计算机辅助骨科牵引复位系统.pdf

本发明公开了一种计算机辅助骨科牵引复位系统，由C型臂X光机、图像校正板、图像采集卡、牵引支架、可编程逻辑控制器和计算机以及存储于计算机内的骨科牵引复位模块组成，图像校正板安装在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，牵引支架与计算机之间连接有可编程逻辑控制器，计算机接收由C型臂X光机采集的患者骨折部位的X光图像通过骨科牵引复位模块进行校正、拼接和牵引距离测量后，输出牵引控制信号控制牵引支架自动完成定量牵引操作。本发明计算机辅助骨科牵引复位系统操作简便、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。

1.  一种计算机辅助骨科牵引复位系统，包括C型臂X光机(2)、图像采集卡(4)、可编程逻辑控制器(6)和计算机(5)，其特征在于：还包括牵引支架(1)、图像校正板(3)、以及存储于计算机(5)内的骨科牵引复位模块，图像校正板(3)安装在C型臂X光机(2)的图像采集端部，C型臂X光机(2)的输出端与计算机(5)之间连接有图像采集卡(4)，计算机(5)与牵引支架(1)之间连接有可编程逻辑控制器(6)；
所述计算机(5)内的骨科牵引复位模块由图像校正单元、图像拼接单元和手术中牵引路径规划单元组成，(A)由C型臂X光机(2)拍摄的多幅X光图像经图像采集卡(4)采集且转换为BPM格式后输出给计算机(5)的所述图像校正单元；(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输出给图像拼接单元；所述图像失真校正满足AX＝b，A表示图像校正板(3)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)所述图像拼接单元用于将接收的所述多幅校正图像进行相关性匹配获得一幅完整的骨骼解剖图像，并显示在计算机(5)的显示屏上；所述图像相关性匹配满足规范化互相关性系数 NCC = Σ i , j ( I 1 - I ‾ 1 ) ( I 2 - I ‾ 2 ) Σ i , j ( I 1 - I ‾ 1 ) 2 Σ i , j ( I 2 - I ‾ 2 ) 2 , ]]>I₁表示前一张校正图像上的重叠图像区域内的每个像素的亮度，I₂表示后一张校正图像上的重叠图像区域内的每个像素的亮度，I₁表示前一张校正图像的重叠区域的所有像素的平均亮度值，I₂表示后一张校正图像的重叠区域的所有像素的平均亮度值；(D)所述手术中牵引路径规划单元由操作者通过在计算机(5)的显示屏上显示的所述完整骨骼解剖图像的路径长度测量，获得图像测量参数后输出给可编程逻辑控制器(6)；(E)所述可编程逻辑控制器(6)用于将接收的所述图像测量参数经复位转换处理后输出脉冲信号给所述牵引支架(1)，由所述牵引支架(1)完成骨折治疗手术中的牵引过程；
所述牵引支架(1)，由底座(102)、支撑杆、运动支架(103)、调节板(112)、叉形牵引弓(107)和电机(106)构成；底座(102)是由铝型材组成的四边形结构支架，运动支架(103)是由铝型材组成的四边形结构支架，底座(102)和第一边(121)与运动支架(103)的第一边(131)通过铰链固定连接；支撑杆的左支撑(101)是一铝型材板材，左支撑(101)的一端通过活动螺栓(116)连接在底座(102)的第二边(122)的外侧面上，左支撑(101)的另一端固定在运动支架(103)的第二边(132)的外侧面上；调节板(112)安装在运动支架(103)的第二边(132)和第三边(133)上，支撑轮(104)安装在运动支架(103)的第二边(132)和第三边(133)的端部；调节板(112)上固定有连接板(105)，连接板(105)上安装有叉形牵引弓(107)，叉形牵引弓(107)的连接端上连接有电机连接板(109)，电机连接板(109)上固定有电机(106)，电机(106)的输出轴上连接有牵引齿轮(108)；叉形牵引弓(107)的叉形端的上设有勾槽(113)，勾槽(113)的勾尖部设有螺丝孔(115)；
所述图像校正板(3)由圆盘体(301)和钢珠(302)构成，圆盘体(301)上设有安装孔(303)和用于放置钢珠(302)的孔。

2.  如权利要求1所述的计算机辅助骨科牵引复位系统，其特征在于：所述图像采集卡(4)选用Boser BS-602DVD Plus外置图像采集卡。

3.  如权利要求1所述的计算机辅助骨科牵引复位系统，其特征在于：所述图像校正板(3)上放置的钢珠(302)直径为0.15～0.3mm的14号钢。

4.  如权利要求1所述的计算机辅助骨科牵引复位系统，其特征在于：所述可编程逻辑控制器(6)选用松下FP∑-C32T控制器。

计算机辅助骨科牵引复位系统
技术领域
本发明涉及一种骨科牵引复位装置，特别涉及一种采用计算机图像处理技术和机电控制技术的骨科牵引复位系统。
背景技术
在骨折治疗手术中，牵引复位是一项基本的、同时也是很重要的操作，其效果直接影响手术结果和术后恢复。牵引是指在骨折部位两端施加方向相反的力，将折骨牵拉分开的操作，复位是指在牵引之后，将折骨恢复到接近健康状态下位置的操作。
传统的骨折治疗手术中，牵引复位操作都由医生使用骨科牵引复位装置徒手完成，牵引量和复位量则参考术前或术中的透视图像，医生凭临床经验确定。使用传统的骨科牵引复位装置使牵引复位操作不仅复杂，而且十分依赖于医生的临床经验，有很大的不确定性，手术结果和术后恢复均不理想。有时，为了准确确定牵引量和复位量，医生需要直接暴露在X光下操作，使患者和医生的健康受到损害。
发明内容
本发明的目的是提供了一种计算机辅助骨科牵引复位系统，采用数字图像处理技术和机电控制技术，在为医生提供反映整个折骨情况的整体图像的基础上，辅助医生准确确定牵引/复位量，并通过计算机控制的牵引支架自动完成定量牵引操作，以解决传统牵引复位徒手操作、牵引/复位量凭经验确定、手术结果和术后恢复效果不理想等问题。
本发明是一种计算机辅助骨科牵引复位系统，由C型臂X光机、图像采集卡、可编程逻辑控制器、计算机、牵引支架、图像校正板以及存储于计算机内的骨科牵引复位模块，图像校正板安装在C型臂X光机的图像采集末端上，C型臂X光机的输出端与计算机之间连接有图像采集卡，计算机与牵引支架之间连接有可编程逻辑控制器。
本发明在图像处理过程中，主要是利用存储在计算机内的骨科牵引复位模块，该模块由图像校正单元、图像拼接单元和手术中牵引路径规划单元组成，(A)由C型臂X光机拍摄的多幅X光图像经图像采集卡采集且转换为BPM格式后输出给计算机的所述图像校正单元；(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输出给图像拼接单元；所述图像失真校正满足AX＝b；(C)所述图像拼接单元用于将接收的所述多幅校正图像进行相关性匹配获得一幅完整的骨骼解剖图像，并显示在计算机的显示屏上；所述图像相关性匹配满足规范化互相关性系数 NCC = Σ i , j ( I 1 - I ‾ 1 ) ( I 2 - I ‾ 2 ) Σ i , j ( I 1 - I ‾ 1 ) 2 Σ i , j ( I 2 - I ‾ 2 ) 2 ; ]]>(D)所述手术中牵引路径规划单元由操作者通过在计算机的显示屏上显示的所述完整骨骼解剖图像的路径长度测量，获得图像测量参数后输出给可编程逻辑控制器；(E)所述可编程逻辑控制器用于将接收的所述图像测量参数经复位转换处理后输出脉冲信号给所述牵引支架，由所述牵引支架完成骨折治疗手术中的牵引过程。
本发明的牵引支架由底座、支撑杆、运动支架、调节板、叉形牵引弓和电机构成；底座是由铝型材组成的四边形结构支架，运动支架是由铝型材组成的四边形结构支架，底座和第一边与运动支架的第一边通过铰链固定连接；支撑杆的左支撑是一铝型材板材，左支撑的一端通过活动螺栓连接在底座的第二边的外侧面上，左支撑的另一端固定在运动支架的第二边的外侧面上；调节板安装在运动支架的第二边和第三边上，支撑轮安装在运动支架的第二边和第三边的端部；调节板上固定有连接板，连接板上安装有叉形牵引弓，叉形牵引弓的连接端上连接有电机连接板，电机连接板上固定有电机，电机的输出轴上连接有牵引齿轮；叉形牵引弓的叉形端的上设有勾槽，勾槽的勾尖部设有螺丝孔。
本发明计算机辅助骨科牵引复位系统的优点在于：(1)利用C型臂采用的透视图像与计算机控制软件——骨科牵引复位模块和牵引支架的牵引本系统综合利用了机械学、自动控制、数字图像处理、计算机视觉等多门学科技术，解决了利用C型臂透视图像实现长骨全程手术规划的关键技术，开发了电控牵引机构。利用辅助软件可以确定出手术牵引信息，利用牵引机构可以实现快速、平稳的定量骨折牵引，从而实现骨折牵引的半自动化。系统可靠、稳定、高效、低廉，既提高了骨折牵引复位效果，利于患者手术后恢复，又降低了医生操作强度。系统造价低廉，具有极高的性价比和推广应用价值。
图1是本发明计算机辅助骨科牵引复位系统的结构框图。
图2是图像校正板的结构示意图。
图3A是牵引支架的前侧视图。
图3B是牵引支架的俯视图。
图3C是牵引支架的牵引端剖视图。
图3D是牵引套筒与克氏针的装配图。
图3E是运动支架的俯视图。
图3F是底座的俯视图。
图4是骨科牵引复位模块的拼接图像界面。
图中：1.牵引支架101.左支撑102.底座103.运动支架104.支撑轮105.连接板106.电机107叉形牵引弓108.牵引齿轮109.安装板110.转板111.压板112.调节板113.勾槽114.套筒115.螺纹孔116.滑块117.克氏针121.第一边122.第二边123.第三边124.第四边131.第一边132.第二边133.第三边2.C型臂X光机3.图像校正板301.圆盘302.钢珠303.安装孔4.图像采集卡5.计算机6.可编程逻辑控制器
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，本发明是一种计算机辅助骨科牵引复位系统，是一种适用于治疗患者腿部骨折的医疗器械。其由C型臂X光机2、图像采集卡4、可编程逻辑控制器6、计算机5、牵引支架1、图像校正板3以及存储于计算机5内地骨科牵引复位模块组成，图像校正板3安装在C型臂X光机2的图像采集末端(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，主要是利用图像校正板上的钢珠形成的点阵在所拍摄的X光图像上形成的标记点)上，C型臂X光机2的输出端与计算机5之间连接有图像采集卡4，计算机5与牵引支架1之间连接有可编程逻辑控制器6。在本发明中，图像采集卡4选用Boser BS-602DVDPlus外置图像采集卡，可编程逻辑控制器6选用松下FP∑-C32T控制器。
请参见图3A～图3F所示，本发明的牵引支架1是用于实现将腿部骨折处打入克氏针117后，并在克氏针117的两端套上牵引套筒114后，放入勾槽113内并用螺钉穿过螺丝孔115将其固定不滑动后，进行骨科牵引手术。牵引支架1由底座102、支撑杆(包括有右支撑和左支撑101，右支撑图中未表示出)、运动支架103、调节板112、叉形牵引弓107和电机106构成；底座102是由铝型材组成的四边形结构支架，运动支架103是由铝型材组成的四边形结构支架，底座102和第一边121与运动支架103的第一边131通过铰链固定连接；支撑杆的左支撑101是一铝型材板材，左支撑101的一端通过活动螺栓116连接在底座102的第二边122的外侧面上，左支撑101的另一端固定在运动支架103的第二边132的外侧面上；调节板112安装在运动支架103的第二边132和第三边133上，支撑轮104安装在运动支架103的第二边132和第三边133的端部；调节板112上固定有连接板105，连接板105上安装有叉形牵引弓107，叉形牵引弓107的连接端上连接有电机连接板109，电机连接板109上固定有电机106，电机106的输出轴上连接有牵引齿轮108；叉形牵引弓107的叉形端的上设有勾槽113，勾槽113内放置有牵引套筒114，勾槽113的勾尖部设有螺丝孔115。
请参见图2所示，本发明的图像校正板3，由圆盘体301和钢珠302构成，圆盘体301上设有安装孔303和用于放置钢珠302的孔。图像校正板3用于实现C型臂X光机2拍摄的多幅X光图像上具有标记点的特性。
本发明在图像处理过程中，主要是利用存储在计算机内的骨科牵引复位模块，该模块由图像校正单元、图像拼接单元和手术中牵引路径规划单元组成，(A)由C型臂X光机2拍摄的多幅X光图像经图像采集卡4采集且转换为BPM格式后输出给计算机5的所述图像校正单元；(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输出给图像拼接单元；所述图像失真校正满足AX＝b，A表示图像校正板3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)所述图像拼接单元用于将接收的所述多幅校正图像进行相关性匹配获得一幅完整的骨骼解剖图像，并显示在计算机5的显示屏上(如图4所示的拼接/校正界面，可以根据界面上的提示进行参数设置，同时也是一种可视化的手术规划方式设定)；所述图像相关性匹配满足规范化互相关性系数 NCC = Σ i , j ( I 1 - I ‾ 1 ) ( I 2 - I ‾ 2 ) Σ i , j ( I 1 - I ‾ 1 ) 2 Ι i , j ( I 2 - I ‾ 2 ) 2 , ]]>I₁表示前一张校正图像上的重叠图像区域内的每个像素的亮度，I₂表示后一张校正图像上的重叠图像区域内的每个像素的亮度，I₁表示前一张校正图像的重叠区域的所有像素的平均亮度值，I₂表示后一张校正图像的重叠区域的所有像素的平均亮度值；(D)所述手术中牵引路径规划单元由操作者通过在计算机5的显示屏上显示的所述完整骨骼解剖图像的路径长度测量，获得图像测量参数后输出给可编程逻辑控制器6；(E)所述可编程逻辑控制器6用于将接收的所述图像测量参数经复位转换处理后输出脉冲信号给所述牵引支架1，由所述牵引支架1完成骨折治疗手术中的牵引过程。
为进一步说明本发明的技术方案，现将本发明进行牵引复位手术操作的过程简单描述如下：
(1)将图像校正板3安装在C型臂X光机2的采集末端上。
(2)调整牵引支架1，根据患者情况调整运动支架103的倾斜角度，以及支撑轮104的合适的位置。
(3)将克氏针117打入患处，在克氏针117的两端套上牵引套筒114后固定在勾槽113内且用一螺钉穿过螺丝孔115使患肢和叉形牵引弓107之间的位置相对固定。
(4)采用C型臂X光机2沿患肢轴线方向每隔一定距离拍摄一副X光图像；开启C型臂X光机2拍摄患者骨头的X光图像，所拍摄完成的X光片是经校正模板3校正后的图像，然后将校正模板3取下。
(5)计算机5对校正后的X光图像进行拼接成一幅完整的图像，并在显示屏上通过“人机交互界面”(即本发明中涉及的骨科牵引复位模块拼接图像界面如图4所示)上显示；计算机5的显示屏上显示的图像是通过图像采集卡4接收由将C型臂X光机2拍摄的校正后的一幅幅X光图像。
(6)医生在一幅完整的图像上通过点击操作鼠标来完成指示牵引点的长度距离；即显示屏上的图像长1cm相当于实物长度2cm，也就是一个比例尺的关系。也可以通过界面上的设定值框来输入参数来完成复位规划。
(7)计算机5计算出所选点之间的距离，向牵引支架1输出控制信号；由牵引支架1自动进行定量牵引操作，完成对患肢的牵引。
本发明计算机辅助骨科牵引复位系统是一种借助机电控制技术和计算机图像处理技术来辅助医生完成骨科手术中的牵引复位操作的系统。本发明涉及医学、机械学、计算机视觉、数字图像处理等多门学科，在传统牵引复位手术的基础上，引入数字图像处理和计算机视觉技术，辅助医生准确地决定牵引距离，并通过专门设计的机械结构和控制系统，在医生的监控下自动完成准确定量的牵引操作。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，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。