超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器的製作方法
2023-12-07 07:44:11 1
專利名稱：超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種醫療器械技術領域中骨科手術導航用的跟蹤器，特別是一種超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器。
背景技術：
基於圖像引導的骨科手術導航技術本質，是在手術中通過定位跟蹤儀實時跟蹤患者手術區域骨組織和手術器械，並將二者的相對位置關係通過空間配準反映到術前重建模型中，通過圖像信息來引導醫生完成精準手術，減少手術創傷，提高手術安全性。因此，如何在骨科手術導航過程中對患者骨組織進行實時跟蹤是手術導航技術必須解決的首要問題。骨科手術過程中可能需改變操作部位目標組織(骨組織)的空間位置，因此在導航系統不能將骨組織作為一個固定不動體來跟蹤，而是必須對移動的骨組織實時跟蹤，以確定其實時空間坐標。目前，大多數導航系統是通過在骨組織上加載侵入性(有創)的跟蹤器，將骨組織和跟蹤器視為一個剛體，以侵入性跟蹤器的空間位置代表骨組織的空間位置。該操作會造成患者額外創傷，可能導致軟組織感染、應力性骨折等併發症；同時固定在骨組織上的跟蹤器必須保證操作期間不能發生任何移動和旋轉，否則將直接影響到手術精度。實際手術過程中，跟蹤器與骨組織間難免發生位置改變，往往需要重新完成空間配準操作，增加手術時間和難度，提高了手術風險，嚴重影響導航技術的臨床應用和推廣。經對現有技術文獻的檢索發現，至今尚未有與本發明主題相同或者類似的文獻報導。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的不足，提供一種超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器。本發明改變了骨科手術導航系統的有創跟蹤現狀，避免跟蹤器的術中鬆動問題，實現無創、精確的實時跟蹤目的，同時大大增加手術導航技術的應用領域，提高醫患人員對導航系統的接受度。本發明是通過以下技術方案實現的本發明包括光學定位參考架、超聲換能器點陣裝置、數據交換接口及可調節長度的繃帶，光學定位參考架通過剛性連接固定在超聲換能器點陣裝置上，超聲換能器點陣裝置通過可調節長度的繃帶固定的手術部位，超聲換能器點陣裝置引出數據交換接口，數據交換接口將超聲換能器點陣裝置將採集到的超聲信息實時發送給手術導航系統主機，光學定位參考架所獲得的光學定位信息實時傳送給手術導航系統主機，經手術導航系統主機對坐標變換和位置補償計算，實現骨組織的無創實時跟蹤。所述的光學定位參考架為一個剛性結構支架，其上至少安裝有3個反光球，每個反光球間距不小於30mm，且反光球兩兩之間的距離差不小於5mm。所述的超聲換能器點陣裝置為板狀材料，包括分布有30到100個超聲換能器的結構裝置，每個超聲換能器之間距離8mm-15mm，超聲換能器點陣分布以每個超聲換能器都能採集到超聲信息時換能器內的發射器與骨組織間的距離，實現骨組織的術中經皮定位。所述的超聲換能器的數量與布局與無創跟蹤器所應用的手術部位骨性結構特徵有關手術部位的骨結構曲率變化明顯或骨組織結構複雜，則需要超聲換能器集中分布以採集骨組織的細節數據；手術部位的骨結構曲率變化不明顯或骨組織結構趨於平滑，則需要增加超聲換能器的數量且分散布局，以採集到更多更大範圍的骨組織術中數據。超聲換能器的數量與布局可通過實驗分析驗證後優化設計。所述的數據交換接口將超聲換能器點陣裝置所採集的距離信息實時傳輸到手術導航系統的主機。所述的可調節長度的繃帶將超聲換能器點陣裝置固定在手術部位，其長度可調。本發明採用的超聲換能器點陣裝置，其超聲換能器的數量和位置布局與手術部位的骨性結構特徵有關，通過實驗分析與驗證後，優化選擇超聲換能器的數目並完成布局及結構優化設計，同時對超聲測距參數進行優化選擇，保證超聲測距的精度；每個超聲換能器都能採集到該換能器內的發射器與骨組織間的距離，實現骨組織的術中經皮定位；本發明採用的光學定位參考架可通過軟體對其進行精度標定，標定信息可被導航系統識別，用於實現光學定位跟蹤儀對光學定位參考架的實時定位跟蹤。本發明在骨科無創手術導航避免跟蹤器的術中鬆動問題，實現無創、精確的實時跟蹤，導航系統中的光學定位跟蹤儀可以實時採集光學定位參考架的空間位置信息，通過機械加工和精度標定可確定超聲換能器與光學定位參考架間的空間位置關係，超聲換能器可經皮採集到骨組織的術中空間位置，將這三者通過空間坐標變換和位置補償即可在術中實時獲取骨組織在導航系統下的空間位置坐標。本發明基於多點超聲測距和光學定位的耦合技術，實現了骨組織的術中經皮無創實時跟蹤，避免的骨組織實時跟蹤的有創及鬆動問題，提高手術精度和安全性，擴大手術導航技術在骨科手術的使用範圍，提高醫患人員對導航系統的接受度。
圖1無創跟蹤器示意圖；圖2基於無創跟蹤器的骨科手術導航示意圖；圖3光學定位參考架示意圖；圖4超聲換能器點陣裝置示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的實施例作詳細說明以下實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。實施例如圖1所示，本實施例包括光學定位參考架21、超聲換能器(探頭)點陣裝置25、 數據交換接口 23及可調節長度的繃帶27，光學定位參考架通過剛性連接固定在超聲換能器點陣裝置上，超聲換能器點陣裝置通過可調節長度的繃帶固定的手術部位。導航手術過程中，無創跟蹤器通過數據交換接口將超聲經皮採集到的數據實時發送給手術導航系統主機，通過坐標變換算法和位置補償算法，實時計算骨組織在導航系統坐標系下的位置坐標， 實現骨組織的無創實時跟蹤。如圖2、3所示，本實施例的具體實現過程如下本實施例光學定位參考架21，參考架上安裝有四個反光球，反光球直徑為 11. 5mm，第一反光球41和第四反光球44間距離為78. 78mm，第二反光球42與第四反光球 44間距離為91. 94mm,第三反光球43與第四反光球44間距離為38. 08mm,第一反光球41與第三反光球43間距離為73. OOmm,第二反光球42與第三反光球43間距離為67. 67mm,第一反光球41與第二反光球42間距離為44. 84mm，滿足每個反光球間距不小於30mm且反光球兩兩之間的距離差不小於5mm的設計要求；通過軟體實現光學定位參考架的精度標定。如圖4所示，本實施例的超聲換能器點陣裝置為厚度為12mm的鈦合金板51，其上分散布局了 85個孔52，，每個孔內精確安裝一個包含超聲發射器和接收器的超聲換能器， 超聲換能器間最小距離為IOmm ；確定每個超聲換能器的空間位置坐標，與完成精度標定的光學定位參考架耦合，通過空間轉換算法，將每個超聲換能器在光學定位參考架坐標系下轉化為導航系統坐標系下的坐標。患者術前行CT掃描，使用骨科手術導航系統中的軟體功能，實現圖像處理與三維重建，得到患者術前骨組織的虛擬模型。本實施例術中將無創跟蹤器通過可調節繃帶固定在手術部位33，保證其光學定位參考架在導航系統中的定位跟蹤儀31的視野範圍內；術中超聲換能器實時獲取每個換能器所採集到的骨組織術中空間坐標信息，通過數據交換接口以每秒20次QOHz)的刷新頻率將這些空間坐標信息實時傳輸到手術導航系統主機32，實時獲取骨組織在導航系統坐標系下的空間位置信息；通過空間配準算法，將骨組織術中數據與術前虛擬模型進行匹配，得到實時得到骨組織術中與術前模型間的變換矩陣，在不給患者帶來附加創傷的同時，實現骨組織的術中經皮實時跟蹤目的。
權利要求
1.一種超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其他正在於，包括光學定位參考架、超聲換能器點陣裝置、數據交換接口及可調節長度的繃帶，光學定位參考架通過剛性連接固定在超聲換能器點陣裝置上，超聲換能器點陣裝置通過可調節長度的繃帶固定的手術部位，超聲換能器點陣裝置引出數據交換接口，數據交換接口將超聲換能器點陣裝置將採集到的超聲信息實時發送給手術導航系統主機，光學定位參考架所獲得的光學定位信息實時傳送給手術導航系統主機，經手術導航系統主機對坐標變換和位置補償計算，實現骨組織的無創實時跟蹤。
2.根據權利要求1所述的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其特徵是，所述的光學定位參考架為一個剛性結構支架，其上至少安裝有3個反光球。
3.根據權利要求2所述的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其特徵是，所述的反光球，每個反光球間距不小於30mm，且反光球兩兩之間的距離差不小於5mm。
4.根據權利要求1所述的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其特徵是，所述的超聲換能器點陣裝置為板狀材料，包括分布有30到100個超聲換能器的結構裝置。
5.根據權利要求4所述的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其特徵是，所述的超聲換能器，超聲換能器點陣分布以每個超聲換能器都能採集到超聲信息時換能器內的發射器與骨組織間的距離。
6.根據權利要求4或者5所述的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其特徵是，所述的超聲換能器，每個超聲換能器之間距離8mm-15mm。
7.根據權利要求1所述的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其特徵是，所述的數據交換接口將超聲換能器點陣裝置所採集的距離信息實時傳輸到手術導航系統的主機。
8.根據權利要求1所述的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器，其特徵是，所述的可調節長度的繃帶將超聲換能器點陣裝置固定在手術部位，其長度可調。
全文摘要
一種醫療器械技術領域中的超聲測距與光學定位耦合的無創實時跟蹤器。包括光學定位參考架、超聲換能器點陣裝置、數據交換接口及可調節長度的繃帶，光學定位參考架通過剛性連接固定在超聲換能器點陣裝置上，超聲換能器點陣裝置通過可調節長度的繃帶固定的手術部位，超聲換能器點陣裝置引出數據交換接口，數據交換接口將超聲換能器點陣裝置將採集到的超聲信息實時發送給手術導航系統主機，光學定位參考架所獲得的光學定位信息實時傳送給手術導航系統主機，經手術導航系統主機對坐標變換和位置補償計算，實現骨組織的無創實時跟蹤。本發明提高手術精度和安全性，擴大手術導航技術在骨科手術的使用範圍，提高醫患人員對導航系統的接受度。
文檔編號A61B8/00GK102258399SQ20111010767
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月28日 優先權日2011年4月28日
發明者林豔萍, 汪方, 王成燾 申請人:上海交通大學