[发明专利]一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道定位装置

摘要

本发明涉及医学领域，尤其涉及一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道定位装置，包括C型臂X光机、图像校正标定板、图像采集卡、定位机器人、路径定位架、位置跟踪平台和计算机等硬件以及存储于计算机内的3D规划模块和2D定位导航模块等软件。3D规划模块利用患者膝关节术前3D影像数据，辅助医生完成个性化的手术规划，并沿特定的投影方向，将3D环境信息投影为2D导航信息。2D定位导航模块利用硬件采集的手术空间的2D医学影像和各个跟踪对象的位置信息，结合2D导航信息构建手术导航环境，控制定位机器人和路径定位架等硬件完成精准手术路径定位。辅助医生完成精准的、个性化的前交叉韧带止点和韧带隧道定位操作，降低手术难度，提高手术疗效。

主权项

一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道定位装置，包括由C型臂X光机3、图像校正标定板4、图像采集卡2、定位机器人6、路径定位架7、位置跟踪平台5、计算机1、存储于计算机内的前交叉韧带止点和路径位置规划模块、存储于计算机内的前交叉韧带止点和隧道定位导航模块组成。图像校正定位板4用螺钉9安装在C型臂X光机3的采集端部(相当于在C型臂X光机的拍摄患者用的摄像头上安装有一圆盘式的图像校正板和双层板的标定板，主要是利用图像校正标定板上的钢珠形成的点阵及在所拍摄的X光图像上形成的标记点坐标)，路径定位架7和定位机器人之间采用螺钉8连接，C型臂X光机3与计算机之间连接有图像采集卡2，机器人6与计算机1之间利用通讯总线连接。本发明的前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块包括：3D医学图像数据可视化单元、3D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元、2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元。(A)所述3D医学图像数据可视化单元用于读入患者膝关节的CT或核磁等3D医学影像数据，采用VTK或OPENGL软件包，将膝关节的骨骼数据分割出来，并三维显示在计算机屏幕上，构建前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划的人机交互环境。(B)所述3D前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元，用于在3D医学图像数据可视化单元构建的人机交互环境里，辅助医生依据解剖特征完成前交叉韧带止点和韧带隧道位置设计等操作，包括解剖特征选择及其几何参数的计算、前交叉韧带止点和韧带隧道的绘制。(C)所述2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元，用于辅助医生依据解剖特征设置两个以上投影方向，并依据投影方向，将3D医学图像及规划的前交叉韧带止点和韧带隧道等信息，投影到两个以上法线向量不平行的平面上，构建2个以上2D医学图像空间。在形成的2D医学图像空间里，选择特征点或特征曲线，构建2D坐标系，并将规划的前交叉韧带止点和韧带隧道用这些2D坐标系描述，输出给计算机的前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块。本发明的前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块由图像纠正单元、图像空间标定单元、2D导航单元、机器人运动控制单元等组成。(A)依据2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元定义的两个以上投影方向，由C型臂X光机拍摄手术空间的X光2D图像，经图像采集卡采集且转换为BPM格式后输出给所述的图像校正单元。(B)所述图像校正单元用于将接收的多幅BPM格式图像进行图像失真校正后获得失真参数，并根据所述失真参数复原校正图像后，作为2D导航图像，输出给图像空间标定单元；所述图像失真校正满足AX＝b，A表示图像校正板上钢珠的几何坐标矩阵，X表示需要计算的失真校正参数矢量，b表示BMP格式图像上钢珠的图像坐标矢量；(C)所述图像空间标定单元，其功能就是以图像校正标定板的不在一个平面的6个以上的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据，建立2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型，该模型输出给2D导航单元；所述映射模型满足：E(2×n)×11=x1y1z11-x1u1-y1u1-z1u10000...............xnynzn1-xnun-ynun-znun00000000-x1v1-y1v1-z1v1x1y1z11...............0000-xnvn-ynvn-znvnxnynzn1(2×n)×11]]>A11×1＝[A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11]TC(2×n)×1＝[u1 u2 … un v1 v2 … vn]TA＝(ETE)‑1ETC其中：n(n≥6)组标记点的空间坐标是(xi，yi，zi)(n＝1，2，…n)，相应的屏幕坐标是(ui，vi)(n＝1，2，…n)A是3D手术空间和2D图像空间的映射矩阵(D)所述2D导航单元，其功能就是接受位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的位置信息，依据2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型，将位置信息和3D规划的2D规划参数，显示在2D导航图像上，辅助医生分析、判断手术空间各个跟踪对象之间的相互位置关系，并将这个相互位置关系表述为机器人的运动参数，输出给机器人运动控制单元。(E)所述机器人运动控制单元，用于将机器人的运动参数转换为机器人各个关节的运动指令，通过计算机和机器人之间的通讯总线，输出给机器人，控制机器人运动，让机器人末端定位器的轴线和手术规划的前交叉韧带止点和隧道路径重合，辅助医生完成精准的前交叉韧带隧道重建手术操作。