CN112168197B - 肘关节外固定旋转轴的定位方法及导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种肘关节外固定旋转轴的定位方法及导航系统，该定位方法通过安装在尺骨处的示踪器来追踪患者前臂进行肘关节平面屈曲活动的运动轨迹，通过安装在肱骨处的另一示踪器来建立世界坐标并作为图像在世界坐标的转化依据，通过光学追踪装置来分析记录患者手臂在不同平面进行肘关节屈曲运动时两个示踪器的坐标，然后通过坐标转换和拟合技术拟合出肘关节的旋转曲线和旋转曲线轴，最后根据采集的患者手臂三维图形和旋转曲线轴的交叉情况确定出外固定轴的置入点。该定位方法无需患者摆放传统手术必须体位，可避免反复透视、减少手术对患者及医生的X线辐射，且该方法通过机器自动定位，可解决因医生的经验、能力不同而导致的定位精度问题。

Description

肘关节外固定旋转轴的定位方法及导航系统

技术领域

本公开的实施例涉及肘关节外固定轴的定位领域，更具体地说，涉及一种肘关节外固定旋转轴的定位方法及导航系统。

背景技术

铰链式肘关节外固定设备在复杂性肘关节骨折脱位、肘关节不稳定的治疗和肘关节松解术、肘关节间隔式成形术后康复等方面发挥着重要作用，而使用各种铰链式肘关节外固定设备的关键是精确定位外固定轴心位置，目前临床上较常采用X线透视下轴心定位方法。但X线透视下定位轴心需要患者保持一个非常标准的特殊姿势，以使滑车影与肱骨小头影成为同心圆。但某些情况下患者根本无法摆出标准姿势，例如肩关节活动受限，特别是外展内旋受限的患者。同时，为确保针的位置及方向合适，置针时需要反复透视并及时调整针的位置及方向，即使有经验的专科医生也需要多次透视才能成功定位，而反复透视对患者及医生的X线辐射量较大。此外，该种定位方式，对医生技术要求较高，手术效果很大程度上取决于医生的经验、能力和主观判断，因而增加了手术难度。以上这些都极大地限制了铰链式外固定设备的使用。

因此，设计出一种不需要多次X线透视，不需要摆放传统手术必须的体位，且定位精确度符合标准的肘关节外固定轴的定位方法成为目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种肘关节外固定旋转轴的定位方法。

本发明的另一个目的在于提供一种肘关节外固定旋转轴的导航系统。

本发明第一方面的技术方案提供了一种肘关节外固定旋转轴的定位方法，该方法包括如下步骤：

固定安装示踪器：安装尺骨示踪器，以标记尺骨的位置，安装肱骨示踪器，以标记肱骨的位置；

建立以肱骨示踪器为原点的世界坐标系；

采集运动轨迹数据：在患者前臂做旋前位、中立位和旋后位多个方向的肘关节平面内屈曲活动时，获取患者尺骨示踪器和肱骨示踪器在每个运动平面内的运动轨迹，根据记录的运动轨迹生成尺骨示踪器和肱骨示踪器在世界坐标系中的运动坐标数据；

拟合旋转曲线轴：将尺骨示踪器的运动坐标数据转换成以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据，基于转化得到的以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据拟合出肘关节在世界坐标系中的旋转曲线，生成并显示旋转曲线在世界坐标系中的旋转曲线轴；

确定外固定轴置入点：在患者前臂固定后，获取患者手臂的三维图形数据，将获取的三维图形数据转化到世界坐标系中并进行显示，根据世界坐标系中的三维图形和世界坐标系中的旋转曲线轴的相交数据确定出外固定旋转轴的置入点。

进一步地，肘关节外固定旋转轴的定位方法还包括拟合旋转曲线轴步骤之后的验证步骤，所述验证步骤包括：

获取患者手臂的三维透视图像数据，将世界坐标系中的旋转曲线轴以及获取的三维透视图像数据转化成同一个坐标系下的数据；显示同一个坐标系中的三维透视图像和旋转曲线轴，验证旋转曲线轴与肘关节的三维透视图的相交特征是否满足预设要求。

进一步地，该定位方法还包括：将同一个坐标系中的三维透视图像、旋转曲线轴发送至远程端，并从远程端获取验证结果信息。

在上述技术方案中，优选地，肘关节外固定旋转轴的定位方法还包括拟合旋转曲线轴步骤之后的验证步骤，所述验证步骤包括：

获取患者手臂的三维透视图像数据，基于三维透视图像数据、预储存的经验数据或用户输入数据模拟出患者手臂的虚拟旋转轴，将虚拟旋转轴的数据转化成世界坐标系中的数据，比较世界坐标系中的虚拟旋转轴和世界坐标系中的旋转曲线轴的一致性，并在一致性超出预设标准范围时，输出提示信息。

在上述技术方案中，优选地，在所述采集运动轨迹数据步骤之前还包括：

发出姿势指令，获取患者手臂的姿势图像，根据患者手臂的姿势图像判断患者的手臂姿势是否符合标准，或发出姿势指令，生成并显示是否开始数据采集的判断窗口，在接收到开始数据采集的指令后执行所述采集运动轨迹数据的步骤；其中，发出的姿势指令包括将手臂位于中立位、将手臂位于旋前位和将手臂位于旋后位。

在上述技术方案中，优选地，在所述采集运动轨迹数据步骤之前还包括：播放预储存或临时获取的演示教学视频。

在上述任一技术方案中，优选地，肘关节外固定旋转轴的定位方法还包括：

导航步骤：获取机械臂末端的位置，根据机械臂末端的位置和确定的置入点规划机械臂的路径，并控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置，所述预设空间位置位于旋转曲线轴的轴向方向上、且位于所述置入点的上方，与所述置入点相距预设范围内的距离。

进一步地，所述导航步骤还包括：

在控制机械臂按照规划的路径运动到预设位置之前，设置机械臂的运动参数，基于设置的参数和规划的机械臂路径模拟演示机械臂的运动过程。

在上述任一技术方案中，优选地，肘关节外固定旋转轴的定位方法还包括：在拟合显示步骤之前将每一个姿势指令所对应的运动坐标数据中的前后各10°的数据去除，同时，去除所有运动坐标数据中的无效点和奇异点。

本发明第二方面的技术方案提供了一种肘关节外固定旋转轴的导航系统，该导航系统包括：

尺骨示踪器和肱骨示踪器，所述尺骨示踪器用于安装在患者手臂对应的尺骨位置，以标记患者尺骨的位置，所述肱骨示踪器用于安装在患者手臂对应的肱骨位置，以标记患者肱骨的位置；

光学追踪装置，用于在患者前臂做旋前位、中立位和旋后位多个方向的肘关节平面内屈曲活动时，获取患者尺骨示踪器和肱骨示踪器在每个运动平面内的运动轨迹，根据记录的运动轨迹生成尺骨示踪器和肱骨示踪器在世界坐标系中的运动坐标数据；

操作显示装置，用于进行信息显示，并获取用户输入的输入数据；

图像采集装置，用于采集图像，采集的图像包括：患者手臂的三维图形；

拟合显示装置，用于将记录的尺骨示踪器的运动坐标数据转换成以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据，基于转化得到的以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据拟合出肘关节在世界坐标系中的旋转曲线，生成并显示旋转曲线在世界坐标系中的旋转曲线轴；

置入点确认装置，用于在患者前臂固定后，获取患者手臂的三维图形数据，将获取的三维图形数据转化到世界坐标系中并进行显示，根据世界坐标系中的三维图形和世界坐标系中的旋转曲线轴的相交数据确定出外固定旋转轴的置入点。

进一步地，所述导航系统还包括以下至少之一：

导航控制装置：用于获取机械臂末端的位置，根据机械臂末端的位置和确定的置入点规划机械臂的路径，并控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置，所述预设空间位置位于旋转曲线轴的轴向方向上、且位于所述置入点的上方，与所述置入点相距预设范围内的距离；

模拟演示装置：用于在控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置之前，设置机械臂的运动参数，基于设置的参数和规划的机械臂路径模拟演示机械臂的运动过程；

数据库储存装置，所述数据库储存装置内设置有有效资料储存区和无效资料储存区；

播放装置，用于播放预储存或临时获取的演示教学视频。

根据本发明提供的肘关节外固定旋转轴的定位方法，在患者手臂的尺骨处安装有标记尺骨的尺骨示踪器，这样在患者手臂进行不同方位的肘关节屈曲活动时，便可通过光学追踪装置来追踪尺骨示踪器的运动轨迹，从而记录下尺骨示踪器的多个旋转轨迹。而患者前臂在位于不同方位进行肘关节屈曲运动时，整个尺骨的所有部位均以肘关节的旋转轴线为中心做旋转运动，本申请正是基于此，才对应尺骨安装了尺骨示踪器，以便通过尺骨示踪器的运动轨迹来代表尺骨的一部分轨迹，这样通过记录的尺骨示踪器的多个运动轨迹，然后通过曲线拟合技术便能够拟合出尺骨示踪器在患者进行旋前位、中立位和旋后位等多个方向的肘关节平面内屈曲活动时的旋转曲线，而通过拟合出的多个旋转曲线的中心点便能够确定出旋转曲线轴，而该旋转曲线轴便是肘关节外固定旋转轴。同时，本申请为了将基于采集的数据拟合出的旋转曲线轴对应到患者所在的空间，以实现肘关节外固定旋转轴在现实空间的定位，还在患者手臂的肱骨处对应安装有肱骨示踪器，并以肱骨示踪器为原点建立了世界坐标系，这样就使得记录的尺骨示踪器的坐标就是现实的空间坐标，这样就能够基于拟合出的旋转曲线轴的位置和方向直接实现外固定轴置入机械臂的导航控制，以便能够实现外固定旋转轴的自动定位。此外，本申请中，还能够采集患者手臂的三维图像，然后将患者手臂的三维图形转化到世界坐标系中，并在世界坐标系中对旋转曲线轴和患者手臂三维图形进行同时显示，然后确定出旋转曲线轴与患者手臂三维图形的最外侧交点，这样便能够确定出外固定旋转轴的置入点，这样通过置入点和旋转曲线轴便能够精确地定位出外固定旋转轴，进而能够实现外固定轴置入机械臂的完全智能导航控制。该种定位方法和导航系统，无需患者摆放传统手术必须的体位，可避免反复透视、减少手术对患者及医生的X线辐射。且该方法是通过机器自动定位，因此可降低对医生的经验和能力要求，从而使得该方法更容易被实施和普及，此外该种方法，还可解决因医生的经验、能力不同而导致的定位精度问题，这样便能够提高外固定旋转轴的定位精度。此外该种方法由于可通过机器导航定位，因此可避免置针过程中反复调节，从而可减少对患者的伤害，缩短手术时间。

其中，本申请中可优选将尺骨示踪器和肱骨示踪器绑在患者手臂对应的位置上，这样可降低对患者的伤害，当然，在实际手术过程中，也可将尺骨示踪器和肱骨示踪器直接定位安装至患者的尺骨和肱骨。

应当理解，公开内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

附图说明

结合附图并参考以下详细说明，本公开各实施例的上述和其他特征、优点及方面将变得更加明显。在附图中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的元素，其中：

图1示出了本公开的实施例提供的肘关节外固定旋转轴的定位方法的流程图；

图2示出了本公开的另一实施例提供的肘关节外固定旋转轴的定位方法的流程图；

图3示出了本公开的实施例提供的肘关节外固定旋转轴的导航系统的方框示意图。

具体实施方式

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1和图2所示，本发明第一方面的实施例提供了一种肘关节外固定旋转轴的定位方法，该方法包括如下步骤：

固定安装示踪器步骤102：安装尺骨示踪器，以标记尺骨的位置，安装肱骨示踪器，以标记肱骨的位置；

步骤104：建立以肱骨示踪器为原点的世界坐标系；

采集运动轨迹数据步骤106：在患者前臂做旋前位、中立位和旋后位多个方向的肘关节平面内屈曲活动时，获取患者尺骨示踪器和肱骨示踪器在每个运动平面内的运动轨迹，根据记录的运动轨迹生成尺骨示踪器和肱骨示踪器在世界坐标系中的运动坐标数据；

拟合旋转曲线轴步骤108：将尺骨示踪器的运动坐标数据转换成以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据，基于转化得到的以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据拟合出肘关节在世界坐标系中的旋转曲线，生成并显示旋转曲线在世界坐标系中的旋转曲线轴；

确定外固定轴置入点步骤110：在患者前臂固定后，获取患者手臂的三维图形数据，将获取的三维图形数据转化到世界坐标系中并进行显示，根据世界坐标系中的三维图形和世界坐标系中的旋转曲线轴的相交数据确定出外固定旋转轴的置入点。

根据本发明提供的肘关节外固定旋转轴的定位方法和导航系统，在患者手臂的尺骨处安装有标记尺骨的尺骨示踪器，这样在患者手臂进行不同方位的肘关节屈曲活动时，便可通过光学追踪装置来追踪尺骨示踪器的运动轨迹，从而记录下尺骨示踪器的多个旋转轨迹。而患者前臂在位于不同方位进行肘关节屈曲运动时，整个尺骨的所有部位均以肘关节的旋转轴线为中心做旋转运动，本申请正是基于此，才对应尺骨安装了尺骨示踪器，以便通过尺骨示踪器的运动轨迹来代表尺骨的一部分轨迹，这样通过记录的尺骨示踪器的多个运动轨迹，然后通过曲线拟合技术便能够拟合出尺骨示踪器在患者进行旋前位、中立位和旋后位等多个方向的肘关节平面内屈曲活动时的旋转曲线，而通过拟合出的多个旋转曲线的中心点便能够确定出旋转曲线轴，而该旋转曲线轴便是肘关节外固定旋转轴。同时，本申请为了将基于采集的数据拟合出的旋转曲线轴对应到患者所在的空间，以实现肘关节外固定旋转轴在现实空间的定位，还在患者手臂的肱骨处对应安装有肱骨示踪器，并以肱骨示踪器为原点建立了世界坐标系，这样就使得记录的尺骨示踪器的坐标就是现实的空间坐标，这样就能够基于拟合出的旋转曲线轴的位置和方向直接实现外固定轴置入机械臂的导航控制，以便能够实现外固定旋转轴的自动定位。此外，本申请中，还能够采集患者手臂的三维图像，然后将患者手臂的三维图形转化到世界坐标系中，并在世界坐标系中对旋转曲线轴和患者手臂三维图形进行同时显示，然后确定出旋转曲线轴与患者手臂三维图形的最外侧交点，这样便能够确定出外固定旋转轴的置入点，这样通过置入点和旋转曲线轴便能够精确地定位出外固定旋转轴，进而能够实现外固定轴置入机械臂的完全智能导航控制。该种定位方法和导航系统，无需患者摆放传统手术必须的体位，可避免反复透视、减少手术对患者及医生的X线辐射。且该方法是通过机器自动定位，因此可降低对医生的经验和能力要求，从而使得该方法更容易被实施和普及，此外该种方法，还可解决因医生的经验、能力不同而导致的定位精度问题，这样便能够提高外固定旋转轴的定位精度。此外该种方法由于可通过机器导航定位，因此可避免置针过程中反复调节，从而可减少对患者的伤害，缩短手术时间。

其中，本申请中可优选将尺骨示踪器和肱骨示踪器绑在患者手臂对应的位置上，这样可降低对患者的伤害，当然，在实际手术过程中，也可将尺骨示踪器和肱骨示踪器直接定位安装至患者的尺骨和肱骨。

进一步地，如图2所示，肘关节外固定旋转轴的定位方法，在拟合旋转曲线轴步骤之后还包括：

验证步骤112：获取患者手臂的三维透视图像数据，将世界坐标系中的旋转曲线轴以及获取的三维透视图像数据转化成同一个坐标系下的数据；显示同一个坐标系中的三维透视图像和旋转曲线轴，验证旋转曲线轴与肘关节的三维透视图的相交特征是否满足预设要求。

在该实施例中，可从C臂机等获取患者手臂的三维透视图像，然后将获取的三维透视图像转化到世界坐标系中并与旋转曲线轴一起进行显示，这样便能够在同一个显示界面同时显示旋转曲线轴和三维透视图，此后可根据用户输入数据或大数据对比判断来验证旋转曲线轴与肘关节三维透视的相交特征是否满足预设要求，这样便可进一步判断拟合出的旋转曲线轴的位置和方向是否正确，从而可确保外固定轴的定位精度。

进一步地，该定位方法还包括：输出验证选择窗口，接收用户的数据输入，并根据用户的输入数据判断旋转曲线轴是否正确。具体而言，机器可自动弹出一个验证选择窗口，以供用户选择旋转曲线轴是否正确，若用户选择正确，则判断拟合出的旋转曲线轴通过验证，反之，则判断拟合出的旋转曲线轴未通过验证，即拟合出的旋转曲线轴不合格定位所需精度。该种方式可让有经验的医生凭借经验判断旋转曲线轴的位置是否正确，这样便加入了经验医生的人工判断，从而可确保外固定轴的定位精度。

进一步地，该定位方法还包括：记录通过验证的旋转曲线轴和三维透视图，并分析和提取记录的旋转曲线轴和三维透视图的规律并储存，判断当前显示的旋转曲线轴和三维透视图是否符合储存的规律，若符合，则判定旋转曲线轴通过验证，若不符合，则判定旋转曲线轴未通过验证。

在该实施例中，通过大数据记录的图像对比，从而找到旋转曲线轴和三维透视图的规律和相似性，这样便能够基于找出的规律和相似性来判断新显示的旋转曲线轴和三维透视图是否满足相对位置要求，并以此来判断拟合出的旋转曲线轴是否通过验证。该种验证方式，能够自动验证同一个显示界面同时显示的旋转曲线轴和三维透视图的位置是否正确，该种验证属于机器验证，该种验证，需要提前获取很多以往的经验图像，适合机器人学习较长一段时间后使用。

进一步地，该定位方法还包括：将同一个坐标系中的三维透视图像、旋转曲线轴发送至远程端，并从远程端获取验证结果信息。该种设置，能够将三维透视图像和旋转曲线轴发送到远程端，以请求远程端的协助验证，这样便能够请求远程有经验的医生的协助，从而实现网络远程协助验证。

在上述实施例中，优选地，肘关节外固定旋转轴的定位方法，在拟合旋转曲线轴步骤之后还包括：

获取患者手臂的三维透视图像数据，基于三维透视图像数据、预储存的经验数据或用户输入数据模拟出患者手臂的虚拟旋转轴，将虚拟旋转轴的数据转化成世界坐标系中的数据，比较世界坐标系中的虚拟旋转轴和世界坐标系中的旋转曲线轴的一致性，并在一致性超出预设标准范围时，输出提示信息。

在该实施例中，可基于用户输入的数据或者过往的经验数据直接在获取的三维透视图像上模拟出虚拟旋转轴，然后可判断虚拟旋转轴和旋转曲线轴的一致性或匹配度，若一致性较高，则判定旋转曲线轴通过验证，若一致性较低，则判定旋转曲线轴未通过验证，并同时发出提示，以便提示用户重新采集数据，并重新进行定位。

在上述实施例中，优选地，在所述采集运动轨迹数据步骤之前还包括：

发出姿势指令，获取患者手臂的姿势图像，根据患者手臂的姿势图像判断患者的手臂姿势是否符合标准，发出的姿势指令包括将手臂位于中立位、将手臂位于旋前位和将手臂位于旋后位。

在该实施例中，基于尺骨示踪器的运动轨迹拟合出的旋转曲线轴要求采集患者以不同方位进行肘关节屈曲活动，并且要求患者的姿势尽量标准。在本申请中，通过发出的姿势指令来引导患者摆放正确地姿势，并通过采集的图像来判断用户的姿势是否正确，并在姿势正确后发出肘关节屈曲活动指令，以采集对应姿势下的尺骨示踪器的运动轨迹。该种设置能够一步一步地引导患者完成操作，因此可减少医生的工作量，使数据采集更精确、更智能化。

在另一实施例中，如图2所示，在所述采集运动轨迹数据步骤之前还包括：

步骤100：发出姿势指令，生成并显示是否开始数据采集的判断窗口，在接收到开始数据采集的指令后执行所述采集运动轨迹数据的步骤；其中，发出的姿势指令包括将手臂位于中立位、将手臂位于旋前位和将手臂位于旋后位。

在该实施例中，可在发出相应的姿势指令后，不采集图像，而是直接生成选择窗口，以让患者或者医生来判断是否已正确就位，若患者或者医生选择已就位，则执行采集运动轨迹数据步骤，若患者或者医生没有选择已就位，则暂时不进去其他操作，这样便能够确保数据采集的准确性。

在上述实施例中，优选地，在所述采集运动轨迹数据步骤之前还包括：播放预储存或临时获取的演示教学视频。该种设置，能够实现演示教学，从而方便医生或患者提前熟悉操作流程，这样便可提高手术的流畅性。

在上述任一实施例中，优选地，如图2所示，肘关节外固定旋转轴的定位方法还包括：

导航步骤S114：获取机械臂末端的位置，根据机械臂末端的位置和确定的置入点规划机械臂的路径，并控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置，所述预设空间位置位于旋转曲线轴的轴向方向上、且位于所述置入点的上方，与所述置入点相距预设范围内的距离。

在该些实施例中，是通过机械臂来实现旋转固定轴和置入点在现实空间中的定位的，即本申请中，在确定好置入点和旋转曲线轴后，对机械臂进行了路径规划，并能够控制机械臂按照规划的路径自动运动到置入点的上方，并按照旋转固定轴的方向调整好自身的角度。此后，便可控制机械臂直接将固定针置入到患者手臂内，以实现固定针的自动置入，而机器置入相比于人工置入而言，其精度和平稳度更高，因此能够使固定针置入的更精准。

当然，在另一实施例中，在确定好置入点和旋转曲线轴后，也可让医生将带有追踪功能的置入针置入到肘关节内，而在置入过程中，可将置入针的位置和方向以及置入点和旋转曲线轴进行同时对比显示，这样医生便可按照置入点和旋转曲线轴实时调节置入针的位置和方向，以便能够正确地快速地完成固定针的置入。

进一步地，导航步骤S114还包括：在控制机械臂按照规划的路径运动到预设位置之前，设置机械臂的运动参数，基于设置的参数和规划的机械臂路径模拟演示机械臂的运动过程。而通过模拟演示能够使提前获取机械臂的运动过程，以使固定针的置入过程更加顺利。

在上述任一实施例中，优选地，肘关节外固定旋转轴的定位方法还包括：在拟合显示步骤之前将每一个姿势指令所对应的运动坐标数据中的前后各10°的数据去除，同时，去除所有运动坐标数据中的无效点和奇异点。

在该实施例中，通过去除前后各10°的数据和所有运动坐标数据中的无效点和奇异点可排除肘关节屈曲运动起始和终止时对实验结果的干扰，这样可进一步确保定位出的外固定旋转轴的定位精度。

如图3所示，本发明第二方面的实施例提供了一种肘关节外固定旋转轴的导航系统300，该导航系统300包括：

尺骨示踪器310和肱骨示踪器320，尺骨示踪器310用于安装在患者手臂对应的尺骨位置，以标记患者尺骨的位置，肱骨示踪器320用于安装在患者手臂对应的肱骨位置，以标记患者肱骨的位置；

光学追踪装置330，用于在患者前臂做旋前位、中立位和旋后位多个方向的肘关节平面内屈曲活动时，获取患者尺骨示踪器310和肱骨示踪器320在每个运动平面内的运动轨迹，根据记录的运动轨迹生成尺骨示踪器310和肱骨示踪器320在世界坐标系中的运动坐标数据；

操作显示装置340，用于进行信息显示，并获取用户输入的输入数据；

图像采集装置380，用于采集图像，采集的图像包括：患者手臂的三维图形；

拟合显示装置370，用于将记录的尺骨示踪器310的运动坐标数据转换成以肱骨示踪器320为参照点的运动坐标数据，基于转化得到的以肱骨示踪器320为参照点的运动坐标数据拟合出肘关节在世界坐标系中的旋转曲线，生成并显示旋转曲线在世界坐标系中的旋转曲线轴；

置入点确认装置390，用于在患者前臂固定后，获取患者手臂的三维图形数据，将获取的三维图形数据转化到世界坐标系中并进行显示，根据世界坐标系中的三维图形和世界坐标系中的旋转曲线轴的相交数据确定出外固定旋转轴的置入点。

根据本发明提供的肘关节外固定旋转轴的定位方法和导航系统，在患者手臂的尺骨处安装有标记尺骨的尺骨示踪器310，这样在患者手臂进行不同方位的肘关节屈曲活动时，便可通过光学追踪装置330来追踪尺骨示踪器310的运动轨迹，从而记录下尺骨示踪器310的多个旋转轨迹。而患者前臂在位于不同方位进行肘关节屈曲运动时，整个尺骨的所有部位均以肘关节的旋转轴线为中心做旋转运动，本申请正是基于此，才对应尺骨安装了尺骨示踪器310，以便通过尺骨示踪器310的运动轨迹来代表尺骨的一部分轨迹，这样通过记录的尺骨示踪器310的多个运动轨迹，然后通过曲线拟合技术便能够拟合出尺骨示踪器310在患者进行旋前位、中立位和旋后位等多个方向的肘关节平面内屈曲活动时的旋转曲线，而通过拟合出的多个旋转曲线的中心点便能够确定出旋转曲线轴，而该旋转曲线轴便是肘关节外固定旋转轴。同时，本申请为了将基于采集的数据拟合出的旋转曲线轴对应到患者所在的空间，以实现肘关节外固定旋转轴在现实空间的定位，还在患者手臂的肱骨处对应安装有肱骨示踪器320，并以肱骨示踪器320为原点建立了世界坐标系，这样就使得记录的尺骨示踪器310的坐标就是现实的空间坐标，这样就能够基于拟合出的旋转曲线轴的位置和方向直接实现外固定轴置入机械臂的导航控制，以便能够实现外固定旋转轴的自动定位。此外，本申请中，还能够采集患者手臂的三维图像，然后将患者手臂的三维图形转化到世界坐标系中，并在世界坐标系中对旋转曲线轴和患者手臂三维图形进行同时显示，然后确定出旋转曲线轴与患者手臂三维图形的最外侧交点，这样便能够确定出外固定旋转轴的置入点，这样通过置入点和旋转曲线轴便能够精确地定位出外固定旋转轴，进而能够实现外固定轴置入机械臂的完全智能导航控制。该种定位方法和导航系统，无需患者摆放传统手术必须的体位，可避免反复透视、减少手术对患者及医生的X线辐射。且该方法是通过机器自动定位，因此可降低对医生的经验和能力要求，从而使得该方法更容易被实施和普及，此外该种方法，还可解决因医生的经验、能力不同而导致的定位精度问题，这样便能够提高外固定旋转轴的定位精度。此外该种方法由于可通过机器导航定位，因此可避免置针过程中反复调节，从而可减少对患者的伤害，缩短手术时间。

其中，本申请中可优选将尺骨示踪器310和肱骨示踪器320绑在患者手臂对应的位置上，这样可降低对患者的伤害，当然，在实际手术过程中，也可将尺骨示踪器310和肱骨示踪器320直接定位安装至患者的尺骨和肱骨。

进一步地，导航系统还包括导航控制装置360：用于获取机械臂末端的位置，根据机械臂末端的位置和确定的置入点规划机械臂的路径，并控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置，预设空间位置位于旋转曲线轴的轴向方向上、且位于所述置入点的上方，与所述置入点相距预设范围内的距离。通过导航控制可实现是通过机械臂来实现旋转固定轴和置入点在现实空间中的定位的，即本申请中，在确定好置入点和旋转曲线轴后，对机械臂进行了路径规划，并能够控制机械臂按照规划的路径自动运动到置入点的上方，并按照旋转固定轴的方向调整好自身的角度。此后，便可控制机械臂直接将固定针置入到患者手臂内，以实现固定针的自动置入，而机器置入相比于人工置入而言，其精度和平稳度更高，因此能够使固定针置入的更精准。

进一步地，导航系统还包括模拟演示装置350：用于在控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置之前，设置机械臂的运动参数，基于设置的参数和规划的机械臂路径模拟演示机械臂的运动过程。

进一步地，导航系统还包括数据库储存装置，数据库储存装置内设置有有效资料储存区和无效资料储存区。该种设置，可实现数据的分区储存，因此便于对数据进行归类管理。

进一步地，导航系统还包括播放装置，用于播放预储存或临时获取的演示教学视频。该种设置，能够实现演示教学，从而方便医生或患者提前熟悉操作流程，这样便可提高手术的流畅性。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本申请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一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种肘关节外固定旋转轴的定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

固定安装示踪器：安装尺骨示踪器，以标记尺骨的位置，安装肱骨示踪器，以标记肱骨的位置；

建立以肱骨示踪器为原点的世界坐标系；

采集运动轨迹数据：在患者前臂做旋前位、中立位和旋后位多个方向的肘关节平面内屈曲活动时，获取患者尺骨示踪器和肱骨示踪器在每个运动平面内的运动轨迹，根据记录的运动轨迹生成尺骨示踪器和肱骨示踪器在世界坐标系中的运动坐标数据；

拟合旋转曲线轴：将尺骨示踪器的运动坐标数据转换成以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据，基于转化得到的以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据拟合出肘关节在世界坐标系中的旋转曲线，生成并显示旋转曲线在世界坐标系中的旋转曲线轴；

验证步骤：获取患者手臂的三维透视图像数据，将世界坐标系中的旋转曲线轴以及获取的三维透视图像数据转化成同一个坐标系下的数据，显示同一个坐标系中的三维透视图像和旋转曲线轴，验证旋转曲线轴与肘关节的三维透视图的相交特征是否满足预设要求，记录通过验证的旋转曲线轴和三维透视图，并分析和提取记录的旋转曲线轴和三维透视图的规律并储存，判断当前显示的旋转曲线轴和三维透视图是否符合储存的规律，若符合，则判定旋转曲线抽通过验证，若不符合则判定旋转曲线轴未通过验证；通过大数据记录的图像对比，找到旋转曲线轴和三维透视图的规律和相似性，基干找出的规律和相似性来判断新显示的旋转曲线轴和三维透视图是否满足相对位置要求，并以此来判断拟合出的旋转曲线轴是否通过验证；

或者，验证步骤为：获取患者手臂的三维透视图像数据，基于三维透视图像数据、预储存的经验数据或用户输入数据模拟出患者手臂的虚拟旋转轴，将虚拟旋转轴的数据转化成世界坐标系中的数据，比较世界坐标系中的虚拟旋转轴和世界坐标系中的旋转曲线轴的一致性，并在一致性超出预设标准范围时，输出提示信息；

确定外固定轴置入点：在患者前臂固定后，获取患者手臂的三维图形数据，将获取的三维图形数据转化到世界坐标系中并进行显示，根据世界坐标系中的三维图形和世界坐标系中的旋转曲线轴的相交数据确定出外固定旋转轴的置入点。

2.根据权利要求1所述的肘关节外固定旋转轴的定位方法，其特征在于，在所述采集运动轨迹数据步骤之前还包括：

发出姿势指令，获取患者手臂的姿势图像，根据患者手臂的姿势图像判断患者的手臂姿势是否符合标准，或

发出姿势指令，生成并显示是否开始数据采集的判断窗口，在接收到开始数据采集的指令后执行所述采集运动轨迹数据的步骤；

其中，发出的姿势指令包括将手臂位于中立位、将手臂位于旋前位和将手臂位于旋后位。

3.根据权利要求1所述的肘关节外固定旋转轴的定位方法，其特征在于，

在所述采集运动轨迹数据步骤之前还包括：播放预储存或临时获取的演示教学视频。

4.根据权利要求1至3任一项所述的肘关节外固定旋转轴的定位方法，其特征在于，还包括：

导航步骤：获取机械臂末端的位置，根据机械臂末端的位置和确定的置入点规划机械臂的路径，并控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置，所述预设空间位置位于旋转曲线轴的轴向方向上、且位于所述置入点的上方预设距离。

5.根据权利要求4所述的肘关节外固定旋转轴的定位方法，其特征在于，所述导航步骤还包括：

在控制机械臂按照规划的路径运动到预设位置之前，设置机械臂的运动参数，基于设置的参数和规划的机械臂路径模拟演示机械臂的运动过程。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的肘关节外固定旋转轴的定位方法，其特征在于，还包括：

在拟合显示步骤之前将每一个姿势指令所对应的运动坐标数据中的前后各10°的数据去除，同时，去除所有运动坐标数据中的无效点和奇异点。

7.一种肘关节外固定旋转轴的导航系统，其特征在于，包括：

尺骨示踪器和肱骨示踪器，所述尺骨示踪器用于安装在患者手臂对应的尺骨位置，以标记患者尺骨的位置，所述肱骨示踪器用于安装在患者手臂对应的肱骨位置，以标记患者肱骨的位置；

光学追踪装置，用于在患者前臂做旋前位、中立位和旋后位多个方向的肘关节平面内屈曲活动时，获取患者尺骨示踪器和肱骨示踪器在每个运动平面内的运动轨迹，根据记录的运动轨迹生成尺骨示踪器和肱骨示踪器在世界坐标系中的运动坐标数据；

操作显示装置，用于进行信息显示，并获取用户输入的输入数据；

图像采集装置，用于采集图像，采集的图像包括：患者手臂的三维图形；

拟合显示装置，用于将记录的尺骨示踪器的运动坐标数据转换成以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据，基于转化得到的以肱骨示踪器为参照点的运动坐标数据拟合出肘关节在世界坐标系中的旋转曲线，生成并显示旋转曲线在世界坐标系中的旋转曲线轴；

置入点确认装置，用于在患者前臂固定后，获取患者手臂的三维图形数据，将获取的三维图形数据转化到世界坐标系中并进行显示，根据世界坐标系中的三维图形和世界坐标系中的旋转曲线轴的相交数据确定出外固定旋转轴的置入点。

所述肘关节外固定旋转轴的导航系统执行如权利要求1-6任一项所述的肘关节外固定旋转轴的定位方法。

8.根据权利要求7所述的肘关节外固定旋转轴的导航系统，其特征在于，所述导航系统还包括以下至少之一：

导航控制装置：用于获取机械臂末端的位置，根据机械臂末端的位置和确定的置入点规划机械臂的路径，并控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置，所述预设空间位置位于旋转曲线轴的轴向方向上、且位于所述置入点的上方预设距离；

模拟演示装置：用于在控制机械臂按照规划的路径运动到预设空间位置之前，设置机械臂的运动参数，基于设置的参数和规划的机械臂路径模拟演示机械臂的运动过程；

数据库储存装置，所述数据库储存装置内设置有有效资料储存区和无效资料储存区；

播放装置，用于播放预储存或临时获取的演示教学视频。