CN111568547A - 一种外科手术精确定位指导系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外科手术精确定位指导系统，抛弃了传统的手术中定位使用CT或者核磁检测的方法，使用光线对手术中的患者和手术器具进行定位，一方面避免了设备的臃肿，手术空间不足的问题，另一方面对人的伤害更小；首次采用光检测器和半透半散定位板的组合，对一束光进行两次定位，从而可以在三维空间上实现对于光线的定位，然后进行数据处理就可以获得手术设备和病灶的位置；病灶和定位板定位时对病灶的多个特征点进行定位，可以很大程度上确定病灶的形状；且将利用射线检测放置在手术之前。在定位的同时在显示器上实时显示，由于本发明的计算量小，仅仅是几组空间坐标的计算，计算机处理速度可以做到很快，几乎没有延迟。

Description

一种外科手术精确定位指导系统
技术领域
本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种外科手术精确定位指导系统。
背景技术
手术导航系统，是将病人术前或术中影像数据和手术床上病人解剖结构准确对应，手术中跟踪手术器械并将手术器械的位置在病人影像上以虚拟探针的形式实时更新显示，使医生对手术器械相对病人解剖结构的位置一目了然，使外科手术更快速、更精确、更安全。
WO2019/010203公开了一种定位方法，可以获取初始患者数据，并获取脊柱对准轮廓信息。但是其在实际使用时需要获取轮廓信息，而轮廓信息的计算将占用大量的计算机资源，且其计算中造成的延迟会较大，实时性方面不理想。
CN201910972990.8公开了一种外科手术定位方法，相机组件和投影仪组件一体集成为同轴光路系统的信息采集与投影设备，可以用于采集位置标定组件的图像信息以及在患者待手术部位投影病灶图像，可以通过上位机对所述图像信息进行数据处理，以确定所述患者体内病灶位置，确定投影位置，基于所述投影位置，控制所述投影仪组件在所述待手术部位的设定位置投影所述病灶图像。但是在实际使用时投影会对医生的判断造成干扰，使用效果不好。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，提供一种外科手术精确定位指导系统，包括主控制模块、显示器、位置计算模块、光检测器、摄像机、多功能操作杆、绑带定位器，显示器、位置计算模块、光检测器、摄像机、多功能操作杆、绑带定位器均连接至主控制模块；多功能操作杆包括杆柄和接头，接头可以连接多种手术用器具；
多功能操作杆和绑带定位器上均设置有多个发光器；
还设置有半透半散定位板，从发光器发出的光穿过半透半散定位板后入射至光检测器；光检测器接收不同光的信号，并采集接收光的位置坐标；摄像机对半透半散定位板进行拍摄，获得半透半散定位板上的光点位置坐标；光检测器和摄像机将每一束光的位置坐标发送至主控制模块；
主控制模块根据多组光检测器发送的位置坐标和摄像机发送的位置坐标对光束进行反演，判断多功能操作杆和绑带定位器上发光器的位置，然后根据多工能操作杆上连接手术用器具的尺寸参数，得到手术器具端部的三维空间坐标；根据绑带定位器上发光器的位置和预先存储的病灶部位和绑带定位器的相对位置判断病灶位置的三维空间坐标；
主控制模块控制显示器显示三维空间模型，并将位置计算模块计算得到的手术器具端部的三维空间坐标和病灶位置的三维空间坐标在显示器的三维空间模型中显示出来。
手术用器具包括钻孔器、吸液器、高温切割头、液氮冷冻切割头、激光切割头，内窥镜头。
光检测器包括第一光检测器和第二光检测器，均为平板型光检测器，当光照射到光检测器的平板面上时，光检测器可以获得照射到其上的光的强度、位置和波长参数；
半透半散定位板包括第一半透半散定位板和第二半透半散定位板，第一半透半散定位板和第一光检测器平行设置，且相对位置固定，第二半透半散定位板和第二光检测器平行设置，且相对位置固定；由此光检测器和半透半散定位板上的任意一点都具有固定的三维空间坐标；
摄像机包括第一摄像机和第二摄像机，第一摄像机拍摄第一半透半散定位板表面的图像，第二摄像机拍摄第二半透半散定位板表面的图像，摄像机和半透半散定位板的位置相对固定，由此可以在摄像机拍摄的图像中直接映射半透半散定位板表面的三维空间坐标；
光检测器和半透半散定位板的位置设置为可以接收到所有发光器发出的光线，且其位置可以由主控制模块带动位移机构调整。
多功能操作杆上设置有两个可调环，每个可调环上设置两个杆发光器；可调环可带动两个杆发光器转动，但是每个可调环上的两个杆发光器永远保证其发出光线的反向交点位于多功能操作杆的轴线上的一固定点；
绑带定位器在使用时可固定在病灶位置的两侧，因此绑带定位器的个数为两个；每个绑带定位器上均设置两组绑带发光器，每组绑带发光器发射光线的反向交点位于绑带发光器的表面的一固定点；每一个发光器发射的光的波长都不同。
且当光检测器或者摄像机捕获不到某一发光器的信号时，则主控制模块控制发光器位置进行调整，直到光检测器和摄像机可以捕获到每一个发光器的信号。
任一激光在光检测器上的位置坐标为Ax1，y1，z1，在半透半散定位板上的坐标为Bx2，y2，z2；那么就可以根据两点确定一条直线，确定该激光的方向直线L1；然后获得从同一个可调环或者同一组绑带发光器发射的光线L2；计算L1和L2的交点就可以获得多功能操作杆或者绑带定位器表面的一个固定点的坐标；计算每一束激光，这样就可以获得多功能操作杆上两个固定点的坐标和绑带定位器上四个固定点的坐标；
由于多功能操作杆上的手术用器具和两个固定点之间的相对位置是确定的，因此可以很容易由多功能操作杆上两个固定点的坐标得到手术用器具尖端的位置坐标；
此外由于病灶位置和绑带定位器上四个固定点之间的相对位置是确定的，因此可以很容易的计算出病灶位置的坐标。
半透半散定位板为可以将一半的光散射，并使得另一半的光透过的光学材料；由于透过之后的光斑会发生扩大，因此光检测器检测时以光斑的中心点作为光斑的坐标。
绑带定位器和病灶位置的相对位置通过绑好绑带定位器之后扫描X射线或者拍摄CT实现，获得病灶上多个标记点到达绑带定位器上四个固定点之间的任意三个点组成的平面的距离，并将其相对位置输入主控制模块；
相对位置的确定为根据病灶上多个标记点到达绑带定位器上四个固定点之间的任意三个点组成的平面的距离，选择四个固定点之间任意三个组成的平面中的任意两个来确定病灶的标记点的位置，显示时将病灶标记点的坐标显示在显示器上。
本发明的有益效果为：
抛弃了传统的手术中定位使用CT或者核磁检测的方法，使用光线对手术中的患者和手术器具进行定位，一方面避免了设备的臃肿，手术空间不足的问题，另一方面对人的伤害更小；
首次采用光检测器和半透半散定位板的组合，对一束光进行两次定位，从而可以在三维空间上实现对于光线的定位，然后进行数据处理就可以获得手术设备和病灶的位置；病灶和定位板定位时对病灶的多个特征点进行定位，可以很大程度上确定病灶的形状；且将利用射线检测放置在手术之前。在定位的同时在显示器上实时显示，由于本发明的计算量小，仅仅是几组空间坐标的计算，计算机处理速度可以做到很快，几乎没有延迟。
附图说明
被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明的定位原理图；
图3为本发明的绑带定位器的示意图。
具体实施方式
本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。
一种外科手术精确定位指导系统，包括主控制模块、显示器、位置计算模块、光检测器、摄像机、多功能操作杆、绑带定位器18，显示器、位置计算模块、光检测器、摄像机、多功能操作杆、绑带定位器18均连接至主控制模块；多功能操作杆包括杆柄21和接头，接头可以连接多种手术用器具22；
多功能操作杆和绑带定位器18上均设置有多个发光器；
还设置有半透半散定位板，从发光器发出的光穿过半透半散定位板后入射至光检测器；光检测器接收不同光的信号，并采集接收光的位置坐标；摄像机对半透半散定位板进行拍摄，获得半透半散定位板上的光点位置坐标；光检测器和摄像机将每一束光的位置坐标发送至主控制模块；
主控制模块根据多组光检测器发送的位置坐标和摄像机发送的位置坐标对光束进行反演，判断多功能操作杆和绑带定位器18上发光器的位置，然后根据多工能操作杆上连接手术用器具22的尺寸参数，得到手术器具端部的三维空间坐标；根据绑带定位器18上发光器的位置和预先存储的病灶20部位和绑带定位器18的相对位置判断病灶20位置的三维空间坐标；
主控制模块控制显示器显示三维空间模型，并将位置计算模块计算得到的手术器具端部的三维空间坐标和病灶20位置的三维空间坐标在显示器的三维空间模型中显示出来。
手术用器具22包括钻孔器、吸液器、高温切割头、液氮冷冻切割头、激光切割头，内窥镜头。
光检测器包括第一光检测器11和第二光检测器12，均为平板型光检测器，当光照射到光检测器的平板面上时，光检测器可以获得照射到其上的光的强度、位置和波长参数；
半透半散定位板包括第一半透半散定位板13和第二半透半散定位板14，第一半透半散定位板13和第一光检测器11平行设置，且相对位置固定，第二半透半散定位板14和第二光检测器12平行设置，且相对位置固定；由此光检测器和半透半散定位板上的任意一点都具有固定的三维空间坐标；
摄像机包括第一摄像机15和第二摄像机16，第一摄像机15拍摄第一半透半散定位板13表面的图像，第二摄像机16拍摄第二半透半散定位板14表面的图像，摄像机和半透半散定位板的位置相对固定，由此可以在摄像机拍摄的图像中直接映射半透半散定位板表面的三维空间坐标；
光检测器和半透半散定位板的位置设置为可以接收到所有发光器发出的光线，且其位置可以由主控制模块带动位移机构调整。
多功能操作杆上设置有两个可调环17，每个可调环17上设置两个杆发光器；可调环17可带动两个杆发光器转动，但是每个可调环17上的两个杆发光器永远保证其发出光线的反向交点位于多功能操作杆的轴线上的一固定点；
绑带定位器18在使用时可固定在病灶20位置的两侧，因此绑带定位器18的个数为两个；每个绑带定位器18上均设置两组绑带发光器19，每组绑带发光器19发射光线的反向交点位于绑带发光器19的表面的一固定点；每一个发光器发射的光的波长都不同。
且当光检测器或者摄像机捕获不到某一发光器的信号时，则主控制模块控制发光器位置进行调整，直到光检测器和摄像机可以捕获到每一个发光器的信号。
任一激光在光检测器上的位置坐标为A（x1，y1，z1），在半透半散定位板上的坐标为B（x2，y2，z2）；那么就可以根据两点确定一条直线，确定该激光的方向直线L1；然后获得从同一个可调环17或者同一组绑带发光器19发射的光线L2；计算L1和L2的交点就可以获得多功能操作杆或者绑带定位器18表面的一个固定点的坐标；计算每一束激光，这样就可以获得多功能操作杆上两个固定点的坐标和绑带定位器18上四个固定点的坐标；
由于多功能操作杆上的手术用器具22和两个固定点之间的相对位置是确定的，因此可以很容易由多功能操作杆上两个固定点的坐标得到手术用器具22尖端的位置坐标；
此外由于病灶20位置和绑带定位器18上四个固定点之间的相对位置是确定的，因此可以很容易的计算出病灶20位置的坐标。
半透半散定位板为可以将一半的光散射，并使得另一半的光透过的光学材料；由于透过之后的光斑会发生扩大，因此光检测器检测时以光斑的中心点作为光斑的坐标。
绑带定位器18和病灶20位置的相对位置通过绑好绑带定位器18之后扫描X射线或者拍摄CT实现，获得病灶20上多个标记点到达绑带定位器18上四个固定点之间的任意三个点组成的平面的距离，并将其相对位置输入主控制模块；
相对位置的确定为根据病灶20上多个标记点到达绑带定位器18上四个固定点之间的任意三个点组成的平面的距离，选择四个固定点之间任意三个组成的平面中的任意两个来确定病灶20的标记点的位置，显示时将病灶20标记点的坐标显示在显示器上。
以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种外科手术精确定位指导系统，包括主控制模块、显示器、位置计算模块、光检测器、摄像机、多功能操作杆、绑带定位器(18)，其特征在于：
显示器、位置计算模块、光检测器、摄像机、多功能操作杆、绑带定位器(18)均连接至主控制模块；多功能操作杆包括杆柄(21)和接头，接头可以连接多种手术用器具(22)；
多功能操作杆和绑带定位器(18)上均设置有多个发光器；
还设置有半透半散定位板，从发光器发出的光穿过半透半散定位板后入射至光检测器；光检测器接收不同光的信号，并采集接收光的位置坐标；摄像机对半透半散定位板进行拍摄，获得半透半散定位板上的光点位置坐标；光检测器和摄像机将每一束光的位置坐标发送至主控制模块；
主控制模块根据多组光检测器发送的位置坐标和摄像机发送的位置坐标对光束进行反演，判断多功能操作杆和绑带定位器(18)上发光器的位置，然后根据多工能操作杆上连接手术用器具(22)的尺寸参数，得到手术器具端部的三维空间坐标；根据绑带定位器(18)上发光器的位置和预先存储的病灶(20)部位和绑带定位器(18)的相对位置判断病灶(20)位置的三维空间坐标；
主控制模块控制显示器显示三维空间模型，并将位置计算模块计算得到的手术器具端部的三维空间坐标和病灶(20)位置的三维空间坐标在显示器的三维空间模型中显示出来。
2.根据权利要求1所述的一种外科手术精确定位指导系统，其特征在于：
手术用器具(22)包括钻孔器、吸液器、高温切割头、液氮冷冻切割头、激光切割头，内窥镜头。
3.根据权利要求1所述的一种外科手术精确定位指导系统，其特征在于：
光检测器包括第一光检测器(11)和第二光检测器(12)，均为平板型光检测器，当光照射到光检测器的平板面上时，光检测器可以获得照射到其上的光的强度、位置和波长参数；
半透半散定位板包括第一半透半散定位板(13)和第二半透半散定位板(14)，第一半透半散定位板(13)和第一光检测器(11)平行设置，且相对位置固定，第二半透半散定位板(14)和第二光检测器(12)平行设置，且相对位置固定；由此光检测器和半透半散定位板上的任意一点都具有固定的三维空间坐标；
摄像机包括第一摄像机(15)和第二摄像机(16)，第一摄像机(15)拍摄第一半透半散定位板(13)表面的图像，第二摄像机(16)拍摄第二半透半散定位板(14)表面的图像，摄像机和半透半散定位板的位置相对固定，由此可以在摄像机拍摄的图像中直接映射半透半散定位板表面的三维空间坐标；
光检测器和半透半散定位板的位置设置为可以接收到所有发光器发出的光线，且其位置可以由主控制模块带动位移机构调整。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种外科手术精确定位指导系统，其特征在于：
多功能操作杆上设置有两个可调环(17)，每个可调环(17)上设置两个杆发光器；可调环(17)可带动两个杆发光器转动，但是每个可调环(17)上的两个杆发光器永远保证其发出光线的反向交点位于多功能操作杆的轴线上的一固定点；
绑带定位器(18)在使用时可固定在病灶(20)位置的两侧，因此绑带定位器(18)的个数为两个；每个绑带定位器(18)上均设置两组绑带发光器(19)，每组绑带发光器(19)发射光线的反向交点位于绑带发光器(19)的表面的一固定点；每一个发光器发射的光的波长都不同。
且当光检测器或者摄像机捕获不到某一发光器的信号时，则主控制模块控制发光器位置进行调整，直到光检测器和摄像机可以捕获到每一个发光器的信号。
5.根据权利要求4所述的一种外科手术精确定位指导系统，其特征在于：
任一激光在光检测器上的位置坐标为A(x1，y1，z1)，在半透半散定位板上的坐标为B(x2，y2，z2)；那么就可以根据两点确定一条直线，确定该激光的方向直线L1；然后获得从同一个可调环(17)或者同一组绑带发光器(19)发射的光线L2；计算L1和L2的交点就可以获得多功能操作杆或者绑带定位器(18)表面的一个固定点的坐标；计算每一束激光，这样就可以获得多功能操作杆上两个固定点的坐标和绑带定位器(18)上四个固定点的坐标；
由于多功能操作杆上的手术用器具(22)和两个固定点之间的相对位置是确定的，因此可以很容易由多功能操作杆上两个固定点的坐标得到手术用器具(22)尖端的位置坐标；
此外由于病灶(20)位置和绑带定位器(18)上四个固定点之间的相对位置是确定的，因此可以很容易的计算出病灶(20)位置的坐标。
6.根据权利要求4所述的一种外科手术精确定位指导系统，其特征在于：
半透半散定位板为可以将一半的光散射，并使得另一半的光透过的光学材料；由于透过之后的光斑会发生扩大，因此光检测器检测时以光斑的中心点作为光斑的坐标。
7.根据权利要求4所述的一种外科手术精确定位指导系统，其特征在于：绑带定位器(18)和病灶(20)位置的相对位置通过绑好绑带定位器(18)之后扫描X射线或者拍摄CT实现，获得病灶(20)上多个标记点到达绑带定位器(18)上四个固定点之间的任意三个点组成的平面的距离，并将其相对位置输入主控制模块；
相对位置的确定为根据病灶(20)上多个标记点到达绑带定位器(18)上四个固定点之间的任意三个点组成的平面的距离，选择四个固定点之间任意三个组成的平面中的任意两个来确定病灶(20)的标记点的位置，显示时将病灶(20)标记点的坐标显示在显示器上。
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