CN104083216B - 手术定位标尺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手术定位标尺，包括透X光的两相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，两相对面的距离为5cm—15cm，两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置的至少四个不在一条直线上的标记点，标记点为不透X光的部件；任一相对面或连接面固定连接标尺柄，标尺柄上设置有用于与骨科机器人的机械臂连接的接口。该手术定位标尺仅通过设置的一组相对面的标记点实现任意角度的透视定位，并能消除计算手术路径时引起的系统误差，提高定位标尺精度。

Description

手术定位标尺

技术领域

本发明涉及一种医疗器械，特别是一种用于骨科导航手术路径空间定位计算的手术定位标尺。

背景技术

在各种骨科导航手术中，空间定位算法是其核心的技术之一，定位标尺是机器人手术系统中用于手术路径空间定位计算的参考基准，是影响手术定位精准性的关键部件。定位标尺一般安装在X光光源和X光成像装置之间，由X光光源透过定位标尺成像，然后定位标尺上特定分布的标记点就呈现在图像上，根据X光形成的图像中特定标记点的分布就可以进行空间定位计算，最终确定手术路径。

传统的定位标尺是基于双平面定位算法的原理，在双平面定位时的每个平面的前后坐标系中设置三个标记点，基于比例变换原理计算目标点坐标，这种定位标尺使用时需要保证X光光轴与标记点所在平面垂直，否则采集的图像传输至上位机进行计算处理时会为计算结果引入系统误差。由于在照相时并不能保证X光光轴与标记点所在平面垂直，使得计算出的手术路径存在一定偏差。而且，在实际手术操作时，要求将手术部位的患肢及其正位的前、后坐标系标记点同时包括在一个X光图像里，将手术部位的患肢及其侧位的前、后坐标系标记点同时包括在另一个X光图像里，由于X光成像装置(C型臂)的视野很小，在实践中往往需要多次反复调整定位标尺的位置以及X光成像装置的位置，多次照相才能满足要求，这样做不但增加了X光暴露的时间，而且延长了手术时间。

为解决传统的定位标尺存在的缺陷，对其进行了改进，设置至少两排并排排列的正位透X光标尺和至少两排并排排列的侧位透X光标尺构成标尺框架，正位透X光标尺和侧位透X光标尺上均设置有标记点，在进行骨科导航手术时，对正位和侧位的X光图像进行三维坐标计算，其计算结果误差与X光光轴跟标记点所在平面的角度无关，减小了系统误差。然而此类定位标尺只能在既定的位置通过两个方位(通常是正位和侧位)进行透视，至少两排正位透X光标尺和至少两排侧位透X光标尺的特定标尺构型限制了手术中C型臂透视角度，故该定位标尺的使用范围受到极大的限制。另外，使用该定位标尺进行正位和侧位透视时要求定位标尺不能移动，造成由于定位标尺在其中一个透视方向位置不合理需要调整位置时必须重新进行另一个方向的透视，增加了X光辐射损伤，延长了手术时间。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种新型的手术定位标尺，仅通过设置的一组相对面的标记点就可实现任意角度的透视定位，并能消除计算手术路径时引起的系统误差，提高定位标尺精度。

本发明的技术方案如下：

一种手术定位标尺，用于X光光源与X光成像装置之间的手术路径的空间定位计算，其特征在于，包括透X光的两相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，所述两相对面的距离为5cm—15cm，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置的至少四个不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；所述任一相对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺柄上设置有用于与骨科机器人的机械臂连接的接口。

所述两相对面为两相互平行的平面，所述连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧面。

所述连接面为分别与两相对面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒形的直径为6cm—12cm。

所述每组标记均包括等间距、呈正四边形对称分布的八个标记点及一个不规则分布的标记点。

每组标记中的标记点均为不透X光的球形部件；所述两组标记中的标记点的等间距大小不同。

等间距大的一组标记中的标记点的半径大于等间距小的一组标记中的标记点的半径。

所述接口包括锁紧螺母和球头柱塞，以及在标尺柄的端头设置的与机械臂接口的锥面配合的锥孔，所述锁紧螺母通过螺纹连接标尺柄，所述球头柱塞设置于锁紧螺母上。

所述相对的两外凸弧面上设置有相对应的套筒安装孔。

所述不透X光的球形部件为钢球或铜球。

本发明的技术效果如下：

本发明提供的手术定位标尺，设置透X光的并具有特定距离的两相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，在两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置的至少四个不在一条直线上的标记点，任一相对面或连接面固定连接标尺柄，标尺柄上设置有用于与骨科机器人的机械臂连接的接口。基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置至少四个不在一条直线上的标记点，使得本发明的定位标尺的标记点在设计构造上更加合理，标记点在成像视野中分布更有利于定位计算，增加了定位标尺的可靠性，基于特定原理设置的标记点在成像后为上位机的三维坐标计算提供了定位基准。本发明的定位标尺仅仅通过在两相对面均设置一组标记点来实现任意角度下的透视定位，在使用时手术定位标尺通过接口连接至骨科机器人的机械臂来调整手术定位标尺的位置以进行角度的变换，通过建立多个角度透视时定位标尺的位置关系映射，避免了传统的定位标尺在X光光轴与标记点所在平面不垂直时引入系统误差的问题，同时也避免了采用至少两排正位透X光标尺和至少两排侧位透X光标尺构成的特定标尺构型使得应用范围受到限制的问题，只需设置一组两相对面的标记点，进行一个角度的透视以后调整手术标尺的位置便可以仍然采用该组相对面的标记点进行下一个角度的透视，且本发明定位标尺在角度变换时可以进行位置调整，无需如现有的定位标尺设置正位和侧位的标尺架构同时进行正位和侧位的透视和计算，即可完成任意角度的透视，克服了标尺构型对术中C型臂透视角度的限制，可以用于多类手术的定位导航，并能够提高定位标尺的精度。

设置两相对面为两相互平行的平面，连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧面，该结构的定位标尺的结构简单，并使得成像定位计算更加方便，透X光的外凸弧面设计使得连接面尽量绕过X光光源的路线，最大程度减少对X光的透光阻碍，外凸弧面设计减少了X光遮挡，增强整个定位标尺的穿透能力，提高成像强度。

设置连接面为分别与两相对面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，圆筒形的直径为6cm—12cm，该结构的定位标尺的结构简单、线条流畅，设计方便，并最大程度减少对X光的透光阻碍，增强整个定位标尺的穿透能力。

设置每组标记均包括等间距、呈正四边形对称分布的八个标记点及一个不规则分布的标记点，八个标记点完全对称分布，有利于定位标记点的识别，使得上位机的定位计算更加简便快捷，上位机可以快速地计算出目标与定位标尺的三维位置关系，从而确定患肢目标的空间坐标；不规则标记点作为辅助标记点，不规则标记点与八个标记点的相对位置在图像中保持不变，这样上位机在对图像进行计算处理时可根据辅助标记的位置对标记点进行正确的分组，并做顺序标记，方便计算处理。

设置包括锁紧螺母、球头柱塞以及锥孔等部件构成的接口，该接口形成一种快拆快装接口结构，拆装过程不需要借用任何工具，徒手即可完成，可以实现快速、方便、省力的拆装，并可以保证安装的固定可靠。在定位标尺的相对的两外凸弧面上设置相对应的套筒安装孔，可以替代导向装置，直接在定位标尺上装载套筒，再进行套筒内的导针插入工作。

附图说明

图1为本发明手术定位标尺的第一种优选结构示意图。

图2为图1在另一角度的结构示意图。

图3为本发明手术定位标尺的第二种优选结构示意图。

图4为手术定位标尺的标记点成像示意图。

图5为本发明手术定位标尺的第三种优选结构示意图。

图6为图5中的锁紧螺母的结构示意图。

图7为图5中的机械臂接口的拆分结构示意图。

图中各标号列示如下：

1－第一标尺面；11－第一组标记；12－标记点；

2－第二标尺面；21－第二组标记；22－标记点；

3－连接面；4－标尺柄；

5－接口；51－锁紧螺母；52－球头柱塞；53－球头柱塞安装孔；54－半圆形开槽；

6－套筒安装孔；

7－机械臂接口；71－绝缘法兰；72－连接法兰；73－锁紧螺钉；74－双锥转接件；75－销轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明涉及一种手术定位标尺，用于X光光源与X光成像装置之间的手术路径的空间定位计算，包括透X光的两相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，两相对面的距离为5cm—15cm，在两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置的至少四个不在一条直线上的标记点，各标记点均为不透X光的部件；任一相对面或连接面固定连接标尺柄，在标尺柄上设置有用于与骨科机器人的机械臂连接的接口。

图1为本发明手术定位标尺的第一种优选结构示意图，图2为另一角度的结构示意图。该实施例的手术定位标尺的两相对面为两相互平行的平面，连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧面。即如图1和图2所示，该手术定位标尺包括两个空间上互相平行的透X光的标尺平面：第一标尺面1和第二标尺面2，第一标尺面1和第二标尺面2的两侧通过两个连接面3固定连接；两标尺平面上各设置有一组标记：第一标尺面1上设置有第一组标记11，第一组标记11包括至少四个不在一条直线上的标记点，如图1所示的9个标记点12，这9个标记点的分布为非完全对称分布，并基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置，具体是包括等间距、呈正四边形对称分布的8个标记点及1个不规则分布的标记点；第二标尺面2上设置有第二组标记21，第二组标记21包括至少四个不在一条直线上的标记点，如图2所示的9个标记点22，这9个标记点的分布为非完全对称分布，具体是包括等间距、呈正四边形对称分布的8个标记点及1个不规则分布的标记点。两组标记中的标记点12和22均为不透X光的球形部件，如钢球或铜球。第一标尺面1和第二标尺面2和两连接面3围成筒形，筒形的一端固定连接标尺柄4，标尺柄4上设置有接口5，连接面3上设置有相对应的套筒安装孔6。

图3为本发明手术定位标尺的第二种优选结构示意图。该实施例中的定位标尺的两相对面为两相对弧面：透X光的第一标尺面1和第二标尺面2，第一标尺面1和第二标尺面2的两侧通过两个连接面3固定连接，连接面3为两外凸弧面，第一标尺面1和第二标尺面2和两连接面3形成圆筒形，优选圆筒形的直径为6cm—12cm，圆筒形的一端固定连接标尺柄4，标尺柄4上设置有接口5，连接面3上设置有相对应的套筒安装孔6。

本发明涉及的手术定位标尺并不限于图1和图3所示的结构，两相对面可以相互平行或者不平行，还可以是除平面和弧面以外的其它两相对面；连接面用于固定两相对面，可以为其它形状的一个面或多个面，连接面设计为弧形能够最大程度减少对X光的透光阻碍，增强整个手术定位标尺的穿透能力，提高X光成像强度。

本发明的定位标尺的两相对面分别设置的标记点是基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置的至少4个不在一条直线上的标记点，基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设计的标记点的分布不会过度集中或过度扩散，标记点在成像视野中分布更合理以有利于定位计算，根据标记点的特殊位置分布判别其在X光透视图像上的坐标，增加了手术定位标尺的可靠性。优选为图1和图3所示的不在一条直线上的9个标记点，9个标记点的分布均为非完全对称分布，且两组标记的标记点的排布方式不同，也可参见图4所示的手术定位标尺的标记点成像示意图。手术定位标尺进行手术定位时，定位标尺在X光成像装置上的成像图中的标记点如图4所示，圆形区域内为成像视野，两组标记中的标记点12和22均为不透X光的球形部件，第一组标记11中的9个标记点12包括标记点1’～9’，具体包括等间距、呈正四边形对称分布的8个标记点1’～8’及1个用于标记位置关系的不规则分布的标记点9’，标记点9’为辅助标记点，标记点1’～8’可呈逆时针方向排布，标记点1’位于正四边形的右上角，标记点9’位于标记点1’的正上方；第二组标记21中的9个标记点22包括标记点1”～9”，具体包括等间距、呈正四边形对称分布的8个标记点1”～8”及1个用于标记位置关系的不规则分布的标记点9”，标记点9”为辅助标记点，标记点1”～8”可呈逆时针方向排布，标记点1”位于正四边形的左下角，标记点9”位于标记点1”和8”之间。优选两组标记中的标记点的等间距大小不同，如实施例中的第一组标记11中的标记点1’～8’的等间距大，第二组标记21中的标记点1”～8”的等间距小，且标记点1’～9’的半径大于标记点1”～9”的半径，即第一标尺面1上的等间距较大的标记点(1’，2’，……9’)，可称为大标记点组，第二标尺面2上的等间距较大的标记点(1”，2”，……9”)，可称为小标记点组。定位计算中需要准确识别出图像中的各个标记点，并进行正确的分组和顺序标记排序，手术定位标尺上的辅助标记点——标记点9’和标记点9”，用于上位机自动识别标记点的位置排序，辅助标记点与其所在分组的其它各个标记点在图像中的相对位置是既定不变的，上位机可以据此进行标记点的排序。(1’，2’，……9’)表示大标记点组的标记点序号，(1”，2”，……9”)表示小标记点组的标记点符号。采集的图像数据传输至上位机，上位机控制系统基于双目视觉原理的双平面定位算法，利用两相对面和上面的标记点，对任意两幅不同透视角度下的图像进行空间坐标计算，计算定位标尺与目标点的位置关系，从而确定手术路径的空间坐标，该计算结果的误差与X光光源的光轴与标记点所在平面的角度无关，且不受图像透视角度的限制。

图5为本发明手术定位标尺的第三种优选结构示意图，该实施例的接口5为一种快拆快装接口，手术定位标尺的标尺柄4通过该快拆快装接口与手术机器人的机械臂上设置的机械臂接口7配合，实现手术定位标尺快速连接到手术机器人的机械臂上或将手术定位标尺从手术机器人的机械臂上快速拆卸。该实施例中的接口5包括锁紧螺母51和球头柱塞52，以及在标尺柄4的端头设置的与机械臂接口7的锥面配合的锥孔(图中未显示)，锁紧螺母51通过螺纹连接标尺柄4，球头柱塞52设置于锁紧螺母51上。锁紧螺母51的结构如图6所示，锁紧螺母51前端设置有半圆形开槽54，半圆形开槽54用于与机械臂接口7的销轴匹配，锁紧螺母51侧面设置有球头柱塞安装孔53，球头柱塞安装孔53用于安装球头柱塞52，带有球头柱塞52的锁紧螺母51装配到标尺柄4带有螺纹的一端，调整锁紧螺母51的方向，待听到轻轻的啪声或者感觉到球头柱塞52的球头弹出时，将手术定位标尺安装到机械臂接口7，此时机械臂接口7的销轴的方向正好对准锁紧螺母51的半圆形开槽54，旋紧锁紧螺母51，同样将锁紧螺母51调整到球头柱塞52的球头弹出位置，球头柱塞52既起到定位的作用，同时也能有效防止锁紧螺母51脱落。图7为图5中的机械臂接口7的拆分结构示意图，机械臂接口7包括依次连接的绝缘法兰71、连接法兰72、锁紧螺钉73和双锥转接件74；绝缘法兰71与机械臂前端通过螺钉固定，连接法兰72通过螺钉与绝缘法兰71固定，锁紧螺钉73装配到连接法兰72带有螺纹的一端，双锥转接件74的两端均设置有锥面，双锥转接件74上设置有销轴75，双锥转接件74的一端锥面与锁紧螺钉73配合，另一端锥面穿入定位标尺的接口中的锁紧螺母51并与在标尺柄4的端头设置的锥孔配合。

使用时，锁紧螺母51前端的半圆形开槽54对应机械臂接口7的销轴75插入，依靠连接法兰72、定位标尺一端的锥孔和机械臂接口的双锥转接件74的锥面等部件配合，从而保证定位标尺与机械臂具有良好的同轴度，旋紧锁紧螺母51，使锁紧螺母51前端内端面压紧双锥转接件74的销轴75，即可实现可靠的手术定位标尺的安装。在拆装过程中，不需要借用任何工具，徒手即可完成，可以实现快速、方便、省力的拆装，并可以保证固定可靠。

在进行手术导航时，手术机械人的机械臂可以利用本发明的手术定位标尺、结合C型臂进行多角度透射：在病人的第一个体位下，将本发明的手术定位标尺的第一标尺面1朝向C型臂的X光光源、第二标尺面2朝向C型臂的X光成像装置，使X光依次垂直透过手术定位标尺的两相对面(第一标尺面1、第二标尺面2)、病人患处、到达X光成像装置成像，拍摄第一个体位下的X光图像；通过机械臂移动手术定位标尺到其它角度体位下，重复上述过程，由C型臂拍摄其它体位下的X光图像。透视时手术定位标尺的两相对面尽量正对所测体位下的患处，以使得手术定位标尺的两相对面上的各标记点在成像中尽量不被遮挡或产生重叠。在获取的多幅X光透视图像中，选择其中任意两个角度下的透视图像由上位机进行手术路径规划计算，其它角度下的透视图像可以用于验证规划路径的合理性，从而实现只用手术定位标尺的两相对面的各1组标记点即可实现任意角度的透视定位，克服了定位标尺构型对术中C型臂透视角度的限制。上位机根据本发明的手术定位标尺在X光光源下形成的透视图像中的特定标记点的分布就可以进行空间定位计算，最终确定手术路径，之后将机械臂移动至目标位置，再通过接口拆卸该手术定位标尺，并在机械臂上安装导向装置，由导向装置进行套筒的导向，套筒内套有导针，将导针插入到患肢内完成手术。若是如图1或图3所示的手术定位标尺在两连接面3上设置相应的套筒安装孔6，则可以替代导向装置，直接在手术定位标尺上装载套筒，具体是在机械臂移动至目标位置后，直接通过套筒安装孔6插入套筒，就可以将套筒内的导针插入到患肢内完成手术。本发明的手术定位标尺可以成为一种通用的手术导航定位装置，可以用于多类手术的定位导航。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (9)

1.一种手术定位标尺，用于X光光源与X光成像装置之间的手术路径的空间定位计算，其特征在于，包括透X光的两相对面，两相对面通过透X光的连接面固定连接，所述两相对面的距离为5cm—15cm，所述两相对面上均设置有一组标记，每组标记包括基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置的至少四个不在一条直线上的标记点，所述标记点为不透X光的部件；任一相对面或连接面固定连接标尺柄，所述标尺柄上设置有用于与骨科机器人的机械臂连接的接口。

2.根据权利要求1所述的手术定位标尺，其特征在于，所述两相对面为两相互平行的平面，所述连接面为分别与两相互平行的平面的两侧连接的两外凸弧面。

3.根据权利要求1所述的手术定位标尺，其特征在于，所述连接面为分别与两相对面的两侧连接的两外凸弧面，所述两相对面和连接面形成圆筒形，所述圆筒形的直径为6cm—12cm。

4.根据权利要求1至3之一所述的手术定位标尺，其特征在于，所述每组标记均包括等间距、呈正四边形对称分布的八个标记点及一个不规则分布的标记点。

5.根据权利要求4所述的手术定位标尺，其特征在于，每组标记中的标记点均为不透X光的球形部件；两组标记中的标记点的等间距大小不同。

6.根据权利要求5所述的手术定位标尺，其特征在于，等间距大的一组标记中的标记点的半径大于等间距小的一组标记中的标记点的半径。

7.根据权利要求1至3之一所述的手术定位标尺，其特征在于，所述接口包括锁紧螺母和球头柱塞，以及在标尺柄的端头设置的与机械臂接口的锥面配合的锥孔，所述锁紧螺母通过螺纹连接标尺柄，所述球头柱塞设置于锁紧螺母上。

8.根据权利要求2或3所述的手术定位标尺，其特征在于，所述相对的两外凸弧面上设置有相对应的套筒安装孔。

9.根据权利要求5所述的手术定位标尺，其特征在于，所述不透X光的球形部件为钢球或铜球。