CN1931097A - 一种人体骨科手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人体骨科手术导航系统，该系统以具有显示和输入终端的计算机(1)为核心，在其输入/输出端口上分别设一CT或MR断层扫描仪(2)、一C型臂X线机或G型臂X线机(3)和一空间伺服定位控制器(4)，利用C型臂或G型臂X线机(3)拍摄的二维影像建立起虚拟的立体手术场景，并将术前由CT或MR断层扫描仪(2)扫描并重建好的患者骨三维模型置入所建立的虚拟立体场景中进行配准，获得骨三维模型与二维影像之间的位置映射关系，最后由计算机(1)控制空间伺服定位控制器(4)进行手术导航。本发明所述系统既可节约设备投资，也无需苛求手术室抗电磁干扰的能力，便于普及推广。

Description

一种人体骨科手术导航系统

技术领域

本发明涉及一种外科手术器械，具体涉及一种骨科手术立体定位、导航系统。

背景技术

计算机辅助下的手术导航是一个正在兴起的全新技术，它是以医学影像为基础，在高性能计算机及专业软件的辅助下，通过对手术器械的跟踪定位，实现微创手术的可视化，从而大大提高手术的成功率，减少了手术并发症的出现。

目前的骨科手术导航系统主要分两类：

一类以C型臂X线机引导，通过等中心C型臂X线透视机获取手术区域的图像资料，图像数据集传输到图像引导工作站，工作站设计并显示出将要置入的椎弓根螺钉的轨迹，在一系列连续的图像引导下置入椎弓根螺钉。尽管C型臂X线影像透视导航系统可与三维图像导航系统的准确性相比美，但从严格意义上讲，它还是一个二维导航系统，不能提供三维系统那样更直观的图像。

另一类以三维重建数据为基础进行导航，国外临床上广泛应用且较为成熟的脊柱手术导航方法中，以3D-CT和3D-MR法最为直观可靠。目前以下因素制约了MRI在脊柱手术导航中的推广：(1)价格昂贵，一般患者难以接受；(2)要求手术、麻醉等金属器械必须防磁，手术室必须是专用的，这在一般医院很难做到；(3)MRI限制了手术者的操作空间，给手术带来不便；(4)MRI对骨性结构的显影不理想。以3D-CT为基础的CASSNS主要由术中CT、定位系统、中心控制系统构成。它在术前获取并完成治疗区域脊椎的CT扫描三维图像重建，存储在计算机中；在手术中，利用基于红外线、电磁等技术的空间定位系统对手术刀或导航棒的位置进行实时跟踪，并将其位置和术前重建的三维图像共同显示在屏幕上。外科医师通过观察手术刀或导航棒与脊椎的相对位置，在手术中不断调整位置和方向，或通过机器人技术，根据从跟踪器中获取的信息，自动调整位置和方向，使得手术按照预先制订好的计划完成。基于红外线技术及电磁技术的导航设备虽然精度可以保证骨科手术的需要，但价格昂贵，限制了导航设备的应用及普及。

已有研究开展了2D/3D图像配准技术，Tomazevic等[Tomazevic D，等.3-D/2-Dregistration of CT and MR to X-ray images.IEEE Trans Med Imaging.2003Nov；22(11)：1407-1416.]提出基于一张或者多张二维X线图像自动配准三维CT影像的新方法，该方法使用X线影像和三维图像表面预定义点的灰度梯度，重点研究CT体数据的刚性变换，通过幅度和方向信息实现表面法线和逆投影梯度之间的最佳匹配。对腰椎用此方法进行配准验证，配准速度很快，在位移6mm，旋转17°之内时，其成功率为91％。图像配准的均方根误差为0.5mm。Li G等[Li G，Wuerz TH，DeFrate LE.Feasibility of using orthogonalfluoroscopic images to measure in vivo joint kinematics.J Biomech Eng.2004，126(2)：314-318.]报道利用MRI图像重建膝关节的三维结构，然后拍摄患者不同屈曲状态下的膝关节X线片，将各种屈曲状态的X线平片与三维重建的膝关节相配准，就可得到不同屈曲角度时膝关节各个骨结构的位置改变，并报道了对规则形状物体的2D/3D配准精度可达到0.1mm及0.1°。目前尚无文献报道利用2D/3D图像配准方法生产骨科导航设备应用于临床。

另外，上述现有技术中，利用三维模型配准的导航仪的图像配准均需手术切开皮肤，暴露部分骨组织后，才能实现病人实际空间位置与计算机中的虚拟空间位置的配准。这些导航仪不能应用于如经皮椎体成形术及经皮球囊扩张成形术等手术。

国知局2003年11月26日授权公告了一种“基于C型臂X光机的电磁手术导航设备”(公告号为：2587369)实用新型专利，该实用新型专利所述设备由C型臂X光机、磁场跟踪装置、控制部分和显示部分组成，术前由采集并处理C型臂X光机获得患者正、侧位图像信息送至控制部分处理、校正、注册，再由磁场跟踪装置中的磁场源和图像校准器将器械手柄尖端空间位置信息送至控制部分处理、校正、注册，从而建立医学图像与定位跟踪系统的映射关系并在显示部分显示；术中设在器械手柄上的传感器不断感受磁场源发出的磁场信息，将器械手柄尖端空间位置显示在术前获得的患者正、侧位图像上，实现手术的导航。该实用新型专利也是基于红外线技术及电磁技术的导航设备，虽然精度可以保证骨科手术的需要，但不仅需要手术切开皮肤，而且设备也十分昂贵，同样难以普及推广。

发明内容

鉴于现有技术存在上述不足，本发明的目的是提供一种改进的人体骨科手术导航系统，该系统不仅具有三维导航效果，而且具有设备投资小，手术费用低的优点。

本发明实现上述目的的技术方案是：

一种人体骨科手术导航系统，其特征是：

该系统以具有显示和输入终端的计算机为核心，在其输入/输出端口上分别设一CT或MR断层扫描仪、一C型臂或G型臂X线机和一空间伺服定位控制器；所述的

空间伺服定位控制器设设在C型臂或G型臂X线机发射源和接收头之间，并调整手术器械夹具的空间位置和姿态；所述的

CT或MR断层扫描仪对患者手术部位进行断层扫描；所述的

C型臂或G型臂X线机拍摄患者手术部位成30～90度的两张X线片；所述的

计算机先导入CT或MR断层扫描仪的扫描数据，进行三维重建，获得患者骨三维模型，再采集C型臂或G型臂X线机拍摄的含有患者手术部位骨组织信息，又含有空间伺服定位控制器与患者手术部位骨组织之间的相对位置信息的影像，并赋值于屏幕上，建立虚拟的立体手术场景，然后将患者骨三维模型置入所建立的虚拟立体场景中进行2D/3D图像配准，建立手术环境下患者骨三维模型与C型臂或G型臂X线机二维影像之间的位置映射关系，最后由计算机控制空间伺服定位控制器实现手术导航。

本发明所述的一种人体骨科手术导航系统，其中所述的空间伺服定位控制器由上下设置的两平面伺服定位控制器、分别设在两平面伺服定位控制器上的手术器械夹具、连接两平面伺服定位控制器的垂直连接杆以及支承柱组成；其中，

每一平面伺服定位控制器均由相互垂直设置的横向直线伺服控制器和纵向直线伺服控制器组成，其中纵向直线伺服控制器的纵向轨道的一头固定在横向直线伺服控制器的横向伺服装置上，另一头套在横向直线伺服控制器的导杆上；

两手术器械夹具分别固定在上下两纵向伺服装置上；

两支承柱分别固定在平面伺服定位控制器两头的水平连接杆的中部。

本发明所述的一种人体骨科手术导航系统，其中所述空间伺服定位控制器的另一构成方案是：一立柱上交叉固定一横臂，横臂的末端依次铰接有万向活节、立臂、万向活节、纵臂，纵臂的末端铰接有一角度伺服控制器，手术器械夹具固定在角度伺服控制器上；其中所述的万向活节构成为：伺服电机的输出轴上设一连接体，该连接体的外侧和伺服电机的尾部分别设有相互垂直的连接销。

本发明所述的人体骨科手术导航系统采用空间伺服定位控制器取代现有技术中的红外线或电磁跟踪装置，利用C型臂或G型臂X线机拍摄的二维影像建立起虚拟的立体手术场景，并将术前重建好的患者骨三维模型置入所建立的虚拟立体场景中进行配准，获得骨三维模型与二维影像之间的位置映射关系，最后由计算机控制空间伺服定位控制器进行手术导航，较现有技术具有下列优点和效果：1、由于设在C型臂或G型臂X线机发射源和接收头之间的空间伺服定位控制器的尺寸和伺服控制器的运动参数都是已知的，因此只要配准精度足够高，尽管所建立的立体手术场景是虚拟的，但其三维效果和导航控制精度可满足骨科手术的需要；2、利用术前重建好的患者骨三维模型模拟患者的真实骨组织，无需手术切开皮肤、暴露部分骨组织就能直观地看到手术器械与患者骨组织的相对位置，这样就可以对组织活检、椎体成形术等手术操作进行导航，提高此类手术的安全性；3、既可节约设备投资，也无需苛求手术室抗电磁干扰的能力，有利于推广应用。

附图说明

图1为本发明所述的人体骨科手术导航系统组成结构示意图；

图2为本发明所述的空间伺服定位控制器的一种集体实施方案4A的结构示意图；

图3为本发明所述的空间伺服定位控制器的另一种集体实施方案4B的结构示意图。

图4和图5为图3中万向活节4B-3的结构示意图，其中图4为主视图，图5为俯视图。

图6手术器械夹具4B-7的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步详细描述，以便公众更好地掌握本发明的具体实施手段，充分理解本发明所具有的优点和效果，但本发明不受所述实施例所限。

参见图1，本发明所述的人体骨科手术导航系统以具有显示和输入终端的计算机1为核心，在计算机1的输入/输出端口上分别设一CT断层扫描仪2、一C型臂X线机3和一空间伺服定位控制器4A或4B组成。其中，所述的空间伺服定位控制器4A或4B设在C型臂X线机3的发射源和接收头之间。本发明所述系统采用的终端设备除空间伺服定位控制器4A或4B外均为公知设备，其中CT断层扫描仪可用MR断层扫描仪代替，C型臂X线机可用G型臂X线机代替。

本发明所述的人体骨科手术导航系统，其中空间伺服定位控制器4A或4B在整个系统所承担的作用是在计算机1的控制下自动调整手术器械5的姿态和手术器械5刃口的空间位点。图3、图4为根据本发明系统要求设计的两种具体结构中空间伺服定位控制器(参见图3和图4)。

图2为本发明所述的空间伺服定位控制器的一种集体实施方案4A的结构示意图。参见图2，平行设置的横向轨道4A-2和导杆4A-1及连接二者的水平连接杆4A-3连接构成一矩形框架，横向伺服装置4A-4设在横向轨道4A-2上构成所述的横向直线伺服控制器；纵向轨道4A-6的一头固定在横向伺服装置4A-4上，另一头套在所述的导杆4A-1上，一纵向伺服装置4A-5构成一纵向直线伺服控制器；所述横向直线伺服控制器与纵向直线伺服控制器垂直设置构成所述的平面伺服定位控制器。两结构相同的平面伺服定位控制器上下平形设置，拐角处由四根垂直连接杆4A-8连接形成一长方形六面体。两手术器械夹具4A-7分别固定在上下两纵向伺服装置4A-5上，调整上下两纵向伺服装置4A-5的位置即可调整手术器械(图2所示实施例中为手钻头)5的姿态和手术器械5刃口的空间位点。两支承柱4A-9分别固定在平面伺服定位控制器两头的水平连接杆4A-3的中部。

图3为本发明所述的空间伺服定位控制器的另一种集体实施方案4B的结构示意图。参见图3，一立柱4B-1上交叉固定一横臂4B-2，横臂4B-2的末端依次铰接有万向活节4B-3、立臂4B-4、万向活节4B-3、纵臂4B-5，纵臂4B-5的末端铰接有一角度伺服控制器4B-6，手术器械夹具4B-7固定在角度伺服控制器4B-6上；其中万向活节4B-3是这样构成的：伺服电机4B-3-1的输出轴上设一连接体4B-3-2，该连接体4B-3-2的外侧和伺服电机4B-3-1的尾部分别设有相互垂直的连接销4B-3-3、4B-3-4(见图4和图5)；其中角度伺服控制器4B-6是由一脉冲转角电机4B-6-1构成的，该脉冲转角电机4B-6-1的尾部也设一连接销4B-6-2，手术器械夹具4B-7设在脉冲转角电机4B-6-1的输出轴(见图6)。参见图7(无图7)，横臂4B-2、立臂4B-4和纵臂4B-5与万向活节4B-3之间及纵臂4B-5与角度伺服控制器4B-6之间均由定位螺钉4B-8固定(见图4和图5)。

图3也为本发明所述的空间伺服定位控制器集体实施方案4B的一种使用状态图。参见图3并结合图4和图5及图6，横臂4B-2、立臂4B-4和纵臂4B-5依次由两互成90度设置的万向活节4B-3连接，其中横臂4B-2的末端与伺服电机4B-3-1尾部的连接销4B-3-4铰接并由定位螺钉4B-8固定；立臂4B-4的一头与上一万向活节4B-3的连接体4B-3-2的外侧连接销4B-3-3铰接，另一头与下一万向活节4B-3的伺服电机4B-3-1尾部的连接销4B-3-4铰接；纵臂4B-5的一头与万向活节4B-3的连接体4B-3-2的外侧连接销4B-3-3铰接，另一头与角度伺服控制器4B-6的脉冲转角电机4B-6-1尾部的连接销4B-6-2铰接。连接销4B-6-2与纵臂4B-5的另一头的万向活节4B-3中的连接销4B-3-3互为90度。

参见图3并结合图4和图5及图6，使用前，根据病人的病灶部位，松动定位螺钉4B-8，可在0～±90度范围内预先手动调节固定万向活节4B-3或角度伺服控制器4B-6，这样自立臂4B-4至手术器械5的所有杆件均可由(伺服电机或脉冲转角)电机控制在与前一杆件成固定角度(0～±90度)的面内转动，从而调整手术器械(图3所示实施例中为手钻头)5的姿态和手术器械5刃口的空间位点。

下面以对椎体压缩性骨折患者行椎体成形术的经椎弓根穿刺操作为例，详细描述本发明所述人体骨科手术导航系统的工作原理及使用方法。

用CT断层扫描仪2对患者于术前进行腰椎扫描，将图像数据导入三维重建软件Mimics9.11(比利时Materialise公司)，利用图像分割及重建等技术对骨组织进行三维重建，建立每一个脊椎三维形态，重建好的三维模型以STL格式输出保存。

患者进入手术室固定好手术体位后，在手术床上固定安装好空间伺服定位控制器4A。利用C型臂X线机3拍摄手术部位的互成直角的正、侧位X线片，该X线正、侧位片既包含了患者手术部位骨组织，又包含了空间伺服定位控制器4A。所述X线正、侧位片的交角以30～90度为宜，90度最佳(可去除)。将所得的X线正、侧位片按原交角导入由3ds max软件建立的虚拟二维摄像系统内，并将其赋值于屏幕上。

接着将重建好的骨三维模型导入上述虚拟二维摄像系统内，用3ds max软件中的虚拟摄像机光源模拟的C型臂X线机3发射源将三维模型正投影于X线正、侧位片所在平面上，通过与屏幕上赋于的C型臂X线机真实影像相配准，建立手术环境下患者骨结构与C型臂X线机3二维影像之间的位置映射关系。再将已知的空间伺服定位控制器4A的三维模型调入所建立的虚拟二维摄像系统内，采用相同方法实现空间伺服定位控制器与C型臂X线二维影像之间的位置映射关系，最终实现患者骨结构与空间伺服定位控制器4A之间的位置映射关系，完成导航系统的位置注册。

最后根据腰椎的三维形态直观再现手术置入椎弓根钉的安全路径，计算此安全路径与患者腰椎的三维空间关系，并转换为空间伺服定位控制器4A所需调节之定位参数。此时，由计算机1控制两平面伺服定位控制器调整确定调整手术器械(手钻头)5要经过的两个点的空间位置，固定好手钻套再插入手钻即完成手术导航。

图3所示的空间伺服定位控制器4B的使用方法，公众可参考上面的描述，并结合图3及其结构描述自行分析。

Claims (3)

1、一种人体骨科手术导航系统，其特征是：

该系统以具有显示和输入终端的计算机(1)为核心，在其输入/输出端口上分别设一CT或MR断层扫描仪(2)、一C型臂X线机或G型臂X线机(3)和一空间伺服定位控制器(4)；所述的

CT或MR断层扫描仪(2)对患者手术部位进行断层扫描；所述的

C型臂X线机或G型臂X线机(3)拍摄患者手术部位成30～90度的两张X线片；所述的

计算机先导入CT或MR断层扫描仪(2)的扫描数据，进行三维重建，获得患者骨三维模型；再采集C型臂X线机或G型臂X线机(3)拍摄的含有患者手术部位骨组织信息，又含有空间伺服定位控制器与患者手术部位骨组织之间的相对位置信息影像，并赋值于屏幕上，建立虚拟的立体手术场景；然后将患者骨三维模型置入所建立的虚拟立体场景中进行2D/3D图像配准，建立手术环境下患者骨三维模型与C型臂X线机或G型臂X线机(3)二维影像之间的位置映射关系，最后由计算机(1)控制空间伺服定位控制器(4A或4B)实现手术导航。

2、根据权利要求1所述的一种人体骨科手术导航系统，其特征是其中每一空间伺服定位控制器(4A)均由上下设置的两平面伺服定位控制器(4A-1、4A-2、4A-3、4A-4、4A-5、4A-6)、分别设在两平面伺服定位控制器(4A-1、4A-2、4A-3、4A-4、4A-5、4A-6)上的手术器械夹具(4A-7)、连接两平面伺服定位控制器(4A-1、4A-2、4A-3、4A-4、4A-5、4A-6)的垂直连接杆(4A-8)以及支承柱(4A-9)组成；其中，

所述的平面伺服定位控制器((4A-1、4A-2、4A-3、4A-4、4A-5、4A-6))由相互垂直设置的横向直线伺服控制器(4A-1、4A-2、4A-3、4A-4)和纵向直线伺服控制器(4A-5、4A-6)组成，其中纵向直线伺服控制器(4A-5、4A-6)的纵向轨道(4A-6)的一头固定在横向直线伺服控制器(4A-1、4A-2、4A-3、4A-4)的横向伺服装置(4A-4)上，另一头套在横向直线伺服控制器(4A-1、4A-2、4A-3、4A-4)的导杆(4A-1)上；

两手术器械夹具(4A-7)分别固定在上下两纵向伺服装置(4A-5)上；

两支承柱(4A-9)分别固定在平面伺服定位控制器(4A-1、4A-2、4A-3、4A-4、4A-5、4A-6)两头的水平连接杆(4A-3)的中部。

3、根据权利要求1所述的一种人体骨科手术导航系统，其特征是其中所述空间伺服定位控制器(4B)的构成方案是：一立柱(4B-1)上交叉固定一横臂(4B-2)，横臂(4B-2)的末端依次铰接有万向活节(4B-3)、立臂(4B-4)、万向活节(4B-3)、纵臂(4B-5)，纵臂(4B-5)的末端铰接有一角度伺服控制器(4B-6)，手术器械夹具(4B-7)固定在角度伺服控制器(4B-6)上；其中所述的万向活节构成为：伺服电机(4B-3-1)的输出轴上设一连接体(4B-3-2)，该连接体(4B-3-2)的外侧和伺服电机(4B-3-1)的尾部分别设有相互垂直的连接销(4B-3-3、4B-3-4)。

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