CN105852969A - 一种新型骨科手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型骨科手术导航系统，智能操控装置设置在连接控制盒的顶部，手术电转装置连接在连接控制盒的后部，定位扫描板装置设置在固定钉结构的外围，智能操控装置内置影像获取模块、通信模块、数据处理模块、显示模块、电源模块和输出模块，影像获取模块通过通信模块连接数据处理模块，数据处理模块连接显示模块和输出模块，电源模块连接数据处理模块。本发将虚拟的患者手术部位的骨骼图像和手术器械进入患者身体内部具体位置通过三维图像展现，在手术过程中进行实时导航，大大加快医生手术操作的效率，以实现更加安全、准确、高效的完成手术。

Description

一种新型骨科手术导航系统

技术领域

本发明属于医疗用具技术领域，尤其涉及一种新型骨科手术导航系统。

背景技术

目前，骨科手术较为常见，为了精准通常使用骨科手术导航技术来进行手术，导航技术被广泛应用于交通、探险、军事、勘探等许多领域。随着计算机技术的不断发展，特别是计算机图形技术的飞速进展，出现了计算机辅助外科(computer assisted surgery，CAS)这一崭新领域。由于计算机辅助外科是将空间三维立体导航技术、计算机图像处理及三维可视化技术与临床手术结合起来，又被称作计算机辅助导航外科。简单地说导航技术可以利用信号传输和接收发射器的位置。但是，现有的骨科手术导航系统存在着功能不够完善，使用不方便，准确性低，不能智能操作，不能有效的寻找手术位置，而且费时费力的问题。

因此，发明一种新型骨科手术导航系统显得非常必要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种新型骨科手术导航系统，以解决现有的骨科手术导航系统存在着功能不够完善，使用不方便，准确性低，不能智能操作，不能有效的寻找手术位置，而且费时费力的问题。

本发明是这样实现的，一种新型骨科手术导航系统，包括智能操控装置，手术电转装置，定位扫描板装置，定位移动板结构，固定钉结构，摄像头，锥孔，伸缩套管，套筒，连接控制盒，传感器和放大镜，所述的智能操控装置设置在连接控制盒的顶部位置；所述的手术电转装置连接在在连接控制盒的后部位置；所述的定位扫描板装置设置在固定钉结构的外围部位置；所述的摄像头设置在锥孔的上部位置；所述的定位移动板结构设置在套筒与连接控制盒的连接部位置；所述的伸缩套管设置在套筒的前部位置；所述的传感器设置在连接控制盒的内部位置；所述的放大镜设置在定位扫描板装置的顶部位置；所述的智能操控装置包括保护壳，触控显示屏，指示灯，主控芯片和感应器，所述的保护壳设置在触控显示屏的外围部位置；所述的指示灯设置在保护壳的顶部位置；所述的主控芯片设置在感应器的下部位置；

所述智能操控装置内置影像获取模块、通信模块、数据处理模块、显示模块、电源模块和输出模块，所述影像获取模块通过所述通信模块连接所述数据处理模块，所述数据处理模块连接所述显示模块和输出模块，所述电源模块连接所述数据处理模块；

所述的影像获取模块用于获取手术区域范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的影像信息，该影像获取模块包括射线模块和三维运动捕捉模块，所述的射线模块用于拍摄术前手术部位骨骼的二维图像，所述三维运动捕捉模块用于捕捉手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的三维运动信息；

所述的通信模块用于将所述影像获取模块获取的数据信息传送给所述数据处理模块；

所述的数据处理模块用于将影像信息重建在同一坐标系下，并进行配准融合得到三维导航图像，该数据处理模块包括影像空间映射模块和定位导航模块，所述的影像空间映射模块用于将手术区域范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的影像信息投射到三维坐标系上；

所述的定位导航模块用于输出映射到手术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标，计算出手术区域以及手术器械的空间位置；

所述的显示模块用于实时显示三维导航图像；

所述的电源模块用于对所述数据处理模块提供持续的不间断电源，该电源模块包括电源连接装置、蓄电装置和继电保护装置，所述的电源连接装置包括至少一个连接外部电源的电源输入电路和至少一个连接负载的负载输出电路，所述的蓄电装置包括连接蓄电池的蓄电池充放电电路；

所述影像获取模块内置图像重建算法模块，该图像重建算法模块用于对原始数据进行校正获得校正数据，对校正数据进行除噪处理获得除噪数据，对除噪数据进行重排获得重排数据，对重排数据进行卷积获得卷积数据，对卷积数据进行反投影处理获得全扫描视野图像与临床选择视野图像，根据全扫描视野图像获得误差图像，根据临床选择视野图像与误差图像获得影像。

进一步，所述的显示模块为可触摸液晶显示屏，该显示屏内部包括显示面板、单元层、粘接层，所述单元层设置在所述显示面板的外侧，所述粘接层设置在所述显示面板和所述单元层之间，其中，所述粘接层的粘接于所述显示面板的粘接面的第一边缘和所述粘接层的粘接于所述单元层的粘接面的第二边缘沿粘接面方向相互移位。

进一步，所述的手术电转装置包括安装孔，开关按键，把手，调节按键和防滑纹，所述的安装孔设置在把手的上端连接部位置；所述的开关按键设置在把手的里侧中间部位置；所述的防滑纹设置在把手的外表面部位置；所述的调节按键设置在把手的顶部位置。

进一步，所述的定位扫描板装置包括扫描板，定位板，照明灯和通孔，所述的扫描板设置在照明灯的里部位置；所述的定位板设置在照明灯的外部位置；所述的通孔设置在扫描板的中间部位置。

进一步，所述的定位移动板结构包括转动环，移动板和移动滑槽，所述的转动环设置在定位移动板结构的前部位置；所述的移动板设置在定位移动板结构的后部位置；所述的移动滑槽设置在定位移动板结构与移动板的中间部位置。

进一步，所述的固定钉结构包括钉头，螺纹，连接头和电转卡扣，所述的钉头设置在固定钉结构的前端位置；所述的螺纹设置在固定钉结构的表面部位置；所述的连接头设置在电转卡扣的前部位置。

进一步，所述影像获取模块还包括检测优化模块，该检测优化模块用于将采集到的图像建立图像的显著模型，所述建立图像的显著性模型包括：

利用预定过分割算法对所述图像进行过分割，和模板参数提取，对整个输入图像，以8*8个像素为单元，计算每个单元的平均灰度值和每个单元的最大灰度值，得到至少一个区域，同一个所述区域中各个像素点的颜色值相同；

确定每个所述区域的颜色值和质心；

根据各个区域所对应的颜色值以及各个区域的质心，建立所述显著性模型。

进一步，所述显著性模型为：

其中，S_i1为区域R_i中任一像素点的显著性值，w(R_j)为区域R_j中的像素点的个数，D_S(R_i，R_j)用于表征所述区域R_i和所述区域R_j之间空间位置差异的度量值，D_C(R_i，R_j)用于表征所述区域R_i和所述区域R_j之间颜色差异的度量值，N为对所述图像进行过分割后得到的区域的总个数，D_S(R_i，R_j)为：Center(R_i)为所述区域R_i的质心，Center(R_j)为所述区域R_j的质心，当所述图像中各个像素点的坐标均归一化到[0，1]时；

本发明利用摄像头拍摄，在移动滑槽和定位移动板结构的配合下，固定钉结构灵活操作，在照明灯的作用下，定位扫描板装置扫描，在智能操控装置的配合下，手术电转装置进行驱动，指示灯安全指示，触控显示屏观察与操控，通过所述射线模块拍摄患者手术部位骨骼的二维图像；通过三维运动捕捉模块捕捉患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的三维运动信息；将二维图像以及三维运动信息提供所述通信模块传输至所述数据处理模块，所述数据处理模块中的影像空间映射模块将二维图像及三维运动信息分别进行三维重建，并将重建后的两种图像投影在同一坐标系下；所述数据处理模块中的定位导航模块将两种重建的图像配准融合得到三维导航图像；通过所述显示模块实时显示三维导航图像，将虚拟的患者手术部位的骨骼图像和手术器械进入患者身体内部具体位置通过三维图像展现，在手术过程中进行实时导航，大大加快医生手术操作的效率，以实现更加安全、准确、高效的完成手术。

附图说明

图1是本发明实施例提供的新型骨科手术导航系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的智能操控装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的手术电转装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的定位扫描板装置的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的智能操控装置内部组成图；

图中：1、智能操控装置；1-1、保护壳；1-2、触控显示屏；1-3、指示灯；1-4、主控芯片；1-5、感应器；1-6、影像获取模块；1-7、通信模块；1-8、数据处理模块；1-9、显示模块；1-10、电源模块；1-11、输出模块；2、手术电转装置；2-1、安装孔；2-2、开关按键；2-3、把手；2-4、调节按键；2-5、防滑纹；3、定位扫描板装置；3-1、扫描板；3-2、定位板；3-3、照明灯；3-4、通孔；4、定位移动板结构；4-1、转动环；4-2、移动板；4-3、移动滑槽；5、固定钉结构；5-1、钉头；5-2、螺纹；5-3、连接头；5-4、电转卡扣；6、摄像头；7、锥孔；8、伸缩套管；9、套筒；10、连接控制盒；11、传感器；12、放大镜。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步描述：

请参阅图1至图5所示：

本发明提供一种新型骨科手术导航系统，包括智能操控装置1，手术电转装置2，定位扫描板装置3，定位移动板结构4，固定钉结构5，摄像头6，锥孔7，伸缩套管8，套筒9，连接控制盒10，传感器11和放大镜12，所述的智能操控装置1设置在连接控制盒10的顶部位置；所述的手术电转装置2连接在在连接控制盒10的后部位置；所述的定位扫描板装置3设置在固定钉结构5的外围部位置；所述的摄像头6设置在锥孔7的上部位置；所述的定位移动板结构4设置在套筒9与连接控制盒10的连接部位置；所述的伸缩套管8设置在套筒9的前部位置；所述的传感器11设置在连接控制盒10的内部位置；所述的放大镜12设置在定位扫描板装置3的顶部位置。

所述的智能操控装置1包括保护壳1-1，触控显示屏1-2，指示灯1-3，主控芯片1-4和感应器1-5，所述的保护壳1-1设置在触控显示屏1-2的外围部位置；所述的指示灯1-3设置在保护壳1-1的顶部位置；所述的主控芯片1-4设置在感应器1-5的下部位置。

所述的触控显示屏1-2具体采用多点电容式液晶触控屏，所述的触控显示屏1-2具体采用1个，有利于灵活精确，观察清晰，从而提高智能化程度。

所述的指示灯1-3具体采用1个可闪烁红色LED灯，有利于安全指示，省时省力，从而完善功能多样性。

所述的手术电转装置2包括安装孔2-1，开关按键2-2，把手2-3，调节按键2-4和防滑纹2-5，所述的安装孔2-1设置在把手2-3的上端连接部位置；所述的开关按键2-2设置在把手2-3的里侧中间部位置；所述的防滑纹2-5设置在把手2-3的外表面部位置；所述的调节按键2-4设置在把手2-3的顶部位置。

所述的定位扫描板装置3包括扫描板3-1，定位板3-2，照明灯3-3和通孔3-4，所述的扫描板3-1设置在照明灯3-3的里部位置；所述的定位板3-2设置在照明灯3-3的外部位置；所述的通孔3-4设置在扫描板3-1的中间部位置。

所述的定位移动板结构4包括转动环4-1，移动板4-2和移动滑槽4-3，所述的转动环4-1设置在定位移动板结构4的前部位置；所述的移动板4-2设置在定位移动板结构4的后部位置；所述的移动滑槽设4-3置在定位移动板结构4与移动板4-2的中间部位置。

所述的照明灯3-3具体采用1个直径为2毫米至3毫米的白色LED灯组合成的长方形灯带，有利于使用方便，使得更好的配合手术，从而提高安全效果。

所述的固定钉结构5包括钉头5-1，螺纹5-2，连接头5-3和电转卡扣5-4，所述的钉头5-1设置在固定钉结构5的前端位置；所述的螺纹5-2设置在固定钉结构5的表面部位置；所述的连接头5-3设置在电转卡扣5-4的前部位置。

所述的移动滑槽4-3具体采用长度为6厘米至8厘米的长方形凹槽，有利于方便可靠，从而达到实用效果。

所述的摄像头6具体采用CCD无线传感摄像头，所述的摄像头6具体采用1个，有利于摄像清晰，手术准确，使得安全可靠。

所述智能操控装置1内置影像获取模块1-6、通信模块1-7、数据处理模块1-8、显示模块1-9、电源模块1-10和输出模块1-11，所述影像获取模块1-6通过所述通信模块1-7连接所述数据处理1-8模块，所述数据处理模块1-8连接所述显示模块1-9和输出模块1-11，所述电源模块1-10连接所述数据处理1-8模块；

所述的影像获取模块1-6用于获取手术区域范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的影像信息，该影像获取模块包括射线模块和三维运动捕捉模块，所述的射线模块用于拍摄术前手术部位骨骼的二维图像，所述三维运动捕捉模块用于捕捉手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的三维运动信息；

所述的通信模块1-7用于将所述影像获取模块获取的数据信息传送给所述数据处理模块；

所述的数据处理模块1-8用于将影像信息重建在同一坐标系下，并进行配准融合得到三维导航图像，该数据处理模块包括影像空间映射模块和定位导航模块，所述的影像空间映射模块用于将手术区域范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的影像信息投射到三维坐标系上；

所述的定位导航模块用于输出映射到手术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标，计算出手术区域以及手术器械的空间位置。

所述的显示模块1-9用于实时显示三维导航图像；

所述的电源模块1-10用于对所述数据处理模块提供持续的不间断电源，该电源模块包括电源连接装置、蓄电装置和继电保护装置，所述的电源连接装置包括至少一个连接外部电源的电源输入电路和至少一个连接负载的负载输出电路，所述的蓄电装置包括连接蓄电池的蓄电池充放电电路；

所述影像获取模块1-6内置图像重建算法模块，该图像重建算法模块用于对原始数据进行校正获得校正数据，对校正数据进行除噪处理获得除噪数据，对除噪数据进行重排获得重排数据，对重排数据进行卷积获得卷积数据，对卷积数据进行反投影处理获得全扫描视野图像与临床选择视野图像，根据全扫描视野图像获得误差图像，根据临床选择视野图像与误差图像获得影像。

进一步，所述的显示模块为可触摸液晶显示屏，该显示屏内部包括显示面板、单元层、粘接层，所述单元层设置在所述显示面板的外侧，所述粘接层设置在所述显示面板和所述单元层之间，其中，所述粘接层的粘接于所述显示面板的粘接面的第一边缘和所述粘接层的粘接于所述单元层的粘接面的第二边缘沿粘接面方向相互移位。

进一步，所述影像获取模块还包括检测优化模块，该检测优化模块用于将采集到的图像建立图像的显著模型，所述建立图像的显著性模型包括：

利用预定过分割算法对所述图像进行过分割，和模板参数提取，对整个输入图像，以8*8个像素为单元，计算每个单元的平均灰度值和每个单元的最大灰度值，得到至少一个区域，同一个所述区域中各个像素点的颜色值相同；

确定每个所述区域的颜色值和质心；

根据各个区域所对应的颜色值以及各个区域的质心，建立所述显著性模型。

进一步，所述显著性模型为：

其中，S_i1为区域R_i中任一像素点的显著性值，w(R_j)为区域R_j中的像素点的个数，D_S(R_i，R_j)用于表征所述区域R_i和所述区域R_j之间空间位置差异的度量值，D_C(R_i，R_j)用于表征所述区域R_i和所述区域R_j之间颜色差异的度量值，N为对所述图像进行过分割后得到的区域的总个数，D_S(R_i，R_j)为：Center(R_i)为所述区域R_i的质心，Center(R_j)为所述区域R_j的质心，当所述图像中各个像素点的坐标均归一化到[0，1]时；

本发明利用摄像头6拍摄，在移动滑槽4-3和定位移动板结构4的配合下，固定钉结构5灵活操作，在照明灯3-3的作用下，定位扫描板装置3扫描，在智能操控装置1的配合下，手术电转装置2进行驱动，指示灯1-3安全指示，触控显示屏1-2观察与操控，通过所述射线模块拍摄患者手术部位骨骼的二维图像；通过三维运动捕捉模块捕捉患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的三维运动信息；将二维图像以及三维运动信息提供所述通信模块1-7传输至所述数据处理模块1-8，所述数据处理模块1-8中的影像空间映射模块将二维图像及三维运动信息分别进行三维重建，并将重建后的两种图像投影在同一坐标系下；所述数据处理模块1-8中的定位导航模块将两种重建的图像配准融合得到三维导航图像；通过所述显示模块1-9实时显示三维导航图像，将虚拟的患者手术部位的骨骼图像和手术器械进入患者身体内部具体位置通过三维图像展现，在手术过程中进行实时导航，大大加快医生手术操作的效率，以实现更加安全、准确、高效的完成手术。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种新型骨科手术导航系统，其特征在于，该新型骨科手术导航系统，包括智能操控装置，手术电转装置，定位扫描板装置，定位移动板结构，固定钉结构，摄像头，锥孔，伸缩套管，套筒，连接控制盒，传感器和放大镜，所述的智能操控装置设置在连接控制盒的顶部位置；所述的手术电转装置连接在在连接控制盒的后部位置；所述的定位扫描板装置设置在固定钉结构的外围部位置；所述的摄像头设置在锥孔的上部位置；所述的定位移动板结构设置在套筒与连接控制盒的连接部位置；所述的伸缩套管设置在套筒的前部位置；所述的传感器设置在连接控制盒的内部位置；所述的放大镜设置在定位扫描板装置的顶部位置；所述的智能操控装置包括保护壳，触控显示屏，指示灯，主控芯片和感应器，所述的保护壳设置在触控显示屏的外围部位置；所述的指示灯设置在保护壳的顶部位置；所述的主控芯片设置在感应器的下部位置；

所述智能操控装置内置影像获取模块、通信模块、数据处理模块、显示模块、电源模块和输出模块，所述影像获取模块通过所述通信模块连接所述数据处理模块，所述数据处理模块连接所述显示模块和输出模块，所述电源模块连接所述数据处理模块；

所述的影像获取模块用于获取手术区域范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的影像信息，该影像获取模块包括射线模块和三维运动捕捉模块，所述的射线模块用于拍摄术前手术部位骨骼的二维图像，所述三维运动捕捉模块用于捕捉手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的三维运动信息；

所述的通信模块用于将所述影像获取模块获取的数据信息传送给所述数据处理模块；

所述的数据处理模块用于将影像信息重建在同一坐标系下，并进行配准融合得到三维导航图像，该数据处理模块包括影像空间映射模块和定位导航模块，所述的影像空间映射模块用于将手术区域范围内患者手术部位和手术器械的形状、位置以及运动轨迹的影像信息投射到三维坐标系上；

所述的定位导航模块用于输出映射到手术区域影像空间坐标的手术器械物理空间坐标，计算出手术区域以及手术器械的空间位置；

所述的显示模块用于实时显示三维导航图像；

所述的电源模块用于对所述数据处理模块提供持续的不间断电源，该电源模块包括电源连接装置、蓄电装置和继电保护装置，所述的电源连接装置包括至少一个连接外部电源的电源输入电路和至少一个连接负载的负载输出电路，所述的蓄电装置包括连接蓄电池的蓄电池充放电电路；

所述影像获取模块内置图像重建算法模块，该图像重建算法模块用于对原始数据进行校正获得校正数据，对校正数据进行除噪处理获得除噪数据，对除噪数据进行重排获得重排数据，对重排数据进行卷积获得卷积数据，对卷积数据进行反投影处理获得全扫描视野图像与临床选择视野图像，根据全扫描视野图像获得误差图像，根据临床选择视野图像与误差图像获得影像。

2.如权利要求1所述的新型骨科手术导航系统，其特征在于，所述的显示模块为可触摸液晶显示屏，该显示屏内部包括显示面板、单元层、粘接层，所述单元层设置在所述显示面板的外侧，所述粘接层设置在所述显示面板和所述单元层之间，其中，所述粘接层的粘接于所述显示面板的粘接面的第一边缘和所述粘接层的粘接于所述单元层的粘接面的第二边缘沿粘接面方向相互移位。

3.如权利要求1所述的新型骨科手术导航系统，其特征在于，所述的手术电转装置包括安装孔，开关按键，把手，调节按键和防滑纹，所述的安装孔设置在把手的上端连接部位置；所述的开关按键设置在把手的里侧中间部位置；所述的防滑纹设置在把手的外表面部位置；所述的调节按键设置在把手的顶部位置。

4.如权利要求1所述的新型骨科手术导航系统，其特征在于，所述的定位扫描板装置包括扫描板，定位板，照明灯和通孔，所述的扫描板设置在照明灯的里部位置；所述的定位板设置在照明灯的外部位置；所述的通孔设置在扫描板的中间部位置。

5.如权利要求1所述的新型骨科手术导航系统，其特征在于，所述的定位移动板结构包括转动环，移动板和移动滑槽，所述的转动环设置在定位移动板结构的前部位置；所述的移动板设置在定位移动板结构的后部位置；所述的移动滑槽设置在定位移动板结构与移动板的中间部位置。

6.如权利要求1所述的新型骨科手术导航系统，其特征在于，所述的固定钉结构包括钉头，螺纹，连接头和电转卡扣，所述的钉头设置在固定钉结构的前端位置；所述的螺纹设置在固定钉结构的表面部位置；所述的连接头设置在电转卡扣的前部位置。

7.如权利要求1所述的新型骨科手术导航系统，其特征在于，所述影像获取模块还包括检测优化模块，该检测优化模块用于将采集到的图像建立图像的显著模型，所述建立图像的显著性模型包括：

利用预定过分割算法对所述图像进行过分割，和模板参数提取，对整个输入图像，以8*8个像素为单元，计算每个单元的平均灰度值和每个单元的最大灰度值，得到至少一个区域，同一个所述区域中各个像素点的颜色值相同；

确定每个所述区域的颜色值和质心；

根据各个区域所对应的颜色值以及各个区域的质心，建立所述显著性模型。

8.如权利要求1所述的新型骨科手术导航系统，其特征在于，所述显著性模型为：

其中，S_i1为区域R_i中任一像素点的显著性值，w(R_j)为区域R_j中的像素点的个数，D_S(R_i，R_j)用于表征所述区域R_i和所述区域R_j之间空间位置差异的度量值，D_C(R_i，R_j)用于表征所述区域R_i和所述区域R_j之间颜色差异的度量值，N为对所述图像进行过分割后得到的区域的总个数，D_S(R_i，R_j)为：Center(R_i)为所述区域R_i的质心，Center(R_j)为所述区域R_j的质心，当所述图像中各个像素点的坐标均归一化到[0，1]时；