CN110215261B - 用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法。定位器包括传感器模块、钻头固定模块，以及和钻头固定模块相配套的保护壳体模块，钻头固定模块为圆盘形，圆心设有第一通孔，钻头固定模块的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元，钻头固定模块的背面安装保护壳体模块，保护壳体模块的中心设有第二通孔，传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块之间，传感器模块的中心设有第三通孔，钻头固定模块上还设有配准线。与现有技术相比，本发明基于电磁导航系统能够准确地实现髓内钉的远程锁定，帮助用户有效控制钻孔姿态，极大提高了远端锁定的一次性成功率，同时明显减少了花费时间。

Description

用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法

技术领域

本发明涉及髓内钉固定手术辅助工具，尤其是涉及用于髓内钉固定手术的钻 头定位器及其配准方法。

背景技术

高能量损伤诱发的胫骨远端骨折是临床骨科常见病症，是指发生于胫骨中下 1/3处的骨折。由于其特殊解剖学特点，如血供差、软组织覆盖差等，导致其发生 骨折后极易出现多种严重并发症，如畸形愈合、软组织感染、骨折不愈合等，对患 者的身心健康及生存质量造成不良影响。由于稳定性与安全性逐渐得到医生与患者 的重视，带锁髓内钉逐渐成为治疗胫骨骨干骨折的金标准。

但是，这种技术依然存在复位、插钉、远端锁定等诸多难点。目前国内外多采 用远端带瞄准器的髓内钉。但是，髓内钉插入时会出现变形、远端定位不准确等问 题，造成现有的远端螺钉锁定操作极难且会占用大量手术时间；而且，徒手远端锁 定与机械远端锁定技术需要照射大量X光照片来克服定位偏差，对医患双方都会 造成一定程度的危害和损伤。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于髓内钉 固定手术的钻头定位器及其配准方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器，包括传感器模块、钻头固定模块，以 及和钻头固定模块相配套的保护壳体模块，所述钻头固定模块为圆盘形，圆心设有 第一通孔，钻头固定模块的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元，钻头固定模块的 背面安装保护壳体模块，保护壳体模块的中心设有第二通孔，传感器模块安装在钻 头固定模块和保护壳体模块之间，传感器模块的中心设有第三通孔，钻头依次穿过 第二通孔、第三通孔、第一通孔和钻头支撑单元在骨头上钻孔；所述钻头固定模块 上还设有配准线。

进一步地，所述的配准线包括轴线、经线和纬线，多条轴线设置在所述钻头支 撑单元的表面上，多条经线和纬线设置在钻头固定模块的正面，所述纬线为不规则 环线。

进一步地，所述的配准线采用V型槽。

进一步地，所述的保护壳体模块上设有空心圆柱形的保护块，该保护块穿过第 三通孔。

进一步地，所述的钻头固定模块和保护壳体模块可拆卸式连接，一个传感器模 块与不同直径的钻头固定模块和保护壳体模块配套使用。

一种如上任一所述的钻头定位器和髓内钉基于电磁导航的配准方法，电磁导航系统包括磁场发生器和定位探针，磁场发生器发射磁场形成磁场坐标系，定位探针 用于在磁场坐标系中形成坐标点，具体步骤如下：

S1、根据病人的情况，对髓内钉结构进行设计并制造；

S2、设计传感器固定装置并制造，将髓内钉传感器通过传感器固定装置安装 在髓内钉的远端，髓内钉传感器连接磁场发生器；

S3、在髓内钉的表面设计多个标记点，使用定位探针扫描标记点，建立髓内 钉表面标记点在磁场坐标系中的坐标，结合髓内钉传感器在磁场坐标系中的坐标计 算获取髓内钉传感器与标记点关系的刚体配准矩阵；

S4、根据髓内钉选择相应的钻头定位器；

S5、使用定位探针沿着钻头定位器上的配准线缓慢滑动拾取一系列点云，将 点云和定位器STL模型的顶点集合进行ICP配准获得定位器配准矩阵；

S6、将髓内钉坐标系设置为参考坐标系，根据刚体配准矩阵和定位器配准矩 阵进行坐标转化，计算并显示定位器实体在髓内钉坐标系下的位置姿态信息。

进一步地，所述的步骤S4具体包括根据髓内钉选取不同直径的钻头，根据钻 头直径选取直径相配合的钻头固定模块和保护壳体模块，将传感器模块安装在钻头 固定模块和保护壳体模块内部完成钻头定位器的设置。

进一步地，所述的步骤S5具体包括：

S51、通过定位探针在钻头定位器实体表面缓慢沿着配准线移动，拾取点云， 设为点集P，定位器STL模型顶点集合设为点集Z；

S52、计算点集P中的每一个点在点集Z中的对应近点；

S53、求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移矩阵R和旋转 矩阵t；

S54、对点集Z使用平移矩阵R和旋转矩阵t，得到新的变换点集Q；

S55、判断新的变换点集Q与点集P是否满足两点集的平均距离小于给定阈值 函数，若是则停止迭代计算；若否则新的变换点集Q作为新的P继续迭代，直到 达到目标阈值函数的要求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明设计了钻头定位器，该钻头定位器基于电磁导航系统能够准确地实 现髓内钉的远程锁定。进行操作时用户一手握住钻头定位器的圆盘边缘，另一只手 操作钻头穿过钻头定位器进行钻孔，能够有效地控制钻孔姿态，极大提高了远端锁 定的一次性成功率，同时明显减少了花费时间。

2、在钻头定位器上设有钻头支撑单元，便于钻头操作的稳定，同时保证钻头 能够随着钻头定位器的姿态进行角度和方向的变化，实现髓内钉远程锁定。

3、在钻头定位器上设有配准线，能够实现电磁导航系统对钻头定位器的精确 定位，纬线为不规则环线能够便于扫描点的定位和角度的确定；同时纬线和经线的 交错能够起到防滑的作用，有利于用户的操作使用。

4、由于传感器模块的成本较高，一个传感器模块与不同直径的钻头固定模块 和保护壳体模块配套使用，能够有效降低成本，同时扩大了适用范围。

5、配准线采用V型槽，能够让定位探针扫描路径更加精确。

6、与现有的徒手远端锁定以及机械远端锁定相比，采用电磁导航系统能显著 缩短患者骨折愈合时间、促进骨折快速愈合，减少放射线暴露以及透视时间。

附图说明

图1为钻头定位器的结构示意图；

图2为钻头定位器的内部结构示意图；

图3为髓内钉远端的内部分解结构示意图；

图4为髓内钉的剖视结构示意图；

图5为配准系统结构图；

附图标记：1、传感器模块，2、钻头固定模块，21、钻头支撑单元，22、配准 线，221、轴线，222、经线，223、纬线，3、保护壳体模块，4、髓内钉传感器，5、 传感器固定装置，6、髓内钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器， 包括传感器模块1、钻头固定模块2，以及和钻头固定模块2相配套的保护壳体模 块3。在传感器模块1的中心设有第三通孔。传感器模块1可以采用一个6D传感 器或者两个5D传感器，本实施例的传感器模块1采用两个5D传感器。

钻头固定模块2为圆盘形，圆心设有第一通孔。钻头固定模块2的正面设有空 心圆锥形的钻头支撑单元21，钻头固定模块2的背面安装保护壳体模块3，保护壳 体模块3的中心设有第二通孔。钻头固定模块2和保护壳体模块3可拆卸式连接， 传感器模块1安装在钻头固定模块2和保护壳体模块3之间，一个传感器模块1 能够和与不同直径的钻头固定模块2和保护壳体模块3配套使用。

当使用时，钻头依次穿过第二通孔、第三通孔、第一通孔和钻头支撑单元21 在骨头上钻孔。

保护壳体模块3上还设有空心圆柱形的保护块，该保护块穿过第三通孔，能够 防止钻头直接穿过传感器模块1，对传感器模块1起到保护作用。

钻头固定模块2上设有配准线22，配准线22采用V型槽。配准线22包括轴 线221、经线222和纬线223。多条轴线221设置在所述钻头支撑单元21的表面上， 多条经线222和纬线223设置在钻头固定模块2的正面，纬线223为不规则环线。 本实施例中采用24根经线222，8根轴向线和2根不规则的纬线223。

本实施例在NDI Aurora设备平台完成对胫骨髓内钉手术硬件以及软件的开发。电磁导航系统包括磁场发生器和定位探针，磁场发生器发射磁场形成磁场坐标系， 定位探针用于在磁场坐标系中形成坐标点。在电磁导航系统中，上述钻头固定器和 髓内钉的配对方法如下：

步骤S1、根据病人的情况，对髓内钉结构进行设计并制造。

根据不同病人病情，设计不同尺寸(长度，直径，远端夹角角度)得到带有特 定长度内腔的髓内钉。

步骤S2、设计传感器固定装置并制造，将髓内钉传感器通过传感器固定装置 安装在髓内钉的远端，髓内钉传感器采用市售6D传感器，连接磁场发生器。传感 器固定装置能够充分固定传感器，确保在手术过程中传感器不发生移动。

髓内钉内腔长度需要根据髓内钉尺寸以及远端螺纹孔位置设计。其长度设计原则为：髓内钉传感器尽量接近髓内钉远端；髓内钉传感器位置不影响预先设计的髓 内钉远端螺纹孔位置；髓内钉传感器在固定后，相对于髓内钉姿态不变。

如图3和图4所示，将髓内钉传感器固定在传感器固定管装置的前端，具体为 先将髓内钉传感器4插入传感器固定装置5，然后将传感器固定装置5插入髓内钉 内腔6。

步骤S3、在髓内钉的表面设计多个标记点(一般为7～8个)，使用定位探针扫 描标记点，建立髓内钉表面标记点在磁场坐标系中的坐标，结合髓内钉传感器在磁 场坐标系中的坐标计算获取髓内钉传感器与标记点关系的刚体配准矩阵。其具体步 骤如下：

步骤S31、在髓内钉表面上确定使用标志点的个数与位置，标记点必须大于等 于三个；

步骤S32、使用定位探针获得髓内钉实体选定标记点在磁场坐标系下的坐标集P₁，其具体步骤为：

a、确定在实施例中所有的计算矩阵的形式：一个4X4矩阵可以正确表示6维 自由度传感器姿态(x，y和z坐标以及俯仰、偏航和滚转方向信息)，具体表达形 式如下公式所示：

式中，M_pose为物体姿态矩阵；R是3X3旋转矩阵；T是3X1位置矩阵；

b、根据探针的物理设计尺寸得到x,y,z轴偏移量Δx,Δy,Δz；

c、列出探针尖端的计算公式如下公式所示：

式中，M_tip为定位探针尖端姿态矩阵；M_sensor为定位探针的6D传感器姿态矩 阵；M_offset为偏移矩阵；Δx为x轴向尖端偏移量；Δy为y轴向尖端偏移量；Δz为 z轴向尖端偏移量；a_ij，b_ij为3X3旋转矩阵元素(i＝0,1,2,3；j＝＝0,1,2,3；)。

d、因为M_offset方向信息不参与探针坐标的尖端位置计算。为了简化计算，将 M_offset中的R设置为一个3阶的单位矩阵。公式如下所示：

式中，M_tip为定位探针尖端姿态矩阵；M_sensor为定位探针的6D传感器姿态矩 阵；M_offset为偏移矩阵；Δx为x轴向尖端偏移量；Δy为y轴向尖端偏移量；Δz为z 轴向尖端偏移量；a_ij为3X3旋转矩阵元素(i＝0,1,2,3…n；j＝＝0,1,2,3…n；)。

步骤S33、根据髓内钉STL坐标系，计算得到这些标记点在髓内钉STL坐标 系下的坐标集P₂；

步骤S34、结合坐标集P₁与坐标集P₂计算髓内钉的刚体配准矩阵。

步骤S4、根据髓内钉选择相应的钻头定位器。

根据髓内钉选取不同直径的钻头，根据钻头直径选取直径相配合的钻头固定模块和保护壳体模块，将传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块内部完成钻 头定位器的设置。

步骤S5、使用定位探针沿着钻头定位器上的配准线缓慢滑动拾取一系列点云， 将点云和定位器STL模型的顶点集合，即模型STL文件里面配准线对应的点云坐 标进行ICP(迭代就近点算法)配准获得定位器配准矩阵。具体步骤如下：

步骤S51、通过定位探针在钻头定位器实体表面缓慢沿着配准线移动，拾取点 云，设为点集P，定位器STL模型顶点集合设为点集Z。

步骤S52、计算点集P中的每一个点在点集Z中的对应近点。

步骤S53、求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移矩阵R和 旋转矩阵t。

步骤S54、对点集Z使用平移矩阵R和旋转矩阵t，得到新的变换点集Q。

步骤S55、判断新的变换点集Q与点集P是否满足两点集的平均距离小于给 定阈值函数，若是则停止迭代计算；若否则新的变换点集Q作为新的P继续迭代， 直到达到目标阈值函数的要求。

阈值函数的计算表达式如下：

式中，E为阈值数值；n为迭代点数数量；q_i为点集Q中第i个点(i＝0,1,2,3…n) q_i∈Q；p_i为点集P中第i个点(i＝0,1,2,3…n)，p_i∈P；R为刚体变换平移矩阵；t 为刚体变换旋转矩阵。

步骤S6、将髓内钉坐标系设置为参考坐标系，根据刚体配准矩阵和定位器配 准矩阵进行坐标转化，计算并显示定位器实体在髓内钉坐标系下的位置姿态信息。 系统结构图如图5所示，根据电磁定位跟踪系统自动计算得到的髓内钉传感器 (O₀X₀Y₀Z₀)，2个5D定位器传感器(O₂X₂Y₂Z₂，O₃X₃Y₃Z₃)和得到的探针(O₅X₅Y₅Z₅) 在电磁导航跟踪系统参考坐标系(电磁发射器即世界坐标系O₁X₁Y₁Z₁)下的三维 坐标。T₁(R₁，t₁)与T₂(R₂，t₂)钉传感器坐标系和定位器传感器坐标系转换为实体在电 磁发射器世界坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)的空间变换矩阵(其中R₁、R₂为旋转矩阵，t₁、t₂为 平移矩阵)。2个5D定位器传感器(O₂X₂Y₂Z₂，O₃X₃Y₃Z₃)和得到的探针(O₅X₅Y₅Z₅) 在电磁导航跟踪系统参考坐标系(电磁发射器即世界坐标系O₁X₁Y₁Z₁)下的三维 坐标。T₁(R₁，t₁)与T₂(R₂，t₂)钉传感器坐标系和定位器传感器坐标系转换为实体在电磁发射器世界坐标系(O₁X₁Y₁Z₁)的空间变换矩阵(其中R₁、R₂为旋转矩阵，t₁、t₂为 平移矩阵)。将髓内钉坐标系设置为参考坐标系。实现定位器在胫骨髓内钉传感器 坐标系下，定位器相对位置与姿态在系统中的显示。

具体步骤如下：

步骤S61、获取髓内钉和定位器的配准矩阵(刚体配准矩阵Re1，定位器配准 矩阵Re2)；

步骤S62、在磁场发生器生成的磁场世界坐标系下，获取髓内钉和定位器的实 时传感器姿态矩阵，分别为：(T₁(R₁，T₁))，(T₂(R₂，T₂))；

步骤S63、列出计算世界坐标系(磁场发射器)中髓内钉与定位器姿态矩阵的 方程分别如下所示：

Pose_guider·T₂(R₂,t₂)·Re₂＝Pose′_guider

Pose_nail·T₁(R₁,t₁)·Re₁＝Pose′_nail

式中，Pose_guider：定位器位置姿态矩阵；Pose′_guider：定位器在电磁发射器世 界坐标系下的姿态矩阵；Pose_nail：髓内钉位置姿态矩阵；Pose′_nail：髓内钉在电磁 发射器世界坐标系下的姿态矩阵；Re₁：髓内钉配准矩阵；Re₂：定位器配准矩阵； T₁,T₂：髓内钉和定位器的实时传感器姿态矩阵；R₁,R₂：髓内钉，定位器传感器姿 态矩阵中旋转矩阵部分；t₁,t₂：髓内钉，定位器传感器姿态矩阵中位置矩阵部分；

步骤S64、根据定位器、钉子和磁场发生器之间的转换关系，得到钉子坐标系 中定位器的姿态矩阵T₂·Re₂·[T₁·Re₁]^-1；

Pose″_guider＝Pose′_guider[T₁(R₁,t₁)Re₁]^-1

Pose″_guider＝Pose_guider·T₂(R₂,t₂)·Re₂[T₁(R₁,t1)Re₁]^-1

式中，Pose″_guider：定位器在髓内钉坐标系下姿态矩阵；Pose′_nail：髓内钉在电 磁发射器世界坐标系下的姿态矩阵；Re₁：髓内钉配准矩阵；Re₂：定位器配准矩阵； T₁,T₂：髓内钉和定位器的实时传感器姿态矩阵。R₁,R₂：髓内钉，定位器传感器姿 态矩阵中旋转矩阵部分；t₁,t₂：髓内钉，定位器传感器姿态矩阵中位置矩阵部分。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员 无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领 域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的 实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，包括传感器模块、钻头固定模块，以及和钻头固定模块相配套的保护壳体模块，所述钻头固定模块为圆盘形，圆心设有第一通孔，钻头固定模块的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元，钻头固定模块的背面安装保护壳体模块，保护壳体模块的中心设有第二通孔，传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块之间，传感器模块的中心设有第三通孔，钻头依次穿过第二通孔、第三通孔、第一通孔和钻头支撑单元在骨头上钻孔；所述钻头固定模块上还设有配准线，所述的配准线包括轴线、经线和纬线，多条轴线设置在所述钻头支撑单元的表面上，多条经线和纬线设置在钻头固定模块的正面，所述纬线为不规则环线；

所述髓内钉固定手术的钻头定位器的配准方法为：

S1、通过定位探针沿着钻头定位器上的配准线移动拾取一系列点云，将点云和定位器STL模型的顶点集合进行ICP配准获得定位器配准矩阵，其具体过程为：

S11、获取定位探针在钻头定位器实体表面缓慢沿着配准线移动的点云信息，设为点集P，定位器STL模型顶点集合设为点集Z；

S12、计算点集P中的每一个点在点集Z中的对应近点；

S13、求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移矩阵R和旋转矩阵t；

S14、对点集Z使用平移矩阵R和旋转矩阵t，得到新的变换点集Q；

S15、判断新的变换点集Q与点集P是否满足两点集的平均距离小于给定阈值函数，若是则停止迭代计算；若否则新的变换点集Q作为新的P继续迭代，直到达到目标阈值函数的要求；

S2、将髓内钉坐标系设置为参考坐标系，根据刚体配准矩阵和定位器配准矩阵进行坐标转化，计算并显示定位器实体在髓内钉坐标系下的位置姿态信息。

2.根据权利要求1所述的用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，所述的配准线采用V型槽。

3.根据权利要求1所述的用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，所述的保护壳体模块上设有空心圆柱形的保护块，该保护块穿过第三通孔。

4.根据权利要求1所述的用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，所述的钻头固定模块和保护壳体模块可拆卸式连接，一个传感器模块与不同直径的钻头固定模块和保护壳体模块配套使用。

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