CN102727232B - 外科手术导航系统定位精度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外科手术导航系统定位精度检测装置，其主体是一个可密封的圆柱体，包括：底座，包括基座、外罩和数根有机玻璃棒；该基座位于底座的底面，该基座上设有数根长短不一的有机玻璃棒；该外罩位于底座的侧面，该外罩粘结在基座上，该外罩上设有数根长度一致的有机玻璃棒；可拆卸的上盖，包括密封盖、连接螺栓和注水孔螺丝；密封盖中心设有一根用于拧紧上盖的连接螺栓，其旁边设有用于注水的注水孔螺丝；该上盖与底座接触固定；可拆卸的头模，该头模固定于底座的基座上和底座的外罩内。此外，本发明还公开了该装置的检测方法。本发明既能检测点配准也能同时检测面配准精度，使检测精度更高、更真实。

Description

外科手术导航系统定位精度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及外科手术导航系统，具体涉及一种外科手术导航系统的定位精度检测装置，尤其是基于断层影像的外科手术导航系统定位精度检测装置。此外，本发明还涉及该外科手术导航系统定位精度检测装置的检测方法。

背景技术

长期以来虽然有CT、MRI等先进的影像学诊断设备和技术，但外科医生在术中定位和寻找病灶却仍较困难，病灶切除的程度主要依赖于外科医生的主观判断和个人经验。手术导航技术来源于立体定向神经外科，将医学影像诊断技术、空间定位技术、三维图像处理技术和高性能计算机结合起来，又称无框架立体定向外科或影像导航外科。

外科手术导航最初应用于神经外科，并逐步扩展到耳鼻喉科、脊柱外科、膝髋关节和创伤等领域。导航技术在临床上的应用是在传统外科手术理念上的巨大进步，明显提高了手术精度、减小了手术创伤，增加了手术的安全性。导航系统已成为微创外科的重要组成部分，作为一种先进的微侵袭设备，可降低医生手术的难度和强度，使手术更加安全。导航系统的基本原理基于空间定位技术和配准技术。目前手术导航系统基本采用两种空间定位技术：电磁定位技术和红外线光学定位技术。电磁定位适用于导管类等软性手术器械的跟踪，由于精度不理想及需要特殊的手术工具，除心内科之外的神经外科、骨科、耳鼻喉科等手术基本采用红外线光学定位技术。光学导航系统主要包括：高性能计算机、红外线空间定位装置、导航软件、手术工具、解剖结构定位参考架等。红外线定位装置通过追踪安装于手术工具和解剖结构定位参考架上的红外线发射源或反射源确定手术工具和患者的实际位置。

手术导航系统的关键性能指标是定位精确度。手术过程中的定位误差主要分为两部分，一是系统本身的定位误差，包括手术工具机械加工误差、反光球尺寸的微小差别、定位跟踪仪定位误差、影像处理导致的误差、配准误差等。二是手术过程中参考架松动、组织移位造成的误差。第一部分的误差是反映导航系统总体性能指标的误差，反映了一个导航系统的总体定位精度。而第二部分误差影响因素更为复杂，属于不可控误差，与操作者的熟练程度、甚至手术类型、手术部位等有关。

因此，反应手术导航系统性能水平的，是第一类误差，称为配准精确度。配准是通过坐标系的空间变换将患者术前的断层影像数据与患者实体之间达到空间上一致的过程，使影像数据与实际患者的解剖点一一对应。配准的精度是提高手术导航精确度的主要因素。目前，手术导航系统术中采用的配准方法分为点配准和面配准两种。点配准是在术中点取患者身上若干影像上可分辨的标记点，通过这些标记点的一一对应求出影像坐标系和患者坐标系的变换关系。面配准是在患者身上连续点取一个点云，通过点云和患者影像形状上的匹配求出影像坐标系和患者坐标系之间的变换关系。

随着手术导航技术的发展，伴生的手术导航精度的检测技术也在持续改进，国际上所有的手术导航系统生产厂商都有自己的手术导航精度检测方法，导致市面上众多的手术导航系统的精度参数都由厂商自己给出，而没有一个标准来检测和衡量，使广大的使用者不知道这个精度是如何得出，在使用中存在隐患。

另外，一个制约手术导航精度检测技术标准化的因素是：对于基于断层影像的手术导航系统来说，采用的配准方式主要是点配准和面配准。目前还没有一个可同时检测点配准和面配准精确度的检测装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种外科手术导航系统定位精度检测装置，该装置既能检测点配准也能同时检测面配准精度，使检测精度更高、更真实。为此，本发明还提供该外科手术导航系统定位精度检测装置的检测方法。

为了解决本发明的技术问题，本发明提供了一种外科手术导航系统定位精度检测装置，其主体是一个可密封的圆柱体，包括：

底座，包括基座、外罩和数根有机玻璃棒；该基座位于底座的底面，该基座上设有数根长短不一的有机玻璃棒；该外罩位于底座的侧面，该外罩粘结在基座上，该外罩上设有数根长度一致的有机玻璃棒；

可拆卸的上盖，包括密封盖、连接螺栓和注水孔螺丝；密封盖中心设有一根用于拧紧上盖的连接螺栓，其旁边设有用于注水的注水孔螺丝；该上盖与底座接触固定；

可拆卸的头模，该头模固定于底座的基座上和底座的外罩内。

所述基座由不透明的尼龙材料制成，该基座上设有32个直径一定的孔，将数根长短不一的有机玻璃棒随机插入这些孔内；在基座上设的有机玻璃棒的底端固定于基座上，顶端设一个小的凹坑，这些凹坑是用于检测的靶点；在基座上设的有机玻璃棒的长短分布为随机分布，但较长的有机玻璃棒分布比较靠中心，较短的有机玻璃棒分布比较靠外圈，其中取3根较长的有机玻璃棒，在其上打孔。

所述基座上设的有机玻璃棒的长短范围在12mm～62mm，该有机玻璃棒随机插入32个孔内，插入深度为10mm；所述取3根较长的有机玻璃棒，其长度分别为58mm、60mm、62mm，在其上打孔的直径为4mm、深度为25mm，与有机玻璃棒中轴线的角度为15度，打孔后孔底尖点与有机玻璃棒顶端距离为37mm，在将这些有机玻璃棒固定好后，便可以通过测量得知这3个孔的尖点位置和轴线的方向，从而通过这3个孔来检测轴线的精度。

所述外罩由透明有机玻璃制成；在外罩上设有10根有机玻璃棒，其底端固定于外罩上，其顶端设一个小的凹坑，这些凹坑是用于检测的靶点；在外罩上设的有机玻璃棒的长度比在基座上设的有机玻璃棒更短，且在外罩上设的有机玻璃棒的位置是随机分布的。

所述外罩上设的有机玻璃棒的长度为10mm。

所述密封盖由透明有机玻璃板制成，上面设有2个孔，其中一个孔位于密封盖的中心，用于穿设连接螺栓；另一个孔是注水孔，位于中心孔的旁边；该连接螺栓从中心孔内穿出，在连接螺栓的上部有一小孔，将密封圈套入后，将把手装在连接螺栓上，再用销固定；该注水孔上设有注水孔螺丝，该注水孔螺丝上套上密封圈，再拧到密封盖上；在密封盖上粘接密封圈，再将上盖的密封盖与底座的外罩接触固定。

所述基座中心设一与上盖的连接螺栓配合固定的螺纹孔。

所述头模上设有几个孔以便液体能够流入头模并灌满头模的内部空间；在头模的下方设有2个用于固定的连接块，使头模能够固定在底座的相应位置。

此外，本发明还提供一种外科手术导航系统定位精度检测装置的精度检测方法，包括如下步骤：

(1)在CT扫描的情况下，在CT扫描前，在检测装置的上盖和底座的外罩上随机的贴10～15个标记点，然后等待扫描；在MRI扫描的情况下，在MRI扫描前，将检测装置的注水孔螺丝拧下，往检测装置中灌满水，之后将注水孔螺丝重新拧紧，在上盖和底座的外罩上随机的贴10～15个标记点，然后等待扫描；

(2)将检测装置横放，进行断层影像扫描(CT扫描或MRI扫描)，断层影像扫描结束后将检测装置中的水抽出；

(3)将断层影像扫描得到的数据，输入电脑，利用三维重建软件将断层影像数据重建成三维模型；

(4)数据重建好后，将该三维数据导入导航软件中，开始进行点配准和面配准；

(5)配准完成后，将上盖、头模都取下，开始进行精度检测：在42个靶点中选取一个靶点P，用探针针尖点在该靶点P凹坑内，这时，在导航界面的三个视图(分别表示空间的三个方向)上就会出现利用十字坐标表示的探针针尖的位置P’，在导航界面上分别测量这三个视图中P点与P’点之间的距离，即可计算出P点与P’点的空间距离，这个距离值也就是系统对P’点的定位误差；用上述方法，逐一测量体模中42个空间定位点的定位误差；

(6)统计学分析数据分布的正态性检验采用均方根法，计算42个已测量点的误差的均方根，得到利用该模型检测出的导航系统的整体精度。

在步骤(4)中，所述点配准具体为：利用探针，手握探针手柄，当探针的针尖点在任一标记点的中心时，标记点和探针上安装的反光球都能被红外线空间定位装置识别，所以在计算机中也能够看到这一标记点中心和探针针尖的位置，如果它们的位置不在一起，则利用导航软件将这2个位置补偿到一起，按照以上相同的操作，取5个左右标记点，直至将三维模型和实际模型在导航软件中配准为止；所述面配准具体为：取下上盖，利用探针，在检测装置的头模上连续的选取一组点云，该点云形成的曲面形状和三维模型中该区域的模型形状是一致的，将两者配准，即可将三维模型和实际模型在导航软件中配准。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果：目前已有精度检测装置只能检测点配准精度或面配准精度，本发明装置既能检测点配准也能检测面配准精度，其能使广大使用者能够知道手术导航系统的精度是如何得出，以便在使用中规避不必要的风险；使手术导航精度检测模型能够适应现有的手术情况；使手术导航精度检测模型能够更加真实的反应手术情况。该检测装置结构简单，易于加工；尺寸参数在加工后测量获得，再对计算机中的模型进行补偿，避免了模型加工过程中产生的误差，使检测精度更高、更真实；能够适用于CT和MRI两种影像学诊断技术，能够适应点配准和面配准两种配准方式，使该装置适用的范围更广泛，能够代表的手术类型更丰富。

附图说明

图1是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置的立体结构示意图；

图2是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置中底座的结构示意图；

图3是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置中上盖的结构示意图；

图4是是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置中头模的结构示意图；

图5是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置在使用中，配准的取点实施例示意图；

图6是本发明外科手术导航系统定位精度检测装置在使用中探针的结构示意图。

图中附图标记说明：

1是底座，2是上盖，3是头模，4是基座，5、6是有机玻璃棒，7是外罩，8是把手，9是密封盖，10是密封圈，11是连接螺栓，12是注水孔螺丝，13是销，14是密封圈，15是连接块，16是孔，21是探针手柄，22是探针针尖，23是反光球。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明的外科手术导航系统定位精度检测装置，其结构如图1所示，其主体是一个可密封的圆柱体，由底座1，可拆卸的上盖2，可拆卸的头模3组成。

如图2所示，底座1由基座4、外罩7、有机玻璃棒5和有机玻璃棒6组成。基座4位于底座1的底面，其由不透明的尼龙材料制成，在基座4上挖32个直径一定的孔，用于装配32根作为靶点的有机玻璃棒；在基座4中心挖一个直径与连接螺栓11一样的螺纹孔，当装配上盖2时，用连接螺栓11拧入该螺纹孔，拧紧，将上盖2固定。将32根长短范围在12mm～62mm的有机玻璃棒5，随机插入这32个孔内，插入10mm，该32根长短不一的有机玻璃棒5底端固定于基座4上，顶端做一个小的凹坑，这些凹坑就是用于检测的靶点。该32根长短不一的有机玻璃棒5的长短分布为随机分布，但较长的棒分布比较靠中心，较短的棒分布比较靠外圈，其中取3根长度分别为58mm、60mm、62mm的有机玻璃棒，在其上打孔，打孔的直径为4mm、深度为25mm，与玻璃棒中轴线的角度为15度，打孔后孔底尖点与玻璃棒顶端距离为37mm，在将这些有机玻璃棒固定好后，便可以通过测量得知这3个孔的尖点位置和轴线的方向，就可以通过这3个孔来检测轴线的精度。将由透明有机玻璃制成的外罩7粘结在基座4上(外罩7位于底座1的侧面)，将短的长度为10mm的10根有机玻璃棒6按随机位置粘在外罩7上。10根有机玻璃棒6的底端固定于外罩7上，顶端做一个小的凹坑，这些凹坑就是用于检测的靶点。因为这些有机玻璃棒5和有机玻璃棒6的分布是随机的，且考虑到加工中存在误差，所以，在模型完成后，会利用高精度的现代化的测量方式(三坐标测量仪等)对用于检测的靶点空间位置进行测量，而后输入计算机，使计算机内的模型和实际模型一致。

如图3所示，上盖2由密封盖9、连接螺栓11、注水孔螺丝12等组成。密封盖9由透明有机玻璃板制成，上面打2个孔(其中一个孔位于密封盖9的中心，用于穿设连接螺栓11；另一个孔是注水孔，位于中心孔的旁边)，用于拧紧上盖2的连接螺栓11从中心的孔内穿出，在连接螺栓11的上部有一小孔，将密封圈14套入后，将把手8装在连接螺栓11上，再用销13固定；位于中心孔旁边的注水孔上设有注水孔螺丝12，该注水孔螺丝12上套上密封圈14，再拧到密封盖9上；最后在密封盖9上粘接密封圈10，即将上盖2下方与下面底座1接触的部位(底座1的外罩7)也用密封圈将其密封。

如图4所示，头模3固定在底座1的位置为一定的，头模3由快速原型加工而成，加工前在头模3上开几个孔16以便液体能够流入头模3灌满头模3的内部空间。加工完后在头模3的下方粘接2个用于固定的连接块15，使头模3能够固定在底座1的相应位置。

如图1所示，将可拆卸的头模3装在底座1上，再将上盖2盖上，将连接螺栓11拧紧，整个装置就装配完成。

装配完成后，开始进行精度测试，包括如下步骤：

1.在CT扫描的情况下，在CT扫描前，在上盖2和底座1的外罩7上随机的贴10～15个标记点(marker)，然后等待扫描；在MRI扫描的情况下，在MRI扫描前，将注水孔螺丝12拧下，往本发明检测装置(下面简称模型)中灌满水，之后将注水孔螺丝12重新拧紧，在模型上盖2和底座1的外罩7上随机的贴10～15个标记点(marker)，然后等待扫描；

2.然后将模型横放(如图5所示)，进行断层影像扫描(CT扫描或MRI扫描)，断层影像扫描结束后将模型中的水抽出；

3.将断层影像扫描得到的数据，输入电脑，利用三维重建软件将断层影像数据重建成三维模型；

4.数据重建好后，将该三维数据导入导航软件中，开始进行配准，配准方法有2种：点配准和面配准。

1)点配准：如图6所示，利用探针，手握探针手柄21，当探针针尖22点在任一标记点的中心时，标记点和探针上安装的反光球23都能被红外线空间定位装置识别，所以在计算机中也能够看到这一标记点中心和探针针尖22的位置，如果它们的位置不在一起，则利用导航软件将这2个位置补偿到一起，按照以上相同的操作，取5个左右标记点，直至将三维模型和实际模型在导航软件中配准为止。

2)面配准：取下上盖2，利用探针，在模型的头模3上连续的选取一组点云，该点云形成的曲面形状和三维模型中该区域的模型形状是一致的，将两者配准，即可将三维模型和实际模型在导航软件中配准。

5.配准完成后，将上盖2、头模3都取下，开始进行精度检测：在42个靶点中选取一个靶点P，用探针针尖22点在该靶点P凹坑内，这时，在导航界面的三个视图(分别表示空间的三个方向)上就会出现利用十字坐标表示的探针针尖22的位置P’，在导航界面上分别测量这三个视图中P点与P’点之间的距离，即可计算出P点与P’点的空间距离，理论上这两个点完全对应，距离应该为0。但实际应用中，由于系统的定位存在一定偏差，所以这个距离可能不为0，而这个距离值也就是系统对P’点的定位误差。用上述方法，逐一测量体模中42个空间定位点的定位误差。

6.统计学分析数据分布的正态性检验采用均方根法，计算42个已测量点的误差的均方根，得到利用该模型检测出的导航系统的整体精度。

Claims (8)

1.一种外科手术导航系统定位精度检测装置，其特征在于，其主体是一个可密封的圆柱体，包括：

底座，包括基座、外罩和数根有机玻璃棒；该基座位于底座的底面，该基座上设有数根长短不一的有机玻璃棒；该外罩位于底座的侧面，该外罩粘结在基座上，该外罩上设有数根长度一致的有机玻璃棒；

可拆卸的上盖，包括密封盖、连接螺栓和注水孔螺丝；密封盖中心设有一根用于拧紧上盖的连接螺栓，其旁边设有用于注水的注水孔,该注水孔上设有注水孔螺丝；该上盖与底座接触固定；

可拆卸的头模，该头模固定于底座的基座上和底座的外罩内；

所述基座由不透明的尼龙材料制成，该基座上设有32个直径一定的孔，将数根长短不一的有机玻璃棒随机插入这些孔内；在基座上设的有机玻璃棒的底端固定于基座上，顶端设一个小的凹坑，这些凹坑是用于检测的靶点；在基座上设的有机玻璃棒的长短分布为随机分布，但较长的有机玻璃棒分布比较靠中心，较短的有机玻璃棒分布比较靠外圈，其中取3根较长的有机玻璃棒，在其上打孔；

所述基座上设的有机玻璃棒的长短范围在12mm～62mm，该有机玻璃棒随机插入32个孔内，插入深度为10mm；所述取3根较长的有机玻璃棒，其长度分别为58mm、60mm、62mm，在其上打孔的直径为4mm、深度为25mm，与有机玻璃棒中轴线的角度为15度，打孔后孔底尖点与有机玻璃棒顶端距离为37mm，在将这些有机玻璃棒固定好后，便可以通过测量得知这3个孔的尖点位置和轴线的方向，从而通过这3个孔来检测轴线的精度。

2.如权利要求1所述的外科手术导航系统定位精度检测装置，其特征在于，所述外罩由透明有机玻璃制成；在外罩上设有10根有机玻璃棒，其底端固定于外罩上，其顶端设一个小的凹坑，这些凹坑是用于检测的靶点；在外罩上设的有机玻璃棒的长度比在基座上设的有机玻璃棒更短，且在外罩上设的有机玻璃棒的位置是随机分布的。

3.如权利要求1或2所述的外科手术导航系统定位精度检测装置，其特征在于，所述外罩上设的有机玻璃棒的长度为10mm。

4.如权利要求1所述的外科手术导航系统定位精度检测装置，其特征在于，所述密封盖由透明有机玻璃板制成，上面设有2个孔，其中一个孔位于密封盖的中心，用于穿设连接螺栓；另一个孔是注水孔，位于中心孔的旁边；该连接螺栓从中心孔内穿出，在连接螺栓的上部有一小孔，将密封圈套入后，将把手装在连接螺栓上，再用销固定；该注水孔上设有注水孔螺丝，该注水孔螺丝上套上密封圈，再拧到密封盖上；在密封盖上粘接密封圈，再将上盖的密封盖与底座的外罩接触固定。

5.如权利要求1所述的外科手术导航系统定位精度检测装置，其特征在于，所述基座中心设一与上盖的连接螺栓配合固定的螺纹孔。

6.如权利要求1所述的外科手术导航系统定位精度检测装置，其特征在于，所述头模上设有几个孔以便液体能够流入头模并灌满头模的内部空间；在头模的下方设有2个用于固定的连接块，使头模能够固定在底座的相应位置。

7.一种外科手术导航系统定位精度检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在CT扫描的情况下，在CT扫描前，在权利要求1-6任一项所述的检测装置的上盖和底座的外罩上随机的贴10～15个标记点，然后等待扫描；在MRI扫描的情况下，在MRI扫描前，将权利要求1-8任一项所述的检测装置的注水孔螺丝拧下，往检测装置中灌满水，之后将注水孔螺丝重新拧紧，在上盖和底座的外罩上随机的贴10～15个标记点，然后等待扫描；

（2）将检测装置横放，进行断层影像扫描，断层影像扫描结束后将检测装置中的水抽出；

（3）将断层影像扫描得到的数据，输入电脑，利用三维重建软件将断层影像数据重建成三维模型；

（4）数据重建好后，将该三维数据导入导航软件中，开始进行点配准和面配准；

（5）配准完成后，将上盖、头模都取下，开始进行精度检测：在42个靶点中选取一个靶点P，用探针针尖点在该靶点P凹坑内，这时，在导航界面的三个视图上就会出现利用十字坐标表示的探针针尖的位置P’,在导航界面上分别测量这三个视图中P点与P’点之间的距离，即可计算出P点与P’点的空间距离，这个距离值也就是系统对P’点的定位误差；用上述方法，逐一测量体模中42个靶点的定位误差；

（6）统计学分析数据分布的正态性检验采用均方根法，计算42个已测量点的误差的均方根，得到利用该模型检测出的导航系统的整体精度。

8.如权利要求7所述的外科手术导航系统定位精度检测装置的检测方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述点配准具体为：利用探针，手握探针手柄，当探针的针尖点在任一标记点的中心时，标记点和探针上安装的反光球都能被红外线空间定位装置识别，所以在计算机中也能够看到这一标记点中心和探针针尖的位置，如果它们的位置不在一起，则利用导航软件将这2个位置补偿到一起，按照以上相同的操作，取5个左右标记点，直至将三维模型和实际模型在导航软件中配准为止；所述面配准具体为：取下上盖，利用探针，在检测装置的头模上连续的选取一组点云，该点云形成的曲面形状和三维模型中该区域的模型形状是一致的，将两者配准，即可将三维模型和实际模型在导航软件中配准。

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