CN104224320B - 一种基于手术导航的无线面配准工具及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于手术导航的无线面配准工具，包括：聚光棱镜、PCB控制板和电池；PCB控制板上设有红外传感器、处理芯片、激光二极管和红外发光二极管，PCB控制板上各部件相互电连接；电池与PCB控制板电连接；红外传感器用于接收外部红外信号，并将该红外信号转换成电信号传输给处理芯片，处理芯片接收到该信号后打开红外发光二极管和激光二极管；红外发光二极管及激光二极管分别发出的光线通过聚光棱镜聚合成一条光路射到人体组织表面产生光斑，以匹配面配准采集点的位置。与传统的配准工具相比，本发明能够简化医师在实施导航手术的配准工作，减少了手术工具与病人的接触，降低了病人感染风险，且能有效提高配准精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种医疗器械，具体涉及一种手术导航装置，尤其涉及一种基于手术导航的无线面配准工具；此外，本发明还涉及该无线面配准工具的实现方法。
背景技术
传统的手术导航的配准工具是一种纯机械的手术工具，传统的配准工具通常是由探针部分、反光球阵列座及反光球组成。使用时，由导航摄像探头发出红外线射到传统配准工具的反光球上，多个(一般三个以上)反光球反射红外线，导航摄像探头再接收这些反射来的红外线；通过双目识别的原理，导航摄像探头可以确定多个反光球的空间位置及位置关系，再将此位置数据与内部的(传统配准工具)原始的反光球位置关系进行处理运算，最终可以得到探针部分顶点的空间位置坐标。此时，可以使用探针顶点的位置与人体组织对应的特征点进行配准，即可实现配准工作。传统的配准工具都是通过接触人体组织、解剖标志点或预埋的钛钉等方式实现配准，传统的配准工具必然会使手术工具接触人体组织或血液等，可能引起感染，如只在人体表面配准，又通常会由于体位或手术工具压迫皮肤，导致配准误差变大。此外，传统的配准工具一般都在为病人打开创口之后进行，实际手术创口打开时间较长，增加了配准准备工作的复杂度及配准难度。而且传统的配准工具在加工、制作及操作过程中，容易出现医生无法预知的误差，比如红外反光球安装不到位、工具加工尺寸误差及在未知的情况下探针发生弯曲等都可能影响实际配准精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于手术导航的无线面配准工具，它可以使医生在导航手术过程中，减少病人创口打开时间；同时减少病人感染细菌的几率；同时也简化了医生实施导航手术时的配准工作，且能有效提高配准精度。为此，本发明还提供该无线面配准工具的实现方法。
为解决上述技术问题，本发明一种基于手术导航的无线面配准工具的技术方案为：
一种基于手术导航的无线面配准工具，其特征在于，包括：聚光棱镜、PCB控制板和电池；所述PCB控制板上设有红外传感器、处理芯片、激光二极管和红外发光二极管，PCB控制板上各部件相互电连接；其中，红外传感器、激光二极管和红外发光二极管直接或间接连接至处理芯片的IO端口；所述电池与所述PCB控制板电连接；所述聚光棱镜用于完成PCB控制板上的激光二极管及红外发光二极管的光路聚合；所述红外传感器用于接收外部红外信号，并将该红外信号转换成电信号传输给处理芯片，处理芯片接收到该信号后打开红外发光二极管和激光二极管；红外发光二极管及激光二极管分别发出的两束平行光，通过聚光棱镜后重合成一条光路；当这束光线射到人体组织表面产生光斑，红外光斑被手术导航摄像探头接收，激光光斑用于指示红外光斑的位置，以匹配面配准采集点的位置。
进一步地，所述聚光棱镜固定于该无线面配准工具的红外线发射端上。
进一步地，所述电池固定于该无线面配准工具的手持端。
进一步地，所述PCB控制板上还设有状态指示灯和按钮开关，状态指示灯和按钮开关直接或间接连接至处理芯片的IO端口；所述按钮开关是用于控制红外传感器工作与否的开关；所述状态指示灯用于指示无线面配准工具的工作状态；所述状态指示灯的状态指示包括失电状态、上电等待状态、工作状态、电压过低状态，各种状态不同的指示分别通过状态指示灯的常闭、常开、高频闪烁和低频闪烁来区分实现。
进一步地，所述红外传感器面对手术导航摄像探头，使红外传感器能有效接收红外信号，并将红外信号转换成电信号传输给处理芯片；所述处理芯片根据按钮开关和状态指示灯对应的IO端口状态，确定是否打开红外发光二极管和激光二极管；红外发光二极管和激光二极管射出的光线，经过聚光棱镜射到人体组织表面，形成能被手术导航摄像探头获取的光斑。所述无线面配准工具通过接收到手术导航摄像探头发射的红外光信号后才开始发射红外线，手术导航摄像探头再根据无线面配准工具射到人体组织上的红外光斑进行采点。
进一步地，所述PCB控制板上设有电池接口，该电池接口与所述电池连接。
进一步地，所述PCB控制板上还设有可复位保险丝，该可复位保险丝为贴片保险丝，安装在PCB控制板的电路主回路上，主要用于当线路短路或电池反向安装时提供保护。
此外，本发明还提供一种上述无线面配准工具的实现方法，该方法包括如下步骤：
（1）安装电池，电池处于正常上电状态，同时打开状态指示灯；
（2）按下按钮开关，红外传感器开始接收外部红外信号，如红外传感器未接收到红外信号，状态指示灯即转为低频闪烁状态，提示未接受到红外线信号；如红外传感器接收到红外信号，转到步骤（3）；
（3）红外传感器将该红外信号转换成电信号传输给处理芯片，由处理芯片同时打开红外发光二极管和激光二极管、并同时使状态指示灯高频闪烁；此时打开的红外发光二极管和激光二极管分别发出的两束平行光，通过聚光棱镜后重合成一条光路，射到病人组织表面，形成可见的激光光斑和不可见的红外光斑；红外光斑被手术导航摄像探头接收，激光光斑用于指示红外光斑的实际位置，以匹配面配准采集点的位置。
进一步地，在步骤（2）中，如红外传感器未接收到红外信号，应检查红外传感器是否面对外部红外发光器件或检查外部红外发光器件是否处于正常工作状态。
进一步地，在步骤（3）中，同时要求激光光斑和红外光斑与红外传感器都在手术导航摄像探头监测范围内，并且中间没有异物遮挡光线。
本发明所述的“无线面配准工具”，即通过无线(不接触人体)方式进行人体组织表面配准点云的数据采集。它的应用可以减少传统配准工具的实际手术创口打开时间；无线面配准的配准过程是在实际手术开创之前进行，而传统的配准工具一般都在为病人打开创口之后进行。无线面配准工具使配准工具不接触人体组织，减少接触感染机会，传统常规的配准工具都是通过接触式的配准，手术工具需要接触人体组织及血液等。
本发明所述的“IO端口”即I/O端口，每个连接到I/O总线上的设备都有自己的I/O地址集，即所谓的I/O端口（I/O port）。
与现有技术相比，本发明可以达到的技术效果是：
本发明能够简化医师在实施导航手术前的配准工作。在病人麻醉后移至手术室手术台，可在铺单之后，医生打开手术创口之前，就施行无线面配准工作，医生在完成导航系统无线面配准准备工作后，即可通过无线面配准工具的红外发射端对准病人手术区域的组织表面，通常为额头、眼眶、鼻等部位的皮肤表面，开启无线面配准扫描即可，该配准扫描正常时间不超过1分钟，大大简化了配准准备工作。
与传统的点配准工具相比，减少了手术工具与病人的接触，降低了病人感染风险。上述的无线面配准扫描时间内，无线面配准工具与病人无直接接触，仅通过红外线发射到病人皮肤表面，既无接触，亦无伤害。
无线面配准工具可以在手术实施前完成配准过程，减少了病人实际创口打开时间。以上无线面配准扫描实施是在病人铺单之后，实施手术开创之前，即在手术开创之前就完成了配准工作，与常规配准在手术开创之后进行，减少了实际的病人创口开放时间。
与传统的点配准工具相比，本发明无线面配准工具规避了传统的配准工具在加工、制作及操作过程中，容易出现医生无法预知的误差，比如红外反光球安装不到位、工具加工尺寸误差及在未知的情况下探针发生弯曲等，这些都可能影响实际配准精度。本发明无线面配准工具操作简单，且能达到更高的配准精度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明一种基于手术导航的无线面配准工具的结构示意图；
图2是本发明一种基于手术导航的无线面配准工具的原理框图；
图3是本发明的无线面配准工具的内部PCB控制板的电路图；
图4是本发明一种基于手术导航的无线面配准工具的PCB控制板的控制流程图。
图中附图标记说明：
1为聚光棱镜， 2为PCB控制板，
3为红外传感器， 4为状态指示灯，
5为按钮开关， 6为电池，
7为处理芯片， 8为激光二极管，
9为红外发光二极管， 10为可复位保险丝。
具体实施方式：
如图1、图2所示，本发明一种基于手术导航的无线面配准工具，包括聚光棱镜1、PCB控制板2、红外传感器3、状态指示灯4、按钮开关5、电池6、处理芯片7、激光二极管8、红外发光二极管9。如图2所示，红外传感器3、状态指示灯4、按钮开关5、处理芯片7、红外发光二极管8、激光二极管9都固定安装在PCB控制板2上，结构稳定可靠，相互间通过PCB控制板2上的覆铜线路电连接。其中，红外传感器3、状态指示灯4、按钮开关5、激光二极管8和红外发光二极管9直接或间接连接至处理芯片7的IO端口。按钮开关5是用于控制红外传感器3工作与否的开关；红外传感器3用于接收外部红外信号，并将该红外信号转换成电信号传输给处理芯片7；处理芯片7根据按钮开关5和状态指示灯4对应的IO端口状态，确定是否打开红外发光二极管9和激光二极管8（如果按钮开关5为开状态且红外传感器3接收到红外信号，此时状态指示灯4为高频闪烁状态，红外发光二极管9和激光二极管8同时打开）；处理芯片7通过状态指示灯4指示无线面配准工具的工作状态。状态指示灯4的状态指示包括失电状态、上电等待状态、工作状态、电压过低状态，各种状态不同的指示分别通过状态指示灯4的常闭、常开、高频闪烁和低频闪烁来区分实现。本发明无线面配准工具通过接收到手术导航摄像探头发射的红外光信号后才开始发射红外线，手术导航摄像探头再根据无线面配准工具射到人体组织上的红外光斑进行采点。
如图1及图2中所示，聚光棱镜1固定在无线面配准工具的前端，即红外线发射端。聚光棱镜1与内部PCB控制板2无电连接，聚光棱镜1属于光学器件，其完成激光二极管8及红外发光二极管9的光路聚合。
如图1及图2中所示，电池6固定在无线面配准工具的后端，即医生手持端。电池6与内部PCB控制板2有电连接，为无线面配准工具提供电源，PCB控制板2上设有电池接口，该电池接口与电池6连接。
如图3中所示，PCB控制板2上还可以设有可复位保险丝10，可复位保险丝10可以为贴片保险丝，安装在PCB控制板2的电路主回路上，主要用于当线路短路或电池反向安装时提供保护。
本发明的工作原理是：
如图3，图4所示，本发明无线面配准工具的实现方法，包括如下步骤：
（1）安装电池6，电池6处于正常上电状态，此时，状态指示灯4正常打开；
（2）随后操作者按下按钮开关5，红外传感器3开始接收外部红外信号（红外传感器3应面对手术导航摄像探头，使红外传感器3能有效接收红外信号），如此时未接收到红外信号，状态指示灯4即转为低频闪烁状态，提示未接受到红外线信号，建议检查红外传感器3是否面对外部红外发光器件(如导航摄像探头)或检查外部红外发光器件(如导航摄像探头)是否处于正常工作状态；当红外传感器3接收到红外信号，转到步骤（3）；
（3）红外传感器3就将该接收到的红外信号转换成电信号传输给处理芯片7，由处理芯片7同时打开红外发光二极管9和激光二极管8、并同时使状态指示灯4高频闪烁。此时打开的红外发光二极管9和激光二极管8分别发出的两束平行光（即由激光二极管8发射的激光和由红外发光二极管9发射的红外光），通过聚光棱镜后重合成一条光路，射到病人组织表面，形成可见的激光光斑和不可见的红外光斑。红外光斑被手术导航摄像探头接收，激光光斑用于指示医生红外光斑的实际位置，以匹配面配准采集点的位置。同时要求该激光光斑和红外光斑与红外传感器3都在手术导航摄像探头监测范围内，并且中间没有异物遮挡光线。同时处理芯片7通过状态指示灯4指示无线面配准工具工作状态。
Claims (10)
1.一种基于手术导航的无线面配准工具，所述无线是指不接触人体，其特征在于，包括：聚光棱镜、PCB控制板和电池；所述PCB控制板上设有红外传感器、处理芯片、激光二极管和红外发光二极管，PCB控制板上各部件相互电连接；其中，红外传感器、激光二极管和红外发光二极管直接或间接连接至处理芯片的IO端口；所述电池与所述PCB控制板电连接；所述聚光棱镜用于完成PCB控制板上的激光二极管及红外发光二极管的光路聚合；所述红外传感器用于接收外部红外信号，并将该红外信号转换成电信号传输给处理芯片，处理芯片接收到该信号后打开红外发光二极管和激光二极管；红外发光二极管及激光二极管分别发出的两束平行光，通过聚光棱镜后重合成一条光路；当所述光路射到人体组织表面产生光斑，红外光斑被手术导航摄像探头接收，激光光斑用于指示红外光斑的位置，以匹配面配准采集点的位置。
2.如权利要求1所述的无线面配准工具，其特征在于，所述聚光棱镜固定于该无线面配准工具的红外线发射端上。
3.如权利要求1所述的无线面配准工具，其特征在于，所述电池固定于该无线面配准工具的手持端。
4.如权利要求1所述的无线面配准工具，其特征在于，所述PCB控制板上还设有状态指示灯和按钮开关，状态指示灯和按钮开关直接或间接连接至处理芯片的IO端口；所述按钮开关是用于控制红外传感器工作与否的开关；所述状态指示灯用于指示无线面配准工具的工作状态；所述状态指示灯的状态指示包括失电状态、上电等待状态、工作状态、电压过低状态，各种状态不同的指示分别通过状态指示灯的常闭、常开、高频闪烁和低频闪烁来区分实现。
5.如权利要求4所述的无线面配准工具，其特征在于，所述红外传感器面对手术导航摄像探头，使红外传感器能有效接收红外信号，并将红外信号转换成电信号传输给处理芯片；所述处理芯片根据按钮开关和状态指示灯对应的IO端口状态，确定是否打开红外发光二极管和激光二极管；红外发光二极管和激光二极管射出的光线，经过聚光棱镜射到人体组织表面，形成能被手术导航摄像探头获取的光斑。
6.如权利要求1所述的无线面配准工具，其特征在于，所述PCB控制板上设有电池接口，该电池接口与所述电池连接。
7.如权利要求1所述的无线面配准工具，其特征在于，所述PCB控制板上还设有可复位保险丝，该可复位保险丝为贴片保险丝，安装在PCB控制板的电路主回路上，主要用于当线路短路或电池反向安装时提供保护。
8.一种如权利要求1所述的无线面配准工具的实现方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)安装电池，电池处于正常上电状态，同时打开状态指示灯；
(2)按下按钮开关，红外传感器开始接收外部红外信号，如红外传感器未接收到红外信号，状态指示灯即转为低频闪烁状态，提示未接受到红外线信号；如红外传感器接收到红外信号，转到步骤(3)；
(3)红外传感器将该红外信号转换成电信号传输给处理芯片，由处理芯片同时打开红外发光二极管和激光二极管、并同时使状态指示灯高频闪烁；此时打开的红外发光二极管和激光二极管分别发出的两束平行光，通过聚光棱镜后重合成一条光路，射到病人组织表面，形成可见的激光光斑和不可见的红外光斑；红外光斑被手术导航摄像探头接收，激光光斑用于指示红外光斑的实际位置，以匹配面配准采集点的位置。
9.如权利要求8所述的无线面配准工具的实现方法，其特征在于，在步骤(2)中，如红外传感器未接收到红外信号，应检查红外传感器是否面对外部红外发光器件或检查外部红外发光器件是否处于正常工作状态。
10.如权利要求8所述的无线面配准工具的实现方法，其特征在于，在步骤(3)中，同时要求激光光斑和红外光斑与红外传感器都在手术导航摄像探头监测范围内，并且中间没有异物遮挡光线。
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Granted publication date: 20160810 |
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