CN113674849A - 一种三维扫描辅助手术导板定位系统及定位方法 - Google Patents

一种三维扫描辅助手术导板定位系统及定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了涉及手术导板定位技术领域的一种三维扫描辅助手术导板定位系统，解决了手术导板定位、安放不精准的问题。其技术要点是：一种三维扫描辅助手术导板定位系统，包括移动架、手持式白光三维扫描仪、计算机。本发明还公开了一种三维扫描辅助手术导板的定位方法，包括以下步骤：建立手术导板设计模型；建立手术导板扫描模型；模型对比；判断结果。能够准确得判断出外科手术导板安放安装位置是否准确，达到方便定位手术导板的优点，能进一步比较手术导板倾斜的方向和角度，对后续医生的诊断和治疗能够起到较大的帮助。

Description

一种三维扫描辅助手术导板定位系统及定位方法
技术领域
本发明涉及手术导板定位技术领域，特别是一种三维扫描辅助手术导板定位系统及定位方法。
背景技术
外科手术中经皮手术导板用于术中引导手术越来越广泛，但是手术导板安放位置正确与否非常关键，需要术中对齐安放位置进行检验。
发明内容
为了克服现有技术的对手术导板定位和安装精度不够的问题，本发明的目的是提供一种三维扫描辅助手术导板定位系统及定位方法，采用白光三维扫描建立手术导板与肢体3D模型，输入计算机与术前三维设计模型进行比较，发现差异，引导手术导板位置调整，从而需要使用来精准定位的手术导板的安放位置更加精准。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种三维扫描辅助手术导板定位系统，包括移动架、手持式白光三维扫描仪、计算机，所述计算机与扫描仪通信连接，所述手持式白光三维扫描仪和计算机均固定安装于移动架，所述计算机电性连接有外部存储单元，所述外部存储单元内预设有手术导板设计模型数据，所述计算机设有用于储存手术导板扫描模型数据的内部存储单元。
作为本发明的进一步改进：所述手持式白光三维扫描仪设有控制单元，所述控制单元包括CPU内核、图形处理加速器GE和中央专用数字信号处理器DSP，所述图形处理加速器GE和中央专用数字信号处理器DSP均与CPU内核电性连接，所述手持式白光三维扫描仪与CPU内核电性连接。
作为本发明的进一步改进：所述控制单元电性连接有RJ45以太网通信模块，所述RJ45以太网通信模块与计算机通信连接。
作为本发明的进一步改进：所述移动架转动连接有调节杆，所述调节杆与移动架之间设有锁定组件，所述调节杆远离移动架的一端固定连接有滑动座，所述滑动座滑动连接有滑动架，所述滑动架与滑动座之间设有驱动组件。
作为本发明的进一步改进：所述锁定组件包括螺杆和锁止块，所述螺杆与移动架螺纹连接，所述锁止块与螺杆固定连接，所述锁止块与调节杆抵紧。
作为本发明的进一步改进：所述驱动组件包括伺服电机和丝杆，所述伺服电机固定安装于滑动架，所述丝杆与伺服电机的输出轴固定连接，所述丝杆与滑动座螺纹连接。
作为本发明的进一步改进：所述移动架底部安装有滑轮。
一种三维扫描辅助手术导板的定位方法，包括以下步骤：
建立手术导板设计模型：使用计算机制作手术导板设计模型，并将包含有手术导板设计模型的手术导板设计模型数据储存在外部存储单元，根据手术导板社总机模型数据制作手术导板；
建立手术导板扫描模型：通过手持式白光三维扫描仪对体表手术导板及其周围的肢体进行扫描，手持式白光三维扫描仪将手术导板扫描模型数据发送至计算机，计算机将手术导板扫描模型数据储存于内部存储单元；
模型对比：使用计算机读取内部存储单元中的手术导板扫描模型数据和外部存储单元中的手术导板设计模型数据，使用三维设计软件打开手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据，通过观察手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中是否重合；
判断结果：若手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中重合，则被安装的手术导板位置正确；若手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中无法重合，则被安装的手术导板位置不正确，计算机辅助计算出位置偏差并予以报告，指导术中对导报位置进行调整。
作为本发明的进一步改进：在建立手术导板扫描模型的步骤中，还包括以下步骤：
CPU内核控制手持式白光三维扫描仪向CPU内核发送扫描信号，CPU内核调用图形处理加速器GE和中央专用数字信号处理器DSP并行处理扫描信号进行三维图像重建，得到手术导板扫描模型数据，CPU内核通过RJ45以太网通信模块将手术导板扫描模型数据发送至计算机。与现有技术相比，本发明的有益效果是：
对比在三维设计软件中打开的手术导板设计模型和手术导板扫描模型，若手术导板设计模型与手术导板扫描模型能够重合，则被安装的手术导板安装位置正确；若手术导板设计模型与手术导板扫描模型不能够重合，则被安装的手术导板安装位置不正确，从而能够更为准确得判断出被安装的手术导板安装位置是否准确，达到方便定位手术导板的优点。当手术导板安装位置不准确时，在三维设计软件中通过比较手术导板设计模型与手术导板扫描模型倾斜的方向和角度，从而能进一步对被安装的手术导板进行定位，达到方便定位手术导板的优点，对后续医生的诊断和治疗能够起到较大的帮助。
通过调整调节杆、滑动架的位置，进减少患者在定位手术导板时需要移动的距离，起到方便定位手术导板的作用。
附图说明
图1为本申请实施例中控制单元与计算机的模块连接结构示意图；
图2为本申请实施例中一种三维扫描辅助手术导板定位系统的结构示意图；
图3为本申请实施例中驱动组件和锁定组件的结构示意图；
图4为本申请实施例中一种三维扫描辅助手术导板的定位方法的流程示意图。
附图标记：11、移动架；12、手持式白光三维扫描仪；13、计算机；14、外部存储单元；15、内部存储单元；16、滑轮；21、控制单元；22、CPU内核；23、图形处理加速器GE；24、中央专用数字信号处理器DSP；25、RJ45以太网通信模块；31、调节杆；32、滑动座；33、滑动架；34、螺杆；35、锁止块；36、伺服电机；37、丝杆。
具体实施方式
现结合附图说明与实施例对本发明进一步说明：
实施例：
一种三维扫描辅助手术导板定位系统，如图1至图4所示，包括移动架11、手持式白光三维扫描仪12、计算机13。
计算机13与扫描仪通信连接，手持式白光三维扫描仪12与手持式白光三维扫描仪12电性连接，手持式白光三维扫描仪12和计算机13均固定安装于移动架11，计算机13电性连接有外部存储单元14，外部存储单元14内预设有手术导板设计模型数据，计算机13设有用于储存手术导板扫描模型数据的内部存储单元15。手持式白光三维扫描仪12设有控制单元21，控制单元21包括CPU内核22、图形处理加速器GE23和中央专用数字信号处理器DSP24，图形处理加速器GE23和中央专用数字信号处理器DSP24均与CPU内核22电性连接，手持式白光三维扫描仪12与CPU内核22电性连接。控制单元21电性连接有RJ45以太网通信模块25，RJ45以太网通信模块25与计算机13通信连接，RJ45以太网通信模块25用于与计算机13通信连接。
移动架11转动连接有调节杆31，调节杆31与移动架11之间设有锁定组件，调节杆31远离移动架11的一端固定连接有滑动座32，滑动座32滑动连接有滑动架33，滑动架33与滑动座32之间设有驱动组件，手持式白光三维扫描仪12安装于滑动架33。锁定组件包括螺杆34和锁止块35，螺杆34与移动架11螺纹连接，锁止块35与螺杆34固定连接，锁止块35与调节杆31抵紧。驱动组件包括伺服电机36和丝杆37，伺服电机36固定安装于滑动架33，丝杆37与伺服电机36的输出轴固定连接，丝杆37与滑动座32螺纹连接。移动架11底部安装有滑轮16。
一种三维扫描辅助手术导板的定位方法，包括以下步骤：
S1、建立手术导板设计模型：使用计算机13制作手术导板设计模型，并将包含有手术导板设计模型的手术导板设计模型数据储存在外部存储单元14，根据手术导板社总机模型数据制作手术导板；
S2、建立手术导板扫描模型：通过调整移动架11的位置移动手持式白光三维扫描仪12，手持式白光三维扫描仪12向CPU内核22发送扫描信号，手持式白光三维扫描仪12将扫描信号转换为手术导板扫描模型数据，手持式白光三维扫描仪12将手术导板扫描模型数据发送至计算机13，计算机13将手术导板扫描模型数据储存于内部存储单元15；CPU内核22调用图形处理加速器GE23和中央专用数字信号处理器DSP24并行处理扫描信号进行三维图像重建，得到手术导板扫描模型数据，CPU内核22通过RJ45以太网通信模块25将手术导板扫描模型数据发送至计算机13；
S3、模型对比：使用计算机13读取内部存储单元15中的手术导板扫描模型数据和外部存储单元14中的手术导板设计模型数据，使用三维设计软件打开手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据，通过观察手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中是否重合；
S4、判断结果：若手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中重合，则被安装的手术导板位置正确；若手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中无法重合，则被安装的手术导板位置不正确。
本实施例具有以下优点：
当需要对植入患者身上的手术导板进行检查时，通过移动架11带动扫描仪组件、计算机13移动，CPU内核22调用图形处理加速器GE23和中央专用数字信号处理器DSP24并行处理扫描信号进行三维图像重建，得到手术导板扫描模型数据，CPU内核22通过RJ45以太网通信模块25将手术导板扫描模型数据发送至计算机13。
计算机13内预设有三维设计软件，至制作手术导板之前，通过三维设计软件制作手术导板设计模型数据，从而能利用手术导板设计模型数据进行制作，能起到方便制作手术导板的作用。使用计算机13读取内部存储单元15中的手术导板扫描模型数据和外部存储单元14中的手术导板设计模型数据，使用三维设计软件打开手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据。对比在三维设计软件中打开的手术导板设计模型和手术导板扫描模型，若手术导板设计模型与手术导板扫描模型能够重合，则被安装的手术导板安装位置正确；若手术导板设计模型与手术导板扫描模型不能够重合，则被安装的手术导板安装位置不正确，从而能够更为准确得判断出被安装的手术导板安装位置是否准确，达到方便定位手术导板的优点。当手术导板安装位置不准确时，在三维设计软件中通过比较手术导板设计模型与手术导板扫描模型倾斜的方向和角度，从而能进一步对被安装的手术导板进行定位，达到方便定位手术导板的优点，对后续医生的诊断和治疗能够起到较大的帮助。
通过调整移动架11的位置，带动调节杆31、滑动架33移动，从而不需要患者移动到CT室内即可对手术导板进行扫描和检查，起到方便对手术导板进行定位的效果。
通过在移动架11上转动调节杆31，能带动滑动架33移动，进一步减少患者在定位手术导板时需要移动的距离，起到方便定位手术导板的作用。
在滑动座32上移动滑动架33，进一步减少患者在定位手术导板时需要移动的距离，起到方便定位手术导板的作用。
在移动架11上对调节杆31的角度调节完毕后，转动螺杆34和锁止块35，使得与移动架11螺纹连接的螺杆34移动，带动锁止块35向调节杆31移动，并使锁止块35与调节杆31抵紧，通过锁止块35与调节杆31之间的摩擦力阻止调节杆31在移动架11上转动，从而起到锁定调节杆31的功能。
通过伺服电机36带动丝杆37转动，使丝杆37驱动与其螺纹连接的滑动座32相对于滑动架33移动，从而通过驱动组件驱动滑动架33和滑动座32相对移动，实现驱使滑动架33在滑动座32上移动的功能。
通过滑轮16的设置，能起到方便调整移动架11位置的效果，也能起到方便对手术导板位置进行定位的作用。
一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，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，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

Claims (7)

1.一种三维扫描辅助手术导板定位系统，其特征在于：包括移动架(11)、手持式白光三维扫描仪(12)、计算机(13)，所述计算机(13)与扫描仪通信连接，所述手持式白光三维扫描仪(12)和计算机(13)均固定安装于移动架(11)，所述计算机(13)电性连接有外部存储单元(14)，所述外部存储单元(14)内预设有手术导板设计模型数据，所述计算机(13)设有用于储存手术导板扫描模型数据的内部存储单元(15)。
2.根据权利要求1所述的一种三维扫描辅助手术导板定位系统，其特征在于：所述手持式白光三维扫描仪(12)设有控制单元(21)，所述控制单元(21)包括CPU内核(22)、图形处理加速器GE(23)和中央专用数字信号处理器DSP(24)，所述图形处理加速器GE(23)和中央专用数字信号处理器DSP(24)均与CPU内核(22)电性连接。
3.根据权利要求2所述的一种三维扫描辅助手术导板定位系统，其特征在于：所述控制单元(21)电性连接有RJ45以太网通信模块(25)，所述RJ45以太网通信模块(25)与计算机(13)通信连接。
4.根据权利要求1所述的一种三维扫描辅助手术导板定位系统，其特征在于：所述移动架(11)转动连接有调节杆(31)，所述调节杆(31)远离移动架(11)的一端固定连接有滑动座(32)，所述滑动座(32)滑动连接有滑动架(33)。
5.根据权利要求5所述的一种三维扫描辅助手术导板定位系统，其特征在于：所述移动架(11)底部安装有滑轮(16)。
6.一种三维扫描辅助手术导板的定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立手术导板设计模型：使用计算机(13)制作手术导板设计模型，并将包含有手术导板设计模型的手术导板设计模型数据储存在外部存储单元(14)，根据手术导板社总机模型数据制作手术导板；
建立手术导板扫描模型：通过手持式白光三维扫描仪(12)对体表手术导板及其周围的肢体进行扫描，手持式白光三维扫描仪(12)将手术导板扫描模型数据发送至计算机(13)，计算机(13)将手术导板扫描模型数据储存于内部存储单元(15)；
模型对比：使用计算机(13)读取内部存储单元(15)中的手术导板扫描模型数据和外部存储单元(14)中的手术导板设计模型数据，使用三维设计软件打开手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据，通过观察手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中是否重合；
判断结果：若手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中重合，则被安装的手术导板位置正确；若手术导板扫描模型数据和手术导板设计模型数据在三维设计软件中无法重合，则被安装的手术导板位置不正确，计算机辅助计算出位置偏差并予以报告，指导术中对导报位置进行调整。
7.根据权利要求6所述的一种三维扫描辅助手术导板的定位方法，其特征在于，在建立手术导板扫描模型的步骤中，还包括以下步骤：
CPU内核(22)控制手持式白光三维扫描仪(12)向CPU内核(22)发送扫描信号，CPU内核(22)调用图形处理加速器GE(23)和中央专用数字信号处理器DSP(24)并行处理扫描信号进行三维图像重建，得到手术导板扫描模型数据，CPU内核(22)通过RJ45以太网通信模块(25)将手术导板扫描模型数据发送至计算机(13)。
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