[發明專利]一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置及方法

在審

• 申請號: 201710786524.1
• 申請日: 2017-09-04
• 公開（公告）號: CN107736897A
• 公開（公告）日: 2018-02-27
• 發明（設計）人: 王利峰;王田苗;胡磊;郭娜;劉洪澎;韓仲浩;楊標
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: A61B8/08
• 分類號: A61B8/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置，其特征在于，由超聲設備、圖像采集卡、工作站以及安裝在其上的導航軟件、視覺跟蹤設備、近端Marker、遠端Marker、六自由度并聯動平臺、靜平臺構成；

所述的超聲設備的超聲探頭上固定有可以被視覺跟蹤設備識別的Marker，該Marker與超聲探頭有固定的位置關系；

所述的工作站可以通過采集卡獲取超聲圖像；

所述的六自由度并聯動平臺上固定有可以被視覺跟蹤設備識別的Marker，該Marker與六自由度并聯動平臺有固定位置關系；

所述的視覺跟蹤設備將識別到的近端Marker、遠端Marker、超聲探頭Marker坐標、六自由度動平臺Marker傳輸給工作站；

所述的近端Marker固定在患者的長骨近端，所述的遠端Marker固定在患者的長骨遠端；

所述的六自由度動平臺上固定患者的長骨近端，所述的經平臺上固定患者的長骨遠端；

所述的工作站根據導航軟件計算的運動量驅動六自由度動平臺運動。

2.一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位方法，其特征在于，將超聲設備采集到的長骨超聲圖像得到的骨表面散亂點與術前CT進行配準，通過視覺跟蹤設備將長骨近端、長骨遠端、CT模型、六自由度動平臺統一到視覺空間坐標系下，根據術前規劃計算六自由度動平臺的運動矩陣，并根據運動學模型求解六個平臺支鏈的伸縮量，驅動其運動。

3.根據權利要求1及權利要求2，一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置及方法，其特征在于，按照以下步驟實現長骨復位導航：

S1.術前對患者的骨折近端、遠端進行CT掃描，規劃復位方案，得到遠端與近端的相對位姿矩陣A；

S2.術中，安裝視覺跟蹤設備，并在患者的骨折的近端、遠端分別固定Marker；

S3.采用固連Marker的超聲探頭對患者的近端、遠端進行掃描，得到近端、遠端的超聲圖像；

S4.提取超聲圖像骨表面；

S5.將超聲圖像的骨表面與CT模型進行配準；

S6.根據視覺跟蹤設備獲取的近端與遠端坐標得到近端與遠端相對位姿矩陣B；

S7.根據步驟1的相對位姿矩陣A、步驟5的相對位姿矩陣B、長骨遠端的Marker坐標、六自由度并聯動平臺的Marker坐標，計算六自由度并聯動平臺的運動矩陣T；

S8.通過求解六自由度并聯動平臺的運動學逆解得到六個關節的六個平臺支鏈的伸縮量；

S9.如果六個平臺支鏈的伸縮量小于誤差范圍，復位完成，否則，驅動六自由度并聯動平臺運動到指定位置，重復步驟S6-S8。

4.根據權利要求3，一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位方法，其特征在于，步驟S4所述的骨表面提取方法包括以下步驟：

步驟S4.1.圖像預處理：對超聲圖像進行高斯濾波降噪處理，并提取感興趣區域；

步驟S4.2.輪廓提?。翰捎孟辔粚ΨQ性的Log-Gabor小波算法進行邊緣檢測，提取骨表面輪廓；

步驟S4.3.空洞消除：采用基于面積約束的處理方法將連通域中的空洞填充，消除連通域內孔；

步驟S4.4連通域位置篩選：根據連通域重心距離圖像中心的距離篩選在一定閾值范圍內最近的連通域，并根據連通域面積閾值篩選合適的骨表輪廓區域；

步驟S4.5輪廓骨架提?。簣D像進行腐蝕去毛刺處理，并擬合骨組織曲面，進行圖像細化，得到單層點的輪廓骨架。

5.根據權利要求2，一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位方法，其特征在于，步驟S5所述的配準方法采用基于最小迭代的配準方法。

6.根據權利要求1及權利要求2，一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置及方法，其特征在于，所述的導航軟件包括以下功能：

對術前CT數據進行三維重建；

對手術路徑進行規劃；

采集超聲圖像，并進行骨表面提?。?/p>

術前CT與超聲圖像進行點云配準；

實時獲取視覺跟蹤設備采集到Marker坐標；

長骨復位導航，計算六自由度動平臺的運動矩陣；

計算六自由度動平臺的運動學正逆解，并驅動六自由度動平臺運動。

7.根據權利要求1，一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置，其特征在于，所述的六自由度動平臺是一種并聯機構，可以實現六個自由的運動，包括上平臺、下平臺以及通過鉸鏈分別連接在上平臺、下平臺的六組電動缸。