CN107595406B - 骨折闭合复位治疗的电磁导视系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨折闭合复位治疗的电磁导视系统，其特征在于设有磁场发生器、电磁传感器、CT扫描仪、导航控制系统和电源，所述电磁传感器与磁场发生器电磁连接，所述磁场发生器和CT扫描仪分别与导航控制系统相连接，所述磁场发生器、CT扫描仪和导航控制系统分别与电源相连接，本发明由于采用上述结构，具有手术创伤小、术中无辐射、手术时间短、骨折复位精准、术者劳动强度低、病人痛苦少、术后恢复时间短等优点。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体地说是一种骨折闭合复位治疗的电磁导视系统。
背景技术
众所周知，骨科医生对于骨折手术通常采用切开复位内固定术治疗。这种手术的临床疗效虽确切，但其实质性不足是：骨折切开复位需暴露较多的软组织，创伤大，术后疼痛时间长，由于对周围软组织破坏大，造成骨折端血供差、愈后时间长；传统的中医手法复位，医生常常靠经验对骨折复位，复位过程中医生与患者需要接受较长时间X射线辐射损伤，术者劳动强度大，且骨折复位效果过度依赖X射线及术者的经验。
为了解决上述技术问题，中国专利局公开了一种专利申请号2017103328115、专利名称为一种个体化股骨骨折复位模型构建方法的发明专利申请，该方案是在X线透视或多次摄片作用下进行手术，其实质性不足是：术中过多的应用X线照射，大大增加了病人和医生的辐射损伤。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种手术创口小、病人痛苦小、手术复位误差小、术后恢复时间短、手术时间短、劳动强度低的骨折术中电磁追踪可视复位系统。
一种骨折闭合复位治疗的电磁导视系统，其特征在于设有磁场发生器、电磁传感器、 CT扫描仪、导航控制系统和电源，所述电磁传感器与磁场发生器电磁连接，所述磁场发生器和CT扫描仪分别与导航控制系统相连接，所述磁场发生器、CT扫描仪和导航控制系统分别与电源相连接，在术中进行电磁追踪复位时，先通过CT扫描仪对骨折部位行CT扫描，并将 CT扫描数据导入导航控制系统中，然后启动磁场发生器，实时跟踪目标磁场发生器空间位置信息的姿态变化，确定骨折部位的电磁传感器的位置和方向，并将该信息上传至导航控制系统，同时在导航控制系统中选择这些特征区域，然后进行点云配准：将点云配准的数据在导航控制系统中进行处理，并在导航控制系统中进行三维重建，将坐标值导入，使采集的信息点与CT模型实时配准，配准后，进行人工校正，查看配准点与规划配准区域的重叠程度，完成术前注册配准，再行手法闭合复位。解决了目前采用X线透视下行股骨复位的实质性不足，避免了病人和医生的辐射损伤。
本发明所述导航控制系统的前台基于QT开发用户界面，便于用户进行交互，后台使用VTK实现三维计算机图形学、图像处理和可视化，所述导航控制系统的术中配准模型是采用点云配准对应点之间的最小化的欧式距离的平方和进行建立，
即：
共有Np对对应点。
本发明所述磁场发生器空间位置信息的姿态变化主要采用四元数描述刚体位姿，以达到姿态矩阵法简洁，且没有奇异点的作用，当需要姿态矩阵时，所述四元数q0+iq1+jq2+kq3 即转换成如下旋转矩阵：
大大简化了计算。
本发明由于采用上述结构，具有手术创伤小、术中无辐射、手术时间短、骨折复位精准、术者劳动强度低、病人痛苦少、术后恢复时间短等优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明中导航控制系统的QT开发用户界面图(骨折断端的三维影像自动调整为标准的矢状位、冠状位、轴位)。
图3是本发明中导航控制系统的复位骨折效果图。
图4是本发明电磁导航追踪实施例图。
附图标记：磁场发生器1、电磁传感器2、CT扫描仪3、导航控制系统4和电源5。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图所示，一种骨折闭合复位治疗的电磁导视系统，其特征在于设有磁场发生器1、电磁传感器2、CT扫描仪3、导航控制系统4和电源5，所述电磁传感器2与磁场发生器1电磁连接，所述磁场发生器1和CT扫描仪3分别与导航控制系统4相连接，所述磁场发生器1、CT扫描仪3和导航控制系统4分别与电源相连接，在术中进行电磁追踪复位时，先通过CT 扫描仪3对骨折部位行CT扫描，并将CT扫描数据导入导航控制系统4中，然后启动磁场发生器1，通过导航控制系统实时跟踪目标磁场发生器1空间位置信息的姿态变化，确定骨折部位的电磁传感器2的位置和方向，并将该信息上传至导航控制系统4，同时在导航控制系统4中选择这些特征区域，然后进行点云配准：将点云配准的数据在导航控制系统中进行处理，并在导航控制系统中进行三维重建，将坐标值导入，使采集的信息点与CT模型实时配准，配准后，进行人工校正，查看配准点与规划配准区域的重叠程度，完成术前注册配准，再行手法闭合复位。解决了目前采用X线照射下行骨折复位的实质性不足，避免了病人和医生的辐射损伤。
本发明所述导航控制系统4的前台基于QT开发用户界面，便于用户进行交互，后台使用VTK实现三维计算机图形学、图像处理和可视化，所述导航控制系统的术中配准模型是采用点云配准对应点之间的最小化的欧式距离的平方和进行建立，
即：
共有Np对对应点。
本发明所述磁场发生器1的三个轴(X，Y，Z)为参考坐标系，跟踪目标相对磁场发生器1的空间位置信息可由二者相对距离R、方位角α以及仰角β描述，跟踪目标相对磁场发生器1的空间姿态信息可用滚动角φ、偏航角Ф以及俯仰角θ描述，即跟踪目标的六自由度，所述磁场发生器1空间位置信息的姿态变化主要采用四元数描述刚体位姿，以达到姿态矩阵法简洁，且没有奇异点的作用，当需要姿态矩阵时，所述四元数q0+iq1+jq2+kq3即转换成如下旋转矩阵：
大大简化了计算。
本发明所述导航控制系统是由导航显示器和PLC控制单元构成，通过PLC控制单元接收CT扫描仪上传的信息并在其内部进行处理后在导航显示器中显示出来。
实施例：本发明以股骨骨干中段骨折为例，股骨总长度40-60cm，将骨折断端两侧骨端各设有5个标记点，该标记点即为所述电磁传感器。
一、术前准备：准备股骨骨折断端两侧的骨端固定的5个标记特征点、固定参考架(Marker)；
具体步骤：
1.固定参考架(Marker)：把体外标记特征点的参考架(Marker)，局麻下在骨折的远、近端各应用一枚无磁钢针刚性固定到患侧骨骼上，将电磁传感器固定到体外参考架(Marker)上；
2.扫描CT：CT扫描仪行股骨CT扫描，并将CT扫描数据上传至导航控制系统，其扫描范围需涵盖患侧股骨和体外标记特征点；
3.三维重建：将导入的CT数据到中进行三维重建；
4.图像分割：从导航控制系统的三维影像上分离出患侧骨骼和体外标记好的特征点。
二、点云配准：病人仰卧于手术床上，将Aurora平板(即磁场发生器)放置于手术台上，使患侧股骨在Aurora平板(磁场发生器)的空间范围内，该空间范围通常在 1000mm*1000mm*1000mm中，常规消毒、铺巾，
三、术中配准：使用标记探针在体外标记好特征点的区域进行采集体外标记特征点，同时在导航控制系统中选择这些特征区域，然后进行点云配准：将点云数据在导航控制系统中进行处理，并在导航控制系统中进行三维重建，将坐标值导入，使采集的信息点与CT模型实时配准，配准后，进行人工校正，查看配准点与规划配准区域的重叠程度，完成术前注册配准，配准后的误差需控制在2mm以内。
四、手法复位：
将骨折断端的三维影像自动调整为标准的矢状位、冠状位、轴位(如图2)，复位骨折，在大屏幕上可清晰见到骨折复位的满意效果(如图3)。
通过实时导航可以显示出定位手术器械(如带有电磁传感器的探针)相对患侧骨骼的移动，能够显示骨折区域两块骨骼的相对运动和位置关系，复位完成后，可行石膏外固定，如不稳定骨折，在骨折复位后，在股骨大粗隆定点前内方开口，将带电磁传感器的非磁性的金属髓内针在磁导航装置引导下置入，通过导航显示器可见髓内金属针通过骨折断端进入股骨远侧端，扩髓，放置合适长度及粗细的髓内钉系统，在电磁导航定位下精准的锁定远近端锁钉，其骨折复位误差在2mm，旋转角度控制在3°以内，远近端绞锁钉的准确度达95％以上。
本发明由于采用上述结构，解决了目前采用X线照射下行骨折复位的实质性不足，避免了病人和医生的辐射损伤，具有手术创伤小、术中无辐射、手术时间短、骨折复位精准、术者劳动强度低、病人痛苦少、术后恢复时间短等优点。
Claims (1)
1.一种骨折闭合复位治疗的电磁导视系统，其特征在于设有磁场发生器、电磁传感器、CT扫描仪、导航控制系统和电源，所述电磁传感器与磁场发生器电磁连接，所述磁场发生器和CT扫描仪分别与导航控制系统相连接，所述磁场发生器、CT扫描仪和导航控制系统分别与电源相连接, 所述磁场发生器空间位置信息的姿态变化主要采用四元数描述刚体位姿，当需要姿态矩阵时，所述四元数q0+iq1+jq2+kq3即转换成如下旋转矩阵，
所述导航控制系统的术中配准模型是采用点云配准对应点之间的最小化的欧式距离的平方和进行建立，即：
，所述导航控制系统是由导航显示器和PLC控制单元构成，通过PLC控制单元接收CT扫描仪上传的信息并在其内部进行处理后在导航显示器中显示出来；
所述骨折闭合复位治疗的电磁导视系统使用方法为：
一、术前准备：准备股骨骨折断端两侧的骨端固定的5个标记特征点、固定参考架；
具体步骤：
1).固定参考架：把体外标记特征点的参考架，局麻下在骨折的远、近端各应用一枚无磁钢针刚性固定到患侧骨骼上，将电磁传感器固定到体外参考架上；
2).扫描CT：CT扫描仪行股骨CT扫描，并将CT扫描数据上传至导航控制系统，其扫描范围需涵盖患侧股骨和体外标记特征点；
3).三维重建：将导入的CT扫描数据到导航控制系统中进行三维重建，获得三维影像；
4).图像分割：从导航控制系统的所述三维影像上分离出患侧骨骼和体外标记好的标记特征点，在导航控制系统中选择包含该标记特征点的特征区域；
二、点云配准：
1）病人仰卧于手术床上，将磁场发生器放置于手术台上，使患侧股骨在磁场发生器的空间范围内，
2）术中点云配准：使用标记探针在体外标记好标记特征点的区域进行采集体外标记特征点，然后进行点云配准：将点云数据在导航控制系统中进行处理，并在导航控制系统中进行三维重建，将坐标值导入，使采集的标记特征点与三维影像实时配准，配准后，进行人工校正，查看配准的采集的标记特征点与特征区域的重叠程度，完成术前注册配准，配准后的误差需控制在2mm以内；
三、手法复位：将骨折断端的三维影像自动调整为标准的矢状位、冠状位、轴位，复位骨折。
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