基于混合现实技术的血肿清除设备智能定位装置及导航系统的制作方法

1.本发明属于医疗器械技术领域，涉及一种基于混合现实技术的血肿清除设备智能定位装置及导航系统。


背景技术：

2.脑出血是全球范围内威胁人类生命的最主要疾病之一，同时又具有高致残率、高死亡率和高经济负担的特点。目前临床上多采用开颅的方式清除血肿，其不足之处在于手术创伤大，特别是在深部血肿治疗时，容易造成脑内重要神经结构的损伤，死亡率及致残率高，开颅清除血肿手术对医疗设备的条件要求较高，导致费用高、病人痛苦大，同时对病人的身体条件也有严格要求。
3.目前，脑出血微创手术治疗主要有两种方式，一种是采用神经导航系统，将术前患者ct、mri等影像资料导入系统，制定术前计划，避开重要功能区，选择最佳手术穿刺路径，并能实时动态跟踪指示靶点；另一种为基于app辅助导航穿刺引流，它们将病人术前进行的ct或磁共振成像图像和手机相机获取图像重叠，用于引导术中穿刺定位。但神经导航系统术前准备时间长，不适合危急重症患者，且其高昂的价格以及较长的技术培训周期也使得我国大部分中小医院无力承担。而基于app的辅助导航方式不能以全息方式显示病灶部位及周边环境信息，其所采用的图像信息均为二维化信息，影响手术精度。
4.且现有脑出血微创手术中，病人的头部必须保持固定状态，若病人头部移动则会导致血肿抽取器件与病人头部间的相对位置产生偏移，影响手术顺利进行，这样的手术方法不利于操作，也增加了手术难度。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于混合现实技术的血肿清除设备智能定位装置及导航系统，以解决病人头部移动导致血肿抽取器件与病人头部间相对位置产生偏移的问题。
6.为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种基于混合现实技术的血肿清除设备智能定位装置，包括固定机构和导航单元；
7.所述固定机构可固定在病人头部，固定机构上设置有用于放置血肿清除设备的至少一个限位台，限位台可沿固定机构移动或者多个限位台可选择；
8.所述导航单元获取真实病患图像以及术前影像三维重建的虚拟图像，将两个图像进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为可视化三维图形，确定血肿清除设备的工作路径并调整限位台的位置，或者为操作者提供指示信息选择合适的限位台。
9.本基础方案的工作原理和有益效果在于：固定机构用于将整个装置固定在病人头部，无需损伤人体，便于安装拆卸。导航单元将实际观测的真实病患图像与术前影像三维重建的虚拟组织进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为图形，实现术中实时三维可视化定位，有利于确定血肿位置，从而调节固定机构中血肿清除设备所在位置，可更精确定位
血肿，有利于血肿抽取。
10.进一步，所述固定机构包括束缚带、弧形板、第一压板和第二压板，所述束缚带采用柔性不可伸缩材料，束缚带的一端与第一压板固定连接，第一压板和第二压板上设有通孔，束缚带的另一端依次从第二压板和第一压板的通孔中穿过，束缚带设有限制其与第一压板相对移动的锁紧机构；
11.所述弧形板的两端分别与第一压板和第二压板可拆卸连接，限位台与弧形板上滑动连接。
12.固定机构的束缚带通过第一压板和第二压板的通孔，第一压板和第二压板可根据病人头部形状设置在病人头部两侧，用于定位。束缚带围绕在病人头部，通过调节束缚带伸出第一压板通孔的长度，改变束缚带围成的尺寸大小，可满足不同头围的使用需求，扩大使用范围，并通过锁紧机构固定束缚带的位置，从而保证束缚带与病人头部固定。
13.弧形板可固定在第一压板和第二压板上，从而实现与病人头部的相对固定。弧形板上设置的限位台用于放置血肿清除设备，这样限位台可移动至适当位置再通过定位机构定位，血肿清除设备放置在限位台中实现定位，即使病人头部移动，通过固定机构也可使血肿清除设备随头部同步移动，保证血肿清除设备与病人头部间不存在相对位置偏移。
14.进一步，所述锁紧机构包括设置在束缚带活动端上的若干限位孔和设置在第一压板通孔一侧或两侧的限位块，第一压板设有限位块的侧面上设有横槽，横槽位于第一压板通孔的端口的两侧，所述限位块与横槽滑动连接，限位块的长度大于通孔的直径，限位块可与束缚带上的的限位孔卡接。
15.限位块与束缚带上的限位孔卡接，而限位块位于横槽内，限制束缚带移动，实现束缚带定位，结构简单，便于使用。
16.进一步，所述第一压板和第二压板的外侧固定连接有螺纹杆，螺纹杆上螺纹连接有转轮，所述转轮的曲形轮面上设有环槽，所述弧形板的两端通过连接杆固定连接有定位块，定位块与环槽滑动连接，连接杆上设有螺纹，连接杆上螺纹连接有螺母。
17.弧形板通过定位块与转轮的环槽连接，再通过转轮与螺纹杆连接，实现弧形板分别与第一压板和第二压板的可拆卸连接。转轮与螺纹杆螺纹连接，则通过转轮与螺纹杆间的螺纹传动，可实现转轮在螺纹杆上的移动，改变转轮与对应压板间的相对距离，从而带动弧形板移动，满足不同的使用需求。定位块可在环槽内滑动，调整弧形板的摆放角度，再利用连接杆上的螺母将定位块锁紧在环槽内，完成弧形板的定位。
18.进一步，所述定位机构包括滑槽和滑块，所述滑槽设置在弧形板上，所述滑块固定安装在限位台上，滑块与滑槽滑动连接，滑槽底部为开口设置，滑块朝向开口的一侧设有螺纹孔，自开口外侧设有螺钉与螺纹孔螺纹连接，限位台固定时，螺钉的螺帽及滑块分别与开口的外、内侧壁相抵。
19.限位台通过滑块沿滑槽滑动，从而限制限位台始终沿弧形板移动，避免角度偏移不便于控制。利用螺纹孔和螺钉，使滑块固定在滑槽上，操作简单，便于使用。
20.进一步，所述固定机构包括头部支撑件，在头部支撑件上设置有多个限位台，多个限位台的操作区域覆盖头部可手术区域，多个限位台上均具有指示单元，导航单元确定血肿清除设备的工作路径，选择对应的限位台并使指示单元发出指示信息。
21.设置多个限位台，根据所需手术位置进行灵活选择，便于使用。
22.进一步，所述限位台通过万向节与固定机构连接，限位台可旋转，调整朝向。
23.限位台通过万向节进行朝向调整，保证限位台的位置可完全符合手术所需路径，利于后续手术操作。
24.进一步，所述血肿清除设备包括外管、插入管和导丝，所述插入管套接在外管内，插入管内设有若干轴向延伸的通道，所述导丝插接在对应通道内，导丝前端设置有爪部，所述爪部位于通道内时呈直线，伸出通道时呈爪状，所述外管连通有负压抽取机构。
25.工作时将外管和插入管一同插入血肿块内，随后使导丝逐一伸出并使爪部插入血肿块，当所有导丝向前伸出到位后，向后拉动插入管，通过插入管带动导丝同步移动，带动由爪部抓取的血肿块进入外管，以此破坏血肿块。然后启动负压抽取机构，将外管连通负压，在负压作用下将剩余血肿块吸出。
26.进一步，所述爪部的边界位置设置有用于区分脑部血肿与脑组织的感应部件，所述感应部件的输出端与导航单元连接，所述脑部血肿与脑组织的边界信息被输入导航单元并融合修正所述三维重建的虚拟图像。
27.通过感应部件，获取脑部血肿与脑组织的区分信息，优化虚拟图像，使脑部血肿与脑组织在图上的特征区分更为明显。
28.进一步，所述感应部件采用颜色传感器或密度传感器。
29.颜色传感器与密度传感器结构简单，利于安装、使用。
30.本发明还提供一种导航系统，包括虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器、用户位置跟踪器和显示器，所述虚拟场景生成器通过本发明所述的智能定位装置中的导航单元构建病患的脑部三维图形，用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器用于确定用户整体位置，虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器的输出端均与显示器连接。
31.利用导航系统将实际观测的真实病患图像与术前影像三维重建的虚拟组织进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为图形，实现术中实时三维可视化定位，从而实现精准的外科手术导航。
附图说明
32.图1是本发明实施例一基于混合现实技术的血肿清除设备智能定位装置的固定机构的正视图；
33.图2是本发明实施例一基于混合现实技术的血肿清除设备智能定位装置的固定机构的束缚带的俯视结构示意图。
34.说明书附图中的附图标记包括：束缚带1、弧形板2、第一压板3、第二压板4、限位台5、限位块6、限位孔7、横槽8、螺纹杆9、转轮10、环槽11、定位块12、连接杆13、螺母14、滑槽15、曲面凸起16。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
36.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、
“
左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
37.在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
38.实施例一：
39.如图1和2所示，本发明公开了一种基于混合现实技术的血肿清除设备智能定位装置，包括固定机构和导航单元。血肿清除设备智能定位装置根据空间位置，实现对血肿清除设备的定位导航，并降低成本。固定机构可固定在病人头部，固定机构上设置有用于放置血肿清除设备的至少一个限位台5，限位台5可沿固定机构移动或者多个限位台可选择。
40.本发明的一种优选方案中，固定机构包括束缚带1、弧形板2、第一压板3和第二压板4，束缚带1采用柔性不可伸缩材料，如橡胶，布质材料等。束缚带1的一端与第一压板3固定连接(如焊接或粘接等)，第一压板3和第二压板4上设有通孔，束缚带1的另一端依次从第二压板4和第一压板3的通孔中穿过，束缚带1设有限制其与第一压板3相对移动的锁紧机构。锁紧机构可采用类似扎带锁紧结构或卡扣锁紧结构，优选，锁紧机构包括设置在束缚带1活动端上的若干限位孔7和设置在第一压板3通孔一侧或两侧的限位块6，第一压板3设有限位块6的侧面上设有横槽8，横槽8位于第一压板3通孔的端口的两侧，限位块6与横槽8滑动连接，限位块6的长度大于通孔的直径，限位块6可与束缚带1上的限位孔7卡接，由于束缚带1的固定端与第一压板3连接，为。更优选地，第一压板3和第二压板4的内侧固定设有弹性的曲面凸起16，在对应压板上设置曲面凸起16，曲面凸起16可受挤压而贴合病人头部形状，使压板与头部贴合更紧密，优化束缚带1的固定效果。同时也起到缓冲作用，避免压板过硬对头部造成压伤。
41.固定束缚带1时，首先将束缚带1端部依次穿过第二压板4和第一压板3通孔，形成的圆环套接在病人头部，将束缚带1的端部向第一压板3通孔外侧拉动，收紧束缚带1，并将第二压板4和第一压板3分别挪动至病人头部两侧。确定束缚带1处于紧绷状态，此时限位块6位于第一压板3通孔端口一侧的横槽8内，将限位块6向通孔端口所在侧推动，并使限位块6穿过束缚带1上适当位置的限位孔7，继续推动使限位块6移动至第一压板3通孔端口另一侧的横槽8内，实现限位块6与束缚带1上限位孔7的卡接，使束缚带1与病人头部紧固连接。
42.弧形板2的两端分别与第一压板3和第二压板4可拆卸连接，弧形板2上滑动连接有用于放置血肿清除设备的限位台5，限位台5通过万向节与弧形板2连接，万向节与弧形板2滑动连接，利于万向节结构，限位台可旋转，调整朝向，限位台5连接有将其固定在弧形板2上的定位机构。优选，第一压板3和第二压板4的外侧固定连接(如焊接等)有螺纹杆9，螺纹杆9垂直于对应压板。螺纹杆9上螺纹连接有转轮10，压板与束缚带1连接，则压板无法转动，所以固定连接在压板上的螺纹杆9也无法转动，则转轮10转动时，转轮10与螺纹杆9间可产生螺纹传动，使转轮10向左或右移动，这样当第一压板3和第二压板4间的距离改变时，转轮10通过调整其与所在侧压板间的相对距离，使安装在第一压板3和第二压板4的螺纹杆9上
的转轮10间的距离仍然可以保存不变。
43.优选，转轮10的曲形轮面上设有环槽11，弧形板2的两端通过连接杆13焊接有定位块12，定位块12与环槽11滑动连接，定位块12沿环槽11滑动时，带动弧形板2沿环槽11摆动一定角度。连接杆13上设有螺纹，连接杆13上螺纹连接有螺母14，利用扳手或其他工具控制螺母14转动，螺母14与连接杆13间可产生螺纹传动。定位块12与环槽11锁紧时，螺母14转动而向连接杆13靠近环槽11的一端移动，直至定位块12与螺母14分别与环槽11的内、外侧相抵。螺母14靠近环槽11的一侧设有多个弹性凸起，在定位块12与环槽11锁紧时，弹性凸起也与环槽11的外侧相抵。转轮10上环槽11所在面为曲面，螺母14通过连接杆13紧固定位块12时，螺母14的侧面仅有部分与环槽11外侧相抵，设置在螺母14侧面上的弹性凸起可与转轮10的曲形轮面相抵，避免螺母14与转轮10的曲形轮面间因接触不充分产生滑动而影响连接的稳固性。
44.更优选地，定位机构包括滑槽15和滑块，滑槽15设置在弧形板2上。滑块固定安装在限位台5的万向节上，滑块与滑槽15滑动连接，滑槽15底部为开口设置，滑块朝向开口的一侧设有螺纹孔，自开口外侧设有螺钉与螺纹孔螺纹连接，限位台5固定时，螺钉的螺帽及滑块分别与开口的外、内侧壁相抵。
45.基于混合现实技术，导航单元获取真实病患图像以及术前影像三维重建的虚拟图像，将两个图像进行匹配定位融合，对齐两个坐标系并显示为可视化三维图形，确定血肿清除设备的工作路径并调整限位台5的位置。摄像头监测marker，根据计算空间位置，允许头颅位置变化。
46.本发明的一种优选方案中，血肿清除设备包括外管、插入管和导丝，插入管套接在外管内，插入管内设有若干轴向延伸的通道，导丝插接在对应通道内，导丝前端设置有爪部，爪部位于通道内时呈直线，伸出通道时呈爪状，外管连通有负压抽取机构。
47.优选，导丝的爪部采用记忆材料，这样导丝的爪部可在通道内受通道限制而保持直线状态，伸出通道后因记忆材料的特性而恢复为爪状。更优选地，导丝的爪部上固定设有毛刺或挂钩，利用毛刺或挂钩抓取血肿块，使爪部带动血肿块移动更稳定。电性连接控制按钮进行人工控制爪部抓取血肿后启动负压抽取机构，进行血肿吸取。
48.工作时将外管和插入管(此时导丝呈拉直状态，且均缩回在通道中)一同插入血肿块内，随后使导丝逐一伸出并使爪部插入血肿块，且对导丝进行独立控制，使不同导丝具有相同或不同的伸出量，控制更为灵活。爪部能够抓取部分血肿，同时将较大体积的血肿进行分割。在爪部前端设有感应部件和导航单元的导航作用下，避免爪部穿出血肿块边界。当所有导丝向前伸出到位后，将导丝与插入管相对固定，向后拉动插入管，通过插入管带动导丝爪部同步移动，从而带动由爪部抓取的血肿块进入外管。再启动负压抽取机构，将外管连通负压，在负压作用下将剩余血肿块吸出。
49.更优选地，爪部的边界位置设置有用于区分脑部血肿与脑组织的感应部件，感应部件的输出端与导航单元电性连接，脑部血肿与脑组织的边界信息被输入导航单元并融合修正所述三维重建的虚拟图像。感应部件优选但不限于颜色传感器或密度传感器。
50.使用颜色传感器时，颜色传感器用于采集行进过程中前方组织的颜色信息，并将对应颜色信息转换为适于显示的数据，输入导航单元。通过图像识别技术获取可视化三维图像上血肿图像和脑组织图像的表面特征点，导航单元将可视化三维图形进行切片(每个
切片上携带有与投影面的距离信息)，并将每个切片的表面特征点投影在成像平面坐标系中，例如采用现有的三维立体图形切片投影技术。三维图形世界坐标系中的点，投影到成像平面上，需要先将其转换到摄像机坐标系中，
51.p
c
＝r*p
w
t
52.其中，p
w
是世界坐标系(世界坐标系也称真实或现实世界坐标系，它是客观世界的绝对坐标，一般的三维场景都用这个坐标系来表示)中的点，p
c
是摄像机坐标系(以相机的光心作为原点，z
c
轴与光轴重合，并垂直于成像平面，且取摄影方向为正方向，x
c
、y
c
轴与图像物理坐标系的x,y轴平行)中的点，t＝(t
x
，t
y
，t
z
)是一个平移向量，即将世界坐标系的原点平移到摄像机坐标系的原点，r＝r(α,β,γ)是一个旋转矩阵。
53.再将三维空间点从摄像机坐标系中投影到成像平面坐标系中。
54.将抓取爪部的初始位置设置为成像平面坐标系的中心点，表面特征点换算为对应在成像平面上的坐标点。投影到成像平面之后，投影图像可能会产生畸变，需要进行校正，在血肿颜色信息变为脑组织颜色信息时，查看抓取爪部移动的距离信息和角度信息，从而换算血肿与脑组织的边界位置坐标，以边界位置坐标信息修正可视化三维图形投影的图像边界坐标。
55.使用密度传感器时，密度传感器用于采集行进过程中前方组织的密度信息，并将对应密度信息转换为适于显示的数据，输入导航单元。通过图像识别技术获取可视化三维图像上血肿图像和脑组织图像的表面特征点，将导航单元的可视化三维图形的表面特征点投影在成像平面坐标系中，将抓取爪部的初始位置设置为成像平面坐标系的中心点，与上述使用颜色传感器的操作同理，表面特征点换算为对应在成像平面上的坐标点。投影到成像平面之后，投影图像可能会产生畸变，需要进行校正，在密度传感器不再与血肿接触时，查看抓取爪部移动的距离信息，从而换算血肿与脑组织的边界位置坐标，以边界位置坐标信息修正可视化三维图形投影的图像边界坐标。
56.在利用边界位置坐标信息修正可视化三维图形的图像边界坐标的过程中，测出多个边界坐标后，如果测出的多个边界坐标与原来三维图形的最近点的距离没有超出阈值，优选将边界坐标平滑处理(即以得到的多个边界坐标拟合获取拟合曲面)，如果拟合得到的平滑界面没有超出原三维图形界面，则利用平滑界面替换相应位置的三维图形界面；如果拟合得到的平滑界面有的区域超出原三维图形界面，则超出的地方仍然显示原来获得的三维图形界面。
57.本发明还提供一种导航系统，包括虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器、用户位置跟踪器和显示器，所述虚拟场景生成器通过本发明所述的血肿清除设备智能定位装置中的导航单元构建病患的脑部三维图形，用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器用于确定用户整体位置，虚拟场景生成器、用户头部姿态跟踪器和用户位置跟踪器的输出端均与显示器连接。
58.实施例二
59.本实施例与实施例一的不同之处在于：固定机构包括头部支撑件，在头部支撑件上设置有多个限位台，多个限位台的操作区域覆盖头部可手术区域(例如覆盖头部生长头发的区域)，多个限位台上均具有指示单元(指示单元可采用指示灯)，导航单元确定血肿清除设备的工作路径，选择对应的限位台并使指示单元发出指示信息(例如对应的限位台上
的指示灯亮起)。头部支撑件可设置为头盔结构，头盔结构上设有若干孔洞，以限位台通过万向节安装在对应孔洞处。
60.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
61.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。