CN219207305U - 一种基于超声骨骼成像的导航配准设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于超声骨骼成像的导航配准设备，包括：患者标记物，包括患者盆骨/股骨参考阵列，固定于患者的盆骨或股骨上；超声扫描系统，包括超声扫描主机、超声探头以及超声探头跟踪阵列，用于在患者的特定皮肤表面做超声扫描；骨科手术导航系统，包括手术执行装置推车主体、手术机械臂以及手术执行器参考阵列，用于进行定位，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一；光学跟踪系统，包括光学跟踪相机和光学跟踪相机支撑结构，用于跟踪手术执行器参考阵列、超声探头跟踪阵列以及患者盆骨/股骨参考阵列。

Description

一种基于超声骨骼成像的导航配准设备

技术领域

本实用新型涉及手术导航配准领域，具体涉及一种基于超声骨骼成像的导航配准设备。

背景技术

骨科手术导航是通过智能操作提升传统骨科手术的精度和疗效。其中注册配准是最核心的关键技术之一。注册配准是将患者基于术前扫描影像上的手术规划结果与术中患者真实位置实现空间配准的技术。通过注册配准医生可以准确的将术前规划的位置和角度信息投射到真实物理空间，实现精准的手术操作。

常规的点云配准方式，依赖带光学标记的探针，在骨头表面按照固定的顺序依次点选不同的骨性标记点，来实现配准过程。

在中国专利CN109890281A中用于术中盆骨配准的系统和方法，是非常典型的点云配准方式，其通过一些粗配准和精配准两个过程，来提升手术配准的精度，同时在精配准过程中，依赖采集特征点来拟合髋臼窝中心，并将中心点带回粗配准过程来提升整体配准准确性。

以髋关节手术为例，传统的注册方式称之为点云注册，医生通过带光学标记的探针在患者的骨表面选择特征点，当采集足够多特征点之后，利用采集特征点的空间坐标与术前的规划的影像做配准。这种注册方式有以下几个缺点，没有很好的解决掉，也一直是困扰行业发展的重要因素。

首先，特征点的选取严重依赖医生的经验，很多特征点是骨性标记点，在患者创口显露之后，由于出血和软组织遮挡，操作者很难找到规定的标记点，导致注册精度无法保证。

其次，特征点的选取必须要暴露创口，注册点的数量一般在40个左右，注册时间相对较长，过早的长时间暴露创口，很容易引发感染风险，尤其是关节附件血供不足，一旦产生感染很容易出现严重并发症。

再次，配准精度不高，容易陷入局部最优。以髋关节为例，点云注册的特征点采集主要集中在病人的髋臼窝附近采点，这主要是因为手术开口区域范围限制导致，但是由于注册配准的点选取过于集中，在注册配准时候很容易陷入髋臼窝的局部最优，而不是全局最优解。在做精度验证的时候在髋臼窝出精度还可以，但是如何要评价临床指标比如腿长和联合偏心距时候，依赖于全局最优的配准方式，很容易导致出现精度偏差过大的问题。

最后，无法解决复杂病例的注册问题。髋关节的点云注册依赖于髋臼窝中选点的情况，很多复杂病例髋臼窝特征不明显，或者类似先天性髋关节发育不良的患者没有明显的髋臼窝区域，此时在依赖髋臼窝的附近采集特征点配准，就很难实现精准配准，会导致配准失败，手术无法进行的问题。

实用新型内容

本实用新型是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于超声骨骼成像的导航配准设备。

本实用新型提供了一种基于超声骨骼成像的导航配准设备，包括：患者标记物，包括患者盆骨/股骨参考阵列，固定于患者的盆骨或股骨上；超声扫描系统，包括超声扫描主机、超声探头以及超声探头跟踪阵列，用于在患者的特定皮肤表面做超声扫描；骨科手术导航系统，包括手术执行装置推车主体、手术机械臂以及手术执行器参考阵列，用于进行定位，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一；光学跟踪系统，包括光学跟踪相机和光学跟踪相机支撑结构，用于跟踪手术执行器参考阵列、超声探头跟踪阵列以及患者盆骨/股骨参考阵列。

在本实用新型提供的基于超声骨骼成像的导航配准设备中，还可以具有这样的特征：其中，患者盆骨/股骨参考阵列通过骨针刚性固定在患者骨头上。

在本实用新型提供的基于超声骨骼成像的导航配准设备中，还可以具有这样的特征：其中，超声探头跟踪阵列固定在超声探头的预定位置。

在本实用新型提供的基于超声骨骼成像的导航配准设备中，还可以具有这样的特征：其中，手术执行装置推车主体内部包含控制执行器、图像处理单元以及手术配准单元，手术机械臂通过控制器控制机械臂完成特定运动和定位实现手术操作，手术执行器的参考阵列用于实现患者术前规划、患者病灶以及手术执行器坐标位置的统一。

在本实用新型提供的基于超声骨骼成像的导航配准设备中，还可以具有这样的特征：其中，光学跟踪系统支撑结构用于支持光学跟踪相机主体，并集成有光学跟踪相机的位置和角度调节结构。

实用新型的作用与效果

根据本实用新型所涉及的基于超声骨骼成像的导航配准设备，因为包括：患者标记物，包括患者盆骨/股骨参考阵列，固定于患者的盆骨或股骨上；超声扫描系统，包括超声扫描主机、超声探头以及超声探头跟踪阵列，用于在患者的特定皮肤表面做超声扫描；骨科手术导航系统，包括手术执行装置推车主体、手术机械臂以及手术执行器参考阵列，用于进行定位，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一；光学跟踪系统，包括光学跟踪相机和光学跟踪相机支撑结构，用于跟踪手术执行器参考阵列、超声探头跟踪阵列以及患者盆骨/股骨参考阵列。

因此，本实用新型的基于超声的骨配准设备，可以有效解决传统点云配准设备的弊端，且超声扫描获取图像，具有无创和简单操作的效果。具体优点如下：

1.无创性。利用超声做骨配准，配准过程中无需患者关节显露，只需要利用超声在皮肤表面做扫描即可完成注册配准。避免传统的点云的暴露和感染风险；

2.配准精度高。因为不依赖与患者显露区域做配准，医生可以在患者完整盆骨区域上扫描，从而建立大范围的配准数据集，实现全局范围的高精度配准，避免陷入传统的髋臼窝局部最优的问题中，提升配准精度；

3.解决复杂病例问题。点云配准依赖患者髋臼窝的状态，髋臼窝状态不好的患者无法配准，但是超声配准并不依赖髋臼窝局部特征，而是可以根据患者完整盆骨/股骨特征来实现全局配准，所有可以有效解决复杂病例的配准问题。

4.操作简单。由于股骨距离皮肤较浅，且股骨表面特征明显，超声探头可以很容易扫描出骨性表面并做出精度轮廓识别，相对于传统的点云注册反复选点的过程，操作门槛相对较低，操作复杂度可控。

附图说明

图1为本实用新型实例中基于超声骨骼成像的导航配准设备示意图；

图2为本实用新型实例中基于超声骨骼成像的导航配准设备使用流程图；

图3为本实用新型实例中声探头识别出盆骨的髂嵴标记的边缘曲线图；

具体实施方式

为了使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本实用新型基于超声骨骼成像的导航配准设备作具体阐述。

本实施例提供了一种基于超声骨骼成像的导航配准设备。

图1为本实用新型实例中基于超声骨骼成像的导航配准设备示意图。

如图1所示，该超声骨骼成像的导航配准设备1000包括光学跟踪系统100、超声扫描系统200、骨科手术导航系统300以及患者标记物400。

患者标记物400包括患者盆骨或者股骨401和患者盆骨/股骨参考阵列402。患者盆骨/股骨参考阵列402通过骨针刚性固定于患者的盆骨或股骨上，在患者术中注册时或手术过程中，当患者骨头出现位移后，可以实时配光学跟踪系统100捕捉到，然后进行位置补偿，可以有效避免患者术中移动导致的注册配准和手术执行误差偏大的情况出现。

超声扫描系统200包括超声扫描主机201、超声探头202以及超声探头跟踪阵列203。用于在患者的特定皮肤表面做超声扫描，得到超声图像。201超声扫描主机，超声扫描主机201将超声探头202采集到的数据重建为超声图像，并智能识别骨性表面并标记出来。超声探头202通过皮肤表面扫描，采集患者骨性表面，实现表面特征信号的采集。超声探头跟踪阵列203固定在超声探头202的固定位置，经过标定后可以与超声影像坐标系建立关系，可以将超声影像的中像素坐标，转换到光学阵列坐标系中，最终转换到光学相机坐标系中。

骨科手术导航系统300包括手术执行装置推车主体301、手术机械臂302以及手术执行器参考阵列303，用于进行定位导航，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一。手术执行装置推车主体301内部包含控制执行器、图像处理单元、手术配准单元，实现精准定位和导航功能。手术机械臂302是手术执行器执行主体，通过控制器控制机械臂完成特定运动和定位实现精准手术操作。手术执行器参考阵列303将手术执行器的基坐标与光学导航系统坐标系建立联系，实现在光学导航系统坐标系下，完成患者术前规划，患者病灶以及手术执行器坐标位置的统一。

光学跟踪系统100包括光学跟踪相机101和光学跟踪相机支撑结构102，用于跟踪手术执行器参考阵列303、超声探头跟踪阵列203以及患者盆骨/股骨参考阵列402，完成特定区域的骨性表面的特征的采集。光学跟踪相机支撑结构102用于支持光学相机主体，并集成有光学相机的位置和角度调节结构。光学跟踪相机101通过一根轴连接与光学跟踪相机支撑结构102连接，该轴与光学跟踪相机101和光学跟踪相机支撑结构102的连接处均可转动，从而使得光学跟踪相机101的位置和角度可调。

图2为本实用新型实例中基于超声骨骼成像的导航配准设备使用流程图。

如图2所示，本实例中基于超声骨骼成像的导航配准设备使用流程为：

步骤S1，在患者盆骨或股骨上固定参考阵列402。

步骤S2，按照前期标定好的位置在超声探头202上安装超声探头跟踪阵列203。

步骤S3，基于精度校验工装，验证步骤S2中得到的超声探头阵列的安装精度是否满足精度要求。

步骤S4，安装精度验证通过后，在患者特定皮肤表面做超声扫描，得到超声图像。

步骤S5，当超声图像上出现清晰的骨性界面时，触发光学相机同时采集探头跟踪阵列和参考阵列的位置，完成一个区域的骨性表面的特征的采集，然后重复此过程完成下一个区域的表面采集过程，直到完成所有区域的采集，结束配准过程。

从超声采集的图像中，能够清晰的看到股骨和盆骨的表面边界图像。通过手动或者系统自动的边界识别，可以获取骨性表面边界的拟合曲线，将拟合曲线中点做离散化处理后转为像素坐标，通过超声探头的标定矩阵，将离散化的曲线点转换到超声探头的跟踪阵列坐标系中。本实施例中，通过图像特征提取的方法，自动识别获得病灶的边界。

图3为本实用新型实例中声探头识别出盆骨的髂嵴标记的边缘曲线图。

如图3所示，是以盆骨为例，超声探头识别出盆骨的髂嵴标记的边缘曲线，通过曲线拟合绘制出边缘轮廓曲线，然后再曲线上均匀采集离散配准点，再让配准点转换到光学跟踪相机坐标系下。

在盆骨配准可以采集盆骨两侧髂嵴边缘作为注册配准的关键特征位置，此区域的骨性特征明显，边缘显示效果好，同时特征区域较大，可采集的特征点多，具有很好的全局配准效果，可以达到相对高的配准精度。股骨侧的配准，可以沿着股骨轴线的连续采集，其中由于股骨干的圆柱特征，对配准方向区分度不高，可以适当将采集区域集中在股骨大转子和小转子区域，此部分特征显著，具有较好的配准效果。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的基于超声骨骼成像的导航配准设备，因为包括：患者标记物，包括患者盆骨/股骨参考阵列，固定于患者的盆骨或股骨上；超声扫描系统，包括超声扫描主机、超声探头以及超声探头跟踪阵列，用于在患者的特定皮肤表面做超声扫描；骨科手术导航系统，包括手术执行装置推车主体、手术机械臂以及手术执行器参考阵列，用于进行定位，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一；光学跟踪系统，包括光学跟踪相机和光学跟踪相机支撑结构，用于跟踪手术执行器参考阵列、超声探头跟踪阵列以及患者盆骨/股骨参考阵列。

因此，本实施例的基于超声的骨配准设备，可以有效解决传统点云配准设备的弊端，且超声扫描获取图像，具有无创和简单操作的效果。具体优点如下：

1.无创性。利用超声做骨配准，配准过程中无需患者关节显露，只需要利用超声在皮肤表面做扫描即可完成注册配准。避免传统的点云的暴露和感染风险；

2.配准精度高。因为不依赖与患者显露区域做配准，医生可以在患者完整盆骨区域上扫描，从而建立大范围的配准数据集，实现全局范围的高精度配准，避免陷入传统的髋臼窝局部最优的问题中，提升配准精度；

3.解决复杂病例问题。点云配准依赖患者髋臼窝的状态，髋臼窝状态不好的患者无法配准，但是超声配准并不依赖髋臼窝局部特征，而是可以根据患者完整盆骨/股骨特征来实现全局配准，所有可以有效解决复杂病例的配准问题。

4.操作简单。由于股骨距离皮肤较浅，且股骨表面特征明显，超声探头可以很容易扫描出骨性表面并做出精度轮廓识别，相对于传统的点云注册反复选点的过程，操作门槛相对较低，操作复杂度可控。

上述实施方式为本实用新型的优选案例，并不用来限制本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于超声骨骼成像的导航配准设备，其特征在于，包括：

患者标记物，包括患者盆骨/股骨参考阵列，固定于患者的盆骨或股骨上；

超声扫描系统，包括超声扫描主机、超声探头以及超声探头跟踪阵列，用于在所述患者的特定皮肤表面做超声扫描；

骨科手术导航系统，包括手术执行装置推车主体、手术机械臂以及手术执行器参考阵列，用于进行定位，实现患者病灶和手术执行器坐标位置的统一；

光学跟踪系统，包括光学跟踪相机和光学跟踪相机支撑结构，用于跟踪所述手术执行器参考阵列、所述超声探头跟踪阵列以及患者盆骨/股骨参考阵列。

2.根据权利要求1所述的基于超声骨骼成像的导航配准设备，其特征在于：

其中，所述患者盆骨/股骨参考阵列通过骨针刚性固定在患者骨头上。

3.根据权利要求1所述的基于超声骨骼成像的导航配准设备，其特征在于：

其中，所述超声探头跟踪阵列固定在所述超声探头的预定位置。

4.根据权利要求1所述的基于超声骨骼成像的导航配准设备，其特征在于：

其中，所述手术执行装置推车主体内部包含控制执行器、图像处理单元以及手术配准单元，

所述手术机械臂通过控制器控制机械臂完成特定运动和定位实现手术操作，

所述手术执行器的参考阵列用于实现患者术前规划、患者病灶以及手术执行器坐标位置的统一。

5.根据权利要求1所述的基于超声骨骼成像的导航配准设备，其特征在于：

其中，所述光学跟踪系统支撑结构用于支持所述光学跟踪相机主体，并集成有所述光学跟踪相机的位置和角度调节结构。

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