【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算机骨科导航手术领域，具体指一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置。
技术介绍
1、单目视觉导航系统依赖安装在手术工具和骨骼上的反光阵列和单一相机，实现对骨骼与手术工具相对位置及姿态的实时计算。计算机系统可以借此实现全髋关节置换术中的不同导航功能，如注册髋骨，实时测量髋臼打磨方向（前倾角和外展角），实时测量髋臼锉的位置、股骨骨长偏移等。
2、单目视觉导航系统仅依靠一个相机就可以实现对不同物体的实时追踪，相较于市面上常见的双目视觉导航系统（ndi），有着体积小、便携、成本低等优点。因此，基于单目视觉导航系统开发的关节置换导航方案更易控制成本，更易操作。
3、专利cn113768623a提供一种使用单目定位跟踪器的手术导航系统，使用单目定位跟踪器实现手术引导和定位，实现近距离跟踪。然而单目视觉系统的定位精度要略低于双目导航系统，主要是相机轴向方向的位置精度不稳定。因此，当单目视觉系统应用于全髋关节置换手术导航方案时，实时测量髋臼锉的位置精度将对应下降。如果髋臼锉的位置精度无法保证，则在髋臼打磨时，存在髋臼被磨穿的风险。
4、因此亟需一种髋臼锉精确定位方法，能够实现在全髋关节置换手术中实时获取髋臼锉的精确位置，避免手术风险，提高手术精度。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于解决上述
技术介绍
中描述的现有技术方案的缺点，提供一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，用于帮助医生更精准的计算磨钻球头在髋骨坐标系下的相对位移，避免病人术侧
2、本专利技术通过以下技术方案予以实现：提供了一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，包括：髋骨阵列、工具阵列、单目导航系统、直线位移传感器、髋臼打磨工具、手术动力工具。
3、进一步地，所述单目导航系统包括单目相机、镜头、环形近红外光源、近红外滤镜。
4、进一步地，所述直线位移传感器包括直线位移传感器组合模组和连接模组。
5、进一步地，所述髋臼打磨工具包括圆柱形磨杆杆件、杆件前端、半球形磨钻。
6、其中，所述杆件前端用于与所述手术动力工具相连接，所述工具阵列用于安装在所述手术动力工具上。
7、进一步地，所述单目导航系统中的环形近红外光源向固定在被测物体上的髋骨阵列发出近红外光，所述髋骨阵列上的反光小球经过所述近红外滤镜和所述镜头，最终由所述单目相机成像，所述单目导航系统通过对所述髋骨阵列的反光小球在单目相机中的成像计算所述髋骨阵列与所述单目相机的相对三维位姿；同理，所述单目导航系统通过对所述工具阵列的反光小球在单目相机中的成像计算所述工具阵列与所述单目相机的相对三维位姿。
8、进一步地，所述直线位移传感器组合模组和所述髋臼打磨工具连接，所述连接模组与直线位移传感器组合模组连接。
9、进一步地，所述直线位移传感器组合模组包括部件圆环体、滑动套筒和可回弹式微型直线位移传感器。
10、进一步地，所述连接模组包括部件骨钉、单针骨钉夹板、直杆、旋转关节和球形关节。
11、进一步地，所述部件圆环体用于通过螺钉或顶丝安装并固定在所述圆柱形磨杆杆件上，并保证所述部件圆环体和所述圆柱形磨杆杆件没有相对移动；所述滑动套筒套设于所述圆柱形磨杆杆件上，用于保证所述滑动套筒沿所述圆柱形磨杆杆件轴线的相对位移和绕所述圆柱形磨杆杆件轴线的相对旋转。
12、进一步地，所述可回弹式微型直线位移传感器包括外管和芯体。
13、进一步地，所述外管的一端与所述滑动套筒一体化设计相连，所述外管受所述滑动套筒限制只能沿着所述圆柱形磨杆杆件的轴线方向进行运动；所述芯体的端点与所述部件圆环体为点接触，所述回弹式微型直线位移传感器使得芯体端点贴在所述部件圆环体上且不沿着所述圆柱形磨杆杆件的轴线方向进行相对移动；所述可回弹式微型直线位移传感器用于实时精确的计算所述滑动套筒沿着所述圆柱形磨杆杆件的轴线方向的相对位移大小。
14、进一步地，所述部件骨钉用于与髋骨相连，所述单针骨钉夹板夹持在所述部件骨钉上，所述直杆一端通过球形关节与所述单针骨钉夹板连接，另一端通过旋转关节与滑动在所述圆柱形磨杆杆件上的滑动套筒连接。
15、进一步地，所述滑动套筒通过所述部件骨钉、所述单针骨钉夹板、所述直杆、所述旋转关节和所述球形关节与髋骨相连。
16、进一步地，所述旋转关节具有快拆设计，方便快速断开所述直杆与所述滑动套筒的连接。
17、进一步地，所述基于传感器融合的骨科手术工具定位装置用于实现基于传感器融合的骨科手术工具定位方法，包括以下步骤：
18、s101，术前规划，并进行设备准备；
19、s102，将髋骨阵列安装在髋骨手术对侧髂前上棘，并利用另一个区别于髋骨阵列的探针阵列拾取髋骨解剖学特征点，根据单目导航系统提供的探针位置相对于髋骨阵列坐标系信息实现髋骨注册；
20、s103，髋骨注册完成后，在髋骨的髋臼侧安装部件骨钉及术前组装好的连接模组；把所述髋臼打磨工具的半球形磨钻放入髋骨的髋臼内，且将所述滑动套筒与所述旋转关节连接，实现快速对接髋臼打磨工具上的直线位移传感器组合模组和连接模组；
21、s104，利用单目导航系统导航到术前计划的前倾角、外展角；
22、s105，当控制器检测到圆柱形磨杆杆件相对于髋臼的前倾角和外展角正确时，计算机接收可回弹式微型直线位移传感器数据，记为零点轴向位置，即d0；
23、s106，在单目导航系统的导航下，髋臼打磨工具沿计划角度做定线运动，从而实现髋臼打磨，同时计算机接收可回弹式微型直线位移传感器数据，记为d，并与零点轴向位置做差，计算髋臼打磨工具的轴向相对位移δd=d-d0；
24、s107，根据磨钻角度与髋臼打磨工具沿轴向方向的位移，计算半球形磨钻的球头在髋骨坐标系下的相对位移；其中磨钻角度代表髋臼打磨工具在髋骨坐标系下的姿态，用轴向向量表示；则半球形磨钻的球头在髋骨坐标系下的相对位移计算如下：
25、；
26、根据传感器融合的方法，被精确计算并显示，用于避免术侧髋臼被磨穿的风险。
27、进一步地，s101中所述术前规划，并进行设备准备，包括：
28、根据术前影像信息制定手术方案，选择全髋关节置换术中的假体安装角度，包括前倾角、外展角；
29、组装连接模组；
30、将直线位移传感器组合模组安装在髋臼打磨工具上，并将手术动力工具安装在所述髋臼打磨工具的杆件前端，将所述工具阵列安装在所述手术动力工具上；
31、将单目导航系统安置于术侧床边。
32、进一步地，s102中所述将髋骨阵列安装在髋骨手术对侧髂前上棘，并利用另一个区别于髋骨阵列的探针阵列拾取髋骨解剖学特征点，根据单目导航系统提供的探针位置相对于髋骨阵列坐标系信息实现髋骨注册，包括：
33、将髋骨阵列安装在髋骨手术对侧髂前上棘；...
【技术保护点】
1.一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，包括：髋骨阵列、工具阵列、单目导航系统、直线位移传感器、髋臼打磨工具、手术动力工具；
2.根据权利要求1所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述直线位移传感器组合模组包括部件圆环体、滑动套筒和可回弹式微型直线位移传感器；所述连接模组包括部件骨钉、单针骨钉夹板、直杆、旋转关节和球形关节。
3.根据权利要求2所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述部件圆环体用于通过螺钉安装并固定在所述圆柱形磨杆杆件上，并保证所述部件圆环体和所述圆柱形磨杆杆件没有相对移动；所述滑动套筒套设于所述圆柱形磨杆杆件上，用于保证所述滑动套筒沿所述圆柱形磨杆杆件轴线的相对位移和绕所述圆柱形磨杆杆件轴线的相对旋转。
4.根据权利要求2所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述可回弹式微型直线位移传感器包括外管和芯体；其中，所述外管的一端与所述滑动套筒一体化设计相连，所述外管受所述滑动套筒限制只能沿着所述圆柱形磨杆杆件的轴线方向进行运动；所述芯体的端点与
5.根据权利要求2所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述部件骨钉用于与髋骨相连，所述单针骨钉夹板夹持在所述部件骨钉上，所述直杆一端通过球形关节与所述单针骨钉夹板连接，另一端通过旋转关节与滑动在所述圆柱形磨杆杆件上的滑动套筒连接。
6.根据权利要求5所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述滑动套筒通过所述部件骨钉、所述单针骨钉夹板、所述直杆、所述旋转关节和所述球形关节与髋骨相连；其中，所述旋转关节具有快拆设计，方便快速断开所述直杆与所述滑动套筒的连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述基于传感器融合的骨科手术工具定位装置用于实现基于传感器融合的骨科手术工具定位方法，包括以下步骤：
8.根据权利要求7所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，S101中所述术前规划，并进行设备准备，包括：
9.根据权利要求7所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，S102中所述将髋骨阵列安装在髋骨手术对侧髂前上棘，并利用另一个区别于髋骨阵列的探针阵列拾取髋骨解剖学特征点，根据单目导航系统提供的探针位置相对于髋骨阵列坐标系信息实现髋骨注册，包括：
10.根据权利要求9所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，S107中所述磨钻角度的计算方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，包括：髋骨阵列、工具阵列、单目导航系统、直线位移传感器、髋臼打磨工具、手术动力工具；
2.根据权利要求1所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述直线位移传感器组合模组包括部件圆环体、滑动套筒和可回弹式微型直线位移传感器；所述连接模组包括部件骨钉、单针骨钉夹板、直杆、旋转关节和球形关节。
3.根据权利要求2所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述部件圆环体用于通过螺钉安装并固定在所述圆柱形磨杆杆件上，并保证所述部件圆环体和所述圆柱形磨杆杆件没有相对移动；所述滑动套筒套设于所述圆柱形磨杆杆件上，用于保证所述滑动套筒沿所述圆柱形磨杆杆件轴线的相对位移和绕所述圆柱形磨杆杆件轴线的相对旋转。
4.根据权利要求2所述的一种基于传感器融合的骨科手术工具定位装置，其特征在于，所述可回弹式微型直线位移传感器包括外管和芯体；其中，所述外管的一端与所述滑动套筒一体化设计相连，所述外管受所述滑动套筒限制只能沿着所述圆柱形磨杆杆件的轴线方向进行运动；所述芯体的端点与所述部件圆环体为点接触，所述回弹式微型直线位移传感器使得芯体端点贴在所述部件圆环体上且不沿着所述圆柱形磨杆杆件的轴线方向进行相对移动；所述可回弹式微型直线位移传感器用于实时精确的计算所述滑动套筒沿着所述圆柱形磨杆杆件的轴线方向的相对位移大小。
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【专利技术属性】
技术研发人员：何光宇，武传标，翟方文，乔天，
申请(专利权)人：杭州键嘉医疗科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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