專利名稱：手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，更具體地講，本實用新型涉 及一種計算機輔助的光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備。
背景技術(shù)：
在傳統(tǒng)的外科手術(shù)中，如何準確確定病灶位置并在手術(shù)治療中精 確定位，是外科手術(shù)中影響手術(shù)效果的關(guān)鍵因素。先前的手術(shù)定位通 常是采用核磁共振、CT等影像學(xué)方式，先對病變的確切部位加以判斷， 并利用其影像資料來制定手術(shù)方案。然而，這樣的方式存在其固有缺 陷，難以十分精確地確定病灶位置，因而給手術(shù)過程中切口的選^^帶
來困難。通常，為了確保手術(shù)的準確性，目前一般在手術(shù)中采用較大 的切口，以便主刀醫(yī)生能夠更多地觀察病人手術(shù)部位的內(nèi)部器官，從 而最大限度保證手術(shù)的順利進行，然而，即便如此，在手術(shù)過程中醫(yī) 生仍然僅能直接觀察到暴露在外的器官表面，而對于器官的內(nèi)部無法 直接觀察，加大了手術(shù)的難度。
隨后，出現(xiàn)了計算機輔助手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)，這是外科手術(shù)定位領(lǐng)域， 特別是人工關(guān)節(jié)置換輔助定位領(lǐng)域的一次突破。該技術(shù)采用光學(xué)定位 系統(tǒng)作為探測儀器，通過虛擬圖像實時顯示假體與骨骼結(jié)構(gòu)的相對位
4置關(guān)系，例如髖關(guān)節(jié)假體與骨骼結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系，并且在導(dǎo)航系 統(tǒng)中建立髖關(guān)節(jié)假體的虛擬圖像，再通過對實物空間位移的捕捉，建 立虛擬圖像與實物間的影像顯示關(guān)系。計算機系統(tǒng)界面允許醫(yī)生基于 二維或三維模擬圖像，應(yīng)用立體感應(yīng)定向工具進行人工髖關(guān)節(jié)置換的 導(dǎo)航手術(shù)操作，由于模擬圖像顯示直觀，醫(yī)生很容易理解和掌握導(dǎo)航 過程中的解剖位置關(guān)系，最大可能地減小手術(shù)切口，減少病人的痛苦， 并順利完成手術(shù)4喿作過程。
中國專利第CN101019765號中公開了一種磁共振圖像引導(dǎo)下的手 術(shù)系統(tǒng)及手術(shù)導(dǎo)航方法。該系統(tǒng)包括^茲共振成像設(shè)備，跟蹤系統(tǒng)，手 術(shù)器械，設(shè)置在所述磁共振成像設(shè)備上的病床，控制和顯示設(shè)備，以 及與各系統(tǒng)相連接的計算機及控制軟件部分；還設(shè)置有標定針和標定 模；在磁共振成像設(shè)備上、手術(shù)器械上和病床上分別設(shè)置有構(gòu)成世界 坐標系、手術(shù)器械坐標系和病床坐標系的示蹤器，所述各坐標系的位 姿可以被所述跟蹤系統(tǒng)測量；所述標定針與標定模型共同用于將所述 病灶坐標和手術(shù)器械坐標變換到同一個坐標系中，實現(xiàn)標定。該實用 新型利用磁共振圖像來定位手術(shù)器械，機構(gòu)中必須包括磁共振成像設(shè) 備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高昂，并且應(yīng)用單一，僅能適用于磁共振應(yīng)用領(lǐng) 域。
中國專利第CN101224104號公開了一種用于封閉式髓內(nèi)釘?shù)墓钦?復(fù)原手術(shù)的骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)。其包括雙目立體視覺傳感裝置和標識 器，雙目立體視覺傳感裝置包括主頻不低于1G的計算機，設(shè)置在定 位器支架上的定位器，設(shè)置在定位器內(nèi)的兩個CCD攝像機，與圖像采 集卡相連的雙通道信號同步器，所述標識器上設(shè)有至少3個主動發(fā)光二極管，其中一個標識器上剛性地插設(shè)連接有髓內(nèi)釘，其中另一個標 識器剛性地與手術(shù)專用電鉆插設(shè)連接。然而，該骨科手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)在 標識器上設(shè)置主動發(fā)光二極管來標識其具體位置，這必然要求在標識 器上設(shè)置電路，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜且操作過程相對繁復(fù)，成本較高。
因此，提供一種新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備成為業(yè)界需要解決的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)用廣泛且精準可靠的 手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備。
為實現(xiàn)本實用新型的發(fā)明目的，本實用新型提供了一種手術(shù)導(dǎo)航 設(shè)備，其包括電腦主機、與電腦主機相連接的臂部、連接于臂部上的
機械手、設(shè)置于機械手上的顯示器以及捕捉器；其中，手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備 還包括與捕捉器配合工作的手術(shù)導(dǎo)航工具，該手術(shù)導(dǎo)航工具則包括設(shè) 置于其上的光學(xué)跟蹤標記，該光學(xué)跟蹤標記通過被動式紅外線光學(xué)定 位方式被捕捉器跟蹤捕捉。
在本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備中，捕捉器可以進一步包括與機械
手相連接的支架以及分別設(shè)置于支架兩端的兩個紅外光學(xué)定位裝置。
在本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備中，光學(xué)定位裝置可以進一步包括 具有紅外采集功能的攝像頭、紅外濾波片以及紅外LED燈，該紅外LED
燈發(fā)射的光線被手術(shù)導(dǎo)航工具的光學(xué)跟蹤標記所反射。
另外，在本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備中，電腦主機包括配套設(shè)置 的光驅(qū)和/或USB接口 ，該光驅(qū)和/或USB接口能夠讀取CT數(shù)據(jù)資料 以及核磁共振數(shù)據(jù)資料，而且光驅(qū)和/或USB接口可以設(shè)置在遠離電腦主機而符合工作時人體工學(xué)的位置處，以方便梯:作人員的操作。
在本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備中，機械手可以為兩個，其分別與
所述顯示器以及捕捉器相連接，并且機械手具有三個自由度。
在本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備中，光學(xué)跟蹤標記的數(shù)量為3個或3
個以上，且不位于同一直線上。光學(xué)跟蹤標記反射的紅外光線被兩個
光學(xué)定位裝置的攝像頭同時捕捉。
在本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備中，紅外LED燈可以是若干個，例 如3個或3個以上；這些紅外LED燈可以形成環(huán)形電路板，該環(huán)形電 路板優(yōu)選與攝像頭同軸。
在本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備中，兩個紅外光學(xué)定位裝置可以相
對于與其連接的機械手等間距設(shè)置，當(dāng)然也可以根據(jù)空間位置需要將 兩個紅外光學(xué)定位裝置不對稱設(shè)置在機械手的兩側(cè)。
本實用新型的有益效果是1、機械手的結(jié)構(gòu)簡單，操作可靠，且 具有的三個自由度能夠保證顯示器以及捕捉器的運動自如，定位可靠，
能夠全方位捕捉位置信息并配合醫(yī)生的工作需求，工作安全可靠，并 能盡可能減小手術(shù)切口，減少病人的痛苦；2、本實用新型釆用被動式 紅外線光學(xué)定位跟蹤方式，手術(shù)導(dǎo)^^工具的光學(xué)跟蹤標記本身并不發(fā) 射光線，僅僅通過被動反射光線即可實現(xiàn)準確定位，不需要在手術(shù)導(dǎo) 航工具中設(shè)置復(fù)雜的電路，簡化了結(jié)構(gòu)，且成本低廉，操作簡單；3、 本實用新型可以通過光驅(qū)以及USB接口來讀取多種影像資料，例如CT 數(shù)據(jù)資料、核磁共振數(shù)據(jù)資料等等，使得本實用新型的應(yīng)用廣泛，兼 容性強，也同時實現(xiàn)了成本的有效降低；而且光驅(qū)以及USB接口可以 設(shè)置在遠離電腦主機而符合工作時人體工學(xué)的位置處，以方便操作人員的操作。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
，來進一步說明本實用新型，但本 實用新型并不局限于這些具體實施方式
，任何在本實用新型基本精神 上的改進或替代，仍屬于本實用新型權(quán)利要求書中所要求保護的范圍。


圖1為本實用新型手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備的手術(shù)導(dǎo)航工具的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本實用新型手術(shù)導(dǎo)航i殳備的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本實用新型手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備的捕捉器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本實用新型手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備的工作示意圖。
具體實施方式
如圖l到圖4所示，本實用新型的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備包括電腦主機l, 與電腦主機1相連接的臂部2,連接于臂部2上的兩個機械手3和4， 設(shè)置于機械手3上的顯示器5，設(shè)置于機械手4上的捕捉器6以及與捕 捉器6配合工作的手術(shù)導(dǎo)航工具15。電腦主機1包括配套設(shè)置的光驅(qū) 7、 USB接口 8以及鍵盤、鼠標等輸入裝置，電腦主機1通過臂部2內(nèi) 的線路與其他部件實現(xiàn)數(shù)據(jù)以及電源線的連通。光驅(qū)7和USB接口 8
可以讀取病人CT數(shù)據(jù)資料、核磁共振數(shù)據(jù)資料以及其他影像資料，從 而實現(xiàn)對病灶部位的定位。鼠標和鍵盤可采用無線設(shè)備。
機械手3和4均采用三個自由度設(shè)計。機械手3上連接有用于虛 擬空間顯示的顯示器5，由于機械手3具有三個自由度，因此顯示器5 也能實現(xiàn)三個自由度的操作，方便醫(yī)生從各個方位進行觀察。機械手4
8上連接有用于光學(xué)定位的捕捉器6，由于機械手4具有三個自由度，因 此捕捉器6也能夠在三個自由度上運動，定位方便靈活，同時其體積 較小，可以很好地適應(yīng)手術(shù)室狹小空間的需要。三個自由度的機械手3 和4可單純采用機械調(diào)節(jié)以保證可靠性及靈活性，也可以采用其他的 調(diào)節(jié)方式。
用于光學(xué)定位的捕捉器6，包括與機械手4相連接的支架61以及 分別設(shè)置于支架61兩端的兩個紅外光學(xué)定位裝置62。兩個紅外光學(xué)定 位裝置62相對于機械手4等間距設(shè)置。光學(xué)定位裝置62包括具有紅 外采集功能的攝像頭621,紅外濾波片622以及圍繞攝像頭621設(shè)置的 環(huán)形紅外LED燈623，其能夠?qū)崿F(xiàn)對定位跟蹤系統(tǒng)的圖像采集。紅外 LED燈623與攝像頭621同軸，當(dāng)然，紅外LED燈623也可以釆用除 環(huán)形以外的其他形狀，光學(xué)定位裝置62內(nèi)設(shè)置線路并通過機械手4內(nèi) 的線路與電腦主機l實現(xiàn)連接。光學(xué)定位裝置62采集圖像信息并通過 數(shù)據(jù)線將收集的圖像信息傳送給電腦主機1。電腦主機1通過內(nèi)部程序 算法，例如包括對圖像的處理以及三維空間點的定位算法來實現(xiàn)空間 三維位置的定位。
本實用新型采用被動式紅外線光學(xué)定位跟蹤方式來實現(xiàn)。如圖1 所示的手術(shù)導(dǎo)航工具15與捕捉器6配合工作，其包括設(shè)置于其上的光 學(xué)跟蹤標記151，光學(xué)跟蹤標記151 —般為3個，且不位于同一直線上， 也可以根據(jù)需要"^殳置更多的光學(xué)跟蹤標記151。光學(xué)跟蹤標記151本身 不主動發(fā)射光線，而僅僅被動反射光學(xué)定位裝置62的紅外LED燈623 所發(fā)出的紅外線光，當(dāng)紅外線光照射在光學(xué)跟蹤標記151上時，光學(xué) 跟蹤標記151反射的光線被兩個攝像頭621同時采集，根據(jù)反射光線的不同可以捕捉光學(xué)跟蹤標記151在任意時刻的位置，捕捉器6通過 數(shù)據(jù)線將采集到的光學(xué)跟蹤標記151的位置信息反^t給電腦主機1,然 后經(jīng)過電腦程序的圖像處理算法和三維定位算法實現(xiàn)光學(xué)跟蹤標記 151的三維位置確定，從而能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬空間的三維圖像與真實空間的 人體位置有效對應(yīng)，并且在顯示器5上顯示相應(yīng)的位置信息，醫(yī)生根 據(jù)顯示器5的指示可以準確進行手術(shù)操作。
權(quán)利要求1、一種手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其包括電腦主機、與所述電腦主機相連接的臂部、連接于所述臂部上的機械手、設(shè)置于所述機械手上的顯示器以及捕捉器，其特征在于，所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備還包括與所述捕捉器配合工作的手術(shù)導(dǎo)航工具，所述手術(shù)導(dǎo)航工具包括設(shè)置于其上的光學(xué)跟蹤標記，所述光學(xué)跟蹤標記通過被動式紅外線光學(xué)定位方式被所述捕捉器跟蹤捕捉。
2、 如權(quán)利要求1所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，所述捕捉器 包括與所述機械手相連接的支架以及分別設(shè)置于所述支架兩端的兩個 紅外光學(xué)定位裝置。
3、 如權(quán)利要求2所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)定 位裝置包括具有紅外采集功能的攝像頭、紅外濾波片以及紅外LED燈， 所述紅外LED燈發(fā)射的光線被所述手術(shù)導(dǎo)航工具的光學(xué)跟蹤標記所反 射。
4、 如權(quán)利要求l-3之一所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，所述 電腦主機包括用于讀取CT數(shù)據(jù)資料以及核磁共振數(shù)據(jù)資料的、配套設(shè) 置的光驅(qū)和/或USB接口 。
5、 如權(quán)利要求4所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備,其特征在于，所述的光驅(qū) 和/或USB接口是位于離開所述電腦主機的位置而與所述電腦主機相 連接的。
6、 如權(quán)利要求l-3之一所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，所述 的機械手為兩個，其分別與所述顯示器以及捕捉器相連接。
7、 如權(quán)利要求1-3之一所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，所述 的機械手具有三個自由度。
8、 如權(quán)利要求3所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)跟 蹤標記的數(shù)量為3個或3個以上，且不位于同一直線上。
9、 如權(quán)利要求3所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，所述光學(xué)跟 蹤標記反射的紅外光線被所述兩個光學(xué)定位裝置的攝像頭同時捕捉。
10、 如權(quán)利要求3所述的手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其特征在于，多個所述 的紅外LED燈形成環(huán)形電路板，該環(huán)形電路板與所述攝像頭同軸。
專利摘要本實用新型公開了一種手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備，其包括電腦主機、與電腦主機相連接的臂部、連接于臂部上的機械手、設(shè)置于機械手上的顯示器以及捕捉器；該手術(shù)導(dǎo)航設(shè)備還包括與捕捉器配合工作的手術(shù)導(dǎo)航工具，該手術(shù)導(dǎo)航工具則包括設(shè)置于其上的光學(xué)跟蹤標記，該光學(xué)跟蹤標記通過被動式紅外線光學(xué)定位方式被捕捉器跟蹤捕捉。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，操作定位可靠，能盡可能減小手術(shù)切口，減少病人的痛苦，且應(yīng)用廣泛，兼容性強，成本低廉。
文檔編號A61B17/00GK201422889SQ20092005708
公開日2010年3月17日 申請日期2009年5月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月22日
發(fā)明者劉尚禮, 廖廣軍, 戚其豐, 杰 許, 馬若凡 申請人:許 杰;廖廣軍;戚其豐