CN202069692U

CN202069692U - 基于x光图像的三维坐标定位标尺

Info

Publication number: CN202069692U
Application number: CN2011200807421U
Authority: CN
Inventors: 王豫; 张维军; 钟学东
Original assignee: Beijing Tinavi Medical Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Tinavi Medical Technology Co Ltd
Priority date: 2011-03-24
Filing date: 2011-03-24
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2021-03-24

Abstract

一种基于X光图像的三维坐标定位标尺，包括标尺框架，所述标尺框架包括至少两排并排排列的正位透X光标尺和至少两排并排排列的侧位透X光标尺，各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上均设置有至少四个球形的标记点，标记点为不透X光的球形部件。该标尺能够消除计算手术路径时引起的***误差，提高标尺精度，并减少设备反复调整的次数，减少X光暴漏时间及手术时间。

Description

基于X光图像的三维坐标定位标尺

技术领域

本实用新型涉及一种外科器械，特别是一种在骨科导航手术中基于X光图像的三维坐标定位标尺。

背景技术

在各种骨科导航手术中，空间定位算法是其核心的技术之一，设置有特殊标记点的定位标尺作为重要的定位部件通常放在X光光源和X光成像装置之间。在进行骨科导航手术时，通过X光光源从两个角度照射患肢，在X光成像装置上形成图像，该图像包括患肢与标尺上的标记点的成像，图像采集后经过视频数据线传输至计算机内，经计算机内的图像控制操作软件进行计算处理最终确定手术路径，即确定需***的导针的轴线位置坐标并作为目标点几何位置，最终将导针***到患肢内完成手术。

现有的定位标尺通常在双平面定位时的每个平面的前后坐标系中设置三个标记点，如在双平面导航机器人***在不同骨科适应症中的应用研究(《机器人》，2007，29(3)：200-206，王豫，贠超，张丰全，杨闯)中，描述了双平面定位算法的原理，并给出一个标尺原型，如图1所示，标尺包括侧位前坐标系标记点1’、正位前坐标系标记点2’、正位后坐标系标记点3’和侧位后坐标系标记点4’，图中虚线反应标记点的排布关系。该双平面的前后坐标系中分别设置三个标记点的标尺，是基于比例变换原理计算目标点坐标，当X光光轴与标记点所在平面不垂直时，采集的图像传输至计算机进行计算处理时会为计算结果引入***误差。由于在照相时并不能保证X光光轴与标记点所在平面垂直，使得计算出的手术路径存在一定偏差。而且，在实际手术操作时，要求将手术部位的患肢及其正位的前、后坐标系标记点同时包括在一个X光图像里，将手术部位的患肢及其侧位的前、后坐标系标记点同时包括在另一个X光图像里，由于X光成像装置(C形臂)的视野很小，在实践中往往需要多次反复调整定位标尺的位置以及X光成像装置的位置，多次照相才能满足要求，这样做不但增加了X光暴漏的时间，而且延长了手术时间。

实用新型内容

本实用新型针对现有的定位标尺会引起计算的手术路径存在偏差，而且会增加在实际操作时的X光暴漏时间及手术时间的问题，提供一种新型基于X光图像的三维坐标定位标尺，能够消除计算手术路径时引起的***误差，提高标尺精度，并减少设备反复调整的次数，减少X光暴漏时间及手术时间。

本实用新型的技术方案如下：

一种基于X光图像的三维坐标定位标尺，包括标尺框架，所述标尺框架包括至少两排并排排列的正位透X光标尺和至少两排并排排列的侧位透X光标尺，其特征在于，所述各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上均设置有至少四个球形的标记点，所述标记点为不透X光的球形部件。

所述各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上的球形的标记点均分布为两组或两组以上，每组包括四个标记点。

所述正位透X光标尺上设置有不透X光的正位辅助标记，所述侧位透X光标尺上设置有不透X光的侧位辅助标记。

所述正位透X光标尺或侧位透X光标尺上设置有标尺连接杆，所述标尺连接杆上设置有与骨科导航机器人相连的快速连接接口。

所述不透X光的球形部件为金属球。

所述金属球为钢球或铜球。

所述并排排列的正位透X光标尺上的标记点在正位平面上位于患肢的同侧或两侧；所述并排排列的侧位透X光标尺上的标记点在侧位平面上位于患肢的同侧或两侧。

本实用新型的技术效果如下：

本实用新型提供的基于X光图像的三维坐标定位标尺，主要包括至少两排并排排列的正位透X光标尺和至少两排并排排列的侧位透X光标尺构成的标尺框架，在各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上均设置有至少四个球形的标记点，各标记点为不透X光的球形部件。在进行骨科导航手术时，对两幅不同角度(正位和侧位)的X光图像进行三维坐标计算，该标尺上的各标记点(或各标记点内的不透X光的球形部件)以及患肢在X光成像装置上形成图像，每张图像上包括并排排列的正位透X光标尺或并排排列的侧位透X光标尺上的至少四个标记点的成像，此时四个标记点的标尺能够基于射影变换原理计算目标点坐标，该计算结果误差与X光光轴与标记点所在平面的角度无关，所以即使X光光轴与标记点所在平面不垂直，采集的图像传输至计算机进行计算处理时也不会为计算结果引入误差，故能够精确计算出手术路径，消除现有的定位标尺计算手术路径时引起的***误差，提高了标尺定位精度。

在各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上的球形的标记点均分布为两组或两组以上，每组包括四个标记点，即在正位透X光标尺和侧位透X光标尺的前、后坐标系分别设置多组标记点，这样在实际手术操作时，手术部位的患肢、正位和侧位的前坐标系标记点、正位和侧位的后坐标系标记点都包括在同一个X光图像里的概率明显增大，克服了由于X光成像装置的视野很小的缺陷，只需其中一组标记点在图像中即可满足要求，因此能减少对定位标尺的位置以及X光成像装置的位置反复调整的次数，减少X光暴漏时间，缩短手术时间。

在正位透X光标尺上设置的不透X光的正位辅助标记，以及在侧位透X光标尺上设置的不透X光的侧位辅助标记，辅助标记与标记点的相对位置在图像中保持不变，这样计算机在对图像进行计算处理时可根据辅助标记的位置对标记点进行正确的分组，并做顺序标记，方便计算处理。

附图说明

图1为现有的定位标尺的结构示意图。

图2为本实用新型的定位标尺的第一种优选结构示意图。

图3为X光光源侧面照射患肢时图2所示定位标尺在X光成像装置上成像示意图。

图4为本实用新型的定位标尺的第二种优选结构示意图。

图5为本实用新型的定位标尺的第三种优选结构示意图。

图中各标号列示如下：

1’-侧位前坐标系标记点；2’-正位前坐标系标记点；3’-正位后坐标系标记点；4’-侧位后坐标系标记点；1-侧位后坐标系第一组标记点；2-侧位后坐标系第二组标记点；3-侧位前坐标系第一组标记点；4-侧位前坐标系第二组标记点；5-标尺框架；6-正位后坐标系第一组标记点；7-正位后坐标系第二组标记点；8-侧位辅助标记；9-快速连接接口；10-标尺连接杆；11-正位前坐标系第一组标记点；12-正位前坐标系第二组标记点；13-正位辅助标记；14-患肢。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行说明。

本实用新型涉及一种基于X光图像的三维坐标定位标尺，其第一种优选结构示意图如图2所示，该定位标尺包括标尺框架5，该标尺框架5包括相互连接的两排并排排列的正位透X光标尺和两排并排排列的侧位透X光标尺，各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上均设置有两组或两组以上的球形的标记点，该实施例为两组，如图2所示，两排侧位透X光标尺中的一排包括侧位后坐标系第一组标记点1和侧位后坐标系第二组标记点2，另一排侧位透X光标尺包括侧位前坐标系第一组标记点3和侧位前坐标系第二组标记点4，侧位透X光标尺上设置有不透X光的侧位辅助标记8；两排正位透X光标尺中的一排包括正位后坐标系第一组标记点6和正位后坐标系第二组标记点7，另一排正位透X光标尺包括正位前坐标系第一组标记点11和正位前坐标系第二组标记点12，正位透X光标尺上设置有不透X光的正位辅助标记13；每组标记点包括四个标记点，各标记点内设置有不透X光的球形部件，该球形部件优选为如钢球或铜球等金属球。从原理上说，标记点的排布无特殊要求，实际中为加工方便，制成正方形分布，各组标记点连续排布。

本实用新型的定位标尺设置有标尺连接杆10，该标尺连接杆10通过快速连接接口9连接骨科导航机器人的本体(如导航机器人的底座或其它部位)，以确定骨科导航机器人的原始位置，同时实现定位标尺与骨科导航机器人本体的快速连接及精确定位。骨科手术前定位标尺单独存放，有利于保存；手术中可随时快速拆装，运用灵活。

在进行骨科导航手术时，通过X光光源从两个角度(正位和侧位)照射患肢，在X光成像装置上形成图像，该图像包括患肢与该定位标尺上的各标记点的成像，如图3所示的X光光源侧面照射患肢14时患肢14以及定位标尺在X光成像装置上成像示意图，定位计算要求明确标记点的中心坐标，并且要对各标记做分组和顺序标记。计算机可以通过图像处理的办法求取标记点中心的坐标，在本实用新型的定位标尺上优选增加辅助标记8和13，辅助标记用于计算机自动识别，辅助标记与各标记点的相对位置在图像中保持不变，计算机可根据标记的位置对标记点进行正确的分组，并做顺序标记。图3中的1、2、3、4是标记点的顺序号，四个标记点分布代表了一个坐标平面上的四个点：(0，a)，(0，0)，(a，0)，(a，a)，顺序标记的作用就是将图像中的点与上述四个坐标对应起来。图像采集后经过视频数据线传输至计算机内，经计算机内的图像控制操作软件基于射影变换原理采用双平面定位算法，对两幅不同角度(正位和侧位)的X光图像进行三维坐标计算，它通过二维图像信息，计算目标与定位标尺的三维位置关系，从而确定患肢目标的空间坐标，该计算结果误差与X光光源的光轴与标记点所在平面的角度无关，通过目标与标尺上的各标记点的位置关系来表示患肢目标与标尺位置关系，从而最终确定手术路径，即确定需***的导针的轴线位置坐标并作为目标点几何位置，最终将导针***到患肢内完成手术。

在图2所示的基于X光图像的三维坐标定位标尺中，两排并排排列的正位透X光标尺上的标记点6、7和11、12在正位平面上位于目标患肢的两侧；两排并排排列的侧位透X光标尺上的标记点1、2和3、4在侧位平面上位于患肢的同侧。当然，两排并排排列的侧位透X光标尺上的标记点在侧位平面上也可以位于患肢的两侧，如图4所示的本实用新型的定位标尺的第二种优选结构示意图，图4中的标尺框架为O形，各正、侧位的标记点(包括第一组标记点和第二组标记点)都设置在目标患肢的两侧；两排并排排列的正位透X光标尺上的标记点在正位平面上也可以位于目标患肢的同侧，如图5所示的本实用新型的定位标尺的第三种优选结构示意图，图5中的标尺框架为L形，各正、侧位的标记点(图中仅显示了第一组标记点)都设置在目标患肢的同侧。在本实用新型的标尺上前、后坐标系分别设置多组标记点(或仅设置一组标记点，每组标记点包括四个标记点)，只需其中一组标记点在图像中即可满足要求，因此能减少对定位标尺的位置以及X光成像装置的位置反复调整的次数，减少X光暴漏时间，缩短手术时间。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims

1.一种基于X光图像的三维坐标定位标尺，包括标尺框架，所述标尺框架包括至少两排并排排列的正位透X光标尺和至少两排并排排列的侧位透X光标尺，其特征在于，所述各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上均设置有至少四个球形的标记点，所述标记点为不透X光的球形部件。

2.根据权利要求1所述的标尺，其特征在于，所述各正位透X光标尺和侧位透X光标尺上的球形的标记点均分布为两组或两组以上，每组包括四个标记点。

3.根据权利要求1或2所述的标尺，其特征在于，所述正位透X光标尺上设置有不透X光的正位辅助标记，所述侧位透X光标尺上设置有不透X光的侧位辅助标记。

4.根据权利要求3所述的标尺，其特征在于，所述正位透X光标尺或侧位透X光标尺上设置有标尺连接杆，所述标尺连接杆上设置有与骨科导航机器人相连的快速连接接口。

5.根据权利要求4所述的标尺，其特征在于，所述不透X光的球形部件为金属球。

6.根据权利要求5所述的标尺，其特征在于，所述金属球为钢球或铜球。

7.根据权利要求4所述的标尺，其特征在于，所述并排排列的正位透X光标尺上的标记点在正位平面上位于患肢的同侧或两侧；所述并排排列的侧位透X光标尺上的标记点在侧位平面上位于患肢的同侧或两侧。