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的制作方法

本发明涉及一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道定位装置，特别涉及一种采用计算机图像处理技术和机器人技术的前交叉韧带止点和韧带隧道的定位装置。

背景技术：

前交叉韧带重建手术是前交叉韧带断裂适应症的有效治疗方法，其内容就是在膝关节股骨和胫骨的韧带连接点各钻制一个孔(韧带隧道)，利用人工韧带或其他材质的韧带穿过并固定在这两个韧带隧道里，代替已经断裂的韧带，稳定膝关节。手术难点之一就是正确定位前交叉韧带止点(韧带与骨骼的连接点)和韧带隧道的位置。不正确的前交叉韧带止点位置将导致前交韧带与周边骨组织发生碰撞摩擦，前交叉韧带的长度在膝关节运动过程中反复过度拉伸，降低前交叉韧带寿命，影响手术疗效。

传统的前交叉韧带重建手术中，医生利用C形臂采集膝关节的正侧位图片，利用统计数据(如股骨止点的四分格法)，设计前交叉韧带的止点和韧带隧道位置。由于每个人的个体情况不一样，这种利用统计学数据来设计止点和韧带隧道位置的方法不可能完全满足每一个患者的个性化病情，疗效具有很大的不确定性。还有的医生，利用关节镜来寻找关节的解剖特征，设计前交叉韧带的止点和韧带重建隧道位置。但由于关节镜视野小，一个关节镜视野里无法包含所有设计需要的解剖特征，需要医生结合自己专业知识，设计前交叉韧带的止点和韧带隧道位置，这种方法的疗效受医生自身的专业水平影响。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和韧带隧道定位装置，采用数字图像处理技术和机器人技术，利用患者膝关节的术前CT或核磁等3D医学影像数据，结合膝关节解剖特征(如韧带连接处的解剖特征)，辅助医生完成个性化的前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划，定义2个以上的投影方向，并将3D环境的医学影像数据和手术规划数据投影到定义的平面上，建立2D图像空间及其坐标系，描述手术规划信息。在术中，利用C形臂X光机依据定义的投影方向，采集手术空间的2D医学图像，和术前规划的前交叉韧带止点和韧带隧道位置信息一起，建立2D图像导航环境，结合位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的位置信息，控制定位机器人运动并固定手术路径，辅助医生完成精准、有效的前交叉韧带重建隧道的钻制等手术操作。解决传统手术中止点和韧带隧道定位不准确导致的手术后遗症，降低手术难度，提高手术疗效。

本发明由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以及存储于计算机内的前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块和前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块组成。图像校正标定板安装在C型臂X光机的采集端部，C型臂X光机与计算机之间连接有图像采集卡，路径定位架固定在定位机器人末端，定位机器人与计算机之间利用通讯总线连接，位置跟踪平台和计算机之间采用数据总线连接。

本发明的术前3D路径规划功能，是由前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块实现的。该模块包括：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的操作，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，依据设置的投影方向，投影到两个以上法线向量不平行的平面里，构建两个以上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。

本发明的基于2D影像数据的前交叉韧带手术导航功能，是由前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块实现的。所述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设置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：

A_11×1＝[A₁ A₂ A₃ A₄ A₅ A₆ A₇ A₈ A₉ A₁₀ A₁₁]^T

C_(2×n)×1＝[u₁ u₂ … u_n v₁ v₂ … v_n]^T

A＝(E^TE)^-1E^TC

其中：

n(n≥6)组标记点的空间坐标是(x_i，y_i，z_i)(n＝1，2，…n)，相应的屏幕坐标是(u_i，v_i)(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，让机器人末端路径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。

本发明一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和韧带隧道定位装置的优点在于：本发明将术前的3D环境下规划的止点和韧带隧道位置信息融合到术中2D导航图像空间，可以根据患者的具体解剖特征，个性化设计疗效显著的前交叉韧带止点和隧道位置，并利用机器人精准定位，降低手术难度和医生的操作强度，提高医生的手术精度和手术疗效。本发明具有极高的性价比和推广应用价值。

附图说明

图1融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和隧道定位装置的结构示意图

图2图像纠正标定板的外形图

图3路径定位架结构图

图4基于股骨投影方向的侧向投影图像

图5基于股骨投影方向的正向投影图像

图6基于胫骨投影方向的侧向投影图像

图7基于胫骨投影方向的正向投影图像

图中，各部件的标记如下：

1.计算机

2.图像采集卡

3.C型臂X光机

4.图像校正标定板

401纠正板、402纠正钢珠、403安装孔、404标定钢珠、405标定板、406立板

5.位置跟踪平台

6.定位机器人

7.路径定位架

701安装底座、702立杆、703定位套

8.螺钉

9.螺钉

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

请参见图1所示，本发明是一种机器人辅助前交叉韧带重建手术定位装置，是一种适用于前交叉韧带重建手术的医疗器械。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。在本发明中，图像采集卡4选用Boser BS-602DVD Plus外置图像采集卡，定位机器人6选用丹麦生产的UR5机器人，C形臂采用德国西门子产品ARCADIS Varic，位置跟踪平台采用加拿大Claron公司生产的Micron Tracker。

请参见图2所示，本发明的图像校正标定板4，由纠正板401、纠正钢珠402、标定钢珠404、标定板405和立板406构成，纠正板401上设有安装孔403、纠正钢珠402安装孔、标定钢珠404安装孔。标定板405通过立板406和纠正板401固联一起，其上设置有标定钢珠404的安装孔。图像校正板4用于实现C型臂X光机3拍摄的多幅X光图像上具有标记点的特性。

请参考图3所示，本发明的路径定位架7由安装底座701、立杆702、和定位套组成，立杆将安装底座701和定位套703固连一起，安装底座上分布有4个固定孔，用于将路径定位架7和定位机器人6末端采用螺钉8连接。路径定位轴线，用于固定手术操作路径。

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：

A_11×1＝[A₁ A₂ A₃ A₄ A₅ A₆ A₇ A₈ A₉ A₁₀ A₁₁]^T

C_(2×n)×1＝[u₁ u₂ … u_n v₁ v₂ … v_n]^T

A＝(E^TE)^-1E^TC

其中：

n(n≥6)组标记点的空间坐标是(x_i，y_i，z_i)(n＝1，2，…n)，相应的屏幕坐标是(u_i，v_i)(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。

为进一步说明本发明的技术方案，现将本发明进行前交叉韧带止点和韧带隧道定位手术操作的过程简单描述如下：

(1)将图像校正标定板3利用螺钉9安装在C型臂X光机2的采集末端上。

(2)用数据线将位置跟踪平台5和计算机1连接起来

(3)用图像采集卡2将计算机1和C形臂X光机2连接起来

(4)用螺钉8将定位机器人6和定位架7连接起来

(5)将人体膝关节10的术前CT图片输入计算机，利用前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块显示膝关节10的3D影像数据，选择住院医生脊的中间作为韧带止点，设计前交叉韧带的隧道。

(6)投影方向定义：

股骨投影方向定义：将膝关节股骨头侧向投影，投影方向为股骨远端内外侧后髁完全重叠，股骨内侧远髁与外侧远髁重叠，请参考图4所示。绘制布拉门塞特线(Blumensaat line)，以布拉门塞特线作为X轴，向后踝方向为正，以垂直布拉门塞特线为Y轴，远离股骨方向为正。以布拉门塞特线的中点为原点，构建平面坐标系，以规划的前交叉韧带股骨止点到X轴和Y轴的距离，定义前交叉韧带股骨止点的坐标位置和前交叉韧带隧道的坐标位置。请参考图5所示，定义布拉门塞特线为膝关节股骨正位的投影方向，采集膝关节股骨的正位，膝关节踝间凹顶部图像重叠，膝关节股骨止点一侧的图像重叠。以膝关节股骨内外侧远踝的切线为平面坐标系的X轴，以向内侧为正；以X轴的垂线为Y轴，远离股骨方向为正，以股骨内外侧远踝的切线的中点为原点，构建平面坐标系，描述股骨前交叉韧带止点坐标位置和韧带隧道坐标位置。

胫骨投影方向定义：将膝关节胫骨侧向投影，投影方向为胫骨内外侧平台重合，后踝内外侧缘重叠，请参考图6所示。绘制前、后皮质线和胫骨平台切线，以切线为X轴，向后皮质线方向为正。以切线和前皮质线的交点为原点，以切线的垂线为Y轴，远离胫骨为正。构建平面坐标系，描述胫骨前交叉韧带止点坐标位置和韧带隧道坐标位置。定义胫骨正位投影方向：请参考图7所示，胫骨平台前后缘重合，踝间脊轮廓对称。以胫骨平台切线为X轴，向内侧方向为正。以切线的中点为原点，以X轴线的垂线为Y轴，以远离胫骨为正，构建平面坐标系，描述胫骨前交叉韧带止点坐标位置和韧带隧道坐标位置。

(7)依据定义的投影方向，将3D环境的医学影像信息和手术规信息投射到平面上，获得股骨两个投影方向的2D导航医学影像和胫骨两个投影方向的2D导航医学影像。

(8)手术中，在膝关节附近的胫骨和股骨上安装跟踪平台识别的标记点，依据第6步定义的投影方向，采用C形臂X光机2采集手术空间的膝关节股骨和胫骨的4个2D导航图像。依据第6步定义的平面坐标系方法，定义导航图片的坐标系，并以第六步描述的前交叉韧带止点和韧带隧道坐标，规划手术空间的止点和韧带隧道位置。

(9)利用图像校正标定板3的钢珠阵列及其投影，建立2D图像空间和手术空间之间的映射模型。

(10)依据映射模型，将第8步规划的2D前交叉韧带止点和韧带隧道位置转换为手术空间3D坐标，结合位置跟踪平台5采集的定位机器人6末端信息，计算出机器人的运动参数，控制定位机器人6运动，并带动定位架7的定位轴线与手术规划的前交叉韧带止点和韧带隧道重合。

(11)依据映射模型，结合跟踪平台5采集的机器人末端位置信息，将路径定位架轴线位置，在2D导航图像上实时显示出来，辅助医生完成精准韧带隧道重建手术。

(12)医生沿着定位架7的定位轴线，钻制韧带隧道。

本发明融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和韧带隧道定位装置，是一种借助机器人技术和计算机图像处理技术来辅助医生完成前交叉韧带重建手术的定位装置。本发明涉及医学、机器人学、计算机视觉、数字图像处理等多门学科，利用图像处理技术，将术前个性化的手术规划信息引入术中2D导航环境，降低手术难度，利用定位机器人技术，精准实现术前的规划路经，提高医生操作精度和手术疗效。本发明实现的系统操作简便、结构紧凑、成本低廉，并且具有较高的稳定性和可靠性，适合于在各类医院，尤其是中小型医院推广使用。以上所述仅为本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的技术人员来说，依据本发明的设计思想(将术前3D规划的手术路径，引入术中2D导航环境，指导医生完成精准、快捷的手术导航操作)，还可以做出许多变型和改进，但是这些均落入本发明的保护范围。