CN117838334A - 一种实时监测骨钻位置的装置、系统、方法和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种实时监测骨钻位置的装置、系统、方法和存储介质，所述方法包括：步骤1：利用光学定位仪获取反光标识在同一时刻的两张图像数据，对每张图像数据利用双目视觉原理和数字信息拟合计算，分别得到对应的两个二维点；步骤2：对步骤1得到的四个二维点，利用双目视觉计算，得到反光标识的位置信息。本发明实现了实时监测骨钻的位置信息进而钻孔的深度，避免了反复测量钻孔的深度，节省了手术时间，最大程度提供手术操作的灵活性；骨钻的位置及钻孔深度的准确性高，降低了主观因素的影响，提高了操作的客观性和手术的准确性；避免钻孔深度过深的风险，提高了手术的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，特别是涉及一种实时监测骨钻位置的装置、系统、方法和存储介质。
背景技术
在骨科手术过程中，螺钉的植入都需要使用钻机和骨钻等医疗器械在骨骼上钻孔，采用测深尺测量钻孔深度后拧入相应型号和长度的螺钉，对于手术过程必须精确地确定骨骼中钻出孔的开孔深度。但目前常规骨钻的功能单一，操作者需要完全通过经验和手感把握停止钻孔时机，主观性较强，增加了手术的风险和不确定性。并且，钻孔后需要用测深尺测量钻孔深度，其精度较低，常常需要反复钻孔和测量，增加了手术时间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种实时监测骨钻位置的装置、系统、方法和存储介质，能够满足手术过程中对操作和骨钻位置的实时跟踪，降低了手术时间，提高了手术的准确性和安全性。
本发明的一方面提供了一种实时监测骨钻位置的装置，包括导航装置，所述导航装置包括导航杆，所述导航杆的外表面设有反光标识，所述导航杆的内部设有腔体，所述腔体用于容纳至少一部分的骨钻。
在一个实施例中，所述导航杆的两端设有定位套，所述定位套与所述导航杆之间设有阻尼圈，所述定位套上设有通孔，所述通孔与所述腔体相连通。
在一个实施例中，所述定位套与所述导航杆可拆卸连接。
在一个实施例中，所述反光标识为环状。
在一个实施例中，所述反光标识为反光涂层或反光贴纸。
在一个实施例中，所述反光标识与骨钻的相对位置固定。
本发明的一方面提供了一种实时监测骨钻位置的方法，包括：
步骤1：利用光学定位仪获取反光标识在同一时刻的两张图像数据，对每张图像数据利用双目视觉原理和数字信息拟合计算，分别得到对应的两个二维点；
步骤2：对步骤1得到的四个二维点，利用双目视觉计算，得到反光标识的位置信息。
在一个实施例中，所述实时监测骨钻位置的方法还包括，步骤3：通过反光标识的位置信息，得到骨钻的位置信息或者钻孔的深度信息。
在一个实施例中，所述光学定位仪为双目视觉定位装置。
在一个实施例中，所述光学定位仪包含至少两个相机，所述两张图像数据，分别通过不同的相机获得。
在一个实施例中，所述两个相机为高帧率相机。
在一个实施例中，利用双目视觉原理和数字信息拟合计算，得到所述反光标识的位置信息，包括：
步骤1-1：将获得的图像进行轮廓提取，得到所述反光标识的轮廓点集；
步骤1-2：对步骤1-1中得到的轮廓点集，采用直线拟合算法获取到一条二维直线；
步骤1-3：将所述轮廓点集投影到所述二维直线，计算各投影点之间的距离，得到距离最大的两个投影点数据。
在一个实施例中，所述步骤1-1还包括对所述轮廓点集进行去畸变处理，得到去畸变后的轮廓点集，在步骤1-2和步骤1-3中的轮廓点集为去畸变处理后的轮廓点集。
在一个实施例中，在所述轮廓提取的方法，可以为边缘检测法、颜色分割法，形态学处理法、基于距离变换的方法，基于曲率的方法，亚像素边缘提取法中的任意一种。
在一个实施例中，所述直线拟合算法，可以为最小二乘法、梯度下降法、随机梯度下降法、正则化线性回归法中的任意一种。
在一个实施例中，光学定位仪在Ti时刻获取放光标识的两张图像数据，通过步骤1和步骤2，得到反光标识在Ti时刻的位置信息，i＝1，2，3……n，T1为骨钻处于初始位置的时刻，Tn为骨钻处于最终位置的时刻。
在一个实施例中，所述光学定位仪每间隔时间ΔT获取反光标识的图像数据，ΔT的范围为0.01秒～0.06秒。
在一个实施例中，每个相邻的时刻之间的时间间隔为ΔTi，即ΔTi＝Ti+1-Ti，ΔT远小于Tn-T1。
在一个实施例中，所述时间间隔ΔTi小于0.1秒，所述时间间隔ΔTi的优选范围为0.01秒～0.06秒。
在一个实施例中，所述实时监测骨钻位置的方法，还包括步骤4：当步骤3得到的骨钻的位置与预设骨钻最终位置之间的距离小于第一阈值，或者步骤3得到的钻孔的深度值与预设深度值之差小于第二阈值，则发出预警信号。
本发明的另一个方面，提供了一种实时监测骨钻位置的系统，包括光学定位模块、数据处理模块、及显示模块；其中：光学定位模块用于获取反光标识的图像数据，并记录获取时间；数据处理模块用于对光学定位模块获取的图像数据进行数据处理，得到处理后的反光标识的位置信息或骨钻的位置信息；显示模块用于显示反光标识或者骨钻的位置信息。
在一个实施例中，所述实时监测骨钻位置的系统还包括预警模块，所述预警模块用于发出预警信号。
在一个实施例中，当骨钻的位置与预设骨钻最终位置之间的距离小于第一阈值、或者钻孔的深度值与预设钻孔深度值之差小于第二阈值时，预警模块则发出预警信号。
本发明的另一个方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行实时监测骨钻位置的方法。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、导航装置上设置反光标识，从获取图像到计算出反光标识的位置，其所用时间极短，可看作是实时监测导航装置的位置，而导航装置与骨钻的相对位置固定不变，实现了实时监测骨钻的位置信息进而钻孔的深度，避免了反复测量钻孔的深度，节省了手术时间，最大程度提供手术操作的灵活性。
2、骨钻的位置及钻孔深度的准确性高，降低了主观因素的影响，提高了操作的客观性和手术的准确性。
3、实时监测骨钻的位置信息及钻孔的深度，还能够避免钻孔深度过深的风险，提高了手术的安全性。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明一个实施例示出的导航装置的爆炸图；
图2为本发明一个实施例示出的导航装置的结构示意图；
图3为本发明一个实施例示出的实时监测骨钻位置的装置的爆炸图；
图4为本发明一个实施例示出的实时监测骨钻位置的装置的结构示意图。
附图标记：
1、定位套；2阻尼圈；3、导航杆；4、反光标识；5、腔体；10、导航装置；20、骨钻；2l、限位台阶；22、骨钻头端；30、钻机。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近患者的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，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，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。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在本发明中的具体含义。
本发明的核心思想在于提供一种实时监测骨钻位置的装置、系统、方法和存储介质，以解决现有技术中操作者需要通过经验和手感把握停止钻孔时机、反复多次测量钻孔，精度低、时间长等问题。本发明能够满足实时对骨钻位置的跟踪，降低手术时间，提高手术的准确性和安全性。
参考图1和图2，本实施例的一方面提供一种时监测骨钻位置的装置，包括导航装置10，导航装置10包括导航杆3，导航杆3为圆柱体的形状，其表面设有反光标识4，反光标识4可以为环绕导航干3一周的反光环的形式，反光环的形式能够让光学定位仪在其运动时更好的识别和定位。反光标识4可以是在导航杆1的外表面的涂层，也可以将反光贴纸粘合到导航杆1的外表面。导航杆1的内部设有腔体5，导航杆1的两端为对称结构，分别设有定位套1，定位套1上设有通孔，通孔孔与腔体5相连通。定位套1与导航杆3可拆卸连接，例如螺纹连接。定位套1与导航杆3之间设有阻尼圈2，阻尼圈2为O型阻尼圈。
参考图3和图4，在使用时，将骨钻20从尾端22插入到导航装置1 0内部的腔体5中并穿出，直至骨钻20的限位台阶21抵靠到导航装置10一端的定位套1，即骨钻20套设于导航装置10中，且骨钻20与导航装置10共轴设置。钻机30夹住骨钻20的尾端及导航装置10的另一端的定位套1。在手术钻孔的过程中，导航装置10与骨钻20在其轴线方向上的相对位置不再发生变化，即其不会发生轴线方向上的位移的变化。导航装置10和骨钻20的轴线方向，即为手术通道所在的方向。通过导航装置10上设置的反光标识4的位置信息即可得到骨钻20的头端22的位置信息。
本实施例的一方面提供一种实时监测骨钻位置的方法，包括：
步骤1：利用光学定位仪获取反光标识在同一时刻的两张图像数据；对每张图像数据利用双目视觉原理和数字信息拟合计算，分别得到对应的两个二维点；
步骤2：对步骤1得到的四个二维点，利用双目视觉计算，得到反光标识的位置信息；
步骤3：通过反光标识的位置信息，得到骨钻的位置信息或者钻孔的深度信息。
具体地，本实施例提供的一种时监测骨钻位置的方法，包括以下步骤：
S101：利用光学定位仪获取反光标识在同一时刻的两张图像数据。所述光学定位仪为双目视觉定位装置，其包含两个相机：左相机和右相机，每个相机在同一时刻获取反光标识的图像数据。左相机和右相机可以选用高帧率相机，获取图像数据的时间间隔ΔTi很小，可看作实时获取反光标识的图像数据。
S102：将获得的两张图像数据分别进行轮廓提取，得到所述反光标识的轮廓点集。轮廓提取的方法，可以为边缘检测法、颜色分割法、形态学处理法、基于距离变换的方法、基于曲率的方法、边缘提取法中的任意一种。本实施例采用亚像素边缘提取法进行轮廓提取，其提取的轮廓点集的准确性和稳定性高。
S103：将S102得到的轮廓点集进行去畸变处理，得到去畸变后的轮廓点集。去畸变处理可以去除图像中的畸变，使数据更加准确。
S104：对S103得到的去畸变的轮廓点集，采用直线拟合算法获取到一条二维直线。直线拟合算法可以为最小二乘法、梯度下降法、随机梯度下降法、正则化线性回归法中的任意一种。本实施例中采用最小二乘法，可通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配，简便地求得未知的数据，且得到的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。在反光标记为环状的情况下，此处得到的二维直线可看作与反光标记的轴线重合。
S105：将S103得到的去畸变后的轮廓点集投影到S104得到的二维直线上，并计算每两个投影点之间的距离，得到距离最大的两个投影点数据。这两个投影点可表示反光标记的位置信息。每张图像数据得到两个投影点，则两张图像数据可得到四个投影点，这四个投影点为二维投影点。
S201：通过S105得到的四个投影点，利用双目立体视觉原理或算法，得到两个三维点信息，此两个三维点信息即为反光标识的位置信息。双目立体视觉的目标是利用三角测量原理从双目成像模型中恢复所拍摄景物的深度信息或者在空间中的三维坐标信息，即从二维成像影像中恢复三维信息，即把四个二维投影点的坐标转化为两个三维点的坐标。
S301：通过S201得到的反光标识的位置信息，得到骨钻的位置信息和/或钻孔的深度值。因为反光标记与骨钻的相对位置是固定不变的，可根据反光标记的位置信息计算得到骨钻的位置信息。骨钻的位置信息与钻孔前的位置信息相对比可得到钻孔的深度值。
S302：从S101开始间隔时间ΔT后，重复S101到S301。ΔT越小，光学定位仪获取的图像数据集越接近实时的图像数据集，但ΔT受到左相机和右相机的帧速率的限制，而且如果ΔT过小，会导致运算量较大，造成较大的运算负担及运算延迟。一般来说ΔT需要小于0.1秒，ΔT的范围可为0.01～0.06秒，本实施例中，ΔT为0.05秒。在此情况下，从获取图像到计算出骨钻的位置或钻孔的深度值，整个计算过程所用的时间远小于高频率获取图像的时间间隔，可以看作获取图像的同时计算得到反光标识的位置信息。
更具体地，光学定位仪在Ti时刻获取图像数据，通过步骤S101～S301，得到两个三维点，这两个三维点反映了骨钻的位置信息(Ai，Bi)，其中i＝1，2，3……n，n为正整数，Ai，和Bi为步骤S301得到的反映骨钻位置的两个三维点的坐标。T1为骨钻处于初始位置的时刻，即骨钻接触到目标骨骼但还未开始钻孔，Tn为骨钻处于最终位置的时刻即操作者停止钻孔时的时刻。此时，骨钻的位置信息(Ai，Bi)即可认为是骨钻Ti时刻的实时位置信息。数据集【(A1，B1)，(A2，B2)，……(Ai，Bi)……(An，Bn)】即为骨钻在进行钻孔时的实时位置信息的集合。
更具体地，在手术前，可以根据实际需要预设骨钻最终位置和第一阈值，当步骤S301得到的骨钻的位置与预设骨钻最终位置之间的距离小于第一阈值时，则发出预警信号。当然也可以预设钻孔深度值和第二阈值，当步骤S301得到的钻孔的深度值与预设钻孔深度值之差小于第二阈值时，则发生预警信号。
本实施例的另一方面提供了一种实时监测骨钻位置的系统，包括：光学定位模块、数据处理模块、及显示模块，其中，光学定位模块用于获取反光标识的图像数据，并记录获取时间；数据处理模块用于对光学定位模块获取的图像数据进行数据处理，得到处理后的反光标识的位置信息或骨钻位置信息；显示模块用于显示反光标识或者骨钻的位置信息。
具体地，实时监测骨钻位置的系统还包括预警模块，当骨钻的位置与预设骨钻最终位置之间的距离小于第一阈值、或者钻孔的深度值与预设钻孔深度值之差小于第二阈值时，预警模块则发出预警信号。
本实施例的另一方面提供了一种实时监测骨钻位置的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行所述实时监测骨钻位置的方法。
以上对本发明的具体实施例进行了描述，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (14)
1.一种实时监测骨钻位置的装置，其特征在于，包括导航装置，所述导航装置包括导航杆，所述导航杆的外表面设有反光标识，所述导航杆的内部设有腔体，所述腔体用于容纳至少一部分的骨钻。
2.根据权利要求1所述的实时监测骨钻位置的装置，其特征在于，所述导航杆的两端设有定位套，所述定位套与所述导航杆之间设有阻尼圈，所述定位套上设有通孔，所述通孔与所述腔体相连通。
3.根据权利要求1所述的实时监测骨钻位置的装置，其特征在于，所述反光标识为环状。
4.一种实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，包括：
步骤1：利用光学定位仪获取反光标识在同一时刻的两张图像数据，对每张图像数据利用双目视觉原理和数字信息拟合计算，分别得到对应的两个二维点；
步骤2：对步骤1得到的四个二维点，利用双目视觉计算，得到反光标识的位置信息。
5.根据权利要求4所述的实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，还包括步骤3：通过反光标识的位置信息，得到骨钻的位置信息或者钻孔的深度信息。
6.根据权利要求5所述的实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，还包括步骤4：当步骤3得到的骨钻的位置与预设骨钻最终位置之间的距离小于第一阈值，或者步骤3得到的钻孔的深度值与预设深度值之差小于第二阈值，则发出预警信号。
7.根据权利要求4所述的实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，利用双目视觉原理和数字信息拟合计算，得到所述反光标识的位置信息，包括：
步骤1-1：将获得的图像进行轮廓提取，得到所述反光标识的轮廓点集；
步骤1-2：对步骤1-1中得到的轮廓点集，采用直线拟合算法获取到一条二维直线；
步骤1-3：将所述轮廓点集投影到所述二维直线，计算各投影点之间的距离，得到距离最大的两个投影点数据。
8.根据权利要求6所述的实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，所述步骤1-1还包括对所述轮廓点集进行去畸变处理，得到去畸变后的轮廓点集，在步骤1-2和步骤1-3中的轮廓点集为去畸变处理后的轮廓点集。
9.根据权利要求6所述的实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，在所述轮廓提取的方法，可以为边缘检测法、颜色分割法，形态学处理法、基于距离变换的方法、基于曲率的方法、亚像素边缘提取法中的任意一种。
10.根据权利要求6所述的实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，所述直线拟合算法，可以为最小二乘法、梯度下降法、随机梯度下降法、正则化线性回归法中的任意一种。
11.根据权利要求4所述的实时监测骨钻位置的方法，其特征在于，所述光学定位仪每间隔时间ΔT获取反光标识的图像数据，ΔT的范围为0.01秒～0.06秒。
12.一种实时监测骨钻位置的系统，其特征在于，包括光学定位模块、数据处理模块、及显示模块；其中：光学定位模块用于获取反光标识的图像数据，并记录获取时间；数据处理模块用于对光学定位模块获取的图像数据进行数据处理，得到处理后的反光标识的位置信息或骨钻的位置信息；显示模块用于显示反光标识或者骨钻的位置信息。
13.根据权利要求12所述的实时监测骨钻位置的系统，其特征在于，还包括预警模块，当骨钻的位置与预设骨钻最终位置之间的距离小于第一阈值、或者钻孔的深度值与预设钻孔深度值之差小于第二阈值时，预警模块则发出预警信号。
14.一种实时监测骨钻位置的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行所述权利要求4～10中任意一项所述的实时监测骨钻位置的方法。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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