CN219782722U - 手术导航装置和手术跟踪导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种手术导航装置和手术跟踪导航系统。其中，手术导航装置包括：机械臂和执行轴；执行轴的一端安装在机械臂的末端上，机械臂用于带动执行轴运动；执行轴的另一端用于安装待植入的目标件，执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物。使得跟踪器可以在多个视角下识别到标记物，从而获取标记物的位置；进而根据标记物和目标件的相对位置关系，确定目标件的位置。可见，依据本实用新型提供的手术导航装置，可以实现在多个视角下对标记物的跟踪，从而实现对目标件的跟踪和导航，以适用大多数骨科手术应用场景。

Description

手术导航装置和手术跟踪导航系统

技术领域

本实用新型涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种手术导航装置和手术跟踪导航系统。

背景技术

手术导航系统越来越多地应用在医学手术中，其可以将患者的影像数据与患者生理解剖结构准确关联，辅助医生进行手术策略规划，并辅助引导手术操作者操作手术器械。

图1为现有技术中的手术导航系统的结构示意图，请参考图1所示，现有的手术导航系统，通常在打入杆11上通过固定装置固定一个定位辅助器10，一般定位辅助器10包括至少三个标记球101，且三个标记球101按照一定的空间几何关系布局，这样通过导航系统识别到三个标记球101的位置后，根据其几何关系确定定位辅助器10的位姿变化，从而实现对该定位辅助器10的识别和跟踪。

采用现有的定位辅助器实现识别和跟踪时，若打入杆发生转动或者跟踪器的位置发生变化时，则跟踪器无法继续跟踪到定位辅助器的位置，导致跟踪中断，因此现有技术中的定位辅助器的可跟踪视角有限，导致在某些应用场景中适用性较差。另外，现有的定位辅助器由于结构复杂，导致定位辅助器的整体体积较大，使得在手术过程中影响医生的操作。

实用新型内容

本实用新型提供一种手术导航装置，用以解决现有技术中定位辅助器可跟踪视角有限的技术问题，依据本实用新型提供的手术导航装置，实现在大视角范围内可以对标记物进行跟踪。

一方面，本实用新型提供一种手术导航装置，包括：机械臂和执行轴；

所述执行轴的一端安装在所述机械臂的末端上，所述机械臂用于带动所述执行轴运动；

所述执行轴的另一端用于安装待植入的目标件，所述执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物。

根据本实用新型提供的一种手术导航装置，所述多个标记物的数量为至少三个，至少三个所述标记物在所述执行轴的表面上沿着周向间隔设置，且至少三个所述标记物位于同一横截面的圆周方向上。

根据本实用新型提供的一种手术导航装置，还包括限位安装件；

所述执行轴的一端通过所述限位安装件安装在所述机械臂的末端上。

根据本实用新型提供的一种手术导航装置，所述执行轴为圆柱形轴；

所述限位安装件为一圆筒，所述执行轴的一端套装在所述圆筒内，且所述执行轴的直径与所述圆筒的内直径相同。

根据本实用新型提供的一种手术导航装置，所述限位安装件为一圆筒；

所述执行轴的一端上套装有一个连接球，所述执行轴一端上的连接球套装在所述圆筒内，且所述连接球的直径与所述圆筒的内直径相同。

根据本实用新型提供的一种手术导航装置，所述标记物为发光管。

根据本实用新型提供的一种手术导航装置，所述机械臂包括控制器；

所述手术跟踪导航装置还包括处理器，所述处理器与所述机械臂的控制器通信连接。

另一方面，本实用新型还提供一种手术跟踪导航系统，包括：

导航装置，所述导航装置包括机械臂和执行轴；所述执行轴的一端安装在所述机械臂的末端上，所述机械臂用于带动所述执行轴运动；所述执行轴的另一端用于安装待植入的目标件，所述执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物；

跟踪器，用于识别所述标记物，以采集所述标记物的位置；

所述跟踪器与导航装置通信连接。

根据本实用新型提供的一种手术跟踪导航系统，还包括电子扫描器，用于对待手术目标进行扫描，获取所述待手术目标上所述待植入位置处的扫描图像；

所述电子扫描器也与所述导航装置通信连接。

根据本实用新型提供的一种手术跟踪导航系统，还包括显示器；

所述显示器也与所述导航装置通信连接。

本实用新型提供的手术导航装置，其包括：机械臂和执行轴；执行轴的一端安装在机械臂的末端上，机械臂用于带动执行轴运动；执行轴的另一端用于安装待植入的目标件，执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物。使得跟踪器可以在多个视角下识别到标记物，从而获取标记物的位置；进而根据标记物和目标件的相对位置关系，确定目标件的位置。可见，依据本实用新型提供的手术导航装置，可以实现在多个视角下对标记物的跟踪，从而实现对目标件的跟踪和导航，以适用大多数骨科手术应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中的手术导航系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种手术导航装置结构示意图之一；

图3为本实用新型实施例提供的标记物在执行轴上设置示意图；

图4为本实用新型实施例提供的执行轴上标记物处的横截面示意图；

图5为本实用新型实施例提供的手术导航装置结构示意图之二；

图6为本实用新型实施例提供的手术导航装置结构示意图之三；

图7为本实用新型实施例提供的手术导航装置结构示意图之四；

图8为本实用新型提供的手术跟踪导航系统结构示意图之一；

图9为本实用新型提供的手术跟踪导航系统结构示意图之二。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本申请的实施例中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。在本申请的文字描述中，字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本实用新型提供一种手术导航装置，其目的在于解决现有技术中对定位辅助器的可跟踪视角有限的技术问题，本实用新型在执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物，这样在工作过程中，即使执行轴发生转动，或者跟踪器的位置发生移动，也可以在另一个视角下识别到对应的标记物，从而根据该标记物的位置确定目标件的位置，以实现对目标件的导航和跟踪。

同时为了克服现有的定位辅助器结构复杂，导致整体体积较大的技术问题。本实用新型摒弃了现有的定位辅助器的复杂结构，提供了一种可识别的光学标记物，光学标记物可以为有源标记物或者无源标记物，例如有源标记物可以为红外发光二极管或者射频器件，或者无源标记物可以为无源反射球。采用本实用新型提供的手术导航装置，标记物结构较小，使得导航装置整体结构较为简单和紧凑，在手术过程中不会影响医生的手术操作。

下面结合图2-图7描述本实用新型的手术导航装置。

图2为本实用新型实施例提供的一种手术导航装置结构示意图之一，请参考图2所示，该手术导航装置包括：机械臂30和执行轴20，机械臂30用于带动执行轴20运动；执行轴20的一端安装在机械臂30的末端上，执行轴20的另一端用于安装待植入的目标件40，执行轴20上沿着周向间隔设有多个标记物201。使得跟踪器可以在多个视角下识别到任意一个标记物201，从而获取标记物201的位置；进而根据标记物201和目标件40的相对位置关系，确定目标件40的位置。可见，依据本实用新型提供的手术导航装置，可以实现在多个视角下对标记物201的跟踪，从而实现对目标件40的跟踪和导航，以适用大多数骨科手术应用场景。

在一种或者多种实施例中，本实施例的标记物201可以采用发光电子标记物，例如标记物201可以采用发光二极管，这样可以被跟踪器精准识别以确定标记物201的位置信息。

在一种或者多种实施例中，手术导航装置还包括处理器，处理器用于接收各个传感器或者其他设备的信号以实现对手术导航装置工作过程的控制。

在一种或者多种实施例中，机械臂包括控制器和供电模块，供电模块用于给机械臂提供电能，控制器用于接收控制处理器的控制器实现对机械臂运动的控制，即控制机械臂带动目标件40运动到目标位置(具体可以为待植入位置)。

工作时，采用跟踪器可以在多个视角下识别到标记物201，从而获取标记物201的位置。然后处理器根据标记物201和目标件40的相对位置关系，以及标记物201的位置，确定目标件40的位置；根据目标件40的位置和目标件40的待植入位置，计算执行轴20的移动量，然后生成控制指令，并将该控制指令发送给控制器，控制器根据控制指令控制机械臂30带动执行轴20运动，以通过执行轴20带动目标件40运动至待植入位置50。

可以看出，依据本实用新型提供的手术导航装置，可以实现在多个视角下对标记物201的识别和跟踪，从而实现对目标件40的跟踪和导航，以适用大多数骨科手术场景。

示例的，多个标记物201的数量一般为至少三个，且优选的，至少三个标记物201在执行轴20的周向等间距设置，即每相邻两个标记物201在周向上相对于轴心的圆心角间距相同。

图3为本实用新型实施例提供的标记物在执行轴上设置示意图，图4为本实用新型实施例提供的执行轴上标记物处的横截面示意图；请参考图3和图4所示，多个标记物的数量为三个，三个标记物201在执行轴20的表面上沿着周向等间隔设置，即相邻两个标记物201相对于轴心间隔的圆心角为120°，基于本实施例中标记物201的设置方式，则跟踪器在任意视角都会识别到一个标记物201，则根据识别到的标记物201的位置，即可获取目标件40的位置，从而实现对目标件40的跟踪和导航。

示例的，请参考图4所示，三个标记物201设置在执行轴同一横截面的圆周方向上。这样，任意一个标记物201相对于目标件40的距离相同，这样跟踪器识别到任意一个标记物201时，即可获取目标件40的位置。

示例的，至少三个标记物201在执行轴沿着圆周方向间隔设置，每个标记物201相对于目标件40的距离可以不同，即至少三个标记物201无需设置在执行轴同一横截面上，但是对每个标记物201设置唯一的标识，例如每个标记物的形状设置不同，这样使得跟踪器识别的任意一个标记物201时，即可识别到该标记物的标识，从而获取该标记物201和目标件40的对应位置，处理器即可根据当前标记物201的位置，以及标记物201和目标件40的对应关系确定目标件40的位置，从而实现对目标件40的跟踪和导航。

示例的，在执行轴20上设置标记物201(即发光二极管)时，发光二极管可以通过粘贴物质贴合在执行轴20的表面，或者可以预先在执行轴20上沿着周向设置对应数量的安装槽，将发光二极管设置在安装槽中。本实施例提供的手术导航装置，摒弃了现有的定位辅助器的结构，提供了执行轴20和标记物201的配合结构，使得手术导航装置整体结构较为简单和紧凑，在手术过程中不会影响医生的手术操作。

在一种实施例中，为了防止发光二极管在使用过程中损坏，还可以在发光二极管表面设置一层透明保护壳。例如，可以将发光二极管设置在安装槽中，然后在安装槽的表面设置一层透明保护薄膜，以起到保护发光二极管的作用，同时不影响跟踪器对发光二极管的识别。

在一种实施例中，该手术导航装置还包括底座301，机械臂30装在底座301上。

图5为本实用新型实施例提供手术导航装置结构示意图之二，在一种或者多种实施例中，请参考图5所示，手术导航装置还包括限位安装件302；执行轴20的一端通过限位安装件302安装在机械臂30的末端上。

示例的，图6为本实用新型实施例提供的手术导航装置结构示意图之三，如图6所示，本实施例的执行轴20可以为圆柱形轴；限位安装件为一圆筒，执行轴20的一端套装在圆筒内，且执行轴20的直径与圆筒的内直径相同，使得执行轴20的轴心和圆筒的轴心在同一直线上。工作时，首先在没有外力的作用下，执行轴20和限位安装件302通过接触的摩擦力作用，使得在机械臂30带动执行轴20运动过程中，两者不会发生相对移动。当机械臂30带动目标件40移动到待植入位置50后，工作人员通过敲击执行轴20的一端，如图6，具体为敲击执行轴20的后端，使得执行轴20沿着当前所在轴线，并在限位安装件302的限位作用下，沿着当前所在轴线向前运动，直到植入待植入位置50。

本实施例提供的限位安装件302和执行轴20的结构以及两者的配合关系，可以使得在敲击执行轴20使得目标件40植入待植入位置50时，目标件40对执行轴20的反弹作用力可以沿着执行轴的轴心所在直线卸掉，不会将反弹的作用力作用在机械臂30上，避免了对机械臂30造成损坏。

示例的，图7为本实用新型实施例提供的手术导航装置结构示意图之四，如图7所示，本实施例的执行轴20可以为圆柱形轴；执行轴20的一端上套装有一个连接球202，也可以理解为，执行轴20和连接球202采用一体成型结构；执行轴20一端上的连接球202套装在圆筒内，且连接球202的直径与圆筒的内直径相同，使得执行轴20的轴心和圆筒的轴心在同一直线上。即实现了连接球202和圆筒的内壁之间通过线面接触，同时圆筒对连接球202起到一定的限位作用。工作时，首先在没有外力的作用下，连接球202和限位安装件302通过接触的摩擦力作用，使得在机械臂30带动执行轴20运动过程中，两者不会发生相对移动。当机械臂30带动目标件40移动到待植入位置50后，工作人员通过敲击执行轴20的一端，如图7，具体为敲击执行轴20的后端，使得执行轴20沿着当前所在轴线，并在限位安装件302的限位作用下，沿着当前所在轴线向前运动，直到植入待植入位置50。

本实施例提供的限位安装件302和执行轴20的结构以及两者的配合关系，可以使得在敲击执行轴20使得目标件40植入待植入位置50时，目标件40对执行轴20的反弹作用力可以通过连接球202卸掉，不会将反弹的作用力作用在机械臂30上，避免了对机械臂30造成损坏。

图8为本实用新型提供的手术跟踪导航系统结构示意图之一，如图8所示，该手术跟踪导航系统包括：导航装置和跟踪器60。

其中，导航装置包括机械臂和执行轴；执行轴的一端安装在机械臂的末端上，机械臂用于带动所述执行轴运动；执行轴的另一端用于安装待植入的目标件，执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物。

具体的，导航装置可以参照上述任意一个实施例提供的手术导航装置结构，此处不再赘述。

其中，跟踪器60用于识别标记物，以采集标记物的位置。

本实施例在执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物，这样在工作过程中，即使执行轴发生转动，或者跟踪器60的位置发生移动，跟踪器60也可以在另一个视角下识别到对应的标记物，并将采集的标记物位置发送给导航装置，导航装置根据该标记物的位置确定目标件的位置，以实现对目标件的导航和跟踪。

图9为本实用新型提供的手术跟踪导航系统结构示意图之二，如图9所示，在一种或者多种实施例中，手术跟踪导航系统还包括电子扫描器70，电子扫描器70用于对待手术目标进行扫描，获取待手术目标上待植入位置处的扫描图像；电子扫描器70也与导航装置通信连接，并将采集的待植入位置处的扫描图像发送给导航装置。

具体的，导航装置至少包括一个处理器，处理器根据该标记物的位置确定目标件的位置，同时处理器还用于对扫描图像进行处理，得到目标件的待植入位置。

示例的，导航装置通过有线通信或者无线通信的方式分别与跟踪器60和电子扫描器70通信连接。在工作之前，首先对跟踪器60、电子扫描器70、机械臂30所在的坐标系统一到世界坐标系下，这样通过对电子扫描器70获取的扫描图像进行特征分析即可获取目标件的待植入位置。这样获取的待植入位置、标记物201的位置和目标件40的都位置都在同一个坐标系下，方便处理器直接控制机械臂30运动，以带动目标件40运动到待植入位置。

请参考图2和图5所示，电子扫描器70可以采用CT(Computed Tomography，即电子计算机断层扫描)扫描器，采用CT扫描器对待手术目标501进行扫描，可以获取待植入位置处的CT图像，处理器通过对待植入位置处的CT图像进行特征提取和特征分析，即可获取待植入位置处的中心点O的在世界坐标系下的三维坐标。

需要说明的是，本实施例的手术跟踪导航系统通常用于骨科手术中，例如可以用于骨关节置换或者假体植入手术中，以起到自动化完成手术的目的，或者起到对医生的手术过程进行辅助的作用。

本实施例以臼杯手术为例，对本实施例的手术跟踪导航系统进行说明。

在工作过程中，采用跟踪器60，用于识别标记物201，以采集标记物201的位置A；

电子扫描器70，用于对待手术目标501进行扫描，获取待手术目标上臼杯假体待植入位置处的扫描图像；

处理器90，还用于对扫描图像进行处理，得到臼杯假体的待植入位置50的参考中心点O。然后，处理器根据标记物201和臼杯假体的相对位置关系，以及标记物201的位置，确定臼杯假体当前的位置；最后，根据臼杯假体的待植入位置50的参考中心点O和标记物201的位置A，控制机械臂30带动执行轴20运动，以通过执行轴20带动臼杯假体运动至待植入位置的参考中心点O处。

需要说明的是，在获取标记物201的位置A之后，控制臼杯假体运动的终点位置根据医生的不同需求进行设定。

在一种实施例中，在采用手术机器人进行臼杯假体植入手术时，处理器90可以根据臼杯假体的待植入位置的参考中心点O和标记物201的位置A，控制臼杯假体植入到臼杯的待植入位置中。

在另一种实施例中，需要医生手动通过敲击臼杯假体以完成臼杯假体植入手术时，可以通过设定使得处理器90可以根据臼杯假体的待植入位置的参考中心点O和标记物201的位置A，控制臼杯假体运动到参考中心点O的附件位置，例如臼杯假体的轴线与待植入位置的轴线在同一轴线上，然后通过医生的手动敲击使得臼杯假体植入待植入位置。

在一种或者多种实施例中，请参考图9所示，该手术跟踪导航系统还包括显示器80，显示器80也与导航装置通信连接，显示器80用于显示需要显示的信息，以对医生手术起到辅助指导的作用。

在一种或者多种实施例中，请参考图5所示，处理器90在获取臼杯假体的待植入位置的参考中心点O和标记物201的位置A之后，可以根据参考中心点O和标记物201的位置A模拟出臼杯假体的植入示意图，然后控制显示器80显示该植入示意图，以对医生手术起到辅助的作用。

在一种实施例中，跟踪器60，还用于识别机械臂30的末端位置；处理器90，还用于根据标记物201的位置或者机械臂30的末端位置，确定执行轴20与机械臂30的末端之间的配合点的位置G；根据目标件的待植入位置O和配合点的位置G，确定目标件40(即臼杯假体)植入时对应的植入轴线方向502；根据植入轴线方向502确定目标件安装到待植入位置O时臼杯假体对应的前倾角和/或外展角。

在一种实施例中，跟踪器60包括视频采集单元，通过跟踪器60的视频采集单元采集机械臂30的末端位置的图像，通过对采集的末端位置的图像进行分析，得到机械臂30的末端位置，然后根据机械臂30的末端位置与配合点的位置G的位置关系，得到执行轴20与机械臂30的末端之间的配合点的位置G。

在一种实施例中，在跟踪器60获取到标记物201的位置后，根据标记物201和配合点的位置G的相对位置关系，得到配合点的位置G的位置。

显示器80，还用于显示臼杯假体安装到待植入位置处时臼杯假体对应的前倾角和/或外展角，以起到对医生的手术进行辅助参考的作用。

需要说明的是，上述实施例所述的通信连接可以为有线通信连接或者无线通信连接，例如两者通过线缆实现有线通信连接，或者通过无线通信模块实现无线通信连接。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种手术导航装置，其特征在于，包括：机械臂和执行轴；

所述执行轴的一端安装在所述机械臂的末端上，所述机械臂用于带动所述执行轴运动；

所述执行轴的另一端用于安装待植入的目标件，所述执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物。

2.根据权利要求1所述的手术导航装置，其特征在于，所述多个标记物的数量为至少三个，至少三个所述标记物在所述执行轴的表面上沿着周向间隔设置，且至少三个所述标记物位于同一横截面的圆周方向上。

3.根据权利要求1或2所述的手术导航装置，其特征在于，还包括限位安装件；

所述执行轴的一端通过所述限位安装件安装在所述机械臂的末端上。

4.根据权利要求3所述的手术导航装置，其特征在于，所述执行轴为圆柱形轴；

所述限位安装件为一圆筒，所述执行轴的一端套装在所述圆筒内，且所述执行轴的直径与所述圆筒的内直径相同。

5.根据权利要求3所述的手术导航装置，其特征在于，所述限位安装件为一圆筒；

所述执行轴的一端上套装有一个连接球，所述执行轴一端上的连接球套装在所述圆筒内，且所述连接球的直径与所述圆筒的内直径相同。

6.根据权利要求1所述的手术导航装置，其特征在于，所述标记物为发光管。

7.根据权利要求1所述的手术导航装置，其特征在于，所述机械臂包括控制器；

所述手术跟踪导航装置还包括处理器，所述处理器与所述机械臂的控制器通信连接。

8.一种手术跟踪导航系统，其特征在于，包括：

导航装置，所述导航装置包括机械臂和执行轴；所述执行轴的一端安装在所述机械臂的末端上，所述机械臂用于带动所述执行轴运动；所述执行轴的另一端用于安装待植入的目标件，所述执行轴上沿着周向间隔设有多个标记物；

跟踪器，用于识别所述标记物，以采集所述标记物的位置；

所述跟踪器与导航装置通信连接。

9.根据权利要求8所述的手术跟踪导航系统，其特征在于，还包括电子扫描器，用于对待手术目标进行扫描，获取所述待手术目标上待植入位置处的扫描图像；

所述电子扫描器也与所述导航装置通信连接。

10.根据权利要求8所述的手术跟踪导航系统，其特征在于，还包括显示器；

所述显示器也与所述导航装置通信连接。