CN106073895A - 无创式实时手术定位3d导航设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无创式实时手术定位3D导航设备。其特征在于包括激光定位系统和空间定位装置，所述激光定位系统由激光驱动装置、工作服务器、数字信号分流器和显示器组成，激光驱动装置和工作服务器之间通过蓝牙通讯，工作服务器、数字信号分流器和显示器之间电连接；所述空间定位装置由相互配合的固定滑轨、双向滑轨、二自由度的固定滑块、二自由度双向滑块、激光定位杆和手术通道组成。本发明通过计算机来实现术前的路径规划，通过“激光定位系统”在术中病灶点的可视化实时配准和“空间定位装置”的角度与深度控制，从而实现手术路径的空间准确定位；该系统适用于病患任意部位的微创骨科手术。

Description

无创式实时手术定位3D导航设备

技术领域

本发明涉及一种无创式实时手术定位3D导航设备。

背景技术

骨科手术中由于手术空间狭小，且骨骼周围遍布血管神经等重要组织，使得医生在手术过程中无法获得良好视野，骨骼和病灶的解析和定位需要临床医生的长期经验积累。由于术前无法获得精确的定位，传统手术需要大切口来实施后续的手术操作，这样易引起术中大出血，且会对其他组织造成伤害，增加手术风险。

随着现代科技的发展，骨科手术导航技术的出现，成为手术的一个重要辅助工具，手术导航技术是借助医学影像设备和计算机图像软件，对患者的多模式图像数据进行处理，让医生能够准确掌握患者病变位置，从而在术前制定合理的手术方案。计算机辅助导航系统的应用，使得骨科手术变得迅速、安全、准确。它扩大了医生的有限的视觉范围，让医生看透组织结构，有效的提高了手术精度，减少了手术时间及患者的非必要创伤。

在患者定位系统中，首先需要使用断层像摄像装置（如CT）取得患者病灶部位的治疗计划用CT数据，对数据进行重建和可视化处理，获得三维模型，术前模拟，术中通过操作，将三维模型与患者的实际体位及手术器械的的实时位置统一在一个坐标系中，并利用导航系统实时采集并显示手术器械的空间位置，让医生能够观察三维模型中手术器械与病灶部位的相对位置关系，引导医生进行快速精准的手术治疗。

在之前的研究中，我们已经申请多项关于无创式实时手术定位导航设备的专利，其中201210385980.2，名称为一种附属C臂X光机的手术定位导航设备的发明专利，该设备包含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，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；校准过程采用人工获取校准点数据的方式，误差较大；该激光装置无法单独更换且不能保证出射光线与激光管同轴等缺陷。

201310515922.1，名称为无创式实时手术定位导航设备的发明专利虽然改进了上述的缺陷，但是依旧只能生成二维图像，不能够显示病灶的深度位置，为改进以上所述不足，我们在前面的研究基础上，适配了三维装置，并配套相应的软件，以实现极低辐射的三维导航。

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无创式实时手术定位3D导航设备的技术方案。该设备通过图像处理技术来实现术前的通道规划，通过“激光定位系统”在术中病灶点的可视化实时配准和“空间定位装置”的角度与深度控制，从而实现手术通道的空间准确定位。该系统适用于病患任意部位的微创骨科手术。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于包括激光定位系统和空间定位装置，所述激光定位系统由激光驱动装置、工作服务器、数字信号分流器和显示器组成，激光驱动装置和工作服务器之间通过蓝牙通讯，工作服务器、数字信号分流器和显示器之间电连接；所述空间定位装置由相互配合的固定滑轨、双向滑轨、二自由度的固定滑块、二自由度双向滑块、激光定位杆和手术通道组成。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述激光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、行程测量装置和驱动装置控制电路；所述上平面运动机构设有上平面步进电机，下平面运动机构上设置有下平面步进电机。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述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、插套、陶瓷插芯和激光管组成，激光管分为上激光管和下激光管，上激光管通过上平面轴承安装在上平面运动机构上，下激光管通过下平面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，尾纤的光纤头端与激光管连接，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上激光管内部的插套与管壁上的螺钉螺旋调节。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述的行程测量装置由磁栅读头、磁栅尺、磁栅读头固定架、拖链和拖链扣构成；所述的驱动装置控制电路与所述的工作服务器无线蓝牙连接，驱动装置控制电路还分别与上平面步进电机、下平面步进电机、改进型激光发射装置和行程测量装置相连。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述上平面运动机构设置有上平面板、上平面导轨、上平面同步带、上平面带轮固定组件、上平面磁栅读头固定座I型、上平面磁栅读头固定座II型、上平面同步带固定座I型、上平面同步带固定座II型、上平面固定架、上平面轴承安装座、上平面轴承、上平面X向步进电机、上平面Y向步进电机、上平面限位挡块和上平面磁栅尺基座，其中，4根上平面导轨、上平面X向步进电机、上平面Y向步进电机、上平面带轮固定组件、2根上平面磁栅尺基座、4个上平面限位挡块均用螺钉固定在上平面板上，上平面X向步进电机通过上平面同步带与上平面同步带固定座II型和上平面带轮固定组件连接在一起，上平面Y向步进电机通过上平面同步带与上面面同步带固定座I型和上平面带轮固定组件连接在一起，上平面同步带固定座I型、上平面同步带固定座II型、上平面磁栅读头固定座I型、上平面磁栅读头固定座II型分别安装在4根上平面导轨上，上平面轴承安装在上平面轴承安装座上，上平面轴承安装座安装在上平面固定架上，其中一个上平面固定架两端分别与上平面磁栅读头固定座I型、上平面同步带固定座I型通过螺钉固定，另一个上平面固定架两端分别与上平面磁栅读头固定座II型、上平面同步带固定座II型通过螺钉固定；所述的下平面运动机构设置有下平面板、下平面导轨、下平面同步带、下平面带轮固定组件、下平面磁栅读头固定座I型、下平面磁栅读头固定座II型、下平面同步带固定座I型、下平面同步带固定座II型、下平面固定架、下平面轴承安装座、下平面轴承、下平面X向步进电机、下平面Y向步进电机、下平面限位挡块和下平面磁栅尺基座，其中，4根下平面导轨、下平面X向步进电机、下平面Y向步进电机、下平面带轮固定组件、2根下平面磁栅尺基座、4个下平面限位挡块均用螺钉固定在下平面板上，下平面X向步进电机通过下平面同步带与下平面同步带固定座II型和下平面带轮固定组件连接在一起，下平面Y向步进电机通过下平面同步带与下面面同步带固定座I型和下平面带轮固定组件连接在一起，下平面同步带固定座I型、下平面同步带固定座II型、下平面磁栅读头固定座I型、下平面磁栅读头固定座II型分别安装在4根上平面导轨上，下平面轴承安装在上平面轴承安装座上，下平面轴承安装座安装在下平面固定架上，其中一个下平面固定架两端分别与下平面磁栅读头固定座I型、下平面同步带固定座I型通过螺钉固定，另一个下平面固定架两端分别与下平面磁栅读头固定座II型、下平面同步带固定座II型通过螺钉固定；所述的上平面固定架与下平面固定架平行。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述上平面固定架设置有3个上平面标识，上平面标识包括设置在上平面固定架的上、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；所述的下平面固定架设置有3个下平面标识，下平面标识包括设置在下平面固定架的上、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3D导航设备，其特征在于所述行程测量装置共设有4组，分别用来检测上平面轴承安装座X向和Y向、下平面轴承安装座X向和Y向的实时位置；所述磁栅读头固定架分别安装在上平面磁栅读头固定座I型、上平面磁栅读头固定座II型、下平面磁栅读头固定座I型、下平面磁栅读头固定座II型上，用螺钉固定；磁栅读头和拖链扣安装在磁栅读头固定架上，用螺钉固定；拖链安装在拖链扣上，用于保护磁栅读头连接线；磁栅尺分别安装在2个上平面磁栅尺基座和2个下平面磁栅尺基座上；磁栅尺与磁栅读头平行，相距0.8mm；上平面步进电机、下平面步进电机带动上平面固定架和下平面固定架移动时，磁栅读头一起跟随移动，在移动的过程中，磁栅读头实时读取磁栅尺内部的数据。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述激光驱动装置上还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3D导航设备，其特征在于所述上平面固定架和下平面固定架均采用在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3D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、蓝牙模块及MCU模块组成。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述二自由度的固定滑块滑动设置在固定滑轨上，所述二自由度双向滑块滑动设置在双向滑轨上；所述固定滑轨和双向滑轨均为圆弧型，用螺钉互相固定，其所在的平面互相垂直；所述激光定位杆安装在二自由度的固定滑块上，所述手术通道安装在二自由度双向滑块上；所述激光定位杆能在固定滑轨内随二自由度的固定滑块做±25°的滑移；所述手术通道能在双向滑轨内随二自由度双向滑块做±13°的滑移。

所述的无创式实时手术定位3D导航设备的操作方法，其特征在于步骤如下：

一、术前3D建模及手术通道规划：

（1）将病患部位的CT扫描数据导入计算机处理，重建病灶的3D模型；

（2）医生根据重建的病灶3D模型完成手术通道规划；

二、激光定位系统安装、启动、校准：

（a）将激光驱动装置安装在C臂机的影像增强器上；

（b）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；

（c）分别打开激光驱动装置、工作服务器的电源打开后，系统进入初始状态；

（d）将矩阵校正板插入激光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；通过数字信号分流装置将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；

（e）抽出步骤 （d）中的矩阵校正板，将激光驱动装置中的上平面固定架和下平面固定架移动至激光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驱动装置的中心位置，上平面轴承安装座与上平面固定架属于激光驱动装置的上平面运动机构，上平面固定架设置有3个上平面标识，下平面轴承安装座与下平面固定架属于激光驱动装置的下平面运动机构，下平面固定架设置有 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的校准标识透视图像信息叠加，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L1=上平面标识的横向间距/图像中对应的矩阵数，同理得出单位矩阵对应的上平面纵向距离L2=上平面标识的纵向间距/图像中对应的矩阵数，下平面横向距离L3=下平面标识的横向间距/图像中对应的矩阵数，下平面纵向距离L4=下平面标识的纵向间距/图像中对应的矩阵数，完成校准；

三、术中2D图像匹配及病灶点的定位：

（ⅰ）根据步骤（d）获取到的基准透视图像和各个矩阵点的坐标信息，计算机构建出C臂机的理想锥形射线模型；将步骤（1）中重建的病灶3D模型置于理想的锥形射线，模拟出任意方向的投影图像，构成一个数据库；

（ⅱ）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（e）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L_上X=L1×N1、L_上Y=L2×N2、L_下X=L3×N3、L_下Y=L4×N4，并通过工作服务器的蓝牙模块将计算结果发送至激光驱动装置，激光驱动装置执行完毕后激光便指向病灶点，即完成2D的定位；

（ⅲ）将步骤（ⅱ）中获取的病灶透视图像和步骤（ⅰ）中的数据库匹配，在计算机中生成病灶的3D空间姿态，并计算步骤（ⅱ）中生成的激光束和步骤（2）中规划的手术通道在病灶点的空间关系；

四、手术通道的建立：

①将空间定位装置的激光定位杆沿激光束方向钉入病灶点E并固定；

②根据步骤（ⅲ）中激光束与手术通道的空间关系，调整空间定位装置的二自由度的固定滑块、二自由度双向滑块，并固定；

③手术通道成功建立。

该设备通过计算机来实现术前的通道规划，通过“激光定位系统”在术中病灶点的可视化实时配准和“空间定位装置”的角度与深度控制，从而实现手术通道的空间准确定位；该系统适用于病患任意部位的微创骨科手术。

本发明的有益效果是：

1、 操作简便，自动校准、实时定位；

2、 定位快速，在30s以内，精度高，误差在1mm以内；

3、 空间配准无需植入标记物，减少病人的痛苦、治疗风险和费用，真正做到无创；本发明以病灶本身作为参照，即精确又无创；以脊柱手术为例，目前其他研究者的主流思路是：如需置入L1椎弓根螺钉，系统参照物为L3以下椎体或髂骨，因L1和L3间存在椎间盘等软组织铰链，影像漂移无法完全避免，误差必然存在，手术安全性堪忧；我们的思路：直接以L1椎弓根做参照物，实现原位参照，既避免了影像漂移，又将误差减小到最小范围；

4、 将病患暴露在X射线的时间和次数减到最少；本发明只需在术前采集一次病患部位的CT数据，和在术中采集一张X射线图像即可。

附图说明

图1是本发明实施例的原理示意图；

图2是本发明实施例的原理框图；

图3是本发明实施例系统构成的结构框图；

图4是本发明实施例激光驱动装置的结构示意图；

图5是本发明实施例激光驱动装置的上平面结构示意图；

图6是本发明实施例激光驱动装置的下平面结构示意图；

图7是本发明实施例行程测量装置结构示意图

图8是本发明实施例上平面固定架的结构示意图；

图9是本发明实施例下平面固定架的结构示意图；

图10 是本发明实施例上平面轴承安装座的结构示意图；

图11是本发明实施例下平面轴承安装座的结构示意图；

图12是本发明实施例改进型激光发射装置的结构示意图；

图13是本发明实施例激光驱动装置的安装示意图；

图14是本发明实施例矩阵校正板的平面示意图；

图15是本发明实施例矩阵校正板的基准透视图像；

图16是本发明实施例校准标识的透视图像；

图17是本发明实施例模拟病灶E的病灶透视图像；

图中：101- X射线源点；102-C臂X光机；103-影像增强器；104-激光驱动装置；105-激光束；106-空间定位装置；107-手术通道；108-固定滑块；109-双向滑块；110-激光固定杆；111-双向滑轨；112-固定滑轨；401-上平面运动机构；402-下平面运动机构；403-行程测量装置；404-改进型激光发射装置；405-驱动装置控制电路；501-上平面磁栅尺基座；502-上平面磁栅读头固定座I型；503-上平面X向步进电机；504-上平面导轨；505-上平面同步带；506-上平面限位挡块；507-上平面带轮固定组件；508-上平面同步带固定座II型；509-上平面同步带固定座I型；510-上平面固定架；511-上平面磁栅读头固定座II型；512-上平面轴承安装座；513-上平面轴承；514-上平面Y向步进电机；515-上平面板；601-下平面磁栅尺基座；602-下平面磁栅读头固定座I型；603-下平面X向步进电机；604-下平面导轨；605-下平面同步带；606-下平面限位挡块；607-下平面带轮固定组件；608-下平面同步带固定座II型；609-下平面同步带固定座I型；610-下平面固定架；611-下平面磁栅读头固定座II型；612-下平面轴承安装座；613-下平面轴承；614-下平面Y向步进电机；615-下平面板；701-磁栅尺；702磁栅读头；703-拖链；704-磁栅读头固定架；705-拖链扣；510-1上平面标识； 610-1下平面标识；512-1上平面中心标识；612-1下平面中心标识；404-1透镜组；404-2插套；404-3陶瓷插芯；404-4上激光管；404-5下激光管；404-6尾纤；404-7光纤快速接头；404-8尾纤式激光器；1301矩阵校正板插槽；141-矩阵校正板；15-矩阵校正板的基准透视图像；16-校准标识的透视图像；17-病灶透视图像。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的原理示意图；本发明涉及的物理学现象有：

α.C臂X光机102（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101，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，显示的光点为病灶点E；然后再将空间定位器的激光固定杆沿激光束方向钉入目标体内固定，通过计算机计算得出的空间关系，调整手术通道与激光固定杆的角度，实现手术通道的建立。

图2为本发明实施例的原理框图。本发明的基本原理为：①将病灶部位CT扫描、3D重建；②医生术前的手术通道107规划；③对病灶进行透视，并生成病灶部位的3D模型基于X射线圆锥几何模型下的DRR图像库，获得一束指向病灶点的激光束105④将病灶部位的2D透视图像与生成的DRR图像库匹配，计算出激光束105与手术通道107的空间关系⑤利用空间定位装置106，建立手术通道107。

本发明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；无线模块采用工业级蓝牙模块，传输速度高效、可靠，与激光驱动装置通过无线连接(单点对应)，理论无线传输距离达到上百米，集成化程度高。

激光驱动装置104：包括上平面运动机构401、下平面运动机构402、改进型激光发射装置404、行程测量装置403和驱动装置控制电路405。上平面运动机构401设置有上平面板515、上平面导轨504、上平面同步带505、上平面带轮固定组件507、上平面磁栅读头固定座I型502、上平面磁栅读头固定座II型511、上平面同步带固定座I型509、上平面同步带固定座II型508、上平面固定架510、上平面轴承安装座512、上平面轴承513、上平面X向步进电机503、上平面Y向步进电机514、上平面限位挡块506、上平面磁栅尺基座501。其中，4根上平面导轨504、上平面X向步进电机503、上平面Y向步进电机514、上平面带轮固定组件507、2根上平面磁栅尺基座501、4个上平面限位挡块506均用螺钉固定在上平面板515上，上平面X向步进电机514通过上平面同步带505与上平面同步带固定座II型508和上平面带轮固定组件507连接在一起，上平面Y向步进电机514通过上平面同步带505与上面面同步带固定座I型509和上平面带轮固定组件507连接在一起，上平面同步带固定座I型509、上平面同步带固定座II型508、上平面磁栅读头固定座I型502、上平面磁栅读头固定座II型511分别安装在4根上平面导轨上，上平面轴承513安装在上平面轴承安装座512上，上平面轴承安装座512安装在上平面固定架510上，其中一个上平面固定架510两端分别与上平面磁栅读头固定座I型502、上平面同步带固定座I型509通过螺钉固定，另一个上平面固定架510两端分别与上平面磁栅读头固定座II型511、上平面同步带固定座II型508通过螺钉固定；所述的下平面运动机构402设置有下平面板615、下平面导轨604、下平面同步带605、下平面带轮固定组件607、下平面磁栅读头固定座I型602、下平面磁栅读头固定座II型611、下平面同步带固定座I型609、下平面同步带固定座II型608、下平面固定架610、下平面轴承安装座612、下平面轴承613、下平面X向步进电机603、下平面Y向步进电机614、下平面限位挡块606、下平面磁栅尺基座601。其中，4根下平面导轨604、下平面X向步进电机603、下平面Y向步进电机614、下平面带轮固定组件607、2根下平面磁栅尺基座601、4个下平面限位挡块606均用螺钉固定在下平面板615上，下平面X向步进电机603通过下平面同步带605与下平面同步带固定座II型608和下平面带轮固定组件607连接在一起，下平面Y向步进电机614通过下平面同步带605与下面面同步带固定座I型609和下平面带轮固定组件607连接在一起，下平面同步带固定座I型602、下平面同步带固定座II型611、下平面磁栅读头固定座I型609、下平面磁栅读头固定座II型608分别安装在4根上平面导轨604上，下平面轴承613安装在上平面轴承安装座612上，下平面轴承安装座612安装在下平面固定架610上，其中一个下平面固定架610两端分别与下平面磁栅读头固定座I型602、下平面同步带固定座I型609通过螺钉固定，另一个下平面固定架610两端分别与下平面磁栅读头固定座II型611、下平面同步带固定座II型608通过螺钉固定；所述的上平面固定架510与下平面固定架610平行。

本实施例设置有行程测量装置403，行程测量装置403用来对上平面轴承安装座512、下平面轴承安装座612坐标位置的实时测量。所述行程测量装置由磁栅读头702、磁栅尺701、拖链703、拖链扣705、磁栅读头固定架704构成，共有4组。所述磁栅读头固定架704分别安装在上平面磁栅读头固定座I型502、上平面磁栅读头固定座II型511、下平面磁栅读头固定座I型602、下平面磁栅读头固定座II型上611，用螺钉固定。磁栅读头702和拖链扣705安装在磁栅读头固定架704上，用螺钉固定。拖链703安装在拖链扣705上，用于保护磁栅读头702连接线。磁栅尺701分别安装在2个上平面磁栅尺基座501和2个下平面磁栅尺基座601上。磁栅尺701与磁栅读头702平行，相距0.8mm。当电机带动上平面固定架510和下平面固定架610移动时，磁栅读头702一起跟随移动，在移动的过程中，磁栅读头702会实时读取磁栅尺701内部的数据，达到测量行程的目的。

工作服务器与驱动装置控制电路405通过蓝牙无线通信，驱动装置与上平面步进电机503、下平面步进电机603、四组行程测量装置403均电连接。

上平面固定架510中的上平面标识510-1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510-1由三个分别设置在上平面固定架510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。

下平面固定架610中的下平面标识610-1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610-1由三个分别设置在下平面固定架610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512中的上平面中心标识512-1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512-1由一个设置在上平面轴承安装座512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612中的下平面中心标识612-1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612-1由一个设置在下平面轴承安装座612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510-1、上平面中心标识512-1的位置与下平面标识610-1、下平面中心标识612-1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510-1、三个下平面标识610-1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。

改进型激光发射装置404包括650nm、5mw的尾纤式激光器404-8、光纤快速接头404-7、尾纤404-6、透镜组404-1、插套404-2、陶瓷插芯404-3及激光管，激光管分为上激光管404-4和下激光管404-5。上激光管404-4穿过上平面轴承513， 上平面轴承513安装在上平面轴承安装座512上，下激光管404-5固定在下平面轴承613上，下平面轴承613安装在下平面轴承安装座612上，尾纤式激光器404-8与光纤快速接头404-7连接，光纤快速接头404-7与尾纤404-6的裸光纤端连接， 尾纤404-6与陶瓷插芯404-3连接，陶瓷插芯404-3与插套404-2连接，上激光管404-4与透镜组404-1螺纹连接。

所述的透镜组404-1与尾纤404-6的光纤头的间距能够通过透镜组404-1与上激光管404-4的螺旋副调节，具有调焦功能，经过透镜组404-1聚焦的激光的出射方向由设置在上激光管404-4管壁上内部的插套404-2和管壁上的螺钉螺旋调节。通过校准可以实现改进型激光发射装置404的激光光束方向由上平面轴承513的球中心和下平面轴承613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。

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。

空间定位装置106：由固定滑轨112、双向滑轨111、二自由度的固定滑块108、二自由度双向滑块109、激光定位杆110和手术通道107组成。二自由度的固定滑块108滑动设置在固定滑轨112上；二自由度双向滑块109滑动设置在双向滑轨111上；固定滑轨112和双向滑轨111均为圆弧型，用螺钉互相固定，其所在的平面互相垂直；激光定位杆110安装在二自由度的固定滑块108上，手术通道107安装在二自由度双向滑块109上；激光定位杆110能在固定滑轨112内随二自由度的固定滑块108做±25°的滑移，滑移到位后，用螺柱固定；手术通道107能在双向滑轨111内随二自由度双向滑块109做±13°的滑移，滑移到位后，用螺柱固定。该空间定位装置可通过普通的夹持机构固定在手术台上，夹持部位为激光定位杆。

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，比如椎弓根手术的穿刺点，然后再配合空间定位装置，建立手术通道，实现三维导航。

体内靶点E在C臂机图像输出显示器上的显示点E’（图17）为体内靶点E在C臂机透视图像上的对应点。

本发明的导航设备的具体操作流程如下:

一、术前3D建模及手术通道规划：

（1）将病患部位的CT扫描数据导入计算机处理，重建病灶的3D模型；

（2）医生根据重建的病灶3D模型完成手术通道规划；

二、激光定位系统安装、启动、校准：

（a）将激光驱动装置104安装在C臂机的影像增强器103上；

（b）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；

（c）分别打开激光驱动装置104、工作服务器的电源打开后，系统进入初始状态；

（d）将矩阵校正板141插入激光驱动装置104上的矩阵校正板插槽1301内，利用C臂机获取基准透视图像15（图15）；通过数字信号分流装置将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；

（e）抽出步骤（d）中的矩阵校正板141，将激光驱动装置104中的上平面固定架510和下平面固定架610移动至激光驱动装置104的中间区域，此时上平面轴承安装座512和下平面轴承安装座612均处于激光驱动装置104的中心位置，上平面轴承安装座512与上平面固定架510属于激光驱动装置104的上平面运动机构401，上平面固定架510设置有3个上平面标识510-1，下平面轴承安装座612与下平面固定架610属于激光驱动装置104的下平面运动机构402，下平面固定架610设置有 3 个下平面标识610-1，上平面轴承安装座512上设置有1个上平面中心标识512-1，下平面轴承安装座612上设置有1个下平面中心标识612-1，利用C臂机获取透视图像15，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15的信息与当前的校准标识透视图像16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L1=上平面标识的横向间距/图像中对应的矩阵数，同理得出单位矩阵对应的上平面纵向距离L2=上平面标识的纵向间距/图像中对应的矩阵数，下平面横向距离L3=下平面标识的横向间距/图像中对应的矩阵数，下平面纵向距离L4=下平面标识的纵向间距/图像中对应的矩阵数，完成校准；

三、术中2D图像匹配及病灶点的定位：

（ⅰ）根据步骤（d）获取到的基准透视图像15和各个矩阵点的坐标信息，计算机构建出C臂机的理想锥形射线模型；将步骤（1）中重建的病灶3D模型置于理想的锥形射线，模拟出任意方向的投影图像，构成一个数据库（DRR数据库）；

（ⅱ）将病灶放至C臂机下，获取病灶透视图像17，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（e）获取的透视图像信息叠加到病灶透视图像17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L_上X=L1×N1、L_上Y=L2×N2、L_下X=L3×N3、L_下Y=L4×N4，并通过工作服务器的蓝牙模块将计算结果发送至激光驱动装置104，激光驱动装置104执行完毕后激光便指向病灶点，即完成2D的定位；

（ⅲ）将步骤（ⅱ）中获取的病灶透视图像17和步骤（ⅰ）中的数据库匹配，在计算机中生成病灶的3D空间姿态，并计算步骤（ⅱ）中生成的激光束105和步骤（2）中规划的手术通道107在病灶点的空间关系；

4、手术通道的建立：

①将空间定位装置106的激光定位杆110沿激光束105方向钉入病灶点E并固定；

②根据步骤（ⅲ）中激光束105与手术通道107的空间关系，调整空间定位装置106的二自由度的固定滑块108、二自由度双向滑块109，并固定；

③手术通道107成功建立。

本发明与申请号为201310515922.1，名为无创式实时手术定位导航设备的发明专利对比如下：

“无创式实时手术定位导航设备”中激光驱动装置的上平面运动机构和下平面运动机构驱动方式为：电机带动同步带，同步带带动滚珠丝杆，滚珠丝杆再带动轴承安装座的方式进行定位。中间传动结构太多，导致安装结构大，安装要求高。且丝杆传动方式一种扭矩力的传动，轴向传动精度高，但径向具有间隙，精度低。特别是长时间使用后，会造成磨损，需要再次调整。丝杆驱动方式定位速度慢。

本发明的激光驱动装置中上平面运动机构和下平面运动机构驱动方式为电机带动同步带，同步带直接带动轴承安装座的方式定位，安装要求低，定位精度高，定位快速。

“无创式实时手术定位导航设备”为开环定位方式，执行过程中不能对实际情况进行定位调整。

本发明为闭环定位方式，增加了行程测量装置，能对轴承安装座的位置进行实时读取与调整，提高了执行精度。

本发明的计算机不但具有二维导航功能，还具有三维建模、手术通道规划，术前术中三维匹配等功能。

本发明的空间定位装置能对病灶点进行三维空间定位，建立精确的手术通道。

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3D导航设备，其特征在于包括激光定位系统和空间定位装置，所述激光定位系统由激光驱动装置、工作服务器、数字信号分流器和显示器组成，激光驱动装置和工作服务器之间通过蓝牙通讯，工作服务器、数字信号分流器和显示器之间电连接；所述空间定位装置由相互配合的固定滑轨、双向滑轨、二自由度的固定滑块、二自由度双向滑块、激光定位杆和手术通道组成。

2.根据权利要求1所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述激光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、行程测量装置和驱动装置控制电路；所述上平面运动机构设有上平面步进电机，下平面运动机构上设置有下平面步进电机。

3.根据权利要求2所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述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、插套、陶瓷插芯和激光管组成，激光管分为上激光管和下激光管，上激光管通过上平面轴承安装在上平面运动机构上，下激光管通过下平面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，尾纤的光纤头端与激光管连接，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上激光管内部的插套与管壁上的螺钉螺旋调节。

4.根据权利要求3所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述的行程测量装置由磁栅读头、磁栅尺、磁栅读头固定架、拖链和拖链扣构成；所述的驱动装置控制电路与所述的工作服务器无线蓝牙连接，驱动装置控制电路还分别与上平面步进电机、下平面步进电机、改进型激光发射装置和行程测量装置相连。

5.根据权利要求4所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述上平面运动机构设置有上平面板、上平面导轨、上平面同步带、上平面带轮固定组件、上平面磁栅读头固定座I型、上平面磁栅读头固定座II型、上平面同步带固定座I型、上平面同步带固定座II型、上平面固定架、上平面轴承安装座、上平面轴承、上平面X向步进电机、上平面Y向步进电机、上平面限位挡块和上平面磁栅尺基座，其中，4根上平面导轨、上平面X向步进电机、上平面Y向步进电机、上平面带轮固定组件、2根上平面磁栅尺基座、4个上平面限位挡块均用螺钉固定在上平面板上，上平面X向步进电机通过上平面同步带与上平面同步带固定座II型和上平面带轮固定组件连接在一起，上平面Y向步进电机通过上平面同步带与上面面同步带固定座I型和上平面带轮固定组件连接在一起，上平面同步带固定座I型、上平面同步带固定座II型、上平面磁栅读头固定座I型、上平面磁栅读头固定座II型分别安装在4根上平面导轨上，上平面轴承安装在上平面轴承安装座上，上平面轴承安装座安装在上平面固定架上，其中一个上平面固定架两端分别与上平面磁栅读头固定座I型、上平面同步带固定座I型通过螺钉固定，另一个上平面固定架两端分别与上平面磁栅读头固定座II型、上平面同步带固定座II型通过螺钉固定；所述的下平面运动机构设置有下平面板、下平面导轨、下平面同步带、下平面带轮固定组件、下平面磁栅读头固定座I型、下平面磁栅读头固定座II型、下平面同步带固定座I型、下平面同步带固定座II型、下平面固定架、下平面轴承安装座、下平面轴承、下平面X向步进电机、下平面Y向步进电机、下平面限位挡块和下平面磁栅尺基座，其中，4根下平面导轨、下平面X向步进电机、下平面Y向步进电机、下平面带轮固定组件、2根下平面磁栅尺基座、4个下平面限位挡块均用螺钉固定在下平面板上，下平面X向步进电机通过下平面同步带与下平面同步带固定座II型和下平面带轮固定组件连接在一起，下平面Y向步进电机通过下平面同步带与下面面同步带固定座I型和下平面带轮固定组件连接在一起，下平面同步带固定座I型、下平面同步带固定座II型、下平面磁栅读头固定座I型、下平面磁栅读头固定座II型分别安装在4根上平面导轨上，下平面轴承安装在上平面轴承安装座上，下平面轴承安装座安装在下平面固定架上，其中一个下平面固定架两端分别与下平面磁栅读头固定座I型、下平面同步带固定座I型通过螺钉固定，另一个下平面固定架两端分别与下平面磁栅读头固定座II型、下平面同步带固定座II型通过螺钉固定；所述的上平面固定架与下平面固定架平行。

6.根据权利要求5所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述上平面固定架设置有3个上平面标识，上平面标识包括设置在上平面固定架的上、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；所述的下平面固定架设置有3个下平面标识，下平面标识包括设置在下平面固定架的上、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。

7.根据权利要求5所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述行程测量装置共设有4组，分别用来检测上平面轴承安装座X向和Y向、下平面轴承安装座X向和Y向的实时位置；所述磁栅读头固定架分别安装在上平面磁栅读头固定座I型、上平面磁栅读头固定座II型、下平面磁栅读头固定座I型、下平面磁栅读头固定座II型上，用螺钉固定；磁栅读头和拖链扣安装在磁栅读头固定架上，用螺钉固定；拖链安装在拖链扣上，用于保护磁栅读头连接线；磁栅尺分别安装在2个上平面磁栅尺基座和2个下平面磁栅尺基座上；磁栅尺与磁栅读头平行，相距0.8mm；上平面步进电机、下平面步进电机带动上平面固定架和下平面固定架移动时，磁栅读头一起跟随移动，在移动的过程中，磁栅读头实时读取磁栅尺内部的数据。

8.根据权利要求2所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述激光驱动装置上还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。

9.根据权利要求1所述的无创式实时手术定位3D导航设备，其特征在于所述二自由度的固定滑块滑动设置在固定滑轨上，所述二自由度双向滑块滑动设置在双向滑轨上；所述固定滑轨和双向滑轨均为圆弧型，用螺钉互相固定，其所在的平面互相垂直；所述激光定位杆安装在二自由度的固定滑块上，所述手术通道安装在二自由度双向滑块上；所述激光定位杆能在固定滑轨内随二自由度的固定滑块做±25°的滑移；所述手术通道能在双向滑轨内随二自由度双向滑块做±13°的滑移。

10.无创式实时手术定位3D导航设备的操作方法，其特征在于步骤如下：

一、术前3D建模及手术通道规划：

（1）将病患部位的CT扫描数据导入计算机处理，重建病灶的3D模型；

（2）医生根据重建的病灶3D模型完成手术通道规划；

二、激光定位系统安装、启动、校准：

（a）将激光驱动装置安装在C臂机的影像增强器上；

（b）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；

（c）分别打开激光驱动装置、工作服务器的电源打开后，系统进入初始状态；

（d）将矩阵校正板插入激光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；通过数字信号分流装置将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；

（e）抽出步骤 （d）中的矩阵校正板，将激光驱动装置中的上平面固定架和下平面固定架移动至激光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驱动装置的中心位置，上平面轴承安装座与上平面固定架属于激光驱动装置的上平面运动机构，上平面固定架设置有3个上平面标识，下平面轴承安装座与下平面固定架属于激光驱动装置的下平面运动机构，下平面固定架设置有 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的校准标识透视图像信息叠加，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L1=上平面标识的横向间距/图像中对应的矩阵数，同理得出单位矩阵对应的上平面纵向距离L2=上平面标识的纵向间距/图像中对应的矩阵数，下平面横向距离L3=下平面标识的横向间距/图像中对应的矩阵数，下平面纵向距离L4=下平面标识的纵向间距/图像中对应的矩阵数，完成校准；

三、术中2D图像匹配及病灶点的定位：

（ⅰ）根据步骤（d）获取到的基准透视图像和各个矩阵点的坐标信息，计算机构建出C臂机的理想锥形射线模型；将步骤（1）中重建的病灶3D模型置于理想的锥形射线，模拟出任意方向的投影图像，构成一个数据库；

（ⅱ）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（e）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L_上X=L1×N1、L_上Y=L2×N2、L_下X=L3×N3、L_下Y=L4×N4，并通过工作服务器的蓝牙模块将计算结果发送至激光驱动装置，激光驱动装置执行完毕后激光便指向病灶点，即完成2D的定位；

（ⅲ）将步骤（ⅱ）中获取的病灶透视图像和步骤（ⅰ）中的数据库匹配，在计算机中生成病灶的3D空间姿态，并计算步骤（ⅱ）中生成的激光束和步骤（2）中规划的手术通道在病灶点的空间关系；

四、手术通道的建立：

①将空间定位装置的激光定位杆沿激光束方向钉入病灶点E并固定；

②根据步骤（ⅲ）中激光束与手术通道的空间关系，调整空间定位装置的二自由度的固定滑块、二自由度双向滑块，并固定；

③手术通道成功建立。