CN103519902A - 无创式实时手术定位导航设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无创式实时手术定位导航设备。其特征在于包括激光定位驱动装置、工作服务器、数字信号分流装置和显示器，激光定位驱动装置与工作服务器之间通过无线方式连接，工作服务器、数字信号分流装置和显示器之间电连接。与目前的手术定位导航设备比较，本发明具有以下优点:1.实现自动校准、傻瓜式操作；2.人机界面清晰，支持多角度观察透视图像；3.应用范围广，可适应所有应用液晶屏的的C臂机；4.术中定位速度快，在30秒内；误差小，总体误差1mm内。

Description

无创式实时手术定位导航设备

技术领域

本发明涉及一种无创式实时手术定位导航设备。

背景技术

骨外科传统手术方式切口大，出血多，术中对机体破坏大，术后有一定几率引起严重并发症，并遗留难看的皮肤疤痕，这些非疾病本身造成的机体损伤统称为医源性损伤。近年来，医学界提出并开始积极实施微创治疗，即用最小的医源性创伤达到最大的治疗效果。

微创治疗基于外科方法学的改进和创新，具有创伤小、恢复快、痛苦少等优点，但开展微创治疗需要一定的设备支撑。“体外定位”是骨科微创手术的关键技术之一，又称“经皮定位（Percutaneous）”，指在不切开皮肤的情况下确定体内病灶或标志点位置。

利用“X射线”进行“体外定位”是骨科临床常用方法，但现有X射线设备，包括CR、DR、CT以及术中C臂X光机所产生的透视影像均存在一定比例的放大，受病人个体差异、X射线投照角度等多因素影响，放大率呈变量且难以精确测定，因此仅依靠现有X射线设备进行“体外定位”误差较大，影响了微创手术的安全性。

目前临床上应用的“体外定位方法”很多，最简单的是一般情况下，手术医生在皮肤上放置钢针等标志物，利用术中C臂X光机透视，进行体内目标的初步定位错误率较高，医患辐射暴露量大，增加了手术难度和风险。先进的如计算机辅助三维手术定位导航技术，虽然准确性较高，但这类技术实时性差、费用昂贵、操作复杂，在普通手术中应用成本过高，普通医院也无能力购置。其他还有如金属网定位法、三维导向器、四角激光定位法等，均有明显缺陷，很少用于临床。

我们在“手术定位导航领域”研究多年，曾申请了多项专利，其中申请号为201210385980.2，名称为一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备的发明专利，虽然操作简单、定位准确，但由于该设备中包含有机械遥控式的图像数字化框和简易的激光发射装置以及图像只进行简单的线性处理，至少存在以下缺陷：1.由于某些型号的 C臂X光机的显示器上方有保护架，导致图像数字化框无法安装；2.图像数字化框的透明方棒存在一定厚度，且方棒与屏幕表面存在一定间隙，从而使得操作者必须要在方棒十字心的正前方操作，操作难度较大且容易产生人为误差；3.该发明中的图像数字化框是机械遥控式的，需要操作者通过手持遥控器来手动控制图像数字化框，所以该发明无法实现自动校准；4.该发明的机器校准采用人工获取校准点数据的方式，因此加入了过多的人为操作误差，导致设备的精度稳定性相对较差；5.该发明使用的激光发射装置较为简易，激光器直接连接在激光管上。因此该激光发射装置就存在无法单独更换和无法保证出射光线与激光管同轴的双重缺陷；6.大多国产C臂X光机的成像质量较差，所摄的透视图像的畸变较为厉害，采用简单的线性处理会导致较大的计算误差，最终导致定位导航设备的执行结果不理想。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种无创式实时手术定位导航设备的技术方案。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于包括激光定位驱动装置、工作服务器、数字信号分流装置和显示器，激光定位驱动装置与工作服务器之间通过无线方式连接，工作服务器、数字信号分流装置和显示器之间电连接；所述的激光定位驱动装置包括上平面运动机构、下平面运动机构、改进型激光发射装置、多个行程开关和驱动装置控制电路；上平面运动机构上设置有上平面X向步进电机和上平面Y向步进电机，下平面运动机构上设置有下平面X向步进电机和下平面Y向步进电机；改进型激光发射装置由尾纤式激光器、光纤快速接头、尾纤、透镜组及激光管构成，激光管的头部通过上关节球轴承安装在上平面运动机构上，激光管的尾部通过下关节球轴承安装在下平面运动机构上，尾纤的裸光纤端与光纤快速接头连接，尾纤的另一端与激光管连接，所述的透镜组与激光管螺纹连接，光纤快速接头的插拔端连接尾纤式激光器，所述的透镜组与尾纤的光纤头的间距能够通过透镜组与激光管的螺旋副调节，经过透镜组聚焦的激光的出射方向由设置在激光管管壁上的螺钉螺旋调节；所述的透镜组与尾纤的光纤头的间距能够通过设置在激光管管壁上的螺钉螺旋调节；所述的驱动装置控制电路与所述的工作服务器无线连接，驱动装置控制电路还分别与上平面X向步进电机、上平面Y向步进电机、下平面X向步进电机、下平面Y向步进电机、改进型激光发射装置和行程开关相连。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面运动机构设置有上平面X向滚珠丝杠副I、上平面X向滚珠丝杠副II、上平面同步带、上平面Y向滚珠丝杠副I、上平面Y向滚珠丝杠副II、上平面固定板、上平面轴承安装座、上平面X向步进电机和上平面Y向步进电机，上平面X向步进电机通过上平面同步带与上平面X向滚珠丝杠副I连接，上平面X向滚珠丝杠副I通过上平面同步带与上平面X向滚珠丝杠副II连接；上平面Y向步进电机通过上平面同步带与上平面Y向滚珠丝杠装副I连接，上平面Y向滚珠丝杠副I通过上平面同步带与上平面Y向滚珠丝杠副II连接；所述的下平面运动机构设置有下平面X向滚珠丝杠副I、下平面X向滚珠丝杠副II、下平面同步带、下平面Y向滚珠丝杠副I、下平面Y向滚珠丝杠副II、下平面固定板、下平面轴承安装座、下平面X向步进电机和下平面Y向步进电机，下平面X向步进电机通过下平面同步带与下平面X向滚珠丝杠副I连接，下平面X向滚珠丝杠副I通过下平面同步带与下平面X向滚珠丝杠副II连接；下平面Y向步进电机通过下平面同步带与下平面Y向滚珠丝杠装副I连接，下平面Y向滚珠丝杠副I通过下平面同步带与下平面Y向滚珠丝杠副II连接；所述的上平面固定板与下平面固定板平行。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面固定板设置有3个上平面标识，上平面标识包括设置在上平面固定板的上、下、右位置处的三个不锈钢钢球，上不锈钢钢球与下不锈钢钢球的间距为80mm，下不锈钢钢球与右不锈钢钢球的间距为31mm；所述的下平面固定板设置有3个下平面标识，下平面标识包括设置在下平面固定板的上、下、右位置处的三个不锈钢钢球，上不锈钢钢球与下不锈钢钢球的间距为31mm，下不锈钢钢球与右不锈钢钢球的间距为80mm；所述的上平面轴承安装座设置有上平面中心标识，上平面中心标识由设置在上平面轴承安装座的上位置处的一个不锈钢钢球组成；所述的下平面轴承安装座设置有下平面中心标识，下平面中心标识由设置在下平面轴承安装座的右位置处的一个不锈钢钢球组成；所述的上平面标识的三个不锈钢钢球与下平面标识的三个不锈钢钢球的位置均不相同；所述的上平面中心标识的一个不锈钢钢球与下平面中心标识的一个不锈钢钢球的位置不相同。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述多个行程开关为四个，四个行程开关分别用来检测上平面轴承安装座和下平面轴承安装座的位置。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述激光定位驱动装置上设置有矩阵校正板插槽，矩阵校正板插槽内设置矩阵校正板。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述矩阵校正板设置有矩阵校正点，矩阵校正点由设置在矩阵校正板上的24行23列的552个不锈钢钢球组成，不锈钢钢球与不锈钢钢球的行列间距均为6mm。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面固定板和下平面固定板均采用在X光机透视下不显影的黑色的碳纤维材料制成。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面轴承安装座和下平面轴承安装座均采用在X光机透视下不显影的白色的ABS材料制成。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述数字信号分流装置包括矩阵切换芯片及其配套的外围电路，其能利用芯片内部电路的导通与关闭进行信号的接通与关断，并能够通过电平进行控制完成信号的选择；所述工作服务器由数字图像采集卡、PC、无线模块及MCU模块组成。

所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于该导航设备的工作步骤如下：

1）将矩阵校正板插入激光定位驱动装置上的矩阵校正板插槽内，利用C臂机获取基准透视图像；当工作服务器处于开机状态时，数字信号分流装置会自动将C臂机的图像信号切换到工作服务器中，工作服务器通过数字图像采集卡将基准透视图像采集下来后对基准透视图像进行图像处理，记录各个矩阵点的坐标信息；

2）抽出步骤1）中的矩阵校正板，将激光定位驱动装置中的上平面固定板和下平面固定板移动至光定位驱动装置的中间区域，此时上平面轴承安装座和下平面轴承安装座均处于激光定位驱动装置的中心位置，上平面轴承安装座与上平面固定板属于激光定位驱动装置的上平面运动机构，上平面固定板设置有3个上平面标识，下平面轴承安装座与下平面固定板属于激光定位驱动装置的下平面运动机构，下平面固定板设置有3个下平面标识，上平面轴承安装座上设置有1个上平面中心标识，下平面轴承安装座上设置有1个下平面中心标识，利用C臂机获取透视图像，再用工作服务器中的数字图像采集卡采集透视图像并对其进行图像处理，记录各个标识点在图像上的对应点的坐标信息，然后将之前获取的基准透视图像的信息与当前透视图像信息叠加，这样便可以得出上平面标识点的横向间距在对应的矩阵校准图像中的矩阵数,然后计算出单位矩阵对应的上平面横向距离                                               

，同理得出单位矩阵对应的上平面纵向距离，下平面横向距离

，下平面纵向距离

；

3）将病灶放至C臂机下，获取病灶透视图像，通过工作服务器采集并进行图像处理，记录病灶点E的坐标信息，将步骤2）获取的透视图像信息叠加到病灶透视图像上，分别得出上平面中心标识与下平面中心标识到病灶点E的距离，用矩阵数N1、N2、N3、N4来表示，最后计算出激光定位驱动装置的各个方向的执行距离L_上X、L_上Y、L_下X、L_下Y，其中

、、

、

，并通过工作服务器中的无线模块将计算结果发送至激光定位驱动装置，激光定位驱动装置执行完毕后激光便指向病灶点E，即定位完成，操作者顺着激光方向就可以找到病灶点E。

本发明创新主要体现在技术原理和实现设备。技术原理方面，本发明建立了“C臂机透视区域X光线运动轨迹的数学模型”，利用数学模型，通过透视图像信息捕捉到“通过病灶的X线”，再利用激光将该X线在空间呈现。与目前的手术定位导航设备比较，本发明具有以下优点:1.实现自动校准、傻瓜式操作；2.人机界面清晰，支持多角度观察透视图像；3.应用范围广，可适应所有应用液晶屏的的C臂机；4.术中定位速度快（30秒内）、误差小（总体误差1mm内）。

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图；

图2是本发明实施例系统构成的结构示意图；

图3是本发明实施例激光定位驱动装置的结构示意图；

图4是本发明实施例激光定位驱动装置的上平面结构示意图；

图5是本发明实施例激光定位驱动装置的下平面结构示意图；

图6是本发明实施例上平面固定板的结构示意图；

图7是本发明实施例下平面固定板的结构示意图；

图8是本发明实施例上平面轴承安装座的结构示意图；

图9是本发明实施例下平面轴承安装座的结构示意图；

图10是本发明实施例改进型激光发射装置的结构示意图；

图11是本发明实施例激光定位驱动装置的安装示意图；

图12是本发明实施例矩阵校正板的平面示意图；

图13是本发明实施例矩阵校正板的基准透视图像；

图14是本发明实施例校准标识的透视图像；

图15是本发明实施例模拟病灶E的病灶透视图像；

图16是本发明实施例自动校准程序流程图；

图17是本发明实施例执行程序流程图；

图中：1-上平面运动机构，2-下平面运动机构，3-改进型激光发射装置，4-行程开关，5-驱动装置控制电路，6-矩阵校正板，7-基准透视图像，8-透视图像，9-病灶透视图像，10-影像增强器，100-激光定位驱动装置，101-矩阵校正板插槽，11-上平面固定板，12-上平面轴承安装座，13-上平面X向步进电机，14-上平面Y向步进电机，111-上平面X向滚珠丝杠副I，112-上平面X向滚珠丝杠副II，121-上平面Y向滚珠丝杠副I ，122-上平面Y向滚珠丝杠副II，21-下平面固定板，22-下平面轴承安装座，23-下平面X向步进电机，24-下平面Y向步进电机，211-下平面X向滚珠丝杠副I ，212-下平面X向滚珠丝杠副II，221-下平面Y向滚珠丝杠副I，222-下平面Y向滚珠丝杠副II，31-尾纤式激光器，32-光纤快速接头，33-尾纤，34-透镜组，35-激光管，36-上关节球轴承，37-下关节球轴承，38-螺钉，1131-上平面标识，2131-下平面标识，1211-上平面中心标识，2211-下平面中心标识。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步说明：

本发明涉及的物理学现象有：

α.C臂X光机（C臂机）成像原理决定其透视区域呈圆锥形（如图1示）；

β.X射线在不同介质中折射率≈1，因此在宏观状态下X射线在不同介质中呈直线传播。

（1）根据现象α，假设我们将透视区域转换为以下数学模型，可圆锥形拆分为无数大小不等的共轴且平行的同心圆，任选其中1个同心圆，以经纬线的方式将其分割成n个大小相等的小正方形，并按一定规律编号为（X，Y）；

（2）将所有同心圆以相同方式分割，n相等,按相同规律编号为（X，Y）结合现象β，可以推算出不同同心圆中（X，Y）相等的正方形由同一束X射线穿透，且具有唯一性，当（X，Y）面积无限小时，可近似看做一个点；

（3）在同心圆a，b，c中，（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc）必然处于同一条X射线上，根据现象β，（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc）呈直线，且该直线必然通过圆锥形顶部的X射线发射源；

（4）根据以上推论，当（Xa，Ya）已知时，则可计算出（Xb，Yb）、（Xc，Yc）坐标位置，串联（Xb，Yb）、（Xc，Yc），则可寻找到该X射线；

（5）用以上方法可寻找出任意所需X射线，用激光可模拟出该X射线的空间轨迹；

（6）人体内部分组织，如骨组织可在X射线下清晰显影形成透视图像，根据上述方法，可寻找到显影部位的X射线并用激光显示其轨迹，从而实现人体内部位在X射线下的精确定位，为微创手术提供参考。

本发明基于图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。参见图1, 0点为X射线源点，B点为激光光源点，A、A’所在面为上平面，B、B’所在面为下平面(即激光光源所在平面)；设初始激光束为BO，将激光光源点从B移动到B'，同时激光束经过的另一点A移动到A'，那么A'、B’同轴的激光束就与X射线重合，激光点就会沿着激光束的方向打在目标体上，从而达到导航定位的目的。

对于平行于水平面的某个平面上任意一点而言，可以分解成X、Y两个方向上的两个分量，通过X、Y轴的运动即可到达目标点，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。

本实施例所述X向(轴)、Y向(轴)均指与C臂机中心射线垂直的平面上的两个确定的方向，C臂机中心射线垂直于水平面。

该导航设备的工作步骤如下：

1）将矩阵校正板插入激光定位驱动装置上的矩阵校正板插槽内，利用C臂机获取基准透视图像；当工作服务器处于开机状态时，数字信号分流装置会自动将C臂机的图像信号切换到工作服务器中，工作服务器通过数字图像采集卡将基准透视图像采集下来后对基准透视图像进行图像处理，记录各个矩阵点的坐标信息；

2）抽出步骤1）中的矩阵校正板，将激光定位驱动装置中的上平面固定板和下平面固定板移动至光定位驱动装置的中间区域，此时上平面轴承安装座和下平面轴承安装座均处于激光定位驱动装置的中心位置，上平面轴承安装座与上平面固定板属于激光定位驱动装置的上平面运动机构，上平面固定板设置有3个上平面标识，下平面轴承安装座与下平面固定板属于激光定位驱动装置的下平面运动机构，下平面固定板设置有3个下平面标识，上平面轴承安装座上设置有1个上平面中心标识，下平面轴承安装座上设置有1个下平面中心标识，利用C臂机获取透视图像，再用工作服务器中的数字图像采集卡采集透视图像并对其进行图像处理，记录各个标识点在图像上的对应点的坐标信息，然后将之前获取的基准透视图像的信息与当前透视图像信息叠加，这样便可以得出上平面标识点的横向间距在对应的矩阵校准图像中的矩阵数, 然后计算出单位矩阵对应的上平面横向距离

，同理得出单位矩阵对应的上平面纵向距离

，下平面横向距离

，下平面纵向距离；

3）将病灶放至C臂机下，获取病灶透视图像，通过工作服务器采集并进行图像处理，记录病灶点E的坐标信息，将步骤2）获取的透视图像信息叠加到病灶透视图像上，分别得出上平面中心标识与下平面中心标识到病灶点E的距离，用矩阵数N1、N2、N3、N4来表示，最后计算出激光定位驱动装置的各个方向的执行距离L_上X、L_上Y、L_下X、L_下Y，其中

、

、、，并通过工作服务器中的无线模块将计算结果发送至激光定位驱动装置，激光定位驱动装置执行完毕后激光便指向病灶点E，即定位完成，操作者顺着激光方向就可以找到病灶点E。

本发明的各个组成部分及其各部分的工作原理如下：

工作服务器：工作服务器是导航设备的数据处理中心，工作服务器包括数字图像采集卡、PC、MCU模块和无线模块，对整个系统的运行进行控制；其中PC配置有4核高速CPU和4G内存，拥有独立显卡、DVI信号采集卡及大容量硬盘；MCU模块采用STM32F103XX系列Cortex-M3内核的MCU芯片；无线模块中的无线射频电路全双工，实现高速无线传输，与激光定位驱动装置通过无线连接(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，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。

激光定位驱动装置100:主要包括上平面运动机构1、下平面运动机构2、改进型激光发射装置3、多个行程开关4以及驱动装置控制电路5，上平面运动机构1设置有上平面X向滚珠丝杠副I 111、上平面X向滚珠丝杠副II 112、上平面同步带、上平面Y向滚珠丝杠副I 121、上平面Y向滚珠丝杠副II 122、上平面固定板11、上平面轴承安装座12、上平面X向步进电机13、上平面Y向步进电机14，上平面X向步进电机13通过上平面同步带与上平面X向滚珠丝杠副I 111连接，上平面X向滚珠丝杠副I 111通过上平面同步带与上平面X向滚珠丝杠副II 112连接；上平面Y向步进电机14通过上平面同步带与上平面Y向滚珠丝杠装副I 121连接，上平面Y向滚珠丝杠副I 121通过上平面同步带与上平面Y向滚珠丝杠副II 122连接；下平面运动机构2设置有下平面X向滚珠丝杠副I 211、下平面X向滚珠丝杠副II 212、下平面同步带、下平面Y向滚珠丝杠副I 221、下平面Y向滚珠丝杠副II 222、下平面固定板21、下平面轴承安装座22、下平面X向步进电机23、下平面Y向步进电机24，下平面X向步进电机23通过下平面同步带与下平面X向滚珠丝杠副I 211连接，下平面X向滚珠丝杠副I 211通过下平面同步带与下平面X向滚珠丝杠副II 212连接；下平面Y向步进电机24通过下平面同步带与下平面Y向滚珠丝杠装副I 221连接，下平面Y向滚珠丝杠副I 221通过下平面同步带与下平面Y向滚珠丝杠副II 222连接；上平面固定板11与下平面固定板21平行设置。

本实施例设置有行程开关组，行程开关组用来对上平面轴承安装座12、下平面轴承安装座22进行限位和设定初始坐标值。本实施例行程开关组包括四个行程开关4(测试针)，其中上平面X向步进电机13、上平面Y向步进电机14、下平面X向步进电机23、下平面Y向步进电机24的机座上均安装有一个行程开关4。上平面X向步进电机13通过上平面同步带带动上平面X向滚珠丝杠副I 111，上平面X向滚珠丝杠副I 111再通过上平面同步带带动上平面X向滚珠丝杠副II 112，这样就可以同步驱动上平面X向滚珠丝杠副I 111和上平面X向滚珠丝杠副II 112。上平面轴承安装座12在上平面X向滚珠丝杠副I 111和上平面X向滚珠丝杠副II 112的带动下沿上平面的X向移动，即可通过控制上平面X向步进电机13来控制上平面轴承安装座12沿上平面的X向移动；上平面Y向步进电机14通过上平面同步带带动上平面Y向滚珠丝杠副I 121，上平面Y向滚珠丝杠副I 121再通过上平面同步带带动上平面Y向滚珠丝杠副II 122，这样就可以同步驱动上平面Y向滚珠丝杠副I 121和上平面Y向滚珠丝杠副II 122；上平面轴承安装座12在上平面Y向滚珠丝杠副I 121和上平面Y向滚珠丝杠副II 122的带动下沿上平面的Y向移动，即可通过控制上平面Y向步进电机14来控制上平面轴承安装座12沿上平面的Y向移动，能精确执行系统指令，以完成上平面轴承安装座12在上平面内的运动。下平面X向步进电机23通过下平面同步带带动下平面X向滚珠丝杠副I 211，下平面X向滚珠丝杠副I 211再通过下平面同步带带动下平面X向滚珠丝杠副II 212，这样就可以同步驱动下平面X向滚珠丝杠副I 211和下平面X向滚珠丝杠副II 212；下平面轴承安装座22在下平面X向滚珠丝杠副I 211和下平面X向滚珠丝杠副II 212的带动下沿下平面的X向移动，即可通过控制下平面X向步进电机23来控制下平面轴承安装座22沿下平面的X向移动；下平面Y向步进电机24通过下平面同步带带动下平面Y向滚珠丝杠副I 221，下平面Y向滚珠丝杠副I 221再通过下平面同步带带动下平面Y向滚珠丝杠副II 222，这样就可以同步驱动下平面Y向滚珠丝杠副I 221和下平面Y向滚珠丝杠副II 222；下平面轴承安装座22在下平面Y向滚珠丝杠副I 221和下平面Y向滚珠丝杠副II 222的带动下沿下平面的Y向移动，即可通过控制下平面Y向步进电机24来控制下平面轴承安装座22沿下平面的Y向移动，能精确执行系统指令，以完成下平面轴承安装座7在下平面内的运动。通过四轴联动，最终达到目标导航的目的。

工作服务器与驱动装置控制电路5通过无线模块进行通信，驱动装置控制电路5与上平面X向步进电机13、上平面Y向步进电机14、下平面X向步进电机23、下平面Y向步进电机24、改进型激光发射装置3、行程开关4均电连接。

改进型激光发射装置3包括650nm、5mw的尾纤式激光器31、光纤快速接头32、尾纤33、透镜组34及激光管35。激光管35一端(头部)穿过上关节球轴承36，上关节球轴承36安装在上平面轴承安装座12上，激光管35另一端(尾部)固定在下关节球轴承37上，下关节球轴承37安装在下平面轴承安装座22上，尾纤式激光器31与光纤快速接头32连接，光纤快速接头32与尾纤33的裸光纤端连接，尾纤33与激光管35连接，激光管35与透镜组34螺纹连接。

所述的透镜组34与尾纤33的光纤头的间距能够通过透镜组34与激光管35的螺旋副调节，具有调焦功能，经过透镜组34聚焦的激光的出射方向由设置在激光管35管壁上的螺钉38螺旋调节。通过特定仪器的校准可以实现改进型激光发射装置3的激光光束方向由上关节球轴承36的球中心和下关节球轴承37的球中心的位置来确定，即能实现激光出射方向与激光管同轴，能精确、清楚的指向目标。

上平面固定板11中的上平面标识1131是用在透视下不显影的黑色的碳纤维材料中嵌入不锈钢钢球所制，具有在X线透视下能清楚显示标识的特点。本实施例的上平面标识1131由三个分别设置在上平面固定板11的上、下、右位置处的上平面不锈钢钢球组成，这三个上平面不锈钢钢球为系统校准提供了上平面标识点；上不锈钢钢球与下不锈钢钢球的间距（球与球的纵向间距）为80mm，下不锈钢钢球与右不锈钢钢球的间距（球与球的横向间距）为31mm。

下平面固定板21中的下平面标识2131是用在透视下不显影的黑色的碳纤维材料中嵌入不锈钢钢球所制，具有在X线透视下能清楚显示标识的特点。本实施例的下平面标识2131由三个分别设置在下平面固定板21的上、下、右位置处的下平面不锈钢钢球组成，这三个下平面不锈钢钢球为系统校准提供了下平面标识点；上不锈钢钢球与下不锈钢钢球的间距（球与球的纵向间距）为31mm，下不锈钢钢球与右不锈钢钢球的间距（球与球的横向间距）为80mm。

上平面轴承安装座12中的上平面中心标识1211是用在透视下不显影的白色的ABS材料中嵌入不锈钢钢球所制，具有在X线透视下能清楚显示标识的特点。本实施例的上平面中心标识1211由一个设置在上平面轴承安装座12的上方位置处的上平面不锈钢钢球组成，这个上平面不锈钢钢球为系统校准提供了上平面轴承中心的标识点位置。

下平面轴承安装座22中的下平面中心标识2211是用在透视下不显影的白色的ABS材料中嵌入不锈钢钢球所制，具有在X线透视下能清楚显示标识的特点。本实施例的下平面中心标识2211由一个设置在下平面轴承安装座22的右方位置处的下平面不锈钢钢球组成。这个下平面不锈钢钢球为系统校准提供了下平面轴承中心的标识点位置。

本实施例上平面标识1131、上平面中心标识1211的位置与下平面标识2131、下平面中心标识2211的位置不相同(即错开或不重合，下同)。 

本实施例通过三个上平面标识1131、三个下平面标识2131的校准，就可以计算得到矩阵校正板中的单位矩阵在上、下平面运动机构中所对应的单位脉冲值。

数字信号分流装置: 数字信号分流装置是附属于C臂机的新型手术定位导航设备的信号切换装置，包括矩阵切换芯片及其配套的外围电路，其能利用芯片内部电路的导通与关闭进行信号的接通与关断，并可通过电平进行控制完成信号的选择。数字信号分流装置设有两个通道，其中通道一为C臂机原信号通道，通道二为导航设备的信号通道，操作者可以根据自己需求来切换信号通道。

图1中体内靶点E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。

体内靶点E在C臂机图像输出显示器上的显示点E’为体内靶点E在C臂机透视图像上的对应点。

本实施例中的电路和无线(网络)连接均可采用现有技术实现。

本发明的导航设备的使用方法如下:

1.安装、启动、校准:

安装:

（1）将激光定位驱动装置100安装在C臂机(C-arm机)的影像增强器10上；

（2）将工作服务器与数字信号分流装置的对应接口分别连接好；

启动:

（1）分别打开激光定位驱动装置、工作服务器的电源打开后，系统进入初始状态；

校准:

（1）鼠标点击工作服务器系统中的导航设备的专用应用软件图标，进入操作主界面；

（2）将矩阵校正板6插入到激光定位驱动装置中相应的矩阵校正板插槽101里，利用C臂机(C-arm机)获取矩阵校正板的基准透视图像7，鼠标点击主界面中的图像校正按钮，系统自动记录矩阵校正板的基准透视图像7中的矩阵校正信息；

（3）将矩阵校正板6从激光定位驱动装置中相应的矩阵校正板插槽101里抽出，让激光定位驱动装置中的改进型激光发射装置3运动至激光定位驱动装置的中心区域，利用C臂机(C-arm机)获取校准标识的透视图像8，鼠标点击主界面中的系统校准按钮，系统自动识别校准标识的透视图像8上的校准标识点，系统完成自动校准；

2.使用:

将C臂机(C-arm机)移至病灶点E上方，利用C臂机(C-arm机)获取病灶透视图像9，移动鼠标至病灶透视图像9上的病灶点E’，并点击鼠标左键，然后点击主界面中的数据发送按钮，激光定位驱动装置就会自动将尾纤式激光器31发出的激光光束对准病灶点E，系统定位成功。

本发明与申请号为201210385980.2，名称为一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备的发明专利进行如下对比:

 “一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备”包括激光定位驱动装置、无线遥控器和图像数字化框。

本发明包括激光定位驱动装置、工作服务器、数字信号分流装置和显示器。

 “一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备”的激光定位驱动装置中包含简易的激光发射装置，该激光发射装置的激光器直接固定在激光管端部。由于连接部位无法进行微调，所以无法保证激光出射方向与激光管同轴。如果激光器出现故障，那么需要整个拆除激光发射装置，过程比较繁琐，必须由专业技术人员来完成。

本发明的激光定位驱动装置中的激光器采用外置的方式，激光通过光纤传递到激光管内，然后通过高透镀膜的透镜进行聚焦。尾纤的陶瓷插芯在激光管中的位置可以进行微调，因此可以通过专用的仪器对激光的出射方向进行校准，达到与激光管同轴的要求。如果激光器出现故障，那么只需将外置的激光器更换即可，普通的用户就可以完成更换工作。

“一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备”中除激光定位驱动装置外还包括无线遥控器和图像数字化框，其中图像数字化框必须安装在C臂X光机的显示器上，但是有些型号的C臂X光机的显示器上方有电线保护架，甚至有些C臂X光机配置的是CRT显示器，这样就会导致图像数字化框无法安装。            

本发明除了激光定位驱动装置外还包括工作服务器和数字信号分流装置，其中工作服务器只需放置在一个工作平台上即可，无任何安装要求。

“一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备”中的图像数字化框主要用于采集透视图像的图像信息，而无线遥控器则用于控制图像数字化框上机械光标的移动和数据的处理运算，图像数字化框的机械光标的移动只能通过手动的方式来控制，无法实现自动控制，那么在操作过程中必定会引入人为的操作误差。

本发明中的工作服务器中含有数字信号采集卡，能直接采集数字图像信号，并从软件上对透视图像的图像信息进行处理，图像识别的全过程均自动完成，无需人工干预。

“一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备”中的图像数字化框的透明方棒存在一定厚度，且方棒与屏幕表面存在一定间隙，从而使得操作者必须要在方棒十字心的正前方操作，操作难度较大且比较伤神。

本发明中的工作服务器直接将采集的图像信号显示在显示器上，操作者直接观察显示器上的内容，操作难度大大地降低。

“一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备”中的图像数字化框在采集透视图像信息时仅仅是用线性的方式将屏幕均分，无线遥控器在整个计算的过程中都是采用线性均等的方法，因此当显示的图像有较大畸变时就会带来较大的误差。

本发明还有一块矩阵校正板用于校正图像畸变，设备校准前先将矩阵校正板插入到激光定位驱动装置中的插槽里，利用C臂X光机获取透视图像，然后工作服务器会记录矩阵校正信息；最后工作服务器会根据目标在矩阵中的相对位置来计算出最终的执行结果，这样就可以排除图像畸变所带来的误差。

本发明已参照其特定的实施例作了描述，但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的，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 (10)

1.无创式实时手术定位导航设备，其特征在于包括激光定位驱动装置、工作服务器、数字信号分流装置和显示器，激光定位驱动装置与工作服务器之间通过无线方式连接，工作服务器、数字信号分流装置和显示器之间电连接；所述的激光定位驱动装置包括上平面运动机构、下平面运动机构、改进型激光发射装置、多个行程开关和驱动装置控制电路；上平面运动机构上设置有上平面X向步进电机和上平面Y向步进电机，下平面运动机构上设置有下平面X向步进电机和下平面Y向步进电机；改进型激光发射装置由尾纤式激光器、光纤快速接头、尾纤、透镜组及激光管构成，激光管的头部通过上关节球轴承安装在上平面运动机构上，激光管的尾部通过下关节球轴承安装在下平面运动机构上，尾纤的裸光纤端与光纤快速接头连接，尾纤的另一端与激光管连接，所述的透镜组与激光管螺纹连接，光纤快速接头的插拔端连接尾纤式激光器，所述的透镜组与尾纤的光纤头的间距能够通过透镜组与激光管的螺旋副调节，经过透镜组聚焦的激光的出射方向由设置在激光管管壁上的螺钉螺旋调节；所述的透镜组与尾纤的光纤头的间距能够通过设置在激光管管壁上的螺钉螺旋调节；所述的驱动装置控制电路与所述的工作服务器无线连接，驱动装置控制电路还分别与上平面X向步进电机、上平面Y向步进电机、下平面X向步进电机、下平面Y向步进电机、改进型激光发射装置和行程开关相连。

2.根据权利要求1所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面运动机构设置有上平面X向滚珠丝杠副I、上平面X向滚珠丝杠副II、上平面同步带、上平面Y向滚珠丝杠副I、上平面Y向滚珠丝杠副II、上平面固定板、上平面轴承安装座、上平面X向步进电机和上平面Y向步进电机，上平面X向步进电机通过上平面同步带与上平面X向滚珠丝杠副I连接，上平面X向滚珠丝杠副I通过上平面同步带与上平面X向滚珠丝杠副II连接；上平面Y向步进电机通过上平面同步带与上平面Y向滚珠丝杠装副I连接，上平面Y向滚珠丝杠副I通过上平面同步带与上平面Y向滚珠丝杠副II连接；所述的下平面运动机构设置有下平面X向滚珠丝杠副I、下平面X向滚珠丝杠副II、下平面同步带、下平面Y向滚珠丝杠副I、下平面Y向滚珠丝杠副II、下平面固定板、下平面轴承安装座、下平面X向步进电机和下平面Y向步进电机，下平面X向步进电机通过下平面同步带与下平面X向滚珠丝杠副I连接，下平面X向滚珠丝杠副I通过下平面同步带与下平面X向滚珠丝杠副II连接；下平面Y向步进电机通过下平面同步带与下平面Y向滚珠丝杠装副I连接，下平面Y向滚珠丝杠副I通过下平面同步带与下平面Y向滚珠丝杠副II连接；所述的上平面固定板与下平面固定板平行。

3.根据权利要求2所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面固定板设置有3个上平面标识，上平面标识包括设置在上平面固定板的上、下、右位置处的三个不锈钢钢球，上不锈钢钢球与下不锈钢钢球的间距为80mm，下不锈钢钢球与右不锈钢钢球的间距为31mm；所述的下平面固定板设置有3个下平面标识，下平面标识包括设置在下平面固定板的上、下、右位置处的三个不锈钢钢球，上不锈钢钢球与下不锈钢钢球的间距为31mm，下不锈钢钢球与右不锈钢钢球的间距为80mm；所述的上平面轴承安装座设置有上平面中心标识，上平面中心标识由设置在上平面轴承安装座的上位置处的一个不锈钢钢球组成；所述的下平面轴承安装座设置有下平面中心标识，下平面中心标识由设置在下平面轴承安装座的右位置处的一个不锈钢钢球组成；所述的上平面标识的三个不锈钢钢球与下平面标识的三个不锈钢钢球的位置均不相同；所述的上平面中心标识的一个不锈钢钢球与下平面中心标识的一个不锈钢钢球的位置不相同。

4.根据权利要求3所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述多个行程开关为四个，四个行程开关分别用来检测上平面轴承安装座和下平面轴承安装座的位置。

5.根据权利要求4所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述激光定位驱动装置上设置有矩阵校正板插槽，矩阵校正板插槽内设置矩阵校正板。

6.根据权利要求5所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述矩阵校正板设置有矩阵校正点，矩阵校正点由设置在矩阵校正板上的24行23列的552个不锈钢钢球组成，不锈钢钢球与不锈钢钢球的行列间距均为6mm。

7.根据权利要求6所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面固定板和下平面固定板均采用在X光机透视下不显影的黑色的碳纤维材料制成。

8.根据权利要求7所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述上平面轴承安装座和下平面轴承安装座均采用在X光机透视下不显影的白色的ABS材料制成。

9.根据权利要求8所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于所述数字信号分流装置包括矩阵切换芯片及其配套的外围电路，其能利用芯片内部电路的导通与关闭进行信号的接通与关断，并能够通过电平进行控制完成信号的选择；所述工作服务器由数字图像采集卡、PC、无线模块及MCU模块组成。

10.根据权利要求9所述的无创式实时手术定位导航设备，其特征在于该导航设备的工作步骤如下：

1）将矩阵校正板插入激光定位驱动装置上的矩阵校正板插槽内，利用C臂机获取基准透视图像；当工作服务器处于开机状态时，数字信号分流装置会自动将C臂机的图像信号切换到工作服务器中，工作服务器通过数字图像采集卡将基准透视图像采集下来后对基准透视图像进行图像处理，记录各个矩阵点的坐标信息；

2）抽出步骤1）中的矩阵校正板，将激光定位驱动装置中的上平面固定板和下平面固定板移动至光定位驱动装置的中间区域，此时上平面轴承安装座和下平面轴承安装座均处于激光定位驱动装置的中心位置，上平面轴承安装座与上平面固定板属于激光定位驱动装置的上平面运动机构，上平面固定板设置有3个上平面标识，下平面轴承安装座与下平面固定板属于激光定位驱动装置的下平面运动机构，下平面固定板设置有3个下平面标识，上平面轴承安装座上设置有1个上平面中心标识，下平面轴承安装座上设置有1个下平面中心标识，利用C臂机获取透视图像，再用工作服务器中的数字图像采集卡采集透视图像并对其进行图像处理，记录各个标识点在图像上的对应点的坐标信息，然后将之前获取的基准透视图像的信息与当前透视图像信息叠加，这样便可以得出上平面标识点的横向间距在对应的矩阵校准图像中的矩阵数,然后计算出单位矩阵对应的上平面横向距离                                               ，同理得出单位矩阵对应的上平面纵向距离，下平面横向距离

，下平面纵向距离

；

3）将病灶放至C臂机下，获取病灶透视图像，通过工作服务器采集并进行图像处理，记录病灶点E的坐标信息，将步骤2）获取的透视图像信息叠加到病灶透视图像上，分别得出上平面中心标识与下平面中心标识到病灶点E的距离，用矩阵数N1、N2、N3、N4来表示，最后计算出激光定位驱动装置的各个方向的执行距离L_上X、L_上Y、L_下X、L_下Y，其中

、

、

、

，并通过工作服务器中的无线模块将计算结果发送至激光定位驱动装置，激光定位驱动装置执行完毕后激光便指向病灶点E，即定位完成，操作者顺着激光方向就可以找到病灶点E。

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