CN109363771B - 一种融合术中2d规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，由C型臂X光机，图像传输服务器，双目视觉位置跟踪装置，隧道位置指示末端，定位机器人以及进行多隧道规划及导航的操作软件组成。手术中首先对股骨分别采集正侧位X线图像然后在图像中进行多隧道规划，通过软件中的2D‑3D空间关系相互转换模块，将图像上规划的2D隧道坐标转换为空间中的3D坐标，并通过导航模块控制机器人进行精确的隧道定位，从而为医生的临床手术提供精准参考，提高手术效率的同时减少术中辐射。

Description

一种融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统
技术领域
本发明涉及一种股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，特别是涉及一种融合术中C臂X线图像2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统。
背景技术
股骨颈骨折常发生于老年人，随着人的寿命延长，其发病率日渐增高，尤其随着人口老龄化，已成为严重的社会问题。
造成老年人发生骨折有两个基本因素，骨质疏松骨强度下降,加之股骨颈上区滋养血管孔密布，均可使股骨颈生物力学结构削弱，使股骨颈脆弱。另外，因老年人髋周肌群退变，反应迟钝，不能有效地抵消髋部有害应力，加之髋部受到应力较大（体重2～6倍），局部应力复杂多变，因此不需要多大的暴力，如平地滑倒、由床上跌下或下肢突然扭转，甚至在无明显外伤的情况下都可以发生骨折。而青壮年股骨颈骨折，往往由于严重损伤如车祸或高处跌落致伤。因过度过久负重劳动或行走，逐渐发生骨折者，称之为疲劳骨折。
股骨颈骨折的最佳治疗方法是手术复位内固定，通过手术愈合率在80%～90%。本专利中提供了一种融合术中C臂X线图像2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，利用计算机并结合图像处理、机器人控制、视觉跟踪等技术辅助医生精确的完成多隧道植钉操作，减少术中辐射，提高手术精准率。
发明内容
本发明旨在提供一种融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，利用计算机并结合图像处理、机器人控制、视觉跟踪等技术辅助医生精确的完成多隧道植钉操作。首先采集患者的骨折处X线图像数据，进行隧道入点和止点的2D规划，并通过空间映射关系计算出相应的3D规划信息，最后将规划的3D信息传递给机器人控制机器人运动使得隧道位置指示末端轴线与规划的隧道重合。这样不仅使得手术的效率和精度大大提高，而且有效的降低了传统手术由于植钉位置偏差引起后遗症的风险。
本发明由C型臂X光机、图像传输服务器、双目视觉位置跟踪装置、隧道位置指示末端、定位机器人、图像校正标定板、计算机以及进行多隧道规划及导航的操作软件组成技术方案如下：
本发明的多隧道规划及导航操作软件，主要由图像采集与传输模块、图像校正与标定模块、2D-3D转换模块、机器人导航与控制模块构成。
所述图像采集与传输模块主要是用于采集C型臂拍摄的X线图像，并将其转换成一定格式后传递给图像校正与标定模块。
所述校正标定板6是厚度在 10-50 mm的圆形装置，正面固定48或72个规则均匀分布的刚性等半径小球用于图像校正，内部错落的分布着9个半径不同的刚性小球用于标定，九个标定小球的半径均大于校正小球，且每点与校正板的距离依次增加，不在同一平面内。此种标定方法具有很多优点，如：点与点之间不存在相互遮挡的影响，避免误识别，减少C臂拍摄角度造成的误差等。
所述图像校正与标定模块当接收到X线图像，首先对图像进行校正然后计算标定参数。具体执行步骤如下：
（A）依据图像中小球轮廓像素坐标结合它们对应于校正板上的物理坐标计算单应性映射参数矩阵M。
（B）利用（A）中计算的单应性矩阵M并结合校正小球的物理坐标，计算出它们分别对应的图像上的像素坐标。
（C）利用全局多项式对图像进行拟合，解出拟合多项式参数。
（D）利用双线性插值法完成对图像的校正。
（E）对（D）中校正后的图像识别并定位9个标定小球投影的2D像素坐标。
（F）利用上述9个2D像素坐标和它们对应的空间3D坐标的映射关系计算出11个标定参数。
所述单应性映射参数矩阵M：
Figure 214637DEST_PATH_IMAGE001
所述拟合多项式表示为：
Figure 240362DEST_PATH_IMAGE002
（XiYi）对应失真图像的像素坐标，（xiyi）对应校正后图像的像素坐标，（aibi）表示多项式参数。
所述2D-3D转换模块指的是将校正后图像上规划的隧道2D坐标信息利用上述的标定参数计算出其对应的空间3D坐标信息，并将其作为参数信息传递给机器人导航与控制模块。
所述机器人导航与控制模块，在接收到规划隧道的3D坐标信息后，控制机器人运动使得隧道位置指示末端轴线与规划的隧道重合。从而辅助医生精确地完成植钉操作。
本发明一种融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，综合利用了图像处理、机器人控制、视觉跟踪等技术，通过采集患者的骨折处X线图像数据并经过一系列转换后控制机器人运动使得隧道位置指示末端轴线与规划的隧道重合。这种交互式的手术操作方式大大提高了植钉位置的精度，降低了手术的复杂性。
附图说明
图1是融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统结构示意图
图2是校正标定板的结构示意图
图3是隧道位置指示末端的结构示意图
图4是股骨颈骨折正位X线图
图5是股骨颈骨折侧位X线图
图6是股骨颈骨折多隧道植钉图
图中各部件标记如下：
1．C型臂X光机
2．图像传输服务器
3．双目视觉位置跟踪装置
4．隧道位置指示末端
5．定位机器人
6．图像校正标定板
7．计算机
8．.校正板固定与C型臂X光机连接螺钉
9．隧道位置指示末端与机器人末端腕部关节连接螺钉
21．.校正板上均匀分布的小球
22．9个不同的校正小球
具体实施示例
下面结合实施例及附图对本发明做进一步详细说明，但本发明的的实施方式不限于此。
参见图1所示，本发明是一种融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，由C型臂X光机1，图像传输服务器2，双目视觉位置跟踪装置3，隧道位置指示末端4，定位机器人5，图像校正标定板6，计算机7以及进行多隧道规划及导航的操作软件组成。
图像校正标定板6通过螺钉8固定在C型臂X光机1的影增端，它是厚度20 mm的圆形装置，正面固定72个规则分布的刚性等半径小球用于图像校正，内部错落的分布着9个半径不同的刚性小球用于标定，九个标定小球的半径均大于校正小球，且每点与校正板的距离依次增加，不在同一平面内。隧道位置指示末端与机器人末端腕部关节通过螺钉9连接，C型臂X光机1，图像传输服务器2，双目视觉位置跟踪装置3、定位机器人5，以及计算机7通过通讯总线连接。将拍摄的X线图像上传至服务器，并由软件的图像采集模块读取图像然后依次进行图像校正与标定、2D-3D转换、机器人导航与控制最终完成隧道的定位指示。
参见图2所示，校正板上正面固定72个规则分布的校正小球，其内部错落分布着半径大于校正小球的标定小球，且小球的半径依次增大，与校正板的距离依次增加，不在同一平面上。
参见图3所示，隧道位置指示末端4通过螺钉与机械臂末端紧密固连。
本发明的多隧道规划及导航的操作软件，主要由图像采集与传输模块、图像校正与标定模块、2D-3D转换模块、机器人导航与控制模块构成。
所述图像采集与传输模块主要是用于采集C型臂拍摄的X线图像，并将其转换成jpg格式后传递给图像校正与标定模块。
所述图像校正与标定模块当接收到X线图像（图4股骨颈骨折正位X线图和图5股骨颈骨折侧位X线图），首先对图像进行校正然后计算标定参数。具体执行步骤如下：
（A）依据图像中小球轮廓像素坐标结合它们对应于校正板上的物理坐标计算单应性映射参数矩阵M；
（B）利用（A）中计算的单应性矩阵M并结合校正小球的物理坐标，计算出它们分别对应的图像上的像素坐标；
（C）利用全局多项式对图像进行拟合，解出拟合多项式参数；
（D）利用双线性插值法完成对图像的校正；
（E）对（D）中校正后的图像识别并定位9个标定小球投影的2D像素坐标；
（F）利用上述9个2D像素坐标和它们对应的空间3D坐标的映射关系计算出11个标定参数。
所述单应性映射参数矩阵M：
Figure 648341DEST_PATH_IMAGE003
所述拟合多项式表示为：
Figure 581662DEST_PATH_IMAGE002
（XiYi）对应失真图像的像素坐标，（xiyi）对应校正后图像的像素坐标，（aibi）表示多项式参数。
所述2D-3D转换模块指的是将校正后图像上规划的隧道2D坐标信息利用上述的标定参数计算出其对应的空间3D坐标信息，并将其作为参数信息传递给机器人导航与控制模块。
所述机器人导航与控制模块，在接收到规划隧道的3D坐标信息后，控制机器人运动使得隧道位置指示末端的轴线与规划的隧道重合。从而辅助医生精确地完成植钉操作。
现在就股骨颈骨折多隧道植钉定位系统在手术过程中的具体操作步骤作如下说明：
A：将C臂1和安装有多隧道规划及导航操作软件的计算机7和服务器2相连；
B：将位置跟踪平台3也与安装有多隧道规划及导航操作软件的计算机7相连；
C：将定位机器人5也和安装有多隧道规划及导航操作软件的计算机7相连；
D：将校正标定板6固定于C臂1的影增端；
E：拍摄股骨颈处的正侧位X线图像并上传至服务器；
F：利用多隧道规划及导航操作软件的图像采集模块读取服务器中的X线图像；
G：利用多隧道规划及导航操作软件的校正与标定模块对读的X线图像进行校正和参数标定；
H：对校正和标定后的正侧位X线图像进行植钉隧道的规划（可同时规划多条隧道）；
I：利用多隧道规划及导航操作软件的2D-3D模块将规划的2D坐标信息转换成3D的空间坐标信息，并传递给机器人控制模块；
J：机器人控制模块接收到上述参数后控制机器人运动使得隧道位置指示末端4的轴线与规划的隧道重合；
K：医生沿着隧道位置指示末端4的轴向植钉，钉子植入后拍摄X光片，见图6。
通过使用本发明中的手术导航机器人辅助医生完成手术路径规划，进行手术导航，减少了术中辐射次数，且创口小，减少病人术后恢复时间。

Claims (3)

1.一种融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，由C型臂X光机(1)，图像传输服务器(2)，双目视觉位置跟踪装置(3)，隧道位置指示末端(4)，定位机器人(5)，图像校正标定板(6)，计算机(7)以及进行多隧道规划及导航的操作软件组成；
其中，图像校正标定板(6)通过螺钉(8)固定在C型臂X光机(1)的影增端；
隧道位置指示末端(4)与定位机器人(5)末端腕部关节通过螺钉(9)连接；
C型臂X光机(1)，图像传输服务器(2)，双目视觉位置跟踪装置(3)、定位机器人(5)，以及计算机(7)通过通讯总线连接；
进行多隧道规划及导航的操作软件，主要由图像采集与传输模块、图像校正与标定模块、2D-3D转换模块、机器人导航与控制模块构成；
图像校正标定板(6)是厚度在10-50mm的圆形装置，所述图像校正标定板的正面固定48或72个规则均匀分布的刚性等半径校正小球(22)用于图像校正，所述图像校正标定板的内部错落分布着9个半径不同的刚性小球(21)用于标定，9个刚性小球的半径均大于校正小球，且所述刚性小球(21)与图像校正标定板(6)的距离依次增加，9个所述刚性小球(21)不在同一平面内；
所述图像采集与传输模块主要是用于采集C型臂X光机(1)拍摄的X线图像，并将其转换成bmp、jpg或png格式传递给图像校正与标定模块，图像校正与标定模块接收到X线图像，首先对X线图像进行校正然后计算标定参数；
具体执行步骤如下：
(A)依据X线图像中校正小球(22)像素坐标结合所述校正小球(22)对应于图像校正标定板(6)上的物理坐标计算单应性矩阵M；
(B)利用(A)中计算的单应性矩阵M并结合校正小球(22)的物理坐标，计算出它们分别对应的X线图像上的像素坐标；
(C)利用全局多项式对X线图像进行拟合，解出拟合多项式参数；
(D)利用双线性插值法完成对X线图像的校正；
(E)对(D)中校正后的X线图像识别并定位9个标定小球(22)投影的2D像素坐标；
(F)利用上述9个2D像素坐标和9个所述2D像素坐标对应的空间3D坐标的映射关系计算出11个标定参数。
2.根据权利要求1所述融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，其特征在于，所述2D-3D转换模块指的是将校正后X线图像上规划的隧道2D坐标信息利用标定参数计算出隧道2D坐标信息对应的空间3D坐标信息，并将所述空间3D坐标信息作为参数信息传递给机器人导航与控制模块。
3.根据权利要求1所述融合术中2D规划信息的股骨颈骨折多隧道植钉定位系统，其特征在于，所述机器人导航与控制模块，在接收到标定参数信息后，控制定位机器人(5)运动使得隧道位置指示末端轴线与规划的隧道重合，从而辅助医生完成精确植钉操作。
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