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1、(10)授权公告号 CN 101889857 B (45)授权公告日 2012.09.19 CN 101889857 B *CN101889857B* (21)申请号 200910039684.5 (22)申请日 2009.05.22 A61B 5/00(2006.01) (73)专利权人 许杰 地址 510120 广东省广州市沿江西路 107 号 中山大学附属第二医院 专利权人 廖广军 戚其丰 (72)发明人 许杰 廖广军 戚其丰 (74)专利代理机构 广州三环专利代理有限公司 44202 代理人 戴建波 CN 201422889 Y,2010.03.17, 权利要求 1-10. CN 10。
2、1224104 A,2008.07.23, 说明书第 11 页第 3 段至第 19 页最后 1 段、 附图 1-5. CN 101249001 A,2008.08.27,说明书第2页 第 3 段至第 4 页倒数第 2 段、 附图 1-2. (54) 发明名称 手术导航设备 (57) 摘要 本发明公开了一种手术导航设备， 其包括电 脑主机， 与电脑主机相连接的臂部， 连接于臂部上 的机械手， 设置于机械手上的显示器以及捕捉器。 该手术导航设备还包括与捕捉器配合工作的手术 导航工具， 手术导航工具包括设置于其上的光学 跟踪标记， 光学跟踪标记通过被动式红外线光学 定位方式被捕捉器跟踪捕捉。 本发明。
3、结构简单， 操 作定位可靠， 能尽可能减小手术切口， 减少病人的 痛苦， 且应用广泛， 兼容性强， 成本低廉。 (51)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 黄曦 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 3 页 1/1 页 2 1. 一种手术导航设备， 其包括电脑主机、 与电脑主机相连接的臂部、 连接于所述臂部上 且各具有三个自由度的两个机械手、 分别设置于两个机械手上的显示器以及捕捉器， 其中， 所述的手术导航设备还包括与所述捕捉器配合工作的手术导航工具， 所述手术导航工具包 括设。
4、置于其上的光学跟踪标记， 所述的光学跟踪标记通过被动式红外线光学定位方式被所 述捕捉器跟踪捕捉。 2. 如权利要求 1 所述的手术导航设备， 其中， 所述的捕捉器包括与所述机械手相连接 的支架以及分别设置于所述支架两端的两个红外光学定位装置。 3. 如权利要求 2 所述的手术导航设备， 其中， 所述光学定位装置包括具有红外采集功 能的摄像头、 红外滤波片以及红外LED灯， 所述红外LED灯发射的光线被所述手术导航工具 的光学跟踪标记反射。 4. 如权利要求 1-3 之一所述的手术导航设备， 其中， 所述的电脑主机包括配套设置的 光驱和 / 或 USB 接口， 所述的光驱和 / 或 USB 接口。
5、用于读取 CT 数据资料以及核磁共振数据 资料。 5.如权利要求4所述的手术导航设备， 其中， 所述的光驱和/或USB接口是位于离开所 述电脑主机的位置处而与所述电脑主机相连接的。 6.如权利要求3所述的手术导航设备， 其中， 所述的光学跟踪标记的数量为3个以上， 且不位于同一直线上。 7. 如权利要求 3 所述的手术导航设备， 其中， 所述的光学跟踪标记反射的红外光线被 所述两个光学定位装置的摄像头同时捕捉。 8.如权利要求3所述的手术导航设备， 其中， 若干所述的红外LED灯形成环形电路板， 该环形电路板与所述摄像头同轴。 权 利 要 求 书 CN 101889857 B 2 1/3 页 。
6、3 手术导航设备 技术领域 0001 本发明涉及一种手术导航设备， 更具体地讲， 本发明涉及一种计算机辅助的光学 手术导航设备。 背景技术 0002 在传统的外科手术中， 如何准确确定病灶位置并在手术治疗中精确定位， 是外科 手术中影响手术效果的关键因素。先前的手术定位通常是采用核磁共振、 CT 等影像学方 式， 先对病变的确切部位加以判断， 并利用其影像资料来制定手术方案。然而， 这样的方式 存在其固有缺陷， 难以十分精确地确定病灶位置， 因而给手术过程中切口的选择带来困难。 通常， 为了确保手术的准确性， 目前一般在手术中采用较大的切口， 以便主刀医生能够更多 地观察病人手术部位的内部器官。
7、， 从而最大限度保证手术的顺利进行， 然而， 即便如此， 在 手术过程中医生仍然仅能直接观察到暴露在外的器官表面， 而对于器官的内部无法直接观 察， 加大了手术的难度。 0003 随后， 出现了计算机辅助手术导航系统， 这是外科手术定位领域， 特别是人工关节 置换辅助定位领域的一次突破。该技术采用光学定位系统作为探测仪器， 通过虚拟图像实 时显示假体与骨骼结构的相对位置关系， 例如髋关节假体与骨骼结构的相对位置关系， 并 且在导航系统中建立髋关节假体的虚拟图像， 再通过对实物空间位移的捕捉， 建立虚拟图 像与实物间的影像显示关系。计算机系统界面允许医生基于二维或三维模拟图像， 应用立 体感应定。
8、向工具进行人工髋关节置换的导航手术操作， 由于模拟图像显示直观， 医生很容 易理解和掌握导航过程中的解剖位置关系， 最大可能地减小手术切口， 减少病人的痛苦， 并 顺利完成手术操作过程。 0004 中国专利第 CN101019765 号中公开了一种磁共振图像引导下的手术系统及手术 导航方法。该系统包括磁共振成像设备， 跟踪系统， 手术器械， 设置在所述磁共振成像设备 上的病床， 控制和显示设备， 以及与各系统相连接的计算机及控制软件部分 ； 还设置有标定 针和标定模 ； 在磁共振成像设备上、 手术器械上和病床上分别设置有构成世界坐标系、 手术 器械坐标系和病床坐标系的示踪器， 所述各坐标系的位。
9、姿可以被所述跟踪系统测量 ； 所述 标定针与标定模型共同用于将所述病灶坐标和手术器械坐标变换到同一个坐标系中， 实现 标定。该发明利用磁共振图像来定位手术器械， 机构中必须包括磁共振成像设备， 结构复 杂， 成本高昂， 并且应用单一， 仅能适用于磁共振应用领域。 0005 中国专利第 CN101224104 号公开了一种用于封闭式髓内钉的骨折复原手术的骨 科手术导航系统。其包括双目立体视觉传感装置和标识器， 双目立体视觉传感装置包括 ： 主频不低于 1G 的计算机， 设置在定位器支架上的定位器， 设置在定位器内的两个 CCD 摄像 机， 与图像采集卡相连的双通道信号同步器， 所述标识器上设有至。
10、少 3 个主动发光二极管， 其中一个标识器上刚性地插设连接有髓内钉， 其中另一个标识器刚性地与手术专用电钻插 设连接。 然而， 该骨科手术导航系统在标识器上设置主动发光二极管来标识其具体位置， 这 必然要求在标识器上设置电路， 因此结构复杂且操作过程相对繁复， 成本较高。 说 明 书 CN 101889857 B 3 2/3 页 4 0006 因此， 提供一种新型的手术导航设备成为业界需要解决的问题。 发明内容 0007 本发明的目的是是提供一种结构简单、 应用广泛且精准可靠的手术导航设备。 0008 为实现本发明的目的， 本发明提供了一种手术导航设备， 其包括电脑主机、 与电脑 主机相连接的。
11、臂部、 连接于臂部上的机械手、 设置于机械手上的显示器以及捕捉器 ； 该手术 导航设备还包括与捕捉器配合工作的手术导航工具， 该手术导航工具则包括设置于其上的 光学跟踪标记， 该光学跟踪标记通过被动式红外线光学定位方式被捕捉器跟踪捕捉。 0009 在本发明的手术导航设备中， 捕捉器可以进一步包括与机械手相连接的支架以及 分别设置于支架两端的两个红外光学定位装置。 0010 在本发明的手术导航设备中， 光学定位装置可进一步包括具有红外采集功能的摄 像头、 红外滤波片以及红外 LED 灯 ； 其中， 红外 LED 灯发射的光线被手术导航工具的光学跟 踪标记所反射。 0011 另外， 在本发明的手术。
12、导航设备中， 电脑主机包括配套设置的光驱和 / 或 USB 接 口， 该光驱和 / 或 USB 接口能够读取 CT 数据资料以及核磁共振数据资料， 而且光驱和 / 或 USB 接口可以设置在远离电脑主机而符合工作时人体工学的位置处， 以方便操作人员的操 作。 0012 在本发明的手术导航设备中， 机械手可以为两个， 分别与述显示器以及捕捉器相 连接， 并且机械手可具有三个自由度。 0013 优选地， 光学跟踪标记的数量为 3 个或 3 个以上， 且不位于同一直线上。光学跟踪 标记反射的红外光线被两个光学定位装置的摄像头同时捕捉。 0014 在本发明的手术导航设备中， 红外 LED 灯可以是若干。
13、个， 例如 3 个或 3 个以上 ； 这 些红外 LED 灯可以形成环形电路板， 该环形电路板优选与摄像头同轴。 0015 在本发明的手术导航设备中， 两个红外光学定位装置相对于与其连接的机械手可 以等间距设置， 当然也可以根据空间位置需要将两个红外光学定位装置不对称设置在机械 手的两侧。 0016 本发明的有益效果是 ： 1、 机械手的结构简单， 操作可靠， 且具有的三个自由度能够 保证显示器以及捕捉器的运动自如， 定位可靠， 能够全方位捕捉位置信息并配合医生的工 作需求， 工作安全可靠， 并能尽可能减小手术切口， 减少病人的痛苦 ； 2、 本发明采用被动式 红外线光学定位跟踪方式， 手术导。
14、航工具的光学跟踪标记本身并不发射光线， 仅仅通过被 动反射光线即可实现准确定位， 不需要在手术导航工具中设置复杂的电路， 简化了结构， 且 成本低廉， 操作简单 ； 3、 本发明可以通过光驱以及USB接口来读取多种影像资料， 例如CT数 据资料、 核磁共振数据资料等等， 使得本发明的应用广泛， 兼容性强， 也同时实现了成本的 有效降低 ； 而且光驱以及 USB 接口可以设置在远离电脑主机而符合工作时人体工学的位置 处， 以方便操作人员的操作。 0017 以下结合附图和具体实施方式， 来进一步说明本发明， 但本发明不局限于这些具 体实施方式， 任何在本发明基本精神上的改进或替代， 仍属于本发明权。
15、利要求书中所要求 保护的范围。 说 明 书 CN 101889857 B 4 3/3 页 5 附图说明 0018 图 1 为本发明手术导航设备的手术导航工具的结构示意图。 0019 图 2 为本发明手术导航设备的结构示意图。 0020 图 3 为本发明手术导航设备的捕捉器的结构示意图。 0021 图 4 为本发明手术导航设备的工作示意图。 具体实施方式 0022 如图 1 到图 4 所示， 本发明的手术导航设备包括电脑主机 1， 与电脑主机 1 相连接 的臂部 2， 连接于臂部 2 上的两个机械手 3 和 4， 设置于机械手 3 上的显示器 5， 设置于机械 手 4 上的捕捉器 6 以及与捕捉。
16、器 6 配合工作的手术导航工具 15。电脑主机 1 包括配套设置 的光驱 7、 USB 接口 8 以及键盘、 鼠标等输入装置， 电脑主机 1 通过臂部 2 内的线路与其他部 件实现数据以及电源线的连通。光驱 7 和 USB 接口 8 可以读取病人 CT 数据资料、 核磁共振 数据资料以及其他影像资料， 从而实现对病灶部位的定位。鼠标和键盘可采用无线设备。 0023 机械手 3 和 4 均采用三个自由度设计。机械手 3 上连接有用于虚拟空间显示的显 示器5， 由于机械手3具有三个自由度， 因此显示器5也能实现三个自由度的操作， 方便医生 从各个方位进行观察。 机械手4上连接有用于光学定位的捕捉器。
17、6， 由于机械手4具有三个 自由度， 因此捕捉器 6 也能够在三个自由度上运动， 定位方便灵活， 同时其体积较小， 可以 很好地适应手术室狭小空间的需要。三个自由度的机械手 3 和 4 可单纯采用机械调节以保 证可靠性及灵活性， 也可以采用其他的调节方式。 0024 用于光学定位的捕捉器 6， 包括与机械手 4 相连接的支架 61 以及分别设置于支架 61 两端的两个红外光学定位装置 62。两个红外光学定位装置 62 相对于机械手 4 等间距设 置。光学定位装置 62 包括具有红外采集功能的摄像头 621， 红外滤波片 622 以及围绕摄像 头 621 设置的环形红外 LED 灯 623， 其。
18、能够实现对定位跟踪系统的图像采集。红外 LED 灯 623与摄像头621同轴， 当然， 红外LED灯623也可以采用除环形以外的其他形状， 光学定位 装置 62 内设置线路并通过机械手 4 内的线路与电脑主机 1 实现连接。光学定位装置 62 采 集图像信息并通过数据线将收集的图像信息传送给电脑主机 1。电脑主机 1 通过内部程序 算法， 例如包括对图像的处理以及三维空间点的定位算法来实现空间三维位置的定位。 0025 本发明采用被动式红外线光学定位跟踪方式来实现。如图 1 所示的手术导航工具 15 与捕捉器 6 配合工作， 其包括设置于其上的光学跟踪标记 151， 光学跟踪标记 151 一般。
19、为 3 个， 且不位于同一直线上， 也可以根据需要设置更多的光学跟踪标记 151。光学跟踪标记 151 本身不主动发射光线， 而仅仅被动反射光学定位装置 62 的红外 LED 灯 623 所发出的红 外线光， 当红外线光照射在光学跟踪标记151上时， 光学跟踪标记151反射的光线被两个摄 像头621同时采集， 根据反射光线的不同可以捕捉光学跟踪标记151在任意时刻的位置， 捕 捉器6通过数据线将采集到的光学跟踪标记151的位置信息反馈给电脑主机1， 然后经过电 脑程序的图像处理算法和三维定位算法实现光学跟踪标记 151 的三维位置确定， 从而能够 实现虚拟空间的三维图像与真实空间的人体位置有效对应， 并且在显示器 5 上显示相应的 位置信息， 医生根据显示器 5 的指示可以准确进行手术操作。 说 明 书 CN 101889857 B 5 1/3 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 101889857 B 6 2/3 页 7 图 2 说 明 书 附 图 CN 101889857 B 7 3/3 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 101889857 B 8 。