外科手術導航系統定位精度檢測裝置的製作方法

2023-05-13 01:31:01

專利名稱：外科手術導航系統定位精度檢測裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及外科手術導航系統，具體涉及一種外科手術導航系統的定位精度檢測裝置，尤其是基於斷層影像的外科手術導航系統定位精度檢測裝置。
背景技術：
長期以來雖然有CT、MRI等先進的影像學診斷設備和技術，但外科醫生在術中定位和尋找病灶卻仍較困難，病灶切除的程度主要依賴於外科醫生的主觀判斷和個人經驗。 手術導航技術來源於立體定向神經外科，將醫學影像診斷技術、空間定位技術、三維圖像處理技術和高性能計算機結合起來，又稱無框架立體定向外科或影像導航外科。外科手術導航最初應用於神經外科，並逐步擴展到耳鼻喉科、脊柱外科、膝髖關節和創傷等領域。導航技術在臨床上的應用是在傳統外科手術理念上的巨大進步，明顯提高了手術精度、減小了手術創傷，增加了手術的安全性。導航系統已成為微創外科的重要組成部分，作為一種先進的微侵襲設備，可降低醫生手術的難度和強度，使手術更加安全。導航系統的基本原理基於空間定位技術和配準技術。目前手術導航系統基本採用兩種空間定位技術電磁定位技術和紅外線光學定位技術。電磁定位適用於導管類等軟性手術器械的跟蹤，由於精度不理想及需要特殊的手術工具，除心內科之外的神經外科、骨科、耳鼻喉科等手術基本採用紅外線光學定位技術。光學導航系統主要包括高性能計算機、紅外線空間定位裝置、導航軟體、手術工具、解剖結構定位參考架等。紅外線定位裝置通過追蹤安裝於手術工具和解剖結構定位參考架上的紅外線發射源或反射源確定手術工具和患者的實際位置。手術導航系統的關鍵性能指標是定位精確度。手術過程中的定位誤差主要分為兩部分，一是系統本身的定位誤差，包括手術工具機械加工誤差、反光球尺寸的微小差別、定位跟蹤儀定位誤差、影像處理導致的誤差、配準誤差等。二是手術過程中參考架鬆動、組織移位造成的誤差。第一部分的誤差是反映導航系統總體性能指標的誤差，反映了一個導航系統的總體定位精度。而第二部分誤差影響因素更為複雜，屬於不可控誤差，與操作者的熟練程度、甚至手術類型、手術部位等有關。因此，反應手術導航系統性能水平的，是第一類誤差，稱為配準精確度。配準是通過坐標系的空間變換將患者術前的斷層影像數據與患者實體之間達到空間上一致的過程， 使影像數據與實際患者的解剖點一一對應。配準的精度是提高手術導航精確度的主要因素。目前，手術導航系統術中採用的配準方法分為點配準和面配準兩種。點配準是在術中點取患者身上若干影像上可分辨的標記點，通過這些標記點的一一對應求出影像坐標系和患者坐標系的變換關係。面配準是在患者身上連續點取一個點雲，通過點雲和患者影像形狀上的匹配求出影像坐標系和患者坐標系之間的變換關係。隨著手術導航技術的發展，伴生的手術導航精度的檢測技術也在持續改進，國際上所有的手術導航系統生產廠商都有自己的手術導航精度檢測方法，導致市面上眾多的手術導航系統的精度參數都由廠商自己給出，而沒有一個標準來檢測和衡量，使廣大的使用者不知道這個精度是如何得出，在使用中存在隱患。另外，一個制約手術導航精度檢測技術標準化的因素是對於基於斷層影像的手術導航系統來說，採用的配準方式主要是點配準和面配準。目前還沒有一個可同時檢測點配準和面配準精確度的檢測裝置。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供一種外科手術導航系統定位精度檢測裝置， 該裝置既能檢測點配準也能同時檢測面配準精度，使檢測精度更高、更真實。為了解決本實用新型的技術問題，本實用新型提供了一種外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其主體是一個可密封的圓柱體，包括底座，包括基座、外罩和數根有機玻璃棒；該基座位於底座的底面，該基座上設有數根長短不一的有機玻璃棒；該外罩位於底座的側面，該外罩粘結在基座上，該外罩上設有數根長度一致的有機玻璃棒；可拆卸的上蓋，包括密封蓋、連接螺栓和注水孔螺絲；密封蓋中心設有一根用於擰緊上蓋的連接螺栓，其旁邊設有用於注水的注水孔螺絲；該上蓋與底座接觸固定；可拆卸的頭模，該頭模固定於底座的基座上和底座的外罩內。所述基座上設有32個直徑一定的孔，將數根長短不一的有機玻璃棒隨機插入這些孔內；在基座上設的有機玻璃棒的底端固定於基座上，頂端設一個小的凹坑，這些凹坑是用於檢測的靶點；在基座上設的有機玻璃棒的長短分布為隨機分布，但較長的有機玻璃棒分布比較靠中心，較短的有機玻璃棒分布比較靠外圈，其中取3根較長的有機玻璃棒，在其上打孔。所述基座上設的有機玻璃棒的長短範圍在12mm 62mm，該有機玻璃棒隨機插入 32個孔內，插入深度為IOmm ；所述取3根較長的有機玻璃棒，其長度分別為58mm、60mm、 62mm,在其上打孔的直徑為4mm、深度為25mm，與有機玻璃棒中軸線的角度為15度，打孔後孔底尖點與有機玻璃棒頂端距離為37mm。所述外罩上設有10根有機玻璃棒，其底端固定於外罩上，其頂端設一個小的凹坑，這些凹坑是用於檢測的靶點；在外罩上設的有機玻璃棒的長度比在基座上設的有機玻璃棒更短，且在外罩上設的有機玻璃棒的位置是隨機分布的。所述外罩上設的有機玻璃棒的長度為10mm。所述密封蓋上面設有2個孔，其中一個孔位於密封蓋的中心，用於穿設連接螺栓； 另一個孔是注水孔，位於中心孔的旁邊；該連接螺栓從中心孔內穿出，在連接螺栓的上部有一小孔，將密封圈套入後，將把手裝在連接螺栓上，再用銷固定；該注水孔上設有注水孔螺絲，該注水孔螺絲上套上密封圈，再擰到密封蓋上；在密封蓋上粘接密封圈，再將上蓋的密封蓋與底座的外罩接觸固定。所述基座中心設一與上蓋的連接螺栓配合固定的螺紋孔。所述頭模上設有用於流入液體並灌滿頭模內部空間的幾個孔；在頭模的下方設有 2個用於固定的連接塊，將頭模固定在底座的相應位置。和現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果目前已有精度檢測裝置只能檢測點配準精度或面配準精度，本實用新型裝置既能檢測點配準也能檢測面配準精度，其能使廣大使用者能夠知道手術導航系統的精度是如何得出，以便在使用中規避不必要的風險；使手術導航精度檢測模型能夠適應現有的手術情況；使手術導航精度檢測模型能夠更加真實的反應手術情況。該檢測裝置結構簡單，易於加工；尺寸參數在加工後測量獲得， 再對計算機中的模型進行補償，避免了模型加工過程中產生的誤差，使檢測精度更高、更真實；能夠適用於CT和MRI兩種影像學診斷技術，能夠適應點配準和面配準兩種配準方式，使該裝置適用的範圍更廣泛，能夠代表的手術類型更豐富。

圖1是本實用新型外科手術導航系統定位精度檢測裝置的立體結構示意圖；圖2是本實用新型外科手術導航系統定位精度檢測裝置中底座的結構示意圖；圖3是本實用新型外科手術導航系統定位精度檢測裝置中上蓋的結構示意圖；圖4是是本實用新型外科手術導航系統定位精度檢測裝置中頭模的結構示意圖；圖5是本實用新型外科手術導航系統定位精度檢測裝置在使用中，配準的取點實施例示意圖；圖6是本實用新型外科手術導航系統定位精度檢測裝置在使用中探針的結構示意圖。圖中附圖標記說明1是底座，2是上蓋，3是頭模，4是基座，5、6是有機玻璃棒，7是外罩，8是把手，9 是密封蓋，10是密封圈，11是連接螺栓，12是注水孔螺絲，13是銷，14是密封圈，15是連接塊，16是孔，21是探針手柄，22是探針針尖，23是反光球。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步詳細的說明。本實用新型的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其結構如圖1所示，其主體是一個可密封的圓柱體，由底座1，可拆卸的上蓋2，可拆卸的頭模3組成。如圖2所示，底座1由基座4、外罩7、有機玻璃棒5和有機玻璃棒6組成。基座4 位於底座1的底面，其由不透明的尼龍材料製成，在基座4上挖32個直徑一定的孔，用於裝配32根作為靶點的有機玻璃棒；在基座4中心挖一個直徑與連接螺栓11 一樣的螺紋孔， 當裝配上蓋2時，用連接螺栓11擰入該螺紋孔，擰緊，將上蓋2固定。將32根長短範圍在 12mm 62mm的有機玻璃棒5，隨機插入這32個孔內，插入10mm，該32根長短不一的有機玻璃棒5底端固定於基座4上，頂端做一個小的凹坑，這些凹坑就是用於檢測的靶點。該32根長短不一的有機玻璃棒5的長短分布為隨機分布，但較長的棒分布比較靠中心，較短的棒分布比較靠外圈，其中取3根長度分別為58mm、60mm、62mm的有機玻璃棒，在其上打孔，打孔的直徑為4mm、深度為25mm，與玻璃棒中軸線的角度為15度，打孔後孔底尖點與玻璃棒頂端距離為37mm，在將這些有機玻璃棒固定好後，便可以通過測量得知這3個孔的尖點位置和軸線的方向，就可以通過這3個孔來檢測軸線的精度。將由透明有機玻璃製成的外罩7粘結在基座4上(外罩7位於底座1的側面)，將短的長度為IOmm的10根有機玻璃棒6按隨機位置粘在外罩7上。10根有機玻璃棒6的底端固定於外罩7上，頂端做一個小的凹坑，這些凹坑就是用於檢測的靶點。因為這些有機玻璃棒5和有機玻璃棒6的分布是隨機的，且考慮到加工中存在誤差，所以，在模型完成後，會利用高精度的現代化的測量方式(三坐標測量儀等)對用於檢測的靶點空間位置進行測量，而後輸入計算機，使計算機內的模型和實際模型一致。如圖3所示，上蓋2由密封蓋9、連接螺栓11、注水孔螺絲12等組成。密封蓋9由透明有機玻璃板製成，上面打2個孔(其中一個孔位於密封蓋9的中心，用於穿設連接螺栓 11 ；另一個孔是注水孔，位於中心孔的旁邊)，用於擰緊上蓋2的連接螺栓11從中心的孔內穿出，在連接螺栓11的上部有一小孔，將密封圈14套入後，將把手8裝在連接螺栓11上， 再用銷13固定；位於中心孔旁邊的注水孔上設有注水孔螺絲12，該注水孔螺絲12上套上密封圈14，再擰到密封蓋9上；最後在密封蓋9上粘接密封圈10，即將上蓋2下方與下面底座1接觸的部位(底座1的外罩7)也用密封圈將其密封。如圖4所示，頭模3固定在底座1的位置為一定的，頭模3由快速原型加工而成， 加工前在頭模3上開幾個孔16以便液體能夠流入頭模3灌滿頭模3的內部空間。加工完後在頭模3的下方粘接2個用於固定的連接塊15，使頭模3能夠固定在底座1的相應位置。如圖1所示，將可拆卸的頭模3裝在底座1上，再將上蓋2蓋上，將連接螺栓11擰緊，整個裝置就裝配完成。裝配完成後，開始進行精度測試，包括如下步驟1.在CT掃描的情況下，在CT掃描前，在上蓋2和底座1的外罩7上隨機的貼10 15個標記點(marker)，然後等待掃描；在MRI掃描的情況下，在MRI掃描前，將注水孔螺絲 12擰下，往本實用新型檢測裝置(下面簡稱模型)中灌滿水，之後將注水孔螺絲12重新擰緊，在模型上蓋2和底座1的外罩7上隨機的貼10 15個標記點(marker)，然後等待掃描；2.然後將模型橫放(如圖5所示)，進行斷層影像掃描(CT掃描或MRI掃描)，斷層影像掃描結束後將模型中的水抽出；3.將斷層影像掃描得到的數據，輸入電腦，利用三維重建軟體將斷層影像數據重建成三維模型；4.數據重建好後，將該三維數據導入導航軟體中，開始進行配準，配準方法有2 種點配準和面配準。1)點配準如圖6所示，利用探針，手握探針手柄21，當探針針尖22點在任一標記點的中心時，標記點和探針上安裝的反光球23都能被紅外線空間定位裝置識別，所以在計算機中也能夠看到這一標記點中心和探針針尖22的位置，如果它們的位置不在一起，則利用導航軟體將這2個位置補償到一起，按照以上相同的操作，取5個左右標記點，直至將三維模型和實際模型在導航軟體中配準為止。2)面配準取下上蓋2，利用探針，在模型的頭模3上連續的選取一組點雲，該點雲形成的曲面形狀和三維模型中該區域的模型形狀是一致的，將兩者配準，即可將三維模型和實際模型在導航軟體中配準。5.配準完成後，將上蓋2、頭模3都取下，開始進行精度檢測在42個靶點中選取一個靶點P，用探針針尖22點在該靶點P凹坑內，這時，在導航界面的三個視圖(分別表示空間的三個方向)上就會出現利用十字坐標表示的探針針尖22的位置P』，在導航界面上分別測量這三個視圖中P點與P』點之間的距離，即可計算出P點與P』點的空間距離，理論上這兩個點完全對應，距離應該為0。但實際應用中，由於系統的定位存在一定偏差，所以這個距離可能不為0，而這個距離值也就是系統對P』點的定位誤差。用上述方法，逐一測量體模中42個空間定位點的定位誤差。 6.統計學分析數據分布的正態性檢驗採用均方根法，計算42個已測量點的誤差的均方根，得到利用該模型檢測出的導航系統的整體精度。
權利要求1.一種外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，其主體是一個可密封的圓柱體，包括底座，包括基座、外罩和數根有機玻璃棒；該基座位於底座的底面，該基座上設有數根長短不一的有機玻璃棒；該外罩位於底座的側面，該外罩粘結在基座上，該外罩上設有數根長度一致的有機玻璃棒；可拆卸的上蓋，包括密封蓋、連接螺栓和注水孔螺絲；密封蓋中心設有一根用於擰緊上蓋的連接螺栓，其旁邊設有用於注水的注水孔螺絲；該上蓋與底座接觸固定；可拆卸的頭模，該頭模固定於底座的基座上和底座的外罩內。
2.如權利要求1所述的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，所述基座上設有32個直徑一定的孔，將數根長短不一的有機玻璃棒隨機插入這些孔內；在基座上設的有機玻璃棒的底端固定於基座上，頂端設一個小的凹坑，這些凹坑是用於檢測的靶點；在基座上設的有機玻璃棒的長短分布為隨機分布，但較長的有機玻璃棒分布比較靠中心，較短的有機玻璃棒分布比較靠外圈，其中取3根較長的有機玻璃棒，在其上打孔。
3.如權利要求2所述的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，所述基座上設的有機玻璃棒的長短範圍在12mm 62mm，該有機玻璃棒隨機插入32個孔內，插入深度為IOmm ；所述取3根較長的有機玻璃棒，其長度分別為58mm、60mm、62mm，在其上打孔的直徑為4mm、深度為25mm，與有機玻璃棒中軸線的角度為15度，打孔後孔底尖點與有機玻璃棒頂端距離為37mm。
4.如權利要求1所述的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，所述外罩上設有10根有機玻璃棒，其底端固定於外罩上，其頂端設一個小的凹坑，這些凹坑是用於檢測的靶點；在外罩上設的有機玻璃棒的長度比在基座上設的有機玻璃棒更短，且在外罩上設的有機玻璃棒的位置是隨機分布的。
5.如權利要求1或4所述的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，所述外罩上設的有機玻璃棒的長度為10mm。
6.如權利要求1所述的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，所述密封蓋上面設有2個孔，其中一個孔位於密封蓋的中心，用於穿設連接螺栓；另一個孔是注水孔，位於中心孔的旁邊；該連接螺栓從中心孔內穿出，在連接螺栓的上部有一小孔，將密封圈套入後，將把手裝在連接螺栓上，再用銷固定；該注水孔上設有注水孔螺絲，該注水孔螺絲上套上密封圈，再擰到密封蓋上；在密封蓋上粘接密封圈，再將上蓋的密封蓋與底座的外罩接觸固定。
7.如權利要求1所述的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，所述基座中心設一與上蓋的連接螺栓配合固定的螺紋孔。
8.如權利要求1所述的外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其特徵在於，所述頭模上設有用於流入液體並灌滿頭模內部空間的幾個孔；在頭模的下方設有2個用於固定的連接塊，將頭模固定在底座的相應位置。
專利摘要本實用新型公開了一種外科手術導航系統定位精度檢測裝置，其主體是一個可密封的圓柱體，包括底座，包括基座、外罩和數根有機玻璃棒；該基座位於底座的底面，該基座上設有數根長短不一的有機玻璃棒；該外罩位於底座的側面，該外罩粘結在基座上，該外罩上設有數根長度一致的有機玻璃棒；可拆卸的上蓋，包括密封蓋、連接螺栓和注水孔螺絲；密封蓋中心設有一根用於擰緊上蓋的連接螺栓，其旁邊設有用於注水的注水孔螺絲；該上蓋與底座接觸固定；可拆卸的頭模，該頭模固定於底座的基座上和底座的外罩內。本實用新型既能檢測點配準也能同時檢測面配準精度，使檢測精度更高、更真實。
文檔編號A61B19/00GK202051814SQ201120101108
公開日2011年11月30日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者全懿, 葉銘, 奚波, 蘇穎穎 申請人:上海優益基醫療器械有限公司