用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法技术

本发明专利技术涉及一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法。定位器包括传感器模块、钻头固定模块，以及和钻头固定模块相配套的保护壳体模块，钻头固定模块为圆盘形，圆心设有第一通孔，钻头固定模块的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元，钻头固定模块的背面安装保护壳体模块，保护壳体模块的中心设有第二通孔，传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块之间，传感器模块的中心设有第三通孔，钻头固定模块上还设有配准线。与现有技术相比，本发明专利技术基于电磁导航系统能够准确地实现髓内钉的远程锁定，帮助用户有效控制钻孔姿态，极大提高了远端锁定的一次性成功率，同时明显减少了花费时间。

Bit locator for intramedullary nail fixation and its registration method

【技术实现步骤摘要】
用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法
本专利技术涉及髓内钉固定手术辅助工具，尤其是涉及用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法。
技术介绍
高能量损伤诱发的胫骨远端骨折是临床骨科常见病症，是指发生于胫骨中下1/3处的骨折。由于其特殊解剖学特点，如血供差、软组织覆盖差等，导致其发生骨折后极易出现多种严重并发症，如畸形愈合、软组织感染、骨折不愈合等，对患者的身心健康及生存质量造成不良影响。由于稳定性与安全性逐渐得到医生与患者的重视，带锁髓内钉逐渐成为治疗胫骨骨干骨折的金标准。但是，这种技术依然存在复位、插钉、远端锁定等诸多难点。目前国内外多采用远端带瞄准器的髓内钉。但是，髓内钉插入时会出现变形、远端定位不准确等问题，造成现有的远端螺钉锁定操作极难且会占用大量手术时间；而且，徒手远端锁定与机械远端锁定技术需要照射大量X光照片来克服定位偏差，对医患双方都会造成一定程度的危害和损伤。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器及其配准方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器，包括传感器模块、钻头固定模块，以及和钻头固定模块相配套的保护壳体模块，所述钻头固定模块为圆盘形，圆心设有第一通孔，钻头固定模块的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元，钻头固定模块的背面安装保护壳体模块，保护壳体模块的中心设有第二通孔，传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块之间，传感器模块的中心设有第三通孔，钻头依次穿过第二通孔、第三通孔、第一通孔和钻头支撑单元在骨头上钻孔；所述钻头固定模块上还设有配准线。进一步地，所述的配准线包括轴线、经线和纬线，多条轴线设置在所述钻头支撑单元的表面上，多条经线和纬线设置在钻头固定模块的正面，所述纬线为不规则环线。进一步地，所述的配准线采用V型槽。进一步地，所述的保护壳体模块上设有空心圆柱形的保护块，该保护块穿过第三通孔。进一步地，所述的钻头固定模块和保护壳体模块可拆卸式连接，一个传感器模块与不同直径的钻头固定模块和保护壳体模块配套使用。一种如上任一所述的钻头定位器和髓内钉基于电磁导航的配准方法，电磁导航系统包括磁场发生器和定位探针，磁场发生器发射磁场形成磁场坐标系，定位探针用于在磁场坐标系中形成坐标点，具体步骤如下：S1、根据病人的情况，对髓内钉结构进行设计并制造；S2、设计传感器固定装置并制造，将髓内钉传感器通过传感器固定装置安装在髓内钉的远端，髓内钉传感器连接磁场发生器；S3、在髓内钉的表面设计多个标记点，使用定位探针扫描标记点，建立髓内钉表面标记点在磁场坐标系中的坐标，结合髓内钉传感器在磁场坐标系中的坐标计算获取髓内钉传感器与标记点关系的刚体配准矩阵；S4、根据髓内钉选择相应的钻头定位器；S5、使用定位探针沿着钻头定位器上的配准线缓慢滑动拾取一系列点云，将点云和定位器STL模型的顶点集合进行ICP配准获得定位器配准矩阵；S6、将髓内钉坐标系设置为参考坐标系，根据刚体配准矩阵和定位器配准矩阵进行坐标转化，计算并显示定位器实体在髓内钉坐标系下的位置姿态信息。进一步地，所述的步骤S4具体包括根据髓内钉选取不同直径的钻头，根据钻头直径选取直径相配合的钻头固定模块和保护壳体模块，将传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块内部完成钻头定位器的设置。进一步地，所述的步骤S5具体包括：S51、通过定位探针在钻头定位器实体表面缓慢沿着配准线移动，拾取点云，设为点集P，定位器STL模型顶点集合设为点集Z；S52、计算点集P中的每一个点在点集Z中的对应近点；S53、求得使上述对应点对平均距离最小的刚体变换，求得平移矩阵R和旋转矩阵t；S54、对点集Z使用平移矩阵R和旋转矩阵t，得到新的变换点集Q；S55、判断新的变换点集Q与点集P是否满足两点集的平均距离小于给定阈值函数，若是则停止迭代计算；若否则新的变换点集Q作为新的P继续迭代，直到达到目标阈值函数的要求。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术设计了钻头定位器，该钻头定位器基于电磁导航系统能够准确地实现髓内钉的远程锁定。进行操作时用户一手握住钻头定位器的圆盘边缘，另一只手操作钻头穿过钻头定位器进行钻孔，能够有效地控制钻孔姿态，极大提高了远端锁定的一次性成功率，同时明显减少了花费时间。2、在钻头定位器上设有钻头支撑单元，便于钻头操作的稳定，同时保证钻头能够随着钻头定位器的姿态进行角度和方向的变化，实现髓内钉远程锁定。3、在钻头定位器上设有配准线，能够实现电磁导航系统对钻头定位器的精确定位，纬线为不规则环线能够便于扫描点的定位和角度的确定；同时纬线和经线的交错能够起到防滑的作用，有利于用户的操作使用。4、由于传感器模块的成本较高，一个传感器模块与不同直径的钻头固定模块和保护壳体模块配套使用，能够有效降低成本，同时扩大了适用范围。5、配准线采用V型槽，能够让定位探针扫描路径更加精确。6、与现有的徒手远端锁定以及机械远端锁定相比，采用电磁导航系统能显著缩短患者骨折愈合时间、促进骨折快速愈合，减少放射线暴露以及透视时间。附图说明图1为钻头定位器的结构示意图；图2为钻头定位器的内部结构示意图；图3为髓内钉远端的内部分解结构示意图；图4为髓内钉的剖视结构示意图；图5为配准系统结构图；附图标记：1、传感器模块，2、钻头固定模块，21、钻头支撑单元，22、配准线，221、轴线，222、经线，223、纬线，3、保护壳体模块，4、髓内钉传感器，5、传感器固定装置，6、髓内钉。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1和图2所示，本实施例提供了一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器，包括传感器模块1、钻头固定模块2，以及和钻头固定模块2相配套的保护壳体模块3。在传感器模块1的中心设有第三通孔。传感器模块1可以采用一个6D传感器或者两个5D传感器，本实施例的传感器模块1采用两个5D传感器。钻头固定模块2为圆盘形，圆心设有第一通孔。钻头固定模块2的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元21，钻头固定模块2的背面安装保护壳体模块3，保护壳体模块3的中心设有第二通孔。钻头固定模块2和保护壳体模块3可拆卸式连接，传感器模块1安装在钻头固定模块2和保护壳体模块3之间，一个传感器模块1能够和与不同直径的钻头固定模块2和保护壳体模块3配套使用。当使用时，钻头依次穿过第二通孔、第三通孔、第一通孔和钻头支撑单元21在骨头上钻孔。保护壳体模块3上还设有空心圆柱形的保护块，该保护块穿过第三通孔，能够防止钻头直接穿过传感器模块1，对传感器模块1起到保护作用。钻头固定模块2上设有配准线22，配准线22采用V型槽。配准线22包括轴线221、经线222和纬线223。多条轴线221设置在所述钻头支撑单元21的表面上，多条经线222和纬线223设置在钻头固定模块2的正面，纬线223为不规则环线。本实施例中采用24根经线222，8根轴向线和2根不规则的纬线223。本实施例在NDIAurora设备平台完成对胫骨髓内钉手术硬件以及软件的开发。电磁导航系统包括磁场发生器和定位探针，磁场发生器本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，包括传感器模块、钻头固定模块，以及和钻头固定模块相配套的保护壳体模块，所述钻头固定模块为圆盘形，圆心设有第一通孔，钻头固定模块的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元，钻头固定模块的背面安装保护壳体模块，保护壳体模块的中心设有第二通孔，传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块之间，传感器模块的中心设有第三通孔，钻头依次穿过第二通孔、第三通孔、第一通孔和钻头支撑单元在骨头上钻孔；所述钻头固定模块上还设有配准线。

【技术特征摘要】
1.一种用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，包括传感器模块、钻头固定模块，以及和钻头固定模块相配套的保护壳体模块，所述钻头固定模块为圆盘形，圆心设有第一通孔，钻头固定模块的正面设有空心圆锥形的钻头支撑单元，钻头固定模块的背面安装保护壳体模块，保护壳体模块的中心设有第二通孔，传感器模块安装在钻头固定模块和保护壳体模块之间，传感器模块的中心设有第三通孔，钻头依次穿过第二通孔、第三通孔、第一通孔和钻头支撑单元在骨头上钻孔；所述钻头固定模块上还设有配准线。2.根据权利要求1所述的用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，所述的配准线包括轴线、经线和纬线，多条轴线设置在所述钻头支撑单元的表面上，多条经线和纬线设置在钻头固定模块的正面，所述纬线为不规则环线。3.根据权利要求1所述的用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，所述的配准线采用V型槽。4.根据权利要求1所述的用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，所述的保护壳体模块上设有空心圆柱形的保护块，该保护块穿过第三通孔。5.根据权利要求1所述的用于髓内钉固定手术的钻头定位器，其特征在于，所述的钻头固定模块和保护壳体模块可拆卸式连接，一个传感器模块与不同直径的钻头固定模块和保护壳体模块配套使用。6.一种如权利要求1～5任一所述的钻头定位器和髓内钉基于电磁导航的配准方法，电磁导航系统包括磁场发生器和定位探针，磁场发生器发射磁场形成磁场坐标系，定位探针用于在磁场坐标系中形成坐标点，其特征在于，具体步骤如下：S1、根据病人的情况，对髓内钉结构进行设计并制造；S2、设计传感器固定装置并制造，将髓内钉传感器通过传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晓军，高姚，秦春霞，王秋根，王会祥，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31