基于C臂X光机的激光定位仪、手术导航系统及使用方法技术方案

本发明专利技术提出的基于C臂X光机的激光定位仪、手术导航系统及使用方法，激光定位仪具有圆周运动机构、径向运动机构和角度调节机构，采用环形导轨和径向滑轨改变发射点的位置，通过反光镜反射角度的改变来调节激光束的角度，进而实现发射点位置及方向的改变来模拟C臂机产生的穿经体内目标点的X射线，三个步进电机互不干涉，可以实现三轴联动，使得定位更加迅速精准；激光发射管位于成像区域外围，将反光镜作为激光束的发射点，透视成像时激光发射管不会遮挡目标点，利于目标点的观察，且病灶点再次透视定位摄片时，无需将反光镜移开，减少了手术步骤，提高手术效率。配置有该激光定位仪的手术导航系统操作更加简单、运行更加平稳。

Laser Positioning Instrument, Surgical Navigation System and Application Method Based on C-arm X-ray Machine

The laser positioner based on C-arm X-ray machine, the operation navigation system and the use method are proposed. The laser positioner has a circular motion mechanism, a radial motion mechanism and an angle adjusting mechanism. The circular guide rail and a radial slide rail are used to change the position of the launching point, and the angle of the laser beam is adjusted by changing the reflection angle of the reflector, so as to realize the change of the position and direction of the launching point. To simulate the X-ray from C-arm through the target point in the body, three stepper motors do not interfere with each other, so that the three-axis linkage can be achieved, which makes the positioning more rapid and accurate; the laser emitter tube is located outside the imaging area, and the reflector is used as the laser beam emission point, when perspective imaging, the laser emitter tube will not occlude the target point, which is conducive to the observation of the target point, and the focus point can be re-perspective positioned. When taking photographs, there is no need to remove the mirror, which reduces the operation steps and improves the operation efficiency. The operation navigation system equipped with the laser positioner is simpler and more stable.

【技术实现步骤摘要】
基于C臂X光机的激光定位仪、手术导航系统及使用方法
本专利技术涉及一种基于C臂X光机体内目标精准定位的激光定位仪、手术导航系统及使用方法。
技术介绍
外科传统手术方式切口大，出血多，对机体损伤大，术后不仅瘢痕大，影响美观；而且可能会引起相关并发症。随着微创外科的发展，有望通过小切口或经皮穿刺完成手术。但这有赖于体内目标的经皮精准定位和到达该目标的精准路径导航。目前，临床上采取的定位及导航方法可大致分为三类：第一类是在患者体表摆放回形针、克氏针、止血钳等标记物或金属网格作为位置参考，然后通过C臂机透视或CT扫描后确定目标的大致位置；第二类是通过超声探头扫描进行目标定位；第三类是依靠专门的手术定位导航系统进行目标定位和手术导航。第一方法需要反复调整标记物的位置，因此，存在操作复杂、C臂机透视或CT扫描次数较多(辐射大)、定位不精准、标记物遮挡目标等缺点。第二类方法中的超声需要手持贴合在皮肤上，手部的抖动就会引起定位图像的晃动和漂移，故也存在诸多缺点，限制使用。第三类方法中的专用于手术导航目前多采用光学跟踪定位的类“GPS”定位模式，虽然精确度较高，但是大多需要术前CT扫描、CT三维重建、导航工具注册、坐标配准等繁琐步骤，而且这些导航设备需要配备昂贵的术中CT、O臂或3-DC臂，而且需要专门的防辐射复合手术室。因此，价格昂贵、操作复杂、学习曲线长、术中影像漂移导致的精度降低等问题突出。此前，我们在“手术定位导航领域”研究多年，根据C臂机成像建立了“圆锥几何成像模型”，并创立了“体内目标点成像射线空间可见”的导航新模式，曾申请多项专利，其中，申请号为201210385980.2，名称为一种附属于C臂X光机的手术定位导航设备和申请号为201310515922.1，名称为无创式实时手术定位导航设备，后者是对前者的改进，但是仍存在以下几个问题：1、设备尺寸较大，安装在C臂机上限制了手术空间；2、激光发射管位于手术视野中将会影响目标观察，由于激光发射管通常为金属材质，透视成像时会遮挡病灶点，因此在二次或相邻病灶点透视定位摄片时，需要将激光发射管移开，增加手术步骤；3、激光发射管在视野中央，由于激光发射管的金属材质与人体骨骼的密度相差较大，会引起C臂机自动曝光设置改变；4、上下平面的步进电机如果运动不协调容易产生噪音和卡顿。
技术实现思路
针对以往手术定位导航设备体积大、结构复杂、激光发射管干扰病灶点成像以及运动机构间干涉产生噪音卡顿等问题，本专利技术提出了一种结构简单、体积小、运行顺畅且激光发射管不影响目标观察的激光定位仪，另外本专利技术还提出了具有该激光定位仪的定位手术导航系统以及该导航系统的使用方法。本专利技术提出的基于C臂X光机的激光定位仪，安装于影像增强器的末端，用于产生可视激光束用以模拟穿经体内病灶点的X射线，包括：圆周运动机构，所述圆周运动机构包括带有圆周齿轮的环形导轨、滑动设置在环形导轨上的滑块，以及固定在滑块上的第一步进电机，第一步进电机的输出端通过第一驱动齿轮与圆周齿轮啮合，用以驱动滑块沿环形导轨运动；径向运动机构，所述径向运动机构包括设置在滑块上的径向滑轨和第二步进电机，第二步进电机的输出端通过第二驱动齿轮与位于径向滑轨底部的齿条啮合，用以驱动径向滑轨沿环形导轨径向运动，径向滑轨沿轴向设有安装槽；角度调节机构，所述角度调节机构包括传动轴、第三步进电机、以及平行转动设置在安装槽前端和尾端的反光镜和驱动面，反光镜和驱动面之间通过传动轴铰接，第三步进电机固定在径向滑轨上且其输出端与驱动面相连，用以驱动反光镜与驱动面同步转动；激光发射管，所述激光发射管固定设置在安装槽靠近驱动面的一端，且由激光发射管发射的光束与反光镜的中轴线垂直；其中，在传动轴和径向滑轨靠近反光镜一端的上表面分别设有标识点A和标识点B。在确定病灶点(即体内目标点)所在X射线后，激光束可通过发射点和发射方向的改变来模拟该条X射线，发射点可以通过圆周和径向位置来改变，方向可以通过镜面反射的角度来改变。具体地，在第一步进电机运动时，滑块可在环形导轨上滑动，从而改变反光镜在圆周上的位置；在第二步进电机运动时，径向滑轨可沿环形导轨的径向运动，从而改变反光镜的径向位置；当第三步进电机运动时，可带动驱动面旋转，驱动面通过传动轴带动位于前端的反光镜，使其旋转，从而改变激光发射管射出的激光束的反射方向。优选地，在所述的基于C臂X光机的激光定位仪中，所述环形导轨的内侧和外侧与滑块接触部位均设有第一导电涂层，内外侧导电涂层分别与电源正负极相连，滑块与第一导电涂层接触部分设有第一导电电刷，第一步进电机和第二步进电机均通过第一导电电刷与电源导通。优选地，在所述的基于C臂X光机的激光定位仪中，所述滑块与径向滑轨接触部位的两侧分别设有第二导电电刷，径向滑轨与第二导电电刷接触部分设有第二导电涂层，第三步进电机通过第二导电涂层与电源导通。通过采用电刷和导电涂层的设计为各个步进电机进行供电，从而避免了以往布线方式在使用时进入术野范围，影响目标点的观察。优选地，在所述的基于C臂X光机的激光定位仪中，所述径向滑轨、反光镜和传动轴均采用透X射线材料，即在X光机透视下几乎不显影或不显影的材料，如碳纤维材料、透X射线功能材料或者透X射线功能复合材料，反光镜采用镀层，从而避免了成像区域内激光定位仪对病灶点的干扰。优选地，在所述的基于C臂X光机的激光定位仪中，还包括矩阵校正板插槽，所述矩阵校正板插槽与激光定位仪分体或一体设置，尤其是采用分体设置，可以使得激光定位仪的体积更小更轻薄，能够提供更大的手术空间。优选地，在所述的基于C臂X光机的激光定位仪中，还包括驱动控制电路，驱动控制电路分别与第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机和激光发射管相连。其中，驱动控制电路包括无线通讯模块、微型控制器模块和电机驱动模块。无线通讯模块用于接收工作服务器计算得出的各步进电机的运行量，并通过微型控制器模块控制电机驱动模块，进而使得第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机分别驱动滑块、径向滑轨和反光镜，从而用可视激光束模拟出经体内病灶点的X射线。进一步地，在本专利技术中还提出了一种基于C臂X光机的体内目标激光定位手术导航系统，采用上述的激光定位仪，还包括相互电连接的工作服务器、数字信号分流器和显示器，激光定位仪的驱动控制电路与所述工作服务器无线连接，数字信号分流器通过图像输入线和图像输出线分别与C臂机图像处理主机和显示器相连。进一步地，在本专利技术中还提出了上述基于C臂X光机的体内目标激光定位手术导航系统的使用方法，包括以下步骤：步骤一：通过矩阵校正板对C臂机成像的图像畸变进行校正，并自动记录矩阵校正板的基准透视图像中的矩阵校正信息；步骤二：撤掉矩阵校正板，并将反光镜调至激光定位仪中心区域且反光镜与传动轴垂直，获取标识点A和标识点B在透视图像上的空间坐标信息，根据该空间坐标信息计算获得X射线发射点的空间坐标信息；步骤三：获取病灶点在透视图像上的空间坐标信息，并结合步骤二中获知的X射线发射点的空间坐标信息计算得出各步进电机的运行量；步骤四：将步骤三获得运行量发送至激光定位仪，各步进电机按该运行量执行完毕后，激光发射管发出的激光便指向病灶点，即完成定位。优选地，在所述的基于C臂X光机的体内目标激光定位手术导航系统的使用方法中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于C臂X光机的激光定位仪，安装于C臂机影像增强器(2)的末端，用于产生可视激光束用以模拟穿经体内目标点的X射线，其特征在于，包括：圆周运动机构，所述圆周运动机构包括带有圆周齿轮(112)的环形导轨(110)、滑动设置在环形导轨(110)上的滑块(120)，以及固定在滑块(120)上的第一步进电机(130)，第一步进电机(130)的输出端通过第一驱动齿轮(131)与圆周齿轮(112)啮合，用以驱动滑块(120)沿环形导轨(110)运动；径向运动机构，所述径向运动机构包括设置在滑块(120)上的径向滑轨(210)和第二步进电机(220)，第二步进电机(220)的输出端通过第二驱动齿轮(221)与位于径向滑轨(210)底部的齿条(211)啮合，用以驱动径向滑轨(210)沿环形导轨(110)径向运动，径向滑轨(210)沿轴向设有安装槽(213)；角度调节机构，所述角度调节机构包括传动轴(320)、第三步进电机(340)、以及平行转动设置在安装槽(213)前端和尾端的反光镜(330)和驱动面(310)，反光镜(330)和驱动面(310)之间通过传动轴(320)铰接，第三步进电机(340)固定在径向滑轨(210)上且其输出端与驱动面(310)相连，用以驱动反光镜(330)与驱动面(310)同步转动；激光发射管(410)，所述激光发射管(410)固定设置在安装槽(213)靠近驱动面(310)的一端，且由激光发射管(410)发射的光束与反光镜(330)的中轴线垂直；其中，在传动轴(320)和径向滑轨(210)靠近反光镜(330)一端的上表面分别设有标识点A和标识点B。...

【技术特征摘要】
1.一种基于C臂X光机的激光定位仪，安装于C臂机影像增强器(2)的末端，用于产生可视激光束用以模拟穿经体内目标点的X射线，其特征在于，包括：圆周运动机构，所述圆周运动机构包括带有圆周齿轮(112)的环形导轨(110)、滑动设置在环形导轨(110)上的滑块(120)，以及固定在滑块(120)上的第一步进电机(130)，第一步进电机(130)的输出端通过第一驱动齿轮(131)与圆周齿轮(112)啮合，用以驱动滑块(120)沿环形导轨(110)运动；径向运动机构，所述径向运动机构包括设置在滑块(120)上的径向滑轨(210)和第二步进电机(220)，第二步进电机(220)的输出端通过第二驱动齿轮(221)与位于径向滑轨(210)底部的齿条(211)啮合，用以驱动径向滑轨(210)沿环形导轨(110)径向运动，径向滑轨(210)沿轴向设有安装槽(213)；角度调节机构，所述角度调节机构包括传动轴(320)、第三步进电机(340)、以及平行转动设置在安装槽(213)前端和尾端的反光镜(330)和驱动面(310)，反光镜(330)和驱动面(310)之间通过传动轴(320)铰接，第三步进电机(340)固定在径向滑轨(210)上且其输出端与驱动面(310)相连，用以驱动反光镜(330)与驱动面(310)同步转动；激光发射管(410)，所述激光发射管(410)固定设置在安装槽(213)靠近驱动面(310)的一端，且由激光发射管(410)发射的光束与反光镜(330)的中轴线垂直；其中，在传动轴(320)和径向滑轨(210)靠近反光镜(330)一端的上表面分别设有标识点A和标识点B。2.根据权利要求1所述的基于C臂X光机的激光定位仪，其特征在于，所述环形导轨(110)的内侧和外侧与滑块(120)接触部位均设有第一导电涂层(113)，内外侧导电涂层分别与电源正负极相连，滑块(120)与第一导电涂层(113)接触部分设有第一导电电刷(121)，第一步进电机(130)和第二步进电机(220)均通过第一导电电刷(121)与电源导通。3.根据权利要求1所述的基于C臂X光机的激光定位仪，其特征在于，所述滑块(120)与径向滑轨(210)接触部位的两侧分别设有第二导电电刷(122)，径向滑轨(210)与第二导电电刷(122)接触部分设有第二导电涂层(212)，第三步进电机(340)通过第二导电涂层(212)与电源导通。4.根据权利要求1所述的基于C臂X光机的激光定位仪，其特征在于，所述径向滑轨(210)、反光镜(330)和传动轴(320)均采用透X射线材料。5.根据权利要求1所述的基于C臂X光机的激光定位仪...

【专利技术属性】
技术研发人员：许硕贵，吴江红，何滨，周潘宇，夏德萌，李磊，汪洋，
申请(专利权)人：上海长海医院，
类型：发明
国别省市：上海,31