CN108478281A - 一种骨科导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨科导航系统，其包括安装在手术器械上的角度方位定位装置、两个以上的激光投影板、两个以上的激光投影点采集器、计算机；该装置中的角度方位定位装置可以测得当前手术器械的角度，激光投影点采集器可以采集到激光束在激光投影板上的位置变化，进而判断手术器械在垂直方向上的位移情况，获得手术器械的进入深度；本发明装置通过上述信息显示手术器械的3D图像，并通过计算机与术前病患手术部位三维图像融合，实现手术的多视角观察，减少X光透视的使用次数和时间，减少医护人员和患者的辐射剂量，避免了不必要的伤害，本装置结构简单、有效，适于工业化生产和市场推广应用。

Description

一种骨科导航系统

技术领域

本发明属于骨科手术术中器械导航领域，具体涉及一种骨科导航系统，解决微创术中手术器械导航定位的问题，可以大幅减少医护人员在术中的辐射量。

背景技术

随着医疗水平的不断提高，人们对于手术的安全性和有效性的要求也日益增加，现今外科手术已向微创方向发展，逐步取代传统的开放手术。计算机辅助技术就成为目前骨科的一个主要发展方向。骨科导航技术，如今已涉及脊柱外科、关节外科、创伤外科、骨肿瘤和矫形外科。

在骨科手术中，如何避开错综复杂的神经、血管，以最小的手术损伤，准确地固定和修复骨折一直是创伤骨科医生的梦想和面临的挑战。计算机辅助骨科手术是利用计算机对数字化医学影像的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境为骨科医生从技术上提供支援，使手术更微创、更安全、更准确。正因为这是一项基于术中图像，应用相应定位手段，对手术部位及术中的手术器械进行实时跟踪、显示、定位、引导而进行手术的技术，其工作原理犹如在航空、航海中为飞机和舰船进行导航一样。计算机辅助骨科手术是以计算机图像处理工作站及影像跟踪设备为核心的手术系统，此系统的基本功能是将医学影像设备提供的图像进行信息化处理，并结合立体定位系统对真正的人体肌肉、骨骼解剖结构进行显示和定位，借助计算机进行手术。

近年来，随着计算机辅助骨科手术（CAOS）技术和设备的不断发展，越来越多的骨科医生开始在临床工作中应用CAOS，并作为开展创伤骨科微创手术的主要技术和手段。由于CAOS综合了计算机、医学图像处理、精密器械制造和医用机器人技术，是多学科智慧的结晶，使其在很多方面具有传统骨科手术无法比拟的技术优势，极大促进了骨科手术向真正意义的外科微创化、智能化目标发展。近年来国内少数大医院陆续在神经外科、骨科等学科开展了该项技术。

正如每一项新技术的发展过程一样，创伤骨科导航技术尚处于起步阶段，实践中还存在许多问题。除创伤骨科导航特有硬件和软件技术的不断研发与完善之外，对从事导航手术的骨科医生的培训以及骨科导航技术标准在我们亚洲人群中的建立亦是骨科医生的当务之急。

透视导航技术较常用于脊柱和骨盆骨折的手术。由于脊柱和骨盆的解剖结构特殊和邻近器官解剖关系的复杂，再加上手术要求高，传统手术方法存在着不少不足之处。自从引入导航技术后，我们可以做到多角度，实时监控操作，最大限度的避开危险区域，显著提高了准确率。通常手术能在短时间内完成，且属于微创手术，切口相当小，所以大大减少了患者的出血量。同时，由于骨科手术无法避免透视，这也是患者和医护人员相当关心的问题，由于采用了导航技术，可以多视角观察，且可以虚拟手术过程，所以无需反复透视，大大降低了X线透视时间，节省了医疗资源。

对于多发骨折的患者，导航技术的优点还在于手术过程当中无需过多改变手术体位，从而减少手术带来的风险。对于胫骨、股骨进行髓内钉和空心钉治疗的患者，如同军事中的导弹定位系统能准确制定导弹攻击目标一样，透视导航技术也能准确指导内固定物放置的位置，从而提高手术的一次性成功率，减少患者所受到的损伤。此外，在膝关节截骨矫形手术治疗膝关节炎时，运用透视导航技术也有其优势，可以在术中对患肢力线进行测量，直接获得必要的各项客观指标数据，犹如飞行中的导航仪可随时调整航向，指导手术操作，更进一步提高了截骨矫形术的精确性和实用价值。

透视导航技术的实时监测功能减少了患者和医生的X 线照射量，提高了手术的精确度、准确度和安全性，缩短了手术时间和减小了手术创伤。此外，透视导航系统将在虚拟外科环境中的外科培训和评价中也发挥了重要作用。这一技术将不仅为年轻外科医师进行外科实践提供机会，而且也将出现设计外科技术资格客观评价的检测系统。

目前主流的透视导航技术中使用最广泛、精度最高的是光学定位导航系统，精度可以达到1㎜，主要是美敦力、史塞克等器械商提供，其技术主要依靠视频图像处理，主要基于多摄像头对带有识别标识手柄的手术器械进行模式识别后，与术前CT或MRI扫描图像结合，完成术中的透视导航；

但基于光学的导航系统严重依赖于多摄像头的联合同步拍摄，这就对手术室内的光线、摄像头的拍摄视线上的光路有较高要求，这就造成了在手术中，无影灯、其余手术器材、以及来回穿梭的医护人员都可能对摄像头的拍摄效果造成影响，从而干扰手术的进行。

发明内容

本发明涉及一种骨科导航系统，其包括安装在手术器械上的角度方位定位装置、两个以上的激光投影板、两个以上的激光投影点采集器、计算机；其中，安装在手术器械上的角度方位定位装置包括陀螺仪、两个以上的激光器、电源模块、核心处理器、无线发射模块Ⅰ；陀螺仪与激光器分别与电源模块连接，陀螺仪通过核心处理器与无线发射模块Ⅰ连接，无线发射模块Ⅰ与计算机连接，激光器与激光投影板相配合，激光投影点采集器用于采集激光器发射的激光在激光投影板上的投影点；激光投影点采集器与计算机连接。

陀螺仪可以感知自身三维姿态，如果将陀螺仪固定于手术器械上，与手术器械随动时可以获得手术器械目前的三维姿态，同时采用激光定位技术可以获知手术器械在垂直方向上的位移情况，最后融合术前三维平扫的MRI图像，则可以清晰地实时恢复出手术器械的介入情况，达到术中可视化导航的目的。

当激光投影板是半透明的薄膜板时，激光投影点采集器为摄像头，摄像头拍摄激光器发射的激光在激光投影板上的投影点，摄像头与计算机连接。

摄像头可安装在计算机上。

当激光投影板是由光电转换阵列组成的平面时，激光投影点采集器为单片机和无线发射模块Ⅱ，且单片机设置在激光投影板背面，单片机通过无线发射模块Ⅱ与计算机连接，单片机采集光电转换阵列中光电转换器输出的电流进而确定激光投影点的位置。

所述核心处理器为单片机、数字信号处理器或大规模可编程逻辑门列阵。

所述计算机包括以下模块：

数据接收存储模块，用于接收无线发射模块Ⅰ和激光投影点采集器传输的信息，并存储；

图像重构模块，将激光投影点采集器采集到的位移信息、陀螺仪采集到的角度信息用于调整计算机中的手术器械的3D图像姿态，然后再将术前三维平扫的MRI图像和术中手术器械的3D图像实时融合。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

1、角度方位定位装置

安装在手术器械上的角度方位定位装置是整个导航系统的核心部件，其包括陀螺仪、两个以上的激光器、电源模块、核心处理器、无线发射模块Ⅰ；其通过接口与手术器械连接；

其中，陀螺仪是一个三轴感知的陀螺仪芯片，可以获得在手术器械运动过程中的θ、ψ两个方向的角度信息，其中θ为手术器械轴线与坐标系垂轴Z正向的夹角，ψ为手术器械轴线与坐标系水平轴X的正向的夹角（图1）；

激光器设置2个以上且朝向不同的方向，发射激光照射到激光投影板上用于在垂直方向上的上下位移；

核心处理器与陀螺仪芯片相连，采集该芯片感知到的θ、ψ两个方向的角度信息，并将该两角度信息发送给无线发射模块Ⅰ；再由无线发射模块Ⅰ将角度信息发送给计算机；

电源模块为整个系统的电子部分提供电能，是可拆卸的锂电池，也可以是固定集成于装置中的电池，具有充电口，可以在术中进行快速充电。

2、激光投影板

该激光投影板是一个半透明的方形薄膜板，其作用是将激光器发射的激光投影到投影板上，手术开始时的初始位置设置为起点，当角度方位定位装置随手术器械一起做垂直方向运动时，激光在投影板上的投影点随之做相应的方向运动，通过摄像头对该投影板进行实时图像拍摄，进而判断出手术器械的进入深度。

激光投影板放置于术前确定固定位置，且激光投影板最上沿正对激光器；

另外该激光投影板是由光电转换阵列组成的平板，光电转换阵列是由光电转换器组成，具体制作方法为在一块电路板上安装N×N阵列排布的光电转换器单元，每个光电转换器将光信号转换为能被单片机采集电压/电流信号，在某个光电转换器被激光照射时，其输出电压/电流将会增加，通过单片机的采集和判断，确定目前激光投影点的位置，进而确定手术器械的垂直位移。

通过单片机采集每个光电转换器输出电流变化，确定手术器械的垂直位移情况，然后通过无线发射模块Ⅱ将此时的垂直位移情况上传至计算机，进而判断出手术器械的进入深度。

另外，激光投影板设置两个以上，激光器与激光投影板相配合，且数量一致，防止由于某条光路被无意中遮挡的情况下，还有另外的激光投影板可以确定手术器械垂直运动位移的情况。

3、计算机

计算机主要承担将两部分3D图像进行实时融合的功能，包括术前的MRI图像和术中手术器械的3D图像；

计算机承担图像融合功能，同时控制激光投影点采集器进行图像采集，接收无线接收模块Ⅰ和激光投影点采集器发来的信息等功能；控制方法为常规方法；

2个以上的摄像头一一对应于2个以上的激光投影板，该摄像头可以较近的距离靠近投影板，减少了光路遮挡的可能性。

其包括数据接收存储模块，用于接收无线发射模块Ⅰ和激光投影点采集器传输的信息，并存储，使计算机能够实时获得手术器械目前的三维姿态数据；图像重构模块，将激光投影点采集器采集到的位移信息、陀螺仪采集到的角度信息用于调整计算机中的手术器械的3D图像姿态，然后再将术前三维平扫的MRI图像和术中手术器械的3D图像实时融合。

计算机主要实现以下功能：

A、存储各种手术器械的三维图像，同时可以方便的进行术中切换、组合；

B、接收无线发射模块Ⅰ发来的信号，获取目前手术器械的三维姿态数据后将手术器械的三维图像实时显示；

C、存储术前患者的MRI三维图像；

D、接收激光投影点采集器采集到垂直方向位移信息；

E、接收陀螺仪采集到的角度-姿态信息；

F、将上述图像进行实时三维融合；

G、在关键部位操作时，提供边界识别功能，在手术器械与关键部位接近时向手术人员提供报警。

本发明关键在于：

1、由于本发明的器械主要针对微创手术，术前必须对手术入路点皮肤上做出入路标志点，该标示点采用可以对X光或核磁形成阻滞的材料，可以在术前的三维重建中显影，以确定手术入路点的位置，同时该标示点应为整个手术过程中的坐标标准点，即该点为全空间域的坐标零点；

2、在手术中所有的操作器械在接触到上述零点时，开启骨科导航系统并发送开始指令给计算机，以此时为工作起点；

3、以上述坐标零点为准，构建空间三维坐标系（x_i 、y_i、z_i），下述所有操作均在该坐标系内操作；

4、在手术中，应准确确定手术器械垂直方向的位移ΔL，采用固定于手柄上的两个以上的激光器发射激光，投影到固定于手术操作台上的两个以上的激光投影板上；

5、在手术中，陀螺仪获得此时的手术器械的角度参数，为θ、ψ两个方向的角度信息，进而获得目前手术器械的姿态，通过在计算机上实时显示出当前的手术器械在三维坐标系内角度姿态情况；

6、根据前述激光定位获得手术器械垂直方向上的位移，同步获得手术器械在三维坐标系内的垂直高度变化情况。

本发明的效果是：采用三维融合技术，通过陀螺仪获取手术器械的姿态，通过激光定位获得当前手术器械的位置信息，再与术前三维扫描重建的病患部位三维图像进行融合，在整个操作中可以减少X光机的使用量，手术中医护人员和患者在术中收到的辐射剂量。

附图说明

图1为三维坐标示意图；

图2为本发明装置结构示意图；

图3为本发明装置结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。

实施例1：如图2所示，本骨科导航系统包括安装在手术器械上的角度方位定位装置、3个激光投影板、3个激光投影点采集器、计算机；其中，安装在手术器械上的角度方位定位装置包括陀螺仪、3个激光器、电源模块、核心处理器、无线发射模块Ⅰ；陀螺仪与激光器分别与电源模块连接，陀螺仪通过核心处理器与无线发射模块Ⅰ连接，无线发射模块Ⅰ与计算机连接，激光器与激光投影板相配合，激光投影点采集器用于采集激光器发射的激光在激光投影板上的投影点，激光投影点采集器与计算机连接；所述核心处理器为单片机，例如，STM32，瑞萨等，本装置中激光投影板是半透明的薄膜板，激光投影点采集器为摄像头，摄像头拍摄激光器发射的激光在激光投影板上的投影点，摄像头从激光投影板背面拍摄投影点，摄像头与计算机连接；计算机包括以下模块：数据接收存储模块，用于接收无线发射模块Ⅰ和激光投影点采集器传输的信息，并存储；图像重构模块，将激光投影点采集器采集到的位移信息、陀螺仪采集到的角度信息用于调整计算机中的手术器械的3D图像姿态，然后再将术前三维平扫的MRI图像和术中手术器械的3D图像实时融合。

实施例2：如图3所示，本骨科导航系统结构同实施例1，不同在于：激光投影板是由光电转换阵列组成的平板，光电转换阵列是由光电转换器组成（在一块电路板上安装N×N阵列排布的光电转换器单元，每个光电转换器将光信号转换为能被单片机采集电压/电流信号），激光投影点采集器为单片机和无线发射模块Ⅱ，且单片机设置在激光投影板背面，单片机通过无线发射模块Ⅱ与计算机连接，单片机采集光电转换阵列中光电转换器输出的电流进而确定激光投影点的位置；核心处理器为数字信号处理器，例如：TMS320C6000系列，本装置中的角度方位定位装置可以先做成一个辅助手柄，然后通过接口连接的方式安装在手术器械上。

在术前，需要对患者手术部位进行X光或核磁共振下的三维平扫重建，在手术的入路点通过涂抹对X光或核磁具有阻滞作用的材料，作为整个三维空间的零点；

在术前，还要将手术中所有将用到的器械均进行三维扫描，构建三维模型存储于计算机中，在手术中将手柄连接与手术器械上，在更换或添加手术器械时，在计算机中同步更换或添加该手术器械；

其中，陀螺仪能够感知目前手术器械的三维姿态信息，并用此姿态信息转换手术器械的两个角度信息，分别为θ、ψ两个方向的角度信息，其中θ为手术器械轴线与坐标系垂轴Z正向的夹角，ψ为手术器械轴线与坐标系水平轴X的正向的夹角，如图1所示；并通过无线传输模块Ⅰ将上述两个角度信息发送给计算机，在该计算机内实现对目前手术器械姿态的显示；

激光器配合固定于手术台上的激光投影板用于定位操作，通过激光束在激光投影板上的位置变化来判断手术器械在垂直方向上的位移情况，获得手术器械的进入深度。

在计算机中主要实现图像的实时融合：

首先，确定目前是哪一种或者几种手术器械正在操作，将上述手术器械的图像调入计算中；

然后，在接收到骨科导航系统发出的起始指令后，开始进行术前患者三维重构图像和手术器械三维图像的实时融合工作；

在术中，根据陀螺仪传来的姿态信息和激光投影板传来的垂直高度信息，将手术器械三维图像实时融合入术前患者三维重构图像中。

Claims (5)

1.一种骨科导航系统，其特征在于：包括安装在手术器械上的角度方位定位装置、两个以上的激光投影板、两个以上的激光投影点采集器、计算机；

其中，安装在手术器械上的角度方位定位装置包括陀螺仪、两个以上的激光器、电源模块、核心处理器、无线发射模块Ⅰ；陀螺仪与激光器分别与电源模块连接，陀螺仪通过核心处理器与无线发射模块Ⅰ连接，无线发射模块Ⅰ与计算机连接，激光器与激光投影板相配合，激光投影点采集器用于采集激光器发射的激光在激光投影板上的投影点；激光投影点采集器与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的骨科导航系统，其特征在于：当激光投影板是半透明的薄膜板时，激光投影点采集器为摄像头，摄像头拍摄激光器发射的激光在激光投影板上的投影点，摄像头与计算机连接。

3.根据权利要求1所述的骨科导航系统，其特征在于：当激光投影板是由光电转换阵列组成的平板时，激光投影点采集器为单片机和无线发射模块Ⅱ，且单片机设置在激光投影板背面，单片机通过无线发射模块Ⅱ与计算机连接，单片机采集光电转换阵列中光电转换器输出的电流进而确定激光投影点的位置。

4.根据权利要求1所述的骨科导航系统，其特征在于：核心处理器为单片机、数字信号处理器或大规模可编程逻辑门列阵。

5.根据权利要求1所述的骨科导航系统，其特征在于，计算机包括以下模块：

数据接收存储模块，用于接收无线发射模块Ⅰ和激光投影点采集器传输的信息，并存储；

图像重构模块，将激光投影点采集器采集到的位移信息、陀螺仪采集到的角度信息用于调整计算机中的手术器械的3D图像姿态，然后再将术前三维平扫的MRI图像和术中手术器械的3D图像实时融合。