CN109350241A - 一种手动式手术导航定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械技术领域，公开了一种手动式手术导航定位系统，包括：定位跟踪传感器，用于发出和接收红外信号或电磁信号；手动式结构，手动式结构能够进行上、下、左、右、前、后的移动以及各方向的转动；定位跟踪标记，设置在手动式结构上并能反射定位跟踪传感器发出的红外信号或电磁信号；头戴式成像结构；控制箱，在控制箱的内部安装有能够根据定位跟踪传感器采集的空间位置信息来获取能够显示在头戴式成像结构中的三维图像空间信息的图像配准模块；以及锁定结构，设置在手动式结构的内部，并能够在手动式结构运动到目标空间位置后对手动式结构进行锁定。该手动式手术导航定位系统具有节约经济成本、定位准确以及能够进行自动锁定的优点。

Description

一种手动式手术导航定位系统

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种手动式手术导航定位系统。

背景技术

目前，在骨科以及神经外科等领域，手术导航技术的应用可以使医生看清体内的骨骼和脏器，并通过多自由度机器人将对应的手术工具定位到正确的空间位置。但是，由于机器人的成本比较昂贵，使用难度较大，且存在运动碰撞的风险，在实际的使用中存在着很大的限制。

因此，提供一种方便定位、定位准确以及达到目标位置后能够迅速锁死以实现空间定位的手术导航系统就成为了研究的重点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种手动式手术导航定位系统，以至少解决现有技术中多是采用机器人将对应的手术工具定位到正确的空间位置，然而，机器人的成本比较昂贵，使用难度较大，且存在运动碰撞的风险的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种手动式手术导航定位系统，包括：定位跟踪传感器，用于发出和接收红外信号或电磁信号；手动式结构，所述手动式结构能够进行上、下、左、右、前、后的移动以及各方向的转动；定位跟踪标记，设置在所述手动式结构上并能反射所述定位跟踪传感器发出的红外信号或电磁信号；头戴式成像结构；控制箱，在所述控制箱的内部安装有能够根据所述定位跟踪传感器采集的空间位置信息来获取能够显示在所述头戴式成像结构中的三维图像空间信息的图像配准模块；以及锁定结构，设置在所述手动式结构的内部，并能够在所述手动式结构运动到目标空间位置后对所述手动式结构进行锁定。

其中，所述手动式结构包括第一运动杆部和第二运动杆部，所述第一运动杆部通过铰链关节与所述第二运动杆部相连接，其中，所述第二运动杆部能够朝靠近和远离所述第一运动杆部的方向进行运动。

其中，在所述第一运动杆部的底端从上至下依次连接有第一旋转关节和第一球头关节，其中，所述第一旋转关节能促使所述第一运动杆部进行周向转动，所述第一球头关节能促使所述第一运动杆部进行多方位的转动。

其中，在所述第二运动杆部的顶端从下至上依次连接有第二旋转关节和第二球头关节，其中，所述第二旋转关节能促使所述第二运动杆部进行周向转动，所述第二球头关节能促使所述第二运动杆部进行多方位的转动。

其中，所述第一旋转关节包括与所述第一运动杆部的底端固定连接的第一转轴以及套设在所述第一转轴的外围的第一外筒体，其中，所述第一转轴能够相对所述第一外筒体进行周向转动。

其中，所述手动式手术导航定位系统还包括安装座，所述第一球头关节包括与所述第一外筒体固定连接的第一球壳，在所述第一球壳的下端面构造有开口朝向下方的第一凹槽，在所述第一凹槽的内部容纳有能进行自由转动的第一球头，其中，所述第一球头通过第一球杆与所述安装座固定连接。

其中，所述第二旋转关节包括与所述第二运动杆部的顶端固定连接的第二转轴以及套设在所述第二转轴的外围的第二外筒体，其中，所述第二转轴能够相对所述第二外筒体进行周向转动。

其中，所述手动式手术导航定位系统还包括手术器械，所述第二球头关节包括与所述第二外筒体固定连接的第二球壳，在所述第二球壳的下端面构造有开口朝向下方的第二凹槽，在所述第二凹槽的内部容纳有能进行自由转动的第二球头，其中，所述第二球头通过第二球杆与所述手术器械固定连接，在所述手术器械上安装有所述定位跟踪标记。

其中，所述锁定结构包括设置在所述第一运动杆部的内部的第一锁定结构和设置在所述第二运动杆部的内部的第二锁定结构，所述第一锁定结构包括第一伸缩电机和设置在所述第一球头的上方的第一锁紧球碗，其中，通过所述第一伸缩电机中的第一伸缩杆朝靠近所述第一锁紧球碗的方向运动，从而促使所述第一锁紧球碗压紧所述第一球头；所述第二锁定结构包括第二伸缩电机和设置在所述第二球头的下方的第二锁紧球碗，其中，通过所述第二伸缩电机中的第二伸缩杆朝靠近所述第二锁紧球碗的方向运动，从而促使所述第二锁紧球碗压紧所述第二球头。

其中，所述手动式手术导航定位系统还包括包裹在所述手动式结构的外围的消毒膜。

(三)有益效果

本发明提供的手动式手术导航定位系统，与现有技术相比，具有如下优点：

手术前，将该手动式结构安装于手术床旁，同时，将定位跟踪传感器和控制箱均安置在手术室内。操作者佩戴好头戴式成像结构，控制箱中会预先存储患者的CT(电脑扫描)\MRI(核磁共振)术前信息，并在手术室中获取术中信息。在使用常规的如下所述的手术器械后，定位跟踪传感器会发出红外信号或电磁信号，定位跟踪标记会将定位跟踪传感器发出的红外信号或电磁信号进行反射，该定位跟踪传感器便会根据反射回来的红外信号或电磁信号，获知定位跟踪标记的当前空间位置信息，通过采用图像配准模块，便可以计算得出需要显示在该头戴式成像模块上的手术器械的三维空间位置信息，操作者用手拖动该手动式结构，从而将其移动到待手术的空间位置，此时，通过锁定结构对手动式结构进行锁定，从而将手术器械完全定位于该待手术的空间位置。由此可见，本申请的手动式手术导航定位系统具有手动实现手术器械定位准确、并在定位后可以对手术器械进行迅速锁死的优点。这样，不仅降低了整体的经济成本，并且也有效地避免了现有的机器人在进行操作的过程中发生机械碰撞的情况。

附图说明

图1为本申请的实施例的手动式手术导航定位系统的整体结构示意图；

图2为图1中的手动式结构的整体结构示意图；

图3为图2中的第一旋转关节、第一球头关节以及第一锁定结构的连接关系的结构示意图；

图4为图2中的第二旋转关节、第二球头关节以及第二锁定结构的连接关系的结构示意图。

图中，1：定位跟踪传感器；2：手动式结构；21：第一运动杆部；211：第一旋转关节；211a：第一转轴；211b：第一外筒体；212：第一旋转关节；212a：第一球壳；212b：第一球头；212c：第一球杆；22：第二运动杆部；221：第二旋转关节；221b：第二外筒体；222：第二球头关节；222a：第二球壳；222b：第二球头；222c：第二球杆；3：定位跟踪标记；4：头戴式成像结构；5：控制箱体；6：图像配准模块；7：锁定结构；71：第一锁紧球碗；72：第二锁紧球碗；8：铰链关节；9：安装座；10：手术器械；20：消毒膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1至图4所示，图中示意性地显示了该手动式手术导航定位系统包括定位跟踪传感器1、手动式结构2、定位跟踪标记3、头戴式成像结构4、控制箱5、图像配准模块6以及锁定结构7。

在本申请的实施例中，该定位跟踪传感器1用于发出和接收红外信号或电磁信号。

该手动式结构2能够进行上、下、左、右、前、后的移动以及各方向的转动。

定位跟踪标记3设置在该手动式结构2上并能反射该定位跟踪传感器1发出的红外信号或电磁信号。

头戴式成像结构4通常佩戴在操作者的头上并位于操作者的眼睛的前方。

在该控制箱5的内部安装有能够根据该定位跟踪传感器1采集的空间位置信息来获取能够显示在该头戴式成像结构4中的三维图像空间信息的图像配准模块6。需要说明的是，该图像配准模块6的具体结构以及起到的作用均是本领域技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。

锁定结构7设置在该手动式结构2的内部，并能够在该手动式结构2运动到目标空间位置后对该手动式结构2进行锁定。具体地，手术前，将该手动式结构2安装于手术床旁，同时，将定位跟踪传感器1和控制箱5均安置在手术室内。操作者佩戴好头戴式成像结构4，控制箱5中会预先存储患者的CT(电脑扫描)\MRI(核磁共振)术前信息，并在手术室中获取术中信息。在使用常规的如下所述的手术器械10后，定位跟踪传感器1会发出红外信号或电磁信号，定位跟踪标记3会将定位跟踪传感器1发出的红外信号或电磁信号进行反射，该定位跟踪传感器1便会根据反射回来的红外信号或电磁信号，获知定位跟踪标记3的当前空间位置信息，通过采用图像配准模块6，便可以计算得出需要显示在该头戴式成像模块4上的手术器械10的三维空间位置信息，操作者用手拖动该手动式结构2，从而将其移动到待手术的空间位置，此时，通过锁定结构7对手动式结构2进行锁定，从而将手术器械10完全定位于该待手术的空间位置。由此可见，本申请的手动式手术导航定位系统具有手动实现手术器械10定位准确、并在定位后可以对手术器械10进行迅速锁死的优点。这样，不仅降低了整体的经济成本，并且也有效地避免了现有的机器人在进行操作的过程中发生机械碰撞的情况。

需要说明的是，该控制箱5可为个人电脑或其它工控电脑，通过定位跟踪传感器1实时采集所需的空间位置，该控制箱5便可以接受DICOM(医学数字成像和通信)等医学影像数据并生成三维影像数据，或是直接接收STL(标准模板库)等三维图像数据。

该头戴式成像结构4可为AR眼镜或增强现实眼镜，其与控制箱5电连接，操作时，可以将三维图像投影在操作者的视野里，指导操作者调整手动式结构2的位置。

该手术器械可为定位套筒或把持螺钉等。

还需要说明的是，该手动式结构2可以通过外部的开关来分别控制该手动式结构2内的第一伸缩电机中的第一伸缩杆和第二伸缩电机中的第二伸缩杆的伸出和缩回，从而使手动式结构2能够在松开和锁紧的状态间进行灵活地切换。

如图2至图4所示，为进一步优化上述技术方案中的手动式结构2，在上述技术方案的基础上，该手动式结构2包括第一运动杆部21和第二运动杆部22，该第一运动杆部21通过铰链关节8与该第二运动杆部22相连接，其中，该第二运动杆部22能够朝靠近和远离该第一运动杆部21的方向进行运动。具体地，通过在该第一运动杆部21和第二运动杆部22之间增设铰链关节8，容易理解，该铰链关节8的增设，仅仅是使得该第一运动杆部21与第二运动杆部22之间只能有一个方向的运动，即，通常是使得该第二运动杆部22朝靠近和远离该第一运动杆部21的方向进行运动。

需要说明的是，由于铰链关节8的结构是本领域技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。

如图2至图4所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，在该第一运动杆部21的底端从上至下依次连接有第一旋转关节211和第一球头关节212，其中，该第一旋转关节211能促使该第一运动杆部21进行周向转动，该第一球头关节212能促使该第一运动杆部21进行多方位的转动。这样，通过该第一旋转关节211的设置，可以使得该第一运动杆部21具有一个方向的自由度，即，使得该第一运动杆部21可以绕自身的轴线方向进行周向转动。该第一球头关节212的设置，可以使得该第一运动杆部21具有3个方向的自由，即，可以使得该第一运动杆部21具有多方位的空间运动的效果。这样，就大大地提高了该第一运动杆部21空间运动的灵活性，使其可以根据需要移动到任意方向的位置上。

如图2至图4所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，在该第二运动杆部22的顶端从下至上依次连接有第二旋转关节221和第二球头关节222，其中，该第二旋转关节221能促使该第二运动杆部22进行周向转动，该第二球头关节222能促使该第二运动杆部22进行多方位的转动。具体地，通过该第二旋转关节221的设置，可以使得该第二运动杆部22具有一个方向的自由度，即，使得该第二运动杆部22可以绕自身的轴线方向进行周向转动。该第二球头关节222的设置，可以使得该第二运动杆部22具有3个方向的自由度，即，可以使得该第二运动杆部22具有多方位的空间运动的效果。这样，就大大地提高了该第二运动杆部22空间运动的灵活性，使其可以根据需要移动到任意方向的位置上。

如图2至图4所示，在一个实施例中，图中还示意性地显示了该第一旋转关节211包括与该第一运动杆部21的底端固定连接的第一转轴211a以及套设在该第一转轴211a的外围的第一外筒体211b，其中，该第一转轴211a能够相对该第一外筒体211b进行周向转动。具体地，通过使得该第一转轴211a与该第一运动杆部21的底端固定连接，这样，在操作者拖拽该手动式结构2时，便可以实现该第一运动杆部21的周向转动。

如图1、图2、图3以及图4所示，为进一步优化上述技术方案中的手动式手术导航定位系统，在上述技术方案的基础上，该手动式手术导航定位系统还包括安装座9，该第一球头关节212包括与该第一外筒体211b固定连接的第一球壳212a，在该第一球壳212a的下端面构造有开口朝向下方的第一凹槽(图中未示出)，在该第一凹槽的内部容纳有能进行自由转动的第一球头212b，其中，该第一球头212b通过第一球杆212c与该安装座9固定连接。需要说明的是，通过使得该第一球壳212a与该第一外筒体211b固定连接，这样，便实现了该第一旋转关节211与第一球头关节212的连接，当操作者在将手动式结构2拖拽到目标空间位置后，该第一运动杆部21的运动会比较顺畅，不会发生运动受限的情况。

需要说明的是，该安装座9设置在地面上，起到固定该第一球头关节212的作用，进一步地，达到对第一运动杆部21的底端进行固定的目的。

在一个优选的实施例中，该第二旋转关节221包括与该第二运动杆部22的顶端固定连接的第二转轴(图中未示出)以及套设在该第二转轴的外围的第二外筒体221b，其中，该第二转轴能够相对该第二外筒体221b进行周向转动。具体地，通过使得该第二转轴与该第二运动杆部22的底端固定连接，这样，在操作者拖拽该手动式结构2时，便可以实现该第二运动杆部22的周向转动。

在本申请的另一个优选的实施例中，该手动式手术导航定位系统还包括手术器械10，该第二球头关节222包括与该第二外筒体221b固定连接的第二球壳222a，在该第二球壳222a的下端面构造有开口朝向下方的第二凹槽(图中未示出)，在该第二凹槽的内部容纳有能进行自由转动的第二球头222b，其中，该第二球头222b通过第二球杆222c与该手术器械10固定连接，在该手术器械10上安装有该定位跟踪标记3。需要说明的是，通过使得该第二球壳222a与该第二外筒体221b固定连接，这样，便实现了该第二旋转关节221与第二球头关节222的连接，当操作者在将手动式结构2拖拽到目标空间位置后，该第二运动杆部22的运动会比较顺畅，不会发生运动受限的情况。

如图3和图4所示，为进一步优化上述技术方案中的锁定结构7，在上述技术方案的基础上，该锁定结构7包括设置在该第一运动杆部21的内部的第一锁定结构和设置在该第二运动杆部22的内部的第二锁定结构，该第一锁定结构包括第一伸缩电机(图中未示出)和设置在该第一球头212b的上方的第一锁紧球碗71，其中，通过该第一伸缩电机中的第一伸缩杆朝靠近该第一锁紧球碗71的方向运动，从而促使该第一锁紧球碗71压紧该第一球头212b。具体地，当操作者将手动式结构2拖动到目标空间位置后，通过启动该第一伸缩电机，该第一伸缩电机中的第一伸缩杆会逐渐推动该第一锁紧球碗71，从而使得该第一锁紧球碗71朝靠近该第一球头212b的方向运动，直至该第一锁紧球碗71压紧在该第一球头212b的上端后，停止运动，此时便达到了将该第一球头212b进行锁紧的目的，这样，就确保了该第一运动杆部21在目标空间中的位置，避免其碰撞到其它部位或是发生定位不准确的情况。

该第二锁定结构包括第二伸缩电机(图中未示出)和设置在该第二球头222b的下方的第二锁紧球碗72，其中，通过该第二伸缩电机中的第二伸缩杆朝靠近该第二锁紧球碗72的方向运动，从而促使该第二锁紧球碗72压紧该第二球头222b。具体地，当操作者将手动式结构2拖动到目标空间位置后，通过启动该第二伸缩电机，该第二伸缩电机中的第二伸缩杆会逐渐推动该第二锁紧球碗72，从而使得该第二锁紧球碗72朝靠近该第二球头222b的方向运动，直至该第二锁紧球碗72压紧在该第二球头222b的上端后，停止运动，此时便达到了将该第二球头222b进行锁紧的目的，这样，就确保了该第二运动杆部22在目标空间中的位置，避免其碰撞到其它部位或是发生定位不准确的情况。

需要说明的是，该第一伸缩电机中的第一伸缩杆和第二伸缩电机中的第二伸缩杆应当是同步运动，这样，才可以确保该第一运动杆部21与第二运动杆部22在运动到目标空间位置后能够同时锁死。进一步地，确保该第一运动杆部21和第二运动杆部22运动的一致性。

此外，还需要说明的是，该第一伸缩电机和第二伸缩电机的运动，可通过设置在该控制箱5上的开关(图中未示出)来进行控制，即，打开开关时，该第一伸缩电机中的第一伸缩杆和第二伸缩电机中的第二伸缩杆开始做出同步伸出运动。当再次按压该开关时，该第一伸缩杆和第二伸缩杆将同时做出停止运动。

如图1所示，在一个实施例中，图中还示意性地显示了该手动式手术导航定位系统还包括包裹在该手动式结构2的外围的消毒膜20。具体地，为了保证无菌需求，可将该手动式结构2套在无菌的消毒膜内，从而起到隔绝细菌的作用，避免在该手动式结构2进行工作时，带入细菌。

需要说明的是，该消毒膜20的材质是本领域技术人员所熟知的，为节约篇幅起见，此处不做详述。

综上所述，手术前，将该手动式结构2安装于手术床旁，同时，将定位跟踪传感器1和控制箱5均安置在手术室内。操作者佩戴好头戴式成像结构4，控制箱5中会预先存储患者的CT(电脑扫描)\MRI(核磁共振)术前信息，并在手术室中获取术中信息。在使用常规的如下所述的手术器械10后，定位跟踪传感器1会发出红外信号或电磁信号，定位跟踪标记3会将定位跟踪传感器1发出的红外信号或电磁信号进行反射，该定位跟踪传感器1便会根据反射回来的红外信号或电磁信号，获知定位跟踪标记3的当前空间位置信息，通过采用图像配准模块6，便可以计算得出需要显示在该头戴式成像模块4上的手术器械10的三维空间位置信息，操作者用手拖动该手动式结构2，从而将其移动到待手术的空间位置，此时，通过锁定结构7对手动式结构2进行锁定，从而将手术器械10完全定位于该待手术的空间位置。由此可见，本申请的手动式手术导航定位系统具有手动实现手术器械10定位准确、并在定位后可以对手术器械10进行迅速锁死的优点。这样，不仅降低了整体的经济成本，并且也有效地避免了现有的机器人在进行操作的过程中发生机械碰撞的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种手动式手术导航定位系统，其特征在于，包括：

定位跟踪传感器，用于发出和接收红外信号或电磁信号；

手动式结构，所述手动式结构的末端能够进行上、下、左、右、前、后的移动以及各方向的转动；

定位跟踪标记，设置在所述手动式结构上并能反射所述定位跟踪传感器发出的红外信号或电磁信号；

头戴式成像结构；

控制箱，在所述控制箱的内部安装有能够根据所述定位跟踪传感器采集的空间位置信息来获取能够显示在所述头戴式成像结构中的三维图像空间信息的图像配准模块；以及

锁定结构，设置在所述手动式结构的内部，并能够在所述手动式结构运动到目标空间位置后对所述手动式结构进行锁定。

2.根据权利要求1所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，所述手动式结构包括第一运动杆部和第二运动杆部，所述第一运动杆部通过铰链关节与所述第二运动杆部相连接，其中，所述第二运动杆部能够朝靠近和远离所述第一运动杆部的方向进行运动。

3.根据权利要求2所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，在所述第一运动杆部的底端从上至下依次连接有第一旋转关节和第一球头关节，其中，所述第一旋转关节能促使所述第一运动杆部进行周向转动，所述第一球头关节能促使所述第一运动杆部进行多方位的转动。

4.根据权利要求3所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，在所述第二运动杆部的顶端从下至上依次连接有第二旋转关节和第二球头关节，其中，所述第二旋转关节能促使所述第二运动杆部进行周向转动，所述第二球头关节能促使所述第二运动杆部进行多方位的转动。

5.根据权利要求4所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，所述第一旋转关节包括与所述第一运动杆部的底端固定连接的第一转轴以及套设在所述第一转轴的外围的第一外筒体，其中，所述第一转轴能够相对所述第一外筒体进行周向转动。

6.根据权利要求5所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，所述手动式手术导航定位系统还包括安装座，所述第一球头关节包括与所述第一外筒体固定连接的第一球壳，在所述第一球壳的下端面构造有开口朝向下方的第一凹槽，在所述第一凹槽的内部容纳有能进行自由转动的第一球头，其中，所述第一球头通过第一球杆与所述安装座固定连接。

7.根据权利要求6所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，所述第二旋转关节包括与所述第二运动杆部的顶端固定连接的第二转轴以及套设在所述第二转轴的外围的第二外筒体，其中，所述第二转轴能够相对所述第二外筒体进行周向转动。

8.根据权利要求7所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，所述手动式手术导航定位系统还包括手术器械，所述第二球头关节包括与所述第二外筒体固定连接的第二球壳，在所述第二球壳的下端面构造有开口朝向下方的第二凹槽，在所述第二凹槽的内部容纳有能进行自由转动的第二球头，其中，所述第二球头通过第二球杆与所述手术器械固定连接，在所述手术器械上安装有所述定位跟踪标记。

9.根据权利要求8所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，所述锁定结构包括设置在所述第一运动杆部的内部的第一锁定结构和设置在所述第二运动杆部的内部的第二锁定结构，所述第一锁定结构包括第一伸缩电机和设置在所述第一球头的上方的第一锁紧球碗，其中，通过所述第一伸缩电机中的第一伸缩杆朝靠近所述第一锁紧球碗的方向运动，从而促使所述第一锁紧球碗压紧所述第一球头；

所述第二锁定结构包括第二伸缩电机和设置在所述第二球头的下方的第二锁紧球碗，其中，通过所述第二伸缩电机中的第二伸缩杆朝靠近所述第二锁紧球碗的方向运动，从而促使所述第二锁紧球碗压紧所述第二球头。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的手动式手术导航定位系统，其特征在于，所述手动式手术导航定位系统还包括包裹在所述手动式结构的外围的消毒膜。