CN114391975A

CN114391975A - 定位标尺

Info

Publication number: CN114391975A
Application number: CN202210035611.4A
Authority: CN
Inventors: 田伟; 许珂; 赵向蕊; 穆克文; 白川
Original assignee: Beijing Luosen Bote Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Luosen Bote Technology Co ltd
Priority date: 2022-01-13
Filing date: 2022-01-13
Publication date: 2022-04-26

Abstract

本发明涉及一种定位标尺，包括：相互平行的第一平面和第二平面，由透X光材料制成；多个标记点，由不透X光的材料制成，分别设置在所述第一平面和第二平面上，每个平面上设置至少三个不在一条直线上的标记点；第三平面和第四平面，第三平面自第一平面延伸且与第一平面成预定角度，第四平面自第二平面延伸且与第二平面成预定角度；连接部，连接所述第一平面和第二平面；多个光学指示点，分别设置在所述连接部、第三平面和第四平面上。本发明的定位标尺，可以利用光学定位跟踪系统实时追踪定位标尺的空间位置。便于建立图像坐标系和机械臂坐标系之间的关系。

Description

定位标尺

技术领域

本发明涉及空间定位技术领域，具体涉及一种定位标尺。

背景技术

随着近年来微创手术的普遍应用和对手术当中器械或者内植入物定位精度的要求不断提高，基于医学图像引导的辅助定位或者手术导航系统有了很大的发展。手术导航系统在手术前首先要建立系统中各个坐标系之间的映射关系，也就是建立手术目标位置、医学图像和执行机构(手术机器人等工具)各自坐标系的映射关系，该步骤通常称为系统坐标标定。

目前实现系统坐标标定通常采用定位标尺，在术前把定位标尺放到手术目标位置上方，通过CT机和手术目标位置一起扫描，在CT图像中就可以识别出标记点，通过空间算法可以计算出定位标尺和手术目标之间的映射关系，定位标尺和机器臂是固定到一起的，可以算出定位标尺和机器臂的映射关系，通过定位标尺就建立手术目标和机械臂之间的关系，也就是建立了手术目标位置和执行机构的关系。上述方法中，一旦建立了图像坐标系和机械臂坐标系之间的关系以后，机械臂之后就不能移动，一旦规划出现一个或者多个路径机械臂无法运动到规划路径上，系统只能重新来一遍，增加了手术时间和对患者的多次X光的透视。

此外，现有的定位标尺通常基于双平面定位算法的原理，在进行双平面定位时，首先，在每个平面的前后坐标系中设置三个标记点，将现有的定位标尺安于X光(X-ray)光源和X光成像设备之间，并调整X光(X-ray)光源使得光源的光轴与定位标尺的标记点垂直，以使得生成的X光透视图像中同时包括有手术部位及坐标系标记点。但是在实操中受手术情况的限制，通常需要多次调整位置才可以使得光轴与定位标尺的标记点垂直，导致定位耗时较长，从而导致定位效率较低。另外，使用该定位标尺进行正位和侧位透视时要求定位标尺不能移动，造成由于定位标尺在其中一个透视方向位置不合理需要调整位置时必须重新进行另一个方向的透视，增加了X光辐射损伤，延长了手术时间。

为了能够快速地完成系统坐标标定，减少CT扫描次数，并且能够适应机械臂运动场景或者多组机械臂或者手术工具协同工作的场景，需要设计一种新型的定位标尺。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种定位标尺，包括：

相互平行的第一平面和第二平面，由透X光材料制成；

多个标记点，由不透X光的材料制成，分别设置在所述第一平面和第二平面上，每个平面上设置至少三个不在一条直线上的标记点；

第三平面和第四平面，第三平面自第一平面延伸且与第一平面成预定角度，第四平面自第二平面延伸且与第二平面成预定角度；

连接部，连接所述第一平面和第二平面；

多个光学指示点，分别设置在所述连接部、第三平面和第四平面上。

进一步地，还包括标尺柄，一端连接到所述任一平面的侧面或连接部的侧面，另一端具有接口。

进一步地，所述第一平面和第二平面上的标记点分别具有预定分布设置，且当X光垂直成像时，所述第一平面和第二平面上的标记点在X光图像上不重叠。

进一步地，在所述第一平面和第二平面上分别设置5个标记点，其中每个平面上有1个标记点的尺寸与其他标志点不同。

进一步地，每个平面上4个尺寸相同的标志点分别位于正四边形的角上，尺寸不同的1个标志点不规则分布。

进一步地，设置在所述连接部和第三平面上的多个光学指示点共面但不共线，设置在所述连接部和第四平面上的多个光学指示点共面但不共线。

进一步地，所述连接部为凸出的脊部形状，至少在脊部的两端分别设置一个光学指示点。

进一步地，自第一平面左右两侧中部各延伸出一个所述第三平面，每个第三平面上至少设置一个光学指示点；

自第二平面左右两侧中部各延伸出一个所述第四平面，每个第四平面上至少设置一个光学指示点。

进一步地，所述光学指示点为发光或者反光的球形部件，突出地安装在定位标尺的表面外侧。

进一步地，所述标记点为球形部件，嵌入到所述第一平面和第二平面内。

本发明的定位标尺，设置透X光的两相对平行面，在两相对平行面上均设置有一组不透X光的标记点，每组标记具有特定分布，满足三维空间点重建原理设置。可以利用双平面定位算法完成图像坐标系到标尺坐标系的转换。标记点在成像视野中分布更有利于定位计算，可实现任意角度下的透视定位，通过建立多个角度透视时定位标尺的位置关系映射，避免了传统的定位标尺在X光光轴与标记点所在平面不垂直时引入系统误差的问题。

此外，本发明的定位标尺在脊部和两侧分别设置多个光学指示点，可以利用光学定位跟踪系统实时追踪定位标尺的空间位置。多个光学指示点与两组标记点之间的空间位置关系是固定的，因此可以实时追踪两组标记点的空间位置，进而建立了图像坐标系和机械臂坐标系之间的关系。光学定位跟踪系统可以实时追踪机械臂的空间位置，因此机械臂可以自由移动，并不影响图像坐标系和机械臂坐标系之间的关系。

此外，光学指示点设置在脊部与两侧凸出的平面上，提供了更大的光学视角，便于光学定位跟踪系统追踪。

此外，两组标记点具有特定的分布，并且每组标记点中设一个尺寸不同的标记点，在对CT图像进行计算处理时可根据尺寸不同的标记点的位置对其他标记点进行正确的分组，并做顺序标记，方便计算处理。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例的定位标尺的结构示意图。

图2是本发明实施例的定位标尺的侧视结构示意图。

图中：

1、第一平面；2、第二平面；3、第三平面；4、第四平面；5、连接部；6、标尺柄安装部；7、标尺柄；8、接口；9、光学指示点；10、标记点。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1-2所示，图1示出了本实施例提供的一种定位标尺，包括第一平面1、第二平面2、第三平面3和第四平面4。第一平面1和第二平面2彼此平行，上端通过连接部5连接在一起。本实施例中连接部5为向上突出的脊部形状。在连接部5的两端分别安装一个安装光学指示点9，由于连接部5向外凸出，因此其上的光学指示点9没有遮挡，便于被光学定位跟踪系统追踪。

本实施例中，第一平面1和第二平面2分别设置有5个标志点10，且每个标志点10均为不透X光部件，例如钢珠。其中4个标志点10具有特定的分布形状，本实施例中4个标志点10分别位于正四边形的四个角。另1个标志点10的直径大于其他4个标志点10，且位置随机。但是每组5个标志点10之间的位置关系是固定的，且彼此之间的距离已知。本实施例中，标志点10为钢珠，嵌入在第一平面1和第二平面2内，钢珠的直径可以是1-5mm之间。

本实施例中，每组标志点10设置为正四边形的4个标志点10和1个随机标志点10，但是本领域技术人员克制，也可以选择其他特定分布形状，只要标志点10之间相对位置固定，便于在CT图像上识别每个标记点10的位置即可。第一平面1上的一组标记点10与第二平面2上的一组标记点10，其四边形的边长不同，优选地，当CT垂直扫描定位标尺时，两组标记点10在CT图像上不重叠。

本实施例中每个平面上设置的标志点10中，任意两个标志点10的间距均不同，因此第一平面1上设置的标志点10对应的交比，与第二平面2上设置的标志点10对应的交比不同。这样无需进行角度调整，在任意角度都能够进行X光透视图像的拍摄，从而可以有效减少定位耗时，有效提高定位效率，进而可以有效减小手术耗时。

第三平面3自第一平面1延伸且与第一平面1成预定角度，第四平面4自第二平面2延伸且与第二平面2成预定角度。在本实施例中，自第一平面1左右两侧中部各延伸出一个第三平面3，每个第三平面3上至少设置一个光学指示点9。如图1所示，两个第三平面3位于定位标尺的中下部，且从第一平面1向外凸出。光学指示点9设置在两个第三平面3的下部。光学指示点9凸出于第三平面3的表面，第三平面3又向外侧突出于第一平面1，因此光学指示点9的可视范围增大。第三平面3与第一平面1的夹角，第二平面2与第四平面4的夹角可以为120-160度，本实施例中优选为150度。

类似地，在第二平面2的两侧分别具有第四平面4，每个第四平面4上至少设置1个光学指示点9。本实施例中，第一平面1、第二平面2、第三平面3和第四平面4的下端连接在一起，优选地通过弧形过渡面连接在一起。

本实施例中，共设置6个光学指示点9，具体地为，连接部5的两端各设置1个光学指示点9，两个第三平面3上分别设置1个光学指示点9，两个第四平面4上分别设置1个光学指示点9。设置在连接部5和第三平面3上的4个光学指示点9共面但不共线，设置在连接部5和第四平面4上的4个光学指示点9共面但不共线。优选地，两个第三平面3上设置的光学指示点9，与两个第四平面4上设置的光学指示点9并不对称，在第一平面1的空间投影上，这4个光学指示点9位置不重叠。

3个光学指示点9可以确定一个平面，本实施例采用4个光学指示点9，能够更精准地确定所处的平面，从而精准地确定定位标尺的空间位置。本实施例中，光学指示点9为红外反光球，直径可以是2-15mm之间，共面的4个红外反光球满足两点之间距离不小于30mm，且距离的差值不小于5mm。可以通过光学定位跟踪系统，对光学指示点9进行实时3D位置跟踪，实现工具导航和可视化应用。

本实施例中，光学指示点9与两组标记点10之间的空间位置关系是固定的，因此可以实时追踪两组标记点10的空间位置，进而建立了图像坐标系和机械臂坐标系之间的关系。

本实施例中，除了标记点10之外，定位标尺其他部件都是透X光的。进一步地，第一平面1、第二平面2、第三平面3、第四平面4和连接部5的厚度均相同，优选为一体成型。厚度为1-6mm，优选地为3mm。

本实施例中，在第一平面1和第二平面2的一侧，设置有标尺柄安装部6，标尺柄7安装在标尺柄安装部6上。标尺柄安装部6的端部设置有接口8。通过接口8可以将定位标尺快速连接到机械臂或者支架上，而且标尺柄7安装在定位标尺的侧面不会影响CT扫描和光学定位系统追踪光学指示点。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种定位标尺，其特征在于，包括：

相互平行的第一平面和第二平面，由透X光材料制成；

连接部，连接所述第一平面和第二平面；

2.根据权利要求1所述的定位标尺，其特征在于，还包括标尺柄，一端连接到所述任一平面的侧面或连接部的侧面，另一端具有接口。

3.根据权利要求1所述的定位标尺，其特征在于，所述第一平面和第二平面上的标记点分别具有预定分布设置，且当X光垂直成像时，所述第一平面和第二平面上的标记点在X光图像上不重叠。

4.根据权利要求1或3所述的定位标尺，其特征在于，在所述第一平面和第二平面上分别设置5个标记点，其中每个平面上有1个标记点的尺寸与其他标志点不同。

5.根据权利要求4所述的定位标尺，其特征在于，每个平面上4个尺寸相同的标志点分别位于正四边形的角上，尺寸不同的1个标志点不规则分布。

6.根据权利要求1所述的定位标尺，其特征在于，设置在所述连接部和第三平面上的多个光学指示点共面但不共线，设置在所述连接部和第四平面上的多个光学指示点共面但不共线。

7.根据权利要求1所述的定位标尺，其特征在于，所述连接部为凸出的脊部形状，至少在脊部的两端分别设置一个光学指示点。

8.根据权利要求1所述的定位标尺，其特征在于，自第一平面左右两侧中部各延伸出一个所述第三平面，每个第三平面上至少设置一个光学指示点；

9.根据权利要求1所述的定位标尺，其特征在于，所述光学指示点为发光或者反光的球形部件，突出地安装在定位标尺的表面外侧。

10.根据权利要求1所述的定位标尺，其特征在于，所述标记点为球形部件，嵌入到所述第一平面和第二平面内。