CN2165805Y - 脑外科手术的球面坐标微机定位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种医疗装置，特别涉及一种脑 外科手术的球面坐标微机定位装置；本实用新型由图 象扫描仪、微型计算机和球面探测器构成；球面探测 器具有四个直线运动和两个回转运动，并采用一个平 行四边形的连杆机构以保证探测杆始终指向球心，运 动参数都以编码形式经I/O接口输送给微型计算 机，患者的CT或MR图象用图象扫描仪输送给微 型计算机并在微型计算机中进行三维重建，实现了病 变与头部轮廓同步透视三维显示；医生利用该实用新 型可以精确地确定靶点的位置，其精度优于1毫米， 且结构简单、操作方便、安全可靠。

Description

本实用新型涉及一种医疗装置，特别涉及一种脑外科手术的球面坐标微机定位装置。

已有的脑外科手术定位器是一种机械框架结构，框架上有刻度标志，要将框架固定在患者的头部进行照相（CT或MR）和手术；外科医生用影像中的刻度标志进行换算以确定靶点的位置；定位精度低，操作不便；约克、考（YUKO    KOSUGI）等人曾提出用多关节机械臂进行定位的原理设想，但多关节机械臂结构复杂而且要进行一系列矩阵运算才能确定靶点的位置，也难于达到较高精度。

本实用新型的目的是为了提供一种定位精度高、操作方便、结构简单的脑外科手术的球面坐标微机定位装置。

本实用新型是按以下技术方案实现的。该装置由图像扫描仪、微型计算机及相应软件和球面探测器构成；球面探测器由固定架、编码器、探测杆、连杆结构、锁紧机构、升降杆、齿轮齿条机构、回转臂、轴、轴套、丝杠螺母、滑座和基座组成，连杆结构的一端与固定架相连接，另一端与升降杆相连接，探测杆可沿固定架上下伸缩，升降杆通过齿轮齿条机构与回转臂相连接，回转臂的另一端与轴相连接，轴套与滑座相固连，滑座通过丝杠螺母机构可相对基座运动（±X_O）并通过光栅尺进行测量，另一滑座通过另一丝杠螺母机构可相对该滑座运动（±Y_O）并通过光栅尺进行测量，两个丝杠螺母机构是互相正交的，升降杆相对回转臂的直线运动（±Z_O）用编码器进行测量，升降杆垂直于两个丝杠螺母机构构成的平面，回转臂与轴相固连并可绕轴套回转（±φ），角度φ用编码器进行测量，升降杆和固定架通过连杆机构连接在一起，当连杆机构相对升降杆回转角度±θ时，探测杆连同固定架也相应的回转角度±θ，探测杆还可沿固定架伸缩，角度θ和探测杆伸缩长度ρ均采用编码器进行测量，所有运动参数（X_O，Y_O，Z_O，ρ，φ，θ）都以编码形式经I／O接口输送给微型计算机，患者的CT或MR图象用图象扫描仪输送给微型计算机并在微型计算机中进行三维重建，采用C语言编程将二维CT或MR图象通过该装置而实现病变与头部轮廓同步透视三维显示，微型计算机会自动给出靶点T到三只钢球所在点a、b、c（患者左耳、右耳和鼻孔）的空间距离L_i（i＝a、b、c），即构成脑外科手术的球面坐标微机定位装置。

利用球面探测器对三个钢球所在点进行测量，则三只钢球的位置为：

Xi＝（ρo－ρi）sinθicosφi＋Xo

Yi＝（ρo－ρi）sinθisinφi＋Yo        （1）

Zi（ρo－ρi）cosθi＋Zo

而靶点T的位置（Xt，Yt，Zt）由式（2）求得：

（Xt－Xi）²＋（Yt－Yi）²＋（Zt－Zi）²＝Li²（2）

i＝a，b，c_o

依据Xt，Yt，Zt调整探测器的Xo，Yo和Zo，使坐标系原点O₁与靶点T重合。则当角度θ和φ取任意值时，探测杆会始终指向靶点T。

连杆结构是一个以保证探测杆始终指向球心的平行四边形连杆结构，在不同的测量点（患者头部表面任意点）进行测量，则计算机会立即显示出测量点的坐标（ρo、ρe、φe、θe）以及从该点到靶点的距离（ρo－ρe），计算机三维图象的二维提取是以探测器的角度φe来确定的，即显示的图象为O₁X₁Z₁平面图象；

探测杆可更换为手术器械，在选取的测量点进行手术，手术器械的插入深度为ρo－ρe并实时显示在微型计算机屏幕上。

本实用新型是一种球面坐标微机定位装置。由于本实用新型的球面探测器具有四个直线运动和两个回转运动，并采用一个平行四边形的连杆结构以保证探测杆始终指向球心，利用它医生可以精确地确定靶点的位置，其精度优于1毫米；它还可以辅助医生选择最佳手术路径；如果将探测杆更换为手术器械，医生还可以利用该装置进行钻孔、活检、血肿清除等手术，本实用新型不仅精度高，且结构简单、操作方便、安全可靠。

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明：

图1为本实用新型一实施例结构方框图

图2为本实用新型软件框图

图3为本实用新型球面坐标探测器结构示意图

参照图1到图3，备好AST－386微型计算机及相应软件，图象扫描仪，自制球面坐标探测器，球面坐标探测器由固定架1、编码器2、探测杆3、连杆结构4、锁紧机构5、升降杆6、齿轮齿条机构7、回转臂8、轴9、轴套10、丝杠螺母11、14、滑座12、13和基座15组成、连杆结构4的一端与固定架1相连接，另一端与升降杆6相连接，探测杆3沿固定架1上下伸缩，升降杆6通过齿轮齿条机构7与回转臂8相连接，回转臂8的另一端与轴9相连接，轴套10与滑座12相固连，滑座13通过丝杠螺母机构14可相对基座15运动（±X_O）并通过光栅尺进行测量，滑座12通过丝杠螺母机构11可相对滑座13运动（±Y_O）并通过光栅尺进行测量，丝杠螺母机构11和14是互相正交的，升降杆6相对回转臂8的直线运动（±Z_O）用编码器进行测量，升降杆6垂直于丝杠螺母机构11和14构成的平面，回转臂8与轴9相固连并可绕轴套10回转（±φ），角度φ用编码器进行测量，升降杆6和固定架1通过连杆机构4联接在一起，当连杆机构4相对升降杆6回转角度±θ，探测杆3也相应的回转角度±θ，探测杆3还可以沿固定架1伸缩（ρ），角度θ和探测杆3伸缩长度ρ均采用编码器进行测量，所有运动参数（X_O、Y_O、Z_O、ρ、φ、θ）都以编码形式经I／O接口输送给微型计算机，患者的CT或MR图象用图象扫描仪输送给微型计算机并在微型计算机中进行三维重建，采用C语言编程将二维CT或MR图象通过该装置而实现病变与头部轮廓同步透视三维显示，微型计算机会自动给出靶点T到钢球所在点a、b、c（患者左耳、右耳和鼻孔）的空间距离L_i（i＝a、b、c），即构成脑外手术的球面坐标微机定位装置。

利用球面探测器对三个钢球所在点进行测量，则三只钢球的位置为：

Xi＝（ρo－ρi）sinθicosφi＋Xo

Yi＝（ρo－ρi）sinθisinφi＋Yo        （1）

Zi（ρo－ρi）cosθi＋Zo

而靶点T的位置（Xt，Yt，Zt）由式（2）求得：

（Xt－Xi）²＋（Yt－Yi）²＋（Zt－Zi）²＝Li²（2）

i＝a，b，c_o

依据Xt，Yt，Zt调整探测器的Xo，Yo和Zo，使坐标系原点O₁与靶点T重合。则当角度θ和φ取任意值时，探测杆会始终指向靶点T。

连杆结构4是一个以保证探测杆3或手术器械始终指向球心的平行四边形连杆结构，在不同测量点（患者头部表面任意点）进行测量，则计算机会立即显示出测量点的坐标（ρo、ρe、φe、θe）以及从该点到靶点的距离（ρo－ρe），计算机三维图象的二维提取是以探测器的角度φe来确定的，即显示的图象为O₁X₁Z₁平面图象；探测杆3可更换为手术器械，在选取的测量点进行手术，手术器械的插入深度为ρo－ρe并实时显示在微型计算机屏幕上。AST－386微型计算机带有PIP－1024B图象板、80387协处理器和ASTECDI显示器。

本实用新型经临床实验、安全可靠、精度高、使用方便。

Claims (3)

1、一种脑外科手术的球面坐标微机定位装置，包括图象扫描仪、微型计算机及相应软件，其特征是所述的球面坐标微机定位装置还包括球面坐标探测器，球面坐标探测器由固定架[1]、编码器[2]、探测杆[3]、连杆结构[4]、锁紧机构[5]、升降杆[6]、齿轮齿条机构[7]、回转臂[8]、轴[9]、轴套[10]、丝杠螺母[11]、[14]、滑座[12]、[13]和基座[15]组成，连杆结构[4]的一端与固定架[1]相连接，另一端与升降杆[6]相连接，探测杆[3]沿固定架[1]上下伸缩，升降杆[6]通过齿轮齿条机构[7]与回转臂[8]相连接，回转臂[8]的另一端与轴[9]相连接，轴套[10]与滑座[12]相固连，滑座[13]通过丝杠螺母机构[14]可相对基座[15]运动(±X₀)并通过光栅尺进行测量，滑座[12]通过丝杠螺母机构[11]可相对滑座[13]运动(±Y₀)并通过光栅尺进行测量，丝杠螺母机构[11]和[14]是互相正交的，升降杆[6]相对回转臂[8]的直线运动(±Z₀)用编码器进行测量，升降杆[6]垂直于丝杠螺母机构[11]和[14]构成的平面，回转臂[8]与轴[9]相固连并可绕轴套[10]回转(±Φ)，角度Φ用偏码器进行测量，升降杆[6]和固定架[1]通过连杆机构[4]连接在一起，当连杆机构[4]相对升降杆[6]回转角度±θ时，探测杆[3]连同固定架[1]也相应的回转角度±θ，探测杆[3]还可沿固定架[1]伸缩(ρ)，角度θ和探测杆伸缩长度ρ均采用编码器进行测量，所有运动参数(X₀、Y₀、Z₀、ρ、Φ、θ)都以编码形式经I/O接口输送给微型计算机，患者的CT或MR图象用图象扫描仪输送给微型计算机并在微型计算机中进行三维重建，采用C语言编程将二维CT或MR图象通过该装置而实现病变与头部轮廓同步透视三维显示，即构成脑外手术的球面坐标微机定位装置。

2、如权利要求1所述的球面坐标微机定位装置，其特征是连杆结构［4］是一个以保证探测杆［3］始终指向球心的平行四边形连杆结构，在不同测量点（患者头部表面任意点）进行测量，则计算机会立即显示出测量点的坐标（ρo、ρe、φe、θe）以及从该点到靶点的距离（ρo－ρe），计算机三维图象的二维提取是以探测器的角度φe来确定的。

3、如权利要求1所述的球面坐标微机定位装置，其特征是所述的探测杆［3］可更换为手术器械。

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