专利名称：手术导航器械的通用标定模块的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于确定手术导航中所用手术器械尖端的位置和尺寸的手术导航器 械通用标定模块，可用于对手术器械的前部工具(如探针前端、摆锯锯片、骨钻钻头等)的位 置坐标和器械前部的直径、宽度、方位等几何特征的测量标定。使通用的手术器械在附着跟
踪标志架后就可以被光学三维运动跟踪系统所跟踪。本实用新型属于计算机辅助手术导航技 术领域。
背景技术：
手术导航系统将空间三维定位技术、三维可视化和实际临床手术相结合，通过计算机对 人体结构和手术器械的实时三维显示，辅助医生完成高精度的手术。手术导航系统的核心功 能，是让医生知道所使用手术器械(如穿刺针、钻头、摆锯锯片以及其他需要置入人体的器械) 在病人身体内部到达的三维空间位置。要实现这个功能，就需要通过三维运动跟踪系统实时 跟踪人体和手术器械的空间位置，并在计算机上正确显示手术器械与人体之间的相对运动。 为跟踪手术器械的运动，目前常用的方式是采用光学运动跟踪系统，在使用中将手术器械看 作不变形的刚体，通过测量固结在器械上的主动发光或被动反光的刚体跟踪标志架的空间位 置，来获取手术器械这个刚体的空间位置，并计算其尖端的位置，以及手术器械轴线的方向、 其前部工具的大小尺寸等几何信息。
由于不同厂家出品的手术器械的样式有很大区别，因此目前在手术导航中都需要使用专 用的导航手术器械，这些器械的形状和尖端的位置信息，以及其上面固结的刚体跟踪标志架 的位置都是厂家严格定义好的，并通过制造过程来保证的。因此，在跟踪手术器械时，导航 系统可以根据这些信息来精确计算器械的尖端位置、器械方向等信息，而器械前部工具尺寸 也是事先定义并存储在导航计算机中的。但是，这样做的结果是一套导航系统只能使用少数 其能够识别的手术器械，而无法将普通的通用手术器械用于导航手术，这也造成了导航手术 器械的昂贵和通用性差的问题，同时，如果导航的手术器械发生跌落等冲击，其定位的精确 度也会下降，使器械无法继续用于导航手术。为将通用的手术器械用于导航手术，最关键的是需要确定器械尖端位置、器械前部工具 轴线方向相对于器械上的跟踪标志架的坐标，其前部工具的直径、宽度等几何尺寸。因此在 实际使用中，迫切需要一种辅助工具，能够帮助医生确定器械上所固结的刚体跟踪标志架相 对手术器械尖端的位置关系、器械前部工具的轴线方向，以及确定手术器械前部工具的尺寸， 如探针和钻头的粗细、锯片的宽窄等几何要素。
在已往的研究中，已经有一些解决手术器械定位问题的方案，如中国专利2451065公开 了一种"股骨颈穿针导航器"，通过机械装置确定定向穿针的位置和参照物问题，能够实现穿 刺针的三维定位；中国专利2187048公开了一种"股骨颈骨折内固定多功能导向器"；中国专 利2075069公开了一种"框架式股骨颈带针定向器"，通过特定的导向，确定针的位置和角度。 中国专利2354096公开了一种"股骨颈和粗隆间骨折穿钉定位器"，通过套体和紧定钉进行位 置的调整，实现了准确的空间方向的穿钉导引。但这些方法都无法与现有的手术导航系统的 三维运动跟踪相结合，实现对通用手术器械的动态跟踪。
通过检索可以看到，目前还缺乏能够在使用中有效测量和标定手术导航器械跟踪标志架 与手术器械前部工具之间几何关系，从而使普通手术器械变成可以被跟踪的导航器械的简便 实用的装置，使得在导航手术中所使用的器械受到限制。另一方面，对在用的器械也缺乏能 够标定其前部工具的尖端位置等几何要素的装置。本实用新型所公开的通用标定模块可以简 便易行地测量多种不同形状的手术器械前部工具的尖端位置和轴线的方向，并测量器械前部 工具的直径或宽度等几何要素，从而通过在通用手术器械上附着标志架来对手术器械进行跟 踪，标定模块的使用可以保证良好的测量重复性，并保证了不同测试对象间数据的可比性， 有很高的实用价值。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种手术导航器械的通用标定模块，可以方便地用来标定手术 器械的尖端位置、手术器械前部工具的轴线方向，以及手术器械前部工具的几何尺寸。同时 该标定模块也可以对导航手术器械上述参数的精度进行验证，保证手术中所使用器械的精确 定位。
本实用新型的特征在于含有由相互垂直的三个刚性平面构成的标定模块的主体，其中基准平面(1-1)，与直角坐标系的XY平面重合，用于定位手术导航器械尖端的位置;第
一定位平面(1-2)，与所述直角坐标系的XZ平面重合。在所述第一定位平面(l-2)相对于所 述基准平面(l-l)的纵向侧面上，固结有若干能被手术导航系统跟踪的标定点，各标志点在所 述XYZ直角坐标系中的空间位置的坐标是己知的，所述标志点的布局呈不对称布局。在所述 第一定位平面(l-2)的所述纵向侧面上，还具有3 — 5个不同直径的凹坑，允许所述手术导航器 械工具的尖端以所述凹坑为中心进行三维空间的旋转和摆动，凹坑的约束形成所述手术导航 器械的不动点，以便于手术器械前端工具的尖端位置进行标定；第二定位平面(l-3),既垂直 于所述基准平面(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)与所述第 一定位平面(1-2)的交线即为所述垂直坐标系XYZ的Z轴，在所述第二定位平面(1-3)与所 述基准平面(l-l)之间留有设定的间隙，用以标定尖端具有侧向伸出突起的手术器械前部工具。 本实用新型的技术方案提供了一种用于手术导航器械标定的通用标定模块，并说明了模 块的使用方法。该模块的主体是固结有可以被光学三维运动跟踪系统实时跟踪的标志点的刚 体模块，在模块上有作为标定基准的平面和直角交叉边，以及可以标定器械尖端位置的定标 凹坑。在使用中通过将所标定器械的前部摆放在标定模块的不同位置，并使其前部工具的尖 端和侧面分别与基准平面和基准边相接触，就可以借助手术导航系统的光学三维运动跟踪装 置来确定器械尖端位置、轴线方向与固结在器械上的跟踪标志架之间的相对位置关系，从而 将一般的手术器械转化为可以被手术导航系统所跟踪的手术器械。
图l是手术导航器械的通用标定模块装置的三维结构示意图；a为前侧图，b为后侧图 图2是通过模块对圆柱形尖端的器械(钻头、穿剌针等)进行标定的方法示意；a为位置l， b为位置2;
图3是通过模块对矩形尖端的器械(摆锯等)进行标定的方法示意;a为位置l，b为位置2; 图4是通过模块对具有对称形状的细尖端器械(探针等)进行标定的方法示意。
具体实施方式
本实用新型公开了一种用于确定手术器械尖端、轴线等几何要素与固结在器械上的跟踪 标志架之间位置关系的测量标定模块，其特征是它含有标定模块的主体、固结在模块上的 跟踪定位标志点，在模块上有用于标定器械尖端位置的基准平面，用于确定器械轴线方向的 直角交叉边，以及可以用支点法标定器械尖端的定标凹坑等。在使用中通过将所需要标定的手术器械的前部工具部分(如骨钻的钻头、摆锯的锯片、手 术探针等)摆放在标定模块上一个或几个特定位置，并分别使其尖端和侧边与标定模块上的基 准平面和直角交叉边相接触。在器械摆放到位后，利用手术导航系统中的光学三维运动跟踪 装置对模块上的标志点位置进行测量，得到模块的空间位置，同时对手术器械上固结的跟踪 标志架进行测量，得到手术器械的位置，就可以计算出手术器械上的标志架与标定模块之间 的相对位置关系，从而确定位于特定位置的手术器械上工具尖端相对于器械上跟踪标志架的 位置关系，并确定器械上前部工具轴线的方向与跟踪标志架之间的几何关系。通过上述的标 定，只要在一般的手术器械(如骨钻、摆锯)上固定跟踪标志架，就可以将其转化为可以被手 术导航系统所跟踪的手术器械，并用于导航手术的操作。
综上所述，本实用新型公开了一种用于确定用于导航的手术器械尖端、轴线和其前部工 具几何尺寸的辅助测量装置，可以测量和标定手术器械上特定的工具的几何要素，以及其尖 端和轴线与固结在器械上的跟踪标志架之间的关系，从而将普通手术器械转化成导航手术器 械，或用于对现有导航手术器械的标定和检验。本标定模块的主要特征在于-
1. 该标定模块是一个坚固的刚体，模块上有用于定位器械尖端位置的基准平面，该平面 构成了固结在标定模块上的直角坐标系XYZ中的XY坐标平面。
2. 模块上有用于定位器械轴线方向的直角交叉边，通过制造保证形成该直角交叉边的两 平面的交线与上述基准平面相垂直，因此该交线构成了固结在标定模块上的直角坐标 系XYZ的Z轴。因此上述基准平面和直角交叉边形成了标定模块上的直角坐标系；
3. 标定模块上面固结有若干可以被导航系统所跟踪的标志点，各标志点在XYZ直角坐标 系中的空间位置是在制造中精确确定的，因此其空间坐标是已知的，标志点的布局采 用不对称的排布，以便手术导航系统可以根据测量到的标志点分布，来确定标定模块 的方位，并可以通过对这些标志点空间位置的跟踪测量，得到上述基准平面和直角交 叉边的位置；
4. 模块上用于定位器械轴线方向的直角交叉边与基准平面之间留有月10mm的间隙，以 便于模块的加工，同时，该间隙能够在标定在尖端具有侧向伸出突起的器械前部工具，；
5. 标定模块上还具有3 5个不同尺寸的凹坑，可以容许器械的尖端以凹坑为中心进行三 维空间的旋转和摆动，凹坑的约束形成器械尖端的不动点，可以采用固定支点方法对 尖端位置进行标定；
6. 通过对摆放于模块上一个或几个特定位置的器械的空间位置的测量(即通过固结在器
6械上的跟踪标志架进行跟踪测量)，可以确定手术器械上标志架在模块坐标系XYZ中的位置。 由于在测量时器械前部工具的尖端位于模块上特定的摆放位置，同时其侧面与模块上的直角 交叉边紧密接触，因此器械前部工具在模块上的摆放姿态是固定的，可以通过该摆放条件下 模块对器械的约束，计算器械上跟踪标志架与器械尖端之间的相对位置关系，以及计算器械 前部工具轴线与器械跟踪标志架之间的相对位置关系。
上述标定手术器械几何要素的通用标定模块的结构简单，通过刚性的标定面和直角交叉 边对器械的摆放进行定位，可以建立由器械上的标志架所定义的器械坐标系与模块坐标系之 间的关系，从而计算得到器械尖端和轴线相对于器械坐标系的关系，并在手术导航中利用这 种几何关系来确定手术器械前部工具的尖端位置和轴线方向。该装置适合医院和研究人员将 普通的手术器械作为导航手术器械使用，或帮助医生对在用的手术器械进行标定和校核。
参照附图1可以实际制作本实用新型的标定模块，参照附图2 附图4可以对不同尖端 形状的器械进行标定。
以下结合附图具体对模块的结构功能和使用的具体方法进行说明。需
要强调的是本实施例的详细描述和对特定尺度与形状的限制都是为了使本领域普通技术人
员可以根据本实用新型的方法加以实施，并非对本实用新型的具体方法进行限制。
如图1所示，标定模块的主体1是相互垂直的三块刚性平面体，其垂直度通过机械加工 或精密的装配可以得到保证。其中以定位平面1-1作为定位的基准平面，建立直角坐标系
XYZ，其中的XY平面与基准平面1-1重合，XZ平面与定位平面1-2重合。在定位平面1-2 上有突出的第3个定位平面1-3，该平面既垂直于平面1-1也垂直于平面1-2，平面1-2与平 面1-3形成了直角的相交，因此可以将平面1-2与平面1-3的交线定义为直角坐标系XYZ的 Z轴。为便于模块的加工，在平面1-3和基准平面1-1之间留有间隙，该间隙还可以用来标定 尖端弯曲的特殊工具。
在与平面1-2平行的平面1-4上，固结有4 5个可以被导航系统所跟踪的发光或反光标 志点，根据导航系统的不同，可以选用主动发光的红外发光二极管或采用被动反光的标志球。 这里以被动反光的标志球为例进行说明。各个标志点在平面上采用不对称的排布，以便导航 系统可以根据标志点的分布情况来确定标定模块的方位。通过对这些标志点空间位置的跟踪 测量，可以得到上述基准平面和直角交叉边的位置。在模块制作完成后，模块上各个标志点 的位置需要进行精确的测定，从而得到各标志点在直角坐标系XYZ中的坐标ikr,(x,，乂,&)。同时，在平面1-4上制作有3 5个直径介于lmm 5mm之间的V形凹坑1-5，用于采用固定支 点方法对尖端位置进行标定。
在使用时，将固结有跟踪标志架的手术器械的切割部分摆放在标定模块的特定位置，就 可以对器械的几何特征进行测定，下面通过几个实例进行说明。
本实用新型提供了一种用于手术导航中器械前部工具尖端和轴线等几何信息标定的辅助 测量装置。该装置借助手术导航系统中所使用的光学三维运动跟踪系统，测量固结在手术器 械上的跟踪标志架，并通过将手术器械前部工具摆放在标定模块上特定的位置，来确定手术 器械的尖端位置、前部工具的轴线方向与器械上的跟踪标志架之间的位置关系，同时测量标 定手术器械前部工具的尺寸等几何要素。在完成标定以后，通过对手术器械上标志架位置的 跟踪测量，得到手术器械的空间位置信息，就可以辅助医生确定手术器械前部工具与人体之 间的位置关系，克服现有的导航系统只能单纯依靠特制的导航器械的缺点，使通用的手术器 械能够在导航手术中得到运用。所设计的标定装置结构简单，使用方便，经久耐用。
作为本模块使用的第l个实例，为标定器械前部为圆柱形状的工具2(如钻头、探针等， 参考图2)，需要测定的主要几何要素包括工具尖端位置P相对于器械上标志架3的位置、圆 柱形尖端轴线的方向A、圆柱的直径D等。如图2 (a)所示，将圆柱形尖端P抵靠在定位基 准平面1-1上，同时将圆柱形的工具外圆的两个侧面分别抵靠在定位平面1-2与定位平面1-3 直角相交形成的直角V形槽上，这样，器械前部工具的尖端位于标定模块的XY平面内(因此 其Z坐标为0)，而同时直角V形槽约束了圆柱形工具轴线的方向与标定模块坐标系的Z轴平 行。通过手术导航系统的光学三维运动跟踪系统采集标定模块上的标志点和器械上的标志架 3的空间位置，就可以得到器械上标志架3在标定模块坐标系XYZ中的位置和方向，因此可 以计算出器械前部工具圆柱形尖端的轴线方向与器械标志架3之间的关系。进一步，为了得 到圆柱形工具尖端轴线的准确位置，将器械绕其前部工具的圆柱轴线转动30 卯度，到达如 图2(b)所示位置。由于圆柱形状的轴线对称性，在转动中器械圆柱形前部工具轴线的位置并 没有发生改变，而器械上的标志架3则发生了绕固定轴线(与标定模块Z轴方向平行的轴线) 的旋转，因此可以计算出器械上标志架3的旋转轴线的位置，这样就确定了器械圆柱形前部 工具轴线的真实位置，并通过该位置得到该圆柱形的半径(即该轴线所在的模块上的X或Y 坐标)。由于器械尖端抵在基准面上，因此其Z坐标为O，而尖端的X，Y坐标就是标定得到的 轴线坐标。通过上述标定，就唯一地确定了圆柱形工具尖端的位置、方向和直径。与上述原理相仿，作为使用的第2个实例，为标定器械前部为矩形的工具(例如摆锯的锯 片)4，按照如图3(a)和图3(b)所示的摆放，将矩型的摆锯锯片侧方的四个平面分别抵靠在定 位面l-2和l-3形成的直角V形槽上，每次都保证锯片的前端抵靠在基准面1-1上，通过测 量得到每次摆放时器械上的跟踪标志架3在模块坐标系XYZ中的位置。由于每次摆放时锯片 前端总是抵靠在Z二O的平面上，锯片的侧面总是平行于XZ平面和YZ平面，因此可以计算 得到锯片相对于固结在摆锯上的跟踪标志架3的位置，并得到锯片的宽度和厚度信息。
进一步，作为使用的第3个实例，为了对具有对称形状的细尖端器械前部工具(探针等) 进行标定，利用该模块也可进行更加简便的固定支点法做器械尖端的标定校验。支点法标定 是一种常用的对细尖端器械进行位置标定的方法，巳经在许多文献中有介绍。其方法是将器 械尖端置于一个固定不动的点，将器械以该点为定点进行三维空间的旋转，器械上标志架3 形成的旋转路径为一个以该点为定点的圆锥面，通过器械上的标志架3的空间旋转矩阵可以 计算刚体旋转中不动点的位置，得到工具尖端的位置。如图4所示，通过本标定模块上的V 形凹坑，可以对不同大小的器械尖端提供合适的支点，从而进行稳定可靠的支点法尖端标定。
权利要求1.手术导航器械用的通用模块，其特征在于含有由相互垂直的三个刚性平面构成的标定模块的主体，其中基准平面(1-1)，与直角坐标系的XY平面重合，用于定位手术导航器械尖端的位置；第一定位平面(1-2)，与所述直角坐标系的XZ平面重合，在所述第一定位平面(1-2)相对于所述基准平面(1-1)的纵向侧面上，固结有若干能被手术导航系统跟踪的标定点，各标志点在所述XYZ直角坐标系中的空间位置的坐标是已知的，所述标志点的布局呈不对称布局，在所述第一定位平面(1-2)的所述纵向侧面上，还具有3-5个不同直径的凹坑，允许所述手术导航器械工具的尖端以所述凹坑为中心进行三维空间的旋转和摆动，凹坑的约束形成所述手术导航器械的不动点，以便于手术器械前端工具的尖端位置进行标定；第二定位平面(1-3)，既垂直于所述基准平面(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)与所述第一定位平面(1-2)的交线即为所述垂直坐标系XYZ的Z轴，在所述第二定位平面(1-3)与所述基准平面(1-1)之间留有设定的间隙，用以标定尖端具有侧向伸出突起的手术器械前部工具。
2. 根据权利要求1所述的手术导航器械的通用标定模块，其特征在于所述间隙为10mm。
专利摘要手术导航器械用的通用标定模块属于计算机辅助手术导航技术领域，其特征在于含有一个由三个相互重直的刚性平面构成的主体，其中基准平面，与直角坐标系的XY平面重合用于定位手术导航器械尖端的位置；第一定位平面，与直角坐标系的XZ平面重合，在相对于基准平面的纵向侧面上，有多个呈不规则分布的跟踪标志点，还有3-5个凹坑，作为手术导航器械的不动点，以便对尖端位置进行标定；第二定位平面，同时与其准平面和第一定位平面垂直，该第二定位平面与第一定位平面的交线即为直角坐标系的Z轴，在该第二定位平面与基准平面之间留有设定的间隙，既便于加工，也用于对手术导航器械的前部工具的尖端位置进行标定，适用于各种手术导航器械，结构简单，使用方便。
文档编号A61B19/00GK201389080SQ20092010557
公开日2010年1月27日 申请日期2009年2月25日 优先权日2009年2月25日
发明者辉 丁, 王广志 申请人:清华大学