CN110141318B - 一种神经外科微创手术无框架定位仪 - Google Patents

一种神经外科微创手术无框架定位仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了神经外科微创手术无框架定位仪，包括定位主体和定位模块，其中，所述定位主体包括主轴，所述主轴上设有三个定位支腿；所述定位模块包括：定位模型算法模块、构建模块和调节模块，其中，所述定位模型算法模块，用于确定定位模型算法；所述构建模块，用于利用定位模型算法将连线及各组坐标分别对应主轴和定位支腿，根据主轴和定位支腿构建定位模型；所述调节模块，用于根据所述定位模型中输出的几组参数获取定位支腿的相应部位参数，且调节定位支腿的部位参数。本发明有益效果：不仅减少了医生比对患者医学影像在患者头部对应量角和/或画线等操作，而且提高了精度手术精准度，同时降低手术成本。

Description

一种神经外科微创手术无框架定位仪
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体来说，涉及一种神经外科微创手术无框架定位仪。
背景技术
脑部穿刺手术在脑科临床手术中是一种较为常见的手术，通常，脑部穿刺手术穿刺失败最主要的原因是穿刺点和穿刺方向不对。目前，当进行患者神经外科微创手术时，关于手术路径的定位主要实现形式有两种：第一种是医生通过对患者的医学影像中病变位置相对患者头部标志物的相对位置关系进行测量后，在现实环境中在患者头部进行相应的比对测量之后，确定患者入针点以及方向；另一种则是在患者头部粘贴标志点之后，通过患者头部标志点坐标完成现实空间与虚拟空间的转化，将虚拟空间的手术路径转化到现实空间，从而确定手术入针点及方向，第一种手术方式相当于“盲穿”，手术精准度相对低一些，且手术过程相对复杂；而第二种手术方式定位精度虽然高，但是手术过程相对复杂，且设备价格昂贵。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种神经外科微创手术无框架定位仪，能够保证手术精准度的前提下，减少手术的复杂度，同时降低了手术成本。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种神经外科微创手术无框架定位仪，包括定位主体和定位模块，其中，
所述定位主体包括主轴，所述主轴上设有三个定位支腿；
所述定位模块包括：定位模型算法模块、构建模块和调节模块，其中，所述定位模型算法模块，用于确定定位模型算法；
所述构建模块，用于利用定位模型算法将连线及各组坐标分别对应主轴和定位支腿，根据主轴和定位支腿构建定位模型；
所述调节模块，用于根据所述定位模型中输出的几组参数获取所述定位支腿的相应部位参数，根据所述部位参数调节所述定位支腿。
进一步地，所述定位模型算法模块包括：
获取模块，用于获取三组标志点坐标、入针点坐标E和靶点坐标T，其中，三组所述标志点坐标包括标志点坐标M1、标志点坐标M2和标志点坐标M3；
确定模块，用于根据三组标志点坐标、入针点坐标E和靶点坐标T确定立体空间，所述立体空间内设有一条确定的线段TE，所述线段TE与主轴轴线重合，所述三组标志点坐标分别对应于三个定位支腿。
进一步地，所述确定模块包括选取模块，用于沿着所述线段TE查找模型定点，通过模型定点选取第一标志点P1，沿着第一标志点P1等距选取第二标志点P2和第三标志点P3，所述第一标志点P1、第二标志点P2和第三标志点P3分别对应三个定位支腿。
进一步地，所述选取模块包括分解模块：用于在若干平面中将三个定位支腿分别对应的
Figure BDA0002076144800000021
和
Figure BDA0002076144800000022
进行分解获取部位参数，其中，部位参数包括定位支腿-关节处之间的角度、定位支腿的长度及三个定位支腿之间的角度。
进一步地，三个所述定位支腿分别为第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿，所述第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿分别包括水平架，所述水平架通过关节轴与长杆相连接，所述长杆上设有滑槽，所述水平架上设有能在滑槽上滑动的滑块。
进一步地，所述关节轴上设有角度传感器。
进一步地，所述长杆末端采用锥形面与球形面两种不同形式。
进一步地，所述主轴与第三定位支腿的水平架之间设有轴肩。
进一步地，所述第一定位支腿和第二定位支腿的水平架与主轴之间分别设有轴承外圈。
进一步地，所述轴承外圈外围设有角度刻度。
本发明的有益效果：不仅减少了医生比对患者医学影像在患者头部对应量角和/或画线等操作，而且提高了精度手术精准度，同时降低手术成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的神经外科微创手术无框架定位仪的结构示意图；
图2是根据本发明实施例所述的头皮表面标志点及坐标的示意图；
图3是根据本发明实施例所述的长杆末端的结构示意图之一；
图4是根据本发明实施例所述的长杆末端的结构示意图之二。
图中：1、主轴；2、第一定位支腿；3、水平架；4、关节轴；5、长杆；6、滑槽；7、滑块；8、轴承；9、第二定位支腿；10、第三定位支腿；11、轴承外圈11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，根据本发明实施例所述的一种神经外科微创手术无框架定位仪，包括定位主体和定位模块，其中，
所述定位主体包括主轴1，所述主轴1上设有三个定位支腿，其中，三个定位支腿分别为第一定位支腿2、第二定位支腿9和第三定位支腿10，第一定位支腿2、第二定位支腿9和第三定位支腿10结构大致相同，尺寸略有差别，主轴1中心为直径为2mm的长孔，此长孔用于激光笔光线，确定入针点位置，在主轴1外部，主轴1上端由外螺纹部分、锥面部分以及凸台部分构成，用于将其固定到与机械臂连接的升降平台上。
所述定位模块包括：定位模型算法模块、构建模块和调节模块，其中，所述定位模型算法模块，用于确定定位模型算法；
所述构建模块，用于利用定位模型算法将连线及各组坐标分别对应主轴1和定位支腿，根据主轴和定位支腿构建定位模型；
所述调节模块，用于根据所述定位模型中输出的几组参数获取定位支腿的相应部位参数，且调节定位支腿的部位参数。
在本发明的一个具体实施例中，所述定位模型算法模块包括：
获取模块，用于获取三组标志点坐标、入针点坐标E和靶点坐标T，其中，三组所述标志点坐标包括标志点坐标M1、标志点坐标M2和标志点坐标M3；
确定模块，用于根据三组标志点坐标、入针点坐标E和靶点坐标T确定立体空间，所述立体空间内设有一条确定的线段TE，所述线段TE与主轴1轴线重合，所述三组标志点坐标分别对应于三个定位支腿，即标志点坐标M1对应第一定位支腿、标志点坐标M2对应第二定位支腿及标志点坐标M3对应第三定位支腿。
具体的，当患者粘贴标志点进行CT扫描后，通过患者CT图像确定患者头皮表面三个标志点坐标、入针点坐标E和靶点坐标T，其中，三个标志点坐标即标志点坐标M1、标志点坐标M2和标志点坐标M3，标志点坐标M1、标志点坐标M2和标志点坐标M3为标志点上表面中心点坐标，靶点位于血肿最大平面的中下位置，入针点根据血肿对打平面以及患者头部脑组织相对位置确定；通过入针点坐标E与靶点坐标T的连线即为手术路径，该手术路径与主轴1重合，标志点坐标M1、标志点坐标M2、标志点坐标M3对应于三个定位支腿，第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿则是用于辅助完成主轴1的定位。
在本发明的一个具体实施例中，所述确定模块包括选取模块，用于沿着所述线段TE查找模型定点，通过模型定点选取第一标志点P1，沿着第一标志点P1等距选取第二标志点P2和第三标志点P3，所述第一标志点P1、第二标志点P2和第三标志点P3分别对应三个定位支腿。
具体的，通过标志点坐标M1、标志点坐标M2和标志点坐标M3、入针点坐标E和靶点坐标T构建一个立体空间；通过入针点坐标E和靶点坐标T的连线确定手术路径，那么沿着矢量
Figure BDA0002076144800000041
方向，以E为起点一定距离取一点为第一标志点P1点，对应于第一定位支腿和主轴1连接的位置，然后再往上取等距取两个点分别为第二标志点P2和第三标志点P3，第二标志点P2和第三标志点P3分别对应第二定位支腿、第三定位支腿与主轴1连接的位置，其中，|P2P2|＝|P2P3|＜|EP1|，第一标志点P1点对应标志点坐标M1点，第二标志点P2对应标志点坐标M2点，第三标志点P3对应第三标志点P3点。
在本发明的一个具体实施例中，为了使三个定位支腿稳定地定位于患者头部空间，且考虑到神经外科微创手术无框架定位仪实际制作时的工件要求，所述选取模块包括分解模块：用于在若干平面中将三个定位支腿分别对应的
Figure BDA0002076144800000051
和
Figure BDA0002076144800000052
进行分解获取部位参数，其中，部位参数包括定位支腿-关节处之间的角度、定位支腿的长度及三个定位支腿之间的角度。
具体的，以第一定位支腿为例，阐述定位模型算法实现患者头部定位的过程，在EM1P1平面中将第一定位支腿对应的
Figure BDA0002076144800000055
进行分解，分解为
Figure BDA0002076144800000056
和
Figure BDA0002076144800000053
同时
Figure BDA0002076144800000054
且|P1P1′|为一定值，此时第一定位支腿的水平架的对应的结构确定下来，此时就可以相应确定
Figure BDA0002076144800000057
和
Figure BDA0002076144800000058
之间的夹角以及|P1′M1|的长度，
Figure BDA0002076144800000059
和
Figure BDA00020761448000000510
之间的夹角即为第一定位支腿一关节处的角度参数，|P1′M1|的长度即为第一定位支腿的长度；同理，在EM2P2、EM3P3平面中对
Figure BDA00020761448000000511
进行分解得到
Figure BDA00020761448000000512
同时
Figure BDA00020761448000000513
Figure BDA00020761448000000514
且|P2P2′|、|P3P3′|均为定值，依次确定第二定位支腿和第三定位支腿的水平架长度、第二定位支腿和第三定位支腿长度；同时，也可输出EM1P1平面、EM2P2平面、EM3P3平面之间的角度，对应第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿所在平面间的角度，则进一步优化定位模型，提高其定位精准度。
在本发明的一个具体实施例中，三个所述定位支腿分别为第一定位支腿2、第二定位支腿9和第三定位支腿10，所述第一定位支腿2、第二定位支腿9和第三定位支腿10分别包括水平架3，所述水平架3通过关节轴4与长杆5连接在一起，关节轴4在水平架3的位置是固定的，且在关节轴4的位置安装有角度传感器，其参数与定位模型算法输出的关节轴角度相对应，所述长杆5上设有滑槽6，所述水平架3上设有能在滑槽6上滑动的滑块7，滑块7用于调节长杆5与水平架3之间的角度，当长杆5到达相应角度时，通过螺栓将长杆固定起来，长杆5为可调节长杆，与定位模型算法输出的定位支腿长度的参数相对应。
在本发明的一个具体实施例中，所述长杆5末端采用锥形面与球形面两种不同形式，其中，锥形面与球形面分别对应两种标志点使用。
在本发明的一个具体实施例中，所述主轴1与第三定位支腿10的水平架之间设有轴肩，具体的，此轴肩位于主轴1的主体部分外部距离主轴1顶端一定距离处，第三定位支腿上水平架3一侧固连于轴肩，水平架3的上表面与轴肩下表面共面，沿主轴1轴线方向，在第三定位支腿的水平架的下方依次固定两个相同轴承7，第二定位支腿9的水平架一侧和第一定位支腿2的水平架一侧分别与轴承外圈11固连，第二定位支腿和第一定位支腿所在平面可以以主轴1的轴线为中心进行任意旋转。
在本发明的一个具体实施例中，所述轴承外圈11外围设有角度刻度，即在第二定位支腿和第一定位支腿的水平架与主轴1连接部分外圈刻有角度刻度，能够观察第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿之间的角度。
为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
在具体使用时，根据本发明所述的神经外科微创手术无框架定位仪，当在实际应用中时，在医生确定患者头部标志点坐标M1、标志点坐标M2、标志点坐标M3、入针点坐标以及靶点坐标之后，定位模型算法就会根据这些信息，生成一个定位模型，然后输出三组数据分别对应第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿关节处的角度、第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿长度以及第一定位支腿、第二定位支腿和第三定位支腿之间的角度，根据上述部位参数依次进行调节，调节完成后第一定位支腿一末端对应患者头部标志点坐标M1、第二定位支腿末端对应患者头部标志点坐标M2、第三定位支腿末端对应患者头部标志点坐标M3放置于患者头部，此时主轴1的轴线方向即为手术路径，轴线与患者头部的交汇点即为入针点。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，不仅减少了医生比对患者医学影像在患者头部对应量角和/或画线等操作，而且提高了精度手术精准度，同时降低手术成本。
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 (9)

1.一种神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，包括定位主体和定位模块，其中，
所述定位主体包括主轴（1），所述主轴（1）上设有三个定位支腿，三个所述定位支腿分别为第一定位支腿（2）、第二定位支腿（9）和第三定位支腿（10），所述第一定位支腿（2）、第二定位支腿（9）和第三定位支腿（10）分别包括水平架（3），所述水平架（3）通过关节轴（4）与长杆（5）相连接，所述长杆（5）上设有滑槽（6），所述水平架（3）上设有能在滑槽（6）上滑动的滑块（7）；
所述定位模块包括：定位模型算法模块、构建模块和调节模块，其中，
所述定位模型算法模块，用于确定定位模型算法；
所述构建模块，用于利用定位模型算法将连线及各组坐标分别对应主轴（1）和定位支腿，根据主轴和定位支腿构建定位模型；
所述调节模块，用于根据所述定位模型中输出的几组参数获取所述定位支腿的相应部位参数，根据所述部位参数调节所述定位支腿。
2.根据权利要求1所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述定位模型算法模块包括：
获取模块，用于获取三组标志点坐标、入针点坐标（E）和靶点坐标（T），其中，三组所述标志点坐标包括标志点坐标（M1）、标志点坐标（M2）和标志点坐标（M3）；
确定模块，用于根据三组标志点坐标、入针点坐标（E）和靶点坐标（T）确定立体空间，所述立体空间内设有一条确定的线段（TE），所述线段（TE）与主轴（1）轴线重合，所述三组标志点坐标分别对应于三个定位支腿。
3.根据权利要求2所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述确定模块包括选取模块，用于沿着所述线段（TE）查找模型定点，通过模型定点选取第一标志点（P1），沿着第一标志点（P1）等距选取第二标志点（P2）和第三标志点（P3），所述第一标志点（P1）、第二标志点（P2）和第三标志点（P3）分别对应三个定位支腿。
4.根据权利要求3所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述选取模块包括分解模块：用于在若干平面中将三个定位支腿分别对应的
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 234448DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE003
进行分解获取部位参数，其中，部位参数包括定位支腿-关节处之间的角度、定位支腿的长度及三个定位支腿之间的角度。
5.根据权利要求1所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述关节轴（4）上设有角度传感器。
6.根据权利要求1所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述长杆（5）末端采用锥形面与球形面两种不同形式。
7.根据权利要求1、5、6任一项所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述主轴（1）与第三定位支腿（10）的水平架之间设有轴肩。
8.根据权利要求1、5、6任一项所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述第一定位支腿（2）和第二定位支腿（9）的水平架与主轴（1）之间分别设有轴承外圈（11）。
9.根据权利要求8所述的神经外科微创手术无框架定位仪，其特征在于，所述轴承外圈（11）外围设有角度刻度。
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