手術定位標尺的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種手術定位標尺，包括透X光的兩相對面，兩相對面通過透X光的連接面固定連接，兩相對面的距離為5cm—15cm，兩相對面上均設置有一組標記，每組標記包括基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置的至少四個不在一條直線上的標記點，標記點為不透X光的部件；任一相對面或連接面固定連接標尺柄，標尺柄上設置有用于與骨科機器人的機械臂連接的接口。該手術定位標尺僅通過設置的一組相對面的標記點實現任意角度的透視定位，并能消除計算手術路徑時引起的系統誤差，提高定位標尺精度。
【專利說明】手術定位標尺

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種醫療器械，特別是一種用于骨科導航手術路徑空間定位計算的手術定位標尺。

【背景技術】
[0002]在各種骨科導航手術中，空間定位算法是其核心的技術之一，定位標尺是機器人手術系統中用于手術路徑空間定位計算的參考基準，是影響手術定位精準性的關鍵部件。定位標尺一般安裝在X光光源和X光成像裝置之間，由X光光源透過定位標尺成像，然后定位標尺上特定分布的標記點就呈現在圖像上，根據X光形成的圖像中特定標記點的分布就可以進行空間定位計算，最終確定手術路徑。
[0003]傳統的定位標尺是基于雙平面定位算法的原理，在雙平面定位時的每個平面的前后坐標系中設置三個標記點，基于比例變換原理計算目標點坐標，這種定位標尺使用時需要保證X光光軸與標記點所在平面垂直，否則采集的圖像傳輸至上位機進行計算處理時會為計算結果引入系統誤差。由于在照相時并不能保證X光光軸與標記點所在平面垂直，使得計算出的手術路徑存在一定偏差。而且，在實際手術操作時，要求將手術部位的患肢及其正位的前、后坐標系標記點同時包括在一個X光圖像里，將手術部位的患肢及其側位的前、后坐標系標記點同時包括在另一個X光圖像里，由于X光成像裝置(C型臂)的視野很小，在實踐中往往需要多次反復調整定位標尺的位置以及X光成像裝置的位置，多次照相才能滿足要求，這樣做不但增加了 X光暴露的時間，而且延長了手術時間。
[0004]為解決傳統的定位標尺存在的缺陷，對其進行了改進，設置至少兩排并排排列的正位透X光標尺和至少兩排并排排列的側位透X光標尺構成標尺框架，正位透X光標尺和側位透X光標尺上均設置有標記點，在進行骨科導航手術時，對正位和側位的X光圖像進行三維坐標計算，其計算結果誤差與X光光軸跟標記點所在平面的角度無關，減小了系統誤差。然而此類定位標尺只能在既定的位置通過兩個方位(通常是正位和側位)進行透視，至少兩排正位透X光標尺和至少兩排側位透X光標尺的特定標尺構型限制了手術中C型臂透視角度，故該定位標尺的使用范圍受到極大的限制。另外，使用該定位標尺進行正位和側位透視時要求定位標尺不能移動，造成由于定位標尺在其中一個透視方向位置不合理需要調整位置時必須重新進行另一個方向的透視，增加了 X光輻射損傷，延長了手術時間。
實用新型內容
[0005]本實用新型針對現有技術中存在的缺陷或不足，提供一種新型的手術定位標尺，僅通過設置的一組相對面的標記點就可實現任意角度的透視定位，并能消除計算手術路徑時引起的系統誤差，提聞定位標尺精度。
[0006]本實用新型的技術方案如下:
[0007]—種手術定位標尺，用于X光光源與X光成像裝置之間的手術路徑的空間定位計算，其特征在于，包括透X光的兩相對面，兩相對面通過透X光的連接面固定連接，所述兩相對面的距離為5cm — 15cm，所述兩相對面上均設置有一組標記，每組標記包括基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置的至少四個不在一條直線上的標記點，所述標記點為不透X光的部件；所述任一相對面或連接面固定連接標尺柄，所述標尺柄上設置有用于與骨科機器人的機械臂連接的接口。
[0008]所述兩相對面為兩相互平行的平面，所述連接面為分別與兩相互平行的平面的兩側連接的兩外凸弧面。
[0009]所述連接面為分別與兩相對面的兩側連接的兩外凸弧面，所述兩相對面和連接面形成圓筒形，所述圓筒形的直徑為6cm—12cm。
[0010]所述每組標記均包括等間距、呈正四邊形對稱分布的八個標記點及一個不規則分布的標記點。
[0011]每組標記中的標記點均為不透X光的球形部件；所述兩組標記中的標記點的等間距大小不同。
[0012]等間距大的一組標記中的標記點的半徑大于等間距小的一組標記中的標記點的半徑。
[0013]所述接口包括鎖緊螺母和球頭柱塞，以及在標尺柄的端頭設置的與機械臂接口的錐面配合的錐孔，所述鎖緊螺母通過螺紋連接標尺柄，所述球頭柱塞設置于鎖緊螺母上。
[0014]所述相對的兩外凸弧面上設置有相對應的套筒安裝孔。
[0015]所述不透X光的球形部件為鋼球或銅球。
[0016]本實用新型的技術效果如下:
[0017]本實用新型提供的手術定位標尺，設置透X光的并具有特定距離的兩相對面，兩相對面通過透X光的連接面固定連接，在兩相對面上均設置有一組標記，每組標記包括基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置的至少四個不在一條直線上的標記點，任一相對面或連接面固定連接標尺柄，標尺柄上設置有用于與骨科機器人的機械臂連接的接口。基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置至少四個不在一條直線上的標記點，使得本實用新型的定位標尺的標記點在設計構造上更加合理，標記點在成像視野中分布更有利于定位計算，增加了定位標尺的可靠性，基于特定原理設置的標記點在成像后為上位機的三維坐標計算提供了定位基準。本實用新型的定位標尺僅僅通過在兩相對面均設置一組標記點來實現任意角度下的透視定位，在使用時手術定位標尺通過接口連接至骨科機器人的機械臂來調整手術定位標尺的位置以進行角度的變換，通過建立多個角度透視時定位標尺的位置關系映射，避免了傳統的定位標尺在X光光軸與標記點所在平面不垂直時引入系統誤差的問題，同時也避免了采用至少兩排正位透X光標尺和至少兩排側位透X光標尺構成的特定標尺構型使得應用范圍受到限制的問題，只需設置一組兩相對面的標記點，進行一個角度的透視以后調整手術標尺的位置便可以仍然采用該組相對面的標記點進行下一個角度的透視，且本實用新型定位標尺在角度變換時可以進行位置調整，無需如現有的定位標尺設置正位和側位的標尺架構同時進行正位和側位的透視和計算，即可完成任意角度的透視，克服了標尺構型對術中C型臂透視角度的限制，可以用于多類手術的定位導航，并能夠提高定位標尺的精度。
[0018]設置兩相對面為兩相互平行的平面,連接面為分別與兩相互平行的平面的兩側連接的兩外凸弧面，該結構的定位標尺的結構簡單，并使得成像定位計算更加方便，透X光的外凸弧面設計使得連接面盡量繞過X光光源的路線，最大程度減少對X光的透光阻礙，外凸弧面設計減少了 X光遮擋，增強整個定位標尺的穿透能力，提高成像強度。
[0019]設置連接面為分別與兩相對面的兩側連接的兩外凸弧面，所述兩相對面和連接面形成圓筒形，圓筒形的直徑為6cm — 12cm，該結構的定位標尺的結構簡單、線條流暢，設計方便，并最大程度減少對X光的透光阻礙，增強整個定位標尺的穿透能力。
[0020]設置每組標記均包括等間距、呈正四邊形對稱分布的八個標記點及一個不規則分布的標記點，八個標記點完全對稱分布，有利于定位標記點的識別，使得上位機的定位計算更加簡便快捷，上位機可以快速地計算出目標與定位標尺的三維位置關系，從而確定患肢目標的空間坐標；不規則標記點作為輔助標記點，不規則標記點與八個標記點的相對位置在圖像中保持不變，這樣上位機在對圖像進行計算處理時可根據輔助標記的位置對標記點進行正確的分組，并做順序標記，方便計算處理。
[0021]設置包括鎖緊螺母、球頭柱塞以及錐孔等部件構成的接口，該接口形成一種快拆快裝接口結構，拆裝過程不需要借用任何工具，徒手即可完成，可以實現快速、方便、省力的拆裝，并可以保證安裝的固定可靠。在定位標尺的相對的兩外凸弧面上設置相對應的套筒安裝孔，可以替代導向裝置，直接在定位標尺上裝載套筒，再進行套筒內的導針插入工作。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實用新型手術定位標尺的第一種優選結構示意圖。
[0023]圖2為圖1在另一角度的結構示意圖。
[0024]圖3為本實用新型手術定位標尺的第二種優選結構示意圖。
[0025]圖4為手術定位標尺的標記點成像示意圖。
[0026]圖5為本實用新型手術定位標尺的第三種優選結構示意圖。
[0027]圖6為圖5中的鎖緊螺母的結構示意圖。
[0028]圖7為圖5中的機械臂接口的拆分結構示意圖。
[0029]圖中各標號列示如下:
[0030]I —第一標尺面；11 —第一組標記；12 —標記點；
[0031]2 一第二標尺面；21 —第二組標記；22 —標記點；
[0032]3 —連接面；4 —標尺柄；
[0033]5 一接口 ；51 —鎖緊螺母；52 —球頭柱塞；53 —球頭柱塞安裝孔；54 —半圓形開槽；
[0034]6 —套筒安裝孔；
[0035]7 一機械臂接口 ；71 —絕緣法蘭；72 —連接法蘭；73 —鎖緊螺釘；74 —雙錐轉接件；75—銷軸。

【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖對本實用新型進行說明。
[0037]本實用新型涉及一種手術定位標尺，用于X光光源與X光成像裝置之間的手術路徑的空間定位計算，包括透X光的兩相對面，兩相對面通過透X光的連接面固定連接，兩相對面的距離為5cm — 15cm，在兩相對面上均設置有一組標記，每組標記包括基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置的至少四個不在一條直線上的標記點，各標記點均為不透X光的部件；任一相對面或連接面固定連接標尺柄，在標尺柄上設置有用于與骨科機器人的機械臂連接的接口。
[0038]圖1為本實用新型手術定位標尺的第一種優選結構示意圖，圖2為另一角度的結構示意圖。該實施例的手術定位標尺的兩相對面為兩相互平行的平面，連接面為分別與兩相互平行的平面的兩側連接的兩外凸弧面。即如圖1和圖2所示，該手術定位標尺包括兩個空間上互相平行的透X光的標尺平面:第一標尺面I和第二標尺面2，第一標尺面I和第二標尺面2的兩側通過兩個連接面3固定連接；兩標尺平面上各設置有一組標記:第一標尺面I上設置有第一組標記11，第一組標記11包括至少四個不在一條直線上的標記點，如圖1所示的9個標記點12，這9個標記點的分布為非完全對稱分布，并基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置，具體是包括等間距、呈正四邊形對稱分布的8個標記點及I個不規則分布的標記點；第二標尺面2上設置有第二組標記
21,第二組標記21包括至少四個不在一條直線上的標記點，如圖2所示的9個標記點22,這9個標記點的分布為非完全對稱分布，具體是包括等間距、呈正四邊形對稱分布的8個標記點及I個不規則分布的標記點。兩組標記中的標記點12和22均為不透X光的球形部件，如鋼球或銅球。第一標尺面I和第二標尺面2和兩連接面3圍成筒形，筒形的一端固定連接標尺柄4，標尺柄4上設置有接口 5，連接面3上設置有相對應的套筒安裝孔6。
[0039]圖3為本實用新型手術定位標尺的第二種優選結構示意圖。該實施例中的定位標尺的兩相對面為兩相對弧面:透X光的第一標尺面I和第二標尺面2，第一標尺面I和第二標尺面2的兩側通過兩個連接面3固定連接，連接面3為兩外凸弧面，第一標尺面I和第二標尺面2和兩連接面3形成圓筒形，優選圓筒形的直徑為6cm — 12cm，圓筒形的一端固定連接標尺柄4，標尺柄4上設置有接口 5，連接面3上設置有相對應的套筒安裝孔6。
[0040]本實用新型涉及的手術定位標尺并不限于圖1和圖3所示的結構，兩相對面可以相互平行或者不平行，還可以是除平面和弧面以外的其它兩相對面；連接面用于固定兩相對面，可以為其它形狀的一個面或多個面，連接面設計為弧形能夠最大程度減少對X光的透光阻礙，增強整個手術定位標尺的穿透能力，提高X光成像強度。
[0041]本實用新型的定位標尺的兩相對面分別設置的標記點是基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置的至少4個不在一條直線上的標記點，基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設計的標記點的分布不會過度集中或過度擴散，標記點在成像視野中分布更合理以有利于定位計算，根據標記點的特殊位置分布判別其在X光透視圖像上的坐標，增加了手術定位標尺的可靠性。優選為圖1和圖3所示的不在一條直線上的9個標記點，9個標記點的分布均為非完全對稱分布，且兩組標記的標記點的排布方式不同，也可參見圖4所示的手術定位標尺的標記點成像示意圖。手術定位標尺進行手術定位時，定位標尺在X光成像裝置上的成像圖中的標記點如圖4所示，圓形區域內為成像視野，兩組標記中的標記點12和22均為不透X光的球形部件，第一組標記11中的9個標記點12包括標記點I’?9’，具體包括等間距、呈正四邊形對稱分布的8個標記點I’?8’及I個用于標記位置關系的不規則分布的標記點9’，標記點9’為輔助標記點,標記點I’?8，可呈逆時針方向排布,標記點I’位于正四邊形的右上角，標記點9’位于標記點I’的正上方；第二組標記21中的9個標記點22包括標記點I”?9”，具體包括等間距、呈正四邊形對稱分布的8個標記點I”?8”及I個用于標記位置關系的不規則分布的標記點9”，標記點9”為輔助標記點，標記點I”?8”可呈逆時針方向排布，標記點I”位于正四邊形的左下角，標記點9”位于標記點I”和8”之間。優選兩組標記中的標記點的等間距大小不同，如實施例中的第一組標記11中的標記點I’?8’的等間距大，第二組標記21中的標記點I”?8”的等間距小，且標記點I’?9’的半徑大于標記點I”?9”的半徑，即第一標尺面I上的等間距較大的標記點(1’，2’，……9’)，可稱為大標記點組，第二標尺面2上的等間距較大的標記點(1”，2”，……9”)，可稱為小標記點組。定位計算中需要準確識別出圖像中的各個標記點，并進行正確的分組和順序標記排序，手術定位標尺上的輔助標記點-標記點9’和標記點9”,用于上位機自動識別標記點的位置排序，輔助標記點與其所在分組的其它各個標記點在圖像中的相對位置是既定不變的,上位機可以據此進行標記點的排序。(Γ , 2’，......9’)表示大標記點組的標記點序號，
(1”，2”，……9”)表示小標記點組的標記點符號。采集的圖像數據傳輸至上位機，上位機控制系統基于雙目視覺原理的雙平面定位算法，利用兩相對面和上面的標記點，對任意兩幅不同透視角度下的圖像進行空間坐標計算，計算定位標尺與目標點的位置關系，從而確定手術路徑的空間坐標，該計算結果的誤差與X光光源的光軸與標記點所在平面的角度無關，且不受圖像透視角度的限制。
[0042]圖5為本實用新型手術定位標尺的第三種優選結構示意圖，該實施例的接口 5為一種快拆快裝接口，手術定位標尺的標尺柄4通過該快拆快裝接口與手術機器人的機械臂上設置的機械臂接口 7配合，實現手術定位標尺快速連接到手術機器人的機械臂上或將手術定位標尺從手術機器人的機械臂上快速拆卸。該實施例中的接口 5包括鎖緊螺母51和球頭柱塞52，以及在標尺柄4的端頭設置的與機械臂接口 7的錐面配合的錐孔(圖中未顯示)，鎖緊螺母51通過螺紋連接標尺柄4，球頭柱塞52設置于鎖緊螺母51上。鎖緊螺母51的結構如圖6所示，鎖緊螺母51前端設置有半圓形開槽54，半圓形開槽54用于與機械臂接口 7的銷軸匹配，鎖緊螺母51側面設置有球頭柱塞安裝孔53，球頭柱塞安裝孔53用于安裝球頭柱塞52，帶有球頭柱塞52的鎖緊螺母51裝配到標尺柄4帶有螺紋的一端，調整鎖緊螺母51的方向，待聽到輕輕的啪聲或者感覺到球頭柱塞52的球頭彈出時，將手術定位標尺安裝到機械臂接口 7，此時機械臂接口 7的銷軸的方向正好對準鎖緊螺母51的半圓形開槽54，旋緊鎖緊螺母51，同樣將鎖緊螺母51調整到球頭柱塞52的球頭彈出位置，球頭柱塞52既起到定位的作用，同時也能有效防止鎖緊螺母51脫落。圖7為圖5中的機械臂接口 7的拆分結構示意圖，機械臂接口 7包括依次連接的絕緣法蘭71、連接法蘭72、鎖緊螺釘73和雙錐轉接件74 ;絕緣法蘭71與機械臂前端通過螺釘固定，連接法蘭72通過螺釘與絕緣法蘭71固定，鎖緊螺釘73裝配到連接法蘭72帶有螺紋的一端，雙錐轉接件74的兩端均設置有錐面，雙錐轉接件74上設置有銷軸75，雙錐轉接件74的一端錐面與鎖緊螺釘73配合，另一端錐面穿入定位標尺的接口中的鎖緊螺母51并與在標尺柄4的端頭設置的錐孔配八口 ο
[0043]使用時，鎖緊螺母51前端的半圓形開槽54對應機械臂接口 7的銷軸75插入，依靠連接法蘭72、定位標尺一端的錐孔和機械臂接口的雙錐轉接件74的錐面等部件配合，從而保證定位標尺與機械臂具有良好的同軸度，旋緊鎖緊螺母51，使鎖緊螺母51前端內端面壓緊雙錐轉接件74的銷軸75，即可實現可靠的手術定位標尺的安裝。在拆裝過程中，不需要借用任何工具，徒手即可完成，可以實現快速、方便、省力的拆裝，并可以保證固定可靠。
[0044]在進行手術導航時，手術機械人的機械臂可以利用本實用新型的手術定位標尺、結合C型臂進行多角度透射:在病人的第一個體位下，將本實用新型的手術定位標尺的第一標尺面I朝向C型臂的X光光源、第二標尺面2朝向C型臂的X光成像裝置，使X光依次垂直透過手術定位標尺的兩相對面(第一標尺面1、第二標尺面2)、病人患處、到達X光成像裝置成像，拍攝第一個體位下的X光圖像；通過機械臂移動手術定位標尺到其它角度體位下，重復上述過程，由C型臂拍攝其它體位下的X光圖像。透視時手術定位標尺的兩相對面盡量正對所測體位下的患處，以使得手術定位標尺的兩相對面上的各標記點在成像中盡量不被遮擋或產生重疊。在獲取的多幅X光透視圖像中，選擇其中任意兩個角度下的透視圖像由上位機進行手術路徑規劃計算，其它角度下的透視圖像可以用于驗證規劃路徑的合理性，從而實現只用手術定位標尺的兩相對面的各I組標記點即可實現任意角度的透視定位，克服了定位標尺構型對術中C型臂透視角度的限制。上位機根據本實用新型的手術定位標尺在X光光源下形成的透視圖像中的特定標記點的分布就可以進行空間定位計算，最終確定手術路徑，之后將機械臂移動至目標位置，再通過接口拆卸該手術定位標尺，并在機械臂上安裝導向裝置，由導向裝置進行套筒的導向，套筒內套有導針，將導針插入到患肢內完成手術。若是如圖1或圖3所示的手術定位標尺在兩連接面3上設置相應的套筒安裝孔6，則可以替代導向裝置，直接在手術定位標尺上裝載套筒，具體是在機械臂移動至目標位置后，直接通過套筒安裝孔6插入套筒，就可以將套筒內的導針插入到患肢內完成手術。本實用新型的手術定位標尺可以成為一種通用的手術導航定位裝置，可以用于多類手術的定位導航。
[0045]應當指出，以上所述【具體實施方式】可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明創造，但不以任何方式限制本發明創造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發明創造已進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明創造進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明創造專利的保護范圍當中。
【權利要求】
1.一種手術定位標尺，用于X光光源與X光成像裝置之間的手術路徑的空間定位計算，其特征在于，包括透X光的兩相對面，兩相對面通過透X光的連接面固定連接，所述兩相對面的距離為5cm — 15cm，所述兩相對面上均設置有一組標記，每組標記包括基于X光成像裝置中的線性攝像機模型的標定以及三維空間點重建原理設置的至少四個不在一條直線上的標記點，所述標記點為不透X光的部件；所述任一相對面或連接面固定連接標尺柄，所述標尺柄上設置有用于與骨科機器人的機械臂連接的接口。
2.根據權利要求1所述的手術定位標尺，其特征在于，所述兩相對面為兩相互平行的平面，所述連接面為分別與兩相互平行的平面的兩側連接的兩外凸弧面。
3.根據權利要求1所述的手術定位標尺，其特征在于，所述連接面為分別與兩相對面的兩側連接的兩外凸弧面，所述兩相對面和連接面形成圓筒形，所述圓筒形的直徑為6cm—12cm0
4.根據權利要求1至3之一所述的手術定位標尺，其特征在于，所述每組標記均包括等間距、呈正四邊形對稱分布的八個標記點及一個不規則分布的標記點。
5.根據權利要求4所述的手術定位標尺，其特征在于，每組標記中的標記點均為不透X光的球形部件；所述兩組標記中的標記點的等間距大小不同。
6.根據權利要求5所述的手術定位標尺，其特征在于，等間距大的一組標記中的標記點的半徑大于等間距小的一組標記中的標記點的半徑。
7.根據權利要求1至3之一所述的手術定位標尺，其特征在于，所述接口包括鎖緊螺母和球頭柱塞，以及在標尺柄的端頭設置的與機械臂接口的錐面配合的錐孔，所述鎖緊螺母通過螺紋連接標尺柄，所述球頭柱塞設置于鎖緊螺母上。
8.根據權利要求2或3所述的手術定位標尺，其特征在于，所述相對的兩外凸弧面上設置有相對應的套筒安裝孔。
9.根據權利要求5所述的手術定位標尺，其特征在于，所述不透X光的球形部件為鋼球或銅球。
【文檔編號】A61B19/00GK204049848SQ201420367044
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年7月3日 優先權日:2014年7月3日
【發明者】張送根, 張維軍, 王彬彬 申請人:北京天智航醫療科技股份有限公司