CN1070328A - 一种新颖的脑立体定位方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脑立体定位方法，该方法包括 由主框架为测量基准平面，还有两彼此平行且分别与 测量基准平面正交的，置于片盒内的X光胶片为定 位辅助平面组成的平面系，该平面系具有一个以测量 基准平面中心为原点的坐标系，在片盒的上下端具有 定位的铝条，该方法根据三角形相似的原理，将任意 CT片上的靶点转换到所述的坐标系中，从而实现脑 立体定位。本发明还公开了按照上述方法设计的脑 立体定位装置及一种利用等边三角形的直接度量靶 点在直角坐标系中的坐标的直读图板。

Description

本发明涉及一种新颖的脑立体定位方法及其装置，特别是涉及用于CT的脑立体定位方法及其装置。

脑立体定位装置是在神经外科中用于CT对病灶或生理靶点进行立体定位的工具，是临床诊断、治疗和科研工作中不可缺少的重要设备。

脑立体定位装置的结构取决于定位方法，且也直接影响着它的使用性能。纵观现行的国内外用于CT配套的脑立体定位装置可以分成两大类。一种是基于度量法的采用特定扫描位置的脑立体定位装置，典型地是日本的驹井式定位装置，类似的还有Lekselll的定位装置，这类定位装置操作时只要使定位装置的基准平面与CT扫描平面相平行，这样，靶点的位置可以在CT片上用N形标志所成的象直接度量。但是，无论是驹井式还是Leksell的定位装置都存在着一个共同的缺点，就是要使定位装置的基准平面调节到与CT扫描平面平行，操作十分繁复，尤其对于熟练程度不高的操作人员，花费的占机时间就会更长，这显然是不符临床要求另一种类型的定位装置是基于计算法的任意扫描定位装置，这种定位装置虽然大大地缩短了占机时间，但带来了大量的事后处理，要通过复杂的计算才能确定靶点的位置。所以，现行的这两类脑立体定位装置都不能临床上的需要。

因此，本发明的一个目的在于提供一种能克服已有技术中的调机困难和计算繁复的缺点，实现在CT扫描过程中无需特定位置，又不需任何计算，即可得到靶点三维座标数据的，简单易行，新颖的脑立体定位方法。

本发明的另一目的在于提供一种在于根据前述的脑立体定位方法的、新颖的脑立体定位装置。

本发明的再一个目的在于提供一种按上述方法的装置在取得CT扫描片后，能迅速测定靶点位置的直读图板。

为了便于说明，在此先介绍附图。

图1是按照本发明的脑立体定位方法的座标系;

图2是按照本发明的脑立体定位方法的投影和座标转换关系;

图3是按照本发明的脑立体定位方法在一张任意的CT扫描片上的投影关系;

图4是按照图2所示的本发明的脑立体定位方法在辅助定位平面的X光胶片上所显示的X线扫描轨迹线及其投影关系;

图5是按照本发明的脑立体定位方法用二维图形求三维座标值的直读图板;

图6是按照本发明的脑立体定位方法的脑立体定位装置的一个优选实施例的透视图;

图7是片盒的透视图;

图8是片座的内部结构示意图;

图9是前盖的内部结构示意图。

按照本发明的脑立体定位方法，首先，按照图1确定定位系统的座标系。取脑立体定位装置的主框架ABCD所在平面为测量的基准平面，以该平面的中心O为座标原点，取在该平面内经原点O沿水平方向延伸的方向为X轴，沿垂直方向延伸的方向为Y轴，以及通过座标原点O沿垂直于所说的基准平面方向延伸的方向为Z轴从而构成了一个以主框架测量基准平面ABCD为基础的三维直角座标OXYZ。另置两个相互平行，且分别与主框架测量基准平面ABCD正交的，置于片盒内的X光胶片所在平面AEFB和DGHC作为定位辅助平面。设平面IJKL是一个任意的CT扫描平面。显然，该平面在OXYZ座标系中是一个任意的平行四边形，它与定位辅助平面AEFB和DGHC的交线分别为IJ和KL。靶点T是在任意CT扫描平面IJKL中一个欲定位的点（图2）。

为了确定任意CT扫描平面IJKL中的靶点T在直角座标系OXYZ中的位置，在两个片盒的上端和下端放置了分别与定位辅助平面AEFB的边AE和BF，和与定位辅助平面DGHC的边DG和CH相平行的铝条（为简单起见，在图1和图2中的铝条分别与上述所说的边重合），所说的铝条，在拍摄CT片时，分别成象在任意的CT扫描平面IJKL的I、J、K、L各点（图3）

为了求得靶点T在OXYZ座标系中的位置，需作一系列辅助线和辅助面（图2），包括：

通过靶点T作一条平行于IL和JK的平行线MN，它分别与IJ和KL相交于M和N;

作一个包括靶点T在内的平行于测量基准平面的辅助平面A′B′C′D′，目的在于把T点在CT扫描平面IJKL的几何关系转到该辅助平面上，然后通过靶点T作一条平行于A′D′或B′C′的直线M′N′，并分别交A′B′和C′D′于M′和N′;

经N点作一条垂直于定位辅助平面AEFB的直线NM″，并相交于该平面的M″点;

由靶点T作一条垂直于NM″的直线TT′，交NM″于T′

作一条IJ线在定位辅助平面DGHC上的垂直投影线，在该平面获得IJ的投影I′J′（图2和图4）;

在定位辅助平面DGHC的L点作一条平行于GH或DC的平行线，交HC于W;

再由M点作一条垂直于定位辅助平面DGHC的垂直线MX，交该平面于X;

通过M、M′和M″作一直线PQ，分别交EF和AB于P和Q;同时连接X、N′和N各点，并向两侧延伸，分别与GH、LW和DC相交于R、V、S。

通过所作的一系列辅助线和辅助面，可以得出下面三组相似三角形，即：

△NTT′～△NMM″①

△LNV～△LKW②

△TN′N～△MXN③

进而得出：

(NT)/(NM) ＝ (NT′)/(NM″) ④

(LN)/(LK) ＝ (LV)/(LM) ⑤

(NN′)/(NX) ＝ (NT)/(MN) ⑥

从图2中不难看出N′N＝TT′，从上述的比例关系可以求得T点在OXYZ座标系中的座标（需要注意的，座标原点O是在基准平面ABCD的中心）：

T_X＝ 1/2 AD-NT′⑦

T_Y＝ 1/2 CD-LV⑧

T_Z＝SN+TT′⑨

式中的AD和CD值在设计时可以设定，按照本发明的一个实施例，AD＝250毫米，CD＝160毫米。

按照本发明的脑立体定位方法，为了取消复杂的计算，本发明进一步提供了一种用二维平面图形来直接测量三维座标值的直读图板。

如图5所示，图中以B点为共同顶点的三个等边三角形，分别为△ABC、△DBC和△FBG，这三个等边三角形分别用于读出靶点T在OXYZ座标系中的座标值T_X、T_Y和T_Z的一部分即公式⑨中的TT′。

每个等边三角形的边长是这样确定的：

第一个等边三角形ABC的边长是主框架的水平方向的长度，或者是两侧胶片间的距离，按照本发明的一个优先实施例是250毫米。

第二个等边三角形DBE的边长是每只盒内两根铝条间的距离，按照本发明的一个优先实施例为160毫米。

第三个等边三角形△FBG的边长是等于图4中的线段XN的长度。

在图5中作∠ABC的角平分线，它分别与AC、DE、FG交于O、O′和O″，参照图2和公式⑦、⑧不难看出O和O′分别为OXYZ座标系中的X轴和Y轴的零点。

下面我们具体地利用图5所示的等边三角形的关系来确定靶点T的座标。

首先确定靶点T在X轴上的座标值T_X。截取图3中所示的MN的长度，在以B为顶点的等边三角形ABC的AB边和BC边上分别截取MN的长度，分别取得M点和N点，并连接，然后以N为起点，按图3所示的直线TN的长度在MN上求得T点，再连接BT并延伸交AB（X轴）于T′，量取OT′，即为所求的靶点T在OXYZ座标系的X轴上的座标T_X。

然后确定靶点T在Y轴上的座标值T_Y。以图4中线段LK的长度在以B为顶点的等边三角形DBE的BD和BE上分别求得K和L，并将它们连接，再以L为起点，用图4中的LN的长度在LK上截得H点，然后连接BH并延伸交DE于T″，量取O′T″即为欲求的靶点T在OXYZ座标系中的Y轴上的座标值T_Y。

最后确定靶点T在Z轴上的座标值T_Z。在前述的等边三角形FBG中和在求T_X值的连线BT在FG上有一个交点T′″，量取T′″G的长度，它实际上等于图4上的N′N，或者等于图2中TT′的长度，该长度只是靶点T在X轴上的座标值T_Z的一部分，它还要加上图2或者图4上的SN的长度，它们的和才是所求的座标值T。

图6所示是按照本发明的脑立体定位方法设计的脑立体定位装置的一个优先实施例的透视图。

在底板1上有两个用于连接和支承主框架3的支架2，为了适应不同病人的需要，所以，支架2与底板1之间采取可调节连接，如用螺杆（未画出），主框架3的中间有一个足以容纳被检者的头部的置入孔，在主框架3的一个侧面分布配置了四个

骨固定锥6它们通过压板5和螺钉4装在主框架3上，压板5的中间凸出部分有一个螺纹孔，因此，带螺纹的

骨固定锥6的伸出长度是可以调的。在主框架3的两侧分别有一个向外延伸的耳板7，耳板7的端部有一个用于插入放置X光胶片的片盒9的横向板8，横向板8与耳板7可以是一体的，也可以是分离的，如是后者，本专业普遍技术人员可以用熟知的方法连接成一体。应该注意，左右两块横向板8不仅要求互相平行，且还必须分别垂直于主框架3，这样才能被插入的左右两个片盒9装上后，使片盒9内的X光胶片平面处于既垂直于主框架3所确定的基准平面，而又彼此平行的位置上。

图7是片盒9的透视图，它由一个盒盖11和片座12所组成在片座12背向盒盖11的方向上的一侧有一个垂直放置安装架13，安装架13用本专业普遍技术人员所熟知的方式连接到片座12上，安装架13有一个与主框架3上的横向板8密配的T形槽14，T形槽14的一侧（未画出）有一个螺纹孔，该螺纹孔用于拧入止头螺钉，以保证片盒9装上后，使T形槽14相对于横向板8定位和固定。当然也可以用其它合适的方法定位和固定。

图8是片座12的内部结构示意图，片座12是长方形的，在它的周边内侧具有梯形凸缘15，在上下两端梯形凸缘的内侧各有一根铝条16，铝条是用于定标的。按照本发明的一个优先实施例上下两根铝条间的距离为160毫米。X光胶片17放置在梯形凸缘和铝条所包围的区域内。

应该指出的，两个片盒12内的铝条的位置是相互对应的。

图9所示是盒盖11的内部结构图，它也是长方形的，在其与片座12相接的一侧具有与片盒12的梯形凸缘15位置相对应的梯形槽18，槽18的深度应略大于凸缘15和铝条16的高度，以保证盒盖11和片座12装配后能密封，且应保证结合处不透光，当然，盒盖11和片座12还可以用其它方式连接。

片盒9也可以做成其它形式，例如，盒盖11和片座12可以在装入X光胶片时不必拆开，而是在盒盖11和片座12之间的侧面开有一个足以插入一个能放入X光胶片的片夹，如同固定式照相机放置照相底片的片夹那样。

盒盖11和片座12（除铝条外）应该用X光可透过的材料制造，例如塑料。

本发明的脑立体定位装置经我国黄河机器厂试制出样机，先后由徐州第一人民医院和北京市天坛医院神精外科进行实验室靶点试验和临床使用，均获满意的结果。与国内外已有技术相比，它具有设计原理新颖，节省大量的占机时间，易于使用，定位精度高，整机的综合误差小于0.3毫米，且不必进行繁复的计算。

按照本发明的脑立体定位方法、测量用的模板和脑立体定位装置的一个优选实施例，本专业的普遍技术人员可以在上述的基础上作出各种变换和改进，但这些变换和改进都在本发明要求保护的范围之内。

Claims (8)

1、一种用于实现脑立体定位的方法，其特征在于：

包括一个由主框架所确定的测量基准平面，和两个彼此平行的且与所说的测量基准平面正交的，置于片盒内的X光胶片平面所组成的平面系，在该平面系内，以所说的主框架的测量基准平面的中心为座标原点，以所说的测量基准平面内经所说的座标原点沿水平方向延伸的方向为X轴，经所说的座标原点沿垂直方向延伸的方向为Y轴，以及通过座标原点沿垂直于所说的测量基准平面方向延伸的方向为Z轴，从而组成三维的空间座标系：

在所说的片盒内有两根分别置于片盒上下两端，且彼此平行的用于定位的铝条，在CT靶点层面扫描时，在CT片上获得所说的用于定位的铝条的影像和靶点在该层面的影像，同时在两张X光片上记录靶点层面的X射线扫描轨迹线；

利用所说的CT片和两张X光片上所记录的影像，按照相似三角形的比例关系把靶点在任意CT扫描平面上的座标关系转换到所说的平面系的三维空间直角座标上，从而实现脑立体定位。

2、一种脑立体定位装置，它由底座、主框架和在主框架上的可调的

骨固定锥所组成，其特征在于在所说的主框架的两侧分别有一个与主框架正交的，且又彼此平行的，装在片盒内的X光胶片在所说的每个片盒内还有两块分别置于所说的片盒的上端和下端的且是彼此平行的用于定位的铝条。

3、按照权利要求2所说的脑立体定位装置，其特征在于所说的主框架的两侧分别有一块耳板，在耳板的外端有一块横向板，在所说的片盒上有一个将其装在横向板上的带T形槽的安装架。

4、按照权利要求2或3所说的脑立体定位装置，其特征在于所说的片盒由片座和盒盖所组成，所说的片座在其放X光胶片的一侧的周边附近有梯形凸缘，在其上下端分别置有定位用的铝条，在盒盖上有与之相适配的梯形槽，所说的凸缘和铝条的高度略小于梯形槽的深度，以保证两者密配。

5、按照权利要求4所说的脑立体定位装置，其特征在于所说的片盒是由片座和盒盖所组成，所说的片座和盒盖有一侧共同形成的开口，所说的开口足以容纳插入一个能置入X光胶片的片夹。

6、按照权利要求2所说的脑立体定位装置，其特征在于所说的主框架的水平长度（两张X光胶片的垂直距离）为260毫米，所说的在每个片盒中的两块用于定位的铝条间的距离为160毫米

7、一种用于按权利要求1所说的脑立体定位方法的确定靶点的三维空间座标的直读图板，其特征在于在所说的直读图板上有三个具有共同顶点的等边三角形，第一个三角形的边长等于主框架的水平长度（两张X胶片间的距离），它用于确定靶点在水平方向上的座标值X的度量，第二个三角形的边长等于片盒中两根铝条间的距离，它用于度量靶点的Y值，再一个三角形的边长是以含靶点的任意CT扫描层面在两张X光胶片上的投影确定，它用于度量靶点的Z值，在所说的图板上能将任意CT扫描靶点层面片和相应的X光胶片所记录下来的影象直接转换成靶点在三维空间座标系中的座标值。

8、按照权利要求7所说的直读图板，其特征在于所说的主框架水平长度（两张X光胶片间的距离）为250毫米，所说的在每一个片盒内的定位用的铝条间的距离为160毫米。

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