[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

技術領域

本發明涉及醫學領域，尤其涉及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。

背景技術

在長骨的復位外科手術過程中，傳統的復位手術需要將骨折區域開放化，在暴露骨組織的情況下，觀測復位效果，同時由醫生手動完成復位過程，大規模的手術創傷對病人造成二次傷害，結果增加骨折部位發生延遲愈合、骨不連、感染甚至二次骨折的風險。

隨著醫學圖像處理技術的發展，基于醫學圖像導航的微創復位手術，將長骨復位手術由開放式帶入封閉式，極大程度上減小了傳統復位手術為對比復位效果而對病人造成的傷害。同時，計算機輔助導航技術對醫生實施手術也提供了更多科學的指導，提高手術的精度、降低手術難度。當前術中圖像導航環節，仍然有大量的X射線暴露，對醫生和患者的損傷的問題仍然沒有得到很好的解決。超聲與CT、MRI、X-Ray相比具有便攜化、成本低、無輻射等優勢，因此基于超聲-CT配準的導航技術成為近幾年研究的熱點。但超聲的噪聲大、偽影雜質信息多等缺點也制約了其在臨床中的推廣和使用。

發明內容

針對以上問題，本發明的目的在于提供一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置。該裝置由超聲設備、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。

根據本發明，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。

根據本發明，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，并進行骨表面提取；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。

根據本發明，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。

同時，本發明提供了一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位方法。該方法是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。

根據本發明，所述的骨表面提取方法是：首先進行圖像預處理，對超聲圖像進行高斯濾波降噪處理，并提取感興趣區域；然后采用相位對稱性的Log-Gabor小波算法進行邊緣檢測，提取骨表面輪廓；再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；接著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；最后對圖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。

相比于現有技術，本發明的有益效果為：

本發明提供的基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置，采用超聲圖像對患者長骨進行掃描，相比術中CT、C型臂等影像設備，輻射更小；微創復位手術相比傳統開放切口手術，手術創面小，可以減少感染率，降低并發癥。

附圖說明

圖1是一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位裝置結構示意圖

其中，1是超聲設備，2是圖像采集卡，3是視覺跟蹤設備

4是工作站，5是近端Marker，6是遠端Marker

7是六自由度并聯動平臺，8是靜平臺

圖2是一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位原理圖

圖3是一種基于六自由度并聯平臺的超聲配準及長骨復位方法流程圖

圖4是超聲圖像骨表面提取流程圖

圖5是六自由度并聯機構動平臺結構簡圖