CN213217594U - 手术导航系统及其电磁定位器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了手术导航系统及其电磁定位器。手术导航系统包括：磁场发生器，用于产生电磁场；多个电磁定位器，固定于目标对象上，电磁定位器用于在电磁场下产生感应电流或感应电压；控制器，用于获取对固定有多个电磁定位器的目标对象进行拍摄得到的医学图像，并根据医学图像中各个电磁定位器所处的第一位置坐标、拍摄医学图像时各个电磁定位器的位姿确定医学图像的图像坐标系与各个电磁定位器的定位器坐标系之间的转换矩阵，电磁定位器的位姿基于电磁定位器在电磁场下产生的感应电流或感应电压确定；控制器还用于获取电磁定位器的实时位姿，根据转换矩阵将实时位姿与医学图像进行融合并显示融合结果，实现手术导航。

Description

手术导航系统及其电磁定位器

技术领域

本实用新型涉及手手术导航技术领域，特别涉及手术导航系统及其电磁定位器。

背景技术

骨折或断骨是指骨结构的连续性完全或部分断裂，多见于儿童及老年人，中青年人也时有发生。知道骨折或断骨部分所处的位置和具体形状，医疗人员才能将骨折或断骨部位回复原状，进行固定治疗。目前，常规治疗手段有：手法复位+石膏固定；透视下手动复位+外固定支架固定；开创钢板坚强固定等。而骨折或断骨部分是被皮肤包裹住的，采用手法复位治疗时，医疗人员通过目视无法准确定位出骨折或断骨部位的具体形状。若采用术中透视的方式获取断骨位姿态，会增加医患的辐射伤害，同时也无法完全了解断骨的实时三维的空间位置。若采用开创手术的形式，会增加额外大创口，增加病人痛苦外，还增加了感染的风险。

发明内容

本实用新型提供一种手术导航系统及其电磁定位器，以解决相关技术中的不足。

具体地，本实用新型是通过如下技术方案实现的：

提供一种手术导航系统，包括：

磁场发生器，用于产生电磁场；

多个电磁定位器，固定于目标对象上，所述电磁定位器用于在所述电磁场下产生感应电流或感应电压；

控制器，分别与所述磁场发生器和所述电磁定位器连接，所述控制器用于获取所述多个电磁定位器的感应电流或感应电压，并输出导航信息。

可选地，所述手术导航系统中的至少部分电磁定位器作为主电磁定位器；

所述主电磁定位器，包括：

固定针，所述固定针的针头用于植入所述目标对象中；

电磁线圈组件，固定于所固定针上，所述电磁线圈组件用于在所述电磁场下产生所述感应电流或感应电压，所述电磁线圈组件上设有定位标识，以使所述控制器根据所述定位标识确定所述转换矩阵。

可选地，所述手术导航系统中的至少部分电磁定位器作为副电磁定位器；

所述副电磁定位器，包括：

固定针，所述固定针的针头用于植入所述目标对象中；

电磁线圈组件，固定于所固定针上，所述电磁线圈组件用于在所述电磁场下产生所述感应电流或感应电压。

可选地，所述电磁线圈组件包括：

电磁线圈单元，所述电磁线圈单元设有电磁定位线圈，所述电磁定位线圈用于在所述电磁场下产生的感应电流或感应电压；

固定单元，包含第一连接部和第二连接部，所述第一连接部用于固定所述电磁线圈单元，所述第二连接部用于固定所述固定针。

可选地，所述第二连接部设有筒夹螺母，所述筒夹螺母与设于所述固定针上的筒夹连接。

可选地，所述电磁线圈组件还包括：

固定架，用于固定所述电磁线圈单元和所述固定单元，所述固定架上设有安装接头；

所述电磁线圈单元上设有与所述安装接头相配合的第一通孔，所述电磁线圈单元通过所述第一通孔和所述安装接头固定于所述固定架上。

可选地，所述电磁线圈单元上与所述固定架接触的端面设有第一防滑结构，所述固定架上与所述电磁线圈单元接触的端面上设有第二防滑结构，所述第一防滑结构抵靠于所述第二防滑结构。

可选地，所述固定架上设有防误插结构，所述防误插结构与所述电磁线圈单元上的防误插结构相适配。

可选地，所述定位标识包含至少两个标识球；

所述标识球镶嵌在所述固定架上的容纳槽内，或者所述标识球注塑在所述固定架上。

可选地，所述电磁定位器的材质为无磁性金属。

还提供一种电磁定位器，包括：

固定针，所述固定针的针头用于植入目标对象中；

电磁线圈组件，固定于所固定针上，所述电磁线圈组件用于在所述电磁场下产生所述感应电流或感应电压，所述电磁线圈组件上设有定位标识。

本实用新型的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型实施例中，利用电磁导航追踪技术实时跟踪与断骨刚性连接的电磁定位器，实现对每节断骨空间位姿的实时追踪，显示结果无影像漂移，准确度高，可以对医护人员的手术复位操作起到指引作用。并且术中无需对病患进行实时拍摄，可以减少病患在术中受到医学图像拍摄的辐射剂量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。

图1是本实用新型一示例性实施例示出的一种手术导航系统的结构示意图；

图2a是本实用新型一示例性实施例示出的一种副电磁定位器的结构示意图；

图2b是本实用新型一示例性实施例示出的一种副电磁定位器的部分结构示意图；

图2c是本实用新型一示例性实施例示出的另一种副电磁定位器的部分结构示意图；

图2d是本实用新型一示例性实施例示出的一种主电磁定位器的结构示意图；

图2e是本实用新型一示例性实施例示出的一种主电磁定位器的部分结构示意图；

图3是本实用新型一示例性实施例示出的一种手术导航方法的流程图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本实用新型使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本实用新型。在本实用新型和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本实用新型可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本实用新型范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

图1是本实用新型一示例性实施例示出的一种手术导航系统的结构示意图，手术导航系统包括：磁场发生器1、控制器2和多个电磁定位器，其中可以将多个电磁定位器中的一部分作为副电磁定位器3，另一部分作为主电磁定位器4。控制器2分别与磁场发生器1、副电磁定位器3和主电磁定位器4连接。

磁场发生器1可以在控制器2的控制下启动，产生可变电磁场，以使位于该电磁场中的电磁定位器产生感应电流/电压，感应电流/电压的特性取决于磁定位器的位置和方向及变化磁场的强度和相位的组合。控制器2可以获取该感应电流/电压，并将感应电流/电压转化为数字数据后发送给外部控制器以计算电磁定位器的位姿，或者控制器自行基于感应电流/电压计算对应的电磁定位器的位姿，以实时追踪电磁定位器在磁场坐标系下的位姿。该位姿为定位器坐标系相对于磁场坐标系的位姿。位姿包括位置参数和姿态参数，位姿可以采用六自由度来表示，六自由度中的位置参数指的是空间坐标(x,y,z)，姿态参数为水平转角、仰俯角和横滚角。

图2a是本实用新型一示例性实施例示出的一种副电磁定位器的结构示意图，参见图2a，副电磁定位器3包括固定针31和电磁线圈组件32。

图2b是本实用新型一示例性实施例示出的一种副电磁定位器的部分结构示意图，图中的固定针31可以包括针头311、针尾312和针体313，针头311和针尾312分别位于针体313的两端，固定针31可以一体成型。固定针31的针头311可植入目标对象中，电磁线圈组件32可以固定于针尾312或者针体313上。

其中，固定针采用不会产生磁场或不会对磁场造成影响且能在医学图像中清晰分辨固定针与骨骼及组织的材质，可以但不限于采用无磁性金属，例如不锈钢、钛合金等。目标对象可以是需要进行手术的病患的组织器官，例如骨折的腿骨。

参见图2a，电磁线圈组件32包括电磁线圈单元321和固定单元322。电磁线圈单元上设有电磁定位线圈，电磁定位线圈能够在电磁场下产生的感应电流/电压。固定单元322包含第一连接部3221和第二连接部3222，第一连接部3221用于固定电磁线圈单元321，第二连接部3222用于固定固定针31。副电磁线圈组件还可以包括的固定架33，电磁线圈单元321可以通过固定架33与固定单元322的第一连接部3221固定连接。固定架采用不会产生磁场或不会对磁场造成影响的材质，可以但不限于采用硬塑料，如POM(聚甲醛)、PEEK(聚醚醚酮)等。

图2c是本实用新型一示例性实施例示出的另一种副电磁定位器的部分结构示意图，参见图2c，固定架33上设有安装接头331，安装接头331不限于是图中示出的凸起圆柱，还可以是凸起圆环。电磁线圈单元321上设有与安装接头331相配合的第一通孔，电磁线圈单元321可以通过第一通孔套设于安装接头331上，实现与固定架33的固定安装。

需要说明的是，固定架33上的安装接头331的数量不限于是图中示出的1个，安装接头331的数量可以设置为多个，相对应的，需要在电磁线圈单元的相对位置处设置对应数量的第一通孔，每个第一通孔对应套设于一个安装接头上。设置多个安装结接头可以防止固定架与电磁线圈单元之间的旋转滑动，防止在手术过程中固定架、电磁线圈单元的位姿变动导致手术导航过程中定位导航不准确，对手术造成影响。

在另一个实施例中，还可以在电磁线圈单元上设置紧固螺钉，在固定架的相对位置处设置螺纹通孔332，以使固定架与电磁线圈单元之间相互配合安装后通过紧固螺钉拧紧，防止固定架与电磁线圈单元之间的旋转滑动。

固定架还可以设置防误插结构，防误插结构与电磁线圈单元上的防误插结构相适配。在一个实施例中，固定架上的防误插结构可以但不限于是防误插销333，以与电磁线圈单元上的防误插孔相配合。在另一个实施例中，固定架上的防误插结构可以但不限于是防误插孔，以与电磁线圈单元上的防误插销相配合。

固定单元的第一连接部3221可以包括连接本体和螺栓，连接本体上设有通孔，供螺栓穿过并与固定架连接。为了防止固定单元与固定架之间的旋转滑动，可以在第一连接部上与固定架接触的端面设置第一防滑结构，在固定架上与第一连接部接触的端面设置第二防滑结构。将固定架安装于固定单元上后，使得第一连接部的第一防滑结构抵靠于固定架的第二防滑结构，防止在手术过程中固定架的位姿变动导致电磁线圈单元，进而导致手术导航过程中导航定位不准确的情形发生，对手术造成影响。其中，防滑结构可以但不限于采用在固定架与第一连接部接触的端面设置齿形结构的方式。

固定单元的第二连接部可以采用筒夹螺母3222，参见图2b，筒夹螺母3222可以与设于固定针上的筒夹314连接。安装固定单元与固定针时，可以直接将固定针套入筒夹，通过旋转筒夹螺母使筒夹夹紧固定针即可，安装方便。

图2d是本实用新型一示例性实施例示出的一种主电磁定位器的结构示意图，图2e是本实用新型一示例性实施例示出的一种主电磁定位器的部分结构示意图，参见图2d和图2e，与副电磁定位器类似的，主电磁定位器包括固定针41和电磁线圈组件42，固定针的具体结构、固定针与电磁线圈组件的安装方式与副电磁定位器类似，此处不再赘述。

参见图2e，主电磁定位器与副电磁定位器的区别在于，主电磁定位器的固定架上还设有定位标识，用于坐标标定。

在一个实施例中，可以在安装接头设置容纳槽，定位标识422镶嵌在容纳槽内，或者定位标识注塑在容纳槽内。其中，定位标识不限于采用图中示出的标识球实现，定位标识还可以是正方体或半球型等；标识球的设置位置也不限于设置为安装接头的容纳槽内，标识球可以设置于固定架上的任意位置；标识球的数量不限于是图中示出的2个，可以是3个、4个，甚至更多。在另一个实施例中，还可以直接在固定针的针尾或针体设置标识球，这样就无需安装固定架，一方面可以减少材料成本，一方面可以简化安装。

在另一个实施例中，也可以直接在固定针的内部或者表面设置电磁定位线圈，这样就无需安装电磁线圈单元，一方面可以减少材料成本，一方面可以简化安装。

下面结合图1、图2a～图2e对手术导航的过程进行详细说明。

图3是本实用新型一示例性实施例示出的一种手术导航方法的流程图，应用于控制器，参见图3，方法可以包括以下步骤：

步骤301、获取对固定有多个电磁定位器的目标对象进行拍摄得到的医学图像。

在进行手术之前需要将电磁定位器固定在目标对象上，以目标对象为骨折的小腿骨为例，为了实现在手术过程中对小腿骨的每节断骨进行定位导航，可以在每节断骨上固定至少一个电磁定位器，例如，若小腿骨骨折后变成3节断骨，可以在每节断骨上植入一根固定针，并在每根固定针上安装电磁线圈组件。其中，固定于目标对象上的多个电磁定位器可以部分是主电磁定位器，部分是副电磁定位器，例如3节断骨上的3个电磁定位器中2个是主电磁定位器、1个是副电磁定位器；多个电磁定位器也可以全是主电磁定位器，例如在3节断骨上分别安装一个主电磁定位器。

若在目标对象上既固定有主电磁定位器，又固定有副电磁定位器，固定在目标对象上的主电磁定位器的数量可以是一个也可以是多个，主电磁定位器的数量与每个电磁定位器上的标识球的数量相关，需要确保固定于目标对象上的多个电磁定位器的标识球的总数不小于4个，以实现与图像坐标系进行准确配准的目的。举例来说，若一个主电磁定位器上设有4个标识球，可以只在目标对象上固定一个主电磁定位器；若一个主电磁定位器上设有2个标识球，需要在目标对象上固定2个主电磁定位器。

将主电磁定位器固定于病患的小腿骨上时，电磁线圈组件位于病患的体外，电磁线圈组件上设有用于实现坐标系标定的定位标识，借助电磁线圈组件可以避免在患者上切开较大的手术切口。

完成电磁定位器的固定后，医疗人员可以使用外固定架对小腿骨进行初步固定，以避免对小腿骨造成二次创伤，然后通过拍摄设备对目标对象进行拍摄得到三维医学图像，拍摄医学图像的拍摄设备可以但不限于采用CT(电子计算机断层扫描)设备、PET(正电子发射断层显像)设备和MR(磁共振)设备等，控制器可以从拍摄设备处获取目标对象的医学图像。医学图像中不仅显示有目标对象的扫描信息，还包含电磁定位器的信息。

在固定电磁定位器之前，也可以对目标对象进行拍摄得到一张医学图像(不包含电磁定位器的信息)，以便于医疗人员进行初步诊断，根据该医学图像确定目标对象的断骨节数，方便在目标对象上固定相应数量的电磁定位器。该医学图像可以但不限于是X光图像、CT图像、PET图像、MR图像等。

需要说明的是，在拍摄医学图像时，可以仅在固定针上安装固定架，而先不安装电磁线圈单元，待完成医学图像拍摄且需要进行坐标标定时，再将电磁线圈单元安装于固定架上，进行坐标标定。

步骤302、根据医学图像中各个电磁定位器所处的第一位置坐标、拍摄医学图像时各个电磁定位器的位姿确定医学图像的图像坐标系与各个电磁定位器的定位器坐标系之间的第一转换矩阵。

其中，电磁定位器的位姿基于电磁定位器在电磁场下产生的感应电流/电压确定。

确定图像坐标系与定位器坐标系之间的第一转换矩阵具体包括以下步骤：

S1、根据拍摄医学图像时电磁定位器的位姿将定位器坐标系下的电磁定位器的第二位置坐标转换为电磁场的磁场坐标系下的第三位置坐标。

控制器可以获取各个电磁定位器在电磁场下产生的感应电流/电压，并根据该感应电流/电压计算各个电磁定位器在磁场坐标系下的位姿，各个电磁定位器的位姿表示为{A1,A2,...,Ai,...,An}，其中，n表示固定于目标对象上的电磁定位器的数量，位姿Ai表示第i个电磁定位器的定位器坐标系相对于磁场坐标系的位姿。

第二位置坐标也即定位标识在各自的定位器坐标系下的位置坐标，可以通过已知的作为定位标识的标识球在各自的定位器坐标系下的位置坐标表征。因为电磁定位线圈安装在固定架上，而标识球是嵌入在固定架上的，所以电磁定位线圈与标识球具有固定的相对位置关系，该相对位置关系可以预先设定或者预先获取，用于表征第二位置坐标。

若每个主电磁定位器上的标识球的排布规则相同，则各个主电磁定位器具有相同的第二位置坐标。以目标对象上固定有2个主电磁定位器、每个主电磁定位器上设有2个标识球为例，主电磁定位器上的标识球的第二位置坐标可以表示为Ball{Ball₁,Ball₂}，其中，Ball₁和Ball₂分别表示2个标识球在各自的定位器坐标系下的位置坐标。从而，Q1＝A1*Ball₁，Q2＝A1*Ball₂，Q3＝A2*Ball₁，Q4＝A2*Ball₂，可以计算出4个标识球在磁场坐标系下的位置坐标，记为Q{Q1,Q2,Q3,Q4}。

S2、根据第一位置坐标和第三位置坐标确定图像坐标系与磁场坐标系之间的第二转换矩阵。

对医学图像中的主电磁器的标识球进行识别，可以确定标识球的球心在医学图像中的位置坐标，表示为P{P1,P2,P3,P4}，对P{P1,P2,P3,P4}和Q{Q1,Q2,Q3,Q4}进行三维点的配准，即可拟合出图像坐标系与磁场坐标系之间的第二转换矩阵T2，其中可以但不限于采用最小二乘法拟合出最优的T2。

S3、根据拍摄医学图像时电磁定位器的位姿和第二转换矩阵确定第一转换矩阵。

位姿Ai表示第i个电磁定位器的定位器坐标系相对于磁场坐标系的位姿，那么Ai^-1表示磁场坐标系到第i个电磁定位器的定位器坐标系之间的转换矩阵。

从而，可根据T1_i＝Ai^-1*T2计算出各个图像坐标系与各个电磁定位器的定位器坐标系之间的第一转换矩阵T1，例如图像坐标系到第1个电磁定位器的定位器坐标系的变换矩阵为T1₁＝A1^-1*T2，图像坐标系到第2个电磁定位器的定位器坐标系的变换矩阵为T1₂＝A2^-1*T2，依次类型，至此完成了各个定位器坐标系与图像坐标系之间标定，可以通过T1将各个电磁定位器的实时位姿、医学图像中的目标对象的位置信息统一到相同的坐标系下，实现联动配准。

步骤303、获取各个电磁定位器的实时位姿，并根据第一转换矩阵将各个电磁定位器的实时位姿与医学图像进行融合并显示融合结果。

从而，可以根据各个电磁定位器的实时位姿{A1’,A2’,...,Ai’,...,An’}对各节断骨进行导航定位，通过B_磁场＝Ai’*T1*B_ct计算出B_磁场，B_ct为各节断骨在医学图像中的位置数据，B_磁场为各节断在电磁场坐标系下的位置数据，将各个电磁定位器的实时位姿、医学图像中的目标对象的位置信息统一到磁场坐标系下，并实时渲染显示(显示器)断骨位姿，以指引医疗人员根据当前显示的断骨实时位姿进行手术复位操作，实现手术的可视化导航。

本实施例中，利用电磁导航追踪技术实时跟踪与断骨刚性连接的电磁定位器，实现对每节断骨空间位姿的实时追踪，显示结果无影像漂移，准确度高，可以对医护人员的手术复位操作起到指引作用。并且术中无需对病患进行实时拍摄，可以减少病患在术中受到医学图像拍摄的辐射剂量。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了电子设备的若干单元/模块或子单元/模块，但是这种划分仅仅是示例性的并非强制性的。实际上，根据本实用新型的实施方式，上文描述的两个或更多单元/模块的特征和功能可以在一个单元/模块中具体化。反之，上文描述的一个单元/模块的特征和功能可以进一步划分为由多个单元/模块来具体化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种手术导航系统，其特征在于，包括：

磁场发生器，用于产生电磁场；

多个电磁定位器，固定于目标对象上，所述电磁定位器用于在所述电磁场下产生感应电流或感应电压；

控制器，分别与所述磁场发生器和所述电磁定位器连接，所述控制器用于获取所述多个电磁定位器的感应电流或感应电压，并输出导航信息。

2.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航系统中的至少部分电磁定位器作为主电磁定位器；

所述主电磁定位器，包括：

固定针，所述固定针的针头用于植入所述目标对象中；

电磁线圈组件，固定于所述固定针上，所述电磁线圈组件用于在所述电磁场下产生所述感应电流或感应电压，所述电磁线圈组件上设有定位标识。

3.根据权利要求1所述的手术导航系统，其特征在于，所述手术导航系统中的至少部分电磁定位器作为副电磁定位器；

所述副电磁定位器，包括：

固定针，所述固定针的针头用于植入所述目标对象中；

电磁线圈组件，固定于所固定针上，所述电磁线圈组件用于在所述电磁场下产生所述感应电流或感应电压。

4.根据权利要求2所述的手术导航系统，其特征在于，所述电磁线圈组件包括：

电磁线圈单元，所述电磁线圈单元设有电磁定位线圈，所述电磁定位线圈用于在所述电磁场下产生感应电流或感应电压；

固定单元，包含第一连接部和第二连接部，所述第一连接部用于固定所述电磁线圈单元，所述第二连接部用于固定所述固定针。

5.根据权利要求4所述的手术导航系统，其特征在于，所述第二连接部设有筒夹螺母，所述筒夹螺母与设于所述固定针上的筒夹连接。

6.根据权利要求4所述的手术导航系统，其特征在于，所述电磁线圈组件还包括：

固定架，用于固定所述电磁线圈单元和所述固定单元，所述固定架上设有安装接头；

所述电磁线圈单元上设有与所述安装接头相配合的第一通孔，所述电磁线圈单元通过所述第一通孔和所述安装接头固定于所述固定架上。

7.根据权利要求6所述的手术导航系统，其特征在于，所述电磁线圈单元上与所述固定架接触的端面设有第一防滑结构，所述固定架上与所述电磁线圈单元接触的端面上设有第二防滑结构，所述第一防滑结构抵靠于所述第二防滑结构。

8.根据权利要求6所述的手术导航系统，其特征在于，所述固定架上设有防误插结构，所述防误插结构与所述电磁线圈单元上的防误插结构相适配。

9.根据权利要求6所述的手术导航系统，其特征在于，所述定位标识包含至少两个标识球；

所述标识球镶嵌在所述固定架上的容纳槽内，或者所述标识球注塑在所述固定架上。

10.一种电磁定位器，其特征在于，包括：

固定针，所述固定针的针头用于植入目标对象中；

电磁线圈组件，固定于所固定针上，所述电磁线圈组件用于在电磁场下产生感应电流或感应电压，所述电磁线圈组件上设有定位标识。

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