手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的標(biāo)定裝置及其標(biāo)定方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)導(dǎo)航研究領(lǐng)域，具體是一種手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的標(biāo)定裝 置及其標(biāo)定方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在各種外科手術(shù)中，如神經(jīng)外科、脊椎神經(jīng)外科等， 同時(shí)也用于胸腹部、組織活檢穿刺等微創(chuàng)手術(shù)。手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)能夠通過定位系統(tǒng)將成像設(shè) 備獲取得到的三維圖像數(shù)據(jù)與實(shí)際空間的病人位置進(jìn)行注冊，通過對實(shí)際空間中手術(shù)器械 標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)時(shí)跟蹤，獲得手術(shù)器械在圖像空間的實(shí)時(shí)三維顯示，輔助醫(yī)生進(jìn)行精確地手術(shù) 操作。常見的手術(shù)導(dǎo)航系統(tǒng)采用基于光學(xué)的手術(shù)導(dǎo)航技術(shù)。
[0003] 在使用光學(xué)手術(shù)導(dǎo)航輔助外科手術(shù)前，首先需要對導(dǎo)航設(shè)備和手術(shù)器械進(jìn)行標(biāo) 定，獲取他們在光學(xué)導(dǎo)航定位儀坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。穿刺針是一種常見的手術(shù)器械，對穿刺 針針尖坐標(biāo)和針軸方向的標(biāo)定是手術(shù)導(dǎo)航術(shù)前和術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前穿刺針的種類 繁多，因手術(shù)用途不同而有不同的規(guī)格，不同廠家生產(chǎn)的穿刺針規(guī)格也不一致，差異主要體 現(xiàn)在針體的長度、直徑，以及針尖的形狀有斜切和軸對稱兩種形態(tài)，因此還沒有一種通用的 模塊或方法能夠?qū)Σ煌?guī)格的穿刺針進(jìn)行快速方便地標(biāo)定。當(dāng)前標(biāo)定手術(shù)穿刺針針尖的 常用方法是采取旋轉(zhuǎn)法，或者采用一種針對某種穿刺針定制的標(biāo)定裝置，標(biāo)定裝置上有一 已知坐標(biāo)位置的點(diǎn)，讓針尖點(diǎn)擊接觸該點(diǎn)便可標(biāo)定手術(shù)針尖。但這兩種方法都無法在標(biāo)定 穿刺針針尖的同時(shí)標(biāo)定穿刺針的針軸方向，穿刺針的針軸方向通常是通過針對某種規(guī)格的 穿刺針制作的標(biāo)記點(diǎn)安裝器來確定，標(biāo)記點(diǎn)安裝器上至少存在兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的連線方向與針 軸方向平行。但這種確定穿刺針的針軸方向的方法，其精度依賴于標(biāo)記點(diǎn)安裝器的制作精 度、所安裝的穿刺針的握柄固定安裝器處的形態(tài)及標(biāo)記點(diǎn)安裝器的安裝方式，此方法通用 性差。受這些因素及人工誤差的影響，標(biāo)定后得到的穿刺針的針軸方向與實(shí)際的穿刺針的 針軸方向誤差較大，從而導(dǎo)致穿刺過程中，穿刺針偏離原來的手術(shù)規(guī)劃方向，影響手術(shù)導(dǎo)航 的精度。
[0004] 因此，設(shè)計(jì)一種不依賴標(biāo)記點(diǎn)安裝器，通用性強(qiáng)且能夠方便、快速、準(zhǔn)確地標(biāo)定不 同規(guī)格手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的標(biāo)定裝置及標(biāo)定方法，對于提高手術(shù)導(dǎo)航的精度有很大的必要， 是現(xiàn)有技術(shù)中亟待解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的首要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提出了一種手術(shù)導(dǎo)航穿刺針 的標(biāo)定裝置，該標(biāo)定裝置的通用性強(qiáng)；該標(biāo)定裝置包括了固定桿體、卡鎖裝置、滑動桿體、滑 動銷體、V型槽條等；固定桿體上有V型凹槽，用于固定手術(shù)導(dǎo)航穿刺針，固定桿體的兩側(cè)伸 出有支桿，支桿上鉆有螺孔用于裝卸建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系的反光球；卡鎖裝置固定在固定桿體 的V型凹槽起始端，用于鎖緊穿刺針；滑動桿體下方有卡住固定桿體的卡槽，所述卡槽與固 定桿體相互配合，滑動桿體在固定桿體上作直線滑動；滑動銷體裝置在滑動桿體內(nèi)部的滑 動槽中，可在滑動槽內(nèi)作直線滑動，其上方裝卸用于測量滑動銷體相對固定桿體滑動距離 的反光球；V型槽條固定在滑動桿體下方且與固定桿體的V型凹槽相互配合。
[0006] 本發(fā)明的另一目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提出了一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航 穿刺針的標(biāo)定裝置的標(biāo)定方法，該標(biāo)定方法能夠方便、快速、準(zhǔn)確地標(biāo)定不同規(guī)格的手術(shù)導(dǎo) 航穿刺針。標(biāo)定手術(shù)導(dǎo)航穿刺針時(shí)，將穿刺針從固定桿體上方的V型凹槽起始端穿入，直到 手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的針體完全平躺在V型凹槽內(nèi)，使手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的針尖處于固定桿體上 的V型凹槽的槽溝的正上方，然后擰動卡鎖裝置上的旋轉(zhuǎn)鈕，固定住手術(shù)導(dǎo)航穿刺針，接著 滑動滑動桿體向手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的針尖靠近，直至滑動銷體的銷尖剛好與手術(shù)導(dǎo)航穿刺針 的針尖接觸，此時(shí)記錄下光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)所跟蹤到的標(biāo)定裝置上所有的反光球球心的坐標(biāo)， 通過坐標(biāo)變換便可標(biāo)定出在手術(shù)導(dǎo)航穿刺針坐標(biāo)系下的針尖坐標(biāo)和針軸方向。
[0007] 本發(fā)明的首要目的通過以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的標(biāo)定裝置， 包括：固定桿體、卡鎖裝置、滑動桿體、滑動銷體和V型槽條。
[0008] 所述固定桿體上銑有V型凹槽，固定桿體的兩側(cè)伸出有支桿，支桿上鉆有螺孔；卡 鎖裝置內(nèi)部具有卡鎖槽，卡鎖裝置內(nèi)部具有卡鎖條，卡鎖裝置安裝于固定桿體的V型凹槽 起始端；滑動桿體下方有卡住固定桿體的卡槽，滑動桿體的一側(cè)伸出有支桿，支桿上鉆有螺 孔，滑動桿體內(nèi)部具有滑動槽；滑動銷體上方鉆有螺孔，滑動銷體位于滑動桿體內(nèi)部的滑動 槽中；V型槽條一端為斜切面，V型槽條固定在滑動桿體卡住固定桿體的卡槽內(nèi)，V型槽條位 于固定桿體的V型凹槽內(nèi)，V型槽條具有斜切面的一端和固定桿體的V型凹槽起始端在同 一側(cè)。
[0009] 所述固定桿體的V型凹槽用于固定手術(shù)導(dǎo)航穿刺針，固定桿體上的螺孔用于裝卸 建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系的反光球；卡鎖裝置內(nèi)部的卡鎖條用于鎖緊手術(shù)導(dǎo)航穿刺針；滑動桿體在 固定桿體上作直線滑動，滑動桿體的滑動距離由手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的長度來確定，滑動桿體 上的螺孔用于裝卸測量滑動桿體相對固定桿體滑動距離的反光球；滑動銷體在滑動桿體內(nèi) 部滑動槽中作直線滑動，滑動銷體上的螺孔用于裝卸測量滑動銷體相對固定桿體滑動距離 的反光球，滑動銷體的滑動距離由手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的直徑來確定；V型槽條一端的斜切面 與滑動桿體內(nèi)部的滑動槽的下端面共面，V型槽條與固定桿體的V型凹槽相互配合，V型槽 條與滑動銷體互相接觸。
[0010] 所述固定桿體上的V型凹槽主要用于放置各種規(guī)格的手術(shù)導(dǎo)航穿刺針；安裝在固 定桿體兩側(cè)支桿螺孔上用于裝卸建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系的反光球數(shù)量多于兩個(gè)，且固定桿體上所 有用于裝卸建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系的反光球之間的連線為折線。
[0011] 卡鎖裝置包括固定體、卡鎖條、彈簧和旋轉(zhuǎn)鈕，卡鎖條穿過所述彈簧位于固定體 中，在卡鎖裝置內(nèi)部的卡鎖槽中滑動，旋轉(zhuǎn)鈕套在穿過固定體的卡鎖條上，旋轉(zhuǎn)鈕用于限制 卡鎖條的滑動位置，固定體能夠安裝在固定桿體上。
[0012] 滑動桿體下方的卡槽與固定桿體相互配合，從而約束滑動桿體在固定桿體上沿著 卡槽方向作直線滑動；滑動桿體一側(cè)有旋轉(zhuǎn)操作件，旋轉(zhuǎn)操作件用于鎖定滑動桿體與固定 桿體之間的相對滑動；滑動桿體內(nèi)設(shè)有滑動槽，滑動槽用于約束滑動銷體的滑動方向和空 間。
[0013] 滑動銷體裝配于滑動桿體的滑動槽內(nèi)，滑動銷體在滑動桿體的滑動槽內(nèi)作直線滑 動，滑動銷體的直線滑動分解為垂直于滑動桿體的滑動方向的滑動和平行于滑動桿體的滑 動方向的滑動。
[0014] 本發(fā)明的另一目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種應(yīng)用于手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的標(biāo)定裝 置的標(biāo)定方法，包括以下步驟：
[0015] 1)根據(jù)光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤到的所有用于建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系的反光球球心坐標(biāo)，建立 起固定桿體的0XYZ直角坐標(biāo)系；
[0016] 2)通過固定桿體上反光球與V型凹槽槽溝的相對幾何關(guān)系，確定V型凹槽槽溝在 固定桿體的0XYZ直角坐標(biāo)系下的方向;
[0017] 3)根據(jù)固定桿體上反光球與V型凹槽槽溝的相對幾何關(guān)系，確定固定桿體上方V 型凹槽槽溝起始點(diǎn)Vin在固定桿體的0XYZ直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)PVin，同時(shí)根據(jù)固定桿體的 制作尺寸確定固定桿體的V型凹槽槽溝起始點(diǎn)Vin沿著槽溝方向到滑動桿體的最短距離 d;
[0018] 4)通過光學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤滑動銷體上方的反光球球心坐標(biāo)，確定滑動銷體上方的 反光球球心在固定桿體的0XYZ直角坐標(biāo)系下的初始坐標(biāo)位置Ppin_OTi，在所述初始坐標(biāo)位置 卩__。"滑動銷體的銷尖與固定桿體的V型凹槽槽溝相互接觸，滑動桿體到V型凹槽槽溝起 始點(diǎn)Vin的距離最短，所述距離為d;
[0019] 5)標(biāo)定手術(shù)導(dǎo)航穿刺針時(shí)，手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的針尖從固定桿體的V型凹槽起始端 穿入，當(dāng)手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的針體完全進(jìn)入到固定桿體的V型凹槽內(nèi)后，使用卡鎖裝置鎖緊 手術(shù)導(dǎo)航穿刺針；
[0020] 6)滑動滑動桿體向手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的針尖靠近，直到手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的針尖與滑 動銷體的銷尖接觸時(shí)，停止滑動，記錄此時(shí)滑動銷體上方的反光球球心在固定桿體的0XYZ 直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Ppin_dist;
[0021] 7)計(jì)算出針尖在固定桿體的0XYZ直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)Ptip和針軸方向良_
[0022] 8)針尖坐標(biāo)Ptip和針軸方向通過坐標(biāo)變換得到在手術(shù)導(dǎo)航穿刺針的 O'X'Y'Z'直角坐標(biāo)系下的針尖坐標(biāo)和針軸方向。
[0023] 具體的，所述步