CN110742700A - 用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法 - Google Patents

用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110742700A
CN110742700A CN201911106654.1A CN201911106654A CN110742700A CN 110742700 A CN110742700 A CN 110742700A CN 201911106654 A CN201911106654 A CN 201911106654A CN 110742700 A CN110742700 A CN 110742700A
Authority
CN
China
Prior art keywords
patient
ankle
positioning
brace
weight
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911106654.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110742700B (zh
Inventor
丛曰声
张建中
曲峰
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Guorun Health Medical Investment Co Ltd
Original Assignee
Beijing Guorun Health Medical Investment Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Guorun Health Medical Investment Co Ltd filed Critical Beijing Guorun Health Medical Investment Co Ltd
Priority to CN201911106654.1A priority Critical patent/CN110742700B/zh
Publication of CN110742700A publication Critical patent/CN110742700A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110742700B publication Critical patent/CN110742700B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
    • A61B2034/102—Modelling of surgical devices, implants or prosthesis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
    • A61B2034/107—Visualisation of planned trajectories or target regions
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3904—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers specially adapted for marking specified tissue
    • A61B2090/3916—Bone tissue
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A61B2090/3983—Reference marker arrangements for use with image guided surgery

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Processing Or Creating Images (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置，模拟负重支具，其内嵌基准标记定位器；C臂，其与模拟负重支具连接，顶端固定数据采集器，包括中央摄像头和多个激光发射器，多个激光发射器投射在患者足部表面形成投射标记定位器，中央摄像头采集真实影像，提供真实环境；医学影像设备，其显示模拟负重支具及患者足部的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行基准标记定位器和投射标记定位器的匹配和校准。本发明还公开了一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位方法。本发明的有益效果：通过无创的方法将医学影像图像、患者的脚踝部解剖结构和空间位置、显像图像建立相对应的匹配关系并进行定位。

Description

用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法。
背景技术
拇外翻特征为拇趾向外偏斜超过正常生理角度的一种足部畸形，是前足最常见的疾病之一，截骨矫形术为目前最为常用的矫正踇外翻畸形的术式。但是由于足部结构间的密不可分性，踇外翻为多平面复合畸形，由此造成的足踝部畸形病理改变更为复杂。拇外翻手术结果的不确定性应归因于第一跖列与第二跖列关系的复杂性。因此理想的踇外翻截骨矫形手术应当是高度个性化的、基于三维空间的截骨处置，以实现对这种复合畸形的矫正。这其中完善的术前决策、全面的术中观察评估对于拇外翻手术的设计与实施是必不可少的。因此准确测量和“描述”第一、二跖骨间的情况并尽量全面直观地呈现在术者面前就成为治疗成功的关键。传统负重位X线可较为客观地显示生理情况下足踝部的力线、结构的稳定性而得到广泛应用。但足踝部骨骼解剖结构复杂，X线片存在骨骼重叠、投照位置及方法偏差、肢体旋转等局限。而术前准确评价患足力线、旋转，对于治疗方案的选择及其预后有重要意义。CT扫描能够清晰显示足部骨性结构，但临床常规CT检查足踝部并没有应力，并不能客观显示足踝部处于站立、负重应力下的实际状态。因此，负重状态下的CT检查技术才可以实现了真正意义上的功能检查，可直接观察足踝关节在站立状态下的表现及骨关节对应关系的细微变化，对手术决策才有实际指导意义。从另一个方面来看，在解决负重三维影像的问题以及基于此的三维截骨平面设计后，能实现术中截骨“导航”及“微创化”是手术发展的必然趋势。
外科影像导航需在医学影像技术基础上应用定位引导技术。简而言之，将CT/MRI/X光医学影像图像事先输入导航系统计算机内，在外科手术过程当中，手术器械在人体的解剖位置，会实时虚拟显示在计算机显示屏病人医学影像上，告诉医生手术器械在人体的具体解剖位置。但是，这种异处显示的手段并不适合在狭小的足踝部指导三维空间的截骨。足踝截骨希望将术前设计的空间位置上复杂倾斜的截骨平面能实时直观地提示于手术医师。
增强现实是一种通过各种手段将数字化虚拟信息叠加到真实场景的一种技术，该技术构建的手术引导系统称为增强现实/虚拟现实手术系统，可让术者更直观地看观察患者体内信息。增强现实/虚拟现实手术系统涉及三大空间：患者影像信息空间(虚拟空间)，手术室空间(真实空间)，屏幕或增强现实眼镜呈现出的空间(显像空间)，而目前的医学导航系统仅涉及两个空间(真实场景空间、医学影像空间)。由于需要对三大空间进行匹配，其对于跟踪装置和图像匹配技术和定位装置的要求较导航技术高，要求定位系统在三个空间均能准确显像以供三个空间进行配准。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法，通过无创的方法将医学影像图像、患者的脚踝部解剖结构和空间位置、显像图像建立相对应的匹配关系并进行定位。
本发明提供了一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置，包括：
模拟负重支具，其用于患者佩戴在足踝部实现患者足踝部的负重模拟，所述模拟负重支具内嵌有用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器；
C臂，其与所述模拟负重支具连接，所述C臂顶端固定有数据采集器，所述数据采集器朝向下方且正对患者足踝部手术区域，所述数据采集器包括中央摄像头和多个围绕所述中央摄像头的激光发射器，多个激光发射器投射在患者足部表面形成医学影像可识别的投射标记定位器，所述中央摄像头实时采集患者足踝部手术区域的真实影像，同时捕捉患者足踝部以及足踝部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
医学影像设备，其用于显示所述模拟负重支具及患者足部的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行所述基准标记定位器和所述投射标记定位器的匹配和校准。
作为本发明进一步的改进，所述模拟负重支具从足底至胫骨方向连接有压力可调的动力驱动滑动杆以及长度可调的可调节连接头；
所述动力驱动滑动杆靠近足底方向固定有足底支撑板，所述足底支撑板上分别固定有前足固定滑块和后足固定滑块，所述动力驱动滑动杆上固定有固定带，患者足底踩于所述足底支撑板上，分别由内外侧前足固定滑块和后足固定滑块将前后足固定，以使整个足部固定，并通过所述固定带将腿部固定，所述可调节连接头在腿部方向进行长度调节以适应患者腿部长度，所述动力驱动滑动杆在电动驱动器的作用下对患者足底加压；
所述足底支撑板、所述前足固定滑块和所述后足固定滑块中内嵌有基准标记定位器。
作为本发明进一步的改进，所述基准标记定位器为内嵌于所述足底支撑板、所述前足固定滑块和所述后足固定滑块中的定位网格和点阵。
作为本发明进一步的改进，所述投射标记定位器为贴附在患者足踝部表面的定位网格和点阵。
作为本发明进一步的改进，所述动力驱动滑动杆足底至胫骨方向依次连接有加压动作筒、滑动支撑杆、中段固定杆和伸缩杆，所述伸缩杆端部与所述可调节连接头连接。
作为本发明进一步的改进，所述固定带包括固定在所述足底支撑板上的后足固定带、固定在所述加压动作筒上的踝部固定带、固定在所述中段固定杆上的中段固定带以及固定在所述可调节连接头上的胫骨近端固定带。
作为本发明进一步的改进，所述加压动作筒上设置有动作筒控制面板。
作为本发明进一步的改进，所述中段固定杆上固定有螺栓，所述螺栓将所述中段固定杆和所述伸缩杆固定。
本发明还提供了一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位方法，包括以下步骤：
步骤1，手术前，在模拟负重支具中内嵌用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器，患者佩戴好所述模拟负重支具后仰卧，C臂与所述模拟负重支具连接；
步骤2，将所述C臂上的数据采集器朝向下方且正对患者足踝部的手术区域，所述数据采集器的多个激光发射器投射在患者足踝部，在患者背部表面形成多个投射激光点作为投射标记定位器，在患者足踝部表面的投射标记定位器上贴附医学影像可识别的定位网格和点阵，完成术前定位标记；
步骤3，拆除所述C臂，多个激光发射器投射激光在患者足踝部，当多个投射激光点与术前贴附在患者足踝部表面的投射标记定位器重合时，认为术前和术中患者足踝部的空间位置一致；
步骤4，医学影像设备开始图像扫描，患者与所述模拟负重支具进入医学影像设备中，医学影像设备将扫描到的图像进行三维重建，此时，内嵌于所述模拟负重支具中的定位网格和点阵以及患者足踝部贴附的定位网格和点阵同时显像在三维医学影像图像中，提供虚拟环境；
步骤5，手术中，患者仰卧，将所述C臂与所述模拟负重支具连接，将所述数据采集器朝向下方且正对患者足踝部的手术区域，多个激光发射器投射在患者足踝部，将患者足踝部的投射激光点与术前定位标记进行对准，完成术前和术中的匹配，匹配完成后，所述数据采集器的中央摄像头实时采集患者足踝部手术区域的真实影像，同时捕捉患者足踝部以及足踝部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
步骤6，所述医学影像设备将虚拟环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵叠加于真实环境中，进行匹配和校准，当虚拟环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵完全重合时，认定定位准确；当虚拟空间的患者足踝部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵存在偏差时，认定定位存在误差，提示需要进行实时图像的匹配和校准。
作为本发明进一步的改进，步骤1中，在佩戴所述模拟负重支具时，患者暴露膝关节以下皮肤，将足底置于足底支撑板之上，保证足跟紧贴底部，分别由内外侧前足固定滑块和后足固定滑块将前后足固定，并系紧后足固定带；通过伸缩杆调节可调节连接头长短以适应患者下肢长度；从远至近逐次系紧胫骨近端固定带、中段固定带和踝部固定带；检查位置正确、固定牢靠后，在动作筒控制面板上操作，使用电动驱动器通过滑动支撑杆对加压动作筒加压，完成足踝部手术负重模拟。
本发明的有益效果为：
1、解决现有技术中术前负重规划与术中非负重状态不匹配；患者身体上的定位装置是有创的，对患者造成附加伤害；不能实时、方便、直观提示术前规划的截骨平面；导航图像与手术场景相分离，医生需在导航屏幕和手术部位之问来回切换视野的技术问题。
2、本发明的模拟负重支具可以确保术前术中足部本身状态无变化，为相互匹配提供条件，能实现无创的精准定位，减少患者的创伤，有效降低电离辐射剂量，减小手术创伤，提高手术精度，缩短手术时间。
3、通过模拟负重支具中和患者脚踝部的定位网格和点阵与计算机中患者三维医学影像图像建立对应关系进行匹配，使得手术器械可以进行手术区域的定位跟踪。在手术过程中，还可以将手术器械的实时图像与术前MRI、CT、PET/CT等扫描图像进行融合，进行实时图像的匹配和校准，以减少患者由于体位变化造成网格或点阵的相对位移的误差。
4、本发明拟结合虚拟现实/增强现实可视化技术与足部微创手术，实现拇外翻微创手术可视化、手术路径精准化，医生可通过术中增强现实图像直观的确认手术区域和手术路径，达到精准定位的要求，提高手术精度，减少手术时间，降低手术风险。
5、本发明的用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置解决了脚踝部手术的匹配难题，为增强现实技术涉及的三个空间(真实场景空间、视频场景空间、医学影像空间)提供了空间坐标定位及匹配基准。
附图说明
图1为本发明实施例所述的模拟负重支具的侧视图；
图2为本发明实施例所述的模拟负重支具的俯视图；
图3为本发明实施例所述的模拟负重支具的后视图。
图中，
1、足底支撑板；2、加压动作筒；3、前足固定滑块；4、后足固定滑块；5、固定带；6、可调节连接头；7、滑动支撑杆；8、中段固定杆；9、伸缩杆；10、后足固定带；11、踝部固定带；12、中段固定带；13、胫骨近端固定带；14、动作筒控制面板；15、螺栓。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，本发明实施例的一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置，包括：模拟负重支具、C臂和医学影像设备。
模拟负重支具佩戴在患者足踝部且内嵌有用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器。通过模拟负重装置在术前术后均选择同样驱动力对足底加压，以模拟适于手术评估的负重状态并保持术前术后足部各骨间相对位置的恒定。
模拟负重支具整个结构需要符合人体下肢生理曲线，能适应不同长短的下肢，满足影像检查及手术中体位要求，可对足底部均匀加压，且可以保持影像检查和手术中患者体位的一致性。如图1-3所示，模拟负重支具从足底至胫骨方向连接有压力可调的动力驱动滑动杆以及长度可调的可调节连接头6。动力驱动滑动杆靠近足底方向固定有足底支撑板1，足底支撑板1的设计可以保证手术过程顺利完成，不影响手术操作。足底支撑板1上分别固定有前足固定滑块3和后足固定滑块4，动力驱动滑动杆上固定有固定带5，患者足底踩于足底支撑板1上，分别由内外侧前足固定滑块3和后足固定滑块4将前后足固定，以使整个足部固定，并通过固定带5将腿部固定，可调节连接头6在腿部方向进行长度调节以适应患者腿部长度，动力驱动滑动杆在电动驱动器的作用下对患者足底加压。足底支撑板1、前足固定滑块3和后足固定滑块4中内嵌有基准标记定位器。其中，基准标记定位器为内嵌于足底支撑板1、前足固定滑块3和后足固定滑块4中的定位网格和点阵。
动力驱动滑动杆足底至胫骨方向依次连接有加压动作筒2、滑动支撑杆7、中段固定杆8和伸缩杆9，伸缩杆9端部与可调节连接头6连接。进一步的，加压动作筒2上设置有动作筒控制面板14。在动作筒控制面板14上操作，使用电动驱动器通过滑动支撑杆7对加压动作筒2加压。伸缩杆9带动可调节连接头6进行长度调节，以适应患者腿部长。
固定带5包括固定在足底支撑板1上的后足固定带10、固定在加压动作筒2上的踝部固定带11、固定在中段固定杆8上的中段固定带12以及固定在可调节连接头6上的胫骨近端固定带13。优选的，固定带为软质，有摩擦力。
中段固定杆8上固定有螺栓15，螺栓15将中段固定杆8和伸缩杆9固定，当可调节连接头6的长度调节好之后，通过螺栓15实现固定。
在佩戴模拟负重支具时，患者暴露膝关节以下皮肤，将足底置于足底支撑板1之上，保证足跟紧贴底部，分别由内外侧前足固定滑块3和后足固定滑块4将前后足固定，并系紧后足固定带10；通过伸缩杆9调节可调节连接头6长短以适应患者下肢长度；从远至近逐次系紧胫骨近端固定带13、中段固定带12和踝部固定带11；检查位置正确、固定牢靠后，在动作筒控制面板14上操作，使用电动驱动器通过滑动支撑杆7对加压动作筒2加压，完成足踝部手术负重模拟。
C臂设计为可拆卸结构，与模拟负重支具连接，便于进入MRI、CT等设备完成影像检查。当患者佩戴完模拟负重支具后仰卧位，与MRI、CT等设备一起进行图像扫描，三维重建，与患者的脚踝部解剖结构建立相对固定的空间位置关系。C臂顶端固定有数据采集器，数据采集器朝向下方且正对患者足踝部手术区域，数据采集器包括中央摄像头和多个围绕中央摄像头的激光发射器，多个激光发射器投射在患者足部表面形成医学影像可识别的投射标记定位器。术前固定好体位后，通过激光发射器投射到足踝部皮肤多个点，通过定位网格和点阵予以标记，并贴附在患者足踝部表面形成投射标记定位器。术中对多个标记点进行手动配准，多个标记点与激光投射器重合，可认为术前和术中患者体位一致。中央摄像头实时采集患者足踝部手术区域的真实影像，同时捕捉患者足踝部以及足踝部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境。由于术前和术中负重程度要一致，相对于模拟负重支具的位置也是固定的，因此可以根据定位网格和点阵建立对应关系，进行匹配，进而将术前的影像推导到术中当前的位置。相应的，术前的截骨平面也可以匹配于术中当前的位置上，术中也可以用C臂采集的实时影像与术前的CT、MRI、PET/CT等图像进行融合，进行进一步实时图像的匹配和校准，以减少误差。
医学影像设备用于显示模拟负重支具及患者足部的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行基准标记定位器和投射标记定位器的匹配和校准。医学影像设备为薄层CT设备，不需要额外安装。目前导航系统中的影像数据的问题是，患者术前的CT数据，和术中的体位不一致，导致术前的CT数据不能精确的反映患者术中的状态，采用实施例中的脊柱空间坐标系定位装置，可以解决CT影像数据的这个问题。手术器械的实时追踪可根据脊柱空间坐标系定位装置的定位功能进行，医生可以观察患者的影像及手术器械的目标位置在患者影像中的位置，移动手术器械，逐渐靠近目标位置，完成导航。医学影像设备还可以预先存储患者的影像，当该患者进行手术时，可以直接从数据库中读取预先存储的影像。
本实施例中，术前术后均选择同样驱动力对足底加压，以模拟适于手术评估的负重状态并保持术前术后足踝部各骨间相对位置的恒定。术中患者仰卧，使得术中和术前，患者的足踝部位置固定，确保匹配精度。
实施例2，一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位方法，包括以下步骤：
步骤1，手术前，在模拟负重支具中内嵌用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器，患者佩戴好模拟负重支具后仰卧，C臂与模拟负重支具连接。
模拟负重支具如实施例1所示，在佩戴模拟负重支具时，患者暴露膝关节以下皮肤，将足底置于足底支撑板1之上，保证足跟紧贴底部，分别由内外侧前足固定滑块3和后足固定滑块4将前后足固定，并系紧后足固定带10；通过伸缩杆9调节可调节连接头6长短以适应患者下肢长度；从远至近逐次系紧胫骨近端固定带13、中段固定带12和踝部固定带11；检查位置正确、固定牢靠后，在动作筒控制面板14上操作，使用电动驱动器通过滑动支撑杆7对加压动作筒2加压，完成足踝部手术负重模拟。
步骤2，将C臂上的数据采集器朝向下方且正对患者足踝部的手术区域，数据采集器的多个激光发射器投射在患者足踝部，在患者背部表面形成多个投射激光点作为投射标记定位器，在患者足踝部表面的投射标记定位器上贴附医学影像可识别的定位网格和点阵，完成术前定位标记。
步骤3，拆除C臂，多个激光发射器投射激光在患者足踝部，当多个投射激光点与术前贴附在患者足踝部表面的投射标记定位器重合时，认为术前和术中患者足踝部的空间位置一致。
步骤4，医学影像设备开始图像扫描，患者与模拟负重支具进入医学影像设备中，医学影像设备将扫描到的图像进行三维重建，此时，内嵌于模拟负重支具中的定位网格和点阵以及患者足踝部贴附的定位网格和点阵同时显像在三维医学影像图像中，提供虚拟环境。
步骤5，手术中，患者仰卧，将C臂与模拟负重支具连接，将数据采集器朝向下方且正对患者足踝部的手术区域，多个激光发射器投射在患者足踝部，将患者足踝部的投射激光点与术前定位标记进行对准，完成术前和术中的匹配，匹配完成后，数据采集器的中央摄像头实时采集患者足踝部手术区域的真实影像，同时捕捉患者足踝部以及足踝部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境。
步骤6，医学影像设备将虚拟环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵叠加于真实环境中，进行匹配和校准，当虚拟环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵完全重合时，认定定位准确；当虚拟空间的患者足踝部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵存在偏差时，认定定位存在误差，提示需要进行实时图像的匹配和校准，以减少病人由于体位、松紧等变化造成网格或点阵的相对位移的误差。
进一步的，医学影像设备中的三维图像中的定位网格和点阵，由于带有精确的尺寸，因此在计算机识别系统里，可以对患者的三维图像上定位网格和点阵进行自动识别，医生可在计算机中做手术计划，并输入手术入路，将手术入路的虚拟通道显示在患者足踝部的手术区域的真实环境中。在微创手术中，医生可通过增强现实显像，进行精准定位手术需求。也可利用手术导航和手术机器人，替代其有创的人体定位部件，通过模拟负重支具上的网格和点阵与电脑中患者术前规划图像建立对应关系进行匹配，使得手术器械或手术机器人的机器手可以进行手术区域的定位跟踪。
手术中确定三维位置上的截骨平面，直接决定了矫形的成功与否，也是手术的最关进的步骤之一，传统的方法，医生通过术前读片，不断用x设备曝光，从而达到对截骨面进行规划要求。但实际上很难做到最大限度利用斜向截骨的三维旋转，用最少的截骨次数，实现外翻矫正。而采用本发明的用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法，医生可通过将术前负重影响及其上的推荐截骨面通过增强现实图像表现于术中术区，直观地确认手术路径，达到精准矫形的要求，由于定位准确清晰，切口可做的很小，实现“微创”治疗，可以虚拟手术入路和过程，将使医生将整个手术过程提前演练，更能降低手术时间，提高手术精度，降低手术风险。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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)

1.一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置，其特征在于，包括：
模拟负重支具，其用于患者佩戴在足踝部实现患者足踝部的负重模拟，所述模拟负重支具内嵌有用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器；
C臂，其与所述模拟负重支具连接，所述C臂顶端固定有数据采集器，所述数据采集器朝向下方且正对患者足踝部手术区域，所述数据采集器包括中央摄像头和多个围绕所述中央摄像头的激光发射器，多个激光发射器投射在患者足部表面形成医学影像可识别的投射标记定位器，所述中央摄像头实时采集患者足踝部手术区域的真实影像，同时捕捉患者足踝部以及足踝部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
医学影像设备，其用于显示所述模拟负重支具及患者足部的三维医学影像，提供虚拟环境，并将虚拟环境叠加于真实环境中，进行所述基准标记定位器和所述投射标记定位器的匹配和校准。
2.根据权利要求1所述的模拟负重支具定位装置，其特征在于，所述模拟负重支具从足底至胫骨方向连接有压力可调的动力驱动滑动杆以及长度可调的可调节连接头(6)；
所述动力驱动滑动杆靠近足底方向固定有足底支撑板(1)，所述足底支撑板(1)上分别固定有前足固定滑块(3)和后足固定滑块(4)，所述动力驱动滑动杆上固定有固定带(5)，患者足底踩于所述足底支撑板(1)上，分别由内外侧前足固定滑块(3)和后足固定滑块(4)将前后足固定，以使整个足部固定，并通过所述固定带(5)将腿部固定，所述可调节连接头(6)在腿部方向进行长度调节以适应患者腿部长度，所述动力驱动滑动杆在电动驱动器的作用下对患者足底加压；
所述足底支撑板(1)、所述前足固定滑块(3)和所述后足固定滑块(4)中内嵌有基准标记定位器。
3.根据权利要求2所述的模拟负重支具定位装置，其特征在于，所述基准标记定位器为内嵌于所述足底支撑板(1)、所述前足固定滑块(3)和所述后足固定滑块(4)中的定位网格和点阵。
4.根据权利要求1所述的模拟负重支具定位装置，其特征在于，所述投射标记定位器为贴附在患者足踝部表面的定位网格和点阵。
5.根据权利要求2所述的模拟负重支具定位装置，其特征在于，所述动力驱动滑动杆足底至胫骨方向依次连接有加压动作筒(2)、滑动支撑杆(7)、中段固定杆(8)和伸缩杆(9)，所述伸缩杆(9)端部与所述可调节连接头(6)连接。
6.根据权利要求5所述的模拟负重支具定位装置，其特征在于，所述固定带(5)包括固定在所述足底支撑板(1)上的后足固定带(10)、固定在所述加压动作筒(2)上的踝部固定带(11)、固定在所述中段固定杆(8)上的中段固定带(12)以及固定在所述可调节连接头(6)上的胫骨近端固定带(13)。
7.根据权利要求5所述的模拟负重支具定位装置，其特征在于，所述加压动作筒(2)上设置有动作筒控制面板(14)。
8.根据权利要求5所述的模拟负重支具定位装置，其特征在于，所述中段固定杆(8)上固定有螺栓(15)，所述螺栓(15)将所述中段固定杆(8)和所述伸缩杆(9)固定。
9.一种用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，手术前，在模拟负重支具中内嵌用于构建坐标系的医学影像可识别的基准标记定位器，患者佩戴好所述模拟负重支具后仰卧，C臂与所述模拟负重支具连接；
步骤2，将所述C臂上的数据采集器朝向下方且正对患者足踝部的手术区域，所述数据采集器的多个激光发射器投射在患者足踝部，在患者背部表面形成多个投射激光点作为投射标记定位器，在患者足踝部表面的投射标记定位器上贴附医学影像可识别的定位网格和点阵，完成术前定位标记；
步骤3，拆除所述C臂，多个激光发射器投射激光在患者足踝部，当多个投射激光点与术前贴附在患者足踝部表面的投射标记定位器重合时，认为术前和术中患者足踝部的空间位置一致；
步骤4，医学影像设备开始图像扫描，患者与所述模拟负重支具进入医学影像设备中，医学影像设备将扫描到的图像进行三维重建，此时，内嵌于所述模拟负重支具中的定位网格和点阵以及患者足踝部贴附的定位网格和点阵同时显像在三维医学影像图像中，提供虚拟环境；
步骤5，手术中，患者仰卧，将所述C臂与所述模拟负重支具连接，将所述数据采集器朝向下方且正对患者足踝部的手术区域，多个激光发射器投射在患者足踝部，将患者足踝部的投射激光点与术前定位标记进行对准，完成术前和术中的匹配，匹配完成后，所述数据采集器的中央摄像头实时采集患者足踝部手术区域的真实影像，同时捕捉患者足踝部以及足踝部贴附的定位网格和点阵，提供真实环境；
步骤6，所述医学影像设备将虚拟环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵叠加于真实环境中，进行匹配和校准，当虚拟环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵完全重合时，认定定位准确；当虚拟空间的患者足踝部表面的定位网格和点阵与真实环境中的患者足踝部表面的定位网格和点阵存在偏差时，认定定位存在误差，提示需要进行实时图像的匹配和校准。
10.根据权利要求9所述的模拟负重支具定位方法，其特征在于，步骤1中，在佩戴所述模拟负重支具时，患者暴露膝关节以下皮肤，将足底置于足底支撑板(1)之上，保证足跟紧贴底部，分别由内外侧前足固定滑块(3)和后足固定滑块(4)将前后足固定，并系紧后足固定带(10)；通过伸缩杆(9)调节可调节连接头(6)长短以适应患者下肢长度；从远至近逐次系紧胫骨近端固定带(13)、中段固定带(12)和踝部固定带(11)；检查位置正确、固定牢靠后，在动作筒控制面板(14)上操作，使用电动驱动器通过滑动支撑杆(7)对加压动作筒(2)加压，完成足踝部手术负重模拟。
CN201911106654.1A 2019-11-13 2019-11-13 用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法 Active CN110742700B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911106654.1A CN110742700B (zh) 2019-11-13 2019-11-13 用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911106654.1A CN110742700B (zh) 2019-11-13 2019-11-13 用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110742700A true CN110742700A (zh) 2020-02-04
CN110742700B CN110742700B (zh) 2021-07-30

Family

ID=69283170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911106654.1A Active CN110742700B (zh) 2019-11-13 2019-11-13 用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110742700B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022147216A1 (en) * 2020-12-30 2022-07-07 Bon Secours Mercy Health, Inc. Weight bearing computerized tomography device

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101797182A (zh) * 2010-05-20 2010-08-11 北京理工大学 一种基于增强现实技术的鼻内镜微创手术导航系统
CN203315091U (zh) * 2013-07-01 2013-12-04 张益钧 足踝外科人体足部负重模拟装置
CN204618267U (zh) * 2015-05-14 2015-09-09 复旦大学附属华山医院 骨科人体足部模拟负重检查装置
CN105979898A (zh) * 2013-12-10 2016-09-28 皇家飞利浦有限公司 位置确定系统
CN106691492A (zh) * 2017-02-06 2017-05-24 南方医科大学 一种脊柱关节负重位医学影像检查的辅助装置
CN107536643A (zh) * 2017-08-18 2018-01-05 北京航空航天大学 一种前交叉韧带重建的增强现实手术导航系统
CN107638190A (zh) * 2017-10-26 2018-01-30 天津市天津医院 一种ct扫描辅助床
CN109106394A (zh) * 2018-09-27 2019-01-01 无锡市第九人民医院 足踝部负重ct扫描辅助支架
CN109512514A (zh) * 2018-12-07 2019-03-26 陈玩君 一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法
CN109925057A (zh) * 2019-04-29 2019-06-25 苏州大学 一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法及系统
CN110353806A (zh) * 2019-06-18 2019-10-22 北京航空航天大学 用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法及系统

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101797182A (zh) * 2010-05-20 2010-08-11 北京理工大学 一种基于增强现实技术的鼻内镜微创手术导航系统
CN203315091U (zh) * 2013-07-01 2013-12-04 张益钧 足踝外科人体足部负重模拟装置
CN105979898A (zh) * 2013-12-10 2016-09-28 皇家飞利浦有限公司 位置确定系统
CN204618267U (zh) * 2015-05-14 2015-09-09 复旦大学附属华山医院 骨科人体足部模拟负重检查装置
CN106691492A (zh) * 2017-02-06 2017-05-24 南方医科大学 一种脊柱关节负重位医学影像检查的辅助装置
CN107536643A (zh) * 2017-08-18 2018-01-05 北京航空航天大学 一种前交叉韧带重建的增强现实手术导航系统
CN107638190A (zh) * 2017-10-26 2018-01-30 天津市天津医院 一种ct扫描辅助床
CN109106394A (zh) * 2018-09-27 2019-01-01 无锡市第九人民医院 足踝部负重ct扫描辅助支架
CN109512514A (zh) * 2018-12-07 2019-03-26 陈玩君 一种混合现实骨科微创手术导航系统及使用方法
CN109925057A (zh) * 2019-04-29 2019-06-25 苏州大学 一种基于增强现实的脊柱微创手术导航方法及系统
CN110353806A (zh) * 2019-06-18 2019-10-22 北京航空航天大学 用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法及系统

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022147216A1 (en) * 2020-12-30 2022-07-07 Bon Secours Mercy Health, Inc. Weight bearing computerized tomography device

Also Published As

Publication number Publication date
CN110742700B (zh) 2021-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109998687B (zh) 骨折复位手术机器人系统及方法
US20230218323A1 (en) Stereotactic Computer Assisted Surgery Method and System
US11474171B2 (en) Simulated bone or tissue manipulation
US20200390503A1 (en) Systems and methods for surgical navigation and orthopaedic fixation
US20220354580A1 (en) Surgical navigation system, computer for performing surgical navigation method, and storage medium
AU2017372744B2 (en) Surgical system for cutting an anatomical structure according to at least one target plane
Nolte et al. A new approach to computer-aided spine surgery: fluoroscopy-based surgical navigation
US20200345429A1 (en) Systems And Methods For Determining A Joint Center Of Rotation During A Procedure
US10441437B2 (en) System for determining the position of a knee prosthesis
JP4488678B2 (ja) 骨のｘ線画像の三次元表示の確立方法
US6514259B2 (en) Probe and associated system and method for facilitating planar osteotomy during arthoplasty
JP4754215B2 (ja) コンピュータ支援膝関節形成術の器具類、システム、および方法
US20070066917A1 (en) Method for simulating prosthetic implant selection and placement
CN113796956A (zh) 用于外科手术期间计算机辅助导航的外科手术引导系统
Wang et al. Intra-op measurement of the mechanical axis deviation: an evaluation study on 19 human cadaver legs
CN110742700B (zh) 用于增强现实手术系统的模拟负重支具定位装置及方法
US20230058837A1 (en) Method and system for guiding an osteotomy procedure
US20200069372A1 (en) Method and system for navigating a bone model in computer-assisted surgery
CN116849756A (zh) 一种膝关节胫骨高位截骨导航系统
EP3568075B1 (en) Method and system for measuring the laxity of a joint of a human or an animal
EP4140435A1 (en) Navigation system for guiding an osteotomy procedure
Portaccio et al. Design of a positioning system for orienting surgical cannulae during Minimally Invasive Spine Surgery
Kristekova A CT-Free Intraoperative Planning and Navigation System for High Tibial Dome Osteotomy
JP2024523835A (ja) （長）骨断片の位置及び向きを再生するための方法及び装置
Zheng et al. Technical principles of computer assisted orthopaedic surgery

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant