骨科无创式导针三维定位导向系统的制作方法

本实用新型涉及骨科导航定位领域，尤指一种骨科无创式导针三维定位导向系统。

背景技术：

随着骨科技术的不断的进步与完善，骨科微创手术已经成为骨科发展的主要方向。但微创手术需要一定的设备及技术支持。在不切开皮肤的情况下确定体内骨折块、标志点或骨性通道位置的体外定位技术成为了骨科微创手术的关键技术。

目前应用于临床上的体外定位方法主要分两种。第一种是基于普通X线照射技术的定位，多较为简单，譬如医生通过放置金属标志物，单纯利用术中C臂X光机进行透视，以实现对体内目标的定位。该类方法只能初步评估目标所在位置，无法进行三维定位，亦无法定位骨性通道，更无法在一些需要特殊投照角度的部位中，如骶髂螺钉、椎弓根钉及髋臼前柱骨折螺钉内固定等手术中实现定位。第二种较为先进，为计算机辅助三维手术定位导航技术，该技术虽然准确性高，但体型庞大且沉重，不易消毒与转运，加之实用性较差，操作复杂且费用高昂，极大地提高了手术成本，而且普通医院无力购置。

针对目前骨科无创式定位技术中存在的缺陷和不足，逐渐出现一种通过结合双目视觉原理配合计算机及其控制操作软件来实现几何重建的定位技术，见专利号为201410056737.5，发明名称为骨科机器人导针定位器、导航装置及定位系统的的专利。该专利是从两个角度拍摄X线图像，并由特殊成像装置采集，经计算机图像控制操作软件建立二维坐标系，并通过双目视觉测距原理经计算最得到定位。但该技术至少存在以下缺陷：1、因采用了双目视觉测距原理，需要使用特殊的X光成像系统及计算机图像控制操作，成本较高不利于普及。2、且该技术重建的几何结构受到匹配点唯一性及顺序一致性约束约束，当目标位置处于图像灰度或图像特征变化不明显的区域时无法获取准确的三维定位。3、在X光图像中骨皮质重叠较多的区域内，如某些髋臼骨折难以准确重建。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，并降低使用门槛，本实用新型的目的在于开发一种骨科无创式三维定位系统及导针定位器，该导针定位器为一种导航辅助机器人，其采用蜗轮蜗杆转台、电子罗盘及倾角传感器等技术设备构建坐标系，可以通过从任意两个方向进行X线透视，经过立体几何运算后，即可准确获取目标点及骨性通道的三维坐标。本实用新型的另一目的在于，使所用定位设备具有外形小巧轻便，操作简单易于消毒，价格低廉的特性，达到易于推广的效果。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种骨科无创式导针三维定位导向系统,其特征在于，其包含，一导针定位器，该导针定位器主要包括：至少一个X轴精密电动滚珠丝杠滑台，至少一个Y轴精密电动滚珠丝杠滑台，一Z轴精密电动滚珠丝杠滑台，两个精密电动蜗轮蜗杆旋转台，一套筒固定支架及可更换套筒；

其中，所述X轴精密电动滚珠丝杠滑台与所述Y轴精密电动滚珠丝杠滑台相互垂直呈水平设置，且所述Y轴精密电动滚珠丝杠滑台能沿X轴方向在X轴精密电动滚珠丝杠滑台上移动；Z轴精密电动滚珠丝杠滑台一端借助一精密电动蜗轮蜗杆旋转台滑设于Y轴精密电动滚珠丝杠滑台，而使Z轴精密电动滚珠丝杠滑台能沿Y轴方向在Y轴精密电动滚珠丝杠滑台上移动且可以Z轴为中心线旋转；可更换套筒通过套筒固定支架的另一端固定于另一精密电动蜗轮蜗杆旋转台，且该一精密电动蜗轮蜗杆旋转台滑设于Z轴精密电动滚珠丝杠滑台，以使可更换套筒通能沿Z轴方向移动且能以套筒固定支架为中心旋转；借助所述结构，能使设于可更换套筒中的导针以导针定位点为球心从空间中任一点指向任意方向。

其中较佳的，所述X轴精密电动滚珠丝杠滑台、Y轴精密电动滚珠丝杠滑台及Z轴精密电动滚珠丝杠滑台分别由滑台步进电机、滑台传动器、滑台丝杆、滑台滑轨、滑台滑块、滑台底座构成。

其中较佳的，所述精密电动蜗轮蜗杆旋转台分别由旋转台轴步进电机、蜗轮蜗杆旋转台机身、蜗轮蜗杆旋转台台面构成。

其中较佳的，该骨科无创式导针三维定位导向系统还包括至少一个C型臂三维电子罗盘、C型臂、手术床及处理系统。

其中较佳的，所述Y轴精密电动滚珠丝杠滑台设有Y轴滑台底座，所述C型臂三维电子罗盘放置于Y轴滑台底座及/或底部粘贴于C型臂放射端顶部，当C型臂三维电子罗盘底部粘贴于C型臂放射端顶部时，其Z轴即为C型臂3的中心投照线方向，其长短轴分别为C型臂三维电子罗盘2的X轴和Y轴C型臂三维电子罗盘2零位的x轴y轴方向与导针定位器的X轴Y轴方向一致，C型臂三维电子罗盘放置于Y轴滑台底座时，即以XOY平面为零位平面，以Y轴方向为航向角零值。

其中较佳的，所述Y轴滑台底座不妨碍其他部件活动的侧面或者下面设有容置所述C型臂三维电子罗盘的Y轴三维电子罗盘卡槽；而C型臂放射端顶部可设有容置所述C型臂三维电子罗盘的C型臂三维电子罗盘卡槽。

其中较佳的，该系统还包括用于照射进针点的激光测距仪。

其中较佳的，所述激光测距仪为一球形云台激光测距组件，该球形云台激光测距组件的球形云台底座固定于Z轴精密电动滚珠丝杠滑台上端以通过球形云台使激光测距模块指向任意方向，并通过激光测距三维电子罗盘获取其空间方向，激光测距模块内装有镭射光源，以在获取定位点坐标后，照射至体表理想进针点后测取距离，并记录激光测距三维电子罗盘空间方向，借此可得出进针点的空间坐标，从而得到两点所在直线，并自动使可更换套筒的轴线与该直线重合，且可更换套筒头端沿该直线移动至进针点即贴近体表。

其中较佳的，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台与Z轴精密电动滚珠丝杠滑台分别通过连接板与精密电动蜗轮蜗杆旋转台连接，而套筒固定架与Z轴精密电动滚珠丝杠滑台通过也是通过连接板相连接。

其中较佳的，所述导针定位器还包含测量精密电动蜗轮蜗杆旋转台旋转角的倾角传感器。

本实用新型还提供了一种骨科无创式导针三维定位导向方法,其将上述任一所述的骨科无创式三维定位系统的导针定位器置于患侧手术床上并于可更换套筒插入导针，以X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ的方向为导针定位器X轴方向，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台方向为导针定位器Y轴方向，Z轴精密电动滚珠丝杠滑台方向为导针定位器Z轴方向；以精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ以Y轴方向为零值，读数为α，即导针于XOY平面的投影与X轴的角度；精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ，以XOY平面为零值，读数为β，即导针与XOY平面的夹角；且设定可更换套筒12的轴心与套筒固定支架的轴心的交点为导针定位点，以各轴均处于零位时的导针定位点为原点构建三维坐标系，并记录该点为(x,y,z)，可更换套筒的轴心与Z轴滑台丝杆轴心的距离为L，X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ及X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅱ的位移为x'，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台的位移为y',Z轴精密电动滚珠丝杠滑台的位移为z'，设定：x'＝x-L·cosα，y'＝y-L·sinα，z'＝z，从而控制导针能以导针定位点为球心从空间中任一点指向任意方向；C型臂三维电子罗盘固定于Y轴卡槽，其x轴y轴方向与导针定位器的X轴Y轴方向一致，并于通电后自动记录其当前方向并将其设为零位，即以XOY平面为零位平面，以Y轴方向为航向角零值；记录成功后便取下C型臂三维电子罗盘或取另一C型臂三维电子罗放置于C型臂三维电子罗盘卡槽，并在使用过程中C型臂调整至合适位置时手动记录C型臂放射端顶部的C型臂三维电子罗盘值，并依据所述的C型臂三维电子罗盘值建立C型臂和导针定位器的向量关系，三维电子罗盘轴即为C型臂的中心投照线方向，而其长短轴分别为C型臂三维电子罗盘的轴和轴；

当C型臂取得合适X光照射位置时，定义该位置为放射源1，通过C型臂三维电子罗盘手动记录C型臂三维电子罗盘的俯仰角α'，横滚角β'，以及航向角γ'，算出C型臂3的中心投照线与导针定位器XYZ正半轴夹角的余弦值，分别为其中：

然后，进行步骤：

1.调整导针定位点位置，并调整导针角度α及β使导针于X光图像上指向目标位置，记录导针定位点坐标(x1,y1,z1)及可更换套筒方向α1、β1；

2.改变导针定位点位置并使导针于X光图像上再次指向目标位置，点击确认记录导针定位点坐标(x2,y2,z2)及可更换套筒方向α2、β2；

3.通过处理器运算即能得出通道的轴线的直线方程为：

其中，

cosδ1＝cosα1·cosβ1 cosδ2＝cosα2·cosβ2

cosη1＝sinα1·cosβ1，cosη2＝sinα2·cosβ2。

cosμ1＝sinβ1 ，cosμ2＝sinβ2

其中较佳的，所述定位系统的处理系统根据该通道的轴线的直线方程，并设定β＝90°-θ，而控制导针定位器，以使可更换套筒的轴线与该通道的轴线重合，并借助调整t值，使可更换套筒12沿通道的轴线移动至体表。

其中较佳的，该方法进一步包括以下步骤：

改变C型臂的角度并再次照射X光，当取得合适位置时定义该位置为放射源2，并通过C型臂三维电子罗盘手动记录C型臂三维电子罗盘的俯仰角α'2，横滚角β'2，以及航向角γ'2，并算出C型臂的中心投照线与导针定位器XYZ正半轴夹角的余弦值分别为

然后，调整导针定位点位置，并调整导针角度α和β使导针于X光图像上指向目标位置，记录导针定位点坐标(x3,y3,z3)及可更换套筒方向α3、β3；

进一步，通过运算即可得出目标点的坐标(x4,y4,z4)，

其中：

其中较佳的，根据得出的目标点的坐标(x4,y4,z4)，通过调整导针定位点坐标(x,y,z)，通过控制系统，设定以使调整过程中导针套筒的方向时时瞄准目标点。

其中较佳的，在已知两个端点，需要确定导针移动路径时，重复该定位目标点的坐标(x4,y4,z4)方法，以算出两个目标端点，并由定位系统的计算控制模块算出导针移动路径以供控制导针定位器移动。

其中较佳的，在使用C型臂透视时，均使目标位置呈现于图像中心，即位于中心投照线上。

其中较佳的，在对目标点的定位中采用激光测距仪照射进针点，自动使可更换套筒的轴线与该直线重合，且可更换套筒头端沿该直线移动至进针点即贴近体表，即确定手术路径。

其中较佳的，所述导针定位器包含测量精密电动蜗轮蜗杆旋转台旋转角的倾角传感器。

其中较佳的，所述激光测距仪为一球形云台激光测距组件，该球形云台激光测距组件的球形云台底座固定于Z轴精密电动滚珠丝杠滑台上端，其可通过球形云台使激光测距模块指向任意方向，并通过激光测距三维电子罗盘获取其空间方向，激光测距模块内装有镭射光源，在获取定位点坐标后，照射至体表理想进针点后测取距离，并记录激光测距三维电子罗盘空间方向，借此可得出进针点的空间坐标，从而得到两点所在直线，并自动使可更换套筒的轴线与该直线重合，且可更换套筒头端沿该直线移动至进针点即贴近体表，即获得手术路径。

借助上述装置及方法，本实用新型的一种骨科无创式三维定位系统及导针定位器以及其定位方法，借助导航辅助机器人(导针定位器)，其采用蜗轮蜗杆转台、电子罗盘及倾角传感器等技术设备构建坐标系，通过从任意两个方向行X线透视，经过立体几何运算后，即可准确获取目标点及骨性通道的三维坐标。在对目标点的定位中可采用激光测距仪照射进针点即可确定手术路径。该定位设备外形小巧轻便，操作简单易于消毒，价格低廉因而易于推广。

附图说明

图1系统示意图；

图2导针定位器结构示意图；

图3X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ；

图4Y轴精密电动滚珠丝杠滑台(1204迷你滑台)；

图5Z轴精密电动滚珠丝杠滑台(1204迷你滑台)；

图6精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ(ZX110-100)；

图7精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ(ZX110-60)；

图8套筒固定支架；

图9连接板Ⅰ；

图10连接板Ⅱ；

图11连接板Ⅲ；

图12、图13、图14、图15本实用新型的坐标示意图；

图16本实用新型另一具有激光测距组件的具体实施例的总体示意图；

图17本实用新型另一具有激光测距组件的具体实施例的导针定位器示意图；

图18本实用新型另一具有激光测距组件的球形云台激光测距组件示意图；

图19本实用新型另一具有激光测距组件的具体实施例的激光测距组件连接板示意图；

图中：

1 导针定位器 2 C型臂三维电子罗盘

3 C型臂 4 手术床

5 X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ 6 X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅱ

7 Y轴精密电动滚珠丝杠滑台 8 Z轴精密电动滚珠丝杠滑台

9 精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ 10 精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ

11 套筒固定支架 12 可更换套筒

13 连接板Ⅰ 14 连接板Ⅱ

15 连接板Ⅲ 16 X轴滑台步进电机

17 X轴滑台传动器 18 X轴滑台丝杆

19 X轴滑台滑轨 20 X轴滑台滑块

21 X轴滑台底座 22 Y轴滑台步进电机

23 Y轴滑台传动器 24 Y轴滑台丝

25 Y轴滑台滑轨 26 Y轴滑台滑块

27 Y轴滑台底座 28 Z轴滑台步进电机

29 Z轴滑台传动器 30 Z轴滑台丝杆

31 Z轴滑台滑轨 32 Z轴滑台滑块

33 Z轴滑台底座 34 旋转台Ⅰ轴步进电机

35 蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ机身 36 蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ台面

37 旋转台Ⅱ轴步进电机 38 蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ机身

39 蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ台面

181 定位器球形云台底座 182 定位器球形云台

183 定位器球形云台球形卡槽 184 定位器球形云台锁定杆

185 激光测距三维电子罗盘 186 球形云台测距模块。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案做进一步具体的说明。

如图1所示，本实用新型的一种骨科无创式三维定位系统包括：导针定位器1、C型臂三维电子罗盘2、C型臂3、手术床4及处理系统(图中未绘示)。

如图2所示为本实用新型的导针定位器示意图，另请参见图3-图9，为本实用新型的导针定位器部件示意图，其中，该导针定位器1主要包括：X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ5，X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅱ6，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7，Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8，精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ9，精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ10，套筒固定支架11及可更换套筒12(2.0/2.5/3.0可更换套筒)，另外还包含三个连接板：连接板Ⅰ13、连接板Ⅱ14、连接板Ⅲ15。

请参见图3及图4，其为X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ5、X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅱ6及Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7结构示意图。三者结构相同，分别由X轴滑台步进电机16、X轴滑台传动器17、X轴滑台丝杆18、X轴滑台滑轨19、X轴滑台滑块20、X轴滑台底座21、Y轴滑台步进电机22、Y轴滑台传动器23、Y轴滑台丝24、Y轴滑台滑轨25、Y轴滑台滑块26、Y轴滑台底座27构成。

请参见图5，其为Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8的结构示意图。包括：Z轴滑台步进电机20、Z轴滑台传动器29、Z轴滑台丝杆30、Z轴滑台滑轨31、Z轴滑台滑块32、Z轴滑台底座33。

请参见图6及图7，为两个旋转台：精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ9、精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ10的示意图。其分别由旋转台Ⅰ轴步进电机34、蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ机身35、蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ台面36及旋转台Ⅱ轴步进电机37、蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ机身38、蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ台面39构成。Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7与Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8分别通过图9-10所示的连接板(13、14)与精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ9连接，而套筒固定架11与Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8通过图11所示的连接板Ⅲ15相连接。

请参见图2及图4-6、9、10，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7借助Y轴滑台底座27固定于X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ6及X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅱ7的X轴滑台滑块上，从而使Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7能借助X轴滑台步进电机的转动沿X轴方向按照指定的距离移动；Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8的一端借助连接板Ⅰ13连接板Ⅱ14通过精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ9与Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7的Y轴滑台滑块26相连接，以使Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8可以借助Y轴滑台步进电机22的转动沿Y轴方向按照指定的距离移动，同时也可以借助旋转台Ⅰ轴步进电机34的转动以Z轴为中心水平转动指定的角度。

请参见图2及图5、7、8、11，套筒固定支架11的一端通过精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ10及连接板Ⅲ15与Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8的Z轴滑台滑块32相连接，以使套筒固定支架11及固定于其另一端的可更换套筒12可以借助Z轴滑台步进电机28的转动沿Z轴方向按照指定的距离移动，同时也可以借助旋转台Ⅱ轴步进电机37的转动以X、Y轴构成的平面(XOY平面)相垂直的方向转动指定的角度。

综上所述，借助上述精密电动滚珠丝杠滑台，构成X、Y、Z三个方向的移动轨道，由可由处理系统中的控制装置驱动相应的滑台步进电机(16/22/28)转动，从而带动导针的导针定位点在三维方向上任意移动，从而到达空间中任一点。

继请参见图2可知，借助驱动相应的旋转台轴步进电机(9/10)，可使导针旋转相应的角度，其中导针于XOY平面的投影与X轴的角度(以Y轴方向为零值)，读数为α；而精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ10旋转时，形成以XOY平面为零值，导针与XOY平面的夹角读数为β。

参见图8为可更换套筒12及套筒固定架11示意图，其中，更换套筒12的轴心与Z轴滑台丝杆34轴心的距离为L。

借助该些结构，则可实现导针以导针定位点为球心从空间中任一点指向任意方向。同时，为了方便实用，于本实用新型中，可设有遥控装置以控制相应电机旋转，而旋转角可采用倾角传感器测量，直线位移可采用步进电机信号记录或者可采用位移传感器测量。

另外，本实用新型的一种骨科无创式三维定位系统，还包括至少一个C型臂三维电子罗盘2，而且在该具体实施例中，Y轴滑台底座的侧面或者下面以及C型臂放射端顶部可设有一Y轴三维电子罗盘卡槽，以不妨碍其他部件活动为要；其中，本领域技术人员可以理解的是，所述C型臂三维电子罗盘2可以分别设于C型臂放射端顶部的C型臂三维电子罗盘卡槽及Y轴三维电子罗盘卡槽，以根据其测量的工作时的三维参数和零位平面及航向角零值，从而建立C型臂和导针定位器的向量关系；其较佳的是可以仅设置一个C型臂三维电子罗盘2，先放在Y轴三维电子罗盘卡槽上测定初始值，然后放置C型臂放射端顶部的C型臂三维电子罗盘卡槽测量工作时的俯仰角、横滚角以及航向角，从而确保排除干扰，提高精度，并降低成本。

C型臂三维电子罗盘2零位的x轴y轴方向与导针定位器的X轴Y轴方向一致，当C型臂三维电子罗盘2放置于Y轴滑台底座27上的Y轴三维电子罗盘卡槽时，即以XOY平面为零位平面，以Y轴方向为航向角零值；而在使用时，是将C型臂三维电子罗盘2的底部粘贴于C型臂放射端顶部，此时其Z轴即为C型臂3的中心投照线方向，其长短轴分别为C型臂三维电子罗盘2的X轴和Y轴。

借助该导针定位器1及、C型臂3及相应传感器的协助，本实用新型的一种骨科无创式三维定位系统可实现各种复杂情况下的骨性通道的建立及进针点和手术路径的确认。

以下结合具体的使用场景，对本实用新型的一种骨科无创式三维定位系统的应用方法做详细说明：

具体来说，本实用新型的一种骨科无创式三维定位系统在使用过程中，是以X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ5的方向为导针定位器X轴方向，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7方向为导针定位器Y轴方向，Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8方向为导针定位器Z轴方向。

另外，精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅰ9以Y轴方向为零值，读数为α，即导针于XOY平面的投影与X轴的角度；精密电动蜗轮蜗杆旋转台Ⅱ10，以XOY平面为零值，读数为β，即导针与XOY平面的夹角。

本系统设定可更换套筒12的轴心与套筒固定支架11的轴心的交点为导针定位点。若以各轴均处于零位时的导针定位点为原点构建三维坐标系，并记录该点为(x,y,z)。可更换套筒12的轴心与Z轴滑台丝杆34轴心的距离为L，X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ5及X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅱ6的位移为x'，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7的位移为y',Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8的位移为z'。设定：x'＝x-L·cosα，y'＝y-L·sinα，z'＝z，则可实现以导针定位点为球心从空间中任一点指向任意方向。

当将导针定位器置于患侧手术床上时，C型臂三维电子罗盘2零位的x轴y轴方向与导针定位器的X轴Y轴方向一致，也就是说当其放置于Y轴滑台底座27(于本具体实施例中是借助设于Y轴滑台底座27侧边或底边的Y轴卡槽定位)时，即以XOY平面为零位平面，以Y轴方向为航向角零值。使用过程中，则是将C型臂三维电子罗盘2的底部粘贴于C型臂放射端顶部的C型臂三维电子罗盘卡槽，其Z轴即为C型臂3的中心投照线方向，其长短轴分别为C型臂三维电子罗盘2的X轴和Y轴。并且为减少误差，使用C型臂透视时均应使目标位置呈现于图像中心，即位于中心投照线上。

归纳起来，本实用新型骨科无创式定位技术所应用的类型可分为如下三类：

1、使用实例场景1定位目标点；

目标：将塌陷的骨折块定位到导针定位器坐标系中；

该类型是如胫骨平台塌陷骨折、胫骨远端pillon骨折等需要瞄准的块状骨折。其特征是目标为一个点，以胫骨平台塌陷骨折为例。患肢消毒后通过专利号为201310614751.8，发明名称为的一种治疗四肢长管状骨骨折的快速复位器对患肢进行牵引，将导针定位器置于患侧手术床上并于可更换套筒12插入导针。

通过使用C型臂3从任意角度照射X光，在其取得合适X光照射位置时，定义该位置为放射源1，通过C型臂三维电子罗盘2手动记录的俯仰角即其x'轴与XOY平面的夹角α'1，横滚角即其y'轴与XOY平面的夹角β'1，以及航向角即其x'轴方向于XOY平面的垂直投影与X轴方向的夹角γ'1。可算出C型臂3的中心投照线与导针定位器XYZ正半轴夹角的余弦值，分别为

计算过程如下：

1)建立坐初始标系，如图12所示，以点O为原点建立一个空间直角坐标系xyz(即C型臂三维电子罗盘2的俯仰角及横滚角为零时的坐标轴)及两个三维直角坐标轴XYz(即导针定位器的坐标轴)和x'y'z'(即C型臂三维电子罗盘2的坐标轴)。已知C型臂三维电子罗盘2的俯仰角为∠x'Ox即α'1，横滚角为∠A'OB'即β'1，航向角为∠IOG即γ'1。求z'正半轴与XYZ正半轴夹角的余弦值，即

∠BAO＝∠AOD＝∠x'Ox＝α'1，设AB的单位长度为a，则BO＝atanα'1，

设∠EOG＝σ，∠HOE＝ε，则

则

cosφ＝cos∠HOY＝-cos(σ-γ)·cosε，

代入σ，ε可得

2)步骤1：通过遥控器调整(控制相应的同步电机旋转)导针定位点位置，并调整导针角度α及β使导针于X光图像上指向目标位置(即C型臂中心投照线上)，点击确认记录导针定位点坐标(x1,y1,z1)及可更换套筒方向α1、β1；

步骤2:然后，改变导针定位点位置并使导针于X光图像上再次指向目标位置，点击确认记录导针定位点坐标(x2,y2,z2)及可更换套筒方向α2、β2。通过处理器运算即可得出目标点与放射源1的直线方程(详见下文)。

步骤3：改变C型臂3的角度并再次照射X光，当取得合适位置时定义该位置为放射源2，并通过C型臂三维电子罗盘2手动记录C型臂三维电子罗盘2的俯仰角α'2，横滚角β'2，以及航向角γ'2。可算出C型臂3的中心投照线与导针定位器XYZ正半轴夹角的余弦值，分别为

其推导过程同

步骤4：通过遥控器调整导针定位点位置，并调整导针角度α和β使导针于X光图像上指向目标位置，点击确认记录导针定位点坐标(x3,y3,z3)及可更换套筒方向α3、β3。通过处理器运算即可得出目标点的坐标(x4,y4,z4)。

计算过程如下：

如图13所示，以导针定位器各轴均处于零位时的导针定位点为原点即点O，以X轴精密电动滚珠丝杠滑台Ⅰ5的方向为X轴方向，Y轴精密电动滚珠丝杠滑台7方向为Y轴方向，Z轴精密电动滚珠丝杠滑台8方向为Z轴方向。建立空间直角坐标系。在空间中存在任意一点A(导针定位点)，已知点A的坐标为(x1,y1,z1)，点D为目标点，点M为直线B′D上任意一点，连结AM，直线AM与x,y,z正半轴的角度分别为δ1,η1,μ1，根据α1、β1可得出cosδ1＝cosα1·cosβ1，cosη1＝sinα1·cosβ1，cosμ1＝sinβ1。已知点G(导针定位点)的坐标为(x2,y2,z2)，点H为直线B′D上任意一点，连结GH，直线GH与x,y,z正半轴的角度分别为δ2,η2,μ2，根据α2、β2可得出cosδ2＝cosα2·cosβ2，cosη2＝sinα2·cosβ2，cosμ2＝sinβ2。放射源1即点B′分别对点G和点H作中心投影，在投影面xoy分别投射成点I和点M′；一个光源点B′分别对点A和点M作中心投影，在投影面xoy分别投射成点A′和点M′；线段AM′与线段IM′相交于点M′；连结投影线B′I,B′M′，形成一个平面B′IM′；连结投影线B′A′,B′M′，形成一个平面B′A′M′，投影线B′M′与x,y,z正半轴的角度分别为在平面B′IM′中，作过点G且平行于线段IM′的线段GH0，交投影线B′M′于点H0。在平面B′A′M′中，作过点A且平行于线段A′M′的线段AM0，交投影线B′M′于点M0。空间中存在任意一条直线EF，已知点E(导针定位点)的坐标为(x3,y3,z3)，且已知直线EF与x,y,z正半轴的角度分别为δ3,η3,μ3，根据α3、β3可得出cosδ3＝cosα3·cosβ3，cosη3＝sinα3·cosβ3，cosμ3＝sinβ3。放射源2即点B向线段EF作中心投影，连结BE,BF，形成一个平面BEF，且已知直线BD与x,y,z正半轴的角度分别为求证：直线B′M′与平面BEF的交点D的坐标。证明：若线段AM不平行于线段A′M′，则线段AM与线段A′M′的延长线，交于点N。如图14所示，则平面MNM′与平面xoy相交于直线NM′。在平面MNM′中，已知直线AM与x,y,z正半轴的角度分别为δ1,η1,μ1，则直线AM方向矢量的单位矢量为已知直线B′M′与x,y,z正半轴的角度分别为则直线B′M′方向矢量的单位矢量为直线AM和直线B′M′都在平面MNM′上，直线AM和直线B′M′相交，则通过点A(x1,y1,z1)且与平面MNM′的方位矢量平行的平面MNM′就被唯一地确定了。所以由平面的点位式方程得：

解这个行列式，得出平面MNM′的一般方程式：

若线段AM0平行于线段A′M′，如图15所示：

则平面B′A′M′与平面xoy相交于直线A′M′。已知直线AM0在平面B′A′M′中，且直线AM0与x,y,z正半轴的角度分别为δ1,η1,μ1，则直线AM0方向矢量的单位矢量为已知直线B′M′与x,y,z正半轴的角度分别为则直线B′M′方向矢量的单位矢量为直线AM0和直线B′M′都在平面B′A′M′上，直线AM0和直线B′M′相交于点M0，则通过点A(x1,y1,z1)且与平面B′A′M′的方位矢量平行的平面B′A′M′就被唯一地确定了。所以由平面的点位式方程得：

解这个行列式，得出平面B′A′M′的一般方程式：

所以，线段AM不平行于或者平行于线段A′M′，平面B′A′M′的一般方程式相同。

平面xoy的一般方程式：z＝0。

平面B′A′M′与平面xoy的一般方程式联立得出直线A′M′的方程式：

同理可得，平面B′IM′的点位式方程：

解这个行列式，得出平面B′IM′的一般方程式：

平面xoy的一般方程式：z＝0。

平面B′IM′与平面xoy的一般方程式联立得出直线IM′的方程式：

在平面xoy中，直线A′M′与直线IM′相交于点M′，则方程联立:

解得:

其中，

所以在空间直角坐标系，点M′的坐标为:

在直线B′M′上，已知直线B′M′方向矢量的单位矢量为和直线B′M′上的点M′的坐标，则直线B′M′的参数方程为(即目标点与放射源的直线方程)

设2个参数：

已知直线EF与x,y,z正半轴的角度分别为δ3,η3,μ3，则直线EF方向矢量的单位矢量为已知直线BD与x,y,z正半轴的角度分别为则直线BD方向矢量的单位矢量为直线EF和直线BD都在平面BEF上，直线EF与直线BD相交，则通过点E(x3,y3,z3)且与平面BEF的方位矢量平行的平面BEF就被唯一地确定了。所以由平面的点位式方程得：

解这个行列式，得出平面BEF的一般方程式：

最后，由直线B′M′的参数方程为

和平面BEF的一般方程式：

求点D的坐标就是求直线B′M′与平面BEF的交点。这两个方程联立，解得：

所以点D即目标点的坐标为:

即：

定位后：

通过调整导针定位点坐标(x,y,z)，使可更换套筒12达到理想位置。

设定

则使调整过程中可更换套筒12时时瞄准目标点，在对目标点的定位中可采用激光测距仪照射进针点即可确定手术路径。

2、使用实例场景2：定位狭窄的骨性通道，

主要适用于骶髂螺钉、髋臼前柱骨折螺钉内固定、椎弓根钉及髓内钉远端锁定钉等具有明确且狭窄的骨性通道或金属通道(也就是说使用的其目标是：线状目标通道)。

以骶髂螺钉为例。采用本实用新型的骨科无创式三维定位方法时，可于患侧固定挡手板并将导针定位器置于患侧术床及挡手板上。使用C型臂3从骶1椎弓根轴位(即骨性通道的轴位)照射X光，此时骶髂螺钉的骨性通道呈圆形，通过C型臂三维电子罗盘2记录C型臂三维电子罗盘2的俯仰角α'，横滚角β'，以及航向角γ'。可算出C型臂3的中心投照线与导针定位器XYZ正半轴夹角的余弦值，分别为

通过遥控器调整导针定位点位置，并调整导针角度α及β使导针于X光图像上指向目标位置(即C型臂中心投照线上)，点击确认记录导针定位点坐标(x1,y1,z1)及可更换套筒方向α1、β1；改变导针定位点位置并使导针再次指向目标位置，点击确认记录导针定位点坐标(x2,y2,z2)及可更换套筒方向α2、β2。通过处理器运算即可得出椎弓根骨性通道的轴线的直线方程为：

其中

cosδ1＝cosα1·cosβ1 cosδ2＝cosα2·cosβ2

cosη1＝sinα1·cosβ1，cosη2＝sinα2·cosβ2

cosμ1＝sinβ1 cosμ2＝sinβ2

推导方法同实例场景1

得到该直线方程后，于处理系统中，设定β＝90°-θ。则使可更换套筒12的轴线与椎弓根骨性通道的轴线重合。调整t值，使可更换套筒12沿椎弓根骨性通道的轴线移动至体表即可。

使用实例场景3：定位较粗的骨性通道(目标：是定位通道的两个端点)；

可以股骨颈骨折为例，已知螺钉预期位置的远端及近端，而需要设定手术路径。

此时可采用本实用新型的系统及方法，通过重复采用实例场景1的使用方法分别测定出螺钉预期位置的远端及近端的坐标从而得到手术路径。

为了实现定位及操作的精确化，如图16所示，在本实用新型的另一具体实施例中，可在上述实施例的结构加入激光测距组件，并请参阅图17-19，本实用新型在该具体实施例中，借助该激光测距组件，在对目标点的定位中采用激光测距仪照射进针点，自动使可更换套筒的轴线与该直线重合，且可更换套筒头端沿该直线移动至进针点即贴近体表，即确定手术路径。

本具体实施例中，该系统用于照射进针点的激光测距仪包括：定位器球形云台底座181，定位器球形云台182，定位器球形云台球形卡槽183，定位器球形云台锁定杆184，激光测距三维电子罗盘185，球形云台测距模块186。其中，球形云台激光测距组件的球形云台底座固定于Z轴精密电动滚珠丝杠滑台上端，其可通过球形云台使激光测距模块指向任意方向，并通过激光测距三维电子罗盘获取其空间方向，激光测距模块内装有镭射光源，在获取定位点坐标后，照射至体表理想进针点后测取距离，并记录激光测距三维电子罗盘空间方向，借此可得出进针点的空间坐标，从而得到两点所在直线，并自动使可更换套筒的轴线与该直线重合，且可更换套筒头端沿该直线移动至进针点即贴近体表，即获得手术路径。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。