CN117414205A - 一种长骨手术导航定位、配准系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种长骨手术导航定位、配准系统，包括：红外光学导航系统、髓内钉标定器械、髓内钉、有显示屏的计算机；红外光学导航系统包括导航探头、控制装置；髓内钉标定器械包括标定参考架、操作参考架、标定组件，标定参考架与标定组件连接且相对位置固定，操作参考架与髓内钉连接且相对位置固定；标定组件留有用于固定髓内钉的安装区域；导航探头实时捕获操作参考架上光学小球的位姿信息，确定并在显示屏显示髓内钉各个钉孔的位姿信息；控制装置用于接收针对髓内钉各个钉孔对应的标定操作指令，对髓内钉各个钉孔进行标定；标定成功后，获取导航探头识别的第一位姿信息；根据第一位姿信息和预先设置的规划路径确定第一导航提示信息。
Description
技术领域
本发明涉及机器人及智能硬件产业领域，更具体地，涉及一种长骨手术导航定位、配准系统。
背景技术
长骨是主要存在于四肢的呈长管状的主要起支撑作用的骨骼。长骨可分为一体两端，体又叫骨干，其外周部骨质致密，中央为容纳骨髓的骨髓腔；两端较膨大，称为骺。骺的表面有关节软骨附着，形成关节面，与相邻骨的关节面构成运动灵活的关节，以完成较大范围的运动。
临床上针对长骨骨折的手术，首选髓内钉进行内固定。手术导航是一种医学影像引导下的计算机辅助医疗技术，它应用患者的医学影像及由其重构生成的三维模型来实时引导临床手术的实施。手术导航系统已经广泛地应用于神经外科手术和骨科手术中。
髓内钉置入过程结合导航系统使用时，需要预先将各个锁定孔与髓内钉所连接的操作参考架之间的位置关系进行确定，用以在术中通过导航系统显示各个锁定孔于人体内的所在位置；以便于通过适用的锁定孔将髓内钉固定于人体内；但髓内钉在插入髓腔后，由于和髓腔形态并不完全匹配会产生形变，导致髓内钉以不可预测的方式进行弯曲，从而很难确定主钉远端的多向交锁锁定孔位置。因此迫切需要针对髓内钉置入时能够准确确定髓内钉各个锁钉孔和操作参考架之间位置的系统，以为临床医生提供可靠的临床指导。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明主要是针对临床上在置入髓内钉时，因髓内钉插入髓腔后有较大概率会发生形变的问题，提供能够准确确定髓内钉各个锁钉孔和操作参考架之间位置的系统，保证对髓内钉各个锁钉孔的精确定位。
本申请公开一种长骨手术导航定位、配准系统，所述系统包括：红外光学导航系统、髓内钉标定器械、髓内钉、有显示屏的计算机；
所述红外光学导航系统包括导航探头、控制装置，导航探头与控制装置连接；所述髓内钉标定器械包括标定参考架、操作参考架、用于固定髓内钉的标定组件，标定参考架与标定组件连接且相对位置固定，操作参考架与髓内钉连接且相对位置固定；所述标定组件留有用于固定髓内钉的安装区域；所述髓内钉的钉孔位于所述安装区域；所述导航探头实时捕获操作参考架上光学小球的位姿信息，确定并在显示屏显示髓内钉各个钉孔的位姿信息；
所述控制装置用于接收针对髓内钉各个钉孔对应的标定操作指令，对髓内钉各个钉孔进行标定；标定成功后，获取导航探头识别的髓内钉和患者骨折部位的第一位姿信息；根据所述第一位姿信息和预先设置的骨折部位的手术导航规划路径，确定第一导航提示信息，并在显示屏显示第一导航提示信息。
所述标定组件包括：第一标定组件和第二标定组件，第二标定组件在受力后能够向第一标定组件方向轴向移动；所述标定参考架与第一标定组件、第二标定组件连接且相对位置固定，第一标定组件和第二标定组件之间的移动区域即为所述安装区域。
所述系统还包括扩髓器械，所述第一导航提示信息用于调整所述扩髓器械的位置；所述第一导航提示信息包括：扩髓器械尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的垂直距离、扩髓器械延长线与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的夹角、扩髓器械尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的入针点的距离、预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的长度、扩髓器械尖端到预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的目标点的直线距离。
根据所述第一导航提示信息调整所述扩髓器械的位置后，获取导航探头识别的髓内钉的第二位姿信息，第二位姿信息为所述髓内钉植入骨折部位后得到的信息；根据第二位姿信息，在显示屏中显示第二导航信息，第二导航信息用于调整髓内钉植入骨折部位内的参数。
所述第二导航信息包括：髓内钉尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的垂直距离、髓内钉轴线与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的夹角、入针深度以及髓内钉尖端到预先设置的骨折部位的手术导航规划路径终点的距离，根据第二导航信息调整髓内钉植入至骨腔的角度和深入的距离，提高髓内钉的角度和深入骨腔的距离的准确性。
所述系统还包括校准器械；若所述髓内钉植入患者骨折部位后发生形变，则所述控制装置响应于针对校准器械的校准操作指令；获取校准器械在髓内钉表面反复移动后得到的点云，并生成髓内钉的第三位姿信息；根据所述第三位姿信息，所述控制装置响应于针对显示屏上显示的三维模型的移动操作指令，使得移动后的三维模型与所述第一位姿信息对应的位置区域重合；根据移动后的三维模型，控制装置响应于针对显示屏上显示的锁钉孔列表中的锁钉孔，确定移动后的三维模型对应的锁钉孔。
所述校准器械包括安装有光学小球的探针。
所述扩髓器械包括以下任意一种或几种：空心开口锥、克氏针把持器、近端空心钻、软组织护板、软扩、硬扩、保护套筒、 AWL 钻、扩髓钻、电钻、测量尺、拉力螺钉。
所述系统还包括锁钉器械，所述锁钉器械包括：台阶钻、内套管、髓内钉刀片钉、克氏针、克氏针测深器、锁定起子、锁定扳手、刀片钉组合套筒、近端限位空心钻、打入锤、小 L型扳手、限位钻头、测深器、远端导杆、远端瞄准架、全螺纹锁钉、远端锁钉扳手、远端锁定组合套筒、电钻、软组织分离器、尾帽、上钉器。
所述系统还包括影像拍摄装置，所述有显示屏的计算机用于接收影像拍摄装置拍摄的患者骨折部位的二维影像并显示在显示屏上，同时接收红外光导航系统实时获取的患者骨折部位和髓内钉在三维的空间定位坐标系的空间位置，并在显示屏上显示患者骨折部位和髓内钉的相对位置；所述影像拍摄装置用于拍摄患者患处的正位、侧位影像。
本申请具有以下有益效果：
1、本申请创新性的公开一种针对髓内钉置入时易发生形变的系统，其中的髓内钉标定器械，通过将第二标定组将配置为能够靠近或远离第一标定组件，使得第一标定组件与第二标定组件之间的间距能够被调控，以此实现对不同直径规格的髓内钉进行标定，使得不同型号的髓内钉，其钉孔与操作参考架的之间的位置，都能够被确定。
2、本申请创新性的公开在髓内钉置入时利用髓内钉标定器械对髓内钉各个钉孔进行标定的标定方法，以及当髓内钉发生形变时的校准方法，尽可能的保证系统对锁钉孔位置信息识别定位的精确性，进一步优化了术前规划效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1是本发明实施例提供的操作界面展示图；
图2是本发明实施例提供的髓内钉标定器械的示意图；
图中，1、手柄；11、触发组件；12、第一标定组件；13、第二标定组件；14、安装区域；2、标定参考架；3、髓内钉；4、操作参考架。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的操作界面展示图；图2是本发明实施例提供的髓内钉标定器械的示意图；本申请公开一种长骨手术导航定位、配准系统，所述系统包括：红外光学导航系统、髓内钉标定器械、髓内钉3、有显示屏的计算机；
所述红外光学导航系统包括导航探头、控制装置，导航探头与控制装置连接；所述髓内钉标定器械包括标定参考架2、操作参考架4、用于固定髓内钉3的标定组件，标定参考架2与标定组件连接且相对位置固定，操作参考架4与髓内钉3连接且相对位置固定；所述标定组件留有用于固定髓内钉3的安装区域14；所述髓内钉3的钉孔位于所述安装区域14；所述导航探头实时捕获操作参考架4上光学小球的位姿信息，确定并在显示屏显示髓内钉3各个钉孔的位姿信息；
所述控制装置用于接收针对髓内钉3各个钉孔对应的标定操作指令，对髓内钉3各个钉孔进行标定；标定成功后，获取导航探头识别的髓内钉3和患者骨折部位的第一位姿信息；根据所述第一位姿信息和预先设置的骨折部位的手术导航规划路径，确定第一导航提示信息，并在显示屏显示第一导航提示信息。
在一个具体地实施例中，所述标定组件包括：第一标定组件12和第二标定组件13，第二标定组件13在受力后能够向第一标定组件12方向轴向移动；所述标定参考架2与第一标定组件12、第二标定组件13连接且相对位置固定，第一标定组件12和第二标定组件13之间的移动区域即为所述安装区域14。具体地，在本实施例中，第一标定组件12包括：接合部与第一标定组件12，接合部与手柄1未固定连接，并且接合部被配置与手柄1远端的端部位置，其中，接合部还具有第一容纳孔，第一标定组件12配置于第一容纳孔内，其中，第一标定组件12至少部分的伸出第一容纳孔，更为具体地，第一标定组件12可通过螺纹配合的方式安装于第一容纳孔内，或者采用胶水粘合的方式安装于第一容纳孔内。
更为具体地，接合部呈现为矩形体，且各个边棱处倒圆角处理，其中，接合部的底部端面与手柄1的底部端面共面；接合部的顶部端面高于手柄1的最高点；并且，第一容纳孔的轴线的水平高度与手柄1的顶部端面之间存在距离，且第一容纳孔不与手柄1的顶部端面相切或者被手柄1遮挡，以此使得第一标定组件12与手柄1之间存在距离；以避免第一标定组件12的轴线在对髓内钉3的钉孔进行标定时，不能够与钉孔的轴线相重合。
更为具体地，第一标定组件12具有延伸段，延伸段位于第一容纳孔外，其中，第一延伸段至少有一部分的直径呈现出逐级缩减，且延伸段的直径缩减方向朝向握持部；通过此设置在能够使得延伸段在对髓内钉3钉孔进行标定时，能够部分的进入至髓内钉3内，以此使得第一标定组件12的轴线能够与钉孔的轴线呈现重合状态。
在本实施例中，第二标定组件13包括:移动部、第二标定组件13、第一限位栓；移动部，具有第一连接槽、第二连接槽以及第二容纳孔；手柄1卡入第一连接槽内，手柄1设置有触发组件11铰接于第二连接槽内，在触发组件11运动时，以实现移动部向手柄1的近端方向或远端方向轴向平移；第二标定组件13配置于第二容纳孔内，且第二标定组件13至少一端朝向第一标定组件12；第一限位栓与移动部相连接，且第一限位栓部分的位于滑槽内，使得移动部不会脱离手柄1；更为具体地，第一连接槽、第二连接槽、第二容纳孔之间彼此互不连通，其中，第一连接槽的宽度与手柄1的宽度相同，在移动部与手柄1向连接后，第一连接槽的内壁与手柄1呈现贴合状态，以此实现使移动部能够沿手柄1近端延伸方向或者远端延伸方向轴向平移。
其中，第二标定组件13与第一标定组件12彼此之间结构相同，第二标定组件13与第二容纳孔之间也为螺纹配合，其中，第一标定组件12与第二标定组件13设置方向相反；更为具体地，在触发组件11推动移动部轴向平移时，第二标定组件13的延伸段向第一标定组件12的延伸段靠近，并通过第一标定组件12的延伸段与第二标定组件13的延伸段逐渐的进入髓内钉3的钉孔内，此时，在导航系统所识别的标定参考架2与髓内钉3所连接的操作参考架4下，使第一标定组件12与第二标定组件13对髓内钉3的钉孔进行标定，以此确定髓内钉3钉孔与操作参考件之间的位置关系，在髓内钉3进入人体后，钉孔于人体内的所在位置被导航系统通过操作参考架4推算出，以此在向患者体内植钉时，能够向所使用的髓内钉3钉孔内植钉，以达到避免髓内钉3于人体内偏转的问题。
在一个具体地实施例中，所述髓内钉3各个钉孔的位姿信息为髓内钉3所处区域位于导航探头的探测区域内时导航探头识别的信息。
在一个具体地实施例中，所述系统还包括扩髓器械，所述第一导航提示信息用于调整所述扩髓器械的位置；所述第一导航提示信息包括：扩髓器械尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的垂直距离、扩髓器械延长线与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的夹角、扩髓器械尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的入针点的距离、预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的长度、扩髓器械尖端到预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的目标点的直线距离。
优选地，所述扩髓器械包括以下任意一种或几种：空心开口锥、克氏针把持器、近端空心钻、软组织护板、软扩、硬扩、保护套筒、 AWL 钻、扩髓钻、电钻、测量尺、拉力螺钉。其中，空心开口锥（Hollow reamer） 的结构类似于一个中空的圆柱体，一端有开口，其主要功能是在手术中进行骨折固定器械的植入，比如钢板和钉子， 医生可以通过空心开口锥将钢板或钉子引导到骨折部位，然后通过锥内的通道将固定器械插入到骨折骨片中，最终固定骨折。 克氏针把持器（Kirschner wire holder）是一种用于固定克氏针的器械，它的结构类似于一把夹子，两侧有锁定装置，其主要功能是固定克氏针，防止其在手术过程中滑动，医生可以将克氏针放入克氏针把持器的夹口中，然后通过锁定装置固定克氏针，以便在手术中准确操控和定位克氏针。 近端空心钻（Proximal hollow drill）用于骨折的骨折端的钻孔，它的结构类似于一个中空的柱状物，一端有一个旋转的钻头， 其主要功能是在手术中通过旋转钻头，在骨折骨片中钻孔，为固定器械的植入提供通道。 软组织护板（Softtissue protector）用于保护周围软组织免受手术器械的损伤， 它的结构类似于一个带有开口的金属片，可以将周围的软组织从骨折部位分离开来，以便医生进行手术操作，同时减少对软组织的损伤。 软扩（Soft spreader）和硬扩（Hard spreader） 用于扩开骨折骨片之间的间隙， 软扩的结构柔软，适用于较小的间隙；硬扩的结构坚硬，适用于较大的间隙， 它们的主要功能是通过扩开骨折部位的间隙，为骨折复位和固定提供更好的条件。保护套筒（Protection sleeve） 用于保护骨折钉子或螺钉在植入过程中不损伤周围组织， 它的结构类似于一个套筒，可以将植入物包裹起来，防止其与周围组织摩擦和碰撞。 AWL钻（Awldrill） 用于骨折骨片的定位和预钻孔，它的结构类似于一个带有锋利尖端的金属棒， 医生可以通过AWL钻在骨折骨片上进行定位和预钻孔，以便后续的固定器械植入。扩髓钻（Reamer）用于扩大骨折骨片的髓腔，以便植入骨折钉或螺钉，它的结构类似于一个中空的圆柱体，一端有一个旋转的刀片， 医生可以通过扩髓钻在骨折骨片上进行旋转，从而扩大髓腔，为固定器械的植入提供更好的条件。电钻（Power drill） 用于骨折骨片的钻孔和固定器械的植入， 它的结构类似于一个手持式的电动工具，可以通过电动机驱动旋转的钻头进行钻孔， 医生可以通过电钻对骨折骨片进行钻孔，以便植入固定器械。 测量尺(Measurement ruler)用于测量骨骼长度、角度和距离等参数，通常呈直尺状，一端为固定点，另一端有刻度线和测量标记。
在一个具体地实施例中，根据所述第一导航提示信息调整所述扩髓器械的位置后，获取导航探头识别的髓内钉3的第二位姿信息，第二位姿信息为所述髓内钉3植入骨折部位后得到的信息；根据第二位姿信息，在显示屏中显示第二导航信息，第二导航信息用于调整髓内钉3植入骨折部位内的参数。所述第二导航信息包括：髓内钉3尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的垂直距离、髓内钉3轴线与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的夹角、入针深度以及髓内钉3尖端到预先设置的骨折部位的手术导航规划路径终点的距离，根据第二导航信息调整髓内钉3植入至骨腔的角度和深入的距离，提高髓内钉3的角度和深入骨腔的距离的准确性。
在一个具体地实施例中，所述系统还包括校准器械；若所述髓内钉3植入患者骨折部位后发生形变，则所述控制装置响应于针对校准器械的校准操作指令；获取校准器械在髓内钉3表面反复移动后得到的点云，并生成髓内钉3的第三位姿信息，以确定髓内钉3弯曲的弧度；根据所述第三位姿信息，所述控制装置响应于针对显示屏上显示的三维模型的移动操作指令，使得移动后的三维模型与所述第一位姿信息对应的位置区域重合；根据移动后的三维模型，控制装置响应于针对显示屏上显示的锁钉孔列表中的锁钉孔，确定移动后的三维模型对应的锁钉孔，提高锁钉孔的准确性。其中，点云为点数据的集合。优选地，所述校准器械包括安装有光学小球的探针。
在一个具体地实施例中，所述系统还包括锁钉器械，所述锁钉器械包括：台阶钻、内套管、髓内钉刀片钉、克氏针、克氏针测深器、锁定起子、锁定扳手、刀片钉组合套筒、近端限位空心钻、打入锤、小 L 型扳手、限位钻头、测深器、远端导杆、远端瞄准架、全螺纹锁钉、远端锁钉扳手、远端锁定组合套筒、电钻、软组织分离器、尾帽、上钉器。其中，台阶钻（Stepdrill）用于钻取骨骼中的孔洞，以便植入螺钉或其他植入物， 其结构类似于一个圆柱体，具有多个不同直径的台阶， 其主要功能是通过旋转，逐步扩大孔洞的直径，以适应不同尺寸的植入物。内套管（Inner sleeve）用于在手术中保护周围组织，并引导其他器械的插入，其结构类似于一个空心的管道，可以插入到骨骼中，为其他器械的操作提供通道， 其主要功能是保护周围组织不受损伤，并提供准确的引导。髓内钉3刀片钉（Intramedullary nailblade screw）用于固定髓内钉3的刀片部分， 其结构包括一个刀片和一个螺纹部分， 其主要功能是将刀片固定在骨骼中，以提供额外的稳定性和支持。 克氏针（Guide wire）用于引导其他器械的插入， 其结构类似于一个细长的针，具有锥形尖端和握持部分，其主要功能是通过插入到骨骼中，为其他器械的导向提供准确的路径。 克氏针测深器（Guide wiredepth gauge）用于测量克氏针的插入深度。其结构包括一个刻度尺和一个握持部分， 其主要功能是通过插入到骨骼中，测量克氏针的插入深度，以确保植入物的正确位置。打入锁定起子（Impactor locking screw） 用于固定锁定螺钉的插入， 其结构类似于一个握持部分和一个用于敲击的头部， 其主要功能是通过敲击的方式，将锁定螺钉打入骨骼中，增加植入物的稳定性。锁定起子（Locking screwdriver）用于固定锁定螺钉， 其结构类似于一个握持部分和一个用于旋转的头部， 其主要功能是通过旋转的方式，将锁定螺钉拧紧，提供额外的稳定性。锁定扳手（Locking wrench）用于拧紧锁定螺钉， 其结构类似于一个握持部分和一个用于旋转的头部， 其主要功能是通过旋转的方式，将锁定螺钉拧紧，提供额外的稳定性。刀片钉组合套筒（Blade screw combination sleeve）用于固定刀片钉， 其结构类似于一个套筒，具有适配刀片钉的螺纹结构， 其主要功能是通过旋转，将刀片钉固定在骨骼中，提供额外的支持。近端限位空心钻（Proximal limit hollow drill）用于限制钻孔的深度。其结构类似于一个空心的钻头，具有一个限位器以控制钻孔的深度， 其主要功能是通过旋转和限位器的作用，限制钻孔的深度，以确保植入物的正确位置。打入锤（Mallet）用于敲击其他器械或植入物， 其结构类似于一个握持部分和一个用于敲击的头部， 其主要功能是通过敲击的方式，将其他器械或植入物打入骨骼中，实现固定或修复的目的。小L型扳手（Small L-shaped wrench）用于旋转或拧紧其他器械或螺钉， 其结构类似于一个L型的握持部分，可以握住或转动， 其主要功能是通过旋转或拧紧的方式，操作其他器械或螺钉，实现固定或修复的目的。限位钻头（Limit drill bit）用于限制钻孔的深度， 其结构类似于一个钻头，具有一个限位器以控制钻孔的深度， 其主要功能是通过旋转和限位器的作用，限制钻孔的深度，以确保植入物的正确位置。测深器（Depth gauge）用于测量孔洞或植入物的深度， 其结构类似于一个刻度尺，可以插入到孔洞或植入物中进行测量， 其主要功能是通过插入到孔洞或植入物中，测量其深度，以确保植入物的正确位置。远端导杆（Distal guide rod）用于引导其他器械的插入到远端骨折部位， 其结构类似于一个细长的导向杆，可以插入到远端骨折部位，为其他器械的导向提供准确的路径。远端瞄准架（Distal targeting frame）用于引导其他器械的插入到远端骨折部位， 其结构包括一个固定装置和一个用于定位的框架， 其主要功能是通过固定装置将瞄准架固定在患者身体上，并通过框架的定位，引导其他器械的插入。全螺纹锁钉（Fully threaded lockingscrew）用于提供额外的稳定性和支持， 其结构类似于一根螺钉，具有全螺纹结构， 其主要功能是通过旋转，将其固定在骨骼中，为骨折的稳定性和愈合提供支持。远端锁钉扳手（Distal locking screwdriver）用于拧紧远端锁钉， 其结构类似于一个握持部分和一个用于旋转的头部， 其主要功能是通过旋转的方式，将远端锁钉拧紧，提供额外的稳定性。远端锁定组合套筒（Distal locking combination sleeve）用于固定远端锁钉， 其结构类似于一个套筒，具有适配远端锁钉的螺纹结构， 其主要功能是通过旋转，将远端锁钉固定在骨骼中，提供额外的支持。电钻（Electric drill） 用于钻取骨骼中的孔洞， 其结构类似于一个手持电动工具，具有一个握持部分和一个旋转钻头， 其主要功能是通过旋转钻头，快速而准确地钻取骨骼中的孔洞，为植入物的固定提供通道。软组织分离器（Soft tissuedissector）用于分离和保护周围的软组织， 其结构类似于一个手柄，一端有一个扁平的或弯曲的工作部分， 其主要功能是通过分离和保护软组织，为其他器械的操作提供更好的可视性和操作空间。尾帽（End cap）用于固定或保护植入物的末端。其结构类似于一个套筒，可以放置在植入物的末端， 其主要功能是通过固定或保护植入物的末端，提供额外的稳定性和保护。上钉器（Tacker）用于将钉子或其他固定件固定在软组织中， 其结构类似于一个手柄，一端有一个可旋转或可移动的头部， 其主要功能是通过旋转或移动的方式，将钉子或其他固定件固定在软组织。
在一个具体地实施例中，所述系统还包括影像拍摄装置，所述有显示屏的计算机用于接收影像拍摄装置拍摄的患者骨折部位的二维影像并显示在显示屏上，同时接收红外光导航系统实时获取的患者骨折部位和髓内钉3在三维的空间定位坐标系的空间位置，并在显示屏上显示患者骨折部位和髓内钉3的相对位置；所述影像拍摄装置用于拍摄患者患处的正位、侧位影像。所述影像拍摄装置用于拍摄患者待处理部位的三维影像；在显示屏上显示所述光学小球、参考架与待处理部位之间的相对位置。影像拍摄装置是C臂， C臂是一种医疗设备，它由一个呈C形的臂部组成，内部装有X射线发射器和探测器， C臂可以在手术过程中提供高质量的实时X射线成像，以引导医生进行手术操作，它具有360度旋转的能力，可以围绕患者在各个角度进行成像，从而提供更全面和准确的影像信息。
在一个具体地实施例中，所述连接包括物理上的有线连接，也包括无线连接，以进行数据传输。
在一个具体地实施例中，所述系统还包括套筒标定器械。将参考架安装在套筒工具上，使用导向筒标定工具标定套筒的轴向位置和末端位置。将套筒的前端插入导向筒标定工具的插孔中，并且确保套筒工具的前端与导向筒标定工具的插孔底部紧紧贴合，将套筒工具和导向筒标定工具放置在导航探头探测范围内，并能够被导航探头识别，保持位置不动，进行标定。若套筒能够被导航探头识别，屏幕中界面右侧的工具三维模型高亮显示，若屏幕中工具三维模型半透明，则表示工具未能被导航探头识别，可以调整导航探头的位置或者工具的位置，确保工具能够被识别。然后，点击界面左侧工具列表中的套筒模块，展开模块信息，点击“开始标定”按钮，系统开始标定套筒工具，标定过程中，界面底部显示标定进度。标定成功后，提示：标定成功，并且在套筒工具模块显示标定成功标记“对号”。标定失败，提示：标定失败，请检查手术导航工具位置，重新标定。
使用时，用户登录成功，选择进入手术导航模块，以长骨部位的手术导航为例，方法步骤如下：
1、文件导入。上传文件：点击“请添加”按钮上传病例文件，文件上传成功后可以在文件列表中查看、删除文件。文件上传成功提示：上传成功。文件上传失败提示：上传失败。删除文件：鼠标移动到病例文件处，显示删除按钮，点击“删除”按钮，弹出删除确认框，点击红色“删除”按钮，则可以删除已上传的病例文件。
2、工具标定。双击文件，进入工具标定界面，该界面包含三部分内容：工具列表、工具标定区、工具坐标示意图。界面左侧显示需要标定的工具列表，界面右侧显示工具三维模型，并跟踪工具标定过程。在工具标定过程中，保持手术导航工具位置不发生移动，确保参考架上的光学小球朝向导航探头，确保工具能够被导航探头识别。先标定套筒，按照上述套筒标定器械的步骤进行标定。再标定髓内钉，将参考架安装在髓内钉的近端，使用锁钉孔标定工具标定髓内钉远端锁钉孔的位置。髓内钉远端锁钉孔有多个，将远端第一个孔定义为“1”，第二个孔定义为“2”，依此类推。使用锁钉孔标定工具紧紧卡住髓内钉远端第一个锁钉孔，并将它们放置在导航探头探测范围内，注意参考架上的光学小球朝向导航探头，确保工具能够被导航探头识别。点击界面左侧工具列表中的髓内钉模块，选择锁钉孔“1”，再点击“开始标定”按钮，标定成功后，锁钉孔“1”会显示标定成功标记。再使用锁钉孔标定工具紧紧卡住髓内钉远端第二个锁钉孔，在界面中选择锁钉孔“2”，再点击“开始标定”按钮，标定成功后，锁钉孔“2”会显示标定成功标记。依此类推，标定需要的髓内钉远端锁钉孔。还可以更换髓内钉：点击髓内钉模块中的“更换”按钮，可以重新选择手术中需要使用的髓内钉，更换后需要重新标定。
3、导航扩髓（选择手术开口工具，根据导航引导，在手术入针点开口扩髓），页面中导航提示信息说明（路径距离：开口工具轴线与规划路径轴线的垂直距离；角度：开口工具轴线与规划路径轴线的夹角，平行时为0度；入针深度：X / Y；X: 开口工具尖端与规划路径起点的距离。（未到达起点时为负值；到达起点时为 0 ；与规划路径重叠时为正值；超过终点时为红色。）Y: 规划路径长度；目标距离：开口工具尖端到路径终点的距离）；完成扩髓后，点击“下一步”按钮，进入耗材植入页面。
4、髓内钉植入（完成扩髓后，将髓内钉从开口处植入骨腔，根据界面中提示信息，调整髓内钉的角度及深入的距离。路径距离：髓内钉轴线与规划路径轴线的垂直距离。角度：髓内钉轴线与规划路径轴线的夹角，重叠时为 0 度。入针深度：X / Y；X: 髓内钉远端与规划路径起点的距离。（未到达起点时为负值；到达起点时为 0 ；与规划路径重叠时为正值；超过终点时为红色。）Y: 规划路径长度。目标距离：髓内钉远端到路径终点的距离。
5、锁钉；髓内钉植入完成后，在页面右侧选择扩髓器械，在页面左侧选择锁钉孔，根据导航引导，进行锁钉。在模型中，选中的锁钉孔为蓝色，套筒的孔洞与髓内钉的锁孔重合，即位置合适，可以看到模型中，套筒孔与髓内钉锁孔中间有十字标识。
导航界面中显示的参数中的旋转角度、成角角度、重叠距离数值越小越趋近于零时，复位效果越趋近于术前规划效果。
本验证实施例的验证结果表明，为适应症分配固有权重相对于默认设置来说可以适度改善本方法的性能。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccess Memory）、磁盘或光盘等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种计算机设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述系统包括：红外光学导航系统、髓内钉标定器械、髓内钉、有显示屏的计算机；
所述红外光学导航系统包括导航探头、控制装置，导航探头与控制装置连接；所述髓内钉标定器械包括标定参考架、操作参考架、用于固定髓内钉的标定组件，标定参考架与标定组件连接且相对位置固定，操作参考架与髓内钉连接且相对位置固定；所述标定组件留有用于固定髓内钉的安装区域；所述髓内钉的钉孔位于所述安装区域；所述导航探头实时捕获操作参考架上光学小球的位姿信息，确定并在显示屏显示髓内钉各个钉孔的位姿信息；
所述控制装置用于接收针对髓内钉各个钉孔对应的标定操作指令，对髓内钉各个钉孔进行标定；标定成功后，获取导航探头识别的髓内钉和患者骨折部位的第一位姿信息；根据所述第一位姿信息和预先设置的骨折部位的手术导航规划路径，确定第一导航提示信息，并在显示屏显示第一导航提示信息。
2.根据权利要求1所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述标定组件包括：第一标定组件和第二标定组件，第二标定组件在受力后能够向第一标定组件方向轴向移动；所述标定参考架与第一标定组件、第二标定组件连接且相对位置固定，第一标定组件和第二标定组件之间的移动区域即为所述安装区域。
3.根据权利要求1所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述系统还包括扩髓器械，所述第一导航提示信息用于调整所述扩髓器械的位置；所述第一导航提示信息包括：扩髓器械尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的垂直距离、扩髓器械延长线与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的夹角、扩髓器械尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的入针点的距离、预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的长度、扩髓器械尖端到预先设置的骨折部位的手术导航规划路径的目标点的直线距离。
4.根据权利要求3所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，根据所述第一导航提示信息调整所述扩髓器械的位置后，获取导航探头识别的髓内钉的第二位姿信息，第二位姿信息为所述髓内钉植入骨折部位后得到的信息；根据第二位姿信息，在显示屏中显示第二导航信息，第二导航信息用于调整髓内钉植入骨折部位内的参数。
5.根据权利要求4所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述第二导航信息包括：髓内钉尖端与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的垂直距离、髓内钉轴线与预先设置的骨折部位的手术导航规划路径轴线延长线的夹角、入针深度以及髓内钉尖端到预先设置的骨折部位的手术导航规划路径终点的距离，根据第二导航信息调整髓内钉植入至骨腔的角度和深入的距离，提高髓内钉的角度和深入骨腔的距离的准确性。
6.根据权利要求1-5任一项所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述系统还包括校准器械；若所述髓内钉植入患者骨折部位后发生形变，则所述控制装置响应于针对校准器械的校准操作指令；获取校准器械在髓内钉表面反复移动后得到的点云，并生成髓内钉的第三位姿信息；根据所述第三位姿信息，所述控制装置响应于针对显示屏上显示的三维模型的移动操作指令，使得移动后的三维模型与所述第一位姿信息对应的位置区域重合；根据移动后的三维模型，控制装置响应于针对显示屏上显示的锁钉孔列表中的锁钉孔，确定移动后的三维模型对应的锁钉孔。
7.根据权利要求6所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述校准器械包括安装有光学小球的探针。
8.根据权利要求3所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述扩髓器械包括以下任意一种或几种：空心开口锥、克氏针把持器、近端空心钻、软组织护板、软扩、硬扩、保护套筒、 AWL 钻、扩髓钻、电钻、测量尺、拉力螺钉。
9.根据权利要求1所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述系统还包括锁钉器械，所述锁钉器械包括：台阶钻、内套管、髓内钉刀片钉、克氏针、克氏针测深器、锁定起子、锁定扳手、刀片钉组合套筒、近端限位空心钻、打入锤、小 L 型扳手、限位钻头、测深器、远端导杆、远端瞄准架、全螺纹锁钉、远端锁钉扳手、远端锁定组合套筒、电钻、软组织分离器、尾帽、上钉器。
10.根据权利要求1所述的长骨手术导航定位、配准系统，其特征在于，所述系统还包括影像拍摄装置，所述有显示屏的计算机用于接收影像拍摄装置拍摄的患者骨折部位的二维影像并显示在显示屏上，同时接收红外光导航系统实时获取的患者骨折部位和髓内钉在三维的空间定位坐标系的空间位置，并在显示屏上显示患者骨折部位和髓内钉的相对位置；所述影像拍摄装置用于拍摄患者患处的正位、侧位影像。
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