CN102551724A - 一种智能激光投影定位装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能激光投影定位装置，包括手持遥控器，对系统运行进行控制；执行主机，包括XY轴运动机构、双轴运动机构、X向倾角传感器、Y向倾角传感器和主机，主机包括激光发射装置、上平面标识板和主机控制电路；显示器数字框，显示器数字框包括固定装置、X向移动单元、Y向移动单元、Y向标志棒、X向步进电机、Y向步进电机、数字框控制电路，Y向标志棒主体采用能透过X射线的材料制成，Y向标志棒头部设置有能遮挡X射线的位置标识头；校准靶，校准靶安装于C臂机接收靶上方，校准靶包括三爪卡紧装置和下平面标识板，校准靶用于系统校准；安装支架，安装支架用于连接执行主机与C臂机，本发明具有结构合理；使用效果好，能够自动快速精确定位异物或病变组织的位置。

Description

一种智能激光投影定位装置

技术领域

本发明涉及一种自动的智能激光投影定位装置，主要用于医疗手术时定位手术部位。

背景技术

现在对于医疗手术而言，很大的一个问题是如何来快速、精确定位人体内部的异物或病变组织的具体位置。如果在手术中一直靠长时间照射X光显影来定位的话，对人体损害很大。参见申请号为200910306485.6，发明名称为一种手术定位导航设备的发明专利，其存在自动化程度低，定位速度慢，精确度不够高等缺陷。

发明内容

本发明所需要解决的技术问题是克服现有技术中所存在的上述不足，而提供一种能够快速、精确定位人体内部的异物或病变组织的具体位置，增加手术安全性，提高手术准确率，同事减少辐射暴露及减少手术创伤的智能激光投影定位装置。

本发明解决上述技术问题而采用的技术方案：一种智能激光投影定位装置，其特征在于包括：

手持遥控器，其与执行主机、显示器数字框通过无线连接，手持遥控器中设置有主控程序、校准程序、执行程序和触摸光标，对系统运行进行控制；

执行主机，其包括XY轴运动机构、双轴运动机构、X向倾角传感器、 Y向倾角传感器和主机，主机包括激光发射装置、上平面标识板和主机控制电路，双轴运动机构安装在XY轴运动机构上，主机安装在双轴运动机构上，上平面标识板上设置上平面标识，上平面标识能在X射线透视图像上显示出来但激光透视时无影响；

显示器数字框，显示器数字框包括固定装置、X向移动单元、Y向移动单元、Y向标志棒、X向步进电机、Y向步进电机、数字框控制电路，显示器数字框通过固定装置安装于C臂机显示屏的上方，X向移动单元、Y向移动单元分别与X向步进电机、Y向步进电机连接，Y向标志棒主体采用透明的材料制成，Y向标志棒头部设置有肉眼能识别的位置标识头；

校准靶，校准靶安装于C臂机的接收靶上方，校准靶包括三爪卡紧装置和下平面标识板，下平面标识板上设置有肉眼可见的下平面标识物和肉眼不可见但能够通过X射线在C臂机显示屏显示出来的下平面标识；

安装支架，安装支架用于连接执行主机与C臂机，安装支架具有X向角度调节装置、Y向角度调节装置、X向位置调节装置、Y向位置调节装置。

本发明所述的手持遥控器上还设置有两个方向的遥控器倾角传感器。

本发明所述的上平面标识采用铅粉镶嵌在上平面标识板内制成。

本发明所述的下平面标识采用金属物体镶嵌在下平面标识板内制成。

本发明所述的上平面标识板采用PMMA材料制成。

本发明所述的下平面标识板采用ABS材料制成。

本发明上平面标识包括三个斜向设置的代表点的圆圈及分别标识在其中右上角圆圈边上的数字5、左下角圆圈边上的数字6， 5点是上平面标识板右上角的校准标识点，6点是上平面标识板左下角的校准标识点。

本发明所述的下平面标识物包括四个代表点或者小区域的圆圈及分别标识在该四个圆圈边上的A、B、C、D四个字母，A点是校准靶中心的校准标识点，B点是校准靶左上角的校准标识点，C点是校准靶右下角的校准标识点，D点是校准靶上X正方向上的校准标识点，上平面标识中间的圆圈所代表的点在显示器数字框显示的透视图像上与A点重合。

本发明所述的下平面标识包括四个代表点或者小区域的的圆圈及分别标识在该四个圆圈边上的1、2、3、4四个数字，1点是校准靶中心的A点在透视图像上的对应点， 2点是校准靶左上角的B点在透视图像上的对应点，3点是校准靶右下角的C点在透视图像上的对应点，4点是校准靶X正方向上的D点在透视图像上的对应点。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、结构设计合理；2、使用效果好，能够自动的快速、精确定位人体内部的异物或病变组织的具体位置，增加手术安全性，提高手术准确率，同时减少辐射暴露及减少手术创伤。

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图。

图2是本发明实施例执行主机的俯视示意图。

图3是本发明实施例显示器数字框的结构示意图。

图4是本发明实施例C臂机显示器显示的校准标识点示意图。

图5是本发明实施例上平面标识板的结构示意图。

图6是本发明实施例校准靶的结构示意图。

图7是本发明实施例执行主机与C臂机的连接示意图。

图8是本发明实施例显示器数字框的安装示意图。

图9是本发明实施例校准程序流程图。

图10是本发明实施例执行程序流程图。

具体实施方式

参见图1～图10，本发明实施例智能激光投影定位装置基于图1所示的同心圆定位原理：由于X射线在不同介质中折射率均为1，故X射线在不同介质中成直线传播，从X射线发射器发出的X射线光束呈圆锥形，可以看作是由逐渐变大的、连续的同轴圆组成，假设该圆锥形上任意三个平行的同轴圆平面上三点，如果此三点在X射线投影片上影像重叠，则此三点必然处于同一直线上，且此三点与各自圆的位置相对应（与各自圆圆心的角度相同，距离成比例），反之亦然。图1中F点为C臂机的X射线源点，G点为激光光源点，O为下平面（X射线接收靶所在平面，即本实施例校准靶中的下平面标识板31）中心点，G、G’所在面为上平面（即激光光源所在平面），J’为目标E在下平面所对应的点，H为上下平面的距离（安装后由设备测出）。C臂机中心射线FO与上平面、下平面均垂直。

通过坐标采集装置可知G、G’之间的距离d1，O、J’之间的距离d2。

∴∠J’G’J”之间的夹角θ=arctan((d2-d1)/H)。

设初始激光束为GO，GO垂直下平面。将激光光源点从G移动到G’，同时激光束绕光源点旋转θ。运动完成后激光束与射向目标E的X射线重合，即可依靠激光束的指引来确定开刀路径，激光束起到了模拟X射线进行手术导航且对人体损伤小的目的。

对于某个平面上的任意一点而言，可以分解成X向（轴）、Y向（轴）两个方向上的两个分量，通过X向（轴）、Y向（轴）的运动即可到达目标点。本实施例所述X向（轴）、Y向（轴）均指初始状态（校准后）与C臂机中心射线FO垂直的平面上的两个确定的方向，例如Y向（轴）为正北，X向（轴）为正东，C臂机中心射线FO垂直于水平面。

本发明实施例由手持遥控器、执行主机Ⅰ、显示器数字框Ⅲ、校准靶、安装支架五个部分组成：

手持遥控器：

手持遥控器是系统的中央控制设备，手持遥控器包括中央处理模块和无线收发模块，对整个系统的运行进行控制。其中无线射频部分电路全双工，实现高速无线传输，与执行主机Ⅰ、显示器数字框Ⅲ通过无线连接（自动联网）。可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，误码率极低。输出功率10dBm，理论无线传输距离达到上百米，满足本设计要求。电路由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC。

供电采用2节 3.6V锂电池，可以方便充电。内部做好电池充电电路和电池保护电路，充满自动停止，防止锂电池过充与过放。人机操作采用手持遥控器屏幕中的人机界面来完成，手持遥控器中设置有主控程序、校准程序、执行程序和触摸光标，主控程序界面（系统主界面）显示出校准程序入口（校准按钮）、执行程序入口（定位按钮），操作者可通过校准按钮、定位按钮分别进入校准程序、执行程序，再通过触摸光标选择下一步操作。手持遥控器上还设置有两个方向（X向、 Y向）的遥控器倾角传感器，可以放置在C臂机Ⅱ的接收靶上，用来校准接收靶（即下平面标识板31）与上平面标识板15保持平行，下平面标识板31也可以采用其他方式来校准与上平面标识板15的平行，例如接收靶或下平面标识板31直接安装两个方向（X向、 Y向）的倾角传感器。中央处理器采用 ATMEGA128A ，RAM 4K， EEPROM 4K， FLASH 128K，进行运算和处理。

执行主机Ⅰ：

执行主机Ⅰ主要包括XY轴运动机构、双轴运动机构12、双轴减速箱系统13、X向倾角传感器、 Y向倾角传感器和主机，主机包括激光发射装置14、上平面标识板15和主机控制电路。双轴运动机构12安装在XY轴运动机构上，主机安装在双轴运动机构12上，XY轴运动机构、双轴运动机构12、主机控制电路均可采用现有技术实现，主机控制电路与手持遥控器无线连接，主机通过四轴联动，来达到调整激光发射位置以及角度的目的。

1）XY轴运动机构包括水平面的X向（轴，下同）运动机构10、 Y向（轴，下同）运动机构11，由精密直流减速电机驱动，通过螺旋副传动，能精确执行系统指令，以完成主机在水平面X轴向（图2中的左右方向）-Y（图2中的上下方向）轴向的平面运动。

2）双轴运动机构12由高精度直流步进电机驱动，经过双轴减速箱系统13减速后其步距角极小，能精确执行系统指令，使得主机的激光束能绕双轴旋转，双轴运动机构12与XY轴运动机构对应（双轴运动机构12的两个轴分别与X轴、Y轴平行），通过与X、Y轴的联动，即四轴联动，最终达到目标导航的目的。

3）双轴减速箱系统13为三级减速系统，附带消回差装置。该系统可采用现有技术实现，能有效提高系统精度。

4）激光发射装置14采用红外线激光发射器，具有650nm,5mw的十字激光头，具有焦距可调特点，能精确、清楚的指向目标。

5）上平面标识板15内设置上平面标识151，上平面标识151采用金属材料制成（特例为在透明的PMMA材料中嵌入铅粉），上平面标识151包括三个斜向（倾斜45°，参见图5）设置的代表点（小区域）的圆圈及分别标识在其中右上角圆圈边上的数字5、左下角圆圈边上的数字6，即5点代表上平面标识板15右上角的校准标识点，6点代表上平面标识板15左下角的校准标识点，这三个上平面标识151在显示器数字框Ⅲ显示的透视图像上即为右上角的圆圈及其边上的数字5、左下角的圆圈及其边上的数字6以及中间的圆圈（当系统校准后上平面标识151中间的这个圆圈与下平面标识312中间的那个圆圈重合，下平面标识312中间的那个圆圈边上的数字1也显示在其边上），上平面标识151能在X射线透视图像上显示出来但激光透视时无影响（即上平面标识151当X射线照射时显示在显示屏51上但激光照射时显示屏51基本不显示，因为上平面标识151线条细，对激光照射基本无影响或遮挡）的特点，为系统校准提供参考标识点。

显示器数字框Ⅲ：

显示器数字框Ⅲ是一个专门精心设计的坐标采集的装置，安装于C臂机Ⅱ显示屏51的上方，无线控制。基本功能是采集标识点的坐标与当前想要到达的位置点（手术中的开刀点直到体内靶点(小区域，下同)的坐标，有安装方便，通用性强，精度高，对图像无遮挡的特点。

    显示器数字框Ⅲ主要由固定装置21、X向（轴）移动单元22、Y向（轴）移动单元23、Y向标志棒24、X向步进电机、Y向步进电机、数字框控制电路、数字框电源、外壳25构成。手持遥控器与数字框控制电路无线连接，数字框控制电路可采用现有技术实现。显示器数字框Ⅲ的 X轴、Y轴（显示器数字框Ⅲ初始位置与XY轴运动机构的初始位置对应，均为原点（0,0））通过步进电机带动。Y向标志棒24主体采用透明（对光线基本无遮挡或透明即可）的材料制成，特例是水晶，Y向标志棒24头部设置有能被肉眼识别的十字位置标识头241。显示器数字框Ⅲ接收到手持遥控器的遥控信号时，数字框控制电路控制X向步进电机、Y向步进电机工作，带动位置标识头241分别沿X向、Y向移动，记录X向步进电机、Y向步进电机的转动方向DIR、步进脉冲STEP的数据，即可得到Y向标志棒24坐标值。显示器数字框Ⅲ的X、Y轴的移动速度分快速与慢速，快速移动X、Y轴到大致的位置后，改为慢速精确移动到目标点。

校准靶：

校准靶是专门为系统校准而设计的装置，安装于C臂机Ⅱ的接收靶（与下平面标识板31位于同一平面）上方。校准靶包括三爪卡紧装置和下平面标识板31。下平面标识板31上安装有肉眼可见的下平面标识物311和肉眼不可见（本实施例下平面标识312安装在下平面标识板31内）但能够通过X射线在C臂机Ⅱ显示屏51显示出来的下平面标识312（参见图4）。下平面标识物311包括四个代表点（小区域）的圆圈及分别标识在该四个圆圈边上的A、B、C、D四个字母，肉眼可见且不遮挡X射线或激光，其中，A点是校准靶中心的校准标识点；B点是校准靶左上角的校准标识点；C点是校准靶右下角的校准标识点；D点是校准靶上X正方向上的校准标识点。下平面标识312包括四个代表点（小区域）的圆圈及分别标识在该四个圆圈边上的1、2、3、4四个数字，由金属物体镶嵌在ABS板上制成，其中1点是校准靶中心的校准标识点A在透视（X射线，下同）图像上的对应点； 2点是校准靶左上角的校准标识点B在透视图像上的对应点；3点是校准靶右下角的校准标识点C在透视图像上的对应点；4点是校准靶X正方向上的校准标识点D在透视图像上的对应点。下平面标识物311中的四个圆圈及其边上标注的A、B、C、D四个字母分别与下平面标识312中的四个圆圈及其边上标注的1、2、3、4四个数字对应，但由于下平面标识物311中的四个圆圈及其边上标注的A、B、C、D四个字母在透视图像上没有显示，故在显示器数字框Ⅲ上显示的透视图像上的相应位置只有1、2、3、4四个数字。对应三爪卡紧装置具体安装定位功能，三爪能同步径向移动，有效保证了校准靶与C臂机Ⅱ的接收靶的同心性。三爪卡紧装置可采用现有技术实现。

安装支架：

安装支架用于连接执行主机Ⅰ与C臂机Ⅱ。安装支架具有X向（轴）角度调节装置41、Y向（轴）角度调节装置42、X向位置调节装置43、Y向位置调节装置44，具有四个自由度的微调功能，参照执行主机Ⅰ的X向倾角传感器、 Y向倾角传感器读数（显示在手持遥控器上），通过旋钮手工调节X向角度调节装置41、Y向角度调节装置42，以保证安装在C臂机Ⅱ发射端的执行主机Ⅰ中的上平面标识板15与下平面标识板31平行；参照C臂机Ⅱ显示屏51显示的校准标识点（图4），通过X向位置调节装置43、Y向位置调节装置44调整执行主机Ⅰ的上平面标识板15与校准靶的下平面标识板31同心（即图1的FGO为直线且与上平面标识板15、下平面标识板31垂直）。支架采用燕尾形滑轨，具有体积小、能承受较大倾覆力矩的特点。调节采用了螺旋副和蜗轮蜗杆副等减速装置，具有减速、省力的优点，达到了微调的效果。

本发明采用X光片坐标化，使执行主机Ⅰ上平面和接收靶（下平面标识板31）下平面和X光片坐标化的平面相互联动。校准靶上的A、B、C、D四个点和显示器数字框Ⅲ上显示的1、2、3、4、5、6六个点分别用于系统校准。其中，A点是校准靶中心的校准标识点；B点是校准靶左上角的校准标识点；C点是校准靶右下角的校准标识点；D点是校准靶上X正方向上的校准标识点。1点是校准靶中心的校准标识点A在透视（X射线，下同）图像上的对应点； 2点是校准靶左上角的校准标识点B在透视图像上的对应点；3点是校准靶右下角的校准标识点C在透视图像上的对应点；4点是校准靶X正方向上的校准标识点D在透视图像上的对应点；5点是执行主机Ⅰ上平面标识板15右上角的校准标识点在透视图像上的对应点；6点是执行主机Ⅰ上平面标识板15左下角的校准标识点在透视图像上的对应点。

E=体内靶点(目标)，即医生在手术中需要在人体内找到的点，也就是本发明需要定位出的点，比如异物摘除手术中需要找到的异物。

E’=体内靶点E被C臂机Ⅱ发出的X光显影而显示在C臂机Ⅱ显示屏51上的点（体内靶点E在透视图像上的对应点）。

使用方法：

1、安装、启动、校准

安装：（1）通过安装支架将执行主机Ⅰ装在C臂机Ⅱ的发射端；

     （2）将校准靶安装在C臂机Ⅱ的接收靶上方，并卡紧；

（3）调整执行主机Ⅰ至上平面标识板15与接收靶（下平面标识板31）下平面平行；

（4）调整执行主机Ⅰ的上平面标识板15与校准靶的下平面标识板31同心；

     （5）将显示器数字框Ⅲ安装在C臂机Ⅱ显示屏51上方。

启动：

   分别打开执行主机Ⅰ、显示器数字框Ⅲ、手持遥控器的电源开关后，系统进入初始状态 

校准：

（1）点击系统主界面的校准按钮后进入校准界面；

（2）通过触摸光标来控制光线移动，将激光照射点移动至A点（即调整至初始激光束GO位置，通常安装好后不用调整）后点击下一步，进入下一个校准界面，然后依次对D、B、C点进行校准（即采集D、B、C三个点的坐标数据），同时重新采集透视图像；

（3）通过触摸光标来控制Y向标志棒24移动，将位置标识头241移动至1点后点击下一步，进入下一个校准界面，依次校准4、5、2、6、3点后点击返回（即采集4、2、3、5、6五个点的坐标数据），此时可根据上平面标识板15两个标识点的坐标数据与透视图像上对应的5、6的坐标数据（通过X向移动单元22、Y向移动单元23移动的位置数据计算得到，下同）计算得到上平面标识点坐标与透视图像上对应点坐标的比值K1；根据D、B、C三个点的坐标数据与透视图像上对应的4、2、3的坐标数据计算得到下平面标识点坐标与透视图像上对应点坐标的比值K2，即建立系统模型，操作界面返回至系统主界面，系统校准完成。

2、使用

点击定位按钮后进入如下定位界面：

通过触摸光标来控制Y向标志棒24移动，将位置标识头241移动至透视图像上的目标点E’后点击导航，手持遥控器中的MCU就根据系统模型进行计算，得到目标在上、下平面的相应坐标值，即计算出d1、d2值，然后执行主机Ⅰ执行运算结果，自动将激光点对准病灶点E，即系统定位成功，医生可依靠激光束的指引来确定开刀路径。

凡是本发明的简单变形或等效变换，应认为落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种智能激光投影定位装置，其特征在于包括：

手持遥控器，其与执行主机、显示器数字框通过无线连接，手持遥控器中设置有主控程序、校准程序、执行程序和触摸光标，对系统运行进行控制；

执行主机，其包括XY轴运动机构、双轴运动机构、X向倾角传感器、 Y向倾角传感器和主机，主机包括激光发射装置、上平面标识板和主机控制电路，双轴运动机构安装在XY轴运动机构上，主机安装在双轴运动机构上，上平面标识板上设置上平面标识，上平面标识能在X射线透视图像上显示出来但激光透视时无影响；

显示器数字框，显示器数字框包括固定装置、X向移动单元、Y向移动单元、Y向标志棒、X向步进电机、Y向步进电机、数字框控制电路，显示器数字框通过固定装置安装于C臂机显示屏的上方，X向移动单元、Y向移动单元分别与X向步进电机、Y向步进电机连接，Y向标志棒主体采用透明的材料制成，Y向标志棒头部设置有肉眼能识别的位置标识头；

校准靶，校准靶安装于C臂机的接收靶上方，校准靶包括三爪卡紧装置和下平面标识板，下平面标识板上设置有肉眼可见的下平面标识物和肉眼不可见但能够通过X射线在C臂机显示屏显示出来的下平面标识；

安装支架，安装支架用于连接执行主机与C臂机，安装支架具有X向角度调节装置、Y向角度调节装置、X向位置调节装置、Y向位置调节装置。

2.根据权利要求1所述的智能激光投影定位装置，其特征是：手持遥控器上还设置有两个方向的遥控器倾角传感器。

3.根据权利要求1所述的智能激光投影定位装置，其特征是：所述的上平面标识采用铅粉镶嵌在上平面标识板内制成。

4.根据权利要求1所述的智能激光投影定位装置，其特征是：所述的下平面标识采用金属物体镶嵌在下平面标识板内制成。

5.根据权利要求1或3所述的智能激光投影定位装置，其特征是：所述的上平面标识板采用PMMA材料制成。

6.根据权利要求1或者4所述的智能激光投影定位装置，其特征是：所述的下平面标识板采用ABS材料制成。

7.根据权利要求1所述的智能激光投影定位装置，其特征是：上平面标识包括三个斜向设置的代表点的圆圈及分别标识在其中右上角圆圈边上的数字5、左下角圆圈边上的数字6， 5点是上平面标识板右上角的校准标识点，6点是上平面标识板左下角的校准标识点。

8.根据权利要求7所述的智能激光投影定位装置，其特征是：所述的下平面标识物包括四个代表点或者小区域的圆圈及分别标识在该四个圆圈边上的A、B、C、D四个字母，A点是校准靶中心的校准标识点，B点是校准靶左上角的校准标识点，C点是校准靶右下角的校准标识点，D点是校准靶上X正方向上的校准标识点，上平面标识中间的圆圈所代表的点在显示器数字框显示的透视图像上与A点重合。

9.根据权利要求8所述的智能激光投影定位装置，其特征是：所述的下平面标识包括四个代表点或者小区域的的圆圈及分别标识在该四个圆圈边上的1、2、3、4四个数字，1点是校准靶中心的A点在透视图像上的对应点， 2点是校准靶左上角的B点在透视图像上的对应点，3点是校准靶右下角的C点在透视图像上的对应点，4点是校准靶X正方向上的D点在透视图像上的对应点。

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