CN112932665A - 一种用于x光成像的双位置手术定位标尺 - Google Patents

一种用于x光成像的双位置手术定位标尺 Download PDF

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Abstract

一种用于X光成像的双位置手术定位标尺,涉及导航手术定位的工具,包括两组可透X光的双平面定位标尺和固定这两组双平面定位标尺的可透X光的连接辅助面,所述两组双平面定位标的法向量夹角在60‑120度之间,每组双平面定位标尺包括上平面、下平面以及连接上、下平面的内弧面和外弧面,所述上、下平面上各设置一组标记点,所述标记点至少为四个且不能在一条直线上,所述标记点包括不透X光的球形部件,所述上平面的标记点上和连接辅助面上设有可反射红外光的部件,所述两组双平面定位标之间还包括固定带;本发明可以任意的固定到适合术中CBCT/CT机透视的位置,拍摄一张正位和侧位图,不需要中间再调整标尺位置,极大的提高了最后转成三维坐标的精度。

Description

一种用于X光成像的双位置手术定位标尺
技术领域
本发明涉及一种用于导航手术定位的工具,特别是一种用于骨科导航手术中通过X光图像计算三维空间坐标实现空间定位计算的手术定位标尺。
背景技术
在各种骨科导航手术中,通过二维图像计算三维空间坐标算法是其核心的技术之一,定位标尺是机器人手术系统中用于手术路径空间定位计算的基准,是影响手术定位精准的关键部件。定位标尺一般安装在X光光源和X光成像装置之间,由X光光源透过定位标尺成像,然后定位标尺上特定分布的标记点就呈现在图像上,根据X光形成的图像中特定标记点的分布和定位标尺上的标点就可以进行空间定位计算,最终确定手术路径。
传统的定位标尺是基于双平面定位算法的原理,在双平面定位时的每个平面的前后坐标系中设置三个标记点,基于比例变换原理计算目标点坐标,这种定位标尺使用时需要保证X光光轴与标记点所在平面垂直,否则采集的图像传输至上位机进行计算处理时会为计算结果引入系统误差。由于在照相时并不能保证X光光轴与标记点所在平面垂直,使得计算出的手术路径存在一定偏差。
有两个相对面的定位标尺,可以实现任意角度的移动的标尺,在进行骨科导航手术时,对正位和侧位的X光图像进行三维坐标计算,需要知道正位和侧位时候标尺在两个位置的相对位移和旋转,传统方式是通过标尺固定到机械臂末端,通过机械臂的位姿计算出转化矩阵,这样精度严重依赖机械臂的精度。随着时间的推移,机械臂的精度还继续下降,导致系统的整体精度在慢慢下降。
发明内容
本发明的目的是:针对现有技术中存在的缺陷或不足,提供一种用于X光成像的双位置手术定位标尺,在不要求光轴和标尺有严格的角度情况下,也不用固定到机械臂上,通过X光在正位和侧位透视两次,得到成像中的两张图上标尺上标记点的分布,来计算三维空间坐标,同时标尺上贴有被双目跟踪系统可识别的反光圆片,通过圆片在光学跟踪系统中的成像获得高精度的三维坐标。
为了实现上述目的,本发明所采用的的技术方案为:一种双位置手术定位标尺,包括两组可透X光的双平面定位标尺和固定这两组双平面定位标尺的可透X光的连接辅助面,所述两组双平面定位标的法向量夹角在60-120度之间,每组双平面定位标尺包括上平面、下平面以及连接上、下平面的内弧面和外弧面,所述上、下平面上各设置一组标记点,所述标记点至少为4个且不能在一条直线上,所述标记点包括不透X光的球形部件,所述上平面的标记点上和连接辅助面上设有可反射红外光的部件,所述两组双平面定位标之间还包括固定带。
进一步的,所述上平面和下平面的距离在6cm-20cm之间;
进一步的,所述连接上、下平面的内弧面和外弧面可以减少对X光的吸收,在不影响连接稳定的情况下,弧面上挖出很多图形,也可有效的减少X光的吸收可透X光材料对X光的吸收很小,但从X光源到成像点的一条直线上通过标尺上的材料越多,吸收掉的X光越多,而弧面很好的避开这一点。
进一步的,所述每一个平面设有至少4个标记点,且至少4点不在一条直线上,为了识别方便可以设置平面上标记点图形各异或者增加几个辅助点。比如所述第一双平面定位标尺的上平面设有七个标记点,所述第二双平面定位标尺的上平面设有六个标记点,所述第一双平面定位标尺的下平面设有五个标记点,所述第二双平面定位标尺的下平面设有五个标记点。
各平面上的标记点数目不同,便于在X成像的图片中自动识别出是哪个平面的成像。
进一步的,所述法向量为定位标尺向外一面的法向量。
进一步的,所述球形部件尺寸相等,为钢球或铜球;所述球形部件不透X光,可以在X成像的图片中清晰的识别出球形部件的位置。
进一步的,所述反射红外光的部件至少有三个,为圆形贴片,上面有反光涂层,可以反射红外光。所述圆形贴片能够被光学跟踪器识别,并且不在一条直线上,两两之间的距离有差别,所述圆形贴片在光学跟踪器中能识别出对应标记点位置。
进一步的,所述圆形贴片的通过圆心的法向量同时通过球形部件的球心。
通过反光材料,双目跟踪系统可以和该手术标尺建立关系,所有的空间点都可以在双目系统坐标系下表示,为手术跟踪系统提供了精确的路径。
所述每组标记点至少4个,分布尽可能的均匀分布,每个双平面定位标尺的两个面的点尽量错开,在透视的时候不会在CT图上投影成一个位置。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
1、本发明提供的双位置手术定位标尺,设置透X光的并具有特定相对旋转和平移的两组双平面定位标尺,每组双平面定位标尺的两个面也具有特定的距离,通过透X光的连接面固定连接。在两平行面上均设置有一组标记,每组标记包括基于X光成像装置中的线性摄像机模型的标定以及三维空间点重建原理设置的至少四个不在一条直线上的标记点,每个标尺向外的平面上固定有至少3个反光圆片,可被光学跟踪器读取到相对应的空间位置。由于已知所有的标记点相对于标尺基准的坐标,这样就可以计算出所有标记点在视觉跟踪器空间下的坐标,从而可计算出手术目标和光学跟踪器坐标转化关系,在最后执行机构(比如手术机械臂)上也贴上反光圆片,就可以计算出执行机构和视觉跟踪器坐标转化关系,那么执行器和手术目标的坐标转化关系就可计算出来。
2、本发明的双位姿手术定位标尺不需要和机械臂固定,可以任意的固定到适合术中CBCT/CT机透视的位置,拍摄一张正位和侧位图,不需要中间再调整标尺位置。在计算三维空间只有标尺坐标点和X光成像的透视图的数据,没有引入额外的偏差,从而极大的提高了最后转成三维坐标的精度。
3、从X光源到成像点的一条直线上通过标尺上的材料越多,吸收掉的X光越多,而弧面很好的避开这一点。本发明的内弧面和外弧面可以减少对X光的吸收,在不影响连接稳定的情况下,弧面上挖出很多图形,也可有效的减少X光的吸收可透X光材料对X光的吸收很小。
4、本发明的反光圆形贴片下设有不透X光钢球或铜球,则该反光圆形贴片既可以被X光识别也可以被光学跟踪器识别。
5、本发明在每个平面设置不同个数的标记点,便于在X成像的图片中自动识别出是哪个平面的成像。
附图说明
图1为本发明双位置手术定位标尺的整体结构示意图。
图2为本发明双位置手术定位标尺在另一个角度的结构示意图。
图3为本发明双位置手术定位标尺的俯视图。
其中:1为第一双平面定位标,2为第二双平面定位标,3为连接辅助面,4为固定带,11为第一上平面,12为第一下平面,21为第二上平面,22第二下平面,111-117为第一上平面标记点,211-216为第二上平面标记点,121-125为第一下平面标记点,221-225为第二下平面标记点,311-314为连接辅助面反光贴片,411-418为固定固定带的通孔。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施例对本发明作出详细的说明。
如图1所示,一种双位置手术定位标尺的结构示意图,包括两组可透X光的双平面定位标尺1、2和固定这两组双平面定位标尺的可透X光的连接辅助面3和两固定带4;
所述两组双平面定位标尺1、2的法向量夹角在60-120度之间,第一双平面定位标尺1包括上平面11、下平面12以及连接上下平面的内弧面13、外弧面14,第二双平面定位标尺2包括上平面21、下平面22以及连接上下平面的内弧面23和外弧面24;
所述上、下平面上各设置一组标记点,所述标记点至少为四个且不能在一条直线上,所述标记点包括不透X光的球形部件,所述上平面的标记点上和连接辅助面上包括可反射红外光的部件。
本实例中连接辅助面3上贴有4个不在同一直线上的是个反光贴片311、312、313、314,便于光学跟踪器跟踪标尺的位置;4个反光贴片两两之间距离不相等,便于自动识别反光片的位置;连接辅助面3的法向量和上平面11的法向量之间的夹角在30-60之间,本实例为优选45度,能使光学跟踪器更好的识别出标尺的位置。
第一双平面定位标1的上平面11有7个标记点111-117,每一个标记点安装有小钢球,小钢球不透X光,可以在X成像的图片中清晰的识别出小球的位置,其中标记点111旁边紧挨着115、116、117,便于在成像的图片中自动识别出小球的位置,在标记点112、113、114和116上还设有4个反光贴片可以被光学跟踪器识别,不在一条直线上,并且两两距离有差别,在光学跟踪器中能很好的识别出对应标记点位置。
第二双平面定位标2的上平面21有六个标记点211-216,每一个标记点安装有小钢球,小球不透X光,可以在X成像的图片中清晰的识别出小球的位置,其中标记点211旁边紧挨着215、216,便于在成像的图片中自动识别出小球的位置,在标记点211、212、213和214上还设有4个反光贴片可以被光学跟踪器识别,不在一条直线上,并且两两距离有差别,在光学跟踪器中能很好的识别出对应标记点位置。
第一上平面11和第二上平面21上面的标记点数目不同,便于在X成像的图片中自动识别出是第一上平面11的成像还是第二上平面21的成像。
如图2所示,第一双平面定位标1的下平面12有设有五个标记点121-125,每一个标记点安装有小钢球,小球不透X光,可以在X成像的图片中清晰的识别出小球的位置,标记点125是为了识别顺序辅助设计和标记点121靠近;第二双平面定位标2的下平面22有设有五个标记点221-225,每一个标记点安装有小钢球,小球不透X光,可以在X成像的图片中清晰的识别出小球的位置,标记点225是为了识别顺序辅助设计和标记点221靠近;
所述下平面与外弧面的相交处开设有通孔411-418,所述通孔411-418用于固定所述固定带4,所述固定带4为两条,所述固定带4为可透X光材料。
所述球形部件尺寸相等,为钢球或铜球。所述反光贴片的通过圆心的法向量同时通过球形部件的球心。
如图3所示,双平面定位标尺1、2的上平面、下平面、内弧面和外弧面以及连接辅助面3上开设有圆形、方形或不规则形状的通孔。
两组双平面定位标1、2的法向量夹角在60-120度之间,最好为90度,不要求绝对,可以在后期标定尺寸,降低标尺的加工难度。
每个双平面定位标1、2的上下两个平面平行,距离6-20cm之间,也不要求绝对平行,降低加工难度,按照CT光源和成像传感器的距离最佳为15cm左右,还要考虑标记点上的小球在选定的位置上全部在X光成像的范围内,小于6cm精度下降,大于20cm容易在X成像时候漏掉标记点,本优选采用的是15cm。
当用在骨科手术时候,用术中CBCT/CT透视正位,让第一双平面定位标1上的标记点投影到成像面上,透视侧位让第二双平面定位标2上的标记点投影到成像面上。通过已知标尺上的坐标点和CT图像上的标记点,就可以将通过图像上的点计算出三维空间的点。同时光学跟踪器只要能够识别出图中反光贴片的任意四个点,就可以建立和光学跟踪器的关联关系,实现和其他系统的对接。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明的权利要求书的保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种用于X光成像的双位置手术定位标尺,其特征在于:通过X光在正位和侧位透视两次,得到成像中的两张图上标记点的分布,来计算三维空间坐标;包括两组可透X光的双平面定位标尺和固定这两组双平面定位标尺的可透X光的连接辅助面,所述两组双平面定位标尺的法向量夹角在60-120度之间,每组双平面定位标尺包括上平面、下平面以及连接上、下平面的内弧面和外弧面,所述上、下平面上各设置一组标记点,所述标记点至少为四个且不在一条直线上,所述标记点包括不透X光的球形部件,所述上平面的标记点上和连接辅助面上设有可反射红外光的部件,所述两组双平面定位标之间还包括固定带。
2.根据权利要求1所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述双平面定位标尺包括第一双平面定位标尺和第二双平面定位标尺。
3.根据权利要求2所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述第一双平面定位标尺的上平面设有七个标记点,所述第二双平面定位标尺的上平面设有六个标记点,所述第一双平面定位标尺的下平面设有五个标记点,所述第二双平面定位标尺的下平面设有五个标记点。
4.根据权利要求1所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述球形部件尺寸相等,为钢球或铜球;所述球形部件不透X光,可以在X成像的图片中清晰的识别出球形部件的位置。
5.根据权利要求1所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述反射红外光的部件至少有三个,为圆形贴片,上面设有反光涂层,可以反射红外光。
6.根据权利要求5所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述圆形贴片能够被光学跟踪器识别,并且不在一条直线上,两两之间的距离有差别,所述圆形贴片在光学跟踪器中能识别出对应标记点位置。
7.根据权利要求6所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述圆形贴片的通过圆心的法向量同时通过所述球形部件的球心。
8.根据权利要求1所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述法向量为定位标尺向外一面的法向量。
9.根据权利要求1所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述双平面定位标尺的上平面、下平面、内弧面和外弧面以及连接辅助面上开设有圆形、方形或不规则形状的通孔。
10.根据权利要求1所述的双位置手术定位标尺,其特征在于:所述下平面与外弧面的相交处开设有四个通孔,所述通孔用于固定所述固定带,所述固定带为两条,所述固定带为可透X光材料。
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