CN112237477B - 骨折复位闭合手术定位导航装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及骨折复位闭合手术定位导航装置，包括：术前定位机构和术中定位机构，所述术前定位机构和所述术中定位机构分别包括定位支杆和定位标识,以及共用的同一个定位支座，所述定位标识包括定位球；用于所述术前定位机构的定位球和用于所述术中定位机构的定位球之间的空间位置及间距相同；所述术前定位机构的定位支杆的长度小于所述术中定位支杆。

Description

骨折复位闭合手术定位导航装置

技术领域

本发明涉及骨折复位闭合手术定位导航装置，尤其涉及多段断骨或骨折的复位闭合手术定位导航。

背景技术

在现有的介入手术中，通常不需要开刀，只需在一个很小的创口中将特制的手术器械伸到人体病灶部位或手术靶点部位，然后通过各种物理或化疗的方法到达治疗的目的。由于介入手术时，医护人员无法直观地凭借肉眼看到患者体内的病灶或需要治疗的部位的情况，因此产生计算机辅助手术导航技术。手术导航系统是将患者术前医学影像数据与术中手术部位通过定位机构相互联系，最终将病灶或手术部位的影像或三维图像投影在屏幕，帮助医护人员实施手术。但在一般的对人体器官或肢体实施手术时，术前的医学影像与术中的手术部位虽然通过定位机构相互联系，但定位机构并不直接固定于病灶上。

对于骨折患者而言，需要通过手术将断骨复位，然后再将复位的断骨相互闭合。因人体骨骼外面包覆有肌肉和皮肤，所以实施断骨或骨折的医生也同样不能通过肉眼直接看到或观察到断骨的位置、姿态位移情况等。因此，在断骨或骨折复位闭合手术中也采用计算机辅助的手术导航系统，帮助医护人员更好地看到患肢情况，了解断骨位置，以便实施手术。

现有技术中，通常采用CT或X射线获得术前和术中的患者骨骼情况。但采用X光透视或使用CT扫描为医生提供断骨形态、位置等信息，则对于患者和医护人员而言，都存在术中辐射伤害。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种能够在术中不采用X光透视或CT扫描的前提下精准显示骨折或断骨形态的断骨复位闭合手术导航装置。

为实现上述目的，本发明提供一种骨折复位闭合手术定位导航装置，包括：所述术前定位机构和术中定位机构分别包括定位支杆和定位标识,以及共用的同一个定位支座，所述定位标识包括定位球；用于所述术前定位机构的定位球和用于所述术中定位机构的定位球之间的空间位置及间距相同；所述术前定位机构的定位支杆的长度小于所述术中定位支杆；

所述装置在使用时按照以下步骤：

在各断骨段上分别安装术前定位机构，进行CT扫描，获取断骨与术前定位机构的图像信息；

确定各断骨段和术前定位机构的定位球数据信息；

以每个断骨段和术前定位机构的定位球为一组，将所获得的数据信息分成数据组，并确定各数据组中包含的术前定位机构中的定位球的球心坐标；

根据定位球的球心坐标确定各术前定位机构与对应的断骨段的配对关系；

拆下术前定位机构，并安装术中定位机构；

利用红外光跟踪识别术中定位机构的定位球，以此确定各术中定位机构中定位球的球心坐标；

根据各术中定位机构的各球心坐标确定术中定位机构的空间姿态，并根据术前定位机构与术中定位机构的坐标转换关系，确定术中各断骨段的空间姿态；

显示各断骨模型。

根据本发明的一个方面，用于所述术前定位机构的定位球为金属材料制造的刚性圆球，用于所述术中定位机构的定位球为塑料材料制成的圆球且其外表面涂覆有红外线反射材料。

根据本发明的一个方面，所述的包含术前定位机构的定位标识的定位球的数据组中包含4个定位球的球心坐标及由4个定位球所确定的术前定位标识的姿态。

根据本发明的一个方面，在每段断骨段上安装一个术前定位机构。

根据本发明的一个方案，定位标记机构中的标记机构采用金属或涂有近红外反光涂层的塑料材料制成，其标记位置可以被图像采集设备采集，实现对断骨空间位姿的实时追踪，并实时将追踪到的断骨显示在显示屏。

根据本发明，在术前和术中进行定位时，由于采用将定位支杆和标识架固定在钢针上，所以只有在制造各个零部件时的尺寸公差可能带来定位偏差。而机械加工中的误差可以控制在非常小的范围之内，例如仅仅是0.01mm的数量级。这种定位误差远远小于现有技术中以毫米数量级计算的定位偏差。因此，根据本发明的定位精度被大幅度提高。

此外，由于采用了术中定位机构作为定位标准，所以不用X光透视或CT扫描来确定断骨位置，彻底杜绝了术中X射线对患者、医护人员的辐射伤害。

根据本发明，将定位球与对应的断骨相互关联对应，在数据处理或计算中，以定位球确定相关骨段。因此，根据本发明上述构思，可以在一次CT扫描或红外跟踪过程中，采集所有断骨或断骨片的信息，然后根据定位球确定对应骨段，进而将采集到的整体信息分割成各个对应骨段的信息。这将有利于计算和确定不同骨段的位置信息。

根据本发明的构思，通过更换术前定位机构和术中定位机构，采用不同的CT扫描和红外线跟踪设备，确定术前和术中断骨位置关系，在为医生提供准确的术中断骨位置、姿态信息的同时，完全避免任何对人体有害的辐射源，从而有效保护医患两者在术中不受辐射的伤害。

而由于根据本发明的构思，在术前和术中，将定位支座与外固定支架中的钢针相互固定连接，只是根据检查和治疗进程的推进更换不同的定位支杆和定位标识，从而使得定位球相对断骨段的位置相对固定不变，由此从本质上改变了断骨段与定位机构之间的定位精度问题。根据本发明，在术前、术中，根本不存在断骨段和定位机构之间的任何位置漂移或变化。这使得在手术中为医生显示的活展现的断骨段的位置、姿态以及各个断骨段之间的关系均与实际情况完全吻合。

根据本发明，假如在术前和术中定位机构上分别建立坐标系，则术前定位机构和术中定位机构的更换仅仅涉及两个坐标系的平移，因为术前和术中定位机构中只有标示杆长度变化，其它结构特征相同。因此，根据本发明，术中并不通过CT或X射线等方法确定断骨段的实时位置，而是通过红外线跟踪和两个坐标系的平移转换关系推导出对应的断骨段的实时位置、姿态等信息，并将其显示给手术医生。因此，根据本发明，在术中没有辐射伤害的危险。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种骨折复位闭合手术定位导航装置使用流程示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

附图1是概括性表示根据本发明的骨折复位闭合手术定位导航装置的流程示意图。下面将结合附图1说明根据本发明构思的装置。

通常，当骨折患者被送到医院后，首先需要固定折断的骨骼，然后再对断骨或骨折后的骨段实施复位闭合手术。这样，就要在患者病肢上安装外固定支架，用以固定各断裂的骨段。随后，对已经被外固定支架固定的患肢进行CT或X射线等扫描，获取断骨的医学影像信息。在实施手术时，再通过CT或X射线等设备获取断骨的位置、姿态信息，用以引导手术医生实施复位闭合手术。

根据本发明的构思，在患肢上安装外固定支架以后，以外固定支架中的钢针为支点，在患肢上安装本发明的术前定位机构。术前定位机构包括定位支座、定位支杆和定位标识。在将根据本发明的术前定位机构安装在外固定支架上时，首先将定位支座安装固定在外固定支架的钢针上，并使其尽量靠近患肢皮肤。然后，将术前定位机构的定位支杆安装在定位支座上。通常，定位支杆与定位标识是相互固定连接的。但是也可以先安装定位支杆，然后再将定位标识安装固定在定位支杆上。术前定位机构中的定位标识包含定位球和支承定位球的支架。根据本发明，采用四个定位球，并将四个定位球相互相间地设置在相对水平面不同的高度，并且至少三个球相互间不在同一条直线上。也就是说，四个在三维坐标系中处于不同的高度，相互相间距离，并且至少三个球相互不在一条直线上。简言之，四球不共面，三球不同线。

根据本发明，在每一段断骨上安装的术前定位机构中的定位标识相互不同。也就是说，每一个定位标识中的定位球的相互之间的空间位置关系不同。由此，每一段断骨段上安装的定位球在三维空间中的分布情况或分布规律不同，从而使每段断骨段对应唯一的、相互不同的定位机构。因此，根据4个定位球的空间分布规律，即可确定与之对应的断骨段。这将为下一步术中识别、确定断骨段的坐标及姿态提供唯一确定的、数据精准的结果。

根据本发明，采用CT扫描设备获取术前患肢断骨医学影像。用于术前定位机构的定位球采用金属材料制成。例如，采用铝材料的金属球。这有助于获得清晰的断骨影像。

在安装术前定位机构后，便通过CT设备对患肢进行扫描，从而获取包含所有断骨段以及与每段断骨段对应的、专属配对的术前定位机构的医学影像数据。在这个医学影像数据中，即包含了所有的断骨段又包含了安装在各个断骨段上的定位机构的影像。由于每个术前定位机构中所包含的定位标识的定位球之间的空间位置关系均不相同，所以每段断骨段对应着与之相配的特定的定位球的三维影像信息。

根据本发明，在获取上述医学影像数据信息之后，首先对其进行预处理。根据骨骼的CT阈值，分别提取骨骼数据和术前定位机构中的定位球数据。定位球是一个立体的球，定位球的数据信息指的是组成这个球的所有点的数据，球心坐标就是根据这些数据计算出的立体球的球心的空间坐标。然后对所获数据进行降噪、滤波等处理，以提高数据清洁度。预处理后的数据依然是包含所有各个断骨段和与之对应的术前定位机构的完整数据。

根据本发明，以每一段断骨段和固定在该断骨段上的术前定位机构为一组，将所获得的数据分成若干组。分别得到包含术特定的前定位机构数据的各个断骨的骨骼数据。例如，在患者肱骨断裂为三段的病例中，肱骨分裂成a,b,c三段。此时，在每一段肱骨段上，在a段,b段,c段上，已经分别安装的了术前定位机构，并且安装在a段,b段,c段上的术前定位机构所包含的定位球相互不同。根据本发明的一种实施方式，每个定位标记中有4个定位球，每4个球相互之间有固定的空间位置关系。尤其重要的是，每一组定位球与其他组定位球的空间位置关系均不相同。由此形成每段断骨段对应特定的术前定位机构。

根据本发明，针对上述分割后所获得的多组断骨数据和定位机构数据分别进行分析计算，得出每组中所包含的定位球的球心坐标。根据本发明，每组数据中均包含4个球心坐标数据。在确定球心坐标数据之后，根据定位球的球心坐标在三维空间中的排布规律，确定该术前定位机构中的定位标识与断骨段的对应关系。换句话说，得出每段断骨段与安装与其上的术前定位机构中的定位标识的相互对应关系。由此确定各断骨段与相应的术前定位机构中的定位标识的两两对应关系。例如，断骨段a和相应的术前定位机构中的定位标识m的对应关系。然后，根据分割后的骨骼数据计算得出断骨段与术前定位机构中的定位标识之间的位置关系。例如，获得断骨段a与术前定位机构中定位标识m之间的位置关系。

假设将断骨a基于CT坐标系下的扫描数据记为集合A，那么断骨a上的任意点均属于集合A，由于断骨a与术前标识组m是在同一次CT扫描中获取的，所以术前标识组m中的定位球球心坐标均是基于CT坐标系下的。先在术前标识组m上建立术前标识坐标系，然后根据术前标识组m的四个球心坐标，可以计算出术前标识坐标系与CT坐标系间的转换关系，即旋转矩阵R1和平移矩阵T1。那么通过A术前＝F1(A，R，T1)求得断骨a基于术前标识坐标系下的扫描数据，即断骨a与术前标识组m的位置关系。其中A术前表示断骨a基于术前标识坐标系下的扫描数据的集合，F1表示坐标变换的映射关系。同理可以计算出其它断骨相对于对应术前标识组的位置关系。

在确定上述各断骨段与相应的定位标识之间的关系之后，便可用术中定位机构替代术前定位机构。

根据本发明，术前定位机构中的定位标识中的4个定位球相互之间的空间位置、排布规律等与术中定位机构中的标识中的4个定位球的完全相同。两组定位球的区别仅仅在于定位球的材质不同。术前定位机构中的定位球是金属球，而术中定位机构中的定位球是非金属的，例如塑料球，且其外表面涂覆有红外线反射材料。设置这种区别的目的在于：根据本发明的手术导航装置中，术中采用红外线跟踪设备跟踪确定定位球的位置。由此避免使用任何辐射设备确定断骨姿态和位置，减少对患者和医护人员的辐射伤害。

此外，在根据本发明的手术导航装置中，术前定位机构中的定位支杆的长度较短，而术中定位机构中的定位支杆较长。根据本发明，例如术前定位支杆与术中定位支杆长度之比大约为1:5。术前定位机构中的定位支杆较短，有利于使术前定位机构中的定位标识尽可能靠近患者病肢皮肤，靠近断骨段。由此，在进行CT扫描时，可以最大限度地减少外固定支架对医学影像成像的干扰或影响。根据本发明，最好使定位支座贴在患肢皮肤上。而在术中，一方面由于采用对医患均无伤害的红外线跟踪设备确定定位标识的位置，因而需要使定位标识充分暴露在红外线所能照射到的区域之中，以便避开外固定支架对红外线的遮挡或干扰；另一方面，又要为医生实施复位闭合手术提供充足的手术空间。因此，根据本发明，通过增加术中定位支杆的长度，将术中定位标识尽可能地升高到不受外固定支架影响并为医生手术提供足够空间的位置。

根据本发明，术前和术中定位机构采用了同一个定位支座，并且这个定位支座从一开始安装到外固定支架中的钢针上之后便一直保持与该钢针的固定连接关系不变。同时，术前和术中采用的定位标识中的4个定位球之间的空间位置关系、分布规律等均完全相同。由此，术前定位标识与术中定位标识中的定位球只有相对各对应的断骨段的距离发生变化，而其他对应关系均保持不变。也就是说，在三维矢量空间中，在术前和术中，定位球与对应断骨段的位置关系是坐标平移转换关系。由此可见，就定位标识或者说定位球而言，术前与术中的位置差仅仅是其组成部分的机械加工误差而已。这种机械零件的加工误差对于骨折复位闭合手术导航而言非常小，以至于可以忽略不计。从这个角度出发，在本发明中，以术前和术中定位机构标定相应断骨段的位置以及姿态，进而为手术提供导航指引的方法理论上没有误差。术前确定的断骨段信息与术中显示给手术医生的信息完全相同，因为可能存在的误差就数量级而言可以忽略不计。

根据本发明，在术中采用术中定位机构。因此，在完成术前扫描后，需将术前定位机构中的定位支杆和定位标识拆下，同时保留定位支座固定安装在外固定支架的钢针不动。在实施复位闭合手术之前，需要在定位支座上安装中定位机构的术中定位支杆和定位标识，然后利用红外射线寻找并跟踪各个定位球，确定定位球的位置坐标以及相应的分布形态或规律。根据红外线跟踪所获得的数据，分析计算出各组定位球球心坐标数据。进而推到出相应的定位标识数据信息。例如，通过计算确定术中定位标识m'。通过确定4个定位球的球心坐标和相互之间的分布规律，就可以确定与之对应的断骨段，然后根据术前扫描得出的该断骨段的信息，推定当前断骨段的位置信息。

由于术前定位标识m与术中定位标识m'相互对应相同，因而可以推导出与术中定位标识m'对应的是断骨段a。

换句话说，由于对应的术前标识与术中标识的定位球的空间位置关系相同，仅限于定位支杆的长度存在区别。即分别在术前标识和术中标识上建立坐标系，两坐标系间仅存在平移关系，即有平移矩阵T2，通过A术中＝F2(A术前，T2)求出A术中，其中A术中表示断骨a基于术中标识坐标系下的扫描数据的集合，F2表示坐标变换的映射关系。同理可以计算出其它各断骨相对于自己所对应的术中标识的空间位置关系。通过识别各术中标识的定位球，并计算出各定位球的球心坐标。根据各球心坐标确定术中标识的空间排布，得出当前术中标识从属的标识组，并计算出各术中标识组的空间姿态。根据各术中标识组的位置姿态，实时渲染、显示各断骨模型。

在获得上述断骨模型之后，便可将其投影到显示设备上，例如显示屏或者是头戴VR设备，从而指导医生实施断骨复位闭合手术。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.骨折复位闭合手术定位导航装置，包括：术前定位机构和术中定位机构，所述术前定位机构和所述术中定位机构分别包括定位支杆和定位标识,以及共用的同一个定位支座，所述定位标识包括定位球；用于所述术前定位机构的定位球和用于所述术中定位机构的定位球之间的空间位置及间距相同；所述术前定位机构的定位支杆的长度小于所述术中定位支杆；

所述装置在使用时按照以下步骤：

在各断骨段上分别安装术前定位机构，进行CT扫描，获取断骨与术前定位机构的图像信息；

确定各断骨段和术前定位机构的定位球数据信息；

以每个断骨段和术前定位机构的定位球为一组，将所获得的数据信息分成数据组，并确定各数据组中包含的术前定位机构中的定位球的球心坐标；

根据定位球的球心坐标确定各术前定位机构与对应的断骨段的配对关系；

拆下术前定位机构，并安装术中定位机构；

利用红外光跟踪识别术中定位机构的定位球，以此确定各术中定位机构中定位球的球心坐标；

根据各术中定位机构的各球心坐标确定术中定位机构的空间姿态，并根据术前定位机构与术中定位机构的坐标转换关系，确定术中各断骨段的空间姿态；

显示各断骨模型。

2.根据权利要求1所述的骨折复位闭合手术定位导航装置，其特征在于，用于所述术前定位机构的定位球为金属材料制造的刚性圆球，用于所述术中定位机构的定位球为塑料材料制成的圆球且其外表面涂覆有红外线反射材料。

3.根据权利要求1或2所述的骨折复位闭合手术定位导航装置，其特征在于，所述的包含术前定位机构的定位标识的定位球的数据组中包含4个定位球的球心坐标及由4个定位球所确定的术前定位标识的姿态。

4.根据权利要求1所述的骨折复位闭合手术定位导航装置，其特征在于，在每段断骨段上安装一个术前定位机构。

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