專利名稱：手術(shù)導(dǎo)航器械的通用標(biāo)定模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用于確定手術(shù)導(dǎo)航中所用手術(shù)器械尖端的位置和尺寸的手術(shù)導(dǎo)航器 械通用標(biāo)定模塊，可用于對(duì)手術(shù)器械的前部工具(如探針前端、擺鋸鋸片、骨鉆鉆頭等)的位 置坐標(biāo)和器械前部的直徑、寬度、方位等幾何特征的測(cè)量標(biāo)定。使通用的手術(shù)器械在附著跟
蹤標(biāo)志架后就可以被光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)所跟蹤。本實(shí)用新型屬于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技 術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)將空間三維定位技術(shù)、三維可視化和實(shí)際臨床手術(shù)相結(jié)合，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì) 人體結(jié)構(gòu)和手術(shù)器械的實(shí)時(shí)三維顯示，輔助醫(yī)生完成高精度的手術(shù)。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的核心功 能，是讓醫(yī)生知道所使用手術(shù)器械(如穿刺針、鉆頭、擺鋸鋸片以及其他需要置入人體的器械) 在病人身體內(nèi)部到達(dá)的三維空間位置。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，就需要通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí) 跟蹤人體和手術(shù)器械的空間位置，并在計(jì)算機(jī)上正確顯示手術(shù)器械與人體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 為跟蹤手術(shù)器械的運(yùn)動(dòng)，目前常用的方式是采用光學(xué)運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，在使用中將手術(shù)器械看 作不變形的剛體，通過(guò)測(cè)量固結(jié)在器械上的主動(dòng)發(fā)光或被動(dòng)反光的剛體跟蹤標(biāo)志架的空間位 置，來(lái)獲取手術(shù)器械這個(gè)剛體的空間位置，并計(jì)算其尖端的位置，以及手術(shù)器械軸線的方向、 其前部工具的大小尺寸等幾何信息。
由于不同廠家出品的手術(shù)器械的樣式有很大區(qū)別，因此目前在手術(shù)導(dǎo)航中都需要使用專 用的導(dǎo)航手術(shù)器械，這些器械的形狀和尖端的位置信息，以及其上面固結(jié)的剛體跟蹤標(biāo)志架 的位置都是廠家嚴(yán)格定義好的，并通過(guò)制造過(guò)程來(lái)保證的。因此，在跟蹤手術(shù)器械時(shí)，導(dǎo)航 系統(tǒng)可以根據(jù)這些信息來(lái)精確計(jì)算器械的尖端位置、器械方向等信息，而器械前部工具尺寸 也是事先定義并存儲(chǔ)在導(dǎo)航計(jì)算機(jī)中的。但是，這樣做的結(jié)果是一套導(dǎo)航系統(tǒng)只能使用少數(shù) 其能夠識(shí)別的手術(shù)器械，而無(wú)法將普通的通用手術(shù)器械用于導(dǎo)航手術(shù)，這也造成了導(dǎo)航手術(shù) 器械的昂貴和通用性差的問(wèn)題，同時(shí)，如果導(dǎo)航的手術(shù)器械發(fā)生跌落等沖擊，其定位的精確 度也會(huì)下降，使器械無(wú)法繼續(xù)用于導(dǎo)航手術(shù)。為將通用的手術(shù)器械用于導(dǎo)航手術(shù)，最關(guān)鍵的是需要確定器械尖端位置、器械前部工具 軸線方向相對(duì)于器械上的跟蹤標(biāo)志架的坐標(biāo)，其前部工具的直徑、寬度等幾何尺寸。因此在 實(shí)際使用中，迫切需要一種輔助工具，能夠幫助醫(yī)生確定器械上所固結(jié)的剛體跟蹤標(biāo)志架相 對(duì)手術(shù)器械尖端的位置關(guān)系、器械前部工具的軸線方向，以及確定手術(shù)器械前部工具的尺寸， 如探針和鉆頭的粗細(xì)、鋸片的寬窄等幾何要素。
在已往的研究中，已經(jīng)有一些解決手術(shù)器械定位問(wèn)題的方案，如中國(guó)專利2451065公開(kāi) 了一種"股骨頸穿針導(dǎo)航器"，通過(guò)機(jī)械裝置確定定向穿針的位置和參照物問(wèn)題，能夠?qū)崿F(xiàn)穿 刺針的三維定位；中國(guó)專利2187048公開(kāi)了一種"股骨頸骨折內(nèi)固定多功能導(dǎo)向器"；中國(guó)專 利2075069公開(kāi)了一種"框架式股骨頸帶針定向器"，通過(guò)特定的導(dǎo)向，確定針的位置和角度。 中國(guó)專利2354096公開(kāi)了一種"股骨頸和粗隆間骨折穿釘定位器"，通過(guò)套體和緊定釘進(jìn)行位 置的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的空間方向的穿釘導(dǎo)引。但這些方法都無(wú)法與現(xiàn)有的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的 三維運(yùn)動(dòng)跟蹤相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)通用手術(shù)器械的動(dòng)態(tài)跟蹤。
通過(guò)檢索可以看到，目前還缺乏能夠在使用中有效測(cè)量和標(biāo)定手術(shù)導(dǎo)航器械跟蹤標(biāo)志架 與手術(shù)器械前部工具之間幾何關(guān)系，從而使普通手術(shù)器械變成可以被跟蹤的導(dǎo)航器械的簡(jiǎn)便 實(shí)用的裝置，使得在導(dǎo)航手術(shù)中所使用的器械受到限制。另一方面，對(duì)在用的器械也缺乏能 夠標(biāo)定其前部工具的尖端位置等幾何要素的裝置。本實(shí)用新型所公開(kāi)的通用標(biāo)定模塊可以簡(jiǎn) 便易行地測(cè)量多種不同形狀的手術(shù)器械前部工具的尖端位置和軸線的方向，并測(cè)量器械前部 工具的直徑或?qū)挾鹊葞缀我?，從而通過(guò)在通用手術(shù)器械上附著標(biāo)志架來(lái)對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行跟 蹤，標(biāo)定模塊的使用可以保證良好的測(cè)量重復(fù)性，并保證了不同測(cè)試對(duì)象間數(shù)據(jù)的可比性， 有很高的實(shí)用價(jià)值。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種手術(shù)導(dǎo)航器械的通用標(biāo)定模塊，可以方便地用來(lái)標(biāo)定手術(shù) 器械的尖端位置、手術(shù)器械前部工具的軸線方向，以及手術(shù)器械前部工具的幾何尺寸。同時(shí) 該標(biāo)定模塊也可以對(duì)導(dǎo)航手術(shù)器械上述參數(shù)的精度進(jìn)行驗(yàn)證，保證手術(shù)中所使用器械的精確 定位。
本實(shí)用新型的特征在于含有由相互垂直的三個(gè)剛性平面構(gòu)成的標(biāo)定模塊的主體，其中基準(zhǔn)平面(1-1)，與直角坐標(biāo)系的XY平面重合，用于定位手術(shù)導(dǎo)航器械尖端的位置;第
一定位平面(1-2)，與所述直角坐標(biāo)系的XZ平面重合。在所述第一定位平面(l-2)相對(duì)于所 述基準(zhǔn)平面(l-l)的縱向側(cè)面上，固結(jié)有若干能被手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤的標(biāo)定點(diǎn)，各標(biāo)志點(diǎn)在所 述XYZ直角坐標(biāo)系中的空間位置的坐標(biāo)是己知的，所述標(biāo)志點(diǎn)的布局呈不對(duì)稱布局。在所述 第一定位平面(l-2)的所述縱向側(cè)面上，還具有3 — 5個(gè)不同直徑的凹坑，允許所述手術(shù)導(dǎo)航器 械工具的尖端以所述凹坑為中心進(jìn)行三維空間的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，凹坑的約束形成所述手術(shù)導(dǎo)航 器械的不動(dòng)點(diǎn)，以便于手術(shù)器械前端工具的尖端位置進(jìn)行標(biāo)定；第二定位平面(l-3),既垂直 于所述基準(zhǔn)平面(1-1)，也垂直于所述第一定位平面(l-2)，所述第二定位平面(l-3)與所述第 一定位平面(1-2)的交線即為所述垂直坐標(biāo)系XYZ的Z軸，在所述第二定位平面(1-3)與所 述基準(zhǔn)平面(l-l)之間留有設(shè)定的間隙，用以標(biāo)定尖端具有側(cè)向伸出突起的手術(shù)器械前部工具。 本實(shí)用新型的技術(shù)方案提供了一種用于手術(shù)導(dǎo)航器械標(biāo)定的通用標(biāo)定模塊，并說(shuō)明了模 塊的使用方法。該模塊的主體是固結(jié)有可以被光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤的標(biāo)志點(diǎn)的剛 體模塊，在模塊上有作為標(biāo)定基準(zhǔn)的平面和直角交叉邊，以及可以標(biāo)定器械尖端位置的定標(biāo) 凹坑。在使用中通過(guò)將所標(biāo)定器械的前部擺放在標(biāo)定模塊的不同位置，并使其前部工具的尖 端和側(cè)面分別與基準(zhǔn)平面和基準(zhǔn)邊相接觸，就可以借助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)跟蹤裝 置來(lái)確定器械尖端位置、軸線方向與固結(jié)在器械上的跟蹤標(biāo)志架之間的相對(duì)位置關(guān)系，從而 將一般的手術(shù)器械轉(zhuǎn)化為可以被手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)所跟蹤的手術(shù)器械。


圖l是手術(shù)導(dǎo)航器械的通用標(biāo)定模塊裝置的三維結(jié)構(gòu)示意圖；a為前側(cè)圖，b為后側(cè)圖 圖2是通過(guò)模塊對(duì)圓柱形尖端的器械(鉆頭、穿剌針等)進(jìn)行標(biāo)定的方法示意；a為位置l， b為位置2;
圖3是通過(guò)模塊對(duì)矩形尖端的器械(擺鋸等)進(jìn)行標(biāo)定的方法示意;a為位置l，b為位置2; 圖4是通過(guò)模塊對(duì)具有對(duì)稱形狀的細(xì)尖端器械(探針等)進(jìn)行標(biāo)定的方法示意。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于確定手術(shù)器械尖端、軸線等幾何要素與固結(jié)在器械上的跟蹤 標(biāo)志架之間位置關(guān)系的測(cè)量標(biāo)定模塊，其特征是它含有標(biāo)定模塊的主體、固結(jié)在模塊上的 跟蹤定位標(biāo)志點(diǎn)，在模塊上有用于標(biāo)定器械尖端位置的基準(zhǔn)平面，用于確定器械軸線方向的 直角交叉邊，以及可以用支點(diǎn)法標(biāo)定器械尖端的定標(biāo)凹坑等。在使用中通過(guò)將所需要標(biāo)定的手術(shù)器械的前部工具部分(如骨鉆的鉆頭、擺鋸的鋸片、手 術(shù)探針等)擺放在標(biāo)定模塊上一個(gè)或幾個(gè)特定位置，并分別使其尖端和側(cè)邊與標(biāo)定模塊上的基 準(zhǔn)平面和直角交叉邊相接觸。在器械擺放到位后，利用手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中的光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)跟蹤 裝置對(duì)模塊上的標(biāo)志點(diǎn)位置進(jìn)行測(cè)量，得到模塊的空間位置，同時(shí)對(duì)手術(shù)器械上固結(jié)的跟蹤 標(biāo)志架進(jìn)行測(cè)量，得到手術(shù)器械的位置，就可以計(jì)算出手術(shù)器械上的標(biāo)志架與標(biāo)定模塊之間 的相對(duì)位置關(guān)系，從而確定位于特定位置的手術(shù)器械上工具尖端相對(duì)于器械上跟蹤標(biāo)志架的 位置關(guān)系，并確定器械上前部工具軸線的方向與跟蹤標(biāo)志架之間的幾何關(guān)系。通過(guò)上述的標(biāo) 定，只要在一般的手術(shù)器械(如骨鉆、擺鋸)上固定跟蹤標(biāo)志架，就可以將其轉(zhuǎn)化為可以被手 術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)所跟蹤的手術(shù)器械，并用于導(dǎo)航手術(shù)的操作。
綜上所述，本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于確定用于導(dǎo)航的手術(shù)器械尖端、軸線和其前部工 具幾何尺寸的輔助測(cè)量裝置，可以測(cè)量和標(biāo)定手術(shù)器械上特定的工具的幾何要素，以及其尖 端和軸線與固結(jié)在器械上的跟蹤標(biāo)志架之間的關(guān)系，從而將普通手術(shù)器械轉(zhuǎn)化成導(dǎo)航手術(shù)器 械，或用于對(duì)現(xiàn)有導(dǎo)航手術(shù)器械的標(biāo)定和檢驗(yàn)。本標(biāo)定模塊的主要特征在于-
1. 該標(biāo)定模塊是一個(gè)堅(jiān)固的剛體，模塊上有用于定位器械尖端位置的基準(zhǔn)平面，該平面 構(gòu)成了固結(jié)在標(biāo)定模塊上的直角坐標(biāo)系XYZ中的XY坐標(biāo)平面。
2. 模塊上有用于定位器械軸線方向的直角交叉邊，通過(guò)制造保證形成該直角交叉邊的兩 平面的交線與上述基準(zhǔn)平面相垂直，因此該交線構(gòu)成了固結(jié)在標(biāo)定模塊上的直角坐標(biāo) 系XYZ的Z軸。因此上述基準(zhǔn)平面和直角交叉邊形成了標(biāo)定模塊上的直角坐標(biāo)系；
3. 標(biāo)定模塊上面固結(jié)有若干可以被導(dǎo)航系統(tǒng)所跟蹤的標(biāo)志點(diǎn)，各標(biāo)志點(diǎn)在XYZ直角坐標(biāo) 系中的空間位置是在制造中精確確定的，因此其空間坐標(biāo)是已知的，標(biāo)志點(diǎn)的布局采 用不對(duì)稱的排布，以便手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)可以根據(jù)測(cè)量到的標(biāo)志點(diǎn)分布，來(lái)確定標(biāo)定模塊 的方位，并可以通過(guò)對(duì)這些標(biāo)志點(diǎn)空間位置的跟蹤測(cè)量，得到上述基準(zhǔn)平面和直角交 叉邊的位置；
4. 模塊上用于定位器械軸線方向的直角交叉邊與基準(zhǔn)平面之間留有月10mm的間隙，以 便于模塊的加工，同時(shí)，該間隙能夠在標(biāo)定在尖端具有側(cè)向伸出突起的器械前部工具，；
5. 標(biāo)定模塊上還具有3 5個(gè)不同尺寸的凹坑，可以容許器械的尖端以凹坑為中心進(jìn)行三 維空間的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，凹坑的約束形成器械尖端的不動(dòng)點(diǎn)，可以采用固定支點(diǎn)方法對(duì) 尖端位置進(jìn)行標(biāo)定；
6. 通過(guò)對(duì)擺放于模塊上一個(gè)或幾個(gè)特定位置的器械的空間位置的測(cè)量(即通過(guò)固結(jié)在器
6械上的跟蹤標(biāo)志架進(jìn)行跟蹤測(cè)量)，可以確定手術(shù)器械上標(biāo)志架在模塊坐標(biāo)系XYZ中的位置。 由于在測(cè)量時(shí)器械前部工具的尖端位于模塊上特定的擺放位置，同時(shí)其側(cè)面與模塊上的直角 交叉邊緊密接觸，因此器械前部工具在模塊上的擺放姿態(tài)是固定的，可以通過(guò)該擺放條件下 模塊對(duì)器械的約束，計(jì)算器械上跟蹤標(biāo)志架與器械尖端之間的相對(duì)位置關(guān)系，以及計(jì)算器械 前部工具軸線與器械跟蹤標(biāo)志架之間的相對(duì)位置關(guān)系。
上述標(biāo)定手術(shù)器械幾何要素的通用標(biāo)定模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)剛性的標(biāo)定面和直角交叉 邊對(duì)器械的擺放進(jìn)行定位，可以建立由器械上的標(biāo)志架所定義的器械坐標(biāo)系與模塊坐標(biāo)系之 間的關(guān)系，從而計(jì)算得到器械尖端和軸線相對(duì)于器械坐標(biāo)系的關(guān)系，并在手術(shù)導(dǎo)航中利用這 種幾何關(guān)系來(lái)確定手術(shù)器械前部工具的尖端位置和軸線方向。該裝置適合醫(yī)院和研究人員將 普通的手術(shù)器械作為導(dǎo)航手術(shù)器械使用，或幫助醫(yī)生對(duì)在用的手術(shù)器械進(jìn)行標(biāo)定和校核。
參照附圖1可以實(shí)際制作本實(shí)用新型的標(biāo)定模塊，參照附圖2 附圖4可以對(duì)不同尖端 形狀的器械進(jìn)行標(biāo)定。
以下結(jié)合附圖具體對(duì)模塊的結(jié)構(gòu)功能和使用的具體方法進(jìn)行說(shuō)明。需
要強(qiáng)調(diào)的是本實(shí)施例的詳細(xì)描述和對(duì)特定尺度與形狀的限制都是為了使本領(lǐng)域普通技術(shù)人
員可以根據(jù)本實(shí)用新型的方法加以實(shí)施，并非對(duì)本實(shí)用新型的具體方法進(jìn)行限制。
如圖1所示，標(biāo)定模塊的主體1是相互垂直的三塊剛性平面體，其垂直度通過(guò)機(jī)械加工 或精密的裝配可以得到保證。其中以定位平面1-1作為定位的基準(zhǔn)平面，建立直角坐標(biāo)系
XYZ，其中的XY平面與基準(zhǔn)平面1-1重合，XZ平面與定位平面1-2重合。在定位平面1-2 上有突出的第3個(gè)定位平面1-3，該平面既垂直于平面1-1也垂直于平面1-2，平面1-2與平 面1-3形成了直角的相交，因此可以將平面1-2與平面1-3的交線定義為直角坐標(biāo)系XYZ的 Z軸。為便于模塊的加工，在平面1-3和基準(zhǔn)平面1-1之間留有間隙，該間隙還可以用來(lái)標(biāo)定 尖端彎曲的特殊工具。
在與平面1-2平行的平面1-4上，固結(jié)有4 5個(gè)可以被導(dǎo)航系統(tǒng)所跟蹤的發(fā)光或反光標(biāo) 志點(diǎn)，根據(jù)導(dǎo)航系統(tǒng)的不同，可以選用主動(dòng)發(fā)光的紅外發(fā)光二極管或采用被動(dòng)反光的標(biāo)志球。 這里以被動(dòng)反光的標(biāo)志球?yàn)槔M(jìn)行說(shuō)明。各個(gè)標(biāo)志點(diǎn)在平面上采用不對(duì)稱的排布，以便導(dǎo)航 系統(tǒng)可以根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)的分布情況來(lái)確定標(biāo)定模塊的方位。通過(guò)對(duì)這些標(biāo)志點(diǎn)空間位置的跟蹤 測(cè)量，可以得到上述基準(zhǔn)平面和直角交叉邊的位置。在模塊制作完成后，模塊上各個(gè)標(biāo)志點(diǎn) 的位置需要進(jìn)行精確的測(cè)定，從而得到各標(biāo)志點(diǎn)在直角坐標(biāo)系XYZ中的坐標(biāo)ikr,(x,，乂,&)。同時(shí)，在平面1-4上制作有3 5個(gè)直徑介于lmm 5mm之間的V形凹坑1-5，用于采用固定支 點(diǎn)方法對(duì)尖端位置進(jìn)行標(biāo)定。
在使用時(shí)，將固結(jié)有跟蹤標(biāo)志架的手術(shù)器械的切割部分?jǐn)[放在標(biāo)定模塊的特定位置，就 可以對(duì)器械的幾何特征進(jìn)行測(cè)定，下面通過(guò)幾個(gè)實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
本實(shí)用新型提供了一種用于手術(shù)導(dǎo)航中器械前部工具尖端和軸線等幾何信息標(biāo)定的輔助 測(cè)量裝置。該裝置借助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)中所使用的光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，測(cè)量固結(jié)在手術(shù)器 械上的跟蹤標(biāo)志架，并通過(guò)將手術(shù)器械前部工具擺放在標(biāo)定模塊上特定的位置，來(lái)確定手術(shù) 器械的尖端位置、前部工具的軸線方向與器械上的跟蹤標(biāo)志架之間的位置關(guān)系，同時(shí)測(cè)量標(biāo) 定手術(shù)器械前部工具的尺寸等幾何要素。在完成標(biāo)定以后，通過(guò)對(duì)手術(shù)器械上標(biāo)志架位置的 跟蹤測(cè)量，得到手術(shù)器械的空間位置信息，就可以輔助醫(yī)生確定手術(shù)器械前部工具與人體之 間的位置關(guān)系，克服現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)只能單純依靠特制的導(dǎo)航器械的缺點(diǎn)，使通用的手術(shù)器 械能夠在導(dǎo)航手術(shù)中得到運(yùn)用。所設(shè)計(jì)的標(biāo)定裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，經(jīng)久耐用。
作為本模塊使用的第l個(gè)實(shí)例，為標(biāo)定器械前部為圓柱形狀的工具2(如鉆頭、探針等， 參考圖2)，需要測(cè)定的主要幾何要素包括工具尖端位置P相對(duì)于器械上標(biāo)志架3的位置、圓 柱形尖端軸線的方向A、圓柱的直徑D等。如圖2 (a)所示，將圓柱形尖端P抵靠在定位基 準(zhǔn)平面1-1上，同時(shí)將圓柱形的工具外圓的兩個(gè)側(cè)面分別抵靠在定位平面1-2與定位平面1-3 直角相交形成的直角V形槽上，這樣，器械前部工具的尖端位于標(biāo)定模塊的XY平面內(nèi)(因此 其Z坐標(biāo)為0)，而同時(shí)直角V形槽約束了圓柱形工具軸線的方向與標(biāo)定模塊坐標(biāo)系的Z軸平 行。通過(guò)手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)的光學(xué)三維運(yùn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)采集標(biāo)定模塊上的標(biāo)志點(diǎn)和器械上的標(biāo)志架 3的空間位置，就可以得到器械上標(biāo)志架3在標(biāo)定模塊坐標(biāo)系XYZ中的位置和方向，因此可 以計(jì)算出器械前部工具圓柱形尖端的軸線方向與器械標(biāo)志架3之間的關(guān)系。進(jìn)一步，為了得 到圓柱形工具尖端軸線的準(zhǔn)確位置，將器械繞其前部工具的圓柱軸線轉(zhuǎn)動(dòng)30 卯度，到達(dá)如 圖2(b)所示位置。由于圓柱形狀的軸線對(duì)稱性，在轉(zhuǎn)動(dòng)中器械圓柱形前部工具軸線的位置并 沒(méi)有發(fā)生改變，而器械上的標(biāo)志架3則發(fā)生了繞固定軸線(與標(biāo)定模塊Z軸方向平行的軸線) 的旋轉(zhuǎn)，因此可以計(jì)算出器械上標(biāo)志架3的旋轉(zhuǎn)軸線的位置，這樣就確定了器械圓柱形前部 工具軸線的真實(shí)位置，并通過(guò)該位置得到該圓柱形的半徑(即該軸線所在的模塊上的X或Y 坐標(biāo))。由于器械尖端抵在基準(zhǔn)面上，因此其Z坐標(biāo)為O，而尖端的X，Y坐標(biāo)就是標(biāo)定得到的 軸線坐標(biāo)。通過(guò)上述標(biāo)定，就唯一地確定了圓柱形工具尖端的位置、方向和直徑。與上述原理相仿，作為使用的第2個(gè)實(shí)例，為標(biāo)定器械前部為矩形的工具(例如擺鋸的鋸 片)4，按照如圖3(a)和圖3(b)所示的擺放，將矩型的擺鋸鋸片側(cè)方的四個(gè)平面分別抵靠在定 位面l-2和l-3形成的直角V形槽上，每次都保證鋸片的前端抵靠在基準(zhǔn)面1-1上，通過(guò)測(cè) 量得到每次擺放時(shí)器械上的跟蹤標(biāo)志架3在模塊坐標(biāo)系XYZ中的位置。由于每次擺放時(shí)鋸片 前端總是抵靠在Z二O的平面上，鋸片的側(cè)面總是平行于XZ平面和YZ平面，因此可以計(jì)算 得到鋸片相對(duì)于固結(jié)在擺鋸上的跟蹤標(biāo)志架3的位置，并得到鋸片的寬度和厚度信息。
進(jìn)一步，作為使用的第3個(gè)實(shí)例，為了對(duì)具有對(duì)稱形狀的細(xì)尖端器械前部工具(探針等) 進(jìn)行標(biāo)定，利用該模塊也可進(jìn)行更加簡(jiǎn)便的固定支點(diǎn)法做器械尖端的標(biāo)定校驗(yàn)。支點(diǎn)法標(biāo)定 是一種常用的對(duì)細(xì)尖端器械進(jìn)行位置標(biāo)定的方法，巳經(jīng)在許多文獻(xiàn)中有介紹。其方法是將器 械尖端置于一個(gè)固定不動(dòng)的點(diǎn)，將器械以該點(diǎn)為定點(diǎn)進(jìn)行三維空間的旋轉(zhuǎn)，器械上標(biāo)志架3 形成的旋轉(zhuǎn)路徑為一個(gè)以該點(diǎn)為定點(diǎn)的圓錐面，通過(guò)器械上的標(biāo)志架3的空間旋轉(zhuǎn)矩陣可以 計(jì)算剛體旋轉(zhuǎn)中不動(dòng)點(diǎn)的位置，得到工具尖端的位置。如圖4所示，通過(guò)本標(biāo)定模塊上的V 形凹坑，可以對(duì)不同大小的器械尖端提供合適的支點(diǎn)，從而進(jìn)行穩(wěn)定可靠的支點(diǎn)法尖端標(biāo)定。
權(quán)利要求1.手術(shù)導(dǎo)航器械用的通用模塊，其特征在于含有由相互垂直的三個(gè)剛性平面構(gòu)成的標(biāo)定模塊的主體，其中基準(zhǔn)平面(1-1)，與直角坐標(biāo)系的XY平面重合，用于定位手術(shù)導(dǎo)航器械尖端的位置；第一定位平面(1-2)，與所述直角坐標(biāo)系的XZ平面重合，在所述第一定位平面(1-2)相對(duì)于所述基準(zhǔn)平面(1-1)的縱向側(cè)面上，固結(jié)有若干能被手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤的標(biāo)定點(diǎn)，各標(biāo)志點(diǎn)在所述XYZ直角坐標(biāo)系中的空間位置的坐標(biāo)是已知的，所述標(biāo)志點(diǎn)的布局呈不對(duì)稱布局，在所述第一定位平面(1-2)的所述縱向側(cè)面上，還具有3-5個(gè)不同直徑的凹坑，允許所述手術(shù)導(dǎo)航器械工具的尖端以所述凹坑為中心進(jìn)行三維空間的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，凹坑的約束形成所述手術(shù)導(dǎo)航器械的不動(dòng)點(diǎn)，以便于手術(shù)器械前端工具的尖端位置進(jìn)行標(biāo)定；第二定位平面(1-3)，既垂直于所述基準(zhǔn)平面(1-1)，也垂直于所述第一定位平面(1-2)，所述第二定位平面(1-3)與所述第一定位平面(1-2)的交線即為所述垂直坐標(biāo)系XYZ的Z軸，在所述第二定位平面(1-3)與所述基準(zhǔn)平面(1-1)之間留有設(shè)定的間隙，用以標(biāo)定尖端具有側(cè)向伸出突起的手術(shù)器械前部工具。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的手術(shù)導(dǎo)航器械的通用標(biāo)定模塊，其特征在于所述間隙為10mm。
專利摘要手術(shù)導(dǎo)航器械用的通用標(biāo)定模塊屬于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，其特征在于含有一個(gè)由三個(gè)相互重直的剛性平面構(gòu)成的主體，其中基準(zhǔn)平面，與直角坐標(biāo)系的XY平面重合用于定位手術(shù)導(dǎo)航器械尖端的位置；第一定位平面，與直角坐標(biāo)系的XZ平面重合，在相對(duì)于基準(zhǔn)平面的縱向側(cè)面上，有多個(gè)呈不規(guī)則分布的跟蹤標(biāo)志點(diǎn)，還有3-5個(gè)凹坑，作為手術(shù)導(dǎo)航器械的不動(dòng)點(diǎn)，以便對(duì)尖端位置進(jìn)行標(biāo)定；第二定位平面，同時(shí)與其準(zhǔn)平面和第一定位平面垂直，該第二定位平面與第一定位平面的交線即為直角坐標(biāo)系的Z軸，在該第二定位平面與基準(zhǔn)平面之間留有設(shè)定的間隙，既便于加工，也用于對(duì)手術(shù)導(dǎo)航器械的前部工具的尖端位置進(jìn)行標(biāo)定，適用于各種手術(shù)導(dǎo)航器械，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。
文檔編號(hào)A61B19/00GK201389080SQ20092010557
公開(kāi)日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者輝 丁, 王廣志 申請(qǐng)人:清華大學(xué)