手術導航器械的通用標定模塊的製作方法

2023-05-23 11:11:06 3

專利名稱：手術導航器械的通用標定模塊的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種用於確定手術導航中所用手術器械尖端的位置和尺寸的手術導航器 械通用標定模塊，可用於對手術器械的前部工具(如探針前端、擺鋸鋸片、骨鑽鑽頭等)的位 置坐標和器械前部的直徑、寬度、方位等幾何特徵的測量標定。使通用的手術器械在附著跟
蹤標誌架後就可以被光學三維運動跟蹤系統所跟蹤。本實用新型屬於計算機輔助手術導航技 術領域。
背景技術：
手術導航系統將空間三維定位技術、三維可視化和實際臨床手術相結合，通過計算機對 人體結構和手術器械的實時三維顯示，輔助醫生完成高精度的手術。手術導航系統的核心功 能，是讓醫生知道所使用手術器械(如穿刺針、鑽頭、擺鋸鋸片以及其他需要置入人體的器械) 在病人身體內部到達的三維空間位置。要實現這個功能，就需要通過三維運動跟蹤系統實時 跟蹤人體和手術器械的空間位置，並在計算機上正確顯示手術器械與人體之間的相對運動。 為跟蹤手術器械的運動，目前常用的方式是採用光學運動跟蹤系統，在使用中將手術器械看 作不變形的剛體，通過測量固結在器械上的主動發光或被動反光的剛體跟蹤標誌架的空間位 置，來獲取手術器械這個剛體的空間位置，並計算其尖端的位置，以及手術器械軸線的方向、 其前部工具的大小尺寸等幾何信息。
由於不同廠家出品的手術器械的樣式有很大區別，因此目前在手術導航中都需要使用專 用的導航手術器械，這些器械的形狀和尖端的位置信息，以及其上面固結的剛體跟蹤標誌架 的位置都是廠家嚴格定義好的，並通過製造過程來保證的。因此，在跟蹤手術器械時，導航 系統可以根據這些信息來精確計算器械的尖端位置、器械方向等信息，而器械前部工具尺寸 也是事先定義並存儲在導航計算機中的。但是，這樣做的結果是一套導航系統只能使用少數 其能夠識別的手術器械，而無法將普通的通用手術器械用於導航手術，這也造成了導航手術 器械的昂貴和通用性差的問題，同時，如果導航的手術器械發生跌落等衝擊，其定位的精確 度也會下降，使器械無法繼續用於導航手術。為將通用的手術器械用於導航手術，最關鍵的是需要確定器械尖端位置、器械前部工具 軸線方向相對於器械上的跟蹤標誌架的坐標，其前部工具的直徑、寬度等幾何尺寸。因此在 實際使用中，迫切需要一種輔助工具，能夠幫助醫生確定器械上所固結的剛體跟蹤標誌架相 對手術器械尖端的位置關係、器械前部工具的軸線方向，以及確定手術器械前部工具的尺寸， 如探針和鑽頭的粗細、鋸片的寬窄等幾何要素。
在已往的研究中，已經有一些解決手術器械定位問題的方案，如中國專利2451065公開 了一種"股骨頸穿針導航器"，通過機械裝置確定定向穿針的位置和參照物問題，能夠實現穿 刺針的三維定位；中國專利2187048公開了一種"股骨頸骨折內固定多功能導向器"；中國專 利2075069公開了一種"框架式股骨頸帶針定向器"，通過特定的導向，確定針的位置和角度。 中國專利2354096公開了一種"股骨頸和粗隆間骨折穿釘定位器"，通過套體和緊定釘進行位 置的調整，實現了準確的空間方向的穿釘導引。但這些方法都無法與現有的手術導航系統的 三維運動跟蹤相結合，實現對通用手術器械的動態跟蹤。
通過檢索可以看到，目前還缺乏能夠在使用中有效測量和標定手術導航器械跟蹤標誌架 與手術器械前部工具之間幾何關係，從而使普通手術器械變成可以被跟蹤的導航器械的簡便 實用的裝置，使得在導航手術中所使用的器械受到限制。另一方面，對在用的器械也缺乏能 夠標定其前部工具的尖端位置等幾何要素的裝置。本實用新型所公開的通用標定模塊可以簡 便易行地測量多種不同形狀的手術器械前部工具的尖端位置和軸線的方向，並測量器械前部 工具的直徑或寬度等幾何要素，從而通過在通用手術器械上附著標誌架來對手術器械進行跟 蹤，標定模塊的使用可以保證良好的測量重複性，並保證了不同測試對象間數據的可比性， 有很高的實用價值。
發明內容
本實用新型的目的是提供一種手術導航器械的通用標定模塊，可以方便地用來標定手術 器械的尖端位置、手術器械前部工具的軸線方向，以及手術器械前部工具的幾何尺寸。同時 該標定模塊也可以對導航手術器械上述參數的精度進行驗證，保證手術中所使用器械的精確 定位。
本實用新型的特徵在於含有由相互垂直的三個剛性平面構成的標定模塊的主體，其中基準平面(1-1)，與直角坐標系的XY平面重合，用於定位手術導航器械尖端的位置;第
一定位平面(1-2)，與所述直角坐標系的XZ平面重合。在所述第一定位平面(l-2)相對於所 述基準平面(l-l)的縱向側面上，固結有若干能被手術導航系統跟蹤的標定點，各標誌點在所 述XYZ直角坐標系中的空間位置的坐標是己知的，所述標誌點的布局呈不對稱布局。在所述 第一定位平面(l-2)的所述縱向側面上，還具有3 — 5個不同直徑的凹坑，允許所述手術導航器 械工具的尖端以所述凹坑為中心進行三維空間的旋轉和擺動，凹坑的約束形成所述手術導航 器械的不動點，以便於手術器械前端工具的尖端位置進行標定；第二定位平面(l-3),既垂直 於所述基準平面(1-1)，也垂直於所述第一定位平面(l-2)，所述第二定位平面(l-3)與所述第 一定位平面(1-2)的交線即為所述垂直坐標系XYZ的Z軸，在所述第二定位平面(1-3)與所 述基準平面(l-l)之間留有設定的間隙，用以標定尖端具有側向伸出突起的手術器械前部工具。 本實用新型的技術方案提供了一種用於手術導航器械標定的通用標定模塊，並說明了模 塊的使用方法。該模塊的主體是固結有可以被光學三維運動跟蹤系統實時跟蹤的標誌點的剛 體模塊，在模塊上有作為標定基準的平面和直角交叉邊，以及可以標定器械尖端位置的定標 凹坑。在使用中通過將所標定器械的前部擺放在標定模塊的不同位置，並使其前部工具的尖 端和側面分別與基準平面和基準邊相接觸，就可以藉助手術導航系統的光學三維運動跟蹤裝 置來確定器械尖端位置、軸線方向與固結在器械上的跟蹤標誌架之間的相對位置關係，從而 將一般的手術器械轉化為可以被手術導航系統所跟蹤的手術器械。


圖l是手術導航器械的通用標定模塊裝置的三維結構示意圖；a為前側圖，b為後側圖 圖2是通過模塊對圓柱形尖端的器械(鑽頭、穿剌針等)進行標定的方法示意；a為位置l， b為位置2;
圖3是通過模塊對矩形尖端的器械(擺鋸等)進行標定的方法示意;a為位置l，b為位置2; 圖4是通過模塊對具有對稱形狀的細尖端器械(探針等)進行標定的方法示意。
具體實施方式
本實用新型公開了一種用於確定手術器械尖端、軸線等幾何要素與固結在器械上的跟蹤 標誌架之間位置關係的測量標定模塊，其特徵是它含有標定模塊的主體、固結在模塊上的 跟蹤定位標誌點，在模塊上有用於標定器械尖端位置的基準平面，用於確定器械軸線方向的 直角交叉邊，以及可以用支點法標定器械尖端的定標凹坑等。在使用中通過將所需要標定的手術器械的前部工具部分(如骨鑽的鑽頭、擺鋸的鋸片、手 術探針等)擺放在標定模塊上一個或幾個特定位置，並分別使其尖端和側邊與標定模塊上的基 準平面和直角交叉邊相接觸。在器械擺放到位後，利用手術導航系統中的光學三維運動跟蹤 裝置對模塊上的標誌點位置進行測量，得到模塊的空間位置，同時對手術器械上固結的跟蹤 標誌架進行測量，得到手術器械的位置，就可以計算出手術器械上的標誌架與標定模塊之間 的相對位置關係，從而確定位於特定位置的手術器械上工具尖端相對於器械上跟蹤標誌架的 位置關係，並確定器械上前部工具軸線的方向與跟蹤標誌架之間的幾何關係。通過上述的標 定，只要在一般的手術器械(如骨鑽、擺鋸)上固定跟蹤標誌架，就可以將其轉化為可以被手 術導航系統所跟蹤的手術器械，並用於導航手術的操作。
綜上所述，本實用新型公開了一種用於確定用於導航的手術器械尖端、軸線和其前部工 具幾何尺寸的輔助測量裝置，可以測量和標定手術器械上特定的工具的幾何要素，以及其尖 端和軸線與固結在器械上的跟蹤標誌架之間的關係，從而將普通手術器械轉化成導航手術器 械，或用於對現有導航手術器械的標定和檢驗。本標定模塊的主要特徵在於-
1. 該標定模塊是一個堅固的剛體，模塊上有用於定位器械尖端位置的基準平面，該平面 構成了固結在標定模塊上的直角坐標系XYZ中的XY坐標平面。
2. 模塊上有用於定位器械軸線方向的直角交叉邊，通過製造保證形成該直角交叉邊的兩 平面的交線與上述基準平面相垂直，因此該交線構成了固結在標定模塊上的直角坐標 系XYZ的Z軸。因此上述基準平面和直角交叉邊形成了標定模塊上的直角坐標系；
3. 標定模塊上面固結有若干可以被導航系統所跟蹤的標誌點，各標誌點在XYZ直角坐標 系中的空間位置是在製造中精確確定的，因此其空間坐標是已知的，標誌點的布局採 用不對稱的排布，以便手術導航系統可以根據測量到的標誌點分布，來確定標定模塊 的方位，並可以通過對這些標誌點空間位置的跟蹤測量，得到上述基準平面和直角交 叉邊的位置；
4. 模塊上用於定位器械軸線方向的直角交叉邊與基準平面之間留有月10mm的間隙，以 便於模塊的加工，同時，該間隙能夠在標定在尖端具有側向伸出突起的器械前部工具，；
5. 標定模塊上還具有3 5個不同尺寸的凹坑，可以容許器械的尖端以凹坑為中心進行三 維空間的旋轉和擺動，凹坑的約束形成器械尖端的不動點，可以採用固定支點方法對 尖端位置進行標定；
6. 通過對擺放於模塊上一個或幾個特定位置的器械的空間位置的測量(即通過固結在器
6械上的跟蹤標誌架進行跟蹤測量)，可以確定手術器械上標誌架在模塊坐標系XYZ中的位置。 由於在測量時器械前部工具的尖端位於模塊上特定的擺放位置，同時其側面與模塊上的直角 交叉邊緊密接觸，因此器械前部工具在模塊上的擺放姿態是固定的，可以通過該擺放條件下 模塊對器械的約束，計算器械上跟蹤標誌架與器械尖端之間的相對位置關係，以及計算器械 前部工具軸線與器械跟蹤標誌架之間的相對位置關係。
上述標定手術器械幾何要素的通用標定模塊的結構簡單，通過剛性的標定面和直角交叉 邊對器械的擺放進行定位，可以建立由器械上的標誌架所定義的器械坐標系與模塊坐標系之 間的關係，從而計算得到器械尖端和軸線相對於器械坐標系的關係，並在手術導航中利用這 種幾何關係來確定手術器械前部工具的尖端位置和軸線方向。該裝置適合醫院和研究人員將 普通的手術器械作為導航手術器械使用，或幫助醫生對在用的手術器械進行標定和校核。
參照附圖1可以實際製作本實用新型的標定模塊，參照附圖2 附圖4可以對不同尖端 形狀的器械進行標定。
以下結合附圖具體對模塊的結構功能和使用的具體方法進行說明。需
要強調的是本實施例的詳細描述和對特定尺度與形狀的限制都是為了使本領域普通技術人
員可以根據本實用新型的方法加以實施，並非對本實用新型的具體方法進行限制。
如圖1所示，標定模塊的主體1是相互垂直的三塊剛性平面體，其垂直度通過機械加工 或精密的裝配可以得到保證。其中以定位平面1-1作為定位的基準平面，建立直角坐標系
XYZ，其中的XY平面與基準平面1-1重合，XZ平面與定位平面1-2重合。在定位平面1-2 上有突出的第3個定位平面1-3，該平面既垂直於平面1-1也垂直於平面1-2，平面1-2與平 面1-3形成了直角的相交，因此可以將平面1-2與平面1-3的交線定義為直角坐標系XYZ的 Z軸。為便於模塊的加工，在平面1-3和基準平面1-1之間留有間隙，該間隙還可以用來標定 尖端彎曲的特殊工具。
在與平面1-2平行的平面1-4上，固結有4 5個可以被導航系統所跟蹤的發光或反光標 志點，根據導航系統的不同，可以選用主動發光的紅外發光二極體或採用被動反光的標誌球。 這裡以被動反光的標誌球為例進行說明。各個標誌點在平面上採用不對稱的排布，以便導航 系統可以根據標誌點的分布情況來確定標定模塊的方位。通過對這些標誌點空間位置的跟蹤 測量，可以得到上述基準平面和直角交叉邊的位置。在模塊製作完成後，模塊上各個標誌點 的位置需要進行精確的測定，從而得到各標誌點在直角坐標系XYZ中的坐標ikr,(x,，乂,&)。同時，在平面1-4上製作有3 5個直徑介於lmm 5mm之間的V形凹坑1-5，用於採用固定支 點方法對尖端位置進行標定。
在使用時，將固結有跟蹤標誌架的手術器械的切割部分擺放在標定模塊的特定位置，就 可以對器械的幾何特徵進行測定，下面通過幾個實例進行說明。
本實用新型提供了一種用於手術導航中器械前部工具尖端和軸線等幾何信息標定的輔助 測量裝置。該裝置藉助手術導航系統中所使用的光學三維運動跟蹤系統，測量固結在手術器 械上的跟蹤標誌架，並通過將手術器械前部工具擺放在標定模塊上特定的位置，來確定手術 器械的尖端位置、前部工具的軸線方向與器械上的跟蹤標誌架之間的位置關係，同時測量標 定手術器械前部工具的尺寸等幾何要素。在完成標定以後，通過對手術器械上標誌架位置的 跟蹤測量，得到手術器械的空間位置信息，就可以輔助醫生確定手術器械前部工具與人體之 間的位置關係，克服現有的導航系統只能單純依靠特製的導航器械的缺點，使通用的手術器 械能夠在導航手術中得到運用。所設計的標定裝置結構簡單，使用方便，經久耐用。
作為本模塊使用的第l個實例，為標定器械前部為圓柱形狀的工具2(如鑽頭、探針等， 參考圖2)，需要測定的主要幾何要素包括工具尖端位置P相對於器械上標誌架3的位置、圓 柱形尖端軸線的方向A、圓柱的直徑D等。如圖2 (a)所示，將圓柱形尖端P抵靠在定位基 準平面1-1上，同時將圓柱形的工具外圓的兩個側面分別抵靠在定位平面1-2與定位平面1-3 直角相交形成的直角V形槽上，這樣，器械前部工具的尖端位於標定模塊的XY平面內(因此 其Z坐標為0)，而同時直角V形槽約束了圓柱形工具軸線的方向與標定模塊坐標系的Z軸平 行。通過手術導航系統的光學三維運動跟蹤系統採集標定模塊上的標誌點和器械上的標誌架 3的空間位置，就可以得到器械上標誌架3在標定模塊坐標系XYZ中的位置和方向，因此可 以計算出器械前部工具圓柱形尖端的軸線方向與器械標誌架3之間的關係。進一步，為了得 到圓柱形工具尖端軸線的準確位置，將器械繞其前部工具的圓柱軸線轉動30 卯度，到達如 圖2(b)所示位置。由於圓柱形狀的軸線對稱性，在轉動中器械圓柱形前部工具軸線的位置並 沒有發生改變，而器械上的標誌架3則發生了繞固定軸線(與標定模塊Z軸方向平行的軸線) 的旋轉，因此可以計算出器械上標誌架3的旋轉軸線的位置，這樣就確定了器械圓柱形前部 工具軸線的真實位置，並通過該位置得到該圓柱形的半徑(即該軸線所在的模塊上的X或Y 坐標)。由於器械尖端抵在基準面上，因此其Z坐標為O，而尖端的X，Y坐標就是標定得到的 軸線坐標。通過上述標定，就唯一地確定了圓柱形工具尖端的位置、方向和直徑。與上述原理相仿，作為使用的第2個實例，為標定器械前部為矩形的工具(例如擺鋸的鋸 片)4，按照如圖3(a)和圖3(b)所示的擺放，將矩型的擺鋸鋸片側方的四個平面分別抵靠在定 位面l-2和l-3形成的直角V形槽上，每次都保證鋸片的前端抵靠在基準面1-1上，通過測 量得到每次擺放時器械上的跟蹤標誌架3在模塊坐標系XYZ中的位置。由於每次擺放時鋸片 前端總是抵靠在Z二O的平面上，鋸片的側面總是平行於XZ平面和YZ平面，因此可以計算 得到鋸片相對於固結在擺鋸上的跟蹤標誌架3的位置，並得到鋸片的寬度和厚度信息。
進一步，作為使用的第3個實例，為了對具有對稱形狀的細尖端器械前部工具(探針等) 進行標定，利用該模塊也可進行更加簡便的固定支點法做器械尖端的標定校驗。支點法標定 是一種常用的對細尖端器械進行位置標定的方法，巳經在許多文獻中有介紹。其方法是將器 械尖端置於一個固定不動的點，將器械以該點為定點進行三維空間的旋轉，器械上標誌架3 形成的旋轉路徑為一個以該點為定點的圓錐面，通過器械上的標誌架3的空間旋轉矩陣可以 計算剛體旋轉中不動點的位置，得到工具尖端的位置。如圖4所示，通過本標定模塊上的V 形凹坑，可以對不同大小的器械尖端提供合適的支點，從而進行穩定可靠的支點法尖端標定。
權利要求1.手術導航器械用的通用模塊，其特徵在於含有由相互垂直的三個剛性平面構成的標定模塊的主體，其中基準平面(1-1)，與直角坐標系的XY平面重合，用於定位手術導航器械尖端的位置；第一定位平面(1-2)，與所述直角坐標系的XZ平面重合，在所述第一定位平面(1-2)相對於所述基準平面(1-1)的縱向側面上，固結有若干能被手術導航系統跟蹤的標定點，各標誌點在所述XYZ直角坐標系中的空間位置的坐標是已知的，所述標誌點的布局呈不對稱布局，在所述第一定位平面(1-2)的所述縱向側面上，還具有3-5個不同直徑的凹坑，允許所述手術導航器械工具的尖端以所述凹坑為中心進行三維空間的旋轉和擺動，凹坑的約束形成所述手術導航器械的不動點，以便於手術器械前端工具的尖端位置進行標定；第二定位平面(1-3)，既垂直於所述基準平面(1-1)，也垂直於所述第一定位平面(1-2)，所述第二定位平面(1-3)與所述第一定位平面(1-2)的交線即為所述垂直坐標系XYZ的Z軸，在所述第二定位平面(1-3)與所述基準平面(1-1)之間留有設定的間隙，用以標定尖端具有側向伸出突起的手術器械前部工具。
2. 根據權利要求1所述的手術導航器械的通用標定模塊，其特徵在於所述間隙為10mm。
專利摘要手術導航器械用的通用標定模塊屬於計算機輔助手術導航技術領域，其特徵在於含有一個由三個相互重直的剛性平面構成的主體，其中基準平面，與直角坐標系的XY平面重合用於定位手術導航器械尖端的位置；第一定位平面，與直角坐標系的XZ平面重合，在相對於基準平面的縱向側面上，有多個呈不規則分布的跟蹤標誌點，還有3-5個凹坑，作為手術導航器械的不動點，以便對尖端位置進行標定；第二定位平面，同時與其準平面和第一定位平面垂直，該第二定位平面與第一定位平面的交線即為直角坐標系的Z軸，在該第二定位平面與基準平面之間留有設定的間隙，既便於加工，也用於對手術導航器械的前部工具的尖端位置進行標定，適用於各種手術導航器械，結構簡單，使用方便。
文檔編號A61B19/00GK201389080SQ20092010557
公開日2010年1月27日 申請日期2009年2月25日 優先權日2009年2月25日
發明者輝 丁, 王廣志 申請人:清華大學