CN114259299A - 一种把持器导航定位系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种把持器导航定位系统及其使用方法，该把持器导航定位系统包括把持器本体以及追踪单元，追踪单元可调式固定连接于把持器本体；把持器本体上具有标定点，标定点和追踪单元的位置转换关系能够在设定视场内被感知，以能够获取把持器本体的位姿信息。实施本发明实施例，具有如下有益效果：本把持器导航定位系统通过使追踪器与把持器本体可调式固定连接，可以根据使用需要灵活进行调整，调整至合适角度之后，再通过标定点和追踪器实时位姿信息确定旋转角度，从而获得新的位姿转换关系，并依据新的位姿转换关系对把持器进行定位导航。

Description

一种把持器导航定位系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及把持器技术领域，尤其涉及一种把持器导航定位系统及其使用方法。

背景技术

在骨科手术导航系统中，所用到的手术器械和假体都需要专门的把持器进行放置或磨锉等操作。一种手术器械假体导航方案是在把持器上安装追踪阵列，利用光学导航系统，对目标部件进行导航追踪。

现有的把持器如CN104287886A公开的一种用于光学导航系统的眼眶光纤尖端的定位装置，追踪阵列通过铰接等方式刚性固定在把持器上，相对于把持器的位姿固定且唯一，该唯一的位姿关系通过机械设计值写入把持器的配置文件中，供系统调用和计算。

固定且单一的追踪阵列安装位置无法适应多种术室摆位的需求，无法兼顾左/右利手医生的操作习惯，很大程度上限制了该器械的用户友好性。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种把持器导航定位系统及其使用方法，用以解决现有技术中把持器中追踪阵列的位姿固定，无法根据使用需求进行调整的技术问题。

本发明提供一种把持器导航定位系统，该把持器导航定位系统包括：把持器本体以及追踪单元，追踪单元可调式固定连接于把持器本体；把持器本体上具有标定点，标定点和追踪单元的位置转换关系能够在设定视场内被感知，以能够获取把持器本体的位姿信息。

进一步的，把持器本体包括安装部，安装部与追踪单元可调式固定连接。

进一步的，还包括装配机构，追踪单元通过装配机构与安装部可调式固定连接。

进一步的，装配机构包括与追踪单元固定连接的套置件，套置件与安装部活动连接；装配机构还包括用于锁止套置件与安装部之间相对位置的锁止件。

进一步的，套置件为环状，套置件套设于安装部上并与安装部转动连接。

进一步的，把持器本体还包括与安装部固定连接的握持部，握持部供于操作者握持，标定点设置于握持部表面。

进一步的，握持部形成有操作孔，把持器本体还包括操作部，操作部贯穿操作孔并与操作孔活动连接。

进一步的，标定点为把持器本体表面的凸起或凹陷结构。

进一步的，还包括用于获取标定点的位姿信息的标记点追踪装置。

本发明提供一种把持器导航定位系统的使用方法，该把持器导航定位系统的使用方法包括如下步骤：S1、获取追踪单元与把持器特征之间的初始位姿转换关系，并获取追踪单元与标定点之间的第一位姿关系；S2、调节把持器本体与追踪单元的相对位置，获取调节后的追踪单元以及标定点的空间坐标信息；S3、通过空间坐标信息计算获得追踪单元与标定点的第二位姿关系，并根据第一位姿与第二位姿关系确定追踪单元相对于初始位置的转动角度；S4、根据转动角度对初始位姿转换关系计算更新。

与现有技术相比，本把持器导航定位系统通过使追踪器与把持器本体可调式固定连接，可以根据使用需要灵活进行调整，调整至合适角度之后，再通过标定点和追踪器实时位姿信息确定旋转角度，从而获得新的位姿转换关系，并依据新的位姿转换关系对把持器进行定位导航。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如下。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的把持器导航定位系统的结构示意图；

图2为图1中装配机构安装在把持器本体上的连接示意图；

图3为图1中装配机构安装在把持器本体上的剖视图；

图4为图2中安装部的机构示意图；

图5为图2中装配机构的结构示意图；

图6为本发明提供的把持器导航定位系统的使用方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

请参见图1至图5，本把持器导航定位系统包括把持器本体1以及能够被光学定位系统追踪的追踪单元2，把持器本体1上具有标定点11，标定点11和追踪单元2供光学定位系统获取把持器本体1的位姿信息。

追踪单元2与把持器本体1可调式固定连接，来进行调节追踪单元2与把持器本体1之间的相对位置，以便于操作人员可以根据使用需要灵活进行调整。这里的可调式固定连接可以理解为追踪单元2与把持器本体1之间的位置关系是可调整的，在调整至所需的位置关系后，追踪单元2与把持器本体1之间的位置关系可锁定，在使用过程中保持不变。

追踪单元2调整至合适角度之后，再通过标定点和追踪单元2实时位姿信息确定旋转角度，从而获得新的位姿转换关系，并依据新的位姿转换关系对把持器进行定位导航。

本申请没有限制把持器本体1的具体结构，本领域技术人员可以根据实际情况灵活进行选择。例如在本实施例中，把持器本体1包括安装部12、握持部13以及操作部14。安装部12用于与追踪单元2可调式固定连接，一般外表为圆柱型结构。握持部13与安装部12固定连接，用于操作者握持或者连接外部动力设备，如机械臂等，以带动整个把持器本体1运动。标定点11优选设置于握持部13的表面，且最好不处于人手或机械臂会握持的区域，以免遮挡住标定点11。

在本实施例中，标定点11为把持器本体1表面的凹陷结构，在其他实施例中，也可以为凸起结构或者用其他颜色的涂料标记的点，只要能够被人眼识别出来即可。本把持器导航定位系统还包括用于获取标记点的位姿信息的标记点追踪装置。标记点追踪装置包括标定探针以及与标定探针固定连接标定球，标定球能够被光学定位系统获取其位姿信息，标定探针用于与标定点11。由于标定探针的针尖与标定球之间的位置关系固定，就可以通过标定球的位姿信息计算的出标定点11的位姿信息。在其他实施例中，也可以直接在标定点11上安装标定球，从而被光学定位系统直接获取标定点的位姿信息。

握持部13形成有操作孔，在本实施例中，操作孔还贯穿了安装部12。操作部14贯穿操作孔并与操作孔活动连接。操作部14一端供于连接用于检测或治疗的器械，如刀具、凿子、挖勺等；另一端供于操作者操作。操作者可以转动或往复移动操作部14，以带动另一端的器械转动或往复移动。

在本实施例中，为了定位系统能够更加准确地获取把持器的位姿信息，追踪单元2包括多个追踪器21，各个追踪器21之间相对位置固定并且共同绕转动轴线旋转。优选地，各个追踪器21处于同一平面上，并且转动轴线平行于各个追踪器21所在的平面。

当设置有多个追踪器21时，每个追踪器21均围绕转动轴线旋转，即等同于各个追踪器所在的平面绕转动轴线旋转。相应的，追踪单元2还包括连接件22，连接件22一端与追踪器21固定连接，另一端与安装部12转动连接，连接件22供于为追踪器21提供转动间隙。

具体在本实施例中，设置有四个追踪器21，连接件22包括一个十字架型结构将四个追踪器21固定连接在一起。

在本实施例中，把持器导航定位系统还包括装配机构3，追踪单元2通过装配机构3绕转动轴线转动。

在本申请中，没有限制装配机构3的具体结构形式，只要能够实现转动连接即可。实际应用中，装配机构3包括套置件31，套置件31为环形结构，同轴套设于安装部12上并能相对安装部12转动，在转动过程中保持安装部12至少一部分与套置件31部分内侧面转动抵接。连接件22远离追踪器21的一端与套置件31固定连接，通过套置件31实现追踪单元2的绕安装部12的转动。追踪器21通过环扣式装配机构3与把持器本体1连接，环扣式装配机构3有紧固螺钉4用于锁紧或调整追踪阵列位置。

套置件31在本申请中，并未限制该结构具体形式。如在其他实施例中还可以是圆环，圆环内圈的内径与安装部12的外径相匹配，圆环通过其他必要的连接结构与追踪器21固定连接，通过套置件31的传动使得追踪器21绕转动轴线转动。

在转动调节之后，为了避免在使用过程中，追踪单元2与把持器本体1之间的相对位置发生变动，优选地可以设置一个锁止件32，锁止件32作为装配机构3的一部分，用于锁止套置件31与安装部12之间的相对转动。具体地，锁止件32具有锁止状态和自由状态共两种工作状态。当锁止件32处于锁止状态时，套置件31与安装部12之间不能发生相对转动。当处于自由状态时，套置件31与安装部12之间可以发生相对转动。

在本申请中，没有限制锁止件32的工作原理，只要能够实现锁止件32在锁止状态与自由状态之间相互转化即可。如可以采用插销固定的方式，在转动到所需角度后，将插销从套置件31与安装部12上对应的插销孔内沿径向插入，起到限制轴向转动的效果。当需要转动调整追踪器21位置时，只需要拔出插销即从锁止状态变换成自由状态。在一些实施例中，插销也可以替换成锁舌、螺钉、限位棒等本领域技术人员常用的机构。

在本实施例中，为了获得良好地转动同轴效果，套置件31的内侧面包括首尾相连的连接弧面311和锁止弧面312。安装部12转动设于连接弧面311且与锁止弧面312之间形成锁止间隙，锁止件32设置于套置件31上且能够延伸至锁止间隙，以锁止套置件31与安装部12之间的相对位置。实际应用中，连接弧面311的半径与安装部12的半径相同。在转动过程中，持续保持安装部12在连接弧面311内转动，以确保两者同轴效果。

在本实施例中，采用的是利用锁止件32将安装部12与套置件31顶紧，在安装部12外表面与连接弧面311之间的接触面上产生足够大的静摩擦力，以阻碍套置件31与安装部12之间的相对转动，达到锁止状态。当锁止件32与安装部12分离时，安装部12外表面与连接弧面311之间的压力急剧减小，使得摩擦力的最大值也不足以阻碍套置件31与安装部12之间的相对转动，呈现套置件31与安装部12之间自由转动的自由状态。

因此在本实施例中相适应地，锁止弧面312与安装部12之间形成锁止间隙。锁止件32包括连接部321与抵接部322，连接部321与套置件31连接，连接方式可以是固定连接也可以是其他的运动形式，只要能够使连接部321不能自由地朝向或背向安装部12运动即可。抵接部322能够穿过锁止间隙将安装部12与连接弧面311顶紧。

本申请没有限制锁止件32的具体结构形式，只要能够实现抵接部322朝向安装部12运动，与安装部12抵接并将安装部12与连接弧面311顶紧，以及抵接部322背向安装部12运动，与安装部12分离的功能即可。因此在某些实施例中，连接部321可以采用伸缩机构，该伸缩机构的固定端与套置件31固定连接，伸缩机构的运动端朝向安装部12并与抵接部322固定连接，通过伸缩机构的伸缩运动带动抵接部322朝向和背向安装部12运动，实现锁止状态与自由状态之间的转换。伸缩机构可以是电动推杆、微动气缸、弹簧组件等常见的机械部件，只要满足在把持器上使用的尺寸要求，能够将安装部12顶紧不发生转动即可。

在本实施例中，螺纹配合的技术原理，即在套置件31上锁止弧面312所在的一侧开设有连通锁止弧面312与套置件31外侧的连接通孔。连接通孔内壁上开设有内螺纹，锁止件32为与连接通孔匹配的柱状结构，连接部321为对应设置的外螺纹，连接部321与连接通孔通过螺纹啮合连接。锁止件32朝向安装部12的一端为抵接部322。通过外螺纹与内螺纹啮合转动，可以是锁止件32朝向或背向安装部12运动，使抵接部322与安装部12抵接并顶紧或分离。

在本实施例中，作为一较佳实施方式，抵接部322与安装部12接触的侧面设置成贴合安装部12侧面的圆弧形，以增大接触面积减小压强，避免安装部12局部受到的压强过大出现变形。还可以在接触面上铺设增大摩擦系数的摩擦片，进一步提高锁紧状态时的牢固程度。

并且还可以在锁止件32远离抵接部322的一端，即从连接通孔延伸出套置件31外的一端沿径向延伸出便于操作人员握持的握持部，以便于操作人员进行旋转操作，在锁止状态与自由状态之间切换。

请参见图6，本申请还提供了一种把持器导航定位系统的使用方法，具有如下步骤：

步骤S1、获取追踪单元2与把持器特征之间的初始位姿转换关系，并获取追踪单元2与标定点11之间的第一位姿关系，即标定点11相对于追踪单元2的空间坐标位置转换关系。追踪器21为定位系统的部件之一，定位系统包括光学定位系统、超声定位系统、电磁定位系统等，追踪器21能够被这些系统捕捉到。以光学定位系统(OTS)为例，OTS系统由光学追踪器和光学定位相机组成，通过将光学追踪器置于光学定位相机的视场范围内，OTS系统可计算得到该光学追踪器在OTS坐标系中的位姿。而手术导航系统通过读取对应的配置文件获得标定点11与追踪器21的位置转换关系，进而实现把持器本体1在OTS系统中的导航定位。

步骤S2、调节把持器本体1和追踪单元2的相对位置，并获取调节后的追踪单元2以及标定点11的空间坐标信息。在本实施例中，通过装配机构3，追踪器21能够实现绕把持器本体1的转动轴线的单自由度旋转。通过锁止件32能够实现在锁止状态和自由状态之间的切换，先松开锁止件32，将追踪器21旋转至合适的位置，然后再试锁止件32锁紧，实现对追踪器21新的位姿的固定。此时由于追踪器21与标定点11之间的相对位置关系已经发生改变，因此在步骤S1中获得的初始位姿的转换关系不再适用，需要进行重新测量。

在本实施例中，可以使用OTS系统中的一种页数追踪器——探针，通过探针可以获得标定点11在OTS坐标系下实时位姿信息，而追踪器21能够被光学定位相机捕获并被OTS系统计算出实时位姿信息。

步骤S3、通过空间坐标信息计算获得追踪单元2与标定点11的第二位姿关系，即调整后的标定点11相对于追踪单元2的空间坐标位置转换关系。并根据第一位姿关系与第二位姿关系确定追踪单元2相对于初始位置的转动角度。

步骤S4、转动角度结合步骤S1中初始位姿的转换关系对初始位姿转换关系进行更新，刷新初始配置信息，根据实时位姿的转换关系对把持器导航定位系统定位导航。

本发明可以运用于骨科手术导航系统的股骨柄安装器设计，在骨科手术导航系统中，所用到的手术器械和假体都需要专门的把持器进行放置或磨锉等操作。把持器上的追踪阵列可根据OTS相机摆放、主刀医生操作习惯等实际需求进行调整，更好地适应不同术室结构、操作习惯、手术部位等手术场景，以达到最优的导航追踪效果和用户使用体验。

在实际使用的过程中，操作人员可根据使用习惯、光学定位相机的摆位等，实时调整把持器上追踪器21的角度朝向。每当追踪器21相对于把持器本体1的位置发生改变后，操作人员需要重复一次步骤S2-S4，计算获得新的位姿转换关系。即只需使用探针点测把持器本体1上标定点11，并保持调整后的追踪器21和探针同时在光学定位相机的视场范围内，即可实现二者位置转换关系的更新，继续导航或其他的操作步骤。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本把持器导航定位系统通过装配机构使追踪器与把持器本体可调式固定连接，可以根据使用需要灵活进行调整，调整至合适角度之后，再通过标定点和追踪器实时位姿信息确定旋转角度，从而获得新的位姿转换关系，并依据新的位姿转换关系对把持器进行定位导航。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种把持器导航定位系统，其特征在于，其包括：把持器本体(1)以及追踪单元(2)，所述追踪单元(2)可调式固定连接于所述把持器本体(1)；所述把持器本体(1)上具有标定点(11)，所述标定点(11)和所述追踪单元(2)的位置转换关系能够在设定视场内被感知，以能够获取把持器本体(1)的位姿信息。

2.根据权利要求1所述的把持器导航定位系统，其特征在于，所述把持器本体(1)包括安装部(12)，所述安装部(12)与所述追踪单元(2)可调式固定连接。

3.根据权利要求2所述的把持器导航定位系统，其特征在于，还包括装配机构(3)，所述追踪单元(2)通过所述装配机构(3)与所述安装部(12)可调式固定连接。

4.根据权利要求3所述的把持器导航定位系统，其特征在于，所述装配机构(3)包括与所述追踪单元(2)固定连接的套置件(31)，所述套置件(31)与所述安装部(12)活动连接；所述装配机构(3)还包括用于锁止所述套置件(31)与所述安装部(12)之间相对位置的锁止件(32)。

5.根据权利要求4所述的把持器导航定位系统，其特征在于，所述套置件(31)为环状，所述套置件(31)套设于所述安装部(12)上并与所述安装部(12)转动连接。

6.根据权利要求2所述的把持器导航定位系统，其特征在于，所述把持器本体(1)还包括与所述安装部(12)固定连接的握持部(13)，所述握持部(13)供于操作者握持，所述标定点(11)设置于所述握持部(13)表面。

7.根据权利要求6所述的把持器导航定位系统，其特征在于，所述握持部(13)形成有操作孔，所述把持器本体(1)还包括操作部(14)，所述操作部(14)贯穿所述操作孔并与所述操作孔活动连接。

8.根据权利要求1所述的把持器导航定位系统，其特征在于，所述标定点(11)为所述把持器本体(1)表面的凸起或凹陷结构。

9.根据权利要求1所述的把持器导航定位系统，其特征在于，还包括用于获取所述标定点(11)的位姿信息的标记点追踪装置。

10.一种把持器导航定位系统的使用方法，基于如权利要求1-9任意一项所述的把持器导航定位系统实施所述方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1、获取所述追踪单元(2)与把持器特征之间的初始位姿转换关系，并获取所述追踪单元(2)与所述标定点(11)之间的第一位姿关系；

S2、调节所述把持器本体(1)与所述追踪单元(2)的相对位置，获取调节后的所述追踪单元(2)以及所述标定点(11)的空间坐标信息；

S3、通过所述空间坐标信息计算获得所述追踪单元(2)与所述标定点(11)的第二位姿关系，并根据第一位姿与第二位姿关系确定所述追踪单元(2)相对于初始位置的转动角度；

S4、根据所述转动角度对初始位姿转换关系计算更新。

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