無創式實時手術定位3D導航設備的制作方法

本實用新型涉及一種無創式實時手術定位3D導航設備。

背景技術：

骨科手術中由于手術空間狹小，且骨骼周圍遍布血管神經等重要組織，使得醫生在手術過程中無法獲得良好視野，骨骼和病灶的解析和定位需要臨床醫生的長期經驗積累。由于術前無法獲得精確的定位，傳統手術需要大切口來實施后續的手術操作，這樣易引起術中大出血，且會對其他組織造成傷害，增加手術風險。

隨著現代科技的發展，骨科手術導航技術的出現，成為手術的一個重要輔助工具，手術導航技術是借助醫學影像設備和計算機圖像軟件，對患者的多模式圖像數據進行處理，讓醫生能夠準確掌握患者病變位置，從而在術前制定合理的手術方案。計算機輔助導航系統的應用，使得骨科手術變得迅速、安全、準確。它擴大了醫生的有限的視覺范圍，讓醫生看透組織結構，有效的提高了手術精度，減少了手術時間及患者的非必要創傷。

在患者定位系統中，首先需要使用斷層像攝像裝置（如CT）取得患者病灶部位的治療計劃用CT數據，對數據進行重建和可視化處理，獲得三維模型，術前模擬，術中通過操作，將三維模型與患者的實際體位及手術器械的的實時位置統一在一個坐標系中，并利用導航系統實時采集并顯示手術器械的空間位置，讓醫生能夠觀察三維模型中手術器械與病灶部位的相對位置關系，引導醫生進行快速精準的手術治療。

在之前的研究中，我們已經申請多項關于無創式實時手術定位導航設備的專利，其中201210385980.2，名稱為一種附屬C臂X光機的手術定位導航設備的實用新型專利，該設備包含機械遙控式的圖像數字化框和簡易的激光發射裝置以及圖像只進行簡單的線性處理，需要操作者通過手持遙控器來手動控制圖像數字化框，所以該實用新型無法實現自動校準；校準過程采用人工獲取校準點數據的方式，誤差較大；該激光裝置無法單獨更換且不能保證出射光線與激光管同軸等缺陷。

201310515922.1，名稱為無創式實時手術定位導航設備的實用新型專利雖然改進了上述的缺陷，但是依舊只能生成二維圖像，不能夠顯示病灶的深度位置，為改進以上所述不足，我們在前面的研究基礎上，適配了三維裝置，并配套相應的軟件，以實現極低輻射的三維導航。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的問題，本實用新型的目的在于提供無創式實時手術定位3D導航設備的技術方案。該設備通過圖像處理技術來實現術前的通道規劃，通過“激光定位系統”在術中病灶點的可視化實時配準和“空間定位裝置”的角度與深度控制，從而實現手術通道的空間準確定位。該系統適用于病患任意部位的微創骨科手術。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于包括激光定位系統和空間定位裝置，所述激光定位系統由激光驅動裝置、工作服務器、數字信號分流器和顯示器組成，激光驅動裝置和工作服務器之間通過藍牙通訊，工作服務器、數字信號分流器和顯示器之間電連接；所述空間定位裝置由相互配合的固定滑軌、雙向滑軌、二自由度的固定滑塊、二自由度雙向滑塊、激光定位桿和手術通道組成。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述激光驅動裝置包括上平面運動機構、下平面運動機構、改進型激光發射裝置、行程測量裝置和驅動裝置控制電路；所述上平面運動機構設有上平面步進電機，下平面運動機構上設置有下平面步進電機。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述改進型激光發射裝置由尾纖式激光器、光纖快速接頭、尾纖、透鏡組、插套、陶瓷插芯和激光管組成，激光管分為上激光管和下激光管，上激光管通過上平面軸承安裝在上平面運動機構上，下激光管通過下平面軸承安裝在下平面運動機構上，尾纖的裸光纖端與光纖快速接頭連接，尾纖的光纖頭端與激光管連接，所述的透鏡組與激光管螺紋連接，光纖快速接頭的插拔端連接尾纖式激光器，所述的透鏡組與尾纖的光纖頭的間距能夠通過透鏡組與激光管的螺旋副調節，經過透鏡組聚焦的激光的出射方向由設置在上激光管內部的插套與管壁上的螺釘螺旋調節。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述的行程測量裝置由磁柵讀頭、磁柵尺、磁柵讀頭固定架、拖鏈和拖鏈扣構成；所述的驅動裝置控制電路與所述的工作服務器無線藍牙連接，驅動裝置控制電路還分別與上平面步進電機、下平面步進電機、改進型激光發射裝置和行程測量裝置相連。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述上平面運動機構設置有上平面板、上平面導軌、上平面同步帶、上平面帶輪固定組件、上平面磁柵讀頭固定座I型、上平面磁柵讀頭固定座II型、上平面同步帶固定座I型、上平面同步帶固定座II型、上平面固定架、上平面軸承安裝座、上平面軸承、上平面X向步進電機、上平面Y向步進電機、上平面限位擋塊和上平面磁柵尺基座，其中，4根上平面導軌、上平面X向步進電機、上平面Y向步進電機、上平面帶輪固定組件、2根上平面磁柵尺基座、4個上平面限位擋塊均用螺釘固定在上平面板上，上平面X向步進電機通過上平面同步帶與上平面同步帶固定座II型和上平面帶輪固定組件連接在一起，上平面Y向步進電機通過上平面同步帶與上面面同步帶固定座I型和上平面帶輪固定組件連接在一起，上平面同步帶固定座I型、上平面同步帶固定座II型、上平面磁柵讀頭固定座I型、上平面磁柵讀頭固定座II型分別安裝在4根上平面導軌上，上平面軸承安裝在上平面軸承安裝座上，上平面軸承安裝座安裝在上平面固定架上，其中一個上平面固定架兩端分別與上平面磁柵讀頭固定座I型、上平面同步帶固定座I型通過螺釘固定，另一個上平面固定架兩端分別與上平面磁柵讀頭固定座II型、上平面同步帶固定座II型通過螺釘固定；所述的下平面運動機構設置有下平面板、下平面導軌、下平面同步帶、下平面帶輪固定組件、下平面磁柵讀頭固定座I型、下平面磁柵讀頭固定座II型、下平面同步帶固定座I型、下平面同步帶固定座II型、下平面固定架、下平面軸承安裝座、下平面軸承、下平面X向步進電機、下平面Y向步進電機、下平面限位擋塊和下平面磁柵尺基座，其中，4根下平面導軌、下平面X向步進電機、下平面Y向步進電機、下平面帶輪固定組件、2根下平面磁柵尺基座、4個下平面限位擋塊均用螺釘固定在下平面板上，下平面X向步進電機通過下平面同步帶與下平面同步帶固定座II型和下平面帶輪固定組件連接在一起，下平面Y向步進電機通過下平面同步帶與下面面同步帶固定座I型和下平面帶輪固定組件連接在一起，下平面同步帶固定座I型、下平面同步帶固定座II型、下平面磁柵讀頭固定座I型、下平面磁柵讀頭固定座II型分別安裝在4根上平面導軌上，下平面軸承安裝在上平面軸承安裝座上，下平面軸承安裝座安裝在下平面固定架上，其中一個下平面固定架兩端分別與下平面磁柵讀頭固定座I型、下平面同步帶固定座I型通過螺釘固定，另一個下平面固定架兩端分別與下平面磁柵讀頭固定座II型、下平面同步帶固定座II型通過螺釘固定；所述的上平面固定架與下平面固定架平行。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述上平面固定架設置有3個上平面標識，上平面標識包括設置在上平面固定架的上、下、右位置處的三個不銹鋼鋼球，上不銹鋼鋼球與下不銹鋼鋼球的間距為80mm，下不銹鋼鋼球與右不銹鋼鋼球的間距為31mm；所述的下平面固定架設置有3個下平面標識，下平面標識包括設置在下平面固定架的上、下、右位置處的三個不銹鋼鋼球，上不銹鋼鋼球與下不銹鋼鋼球的間距為31mm，下不銹鋼鋼球與右不銹鋼鋼球的間距為80mm；所述的上平面軸承安裝座設置有上平面中心標識，上平面中心標識由設置在上平面軸承安裝座的上位置處的一個不銹鋼鋼球組成；所述的下平面軸承安裝座設置有下平面中心標識，下平面中心標識由設置在下平面軸承安裝座的右位置處的一個不銹鋼鋼球組成；所述的上平面標識的三個不銹鋼鋼球與下平面標識的三個不銹鋼鋼球的位置均不相同；所述的上平面中心標識的一個不銹鋼鋼球與下平面中心標識的一個不銹鋼鋼球的位置不相同。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述行程測量裝置共設有4組，分別用來檢測上平面軸承安裝座X向和Y向、下平面軸承安裝座X向和Y向的實時位置；所述磁柵讀頭固定架分別安裝在上平面磁柵讀頭固定座I型、上平面磁柵讀頭固定座II型、下平面磁柵讀頭固定座I型、下平面磁柵讀頭固定座II型上，用螺釘固定；磁柵讀頭和拖鏈扣安裝在磁柵讀頭固定架上，用螺釘固定；拖鏈安裝在拖鏈扣上，用于保護磁柵讀頭連接線；磁柵尺分別安裝在2個上平面磁柵尺基座和2個下平面磁柵尺基座上；磁柵尺與磁柵讀頭平行，相距0.8mm；上平面步進電機、下平面步進電機帶動上平面固定架和下平面固定架移動時，磁柵讀頭一起跟隨移動，在移動的過程中，磁柵讀頭實時讀取磁柵尺內部的數據。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述激光驅動裝置上還設置有矩陣校正板插槽，矩陣校正板插槽內設置矩陣校正板；所述矩陣校正板設置有矩陣校正點，矩陣校正點由設置在矩陣校正板上的24行23列的552個不銹鋼鋼球組成，不銹鋼鋼球與不銹鋼鋼球的行列間距均為6mm。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述上平面固定架和下平面固定架均采用在X光機透視下不顯影的黑色的碳纖維材料制成；所述上平面軸承安裝座和下平面軸承安裝座均采用在X光機透視下不顯影的白色的ABS材料制成。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述數字信號分流裝置包括矩陣切換芯片及其配套的外圍電路，其能利用芯片內部電路的導通與關閉進行信號的接通與關斷，并能夠通過電平進行控制完成信號的選擇；所述工作服務器由數字圖像采集卡、PC、藍牙模塊及MCU模塊組成。

所述的無創式實時手術定位3D導航設備，其特征在于所述二自由度的固定滑塊滑動設置在固定滑軌上，所述二自由度雙向滑塊滑動設置在雙向滑軌上；所述固定滑軌和雙向滑軌均為圓弧型，用螺釘互相固定，其所在的平面互相垂直；所述激光定位桿安裝在二自由度的固定滑塊上，所述手術通道安裝在二自由度雙向滑塊上；所述激光定位桿能在固定滑軌內隨二自由度的固定滑塊做±25°的滑移；所述手術通道能在雙向滑軌內隨二自由度雙向滑塊做±13°的滑移。

該設備通過計算機來實現術前的通道規劃，通過“激光定位系統”在術中病灶點的可視化實時配準和“空間定位裝置”的角度與深度控制，從而實現手術通道的空間準確定位；該系統適用于病患任意部位的微創骨科手術。

本實用新型的有益效果是：

1、 操作簡便，自動校準、實時定位；

2、 定位快速，在30s以內，精度高，誤差在1mm以內；

3、 空間配準無需植入標記物，減少病人的痛苦、治療風險和費用，真正做到無創；本實用新型以病灶本身作為參照，即精確又無創；以脊柱手術為例，目前其他研究者的主流思路是：如需置入L1椎弓根螺釘，系統參照物為L3以下椎體或髂骨，因L1和L3間存在椎間盤等軟組織鉸鏈，影像漂移無法完全避免，誤差必然存在，手術安全性堪憂；我們的思路：直接以L1椎弓根做參照物，實現原位參照，既避免了影像漂移，又將誤差減小到最小范圍；

4、 將病患暴露在X射線的時間和次數減到最少；本實用新型只需在術前采集一次病患部位的CT數據，和在術中采集一張X射線圖像即可。

附圖說明

圖1是本實用新型實施例的原理示意圖；

圖2是本實用新型實施例的原理框圖；

圖3是本實用新型實施例系統構成的結構框圖；

圖4是本實用新型實施例激光驅動裝置的結構示意圖；

圖5是本實用新型實施例激光驅動裝置的上平面結構示意圖；

圖6是本實用新型實施例激光驅動裝置的下平面結構示意圖；

圖7是本實用新型實施例行程測量裝置結構示意圖

圖8是本實用新型實施例上平面固定架的結構示意圖；

圖9是本實用新型實施例下平面固定架的結構示意圖；

圖10 是本實用新型實施例上平面軸承安裝座的結構示意圖；

圖11是本實用新型實施例下平面軸承安裝座的結構示意圖；

圖12是本實用新型實施例改進型激光發射裝置的結構示意圖；

圖13是本實用新型實施例激光驅動裝置的安裝示意圖；

圖14是本實用新型實施例矩陣校正板的平面示意圖；

圖15是本實用新型實施例矩陣校正板的基準透視圖像；

圖16是本實用新型實施例校準標識的透視圖像；

圖17是本實用新型實施例模擬病灶E的病灶透視圖像；

圖中：101- X射線源點；102-C臂X光機；103-影像增強器；104-激光驅動裝置；105-激光束；106-空間定位裝置；107-手術通道；108-固定滑塊；109-雙向滑塊；110-激光固定桿；111-雙向滑軌；112-固定滑軌；401-上平面運動機構；402-下平面運動機構；403-行程測量裝置；404-改進型激光發射裝置；405-驅動裝置控制電路；501-上平面磁柵尺基座；502-上平面磁柵讀頭固定座I型；503-上平面X向步進電機；504-上平面導軌；505-上平面同步帶；506-上平面限位擋塊；507-上平面帶輪固定組件；508-上平面同步帶固定座II型；509-上平面同步帶固定座I型；510-上平面固定架；511-上平面磁柵讀頭固定座II型；512-上平面軸承安裝座；513-上平面軸承；514-上平面Y向步進電機；515-上平面板；601-下平面磁柵尺基座；602-下平面磁柵讀頭固定座I型；603-下平面X向步進電機；604-下平面導軌；605-下平面同步帶；606-下平面限位擋塊；607-下平面帶輪固定組件；608-下平面同步帶固定座II型；609-下平面同步帶固定座I型；610-下平面固定架；611-下平面磁柵讀頭固定座II型；612-下平面軸承安裝座；613-下平面軸承；614-下平面Y向步進電機；615-下平面板；701-磁柵尺；702磁柵讀頭；703-拖鏈；704-磁柵讀頭固定架；705-拖鏈扣；510-1上平面標識； 610-1下平面標識；512-1上平面中心標識；612-1下平面中心標識；404-1透鏡組；404-2插套；404-3陶瓷插芯；404-4上激光管；404-5下激光管；404-6尾纖；404-7光纖快速接頭；404-8尾纖式激光器；1301矩陣校正板插槽；141-矩陣校正板；15-矩陣校正板的基準透視圖像；16-校準標識的透視圖像；17-病灶透視圖像。

具體實施方式

下面結合說明書附圖對本實用新型作進一步說明：

圖1為本實用新型的原理示意圖；本實用新型涉及的物理學現象有：

α.C臂X光機102（C臂機）成像原理決定其透視區域呈圓錐形（如圖1示）；

β.X 射線在不同介質中折射率≈1，因此在宏觀狀態下X射線在不同介質中呈直線傳播。

（1）根據現象α，假設我們將透視區域轉換為以下數學模型，可圓錐形拆分為無數大小不等的共軸且平行的同心圓，任選其中1個同心圓，以經緯線的方式將其分割成n個大小相等的小正方形，并按一定規律編號為（X，Y）；

（2）將所有同心圓以相同方式分割，n相等,按相同規律編號為（X，Y）結合現象β，可以推算出不同同心圓中（X，Y）相等的正方形由同一束 X射線穿透，且具有唯一性，當（X，Y）面積無限小時，可近似看做一個點 ；

（3）在同心圓a，b，c中，（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc）必然處于同一條X射線上，根據現象β，（Xa，Ya）、（Xb，Yb）、（Xc，Yc）呈直線，且該直線必然通過圓錐形頂部的X射線發射源；

（4）根據以上推論，當（Xa，Ya）已知時，則可計算出（Xb，Yb）、（Xc，Yc）坐標位置，串聯（Xb，Yb）、（Xc，Yc），則可尋找到該X射線；

（5）用以上方法可尋找出任意所需X射線，用激光可模擬出該X射線的空間軌跡；

（6）人體內部分組織，如骨組織可在X射線下清晰顯影形成透視圖像，根據上述方法，可尋找到顯影部位的X射線并用激光顯示其軌跡，從而實現人體內部位在X射線下的精確定位，為微創手術提供參考。

本實用新型基于圖1所示的同心圓定位原理:由于X射線在不同介質中折射率均為1，故X射線在不同介質中成直線傳播，從X射線發射器發出的X射線光束呈圓錐形，可以看作是由逐漸變大的、連續的同軸圓組成，假設該圓錐形上任意三個平行的同軸圓平面上三點，如果此三點在 X 射線投影片上影像重疊，則此三點必然處于同一直線上，且此三點與各自圓的位置相對應(與各自圓圓心的角度相同，距離成比例)，反之亦然。參見圖1, 0點為X射線源點101，B點為激光光源點，A、A’所在面為上平面，B、B’所在面為下平面(即激光光源所在平面)； 設初始激光束為 BO，將激光光源點從B移動到B'，同時激光束經過的另一點A移動到A'，那么A'、B’同軸的激光束就與X射線重合，激光點就會沿著激光束的方向打在目標體上，顯示的光點為病灶點E；然后再將空間定位器的激光固定桿沿激光束方向釘入目標體內固定，通過計算機計算得出的空間關系，調整手術通道與激光固定桿的角度，實現手術通道的建立。

圖2為本實用新型實施例的原理框圖。本實用新型的基本原理為：①將病灶部位CT掃描、3D重建；②醫生術前的手術通道107規劃；③對病灶進行透視，并生成病灶部位的3D模型基于X射線圓錐幾何模型下的DRR圖像庫，獲得一束指向病灶點的激光束105④將病灶部位的2D透視圖像與生成的DRR圖像庫匹配，計算出激光束105與手術通道107的空間關系⑤利用空間定位裝置106，建立手術通道107。

本實用新型各部分的工作原理如下：

工作服務器：工作服務器是導航設備的數據處理中心，工作服務器包括數字圖像采集卡、PC、MCU模塊和無線模塊，對整個系統的運行進行控制；其中PC配置有4核高速CPU和4G內存，擁有獨立顯卡、DVI 信號采集卡及大容量硬盤；MCU模塊采用STM32F103XX系列Cortex-M3內核的MCU芯片；無線模塊采用工業級藍牙模塊，傳輸速度高效、可靠，與激光驅動裝置通過無線連接(單點對應)，理論無線傳輸距離達到上百米，集成化程度高。

激光驅動裝置104：包括上平面運動機構401、下平面運動機構402、改進型激光發射裝置404、行程測量裝置403和驅動裝置控制電路405。上平面運動機構401設置有上平面板515、上平面導軌504、上平面同步帶505、上平面帶輪固定組件507、上平面磁柵讀頭固定座I型502、上平面磁柵讀頭固定座II型511、上平面同步帶固定座I型509、上平面同步帶固定座II型508、上平面固定架510、上平面軸承安裝座512、上平面軸承513、上平面X向步進電機503、上平面Y向步進電機514、上平面限位擋塊506、上平面磁柵尺基座501。其中，4根上平面導軌504、上平面X向步進電機503、上平面Y向步進電機514、上平面帶輪固定組件507、2根上平面磁柵尺基座501、4個上平面限位擋塊506均用螺釘固定在上平面板515上，上平面X向步進電機514通過上平面同步帶505與上平面同步帶固定座II型508和上平面帶輪固定組件507連接在一起，上平面Y向步進電機514通過上平面同步帶505與上面面同步帶固定座I型509和上平面帶輪固定組件507連接在一起，上平面同步帶固定座I型509、上平面同步帶固定座II型508、上平面磁柵讀頭固定座I型502、上平面磁柵讀頭固定座II型511分別安裝在4根上平面導軌上，上平面軸承513安裝在上平面軸承安裝座512上，上平面軸承安裝座512安裝在上平面固定架510上，其中一個上平面固定架510兩端分別與上平面磁柵讀頭固定座I型502、上平面同步帶固定座I型509通過螺釘固定，另一個上平面固定架510兩端分別與上平面磁柵讀頭固定座II型511、上平面同步帶固定座II型508通過螺釘固定；所述的下平面運動機構402設置有下平面板615、下平面導軌604、下平面同步帶605、下平面帶輪固定組件607、下平面磁柵讀頭固定座I型602、下平面磁柵讀頭固定座II型611、下平面同步帶固定座I型609、下平面同步帶固定座II型608、下平面固定架610、下平面軸承安裝座612、下平面軸承613、下平面X向步進電機603、下平面Y向步進電機614、下平面限位擋塊606、下平面磁柵尺基座601。其中，4根下平面導軌604、下平面X向步進電機603、下平面Y向步進電機614、下平面帶輪固定組件607、2根下平面磁柵尺基座601、4個下平面限位擋塊606均用螺釘固定在下平面板615上，下平面X向步進電機603通過下平面同步帶605與下平面同步帶固定座II型608和下平面帶輪固定組件607連接在一起，下平面Y向步進電機614通過下平面同步帶605與下面面同步帶固定座I型609和下平面帶輪固定組件607連接在一起，下平面同步帶固定座I型602、下平面同步帶固定座II型611、下平面磁柵讀頭固定座I型609、下平面磁柵讀頭固定座II型608分別安裝在4根上平面導軌604上，下平面軸承613安裝在上平面軸承安裝座612上，下平面軸承安裝座612安裝在下平面固定架610上，其中一個下平面固定架610兩端分別與下平面磁柵讀頭固定座I型602、下平面同步帶固定座I型609通過螺釘固定，另一個下平面固定架610兩端分別與下平面磁柵讀頭固定座II型611、下平面同步帶固定座II型608通過螺釘固定；所述的上平面固定架510與下平面固定架610平行。

本實施例設置有行程測量裝置403，行程測量裝置403用來對上平面軸承安裝座512、下平面軸承安裝座612坐標位置的實時測量。所述行程測量裝置由磁柵讀頭702、磁柵尺701、拖鏈703、拖鏈扣705、磁柵讀頭固定架704構成，共有4組。所述磁柵讀頭固定架704分別安裝在上平面磁柵讀頭固定座I型502、上平面磁柵讀頭固定座II型511、下平面磁柵讀頭固定座I型602、下平面磁柵讀頭固定座II型上611，用螺釘固定。磁柵讀頭702和拖鏈扣705安裝在磁柵讀頭固定架704上，用螺釘固定。拖鏈703安裝在拖鏈扣705上，用于保護磁柵讀頭702連接線。磁柵尺701分別安裝在2個上平面磁柵尺基座501和2個下平面磁柵尺基座601上。磁柵尺701與磁柵讀頭702平行，相距0.8mm。當電機帶動上平面固定架510和下平面固定架610移動時，磁柵讀頭702一起跟隨移動，在移動的過程中，磁柵讀頭702會實時讀取磁柵尺701內部的數據，達到測量行程的目的。

工作服務器與驅動裝置控制電路405通過藍牙無線通信，驅動裝置與上平面步進電機503、下平面步進電機603、四組行程測量裝置403均電連接。

上平面固定架510中的上平面標識510-1是用在透視下不顯影的黑色的碳纖維材料中嵌入不銹鋼鋼球所制，具有在X線透視下能清楚顯示標識的特點。本實施例的上平面標識510-1由三個分別設置在上平面固定架510的上、 下、 右位置處的上平面不銹鋼鋼球組成，這三個上平面不銹鋼鋼球為系統校準提供了上平面標識點；上不銹鋼鋼球與下不銹鋼鋼球的間距（球與球的縱向間距）為80mm，下不銹鋼鋼球與右不銹鋼鋼球的間距（球與球的橫向間距）為 31mm。

下平面固定架610中的下平面標識610-1是用在透視下不顯影的黑色的碳纖維材料中嵌入不銹鋼鋼球所制，具有在X線透視下能清楚顯示標識的特點。本實施例的下平面標識610-1由三個分別設置在下平面固定架610的上、下、右位置處的下平面不銹鋼鋼球組成，這三個下平面不銹鋼鋼球為系統校準提供了下平面標識點；上不銹鋼鋼球與下不銹鋼鋼球的間距（球與球的縱向間距）為 31mm，下不銹鋼鋼球與右不銹鋼鋼球的間距（球與球的橫向間距）為 80mm。

上平面軸承安裝座512中的上平面中心標識512-1是用在透視下不顯影的白色的ABS材料中嵌入不銹鋼鋼球所制，具有在X線透視下能清楚顯示標識的特點。

本實施例的上平面中心標識512-1由一個設置在上平面軸承安裝座512的上方位置處的上平面不銹鋼鋼球組成，這個上平面不銹鋼鋼球為系統校準提供了上平面軸承中心的標識點位置。

下平面軸承安裝座612中的下平面中心標識612-1是用在透視下不顯影的白色的ABS材料中嵌入不銹鋼鋼球所制，具有在X線透視下能清楚顯示標識的特點。

本實施例的下平面中心標識612-1由一個設置在下平面軸承安裝座612的右方位置處的下平面不銹鋼鋼球組成。這個下平面不銹鋼鋼球為系統校準提供了下平面軸承中心的標識點位置。

本實施例上平面標識510-1、上平面中心標識512-1的位置與下平面標識610-1、下平面中心標識612-1的位置不相同(即錯開或不重合，下同)

本實施例通過三個上平面標識510-1、三個下平面標識610-1的校準，就可以計算得到矩陣校正板中的單位矩陣在上、下平面運動機構中所對應的單位脈沖值。

改進型激光發射裝置404包括650nm、5mw的尾纖式激光器404-8、光纖快速接頭404-7、尾纖404-6、透鏡組404-1、插套404-2、陶瓷插芯404-3及激光管，激光管分為上激光管404-4和下激光管404-5。上激光管404-4穿過上平面軸承513， 上平面軸承513安裝在上平面軸承安裝座512上，下激光管404-5固定在下平面軸承613上，下平面軸承613安裝在下平面軸承安裝座612上，尾纖式激光器404-8與光纖快速接頭404-7連接，光纖快速接頭404-7與尾纖404-6的裸光纖端連接， 尾纖404-6與陶瓷插芯404-3連接，陶瓷插芯404-3與插套404-2連接，上激光管404-4與透鏡組404-1螺紋連接。

所述的透鏡組404-1與尾纖404-6的光纖頭的間距能夠通過透鏡組404-1與上激光管404-4的螺旋副調節，具有調焦功能，經過透鏡組404-1聚焦的激光的出射方向由設置在上激光管404-4管壁上內部的插套404-2和管壁上的螺釘螺旋調節。通過校準可以實現改進型激光發射裝置404的激光光束方向由上平面軸承513的球中心和下平面軸承613的球中心的位置來確定，即能實現激光出射方向與激光管同軸，能精確、清楚的指向目標。

數字信號分流裝置:數字信號分流裝置是附屬于C臂機的新型手術定位導航設備的信號切換裝置，包括矩陣切換芯片及其配套的外圍電路，其能利用芯片內部電路的導通與關閉進行信號的接通與關斷，并可通過電平進行控制完成信號的選擇。數字信號分流裝置設有兩個通道，其中通道一為C臂機原信號通道， 通道二為導航設備的信號通道，操作者可以根據自己需求來切換信號通道。

空間定位裝置106：由固定滑軌112、雙向滑軌111、二自由度的固定滑塊108、二自由度雙向滑塊109、激光定位桿110和手術通道107組成。二自由度的固定滑塊108滑動設置在固定滑軌112上；二自由度雙向滑塊109滑動設置在雙向滑軌111上；固定滑軌112和雙向滑軌111均為圓弧型，用螺釘互相固定，其所在的平面互相垂直；激光定位桿110安裝在二自由度的固定滑塊108上，手術通道107安裝在二自由度雙向滑塊109上；激光定位桿110能在固定滑軌112內隨二自由度的固定滑塊108做±25°的滑移，滑移到位后，用螺柱固定；手術通道107能在雙向滑軌111內隨二自由度雙向滑塊109做±13°的滑移，滑移到位后，用螺柱固定。該空間定位裝置可通過普通的夾持機構固定在手術臺上，夾持部位為激光定位桿。

圖1中體內靶點 E 即醫生在手術中需要在人體內找到的點，也就是本實用新型需要定位出的點，比如椎弓根手術的穿刺點，然后再配合空間定位裝置，建立手術通道，實現三維導航。

體內靶點E在C臂機圖像輸出顯示器上的顯示點E’（圖17）為體內靶點E在C臂機透視圖像上的對應點。

本實用新型的導航設備的具體操作流程如下:

一、術前3D建模及手術通道規劃：

（1）將病患部位的CT掃描數據導入計算機處理，重建病灶的3D模型；

（2）醫生根據重建的病灶3D模型完成手術通道規劃；

二、激光定位系統安裝、啟動、校準：

（a）將激光驅動裝置104安裝在C臂機的影像增強器103上；

（b）將工作服務器與數字信號分流裝置的對應接口分別連接好；

（c）分別打開激光驅動裝置104、工作服務器的電源打開后，系統進入初始狀態；

（d）將矩陣校正板141插入激光驅動裝置104上的矩陣校正板插槽1301內，利用C臂機獲取基準透視圖像15（圖15）；通過數字信號分流裝置將C臂機的圖像信號切換到工作服務器中，工作服務器通過通過數字圖像采集卡，將基準透視圖像采集下來后對基準透視圖像進行圖像處理，記錄各個矩陣點的坐標信息；

（e）抽出步驟（d）中的矩陣校正板141，將激光驅動裝置104中的上平面固定架510和下平面固定架610移動至激光驅動裝置104的中間區域，此時上平面軸承安裝座512和下平面軸承安裝座612均處于激光驅動裝置104的中心位置，上平面軸承安裝座512與上平面固定架510屬于激光驅動裝置104的上平面運動機構401，上平面固定架510設置有3個上平面標識510-1，下平面軸承安裝座612與下平面固定架610屬于激光驅動裝置104的下平面運動機構402，下平面固定架610設置有 3 個下平面標識610-1，上平面軸承安裝座512上設置有1個上平面中心標識512-1，下平面軸承安裝座612上設置有1個下平面中心標識612-1，利用C臂機獲取透視圖像15，再用工作服務器中的數字圖像采集卡采集透視圖像并對其進行圖像處理，記錄各個標識點在圖像上的對應點的坐標信息，然后將之前獲取的基準透視圖像15的信息與當前的校準標識透視圖像16信息疊加，這樣便可以得出上平面標識點的橫向間距在對應的矩陣校準圖像中的矩陣數,然后計算出單位矩陣對應的上平面橫向距離L1=上平面標識的橫向間距/圖像中對應的矩陣數，同理得出單位矩陣對應的上平面縱向距離L2=上平面標識的縱向間距/圖像中對應的矩陣數，下平面橫向距離L3=下平面標識的橫向間距/圖像中對應的矩陣數，下平面縱向距離L4=下平面標識的縱向間距/圖像中對應的矩陣數，完成校準；

三、術中2D圖像匹配及病灶點的定位：

（ⅰ）根據步驟（d）獲取到的基準透視圖像15和各個矩陣點的坐標信息，計算機構建出C臂機的理想錐形射線模型；將步驟（1）中重建的病灶3D模型置于理想的錐形射線，模擬出任意方向的投影圖像，構成一個數據庫（DRR數據庫）；

（ⅱ）將病灶放至C臂機下，獲取病灶透視圖像17，通過工作服務器采集并進行圖像處理，記錄病灶點E的坐標信息，將步驟（e）獲取的透視圖像信息疊加到病灶透視圖像17上，分別得出上平面中心標識與下平面中心標識到病灶點 E的距離，用矩陣數N1、N2、N3、N4來表示，最后計算出激光驅動裝置的各個方向的執行距離L_上X、L_上Y、L_下X、L_下Y，其中L_上X=L1×N1、L_上Y=L2×N2、L_下X=L3×N3、L_下Y=L4×N4，并通過工作服務器的藍牙模塊將計算結果發送至激光驅動裝置104，激光驅動裝置104執行完畢后激光便指向病灶點，即完成2D的定位；

（ⅲ）將步驟（ⅱ）中獲取的病灶透視圖像17和步驟（ⅰ）中的數據庫匹配，在計算機中生成病灶的3D空間姿態，并計算步驟（ⅱ）中生成的激光束105和步驟（2）中規劃的手術通道107在病灶點的空間關系；

4、手術通道的建立：

①將空間定位裝置106的激光定位桿110沿激光束105方向釘入病灶點E并固定；

②根據步驟（ⅲ）中激光束105與手術通道107的空間關系，調整空間定位裝置106的二自由度的固定滑塊108、二自由度雙向滑塊109，并固定；

③手術通道107成功建立。

本實用新型與申請號為201310515922.1，名為無創式實時手術定位導航設備的實用新型專利對比如下：

“無創式實時手術定位導航設備”中激光驅動裝置的上平面運動機構和下平面運動機構驅動方式為：電機帶動同步帶，同步帶帶動滾珠絲桿，滾珠絲桿再帶動軸承安裝座的方式進行定位。中間傳動結構太多，導致安裝結構大，安裝要求高。且絲桿傳動方式一種扭矩力的傳動，軸向傳動精度高，但徑向具有間隙，精度低。特別是長時間使用后，會造成磨損，需要再次調整。絲桿驅動方式定位速度慢。

本實用新型的激光驅動裝置中上平面運動機構和下平面運動機構驅動方式為電機帶動同步帶，同步帶直接帶動軸承安裝座的方式定位，安裝要求低，定位精度高，定位快速。

“無創式實時手術定位導航設備”為開環定位方式，執行過程中不能對實際情況進行定位調整。

本實用新型為閉環定位方式，增加了行程測量裝置，能對軸承安裝座的位置進行實時讀取與調整，提高了執行精度。

本實用新型的計算機不但具有二維導航功能，還具有三維建模、手術通道規劃，術前術中三維匹配等功能。

本實用新型的空間定位裝置能對病灶點進行三維空間定位，建立精確的手術通道。

本實用新型已參照其特定的實施例作了描述，但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和范圍。因此，說明書和附圖應被認為是說明性的而非限制性的，凡是本實用新型的簡單變形或等效變換，應認為落入本實用新型的保護范圍。