CN1424673A - 计算机辅助髓内钉远端锁定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种计算机辅助髓内钉远端锁定系统，包括C型臂、定位架、计算机以及存储在计算机内的图像控制操作软件构成，C型臂上的X光成像装置采集图像后经视频数据线传输至计算机内，经图像控制操作软件计算处理并确定手术路径后，进行手术。本发明综合利用了医学、机械学、计算机视觉、数字图像处理等多门学科技术，解决了利用单幅图像实现髓内钉位置测量的关键技术，简化了纯机械式髓内钉固定的复杂操作过程。利用机械定位框架可以实现手术路径的简单快速定位，从而实现了髓内钉固定的半自动化。同时较为显著的减少了手术过程中因频繁进行X光照相而造成的对病人及医生的大量X射线辐射损害，又提供了足够的手术精度。

Description

计算机辅助髓内钉远端锁定系统
                       技术领域
本发明涉及一种医疗设备，特别是涉及一种借助于计算机及其控制操作软件、定位架来辅助医生进行接骨手术的髓内钉远端锁定系统。
                       背景技术
目前，对骨折手术已由过去的传统中医接骨发展到了现代的髓内钉等各类中心固定术，手术愈合时间越来越短，手术质量要求也越来越高。就技术来讲，目前的髓内钉手术过程中最难处理好的就是髓内钉远端锁孔的固定，当髓内钉打入骨髓腔后，要求大夫必须能够用直径是4mm的锁钉隔着皮肤和患骨去找正髓内钉上的直径是4.5mm的孔，并将髓内钉固定在骨髓腔中。为了解决这一难题，有的大夫直接在C型臂X光机的辐射引导下进行手术，但手术过程辐射出的大量X射线极易对大夫和患者的健康造成严重的威胁甚至伤害；有的大夫利用辅助支架来手术，即在髓内钉的近端固定一支架，在支架的末端固定一个瞄准孔来对准髓内钉的远端锁孔。大夫通过该孔找正锁孔。但由于髓内钉在打入患骨的过程中一般都有形变，用支架瞄准往往精度不够。
                         发明内容
本发明的髓内钉远端锁定系统是在传统髓内钉固定技术的基础上，利用计算机视觉的三维成像几何原理，并设计出定位架结构，利用数字图像处理技术通过在单幅二维图像上拾取标定点和目标点来确定三维空间参考坐标系中目标点几何位置的技术方案，从而实现了髓内钉固定的半自动化。本发明实现的系统稳定可靠，适合于在各类医院，尤其是中小型医院推广使用。
基于上述问题，本发明研究并开发了一套计算机辅助远端锁定瞄准系统。内容包括：(a)根据计算机三维成像几何原理，通过在单幅二维图像上拾取标定点和目标点来确定三维空间参考坐标系中目标点的几何位置；(b)根据点的采集制作出定位架；(c)本系统的辅助软件，集成了病历输入、图像采集、图像处理、人机交互、结果输出等多项功能，从而实现了髓内钉固定的半自动化。本系统既显著减少了常规手术过程中频繁的X照相，减少了X光射线，解决了大夫大量辐射吃线问题，降低了危险性，又解决了手术的精度问题。
本发明的一种计算机辅助髓内钉远端锁定系统，包括C型臂、计算机，其还包括用于骨折处进行位置确定的定位架以及存储在计算机内的图像控制操作软件构成，C型臂上的X光成像装置采集图像后经视频数据线传输至计算机内，经图像控制操作软件处理并确定手术路径后，进行手术；所述的定位架由框架、连接臂、导杆、坐标面、移动标尺、U型架构成，框架由带有安装孔的四个边架和固定于边架端部的安装孔的四个导杆组成，边架和导杆构成一个四边形的框架，两个导杆之间安装有一坐标面，且平行于另一安装在导杆之间的坐标面，连接臂的一端固定在框架的一边的边框上，另一端为
Figure A0215869100051
形且在端部设有一固定髓内钉的连接孔，U型架上设有导向装置，其通过球形轴承同带孔的移动标尺连接，坐标面上开有滑动槽，移动标尺卡合在坐标面上，导杆和坐标面上刻有刻度，形成参考坐标平面。所述计算机内的图像控制操作软件包括建立病历档案—→采集图像信号—→位置标定—→确定手术路径。
所述的锁定系统，其C型臂只执行采集一幅图像。
所述的锁定系统，其导杆和坐标面形成的参考坐标平面用来确定手术路径的坐标点，实现目标点的精确定位。
所述的锁定系统，设计了标测定位、辅助手术的步骤以及二维图像引导定位方法，借助X光设备采集的图像获得框架和锁钉孔的图像。
所述的锁定系统，设计利用二维X光图像实现髓内钉固定的软件实现方法是：首先将C型臂采集到的手术部位X光图像传送到计算机中，X光图像上必须能够见到框架上的六个标定点及目标点；然后利用鼠标拾取并微调这六个标定点及目标点在图像上的锥形投影；由于前参考坐标系上三个标定点的空间相对位置关系已经确定，可以利用这三个标定点及目标点的锥形投影得到两个独立的求解方程，从而确定出目标点在该参考坐标系上的平行投影坐标；同理，也可以求出该目标点在后参考坐标系上的平行投影坐标。由于两个参考坐标平面的相对位置已知，据此，可以进一步求出目标点确切的空间位置，以备参考和校核，在计算完成之后，这些结果信息将显示在显示器上，根据显示的结果数据，通过鼠标的点击和拖动实现了断骨截面的横向距离计算，从而为医生选择固定螺钉长度提供了精确的数据依据。
所述的锁定系统经计算机控制操作软件计算处理后，得到确切的移动标尺的中心位置，并调节移动标尺至中心位置，用U形架将其固定，从而确定了手术路径；并将锁钉经导向孔打入髓内钉中。
本发明的髓内钉远端锁定装置，综合利用了医学、机械学、计算机视觉、数字图像处理等多门学科技术，解决了利用单幅图像实现髓内钉位置测量的关键技术，简化了纯机械式髓内钉固定的复杂操作过程。利用辅助软件可以确定出手术路径，利用机械定位框架可以实现手术路径的简单快速定位，从而实现了髓内钉固定的半自动化。系统可靠、先进、高效、低廉，既显著减少了手术过程中因频繁进行X光照相而造成的对病人及医生的大量X射线辐射损害，又提供了足够的手术精度。系统造价低廉，具有极高的性价比和推广应用价值。
                       附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的定位架结构图。
图3是本发明的定位架实物照片。
图4是显示在计算机显示器上的参考图像。
图中：1.定位架    2.C型臂    3.计算机    4.X光光源    5.X光成像装置    201框架    202螺钉    203.连接臂    204.连接孔205.导杆    206.坐标面    207.滑动槽    208.导向孔    209.导向装置    210.球形轴承    211.移动标尺    212.U型架     213.安装孔    214.边架
                     具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
请参见图1所示，本发明的一种计算机辅助髓内钉远端锁定系统，由定位架1、C型臂2、计算机3以及图像控制操作软件构成，C型臂2上的X光摄像装置5采集图像后经视频数据线传输至计算机3内，经图像控制操作软件计算处理并确定手术路径后，经定位架1上的导向孔208将锁钉固定在髓内钉上进行手术。
在本发明中，首先利用在C型臂2上的X光光源4的照射下，在成像平面上形成图像，然后，利用计算机3中的视频采集卡通过视频数据线将该图像导入控制软件中，在控制软件中完成各种交互操作，得到定位架1上的定位信息，最后，根据这些定位信息手动调节并固定定位架1的导向装置，穿钉完成髓内钉锁定手术。
请参见图2所示，本发明的远端锁定系统中的定位架1由框架201、连接臂203、导杆205、坐标面206、移动标尺211、U型架212构成，框架201由带有安装孔213的四个边架214和固定于边架214端部的安装孔213的四个导杆205组成，边架214和导杆205构成一个四边形的框架201，两个导杆205之间安装有一坐标面206，且平行于另一安装在导杆之间的坐标面，连接臂203的一端固定在框架201的一边的边框214上，另一端为 形且在端部设有一固定髓内钉的连接孔204，U型架212通过球形轴承210同带孔的移动标尺211连接，坐标面206上开有滑动槽207，移动标尺211卡合在坐标面206上，导杆205和坐标面206上刻有刻度，形成参考坐标平面。
在本发明中，计算机图像控制操作软件由C型2臂采集一幅图像通过视频数据线传输至计算机3中，C型臂2同计算机3通过视频线相连。由于只采集一幅图像，大大的减少了辐射对大夫和伤者造成的伤害。
本发明的计算机图像控制软件的工作流程为：建立病历档案—→采集图像信号—→位置标定—→确定手术路径。
软件界面控制功能包括：图像操作—→坐标标定—→测量。
软件界面数据显示包括：路径前面板点坐标、路径后面板点坐标、前孔点坐标和后孔点坐标。
在本发明中定位架的设计：这是实现锁钉孔从手术空间合理映射到图像空间的关键。采用正方体机械定位架(见图2所示)，以该定位架1中的导杆205和坐标面206构成参考坐标系，来代替髓内钉上的锁钉孔的手术空间坐标系。当C型臂2采集锁钉孔的位置图像时，摄像系统的焦点同定位架1坐标系的位置就已经确定了。此时锁钉孔中心同焦点的连线同定位架1的两个相互平行的参考坐标面206(将其中一个取为框架坐标系的X-Y坐标面)相交。我们用有机玻璃或其它不吃X线的材料制作这两个面，并在框架上标记尺寸刻度；考虑到手术的便利性，允许两个坐标面206在定位架1的导杆205上移动。由于X光的采集面积很小，我们分别在这两个参考坐标面上的一个小的可见区域内安装几个相对位置已知的标记点。以这两组标记点为参考，就可以确定锁钉孔在框架坐标系中的实际位置，同时也可以确定锁钉孔的轴线同这两个参考面的交点坐标。此外，在框架的参考面上还设计有两个分别可以沿框架横向轴线和垂直轴线运动的移动标尺11，这两个定位块可以固定住锁钉孔在参考面上的交点位置。大夫可以沿这两个参考点确定的路径打入锁钉，完成手术。
软件部分的基本流程如下：建立病历档案→采集图像信号→位置标定→确定手术路径等。其中，两大核心功能是：根据采集到的X光图像确定锁钉孔的轴线位置坐标；以及从图像上测量出手术所需的数据，如：锁钉的长度等等。
基本操作过程：a)建立病历档案：录入病人的基本信息、相关病史资料、骨断状况、诊断记录等资料并存入数据库；b)打入髓内钉并固定定位架1：髓内钉打入髓腔的要求位置，并将髓内钉近端同定位架固连在一起，确定下髓内钉锁钉孔在定位架1框体中的相对位置；c)采集图像：系统通过C型臂采集一幅包括髓内钉锁钉孔及标定点在内的图片，并对该图片进行预处理；d)标定参考坐标系：根据标定点在成像平面上的坐标值以及定位架1结构的已知尺寸可以确定出前后两个参考面上的实际坐标系位置，从而确定髓内钉在其中的相对位置；e)标定锁孔中心：拾取锁钉孔端面中心在二维图像上的坐标，即可计算出该中心在定位架1框体坐标系中的坐标值；f)固定手术路径：根据锁钉孔两端面中心在定位架1参考坐标系中的坐标值，计算出前后两组移动标尺211沿坐标面206横向轴线和垂直轴线的偏移量，然后调整移动标尺211，使得前后移动标尺211上的导向孔208中心轴线同锁钉孔中心轴线重合，从而固定下手术路径g)大夫通过导向孔208钻孔，并打入锁钉，将其固定在髓内钉上的孔中，完成手术。
本发明的计算机辅助髓内钉远端锁定系统，综合利用了医学、机械学、计算机视觉、数字图像处理等多门学科技术，解决了利用单幅图像实现髓内钉位置测量的关键技术，简化了纯机械式髓内钉固定的复杂操作过程。利用辅助软件可以确定出手术路径，利用机械定位框架可以实现手术路径的简单快速定位，从而实现了髓内钉固定的半自动化。系统可靠、先进、高效、低廉，既显著减少了手术过程中因频繁进行X光照相而造成的对病人及医生的大量X射线辐射损害，又提供了足够的手术精度。系统造价低廉，具有极高的性价比和推广应用价值。

Claims (7)

1.一种计算机辅助髓内钉远端锁定系统，包括C型臂、计算机，其特征在于：还包括用于骨折处进行位置确定的定位架(1)以及存储在计算机内的图像控制操作软件构成，C型臂(2)上的X光成像装置(5)采集图像后经视频数据线传输至计算机(3)内，经图像控制操作软件处理并确定手术路径后，进行手术；所述的定位架(1)由框架(201)、连接臂(203)、导杆(205)、坐标面(206)、移动标尺(211)、U型架(212)构成，框架(201)由带有安装孔(213)的四个边架(214)和固定于边架(214)端部的安装孔(213)的四个导杆(205)组成，边架(214)和导杆(205)构成一个四边形的框架(201)，两个导杆(205)之间安装有一坐标面(206)，且平行于另一安装在导杆之间的坐标面，连接臂(203)的一端固定在框架(201)的一边的边框(214)上，另一端为
Figure A0215869100021
形且在端部设有固定髓内钉的连接孔(204)，U型架(212)上设有导向装置(209)，其通过球形轴承(210)同带孔的移动标尺(211)连接，坐标面(206)上开有滑动槽(207)，移动标尺(211)卡合在坐标面(206)上，导杆(205)和坐标面(206)上刻有刻度，形成参考坐标平面。
2.如权利要求1所述的锁定系统，其特征在于：所述计算机内的图像控制操作软件包括建立病历档案—→采集图像信号—→位置标定—→确定手术路径。
3.如权利要求1所述的锁定系统，其特征在于：C型臂(2)只执行采集一幅图像。
4.如权利要求1所述的锁定系统，其特征在于：导杆(205)和坐标面(206)形成的参考坐标平面用来确定手术路径的坐标点，实现目标点的精确定位。
5.如权利要求1所述的锁定系统，其特征在于：设计了标测定位、辅助手术的步骤以及二维图像引导定位方法，借助X光设备采集的图像获得框架和锁钉孔的图像。
6.如权利要求1所述的锁定系统，其特征在于：设计利用二维X光图像实现髓内钉固定的软件实现方法是：首先将C型臂(2)采集到的手术部位X光图像传送到计算机(3)中，X光图像上必须能够见到框架(201)上的六个标定点及目标点；然后利用鼠标拾取并微调这六个标定点及目标点在图像上的锥形投影；由于前参考坐标系上三个标定点的空间相对位置关系已经确定，可以利用这三个标定点及目标点的锥形投影得到两个独立的求解方程，从而确定出目标点在该参考坐标系上的平行投影坐标；同理，也可以求出该目标点在后参考坐标系上的平行投影坐标。由于两个参考坐标平面的相对位置已知，据此，可以进一步求出目标点确切的空间位置，以备参考和校核，在计算完成之后，这些结果信息将显示在显示器上，根据显示的结果数据，通过鼠标的点击和拖动实现了断骨截面的横向距离计算，从而为医生选择固定螺钉长度提供了精确的数据依据。
7.如权利要求1、6所述的锁定系统，其特征在于：经计算机控制操作软件计算处理后，得到确切的移动标尺(211)的中心位置，并调节移动标尺(211)至中心位置，用U形架(212)将其固定，从而确定了手术路径，并将锁钉经导向孔(208)打入髓内钉中。
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