一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道定位装置.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610908430.2 (22)申请日 2016.10.19 (71)申请人 胡磊 地址 100191 北京市海淀区学院路37号北 京航空航天大学新主楼A302 申请人 谢东儒 郭娜 (72)发明人 胡磊 谢东儒 郭娜 王利峰 杨标 (51)Int.Cl. A61B 34/10(2016.01) A61B 34/20(2016.01) (54)发明名称 一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止 点定位和韧带隧道定位装置 (57)摘要 本发明涉及医学领域， 尤其涉及一种融合术 。

2、前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧 道定位装置， 包括C型臂X光机、 图像校正标定板、 图像采集卡、 定位机器人、 路径定位架、 位置跟踪 平台和计算机等硬件以及存储于计算机内的3D 规划模块和2D定位导航模块等软件。 3D规划模块 利用患者膝关节术前3D影像数据， 辅助医生完成 个性化的手术规划， 并沿特定的投影方向， 将3D 环境信息投影为2D导航信息。 2D定位导航模块利 用硬件采集的手术空间的2D医学影像和各个跟 踪对象的位置信息， 结合2D导航信息构建手术导 航环境， 控制定位机器人和路径定位架等硬件完 成精准手术路径定位。 辅助医生完成精准的、 个 性化的前交叉韧带止点和韧。

3、带隧道定位操作， 降 低手术难度， 提高手术疗效。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 106420054 A 2017.02.22 CN 106420054 A 1.一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道定位装置， 包括由C型 臂X光机3、 图像校正标定板4、 图像采集卡2、 定位机器人6、 路径定位架7、 位置跟踪平台5、 计 算机1、 存储于计算机内的前交叉韧带止点和路径位置规划模块、 存储于计算机内的前交叉 韧带止点和隧道定位导航模块组成。 图像校正定位板4用螺钉9安装在C型臂X光机3的采集 端部(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。

4、正板和双层 板的标定板， 主要是利用图像校正标定板上的钢珠形成的点阵及在所拍摄的X光图像上形 成的标记点坐标)， 路径定位架7和定位机器人之间采用螺钉8连接， C型臂X光机3与计算机 之间连接有图像采集卡2， 机器人6与计算机1之间利用通讯总线连接。 本发明的前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块包括： 3D医学图像数据可视化单 元、 3D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元、 2D环境下前交叉韧带止点和韧带 隧道位置规划单元。 (A)所述3D医学图像数据可视化单元用于读入患者膝关节的CT或核磁等3D医学影像数 据， 采用VTK或OPENGL软件包， 将膝关节的骨骼数据分割出来， 并三维显。

5、示在计算机屏幕上， 构建前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划的人机交互环境。 (B)所述3D前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元， 用于在3D医学图像数据可视化 单元构建的人机交互环境里， 辅助医生依据解剖特征完成前交叉韧带止点和韧带隧道位置 设计等操作， 包括解剖特征选择及其几何参数的计算、 前交叉韧带止点和韧带隧道的绘制。 (C)所述2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元， 用于辅助医生依据解剖 特征设置两个以上投影方向， 并依据投影方向， 将3D医学图像及规划的前交叉韧带止点和 韧带隧道等信息， 投影到两个以上法线向量不平行的平面上， 构建2个以上2D医学图像空 间。 在形成的2D医。

6、学图像空间里， 选择特征点或特征曲线， 构建2D坐标系， 并将规划的前交 叉韧带止点和韧带隧道用这些2D坐标系描述， 输出给计算机的前交叉韧带止点和韧带隧道 定位导航模块。 本发明的前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块由图像纠正单元、 图像空间标定单 元、 2D导航单元、 机器人运动控制单元等组成。 (A)依据2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元定义的两个以上投影方 向， 由C型臂X光机拍摄手术空间的X光2D图像， 经图像采集卡采集且转换为BPM格式后输出 给所述的图像校正单元。 (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。

7、数复原校正图像后， 作为2D导航图像， 输出给图像空间标定单元； 所述图像失真校正满足AXb， A表示图像校正板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)所述图像空间标定单元， 其功能就是以图像校正标定板的不在一个平面的6个以上 的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据， 建立2D图像空间和3D手术空间之间的映射 模型， 该模型输出给2D导航单元； 所述映射模型满足： 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 106420054 A 2 A111A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11T C(2n。

8、)1u1 u2 un v1 v2 vnT A(ETE)-1ETC 其中： n(n6)组标记点的空间坐标是(xi， yi， zi)(n1， 2， n)， 相应的屏幕坐标是(ui， vi)(n 1， 2， n) A是3D手术空间和2D图像空间的映射矩阵 (D)所述2D导航单元， 其功能就是接受位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对象的 位置信息， 依据2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型， 将位置信息和3D规划的2D规划 参数， 显示在2D导航图像上， 辅助医生分析、 判断手术空间各个跟踪对象之间的相互位置关 系， 并将这个相互位置关系表述为机器人的运动参数， 输出给机器人运动控制单元。 (E)。

9、所述机器人运动控制单元， 用于将机器人的运动参数转换为机器人各个关节的运 动指令， 通过计算机和机器人之间的通讯总线， 输出给机器人， 控制机器人运动， 让机器人 末端定位器的轴线和手术规划的前交叉韧带止点和隧道路径重合， 辅助医生完成精准的前 交叉韧带隧道重建手术操作。 2.如权利要求1所述的融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和韧带隧道定位装置， 其特征在于： 利用解剖特征定义2个以上投影方向， 并依据这些投影方向， 将3D环境的医学 图像及手术规划路经投射到特定的平面， 形成2D导航图像， 并建立2D坐标系， 描述手术规划 的路径。 在手术中， 利用C形臂X光机， 根据解剖特征定义的投影。

10、方向， 采集手术空间的2D医 学图像， 作为2D导航环境， 融合2D导航数据和位置跟踪平台采集的各个对象的位置信息， 指 导机器人完成精准定位操作。 3.如权利要求1所述， 采用6自由度关节机器人根据位置跟踪平台采集的位置信息和手 术规划路经信息， 在手术空间确定前交叉韧带重建隧道路径， 辅助医生完成精准的前交叉 韧带重建手术操作。 4.如权利要求2所述， 不仅仅是前交叉韧带止点和隧道位置采用特定投影方向的投影 方法， 将3D环境下的医学图像和手术规划信息转换为2D环境下的路径导航信息， 在手术中， 利用C形臂或其他的2D医学影像设备采集相同投影方向的2D图像作为导航图像， 并融合规 划的2D。

11、路径导航信息， 指导医生或控制机器人完成精准的手术路径定位。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 106420054 A 3 一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道 定位装置 技术领域 0001 本发明涉及一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点定位和韧带隧道定位装 置， 特别涉及一种采用计算机图像处理技术和机器人技术的前交叉韧带止点和韧带隧道的 定位装置。 背景技术 0002 前交叉韧带重建手术是前交叉韧带断裂适应症的有效治疗方法， 其内容就是在膝 关节股骨和胫骨的韧带连接点各钻制一个孔(韧带隧道)， 利用人工韧带或其他材质的韧带 穿过并固定在这两个韧带隧道里， 代替已。

12、经断裂的韧带， 稳定膝关节。 手术难点之一就是正 确定位前交叉韧带止点(韧带与骨骼的连接点)和韧带隧道的位置。 不正确的前交叉韧带止 点位置将导致前交韧带与周边骨组织发生碰撞摩擦， 前交叉韧带的长度在膝关节运动过程 中反复过度拉伸， 降低前交叉韧带寿命， 影响手术疗效。 0003 传统的前交叉韧带重建手术中， 医生利用C形臂采集膝关节的正侧位图片， 利用统 计数据(如股骨止点的四分格法)， 设计前交叉韧带的止点和韧带隧道位置。 由于每个人的 个体情况不一样， 这种利用统计学数据来设计止点和韧带隧道位置的方法不可能完全满足 每一个患者的个性化病情， 疗效具有很大的不确定性。 还有的医生， 利用关。

13、节镜来寻找关节 的解剖特征， 设计前交叉韧带的止点和韧带重建隧道位置。 但由于关节镜视野小， 一个关节 镜视野里无法包含所有设计需要的解剖特征， 需要医生结合自己专业知识， 设计前交叉韧 带的止点和韧带隧道位置， 这种方法的疗效受医生自身的专业水平影响。 发明内容 0004 本发明的目的是提供一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和韧带隧道定 位装置， 采用数字图像处理技术和机器人技术， 利用患者膝关节的术前CT或核磁等3D医学 影像数据， 结合膝关节解剖特征(如韧带连接处的解剖特征)， 辅助医生完成个性化的前交 叉韧带止点和韧带隧道位置规划， 定义2个以上的投影方向， 并将3D环境的医学影。

14、像数据和 手术规划数据投影到定义的平面上， 建立2D图像空间及其坐标系， 描述手术规划信息。 在术 中， 利用C形臂X光机依据定义的投影方向， 采集手术空间的2D医学图像， 和术前规划的前交 叉韧带止点和韧带隧道位置信息一起， 建立2D图像导航环境， 结合位置跟踪平台采集的手 术空间各个跟踪对象的位置信息， 控制定位机器人运动并固定手术路径， 辅助医生完成精 准、 有效的前交叉韧带重建隧道的钻制等手术操作。 解决传统手术中止点和韧带隧道定位 不准确导致的手术后遗症， 降低手术难度， 提高手术疗效。 0005 本发明由C型臂X光机、 图像校正标定板、 图像采集卡、 定位机器人、 路径定位架、 位。

15、 置跟踪平台和计算机以及存储于计算机内的前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块和 前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块组成。 图像校正标定板安装在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， 路径定位架固定在定位机器人末端， 定 说 明 书 1/7 页 4 CN 106420054 A 4 位机器人与计算机之间利用通讯总线连接， 位置跟踪平台和计算机之间采用数据总线连 接。 0006 本发明的术前3D路径规划功能， 是由前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块实 现的。 该模块包括： 3D医学图像数据可视化单元、 3D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置 规划单元、 2D环境。

16、下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元。 0007 (A)所述3D医学图像数据可视化单元用于读入患者膝关节的CT或核磁等3D医学影 像数据， 采用VTK或OPENGL软件包， 将膝关节的骨骼数据分割出来， 并三维显示在计算机屏 幕上， 构建前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划的人机交互环境。 0008 (B)所述3D前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元， 用于在3D医学图像数据可 视化单元构建的人机交互环境里， 辅助医生依据解剖特征完成前交叉韧带止点和韧带隧道 位置设计的操作， 包括解剖特征选择及其几何参数的计算、 前交叉韧带止点和韧带隧道的 绘制。 0009 (C)所述2D环境下前交叉韧带止点和。

17、韧带隧道位置规划单元， 用于辅助医生依据 解剖特征设置两个以上投影方向。 并将3D医学图像及规划的前交叉韧带止点和韧带隧道等 信息， 依据设置的投影方向， 投影到两个以上法线向量不平行的平面里， 构建两个以上2D医 学图像空间。 在形成的2D医学图像空间里， 选择特征点或特征曲线， 构建2D坐标系， 并将规 划的前交叉韧带止点和韧带隧道用这些2D坐标系描述， 输出给计算机的前交叉韧带止点和 韧带隧道定位导航模块。 0010 本发明的基于2D影像数据的前交叉韧带手术导航功能， 是由前交叉韧带止点和韧 带隧道定位导航模块实现的。 所述前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块由图像纠正单 元、 图像空间。

18、标定单元、 2D导航单元、 机器人运动控制单元等组成。 0011 (A)依据2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元设置的两个以上投影 方向， 由C型臂X光机拍摄手术空间的X光2D图像， 经图像采集卡采集且转换为BPM格式后输 出给所述的图像校正单元。 0012 (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， 作为2D导航图像， 输出给图像空间标定单 元； 所述图像失真校正满足AXb， A表示图像校正板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； 001。

19、3 (C)所述图像空间标定单元， 其功能就是以图像校正标定板的不在一个平面的6个 以上的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据， 建立2D图像空间和3D手术空间之间的 映射模型， 该模型输出给2D导航单元； 0014 所述映射模型满足： 0015 0016 A111A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11T 说 明 书 2/7 页 5 CN 106420054 A 5 0017 C(2n)1u1 u2 un v1 v2 vnT 0018 A(ETE)-1ETC 0019 其中： 0020 n(n6)组标记点的空间坐标是(xi， yi， zi)(n1， 2， n)， 。

20、相应的屏幕坐标是(ui， vi)(n1， 2， n) 0021 A是3D手术空间和2D图像空间的映射矩阵 0022 (D)所述2D导航单元， 其功能就是接受位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对 象的位置信息， 依据2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型， 将位置信息和3D规划的2D 规划参数， 显示在2D导航图像上， 辅助医生分析、 判断手术空间各个跟踪对象之间的相互位 置关系， 并将这个相互位置关系表述为机器人的运动参数， 输出给机器人运动控制单元。 0023 (E)所述机器人运动控制单元， 用于将机器人的运动参数转换为机器人各个关节 的运动指令， 通过计算机和机器人之间的通讯总线， 输出。

21、给机器人， 控制机器人运动， 让机 器人末端路径定位器的轴线和手术规划的前交叉韧带止点和隧道路径重合， 辅助医生完成 精准的前交叉韧带隧道重建手术操作。 0024 本发明一种融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和韧带隧道定位装置的优点 在于： 本发明将术前的3D环境下规划的止点和韧带隧道位置信息融合到术中2D导航图像空 间， 可以根据患者的具体解剖特征， 个性化设计疗效显著的前交叉韧带止点和隧道位置， 并 利用机器人精准定位， 降低手术难度和医生的操作强度， 提高医生的手术精度和手术疗效。 本发明具有极高的性价比和推广应用价值。 附图说明 0025 图1融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和隧。

22、道定位装置的结构示意图 0026 图2图像纠正标定板的外形图 0027 图3路径定位架结构图 0028 图4基于股骨投影方向的侧向投影图像 0029 图5基于股骨投影方向的正向投影图像 0030 图6基于胫骨投影方向的侧向投影图像 0031 图7基于胫骨投影方向的正向投影图像 0032 图中， 各部件的标记如下： 0033 1.计算机 0034 2.图像采集卡 0035 3.C型臂X光机 0036 4.图像校正标定板 0037 401纠正板、 402纠正钢珠、 403安装孔、 404标定钢珠、 405标定板、 406立板 0038 5.位置跟踪平台 0039 6.定位机器人 0040 7.路径。

23、定位架 0041 701安装底座、 702立杆、 703定位套 0042 8.螺钉 说 明 书 3/7 页 6 CN 106420054 A 6 0043 9.螺钉 具体实施方式 0044 下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。 0045 请参见图1所示， 本发明是一种机器人辅助前交叉韧带重建手术定位装置， 是一种 适用于前交叉韧带重建手术的医疗器械。 由C型臂X光机3、 图像校正标定板4、 图像采集卡2、 定位机器人6、 路径定位架7、 位置跟踪平台5、 计算机1、 存储于计算机内的前交叉韧带止点 和路径位置规划模块、 存储于计算机内的前交叉韧带止点和隧道定位导航模块组成。 图像 校正定。

24、位板4用螺钉9安装在C型臂X光机3的采集端部(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和双层板的标定板， 主要是利用图像校正标定板 上的钢珠形成的点阵及在所拍摄的X光图像上形成的标记点坐标)， 路径定位架7和定位机 器人之间采用螺钉8连接， C型臂X光机3与计算机之间连接有图像采集卡2， 机器人6与计算 机1之间利用通讯总线连接。 在本发明中， 图像采集卡4选用Boser BS-602DVD Plus外置图 像采集卡， 定位机器人6选用丹麦生产的UR5机器人， C形臂采用德国西门子产品ARCADIS Varic， 位置跟踪平台采用加拿大Claron公司生产的Mic。

25、ron Tracker。 0046 请参见图2所示， 本发明的图像校正标定板4， 由纠正板401、 纠正钢珠402、 标定钢 珠404、 标定板405和立板406构成， 纠正板401上设有安装孔403、 纠正钢珠402安装孔、 标定 钢珠404安装孔。 标定板405通过立板406和纠正板401固联一起， 其上设置有标定钢珠404的 安装孔。 图像校正板4用于实现C型臂X光机3拍摄的多幅X光图像上具有标记点的特性。 0047 请参考图3所示， 本发明的路径定位架7由安装底座701、 立杆702、 和定位套组成， 立杆将安装底座701和定位套703固连一起， 安装底座上分布有4个固定孔， 用于将路。

26、径定位 架7和定位机器人6末端采用螺钉8连接。 路径定位轴线， 用于固定手术操作路径。 0048 本发明的前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划模块包括： 3D医学图像数据可视化 单元、 3D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元、 2D环境下前交叉韧带止点和韧 带隧道位置规划单元。 0049 (A)所述3D医学图像数据可视化单元用于读入患者膝关节的CT或核磁等3D医学影 像数据， 采用VTK或OPENGL软件包， 将膝关节的骨骼数据分割出来， 并三维显示在计算机屏 幕上， 构建前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划的人机交互环境。 0050 (B)所述3D前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元， 用于。

27、在3D医学图像数据可 视化单元构建的人机交互环境里， 辅助医生依据解剖特征完成前交叉韧带止点和韧带隧道 位置设计等操作， 包括解剖特征选择及其几何参数的计算、 前交叉韧带止点和韧带隧道的 绘制。 0051 (C)所述2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元， 用于辅助医生依据 解剖特征设置两个以上投影方向， 并依据投影方向， 将3D医学图像及规划的前交叉韧带止 点和韧带隧道等信息， 投影到两个以上法线向量不平行的平面上， 构建2个以上2D医学图像 空间。 在形成的2D医学图像空间里， 选择特征点或特征曲线， 构建2D坐标系， 并将规划的前 交叉韧带止点和韧带隧道用这些2D坐标系描述， 输。

28、出给计算机的前交叉韧带止点和韧带隧 道定位导航模块。 0052 本发明的前交叉韧带止点和韧带隧道定位导航模块由图像纠正单元、 图像空间标 说 明 书 4/7 页 7 CN 106420054 A 7 定单元、 2D导航单元、 机器人运动控制单元等组成。 0053 (A)依据2D环境下前交叉韧带止点和韧带隧道位置规划单元定义的两个以上投影 方向， 由C型臂X光机拍摄手术空间的X光2D图像， 经图像采集卡采集且转换为BPM格式后输 出给所述的图像校正单元。 0054 (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， 作为2D。

29、导航图像， 输出给图像空间标定单 元； 所述图像失真校正满足AXb， A表示图像校正板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； 0055 (C)所述图像空间标定单元， 其功能就是以图像校正标定板的不在一个平面的6个 以上的特征点的空间位置和图像坐标作为计算依据， 建立2D图像空间和3D手术空间之间的 映射模型， 该模型输出给2D导航单元； 0056 所述映射模型满足： 0057 0058 A111A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11T 0059 C(2n)1u1 u2 un v1 v2 vnT 00。

30、60 A(ETE)-1ETC 0061 其中： 0062 n(n6)组标记点的空间坐标是(xi， yi， zi)(n1， 2， n)， 相应的屏幕坐标是(ui， vi)(n1， 2， n) 0063 A是3D手术空间和2D图像空间的映射矩阵 0064 (D)所述2D导航单元， 其功能就是接受位置跟踪平台采集的手术空间各个跟踪对 象的位置信息， 依据2D图像空间和3D手术空间之间的映射模型， 将位置信息和3D规划的2D 规划参数， 显示在2D导航图像上， 辅助医生分析、 判断手术空间各个跟踪对象之间的相互位 置关系， 并将这个相互位置关系表述为机器人的运动参数， 输出给机器人运动控制单元。 00。

31、65 (E)所述机器人运动控制单元， 用于将机器人的运动参数转换为机器人各个关节 的运动指令， 通过计算机和机器人之间的通讯总线， 输出给机器人， 控制机器人运动， 让机 器人末端定位器的轴线和手术规划的前交叉韧带止点和隧道路径重合， 辅助医生完成精准 的前交叉韧带隧道重建手术操作。 0066 为进一步说明本发明的技术方案， 现将本发明进行前交叉韧带止点和韧带隧道定 位手术操作的过程简单描述如下： 0067 (1)将图像校正标定板3利用螺钉9安装在C型臂X光机2的采集末端上。 0068 (2)用数据线将位置跟踪平台5和计算机1连接起来 0069 (3)用图像采集卡2将计算机1和C形臂X光机2连。

32、接起来 0070 (4)用螺钉8将定位机器人6和定位架7连接起来 说 明 书 5/7 页 8 CN 106420054 A 8 0071 (5)将人体膝关节10的术前CT图片输入计算机， 利用前交叉韧带止点和韧带隧道 位置规划模块显示膝关节10的3D影像数据， 选择住院医生脊的中间作为韧带止点， 设计前 交叉韧带的隧道。 0072 (6)投影方向定义： 0073 股骨投影方向定义： 将膝关节股骨头侧向投影， 投影方向为股骨远端内外侧后髁 完全重叠， 股骨内侧远髁与外侧远髁重叠， 请参考图4所示。 绘制布拉门塞特线(Blumensaat line)， 以布拉门塞特线作为X轴， 向后踝方向为正， 。

33、以垂直布拉门塞特线为Y轴， 远离股骨方 向为正。 以布拉门塞特线的中点为原点， 构建平面坐标系， 以规划的前交叉韧带股骨止点到 X轴和Y轴的距离， 定义前交叉韧带股骨止点的坐标位置和前交叉韧带隧道的坐标位置。 请 参考图5所示， 定义布拉门塞特线为膝关节股骨正位的投影方向， 采集膝关节股骨的正位， 膝关节踝间凹顶部图像重叠， 膝关节股骨止点一侧的图像重叠。 以膝关节股骨内外侧远踝 的切线为平面坐标系的X轴， 以向内侧为正； 以X轴的垂线为Y轴， 远离股骨方向为正， 以股骨 内外侧远踝的切线的中点为原点， 构建平面坐标系， 描述股骨前交叉韧带止点坐标位置和 韧带隧道坐标位置。 0074 胫骨投影。

34、方向定义： 将膝关节胫骨侧向投影， 投影方向为胫骨内外侧平台重合， 后 踝内外侧缘重叠， 请参考图6所示。 绘制前、 后皮质线和胫骨平台切线， 以切线为X轴， 向后皮 质线方向为正。 以切线和前皮质线的交点为原点， 以切线的垂线为Y轴， 远离胫骨为正。 构建 平面坐标系， 描述胫骨前交叉韧带止点坐标位置和韧带隧道坐标位置。 定义胫骨正位投影 方向： 请参考图7所示， 胫骨平台前后缘重合， 踝间脊轮廓对称。 以胫骨平台切线为X轴， 向内 侧方向为正。 以切线的中点为原点， 以X轴线的垂线为Y轴， 以远离胫骨为正， 构建平面坐标 系， 描述胫骨前交叉韧带止点坐标位置和韧带隧道坐标位置。 0075 。

35、(7)依据定义的投影方向， 将3D环境的医学影像信息和手术规信息投射到平面上， 获得股骨两个投影方向的2D导航医学影像和胫骨两个投影方向的2D导航医学影像。 0076 (8)手术中， 在膝关节附近的胫骨和股骨上安装跟踪平台识别的标记点， 依据第6 步定义的投影方向， 采用C形臂X光机2采集手术空间的膝关节股骨和胫骨的4个2D导航图 像。 依据第6步定义的平面坐标系方法， 定义导航图片的坐标系， 并以第六步描述的前交叉 韧带止点和韧带隧道坐标， 规划手术空间的止点和韧带隧道位置。 0077 (9)利用图像校正标定板3的钢珠阵列及其投影， 建立2D图像空间和手术空间之间 的映射模型。 0078 (。

36、10)依据映射模型， 将第8步规划的2D前交叉韧带止点和韧带隧道位置转换为手 术空间3D坐标， 结合位置跟踪平台5采集的定位机器人6末端信息， 计算出机器人的运动参 数， 控制定位机器人6运动， 并带动定位架7的定位轴线与手术规划的前交叉韧带止点和韧 带隧道重合。 0079 (11)依据映射模型， 结合跟踪平台5采集的机器人末端位置信息， 将路径定位架轴 线位置， 在2D导航图像上实时显示出来， 辅助医生完成精准韧带隧道重建手术。 0080 (12)医生沿着定位架7的定位轴线， 钻制韧带隧道。 0081 本发明融合术前3D规划信息的前交叉韧带止点和韧带隧道定位装置， 是一种借助 机器人技术和计。

37、算机图像处理技术来辅助医生完成前交叉韧带重建手术的定位装置。 本发 明涉及医学、 机器人学、 计算机视觉、 数字图像处理等多门学科， 利用图像处理技术， 将术前 说 明 书 6/7 页 9 CN 106420054 A 9 个性化的手术规划信息引入术中2D导航环境， 降低手术难度， 利用定位机器人技术， 精准实 现术前的规划路经， 提高医生操作精度和手术疗效。 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(将术前3D规划的手术路径， 引入术中2D导航环境， 指导医生完成精 准、 快捷的手术导航操作)， 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。 说 明 书 7/7 页 10 CN 106420054 A 10 图1 图2 图3 说 明 书 附 图 1/3 页 11 CN 106420054 A 11 图4 图5 说 明 书 附 图 2/3 页 12 CN 106420054 A 12 图6 图7 说 明 书 附 图 3/3 页 13 CN 106420054 A 13 。