專利名稱:計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種骨科牽引復(fù)位裝置,特別涉及一種采用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和機(jī)電控制技術(shù)的骨科牽引復(fù)位系統(tǒng)。
背景技術(shù):
在骨折治療手術(shù)中,牽引復(fù)位是一項(xiàng)基本的、同時(shí)也是很重要的操作,其效果直接影響手術(shù)結(jié)果和術(shù)后恢復(fù)。牽引是指在骨折部位兩端施加方向相反的力,將折骨牽拉分開的操作,復(fù)位是指在牽引之后,將折骨恢復(fù)到接近健康狀態(tài)下位置的操作。
傳統(tǒng)的骨折治療手術(shù)中,牽引復(fù)位操作都由醫(yī)生使用骨科牽引復(fù)位裝置徒手完成,牽引量和復(fù)位量則參考術(shù)前或術(shù)中的透視圖像,醫(yī)生憑臨床經(jīng)驗(yàn)確定。使用傳統(tǒng)的骨科牽引復(fù)位裝置使?fàn)恳龔?fù)位操作不僅復(fù)雜,而且十分依賴于醫(yī)生的臨床經(jīng)驗(yàn),有很大的不確定性,手術(shù)結(jié)果和術(shù)后恢復(fù)均不理想。有時(shí),為了準(zhǔn)確確定牽引量和復(fù)位量,醫(yī)生需要直接暴露在X光下操作,使患者和醫(yī)生的健康受到損害。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供了一種計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),采用數(shù)字圖像處理技術(shù)和機(jī)電控制技術(shù),在為醫(yī)生提供反映整個(gè)折骨情況的整體圖像的基礎(chǔ)上,輔助醫(yī)生準(zhǔn)確確定牽引/復(fù)位量,并通過計(jì)算機(jī)控制的牽引支架自動完成定量牽引操作,以解決傳統(tǒng)牽引復(fù)位徒手操作、牽引/復(fù)位量憑經(jīng)驗(yàn)確定、手術(shù)結(jié)果和術(shù)后恢復(fù)效果不理想等問題。
本發(fā)明是一種計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),由C型臂X光機(jī)、圖像采集卡、可編程邏輯控制器、計(jì)算機(jī)、牽引支架、圖像校正板以及存儲于計(jì)算機(jī)內(nèi)的骨科牽引復(fù)位模塊,圖像校正板安裝在C型臂X光機(jī)的圖像采集末端上,C型臂X光機(jī)的輸出端與計(jì)算機(jī)之間連接有圖像采集卡,計(jì)算機(jī)與牽引支架之間連接有可編程邏輯控制器。
本發(fā)明在圖像處理過程中,主要是利用存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的骨科牽引復(fù)位模塊,該模塊由圖像校正單元、圖像拼接單元和手術(shù)中牽引路徑規(guī)劃單元組成,(A)由C型臂X光機(jī)拍攝的多幅X光圖像經(jīng)圖像采集卡采集且轉(zhuǎn)換為BPM格式后輸出給計(jì)算機(jī)的所述圖像校正單元;(B)所述圖像校正單元用于將接收的多幅BPM格式圖像進(jìn)行圖像失真校正后獲得失真參數(shù),并根據(jù)所述失真參數(shù)復(fù)原校正圖像后輸出給圖像拼接單元;所述圖像失真校正滿足AX=b;(C)所述圖像拼接單元用于將接收的所述多幅校正圖像進(jìn)行相關(guān)性匹配獲得一幅完整的骨骼解剖圖像,并顯示在計(jì)算機(jī)的顯示屏上;所述圖像相關(guān)性匹配滿足規(guī)范化互相關(guān)性系數(shù)NCC=Σi,j(I1-I‾1)(I2-I‾2)Σi,j(I1-I‾1)2Σi,j(I2-I‾2)2;]]>(D)所述手術(shù)中牽引路徑規(guī)劃單元由操作者通過在計(jì)算機(jī)的顯示屏上顯示的所述完整骨骼解剖圖像的路徑長度測量,獲得圖像測量參數(shù)后輸出給可編程邏輯控制器;(E)所述可編程邏輯控制器用于將接收的所述圖像測量參數(shù)經(jīng)復(fù)位轉(zhuǎn)換處理后輸出脈沖信號給所述牽引支架,由所述牽引支架完成骨折治療手術(shù)中的牽引過程。
本發(fā)明的牽引支架由底座、支撐桿、運(yùn)動支架、調(diào)節(jié)板、叉形牽引弓和電機(jī)構(gòu)成;底座是由鋁型材組成的四邊形結(jié)構(gòu)支架,運(yùn)動支架是由鋁型材組成的四邊形結(jié)構(gòu)支架,底座和第一邊與運(yùn)動支架的第一邊通過鉸鏈固定連接;支撐桿的左支撐是一鋁型材板材,左支撐的一端通過活動螺栓連接在底座的第二邊的外側(cè)面上,左支撐的另一端固定在運(yùn)動支架的第二邊的外側(cè)面上;調(diào)節(jié)板安裝在運(yùn)動支架的第二邊和第三邊上,支撐輪安裝在運(yùn)動支架的第二邊和第三邊的端部;調(diào)節(jié)板上固定有連接板,連接板上安裝有叉形牽引弓,叉形牽引弓的連接端上連接有電機(jī)連接板,電機(jī)連接板上固定有電機(jī),電機(jī)的輸出軸上連接有牽引齒輪;叉形牽引弓的叉形端的上設(shè)有勾槽,勾槽的勾尖部設(shè)有螺絲孔。
本發(fā)明計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于(1)利用C型臂采用的透視圖像與計(jì)算機(jī)控制軟件——骨科牽引復(fù)位模塊和牽引支架的牽引本系統(tǒng)綜合利用了機(jī)械學(xué)、自動控制、數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等多門學(xué)科技術(shù),解決了利用C型臂透視圖像實(shí)現(xiàn)長骨全程手術(shù)規(guī)劃的關(guān)鍵技術(shù),開發(fā)了電控牽引機(jī)構(gòu)。利用輔助軟件可以確定出手術(shù)牽引信息,利用牽引機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)快速、平穩(wěn)的定量骨折牽引,從而實(shí)現(xiàn)骨折牽引的半自動化。系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定、高效、低廉,既提高了骨折牽引復(fù)位效果,利于患者手術(shù)后恢復(fù),又降低了醫(yī)生操作強(qiáng)度。系統(tǒng)造價(jià)低廉,具有極高的性價(jià)比和推廣應(yīng)用價(jià)值。
圖1是本發(fā)明計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是圖像校正板的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3A是牽引支架的前側(cè)視圖。
圖3B是牽引支架的俯視圖。
圖3C是牽引支架的牽引端剖視圖。
圖3D是牽引套筒與克氏針的裝配圖。
圖3E是運(yùn)動支架的俯視圖。
圖3F是底座的俯視圖。
圖4是骨科牽引復(fù)位模塊的拼接圖像界面。
圖中1.牽引支架101.左支撐102.底座103.運(yùn)動支架104.支撐輪105.連接板106.電機(jī)107叉形牽引弓108.牽引齒輪109.安裝板110.轉(zhuǎn)板111.壓板112.調(diào)節(jié)板113.勾槽114.套筒115.螺紋孔116.滑塊117.克氏針121.第一邊122.第二邊123.第三邊124.第四邊131.第一邊132.第二邊133.第三邊2.C型臂X光機(jī)3.圖像校正板301.圓盤302.鋼珠303.安裝孔4.圖像采集卡5.計(jì)算機(jī)6.可編程邏輯控制器具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參見圖1所示,本發(fā)明是一種計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),是一種適用于治療患者腿部骨折的醫(yī)療器械。其由C型臂X光機(jī)2、圖像采集卡4、可編程邏輯控制器6、計(jì)算機(jī)5、牽引支架1、圖像校正板3以及存儲于計(jì)算機(jī)5內(nèi)的骨科牽引復(fù)位模塊組成,圖像校正板3安裝在C型臂X光機(jī)2的圖像采集末端(相當(dāng)于在C型臂X光機(jī)的拍攝患者用的攝像頭上安裝有一圓盤式的圖像校正板,主要是利用圖像校正板上的鋼珠形成的點(diǎn)陣在所拍攝的X光圖像上形成的標(biāo)記點(diǎn))上,C型臂X光機(jī)2的輸出端與計(jì)算機(jī)5之間連接有圖像采集卡4,計(jì)算機(jī)5與牽引支架1之間連接有可編程邏輯控制器6。在本發(fā)明中,圖像采集卡4選用Boser BS-602DVDPlus外置圖像采集卡,可編程邏輯控制器6選用松下FP∑-C32T控制器。
請參見圖3A~圖3F所示,本發(fā)明的牽引支架1是用于實(shí)現(xiàn)將腿部骨折處打入克氏針117后,并在克氏針117的兩端套上牽引套筒114后,放入勾槽113內(nèi)并用螺釘穿過螺絲孔115將其固定不滑動后,進(jìn)行骨科牽引手術(shù)。牽引支架1由底座102、支撐桿(包括有右支撐和左支撐101,右支撐圖中未表示出)、運(yùn)動支架103、調(diào)節(jié)板112、叉形牽引弓107和電機(jī)106構(gòu)成;底座102是由鋁型材組成的四邊形結(jié)構(gòu)支架,運(yùn)動支架103是由鋁型材組成的四邊形結(jié)構(gòu)支架,底座102和第一邊121與運(yùn)動支架103的第一邊131通過鉸鏈固定連接;支撐桿的左支撐101是一鋁型材板材,左支撐101的一端通過活動螺栓116連接在底座102的第二邊122的外側(cè)面上,左支撐101的另一端固定在運(yùn)動支架103的第二邊132的外側(cè)面上;調(diào)節(jié)板112安裝在運(yùn)動支架103的第二邊132和第三邊133上,支撐輪104安裝在運(yùn)動支架103的第二邊132和第三邊133的端部;調(diào)節(jié)板112上固定有連接板105,連接板105上安裝有叉形牽引弓107,叉形牽引弓107的連接端上連接有電機(jī)連接板109,電機(jī)連接板109上固定有電機(jī)106,電機(jī)106的輸出軸上連接有牽引齒輪108;叉形牽引弓107的叉形端的上設(shè)有勾槽113,勾槽113內(nèi)放置有牽引套筒114,勾槽113的勾尖部設(shè)有螺絲孔115。
請參見圖2所示,本發(fā)明的圖像校正板3,由圓盤體301和鋼珠302構(gòu)成,圓盤體301上設(shè)有安裝孔303和用于放置鋼珠302的孔。圖像校正板3用于實(shí)現(xiàn)C型臂X光機(jī)2拍攝的多幅X光圖像上具有標(biāo)記點(diǎn)的特性。
本發(fā)明在圖像處理過程中,主要是利用存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的骨科牽引復(fù)位模塊,該模塊由圖像校正單元、圖像拼接單元和手術(shù)中牽引路徑規(guī)劃單元組成,(A)由C型臂X光機(jī)2拍攝的多幅X光圖像經(jīng)圖像采集卡4采集且轉(zhuǎn)換為BPM格式后輸出給計(jì)算機(jī)5的所述圖像校正單元;(B)所述圖像校正單元用于將接收的多幅BPM格式圖像進(jìn)行圖像失真校正后獲得失真參數(shù),并根據(jù)所述失真參數(shù)復(fù)原校正圖像后輸出給圖像拼接單元;所述圖像失真校正滿足AX=b,A表示圖像校正板3上鋼珠的幾何坐標(biāo)矩陣,X表示需要計(jì)算的失真校正參數(shù)矢量,b表示BMP格式圖像上鋼珠的圖像坐標(biāo)矢量;(C)所述圖像拼接單元用于將接收的所述多幅校正圖像進(jìn)行相關(guān)性匹配獲得一幅完整的骨骼解剖圖像,并顯示在計(jì)算機(jī)5的顯示屏上(如圖4所示的拼接/校正界面,可以根據(jù)界面上的提示進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,同時(shí)也是一種可視化的手術(shù)規(guī)劃方式設(shè)定);所述圖像相關(guān)性匹配滿足規(guī)范化互相關(guān)性系數(shù)NCC=Σi,j(I1-I‾1)(I2-I‾2)Σi,j(I1-I‾1)2Ιi,j(I2-I‾2)2,]]>I1表示前一張校正圖像上的重疊圖像區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素的亮度,I2表示后一張校正圖像上的重疊圖像區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素的亮度,I1表示前一張校正圖像的重疊區(qū)域的所有像素的平均亮度值,I2表示后一張校正圖像的重疊區(qū)域的所有像素的平均亮度值;(D)所述手術(shù)中牽引路徑規(guī)劃單元由操作者通過在計(jì)算機(jī)5的顯示屏上顯示的所述完整骨骼解剖圖像的路徑長度測量,獲得圖像測量參數(shù)后輸出給可編程邏輯控制器6;(E)所述可編程邏輯控制器6用于將接收的所述圖像測量參數(shù)經(jīng)復(fù)位轉(zhuǎn)換處理后輸出脈沖信號給所述牽引支架1,由所述牽引支架1完成骨折治療手術(shù)中的牽引過程。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案,現(xiàn)將本發(fā)明進(jìn)行牽引復(fù)位手術(shù)操作的過程簡單描述如下(1)將圖像校正板3安裝在C型臂X光機(jī)2的采集末端上。
(2)調(diào)整牽引支架1,根據(jù)患者情況調(diào)整運(yùn)動支架103的傾斜角度,以及支撐輪104的合適的位置。
(3)將克氏針117打入患處,在克氏針117的兩端套上牽引套筒114后固定在勾槽113內(nèi)且用一螺釘穿過螺絲孔115使患肢和叉形牽引弓107之間的位置相對固定。
(4)采用C型臂X光機(jī)2沿患肢軸線方向每隔一定距離拍攝一副X光圖像;開啟C型臂X光機(jī)2拍攝患者骨頭的X光圖像,所拍攝完成的X光片是經(jīng)校正模板3校正后的圖像,然后將校正模板3取下。
(5)計(jì)算機(jī)5對校正后的X光圖像進(jìn)行拼接成一幅完整的圖像,并在顯示屏上通過“人機(jī)交互界面”(即本發(fā)明中涉及的骨科牽引復(fù)位模塊拼接圖像界面如圖4所示)上顯示;計(jì)算機(jī)5的顯示屏上顯示的圖像是通過圖像采集卡4接收由將C型臂X光機(jī)2拍攝的校正后的一幅幅X光圖像。
(6)醫(yī)生在一幅完整的圖像上通過點(diǎn)擊操作鼠標(biāo)來完成指示牽引點(diǎn)的長度距離;即顯示屏上的圖像長1cm相當(dāng)于實(shí)物長度2cm,也就是一個(gè)比例尺的關(guān)系。也可以通過界面上的設(shè)定值框來輸入?yún)?shù)來完成復(fù)位規(guī)劃。
(7)計(jì)算機(jī)5計(jì)算出所選點(diǎn)之間的距離,向牽引支架1輸出控制信號;由牽引支架1自動進(jìn)行定量牽引操作,完成對患肢的牽引。
本發(fā)明計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng)是一種借助機(jī)電控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)來輔助醫(yī)生完成骨科手術(shù)中的牽引復(fù)位操作的系統(tǒng)。本發(fā)明涉及醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)字圖像處理等多門學(xué)科,在傳統(tǒng)牽引復(fù)位手術(shù)的基礎(chǔ)上,引入數(shù)字圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù),輔助醫(yī)生準(zhǔn)確地決定牽引距離,并通過專門設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),在醫(yī)生的監(jiān)控下自動完成準(zhǔn)確定量的牽引操作。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)操作簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉,并且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,適合于在各類醫(yī)院,尤其是中小型醫(yī)院推廣使用。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)指出,對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,依據(jù)本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想,還可以做出許多變型和改進(jìn),但是這些均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),包括C型臂X光機(jī)(2)、圖像采集卡(4)、可編程邏輯控制器(6)和計(jì)算機(jī)(5),其特征在于還包括牽引支架(1)、圖像校正板(3)、以及存儲于計(jì)算機(jī)(5)內(nèi)的骨科牽引復(fù)位模塊,圖像校正板(3)安裝在C型臂X光機(jī)(2)的圖像采集端部,C型臂X光機(jī)(2)的輸出端與計(jì)算機(jī)(5)之間連接有圖像采集卡(4),計(jì)算機(jī)(5)與牽引支架(1)之間連接有可編程邏輯控制器(6);所述計(jì)算機(jī)(5)內(nèi)的骨科牽引復(fù)位模塊由圖像校正單元、圖像拼接單元和手術(shù)中牽引路徑規(guī)劃單元組成,(A)由C型臂X光機(jī)(2)拍攝的多幅X光圖像經(jīng)圖像采集卡(4)采集且轉(zhuǎn)換為BPM格式后輸出給計(jì)算機(jī)(5)的所述圖像校正單元;(B)所述圖像校正單元用于將接收的多幅BPM格式圖像進(jìn)行圖像失真校正后獲得失真參數(shù),并根據(jù)所述失真參數(shù)復(fù)原校正圖像后輸出給圖像拼接單元;所述圖像失真校正滿足AX=b,A表示圖像校正板(3)上鋼珠的幾何坐標(biāo)矩陣,X表示需要計(jì)算的失真校正參數(shù)矢量,b表示BMP格式圖像上鋼珠的圖像坐標(biāo)矢量;(C)所述圖像拼接單元用于將接收的所述多幅校正圖像進(jìn)行相關(guān)性匹配獲得一幅完整的骨骼解剖圖像,并顯示在計(jì)算機(jī)(5)的顯示屏上;所述圖像相關(guān)性匹配滿足規(guī)范化互相關(guān)性系數(shù)NCC=Σi,j(I1-I‾1)(I2-I‾2)Σi,j(I1-I‾1)2Σi,j(I2-I‾2)2,]]>I1表示前一張校正圖像上的重疊圖像區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素的亮度,I2表示后一張校正圖像上的重疊圖像區(qū)域內(nèi)的每個(gè)像素的亮度,I1表示前一張校正圖像的重疊區(qū)域的所有像素的平均亮度值,I2表示后一張校正圖像的重疊區(qū)域的所有像素的平均亮度值;(D)所述手術(shù)中牽引路徑規(guī)劃單元由操作者通過在計(jì)算機(jī)(5)的顯示屏上顯示的所述完整骨骼解剖圖像的路徑長度測量,獲得圖像測量參數(shù)后輸出給可編程邏輯控制器(6);(E)所述可編程邏輯控制器(6)用于將接收的所述圖像測量參數(shù)經(jīng)復(fù)位轉(zhuǎn)換處理后輸出脈沖信號給所述牽引支架(1),由所述牽引支架(1)完成骨折治療手術(shù)中的牽引過程;所述牽引支架(1),由底座(102)、支撐桿、運(yùn)動支架(103)、調(diào)節(jié)板(112)、叉形牽引弓(107)和電機(jī)(106)構(gòu)成;底座(102)是由鋁型材組成的四邊形結(jié)構(gòu)支架,運(yùn)動支架(103)是由鋁型材組成的四邊形結(jié)構(gòu)支架,底座(102)和第一邊(121)與運(yùn)動支架(103)的第一邊(131)通過鉸鏈固定連接;支撐桿的左支撐(101)是一鋁型材板材,左支撐(101)的一端通過活動螺栓(116)連接在底座(102)的第二邊(122)的外側(cè)面上,左支撐(101)的另一端固定在運(yùn)動支架(103)的第二邊(132)的外側(cè)面上;調(diào)節(jié)板(112)安裝在運(yùn)動支架(103)的第二邊(132)和第三邊(133)上,支撐輪(104)安裝在運(yùn)動支架(103)的第二邊(132)和第三邊(133)的端部;調(diào)節(jié)板(112)上固定有連接板(105),連接板(105)上安裝有叉形牽引弓(107),叉形牽引弓(107)的連接端上連接有電機(jī)連接板(109),電機(jī)連接板(109)上固定有電機(jī)(106),電機(jī)(106)的輸出軸上連接有牽引齒輪(108);叉形牽引弓(107)的叉形端的上設(shè)有勾槽(113),勾槽(113)的勾尖部設(shè)有螺絲孔(115);所述圖像校正板(3)由圓盤體(301)和鋼珠(302)構(gòu)成,圓盤體(301)上設(shè)有安裝孔(303)和用于放置鋼珠(302)的孔。
2.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),其特征在于所述圖像采集卡(4)選用Boser BS-602DVD Plus外置圖像采集卡。
3.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),其特征在于所述圖像校正板(3)上放置的鋼珠(302)直徑為0.15~0.3mm的14號鋼。
4.如權(quán)利要求1所述的計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),其特征在于所述可編程邏輯控制器(6)選用松下FP∑-C32T控制器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng),由C型臂X光機(jī)、圖像校正板、圖像采集卡、牽引支架、可編程邏輯控制器和計(jì)算機(jī)以及存儲于計(jì)算機(jī)內(nèi)的骨科牽引復(fù)位模塊組成,圖像校正板安裝在C型臂X光機(jī)的采集端部,C型臂X光機(jī)與計(jì)算機(jī)之間連接有圖像采集卡,牽引支架與計(jì)算機(jī)之間連接有可編程邏輯控制器,計(jì)算機(jī)接收由C型臂X光機(jī)采集的患者骨折部位的X光圖像通過骨科牽引復(fù)位模塊進(jìn)行校正、拼接和牽引距離測量后,輸出牽引控制信號控制牽引支架自動完成定量牽引操作。本發(fā)明計(jì)算機(jī)輔助骨科牽引復(fù)位系統(tǒng)操作簡便、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉,并且具有較高的穩(wěn)定性和可靠性,適合于在各類醫(yī)院,尤其是中小型醫(yī)院推廣使用。
文檔編號G05B19/05GK1765342SQ20051012587
公開日2006年5月3日 申請日期2005年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月2日
發(fā)明者王田苗, 王滿宜, 胡磊, 王豫, 劉文勇, 王軍強(qiáng), 張 杰, 趙春鵬, 徐穎, 蘇永剛, 張維軍, 周力, 張利軍, 張家磊, 張豐全 申請人:北京航空航天大學(xué)