CN110811808A - 杆状手持操作装置及其力和位置同步测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗领域，提供杆状手持操作装置及其力和位置同步测量的方法。杆状手持操作装置包括杆状件、锁紧夹头、光学跟踪器、手柄、力传感器、环抱式连接件以及光电跟踪设备，所述锁紧夹头的一端连接在所述杆状件的末端，所述光学跟踪器安装在所述锁紧夹头上，所述手柄与所述力传感器的一端连接，所述力传感器的另一端通过环抱式连接件与所述锁紧夹头的另一端连接，所述光电跟踪设备用于获得所述光学跟踪器的位置坐标。本发明能够对骨盆位置及把持力进行同步测量，从而辅助医生进行骨盆骨折复位操作，提高手术精度。

Description

杆状手持操作装置及其力和位置同步测量的方法

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及杆状手持操作装置及其力和位置同步测量的方法。

背景技术

骨盆骨折多见于交通事故、高处坠落、塌方、地震等自然灾害，是一种严重的高能量损伤。骨盆骨折的损伤特点是骨盆环的破裂和骨折断端的移位，因此，手术治疗的第一步也是最重要的一步就是骨折的复位。在骨折复位手术中，需要将把持针有创的植入骨盆，医生通过手持把持针对骨盆位置进行移动调整，骨盆骨折复位不仅是一个几何拼合的过程，更是一个力学过程，在复位过程中不仅存在较大的肌肉、韧带牵拉阻力，还可能会出现骨折线位置结构发生挤压、摩擦等问题，在某些运动方向产生较大阻力，影响骨折复位过程，目前临床复位操作主要依赖医生“手感”，而这种手法经验难以量化表达。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明实施例提出一种杆状手持操作装置及其力和位置同步测量的方法，以对骨盆位置及把持力进行同步测量，从而辅助医生进行骨盆骨折复位操作，提高手术精度。

本发明实施例提供一种杆状手持操作装置，可以用于骨盆复位，其包括杆状件、锁紧夹头、光学跟踪器、手柄、力传感器、环抱式连接件以及光电跟踪设备，所述锁紧夹头的一端连接在所述杆状件的末端，所述光学跟踪器安装在所述锁紧夹头上，所述手柄与所述力传感器的一端连接，所述力传感器的另一端通过环抱式连接件与所述锁紧夹头的另一端连接，所述光电跟踪设备用于获得所述光学跟踪器的位姿。

本发明的一个实施例，所述光学跟踪器包括至少三个呈角度设置的支杆和分别设于所述支杆端部的光学球体，当然，光学球体还可以设置在除了端部的其他位置。

本发明的一个实施例，还包括消毒膜，所述力传感器与所述锁紧夹头连接的一端连接有连接件，所述力传感器通过连接件与所述锁紧夹头连接，所述连接件与所述锁紧夹头通过环抱式连接件连接，所述消毒膜用于套设在所述手柄、力传感器以及所述连接件上。

本发明实施例还提供一种所述杆状手持操作装置的力和位置同步测量的方法，包括步骤：

在空间中，建立世界坐标系，通过光电跟踪设备获得光学跟踪器在世界坐标系中的位姿；计算光学跟踪器坐标系与世界坐标系的变换矩阵M1；

在把持手柄进行操作时，通过力传感器对杆状件的受力进行测量及数据采集，计算力传感器坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵M；

通过坐标变换，将杆状件的力与位置的坐标系统一。

本发明的一个实施例，所述将杆状件的力与位置的坐标系统一的方法为：

杆状件在光学跟踪器坐标系中的坐标(Xn_t，Yn_t，Zn_t)，通过坐标变换，计算出杆状件在世界坐标系中的坐标(Xn_w，Yn_w，Zn_w)：

力传感器实时测量的力在其坐标系中为(F_X’，F_Y’，F_Z’)，将其通过坐标变换，转换到世界坐标系中为(F_X，F_Y，F_Z)：

对杆状件的位置及受力进行实时显示。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

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，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明实施例杆状手持操作装置的立体结构示意图；

图2是本发明实施例光电跟踪设备的结构示意图；

图3是本发明实施例杆状手持操作装置的力和位置同步测量的流程图；

附图标记：

1：手柄；2：力传感器；3：光学跟踪器；4：杆状件；5：连接件；6：光电跟踪设备。

具体实施方式

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

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“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。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实施例中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

第一方面，如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种杆状手持操作装置，可以用于骨盆复位、股骨复位或其他部位的复位手术，还可以用于牵引测力，其包括杆状件4、锁紧夹头(图中未示出)、光学跟踪器3、手柄1、力传感器2、环抱式连接件(图中未示出)以及光电跟踪设备6，杆状件4用于直接接触错位的骨盆，进行复位操作，例如，杆状件4可以为把持针，所述锁紧夹头的一端连接在所述杆状件4的末端，所述光学跟踪器3安装在所述锁紧夹头上，光学跟踪器3主要用于定位杆状件4的所在位置，所述手柄1与所述力传感器2的一端连接，所述力传感器2的另一端通过环抱式连接件与所述锁紧夹头的另一端连接，通过环抱式连接件实现力传感器2与锁紧夹头快速连接和脱开，通过环抱式连接件连接方式，也可以实现杆状件4的无菌操作；所述光电跟踪设备6用于获得所述光学跟踪器3的位姿，光电跟踪设备6的设置位置不限，光学跟踪设备具有可视范围，只要光学跟踪器3在这个范围内，即可获得光学跟踪器3的位置坐标，可以根据实际需求进行移动。

本发明的一个实施例，所述光学跟踪器3包括至少三个呈角度设置的支杆和分别设于所述支杆端部的光学球体，一个具体实施例，一共设有四个光学球体，四个光学球体不在同一条直线上即可，用于采集坐标位置。

本发明的一个实施例，还包括消毒膜，所述力传感器2与所述锁紧夹头连接的一端连接有连接件5，所述力传感器2通过连接件5与所述锁紧夹头连接，所述连接件与所述锁紧夹头通过环抱式连接件连接，环抱式连接件可以为抱箍，所述消毒膜用于套设在所述手柄1、力传感器2以及所述连接件5上，用于隔离人手和整个杆状手持操作装置，避免人手携带的细菌感染杆状手持操作装置。

第二方面，如图3所示，本发明实施例还提供了一种所述杆状手持操作装置的力和位置同步测量的方法，包括步骤：

在空间中，建立世界坐标系，通过光电跟踪设备6获得光学跟踪器3的位姿(Tx，Ty，Tz，Q₀，Qx，Qy，Qz)；

计算光学跟踪器3坐标系与世界坐标系的变换矩阵M1；

在把持手柄1进行操作时，通过力传感器2对杆状件4的受力进行测量及数据采集，实现对杆状件4受力的测量。

计算力传感器2坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵M。具体地，(X1，Y1，Z1)、(X2，Y2，Z2)、(X3，Y3，Z3)、(X4，Y4，Z4)为光学跟踪器上四个光学球体的球心在世界坐标系中的坐标；(X1’，Y1’，Z1’)、(X2’，Y2’，Z2’)、(X3’，Y3’，Z3’)、(X4’，Y4’，Z4’)为光学跟踪器上四个光学球体的球心在力传感器坐标系中的坐标，则M为：

通过坐标变换，将杆状件4的力与位置的坐标系统一。

本发明的一个实施例，所述将杆状件4的力与位置的坐标系统一的方法为：

杆状件4在光学跟踪器坐标系中的坐标(Xn_t，Yn_t，Zn_t)，通过坐标变换，计算出杆状件4在世界坐标系中的坐标(Xn_w，Yn_w，Zn_w)：

力传感器2实时测量的力在其坐标系中为(F_X’，F_Y’，F_Z’)，将其通过坐标变换，转换到世界坐标系中为(F_X，F_Y，F_Z)：

对杆状件4的位置及受力进行实时显示。具体地，根据光学跟踪器3与杆状件4、骨盆的位置关系，得到骨盆在光学跟踪器3坐标系中的坐标(X_Pt，Y_Pt，Z_Pt)，通过坐标变换(变换矩阵为M1)，将骨盆坐标变换到世界坐标系中，其坐标为(X_Pw，Y_Pw，Z_Pw)。在三维显示软件中，建立世界坐标系，实时显示骨盆位置及受力情况。

本实施例可用于骨盆骨折复位手术中，对骨盆位置及把持力进行同步测量，从而辅助医生进行骨盆骨折复位操作，提高手术精度。也可用于其他通过把持杆状件4进行操作的过程中，对杆状件4受力与位置的同步测量。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (5)

1.一种杆状手持操作装置，其特征在于，包括杆状件、锁紧夹头、光学跟踪器、手柄、力传感器、环抱式连接件以及光电跟踪设备，所述锁紧夹头的一端连接在所述杆状件的末端，所述光学跟踪器安装在所述锁紧夹头上，所述手柄与所述力传感器的一端连接，所述力传感器的另一端通过环抱式连接件与所述锁紧夹头的另一端连接，所述光电跟踪设备用于获得所述光学跟踪器的位姿。

2.根据权利要求1所述的杆状手持操作装置，其特征在于，所述光学跟踪器包括至少三个呈角度设置的支杆和分别设于所述支杆端部的光学球体。

3.根据权利要求1所述的杆状手持操作装置，其特征在于，还包括消毒膜，所述力传感器与所述锁紧夹头连接的一端连接有连接件，所述力传感器通过连接件与所述锁紧夹头连接，所述连接件与所述锁紧夹头通过环抱式连接件连接，所述消毒膜用于套设在所述手柄、力传感器以及所述连接件上。

4.一种权利要求1-3任一项所述的杆状手持操作装置的力和位置同步测量的方法，其特征在于，包括步骤：

在空间中，建立世界坐标系，通过光电跟踪设备获得光学跟踪器在世界坐标系中的位姿，计算光学跟踪器坐标系与世界坐标系的变换矩阵M1；

在把持手柄进行操作时，通过力传感器对杆状件的受力进行测量及数据采集，计算力传感器坐标系与世界坐标系之间的变换矩阵M；

通过坐标变换，将杆状件的力与位置的坐标系统一。

5.根据权利要求4所述的杆状手持操作装置的力和位置同步测量的方法，其特征在于，所述将杆状件的力与位置的坐标系统一的方法为：

杆状件在光学跟踪器坐标系中的坐标(Xn_t，Yn_t，Zn_t)，通过坐标变换，计算出杆状件在世界坐标系中的坐标(Xn_w，Yn_w，Zn_w)：

力传感器实时测量的力在其坐标系中为(F_X’，F_Y’，F_Z’)，将其通过坐标变换，转换到世界坐标系中为(F_X，F_Y，F_Z)：

对杆状件的位置及受力进行实时显示。

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