校准方案的不同而不同。导航系统可采用在线校准和离线校准两种方案。若采用在线校准方案，则上述的光学跟踪、变形校正、相机校准3项功能都必须在手术过程中现场实现，为了实现光学跟踪功能，校准靶上必须安装定位标记物；为了求取变形校正和相机校准参数，校准靶上必须按一定规律排列一定数目的标志物，用于在线校准方案的校准靶一般采用一体式结构。若采用离线校准方案，则系统分初始化和实际使用两个阶段。初始化阶段中对校准靶的要求与采用在线校准方案时一致。在实际使用阶段中另需一个与初始化阶段不同的靶体，该校准靶应可实现光学跟踪功能。现有的C形臂校准靶存在以下三个缺点：制造成本高，处理后的患者解剖图像质量差，图像处理算法复杂、健壮性难以保证。

经对现有技术的文献检索发现，Delia Soimu等在《computerized MedicalImaging and Graphics》(医学图像图形计算机处理，2003年27卷79-85)上发表的“A novel approach for distortion correction for X-ray imageintensifiers”(一种新颖的X线图像影像增强器变形校正方法)，该文中提出一种仅含一层割槽铝制模板的校准靶用于X线图像的变形校正，其不足在于：该靶体仅能实现变形校正功能，而C形臂相机校准功能的实现还要依赖另一套复杂的专门用于校准的靶体，把本来顺序相连的变形校正功能和相机校准功能强行分离，操作过程繁琐，整体导航精度受两个靶体加工及安装精度影响大。Kevin T.Foley等在《Neurosurg Focus》(神经外科手术论坛，2001年10卷1-9)上发表的“Percutaneous pedicle screw fixation of the lumbar spine”(腰椎椎弓钉经皮植入)，该文采用含有双层校准模板的一体式校准靶用于实现在线校准方案中的变形校正与相机校准功能。其不足在于：处理后的患者解剖图像质量差，部分标志物小球投影不能被去除而残留在解剖图像上与患者的解剖信息混淆，且越是解剖信息比较复杂的区域残留小球投影越多，影响了医生的判断。

发明内容

本发明克服了现有C形臂校准靶本身的缺点及其对导航系统整体性能的不良影响，提供一种可转离式C形臂校准靶，使其降低了校准靶本身的加工成本，提高了患者解剖图像的质量，降低了系统性能发挥对图像处理算法健壮性的依赖。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述的可转离式C形臂校准靶，包括：主体框架、校准模板组件，其中主体框架上设有一个转轴，校准模板组件上设有对应的轴孔。主体框架和校准模板组件通过转轴、轴孔配合连接，装配后校准模板组件可绕该转轴相对于主体框架转动。

所述的主体框架，其主要部分为一鼓状结构，其上设有3个定位爪。其中两个固定定位爪直接安装在鼓状结构下缘上侧，另一个定位爪为可动定位爪，可沿固定在鼓状结构下缘上的径向槽滑动，可动定位爪的伸缩与定位通过旋在径向槽底端上的紧定螺杆实现。3个定位爪内侧面均为直径与匹配C形臂影像增强器外侧壁直径一致的圆柱面，该设计可保证鼓状结构与C形臂影像增强器之间的准确定位，而旋动紧定螺杆前推可动定位爪可实现鼓状结构在C形臂影像增强器上的可靠固定。

所述的主体框架，在其鼓状结构下缘上设有一转轴，该转轴通过与校准模板组件上的轴孔配合来承载校准模板组件并使其可绕该转轴相对于主体框架转动。转轴与鼓状结构的连接部分设有一菱形定位销罩壳，该机构上设有内台阶通孔用于容纳弹簧与大锥度头定位销，该销用于固定校准模板组件与主体框架的相对位置。

所述的主体框架，其鼓状结构上缘外侧圆柱面上及下缘外侧圆柱面上按一定的规律布置了一定数目的光学定位标记物。这里所指的光学定位标记物为红外反射球，红外反射球与主体框架之间通过小基台连接，红外反射球与小基台均由加拿大NDI公司(北方数码股份有限公司)作为Polaris光学立体定位跟踪系统配套产品提供。为了保证各小球的位置精度，主体框架上安装小基台处都设计成小平面。

所述的校准模板组件，包括两层校准模板、用于承载校准模板的上下两个箍架以及用于定位与隔离两层校准模板的套筒。

所述的上、下箍架，为两个扁平网球拍状结构，其上设有内凸缘用于把持两层校准模板，其一侧突出形成类似球拍柄的结构，该结构上设有通孔用于与主体框架上转轴配合。

所述的上层校准模板，其为一薄板，其上设有规格一致的锥孔，锥孔采用正交方式排列；上层校准模板上边缘处沿圆周方向设有狭长槽，使得X线可通过第二层校准模板上的小孔投影成像而不至于受到第一层校准模板的遮挡。

所述的下层校准模板，其为一个圆环上沿周向平均分布的若干个内伸脚，每个伸脚上都设有一个锥孔，伸脚的数目与布局与上层校准模板上的狭长槽的数目与布局对应。

所述的套筒，其为一个薄壁筒，用于两层校准模板的隔离与相互位置确定。

本发明校准靶用于在线校准方案，导航系统无需进行术前初始化；结构简单，采用常规工艺，材料易获得且价格适中，成本低；获取的患者解剖图像质量高；降低图像处理算法健壮性对导航系统性能的不良影响。

附图说明

图1为可转离式校准靶总体结构示意图

图2为转轴结构示意图

图3为定位销罩壳结构示意图

图4为上箍架结构示意图

图5为上层校准模板结构示意图

图6为下层校准模板结构示意图

图7伸脚及锥孔结构几何模型

具体实施方式

如图1所示，本发明校准靶由可绕轴相互转动的主体框架与校准模板组件两大主要部分组成，具体部件包括鼓状结构1、红外反射球2、固定定位爪3、可动定位爪滑槽4、可动定位爪5、紧定螺杆6、定位销罩壳7、固定螺母8、转轴9、上层校准模板10、下层校准模板11、下箍架12、上箍架13、套筒14、铆钉15。

其中，鼓状结构1、红外反射球2、固定定位爪3、可动定位爪5滑槽4、可动定位爪5、紧定螺杆6、定位销罩壳7、转轴9属于主体框架的组成。固定定位爪3通过螺钉固定在鼓状结构1的下缘上侧面上，可动定位爪5的末端为一圆柱形带缺口通槽，可动定位爪5滑槽4末端为一螺纹孔，孔内旋紧定螺杆6，其头部为一有颈球头，装配后该有颈球头应置于可动定位爪5末端的圆柱形通槽中，通过旋动紧定螺杆6可实现可动定位爪5的伸缩。3个定位爪内侧面均为直径与匹配C形臂影像增强器外侧壁直径一致的圆柱面，该设计可保证校准靶与C形臂影像增强器之间的准确定位，而旋动紧定螺杆6带动可动定位爪5前伸可实现校准靶在C形臂影像增强器上的可靠固定。定位销罩壳7通过转轴9的轴肩压紧在鼓状结构1的下端面上，定位销罩壳7内容弹簧及定位销。

固定螺母8、上层校准模板10、下层校准模板11、下箍架12、上箍架13、套筒14、铆钉15属于校准模板组件的组成部分。其中上层校准模板10、下层校准模板11、上箍架13、下箍架12、套筒14通过铆钉15固定成一个整体。该整体通过上箍架13与下箍架12上的轴孔与转轴9配合实现校准模板组件与主体框架之间的连接。固定螺母8用于实现校准模板组件在转轴9上的轴向定位。定位销罩壳7用于把持定位销及其弹簧。

如图2所示，为鼓状结构1与校准模板组件的连接件——转轴9。该转轴9由旋接固定螺母8部分16、与校准模板配合部分17、固定定位销罩壳部分18、与鼓状结构1连接部分19共4部分构成。旋接固定螺母8部分16用于安装固定螺母8以实现校准模板组件在转轴9上的轴向定位；与校准模板配合部分17用于与下箍架12及上箍架13上的轴孔配合实现主体框架与校准模板组件之间的相互转动；固定定位销罩壳部分18用于将弹簧定位销压紧固定在鼓状结构1下端面上；与鼓状结构1连接部分19用于实现转轴9与鼓状结构1之间的连接固定。

如图3所示，所述的定位销罩壳7，包括：弹簧20、定位销21。定位销21与上箍架13上的定位销坑26(图4所示)配合用于实现校准模板组件与主体框架之间两个有效相对位置的确定；弹簧20用于实现定位销21的自动弹起；转轴9通过通孔22和定位销罩壳7的下端面并借助定位销罩壳7将定位销21及其弹簧20压在鼓状结构1下端面上。

如图4所示，为上箍架13。铆钉孔23用于插入铆钉15将上、下两层校准模板、上、下箍架12、套筒14固定成一个整体。定位销坑26用于与安装在主体框架定位销罩壳7内的定位销21配合实现定位。轴孔25用于与固定在鼓状结构1上的转轴9配合。凸缘24用于把持上层校准模板10。

如图5所示，为上层校准模板10，其上设有锥孔27，锥孔27以正交方式均匀布置，其中中心处的锥孔之轴线与模板的轴线重合，锥孔27的锥度大于匹配C形臂X光锥的锥顶角。狭长槽28在上层校准模板10边缘处沿圆周方向均匀布局，狭长槽28的设计使得X光可通过下层校准模板11上的第二锥孔30成像而不受上层校准模板10的遮挡。

如图6所示，为下层校准模板11，其上设有沿圆周方向平均分布的伸脚29，每个伸脚29上都设有第二锥孔30，第二锥孔30的锥度也需大于C形臂X线光锥锥顶角。下层校准模板11上所有伸脚29、第二锥孔30的规格一致但异于上层校准模板10上的第一锥孔27。

如图7所示，为锥孔27、锥孔30及伸脚29结构几何模型。为了保证X光可穿过两层校准模板10、11上所有的锥孔27、锥孔30以在成像面上留下完整的孔影而不至于被伸脚29部分或靠近槽底的部分遮挡以留下残缺的孔影，伸脚29悬伸长度不能过长；同时，为了保证X光不漏过上层校准模板10上的狭长槽28而在成像面上留下部分槽影，伸脚29悬伸长度不能过短。实际上，伸脚29悬伸长度和伸脚29上锥孔30位置根据C形臂的若干个既定参数有一个确定的可选范围，最终确定的伸脚29长度值和伸脚29上小孔位置必须位于该范围内。图7中S为X光源理想位置，其在两层校准模板10、11有效平面上的垂足与两模板的中心(A，B)重合。设S，A连线长度为d，A，B连线长度为b，S`，S``分别表示随着C形臂姿态的不同X光源可能处于的最远位置，

为了简化模型假设S`，S``连线与校准模板10、11有效平面平行且与S的连线长度均为r，C为上层校准模板10有效平面上距离槽底最近的锥孔27上距离上层校准模板10中心最远的点；D为上层校准模板10有效平面上狭长槽28底部中心点。连线B，C及C，D的长度可先行确定为e，f。1，1`，1``为三条假设的X线，其分别穿过S``，D；S`，C及S`，D，其中1，1`在下层校准模板11有效平面上的交点分别为D`，C`。为了满足上述设计要求下层校准模板11上伸脚29的顶端必须位于D`，C`连线上；伸脚29上锥孔30孔缘上距离下层校准模板11中心最近的点必须位于1``之外(称为近心点)。这里选D`，C`连线的中点T作为伸脚29顶端位置；选择D在下层校准模板11有效平面上的垂足D``作为近心点。下面量化推导和计算D``，T连线长度，该尺寸是决定伸脚29悬伸长度和伸脚29小孔位置的关键参数。

设∠S′CB＝∠SC′A＝θ，

则

$\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{d+b}{e-r-f}\right)$

$\stackrel{\‾}{C^{\′}{A}^{\′}}=\left(\frac{d}{\tan \mathrm{\θ}}\right)$

C′D′＝A″D′-2r-C′A′

$\stackrel{\‾}{D^{\′\′}T}=\stackrel{\‾}{D^{\′}{D}^{\′\′}}+\stackrel{\‾}{D^{\′}T}=\stackrel{\‾}{D^{\′}{D}^{\′\′}}+\frac{\stackrel{\‾}{C^{\′}{D}^{\′}}}{2}=$

而 $\stackrel{\‾}{D^{\′}{D}^{\′\′}}+\frac{1}{2}(\stackrel{\‾}{A^{\′\′}{D}^{\′}}-2r-\stackrel{\‾}{C^{\′}{A}^{\′}})=\frac{2\mathrm{be}+\mathrm{df}}{2(d+b)}$

以下提供本发明实施例：

鼓状结构1材料选用锻铝LD7-CS，毛坯采用常规锻造工艺加工，精加工采用数控设备。鼓状结构1外侧面上安装红外反射球2小基台的小平面距离外侧面轴线的距离为184mm，其中下端分布14个小平面上端分布6个小平面，每个小平面中心处采用数控设备加工一个M2.5深度为5.5mm的螺纹孔用于安装红外反射球2小基台，两层螺纹孔的间距为60mm。红外反射球2及小基台由NDI公司提供。其布局遵循NDI独立工具设计规则。2个固定定位爪3、可动定位爪5及其滑槽、紧定螺杆6、定位销罩壳、定位销、转轴9、固定螺母8均采用不锈钢1Cr18Ni9用数控设备加工，其中2个固定定位爪3及可动定位爪5滑槽4分别采用2个M5螺钉固定在鼓状结构1下端上侧面上，紧定螺杆6为M8，其头帽外侧面可滚花。转轴9实际工作部分设为Φ15h8，与定位销罩壳7配合部分设为Φ12h8，螺纹部分M12-6H。3个定位爪厚度均为10mm，内侧面为直径为148.5mm的圆柱面。鼓状结构1侧壁及上端面内缘镂空以减重。鼓状结构1下缘上设有一个M12-6H螺纹孔用于安装转轴9。

鼓状结构1上红外反射球的详细布局如下：两层红外反射球2中心所在圆周的直径为(184+8.76)*2＝385.52mm、两个大圆周之间的距离为60mm，其中8.76为小基台高度。8个独立几何面所含红外反射球2以鼓状结构1外圆柱面中轴线为轴扇开的角度分别为16°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°。为了避免分度接近的独立几何面在空间上距离过近从而导致光学跟踪系统识别出错，将8个独立几何面进行了穿插排列以保证相邻的独立几何面扇开角度相差足够大。

上、下箍架12、上下校准模板、套筒14选用LD7-CS铝材，毛坯采用常规切削工艺加工，精加工采用数控设备。上、下箍架12上各设有1个Φ15H8的通孔用于与转轴9配合。上、下箍架12上各设有3个Φ8铆钉15孔。上、下箍架12上内凸缘厚度与内、外直径分别为3mm、260mm、268mm。上箍架13上端面设有2个45°锥坑，对称分布于Φ15H8通孔轴线两侧。

上层校准模板10厚度与直径分别设为5mm、268mm，锥孔30小径设为4mm，锥度设为45°，锥孔30共设109个，按正交方式均匀分布，行、列距均为20mm中心处锥孔30轴线与模板轴线重合。上层校准模板10边缘处沿圆周方向平均分布4个狭长槽，槽宽为4mm，槽底距离模板轴线120mm。

下层校准模板11厚度与直径分别设为5mm、268mm，边缘处沿圆周方向平均分布4个内伸脚29，脚宽为8mm，脚顶、脚底距离模板轴线分别为102mm、127mm，每个伸脚29上设有一个锥孔30，锥孔30小径设为2mm，锥度设为45°，锥孔30中心距离模板轴线121mm。

隔离套筒14内、外直径及高度分别为260mm、268mm、及30mm。

校准模板组件铆定时，上层校准模板10上狭长槽与下层校准模板11上伸脚29位置对准，上层校准模板10上每个狭长槽中间平面都通过下层校准模板11上对应伸脚29小孔的轴线。

校准模板组件一次铆钉15完毕，以后若无特殊情况无需再行拆卸。将整个校准模板组件通过上、下箍架12上的轴孔装配到固定于鼓状结构1上的转轴9上。

新校准靶用于在线校准方式。手术开始前把校准靶整体安装在匹配的C形臂影像增强器上，把校准模板组件转离X线透视区域直到弹簧定位销弹出发出咔哒声，之后，获取若干副患者解剖图像并记录获取每副图像时C形臂的姿态参数，包括旋转角和偏转角。而后，将C形臂推离手术区域，把校准模板组件朝任意一个方向旋转180°直到弹簧定位销弹出发出咔哒声，此时校准模板已位于X线透视区域，按记录下来的参数调整C形臂姿态并获取仅含标志物投影的图像。这些标志物投影图像与患者解剖图像均被传到导航系统工作站进行图像处理，其中标志物图像用于求取图像变形校正和C形臂相机校准参数，得到的变形校正参数用于对患者解剖图像进行校正，校正后的患者解剖图像被用于手术导航。

本发明校准靶用于在线校准方案，导航系统无需进行术前初始化；结构简单，采用常规工艺，材料易获得且价格适中，成本低；获取的患者解剖图像质量高；降低图像处理算法健壮性对导航系统的不良影响。

本发明所涉及的新校准靶设计及制造方案具有以下特点：新校准靶加工采用成本较低的锻造工艺和常规切削工艺取代昂贵的精铸工艺和材料包埋工艺，材料选用价格适中的铝合金及不锈钢，这些因素大大降低了制造成本；新校准靶采用标志物图像与患者解剖图像分别获取的方式取代现有校准靶采用的通过软件“减法”处理手段获取纯粹的患者解剖图像的方式，获取的患者解剖图像质量好；降低导航系统性能对图像处理算法健壮的依赖。

Claims (8)

1.一种可转离式C形臂校准靶，包括：主体框架、校准模板组件，其特征在于，主体框架上设有一个转轴(9)，校准模板组件上设有对应的轴孔(25)，主体框架和校准模板组件通过转轴(9)、轴孔(25)配合连接，装配后校准模板组件能绕转轴(9)相对于主体框架转动；

所述的主体框架，其鼓状结构(1)上缘外侧圆柱面上及下缘外侧圆柱面上按规律布置有光学定位标记物，所述的光学定位标记物为红外反射球(2)，红外反射球(2)与主体框架之间通过小基台连接；

两层红外反射球(2)形成8个独立几何面，以鼓状结构(1)外圆柱面中轴线为轴扇开的角度分别为16°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°，将8个独立几何面进行穿插排列。

2.根据权利要求1所述的可转离式C形臂校准靶，其特征是，所述的鼓状结构(1)上设有3个定位爪(3、5)，其中两个固定定位爪(3)直接设置在鼓状结构(1)下缘上侧，另一个定位爪为可动定位爪(5)，沿固定在鼓状结构(1)下缘上的径向槽(4)滑动，可动定位爪(5)的伸缩与定位通过旋在径向槽(4)底端上的紧定螺杆(6)实现，3个定位爪内侧面均为直径与C形臂影像增强器外侧壁直径一致且互相匹配的圆柱面。

3.根据权利要求1或2所述的可转离式C形臂校准靶，其特征是，所述的鼓状结构(1)下缘上设有一转轴(9)，转轴(9)与鼓状结构(1)的连接部分设有一菱形定位销罩壳(7)，定位销罩壳(7)上设有内台阶通孔用于容纳弹簧(20)与大锥度头定位销(21)，该定位销(21)用于固定校准模板组件与主体框架的相对位置。

4.根据权利要求1所述的可转离式C形臂校准靶，其特征是，所述的校准模板组件，包括两层校准模板(10、11)、用于承载校准模板(10、11)的上下两个箍架(12、13)以及用于定位与隔离两层校准模板(10、11)的套筒(14)。

5.根据权利要求4所述的可转离式C形臂校准靶，其特征是，所述的上、下箍架(12)，为两个扁平网球拍状结构，其上设有内凸缘(24)用于把持两层校准模板(10、11)，其一侧突出形成球拍柄的结构，该结构上设有通孔(25)用于与主体框架上转轴(9)配合。

6.根据权利要求5所述的可转离式C形臂校准靶，其特征是，所述的两层校准模板(10、11)，其中，上层校准模板(10)为一薄板，其上设有规格一致的第一锥孔(27)，第一锥孔(27)采用正交方式排列，上层校准模板(10)上边缘处沿圆周方向设有狭长槽(28)。

7.根据权利要求6所述的可转离式C形臂校准靶，其特征是，所述的下层校准模板(11)，其为一个圆环上沿周向平均分布的若干个内伸脚(29)，每个内伸脚(29)上都设有第二锥孔(30)，内伸脚(29)的数目与布局与上层校准模板(10)上的狭长槽(28)的数目与布局对应。

8.根据权利要求4所述的可转离式C形臂校准靶，其特征是，所述的套筒(14)，其为一个薄壁筒，用于两层校准模板(10、11)的隔离与相互位置确定。

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