一种用于坐标标定的外固定装置、系统及方法与流程

[0001]
本发明涉及医疗设备技术领域，特别是涉及一种用于坐标标定的外固定装置、系统及方法。


背景技术：

[0002]
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
[0003]
四肢骨折是骨科常见病，针对四肢骨折情况，大多采用手术复位与内固定和手法复位与外固定。手术复位与内固定方法将骨折复位后，需要切开骨折部的软组织，暴露骨折段，在直视下将骨折复位；手法复位与外固定方法是运用手法将骨折复位后，在骨折的肢体外安装夹板或骨外固定器，骨外固定器是由夹头和钢管组装成的体外钢架，可以支持骨骼，矫正骨骼在愈合过程中出现的各种移位。
[0004]
然而，发明人认为，内固定方法为有创方法，创伤较大容易增加感染机率，容易造成关节粘连，严重影响骨折愈合及恢复；外固定方法以及手法复位准确性差，对复位者操作经验依赖性强，容易造成骨折功能恢复不完善。目前四肢骨折最佳复位和固定方法是医学影像导引下的机器人复位与固定，但机器人复位与固定需要机器人基准坐标系与医学影像虚拟坐标系的统一，否则无法精确的获取骨骼需要复位的坐标点，以及无法精确获取骨骼的最优复位路径。


技术实现要素：

[0005]
为了解决机器人基准坐标系与医学影像虚拟坐标系的统一问题，本发明提出了一种用于坐标标定的外固定装置、系统及方法，将需要固定的夹持物通过夹持装置夹持进行医学影像采集，通过标定球上的标定孔读取标定球球心坐标，根据球心坐标将机器人基准坐标系与医学影像虚拟坐标系进行统一后，规划最优复位路径。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007]
第一方面，本发明提供一种用于坐标标定的外固定装置，包括：夹持装置、标定装置和支架；
[0008]
所述夹持装置包括滑槽杆和夹持器，所述滑槽杆的一端通过第一固定件连接支架，在滑槽杆的槽内安装夹持器；
[0009]
所述标定装置包括标定支架，所述标定支架一端通过第一连接件连接支架，在标定支架上安装标定球，所述标定球上设有通向球心的标定孔。
[0010]
第二方面，本发明提供一种用于坐标标定的外固定系统，包括：第一方面所述外固定装置和处理器；
[0011]
所述外固定装置用于将夹持物置于夹持装置中，将标定针插入标定球的标定孔内，获取在基准坐标系下的球心坐标；
[0012]
所述处理器用于根据得到的球心坐标，对标定球进行虚拟球体建模，并将基准坐
标系下的球心坐标匹配至虚拟球体，将虚拟球体的虚拟坐标系与基准坐标系统一后，在虚拟坐标系下进行复位路径规划，并在基准坐标系下执行复位路径。
[0013]
第三方面，本发明提供一种用于坐标标定的外固定方法，包括：
[0014]
将夹持物置于外固定装置的夹持装置中，将标定针插入标定球的标定孔内，获取在基准坐标系下的球心坐标；
[0015]
根据得到的球心坐标，对标定球进行虚拟球体建模，并将基准坐标系下的球心坐标匹配至虚拟球体，将虚拟球体的虚拟坐标系与基准坐标系统一后，在虚拟坐标系下进行复位路径规划，并在基准坐标系下执行复位路径。
[0016]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0017]
本发明的夹持装置通过滑槽杆内可移动的夹持器，以及滑槽杆与支架的连接实现万向夹持，可从任意角度对夹持物进行夹持。
[0018]
本发明的夹持装置中夹持器设有v形槽，有利于锁紧夹持物。
[0019]
本发明的标定球设有标定孔，且标定球置于曲面、球心不处于同一平面上，通过构建虚拟坐标系，根据现实基准坐标系中标定球的球心坐标，对应至虚拟坐标系中，实现现实基准坐标系与软件虚拟坐标系的统一，方便在虚拟系统中对骨骼进行虚拟复位时记录复位路径坐标，并将该路径在现实坐标系中实现。
[0020]
本发明将现实环境和虚拟环境统一起来，在软件中进行骨折复位的路径规划，得到最优的可行路径，最终把路径坐标直接输入到实际执行系统中，执行最优路径，可提高骨折复位的精度，并大大节约手术时间。
附图说明
[0021]
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0022]
图1为本发明实施例1提供的用于坐标标定的外固定装置结构示意图；
[0023]
图2为本发明实施例1提供的夹持装置结构示意图；
[0024]
图3为本发明实施例1提供的支架结构示意图；
[0025]
图4为本发明实施例1提供的标定装置结构示意图；
[0026]
图5为本发明实施例2提供的用于坐标标定的外固定装置结构示意图；
[0027]
其中，1、夹持装置，101、端盖，102、滑槽杆，103、凸形块，104、旋转块，105、压紧块，106、螺钉，107、偏心杆，108、双球头连杆，109、顶块；2、标定装置，201、标定支架，202、标定球，3、支架，301、固定平台，302、夹持器固定件，5、骨针，6、骨骼。
具体实施方式：
[0028]
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。
[0029]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0030]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0031]
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
[0032]
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体的连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
[0033]
实施例1
[0034]
如图1所示，本实施例提供一种用于坐标标定的外固定装置，可应用于骨科机器人手术中的具有坐标标定功能的骨骼外固定装置，该装置进行坐标标定的主要目的统一不同坐标系，在本实施例中，以骨骼固定为例，具体包括：夹持装置1、标定装置2和支架3；
[0035]
所述夹持装置1包括滑槽杆102和夹持器，所述滑槽杆102的一端通过第一固定件连接支架3，在滑槽杆102的槽内安装夹持器；
[0036]
所述标定装置2包括标定支架201，所述标定支架201一端通过第一连接件连接支架3，在标定支架201上安装标定球202，所述标定球202上设有通向球心的标定孔。
[0037]
在本实施例中，如图2所示，所述夹持器包括凸形块103、旋转块104、压紧块105和螺钉106；所述凸形块103、旋转块104、压紧块105上设有与螺钉106相匹配的螺栓孔，螺钉106穿过螺栓孔将凸形块103、旋转块104、压紧块105依次固定连接；
[0038]
优选的，凸形块103的宽度大于滑槽杆102的槽宽，夹持器置于槽内，凸形块103置于槽面上且可在槽内移动；
[0039]
优选的，旋转块104与压紧块105之间留有v型槽，夹持器夹持骨针，将骨针锁死在v形槽内；
[0040]
优选的，旋转块104与压紧块105结合实现绕螺钉106任意角度夹持骨针，并通过双球头连杆108、端盖101实现万向夹持。
[0041]
在本实施例中，如图2所示，所述第一固定件包括端盖101、偏心杆107、双球头连杆108和顶块109；
[0042]
在所述端盖101内孔设有顶块109，顶块109可放入滑槽杆一端部的内孔中；
[0043]
所述滑槽杆的一端与端盖通过螺纹配合方式连接，且在滑槽杆的端部设有径向通孔，所述径向通孔内放置偏心杆107，将滑槽杆与端盖101固定，偏心杆107与顶块109底部接触，转动偏心杆107时，顶块109可沿滑槽杆轴向移动。
[0044]
所述双球头连杆108的球形端部分别连接端盖101，端盖101分别连接滑槽杆和支架3，双球头连杆108的球形端部可进行任意角度的旋转，故带动滑槽杆实现任意角度的旋转。
[0045]
如图3所示，支架包括固定平台301、夹持器固定件302，所述夹持器固定件302为阶梯圆筒形，夹持器固定件302的端部上设有径向通孔，利用偏心杆107配合顶块109的方式与第一固定件的端盖101连接，偏心杆穿过夹持器固定件的端部的径向通孔和端盖内顶块的
底部接触，将滑槽杆与夹持器固定件固定。
[0046]
在本实施例中，夹持装置中滑槽杆的一端与支架3连接，另一端可依次串联其他滑槽杆，即多个滑槽杆串联使用，多个滑槽杆之间同样通过第一固定件连接。
[0047]
如图4所示，所述标定装置2的标定支架呈曲面状，在曲面支架上设有4个金属标定球202；
[0048]
优选的，所述标定装置2通过螺栓与支架3连接；
[0049]
优选的，所述标定球202的球心不在同一平面上；
[0050]
优选的，所述标定球上开有通向球心的标定孔，标定球与标定针配套使用，标定孔的孔径大小与标定针匹配，并且标定孔开口应保持向上以方便读取球心坐标。
[0051]
实施例2
[0052]
本实施例提供一种用于坐标标定的外固定系统，包括：实施例1所述外固定装置和处理器；
[0053]
所述外固定装置用于将夹持物置于夹持装置中，将标定针插入标定球的标定孔内，获取在基准坐标系下的球心坐标；
[0054]
所述处理器用于根据得到的球心坐标，对标定球进行虚拟球体建模，并将基准坐标系下的球心坐标匹配至虚拟球体，将虚拟球体的虚拟坐标系与基准坐标系统一后，在虚拟坐标系下进行固定路径规划，并在基准坐标系下执行固定路径。
[0055]
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元cpu，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0056]
本实施例中，处理器实现的方法可通过处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
[0057]
实施例3
[0058]
本实施例提供一种用于坐标标定的外固定方法，包括：
[0059]
(1)将夹持物置于夹持装置的夹持器中；
[0060]
在本实施例中，以骨折骨骼的复位固定为例，将骨针置入夹持装置的夹持器v形槽中，并固定夹持器使骨骼的远近端相对位置固定，如图5所示；
[0061]
(2)采用ct扫描对夹持了夹持物的外固定装置进行三维全景建模；
[0062]
在本实施例中，采用ct扫描对所述外固定装置与骨骼进行三维全景建模，对机器人骨折复位固定所必须的结构进行分割和实体建模；
[0063]
(3)将整个装置固定在工作台上，将标定针插入标定球的标定孔内，依次测得四个标定球在某一基准坐标系下的球心坐标；
[0064]
(4)根据得到的在基准坐标系下的标定球坐标，在影像坐标系根据标定球进行虚拟球体建模，将四个标定球分别与三维图像中的虚拟小球匹配，匹配成功后即可将基准坐标系下标定球的球心坐标赋值给虚拟小球，将虚拟球体的虚拟坐标系与基准坐标系进行统一；
[0065]
在本实施例中，在虚拟坐标系下，对虚拟球体进行骨骼复位的路径规划，得到最优的可行路径，把虚拟坐标系下的路径坐标直接输入到实际执行系统中，执行最优路径，本实施例实现现实基准坐标系与软件虚拟坐标系的统一，方便对骨骼进行虚拟复位时记录复位路径坐标，并将该路径在现实坐标系中实现，提高骨折复位的精度。
[0066]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
[0067]
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。