用于脑颅外科手术的三维空间定向系统

技术领域

本发明涉及创新医疗器械领域，具体涉及创新的用于脑颅外科手术的三维空间定向系统。

背景技术

颅内病变疾病不同，病变部位不同，症状也是不同的。颅内病变的临床症状很多，所以在颅内手术时就需要对穿刺的位置和角度需要很精确的靶向定位。脑出血血肿引流、颅内病变活检、癫痫病灶毁损、脑室穿刺外引流、DBS电极植入术等需要对颅内靶点进行精准定位和调整，是立体定向手术常见的适应证。

CN116327334A公开了一种颅内病变精准靶向定位装置，包括圆柱型的连接杆，所述连接杆的表面套接有可以转动的套筒，且套筒的表面一体式连接有底座，且底座远离套筒的一面通过滚动轴承转动连接有齿轮盘，所述齿轮盘的固定有导向管，所述底座的表面位于齿轮盘的一侧焊接有固定块，且固定块的中间部位穿插有横轴，所述横轴的一端固定连接有压板，且压板与齿轮盘的表面啮合，所述连接杆的两端均固定连接有弹簧夹板；该发明通过套筒在连接杆表面转动可以调节导向管上下角度方向，而齿轮盘在底座上转动可以调节导向管的左右方向，便于调节，操作方便，保证穿刺针的精准靶向定位。

CN112022353A公开了一种手术机器人手术器械定位组件，属于筛沙装置技术领域，其技术方案要点包括操作控制面板和固定支架，固定支架的下端面固定连接有调节伺服电机，两个固定板的前端面均固定连接有电控伸缩器，两个活动板的左右两侧均设置有与第一活动销轴相匹配的第一限位螺母，连接爪的左右两侧均设置有与第二活动销轴相匹配的第二限位螺母，X驱动丝杆位于连接轴的前方，Y驱动丝杆位于连接轴的后方，X驱动座的中部设置有驱动滑块，驱动滑块的上端面固定连接有微调整伺服电机，驱动滑块的下端面设置有伸缩术刀连杆，手术器械实现X、Y和Z三个方向的驱动，使手术器械的灵活与便捷性能提高，便于手术器械准确驱动定位，使手术器械满足创口的精度要求。

CN112089481A公开了一种CT穿刺针自动导向装置，其技术方案要点是包括第一驱动杆和第二驱动杆，第一驱动杆连接有与第一齿轮啮合的第一齿板，第二驱动杆上设置有与第二齿轮啮合的第二齿板，第一长滑孔滑动连接有供穿刺针穿过的导向套，以引导穿刺针，导向套的下端穿过第二长滑孔，并与第二长滑孔滑动连接。本发明具有以下有益效果：第一驱动杆和第二驱动杆分别控制第一导向架和第二导向架转动，导向套分别沿第一长滑孔和第二长滑孔两个方向移动，以立体地改变导向套引导穿刺针的角度，从而实现自动引导穿刺针刺入的角度，以精确定位刺入的角度。

CN116602742A公开了一种脑室穿刺引流术穿刺辅助装置，包括基准件、穿刺针环固件，所述基准件、穿刺针环固件均为中心开孔的片状结构，所述基准件固定在头部，所述穿刺针环固件与基准件中心开孔轴向重合并且直径差距小于1mm。所述穿刺针环固件延伸出具有弯曲结构的延伸部，所述基准件开有匹配所述延伸部的凹槽，所述延伸部与所述凹槽匹配后形成固定结构连接固定所述基准件与穿刺针环固件。本发明所述的基准件可以根据穿刺位置进行固定，所述穿刺针环固件在开孔结束后调节角度辅助穿刺，所述穿刺针环固件确保穿刺的稳定性。所述穿刺针环固件还可以与所述颅骨开孔钻环固件配合适用，以保证穿刺引流过程中的隔菌效果，避免颅内感染。

上述现有技术的方案中，存在诸多问题和缺陷，例如：产品零部件多，笨重，不便于组装，手术准备时间长；穿刺角度计算繁琐，其精度依赖于手术医生的经验；标记物贴敷于头皮，其位置并非严格固定不动，影响精度；调节接头过于灵敏，对于调节是不便利的；整个设备构造复杂、制造成本高，而且价格高昂。

因此，业内需要革新的用于脑颅外科手术的新型三维空间定向系统，以减轻或甚至克服现有技术缺陷，并实现更多的有益技术效果和技术进步。

本发明说明书的此背景技术部分中所包括的信息，包括本文中所引用的任何参考文献及其任何描述或讨论，仅出于技术参考的目的而被包括在内，并且不被认为是将限制本发明范围的主题。

发明内容

鉴于以上所述以及其它更多的构思而提出了本发明。

随着计算机处理速度和成像技术的进步，本专利的发明人根据当前脑颅外科手术领域的技术现状和特点，创造性地提出基于医学影像学重建计算与三维立体定向头架/神经导航等技术相结合，以作为临床采用的改进的颅内病灶靶点(有时互换地称为“病灶”)的三维空间定位系统/手段。本发明的三维空间定向系统及其各个组成部件还以可以用于不限于外科手术的更多用途，包括手术前的分析、模拟和训练，医学院学生和实习医生等的教学、培训，研究和开发，等等。

根据本发明的一方面的构思，旨在提供一种创新的、可用于脑颅外科手术的三维空间定向系统。该三维空间定向系统包括：基座，基座构造成能够以位置不变的方式固定在患者脑颅上，基座包括支架和安装在支架上的显影环，其中，显影环上设有显影环零刻度点，显影环和显影环零刻度点能够通过CT或MRI成像技术识别；头架，头架安装在基座上，其中，头架包括：支撑架，头架通过支撑架可拆卸地固定安装于基座；平面旋转环，其安装在支撑架之上；上盖，其固定于支撑架上且压合在平面旋转环上方，由此使平面旋转环可受控旋转地安装在支撑架与上盖之间；由横轴和纵轴构成的摆动杆，摆动杆的横轴安装在平面旋转环的直径方向上，并可随平面旋转环一起以旋转角度φ受控旋转；纵轴安装成能够以摆动角度θ受控摆动，其中，纵轴限定了供穿刺针插入的穿刺道；磁环，内嵌在平面旋转环上；图像处理系统，图像处理系统配置成：对患者脑颅和基座的CT/MRI扫描的影像进行三维重建，确定CT/MRI扫描的影像中的显影环平面为基座平面，并确定患者头颅内的病灶靶点T；根据基座平面和头架的高度h映射一头架平面，并由此建立三维直角坐标系(x,y,z)；计算从三维直角坐标系(x,y,z)的原点o至病灶靶点T之间的直线的长度r，并计算得到旋转角度φ和摆动角度θ；基于三维直角坐标系(x,y,z)的原点o建立三维极坐标系，在三维极坐标系中获得病灶靶点T的极坐标为(r，θ，φ)；其中，摆动杆的横轴和纵轴的交叉中心点与三维直角坐标系(x,y,z)的原点o重合。

根据一实施例，图像处理系统包括控制显示模块，控制显示模块配置成用于发送校准命令，以及实时显示头架的当前角度状态；和

图像处理系统配置成进一步根据病灶靶点T的极坐标为(r，θ，φ)数据规划穿刺针的穿刺路径。

根据一实施例，基座进一步包括沿着显影环设置的多个生物相容性螺钉。

根据一实施例，头架进一步包括固定于上盖处的角度检测控制电路。

根据一实施例，角度检测控制电路内置有旋转角度传感器和体姿传感器，其中，旋转角度传感器安装成相切于磁环。

根据一实施例，三维空间定向系统进一步包括角度控制台，角度控制台可操作地连接至头架。

根据一实施例，角度控制台包括：固定支架，用于固定头架并使之不偏移；传动装置，其一端与电机可操作地连接，其另一端与头架可操作地相连、并且构造成能够操纵头架以自动化地调整旋转角度φ和摆动角度θ；计算机，其配置成通过串口发送控制指令到控制电路，控制电路接收来自计算机的控制指令控制电机的旋转。

根据一实施例，传动装置配置成能够自动化地调整穿刺针的穿刺深度，从而使得可自动化地调整距离r。

根据一实施例，计算机中安装图像处理系统的图像处理软件。

根据一实施例，旋转角度传感器是离轴式磁编码角度传感器。

根据一实施例，支撑架内进一步设有锁位螺丝。

根据一实施例，三维空间定向系统通过六面标定算法来标定摆动角度θ。

根据一实施例，图像处理系统配置成：采集和处理通过CT或MRI成像技术识别的影像数据。

根据一实施例，在上盖上设有用于固定角度检测控制电路的腔面。

根据一实施例，横轴和纵轴是一体成型的，使得T型摆动杆呈T型。

根据一实施例，穿刺针通过卡位扣和卡位螺丝固定于穿刺道中，其中，穿刺针通过卡位扣来限定穿刺深度。

根据一实施例，图像处理系统包括图像处理软件，图像处理软件被配置在三维空间定向系统中或者安装在三维空间定向系统以外的独立的计算机中。

根据一实施例，电机是高精度伺服电机，传动装置是穿过头架的中心纵轴安装的传动轴。

根据一实施例，原点o与平面旋转环的圆心基本上重合。

根据一实施例，0≤φ＜360°，-45°＜θ＜45°。

根据本发明的另外一方面的构思，提供了一种人工调整三维空间定向系统的空间定向的方法，该方法包括以下步骤：S1：将三维空间定向系统的基座固定于患者的颅骨；S2：让患者佩戴基座进行CT/MRI扫描；S3：三维空间定向系统的图像处理系统获取并处理基座和患者病灶的图像；S4：图像处理系统三维重建并模拟三维空间定向系统的头架，并获得病灶靶点T与基座和头架之间的坐标关系；S5：路径优化计算得到头架的摆动杆的摆动角度θ和旋转角度φ以及穿刺深度L数据；S6：头架接收摆动角度θ和旋转角度φ以及穿刺深度L数据；S7：将头架固定于基座；和S8：根据摆动角度θ和旋转角度φ数据，人工调整摆动杆的摆动角度和旋转角度，使其分别达到目标角度θ和φ。

根据一实施例，在步骤S7之前，将头架处于初始位置状态。

根据一实施例，在步骤S7之前，对头架进行校准。

根据一实施例，校准是通过校准治具人工进行或者通过三维空间定向系统的角度控制台自动化进行的。

根据一实施例，在步骤S6中，头架通过角度检测控制电路无线接收摆动角度θ和旋转角度φ以及穿刺深度L数据。

根据一实施例，上述方法还包括步骤S9：根据穿刺深度L数据将穿刺针的卡位扣人工移动到穿刺针的目标刻度位置，再通过卡位螺丝固定，使其达到目标穿刺深度。

根据一实施例，上述方法还包括步骤S10：将穿刺针通过穿刺道穿刺到病灶靶点T。

根据一实施例，在步骤S8中，在达到目标角度后，锁定摆动杆的位置。

根据一实施例，锁定摆动杆的位置是通过调紧头架的旋转锁位螺丝和摆动锁位螺丝来执行的。

根据一实施例，上述方法应用于下列项中的至少一者：脑部手术；术前模拟；术前训练；医学讲解；医学演示；医学教学；医学培训；和医学研究和开发。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种自动化调整三维空间定向系统的空间定向的方法，该方法包括以下步骤：S1：将三维空间定向系统的基座固定于患者的颅骨；S2：让患者佩戴基座进行CT/MRI扫描；S3：三维空间定向系统的图像处理系统获取并处理基座和患者病灶的图像；S4：图像处理系统三维重建并模拟三维空间定向系统的头架，并获得病灶靶点T与基座和头架之间的坐标关系；S5：路径优化计算得到头架的摆动杆的摆动角度θ和旋转角度φ以及穿刺深度L数据；S6：三维空间定向系统的角度控制台接收摆动角度θ和旋转角度φ以及穿刺深度L数据；S7：将头架固定于角度控制台，并且自动完成位置校零；和S8：角度控制台根据摆动角度θ和旋转角度φ数据，自动化调整摆动杆的摆动角度θ和旋转角度φ，使其达到目标角度。

根据一实施例，在步骤S8之前，将头架处于初始位置状态。

根据一实施例，在步骤S8之前，通过角度控制台对头架进行自动校准。

根据一实施例，在步骤S8中，在达到目标角度后，锁定摆动杆的位置。

根据一实施例，在步骤S6中，头架通过角度控制台的控制电路(419)接收摆动角度θ和旋转角度φ以及穿刺深度L数据。

根据一实施例，上述方法还包括步骤S9：角度控制台根据穿刺深度L数据，自动化调整插入摆动杆的穿刺道中的穿刺针的卡位扣，使其达到目标穿刺深度。

根据一实施例，上述方法还包括步骤S10：将自动化调整达到目标角度的头架和目标穿刺深度的穿刺针取下，并把头架安装到基座上。

根据一实施例，上述方法还包括步骤S11：将穿刺针通过穿刺道穿刺到病灶靶点T。

根据一实施例，锁定摆动杆的位置是通过调紧头架的旋转锁位螺丝和摆动锁位螺丝来执行的。

根据一实施例，上述方法应用于下列项中的至少一者：脑部手术；术前模拟；术前训练；医学讲解；医学演示；医学教学；医学培训；和医学研究和开发。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种基座，基座包括：具有环状主体的支架，支架的环状主体限定了外周边和内周边；沿着支架的外周边彼此间隔开地布置的多个生物相容性螺钉。

根据一实施例，基座还包括设置在环状主体上且靠近内周边的显影环，其中，显影环与支架同心地设置。

根据一实施例，显影环是嵌在环状主体上的金属环，或者是直接涂布在环状主体的上表面上的对比剂环形标记，其中，显影环设有显影环零刻度点并与环状主体匹配成唯一装配位置关系。

根据一实施例，显影环的平面设置成与环状主体的上表面的平面平齐。

根据一实施例，环状主体的上表面是平坦的。

根据一实施例，多个生物相容性螺钉是沿着支架的外周边彼此均匀地间隔开地布置的至少3个钛螺钉。

根据一实施例，显影环是钛金属环。

根据一实施例，显影环零刻度点为显影环上的一个缺口。

根据一实施例，在支架的环状主体上设有多个卡位柱。

根据一实施例，基座的大体圆环状的支架的径向尺寸，即，该支架的圆环的外径，可设计成小于或等于大约40mm。这样的设计可有助于基座的小型化，由此帮助减轻头架重量和提高定位精度，并且在某种程度上有助于优化头架和基座的制造公差和组装公差。

根据一实施例，多个卡位柱是设置在环状主体的上表面且在周向上彼此间隔开地布置的3个卡位柱。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种头架，头架包括：支撑架，支撑架包括支撑环体和设置在支撑环体上、轴向地向上延伸且周向地间隔开的多个支撑柱；平面旋转环，其可旋转地安装在支撑架上；上盖，其固定于平面旋转环上，使平面旋转环可受控旋转地安装在支撑架与上盖之间；和由横轴和纵轴构成的摆动杆，摆动杆安装成使得纵轴能够以摆动角度θ受控地摆动；其中，横轴安装于平面旋转环内的直径方向上，并且能够随平面旋转环一起以旋转角度φ受控地旋转；其中，纵轴垂直于横轴，并且纵轴是轴向中空的，限定了穿刺道；其中，支撑环体、平面旋转环和上盖是同轴地布置的。

根据一实施例，在平面旋转环上还同轴地布置有与平面旋转环一起旋转的磁环。

根据一实施例，摆动杆是T型摆动杆，横轴与纵轴的交叉中心点与平面旋转环是同心的。

根据一实施例，平面旋转环的内周设有在直径方向上相对的两个横轴承座，横轴的两端可旋转地分别安装于两个横轴承座中，使得纵轴能够摆动。

根据一实施例，头架设有用于将摆动杆锁定而不能摆动的摆动锁位螺丝。

根据一实施例，在摆动杆的纵轴的顶端或其附近设有用于检测摆动杆的摆动角度θ的摆动角度传感器，其中，摆动角度传感器是加速度传感器。

根据一实施例，在每个支撑柱上设有旋转锁定孔和相应的旋转锁位螺丝。

根据一实施例，在支撑环体上还设有周向地间隔开的多个定位孔。

根据一实施例，上盖整体式呈圆盘形，并且带有手柄和刻度盘。

根据一实施例，上盖整体上呈圆盘形，并且带有手柄和显示旋转角度的刻度盘。

根据一实施例，上盖上设有角度检测控制电路。

根据一实施例，角度检测控制电路配置有旋转角度传感器、信号处理电路、加速度传感器和主控MCU。

根据一实施例，旋转角度传感器定位在与磁环的边沿相切的位置。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种通过角度检测控制电路自动化地检测和验证头架的角度的方法，角度检测控制电路配置有旋转角度传感器、信号处理电路、加速度传感器和主控MCU，该方法包括以下步骤：S1：将头架处于校准的初始零点位置，对旋转角度传感器进行校准；S2：通过旋转角度传感器实时采集头架的磁环的磁场强度，并经过信号处理电路对磁场强度数据进行放大滤波处理，并传输出给主控MCU；S3：主控MCU经过算法处理得到磁环转动的角度，角度充当头架的摆动杆的旋转角度φ；S4：主控MCU采集加速度传感器的数据，以及摆动杆上或者穿刺针上的传感器数据；S5：主控MCU根据步骤S4和S5中的数据经过算法处理得出摆动杆的摆动角度θ和旋转角度φ；S6：主控MCU实时发送旋转角度φ和摆动角度θ的数据给图像处理系统，并与图像处理系统计算的目标角度进行对比；和S7：当旋转角度φ和摆动角度θ与对应的目标角度一致时，提示验证通过。

根据一实施例，头架是如上所述的头架；并且，在步骤S4中，摆动杆上或者穿刺针上的传感器数据是加速度传感器数据。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种头架组件，头架组件包括：基座，基座配置成用于固定在患者的脑颅上，基座包括支架、安装在支架上的多个生物相容性螺钉和显影环，其中，显影环设有显影环零刻度点，显影环和显影环零刻度点能够通过CT或MRI成像技术识别；头架，头架包括：支撑架；可旋转地安装在支撑架上的平面旋转环；安装于平面旋转环上、带有显示旋转角度φ的刻度盘的上盖；由横轴和纵轴构成的摆动杆，摆动杆安装成能够以摆动角度θ受控地摆动，并且能够随平面旋转环一起以旋转角度φ受控地旋转；其中，纵轴是轴向中空的，限定了供穿刺针可拆卸地插入的穿刺道；其中，头架可拆卸地固定安装在基座上。

根据一实施例，支架是环状主体的支架，多个生物相容性螺钉沿着环状主体的外周边彼此间隔开地布置，并且显影环同心地设置在环状主体上且靠近其内周边；支撑架包括支撑环体和设置在支撑环体上、轴向地向上延伸且周向地间隔开的多个支撑柱；在平面旋转环上还同轴地布置有与平面旋转环一起旋转的磁环；上盖整体上呈圆盘形，并且带有手柄；摆动杆的纵轴能够以摆动角度θ受控地摆动，横轴安装于平面旋转环内的直径方向上而能够随平面旋转环一起以旋转角度φ受控地旋转；纵轴垂直于横轴；其中，支撑环体、平面旋转环、磁环和上盖是同轴地布置的。

根据一实施例，摆动杆是T型摆动杆，横轴与纵轴的交叉中心点与平面旋转环是同心的。

根据一实施例，平面旋转环的内周设有在直径方向上相对的两个横轴承座，横轴的两端可旋转地分别安装于两个横轴承座中，使得纵轴能够摆动。

根据一实施例，头架组件还包括穿刺针，穿刺针构造成可拆卸地插入穿刺道中。

根据一实施例，在摆动杆或者穿刺针上设有用于检测摆动角度θ的摆动角度传感器；头架上设有角度检测控制电路，角度检测控制电路配置有检测旋转角度φ的旋转角度传感器。

根据一实施例，在每个支撑柱上设有旋转锁定孔和相应的旋转锁位螺丝。

根据一实施例，在支撑环体上还设有周向地间隔开的多个定位孔，在支架的环状主体上设有相应的多个卡位柱，头架借助于多个定位孔和多个卡位柱之间的配合而可拆卸地固定在基座上。

根据一实施例，显影环上标记有显影环零刻度点，并且在刻度盘上标记有旋转角度标识和校准零刻度点。

根据一实施例，在头架组件的初始状态或者校准状态下，显影环零刻度点与校准零刻度点对准。

根据一实施例，显影环零刻度点呈缺口的形式。

根据一实施例，在刻度盘上标记有旋转角度标识和校准零刻度点；在头架组件的校准状态下，横轴承座对准显影环零刻度点与校准零刻度点。

根据一实施例，穿刺针配备有卡位扣以及卡位螺丝。

根据一实施例，穿刺针上设有刻度标识。

根据一实施例，头架组件配置成用于脑颅外科手术的三维空间定向系统。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种用于自动化调整头架角度的角度控制台，头架设有能够相对于头架以旋转角度(φ)旋转的平面旋转环，和安装在平面旋转环上能够随之一起旋转的摆动杆，其中，摆动杆安装成能够相对于平面旋转环以摆动角度(θ)摆动，角度控制台包括：配置成用于驱动头架旋转的旋转驱动组件；配置成用于驱动头架摆动的摆动驱动组件；与旋转驱动组件和摆动驱动组件二者可操作地相连的传动机械臂；控制电路，其配置成用于控制旋转驱动组件和摆动驱动组件；计算机，其配置成计算旋转角度(φ)和摆动角度(θ)，并向控制电路发送命令；和用于夹持固定头架的头架夹持机构；其中，旋转驱动组件和摆动驱动组件配置成接收来自计算机和/或控制电路的控制命令而借助于传动机械臂驱动和控制头架的部件，而执行对头架的旋转角度和摆动角度的自动化控制和调整。

根据一实施例，传动机械臂构造成可操作地连接和操纵摆动杆受控地旋转和摆动，以执行对旋转角度和摆动角度的自动化控制和调整。

根据一实施例，传动机械臂包括机械爪连接件、可拆卸地连接在机械爪连接件上的机械爪和套在机械爪上的螺旋弹簧。

根据一实施例，摆动杆是由纵轴和横轴构成的T型摆动杆，传动机械臂的机械爪构造成能够抓紧或者卡紧在T型摆动杆的纵轴上。

根据一实施例，旋转驱动组件包括安装在电机支架上的旋转驱动电机，以及与旋转驱动电机可操作地连接的旋转减速齿轮和旋转传动齿轮。

根据一实施例，旋转驱动组件还包括旋转编码器，旋转编码器和控制电路配置成使得旋转传动齿轮的控制精度高达0.02°。

根据一实施例，摆动驱动组件包括安装在电机支架上的摆动驱动电机，以及与摆动驱动电机可操作地连接的摆动减速齿轮和摆动传动装置。

根据一实施例，摆动驱动组件还包括摆动编码器，摆动编码器和控制电路配置成使得摆动传动装置的控制精度高达0.02°。

根据一实施例，传动机械臂通过控制纵轴的摆动来自动化控制和调整摆动角度，并且通过控制纵轴和平面旋转环的旋转来自动化控制和调整旋转角度。

根据一实施例，头架夹持机构包括夹持翻盖、夹持螺丝和夹持底座。

根据一实施例，角度控制台配置成能够对头架进行自动化的角度校准。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种自动化地调整头架角度的方法，方法通过角度控制台来执行，该方法包括以下步骤：将头架固定在角度控制台上；将角度控制台的传动机械臂的一端与旋转驱动组件和摆动驱动组件二者可操作地相连，另一端与头架可操作地连接；操作人员通过计算机或者控制电路发送控制命令；旋转驱动组件和摆动驱动组件接收控制命令，驱动传动机械臂操纵头架的对应部件执行对头架的旋转角度和摆动角度的自动化控制和调整。

根据一实施例，传动机械臂通过操纵头架的摆动杆而执行对旋转角度和摆动角度的自动化控制和调整。

根据一实施例，上述方法是通过如上所述的角度控制台来执行的。

根据本发明的另一方面的构思，提供了一种头架组件的三维重建和空间定位的方法，头架组件包括带显影环的基座和安装在基座之上的头架，头架包括：可旋转地安装在支撑架上的平面旋转环；由横轴和纵轴构成的摆动杆，摆动杆能够以摆动角度θ受控地摆动，横轴安装于平面旋转环内的直径方向上并可同平面旋转环一起以旋转角度φ受控地旋转，横轴与纵轴的交叉中心点(206)与平面旋转环是同心的，并且显影环至交叉中心点(206)的垂直高度是h；该方法包括以下步骤：将基座固定在患者头颅上，进行CT/MRI扫描；对CT/MRI扫描的影像进行三维重建，其中，将CT/MRI扫描的影像中的显影环的平面定义为基座平面(502)，并根据CT/MRI扫描的影像确定患者头颅内的病灶靶点T；在基座平面(502)上方高度h处映射一与之平行的头架平面(501)并以头架平面(501)为基准建立三维直角坐标系(x,y,z)，其中，三维直角坐标系的(x,y)平面与头架平面(501)重合，三维直角坐标系的原点o与交叉中心点(206)重合，三维直角坐标系的z轴经过原点o并垂直于头架平面(501)；在基座平面(502)的下方映射一与之平行的病灶平面(503)，使得病灶靶点T位于病灶平面(503)内，病灶平面的原点为o'，病灶平面的x'轴平行于三维直角坐标系的x轴；根据CT/MRI扫描的影像，计算从原点o至病灶靶点T之间的直线的长度r；计算直线(r)与z轴之间的夹角∠Too'，夹角∠Too'等于摆动角度θ；计算病灶平面(503)内的病灶靶点T与原点o'之间的To'连线相对于x'轴形成的夹角∠To'x'，夹角∠To'x'等于旋转角度φ；获得病灶靶点T在以原点o建立的三维球极坐标系中的极坐标，极坐标为(r，θ，φ)。

根据一实施例，上述方法包括：并根据极坐标(r，θ，φ)的参数对头架角度进行调整。

根据一实施例，上述方法进一步包括：将头架安装在基座上，并使头架组件处于初始状态或者对其进行零刻度校准。

根据一实施例，零刻度校准包括，将显影环上的显影环零刻度点与头架上的校准零刻度点对准。

根据一实施例，零刻度校准包括，将横轴与显影环上的显影环零刻度点或头架上的校准零刻度点对准。

根据一实施例，上述方法包括：根据极坐标(r，θ，φ)的角度参数调整摆动杆的旋转角度和摆动角度。

根据一实施例，上述方法包括：在调整旋转角度和摆动角度后，锁定摆动杆的位置。

根据一实施例，上述方法包括：将穿刺针插入摆动杆的穿刺道中，并根据极坐标(r，θ，φ)的参数r调整和固定穿刺针的穿刺深度L。

根据一实施例，根据以下公式计算穿刺深度L：L＝r+r1，其中，r为极坐标(r，θ，φ)中的参数r，r1为摆动杆的纵轴的长度。

根据一实施例，上述方法包括：根据CT/MRI扫描的影像中的平面旋转环的影像，来校正和/或验证头架平面(501)和三维直角坐标系。

本发明的一个或多个方面和实施例解决的技术问题包括但不限于如下：

让例如神经外科医生能够更加安全精确地进行脑部手术或者术前训练和模拟等，从而提高手术成功率和减少手术风险率；

通过优化病灶靶点到穿刺道的定位坐标系统，解决提高定位精度及简化操作流程的问题；

通过优化头架结构设计，以及主材质选用医疗级PTFE，解决减轻头架重量的问题；

在头架结构的优化设计中，比如通过使基座与头架设计成是可分离的，通过采用T型摆动杆配合旋转环从2个不同的方位来调整两个不同维度的角度，从而实现头架体积的小型化，有助于从另一方面解决减轻头架重量和提高定位精度的问题；

通过结构模块化零部件少、图像处理系统自动寻路径计算角度、角度控制台自动调角度以及优化传动方式以简化操作流程的问题；

通过基座固定于颅骨、采用高精度姿态传感器如加速度传感器、算法标定角度和图像处理系统计算角度以解决提高定位精度的问题；和

通过耗材成本可控、取消大型昂贵设备的方式以解决降低实用成本的目的。

本发明的更多其它的实施例还能够实现其它未一一列出的有利技术效果，这些其它的技术效果在下文中可能有部分描述，并且对于本领域的技术人员而言在阅读了本发明后是可以预期和理解的。

附图说明

通过参考下文的描述连同附图，这些实施例的上述特征和优点及其他特征和优点以及实现它们的方式将更显而易见，并且可以更好地理解本发明的实施例，在附图中：

图1是根据本发明一实施例的可用于脑颅外科手术的三维空间定向系统的示意图，展示了该三维空间定向系统实施例的一般性的配置。

图2是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的头架组件的示意图，展示了其一般性的配置和构造。

图3是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的穿刺针组件的示意图。

图4是根据可用于图3所示穿刺针组件的穿刺针刻度线的示意图。

图5是根据本发明一实施例的可用于图2所示头架组件的头架组件的分解示意图。

图6是图5所示头架的从顶部俯视的组装后的整体示意图。

图7是图5-6所示头架组件的头架T型摆动杆与平面旋转环在组装前的分解示意图。

图8是展示了图5-6所示头架组件的头架及其如何旋转的一示意性视图。

图9是图5-6所示头架组件的头架及其如何摆动的一示意性视图。

图10是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的角度检测控制电路的示意性视图。

图11是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的角度检测控制电路的旋转角度传感器安装的示意性视图。

图12是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的头架组件的基座的示意图。

图13A是根据本发明一实施例的图2所示头架组件的组装后的一个视角的示意性立体视图，展示了头架平面校准。

图13B是根据本发明一实施例的图13A所示头架组件在取下摆动杆后的另一个视角的示意性立体视图，展示了头架平面校准。

图14A是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的组装的头架和校准治具的整体示意图。

图14B是图14A所示头架和校准治具的分解示意图，展示了头架组件以及与之配套组装使用的校准治具。

图15A是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的角度控制台的正视示意图。

图15B是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的角度控制台的电机连接与控制的示意性方框图。

图16是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的角度控制台的侧视示意图。

图17是根据本发明一实施例的可用于角度控制台的2个电机组合和安装的示意图。

图18A是根据本发明一实施例的可用于度控制台传动的传动机械臂装置的组装后的部分纵向剖开的示意图。

图18B是18A所示传动机械臂装置的分解示意图。

图19是根据本发明一实施例的用于夹持头架的头架夹持机构装置的示意图。

图20是可用于图1所示三维空间定向系统的在头架与基座之间建立的三维极坐标系的示意图。

图21是图20所示三维极坐标系模型用于在头架、基座与病灶之间建立坐标关系的示意图。

图22是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的图像处理系统模拟计算病灶极坐标的流程的示意图。

图23是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的人工操作的一般性内容的示意图。

图24是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的人工实施操作流程的示意图。

图25是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的自动化实施操作的一般性内容的示意图。

图26是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的系统自动化实施流程的示意图。

附图标记说明：

100-穿刺针；200A-头架；200B-基座；400-角度控制台；500-图像处理系统；600-校准治具；101-穿刺针针杆；102-穿刺针卡位扣；103-穿刺针刻度；104-加速度传感器；105-卡位螺丝；201-支撑架；201A-支撑环体；201B-支撑柱；202-平面旋转环；203-磁环；204-T型摆动杆；205-加速度传感器；208-上盖；207-穿刺道；209-角度检测控制电路；210-校准零刻度点；225-定位孔；206-头架原点o；211-横轴承座；212-横轴；213-纵轴；224-纵轴长度r1；214-平面旋转环初始位置；215-平面旋转环转动后位置；216-旋转角度(φ)；217-平面旋转环旋转方向；218-摆动角度(θ)；219-T型摆动杆摆动后位置；220-T型摆动杆初始位置；221-T型摆动杆摆动方向；226-旋转角度传感器；227-信号处理电路；228-加速度传感器；229-主控MCU；230-LED指示灯；231-旋转锁定孔；231A-旋转锁位螺丝；231B-摆动锁位螺丝；232-PCB；301-钛螺钉；302-支架；303-显影环零刻度点s'；304-显影环；305-基座原点o'；306-卡位柱；222-头架旋转角度校准点s(横轴承座对准零点位置)；223-头架零刻度与基座零刻度水平重合；601-卡位夹；602-定位柱；603-零刻度点；401A-旋转电机组件；401-旋转驱动电机；402-旋转减速齿轮；403-旋转编码器；404-旋转传动齿轮；405-电机支架；406A-摆动电机组件；406-摆动驱动电机；407-摆动减速齿轮；408-摆动传动装置；409-摆动编码器；410-计算机；411-传动机械臂；412-头架夹持机构；413-机械爪；414-弹簧；415-机械爪连接件；416-夹持翻盖；417-夹持螺丝；418-夹持底座；419-控制电路；420-固定支架；501-头架平面；502-基座平面；503-病灶平面；504-三维坐标系xyz；505-头架旋转起始点s。

具体实施方式

在以下对附图和具体实施方式的描述中，将阐述本发明的一个或多个实施例的细节。从这些描述、附图以及权利要求中，可以清楚本发明的其它特征、目的和优点。

应当理解，所图示和描述的实施例在应用中不限于在以下描述中阐明或在附图中图示的构件的构造和布置的细节。所图示的实施例可以是其它的实施例，并且能够以各种方式来实施或执行。各示例通过对所公开的实施例进行解释而非限制的方式来提供。实际上，将对本领域技术人员显而易见的是，在不背离本发明公开的范围或实质的情况下，可以对本发明的各实施例作出各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分而图示或描述的特征，可以与另一实施例一起使用，以仍然产生另外的实施例。因此，本发明公开涵盖属于所附权利要求及其等同要素范围内的这样的修改和变型。

同样可以理解，本文中所使用的词组和用语是出于描述的目的，而不应被认为是限制性的。本文中的“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用，旨在开放式地包括其后列出的项及其等同项及附加的项。

下面将参考本发明的若干个具体实施例并参考说明书附图对本发明进行更详细的描述。

三维空间定向系统

图1是根据本发明一实施例的可用于脑颅外科手术的三维空间定向系统的示意图，展示了该三维空间定向系统实施例的一般性的配置。

如图1所示，该三维空间定向系统的实施例可包括头架组件，该头架组件可包括基座200B和安装在基座200B上的头架200A。该头架组件还可包括穿刺针100，该穿刺针100安装在头架200A上，例如插入安装在头架200A的T型摆动杆中，如下文详述。该头架组件可实现对病灶靶点T的穿刺路径、穿刺角度和穿刺深度的校准和调整，如下文详述。

在本发明的三维空间定向系统的一个实例中，可自动化调整手术装置如穿刺针100的穿刺路径，包括穿刺角度和穿刺深度。在这种情况下，就需要角度控制台400，如图1所示。

当然，在本发明的三维空间定向系统的一个实例中，可通过例如操作者如医生来人工调整穿刺针100的穿刺路径，包括穿刺角度和穿刺深度。在这种情形下，本领域的技术人员可以理解，无需角度控制台400以及与之相关的硬件和配置，仍然可以实现对手术装置如穿刺针100的校准和调整。

该三维空间定向系统的实施例还可包括图像处理系统500(图1中用其处理的脑颅图像示意性表示)和校准治具600，如图示意性地所示。图像处理系统500可用于进行数据提取、三维重建、病灶路径规划、角度计算和控制显示，等等。校准治具600可用于确定旋转角度传感器和/或加速度传感器的初始位置。

三维空间定向系统的一般的组成和配置的概述如下，其详细描述见后文。

(1)图像处理系统

图像处理系统可安装在例如位于医生办公室或手术室的计算机内，亦或集成在角度控制台内。图像处理系统的一个示例可包括多个处理模块，例如数据提取、三维重建、病灶路径规划、角度计算和控制显示模块，等等。数据提取模块可读取DICOM格式的影像数据，并对其进行解析和提取相应的患者信息。三维重建模块可对提取的数据进行体、面绘制等操作实现三维重建并模拟头架原点平面。病灶路径规划模块可根据三维重建的病灶及头架模型信息，规划穿刺路径。角度计算模块可依据规划的穿刺路径进行图像处理测量，测量病灶靶点到头架原点的平面旋转角度、纵轴摆动角度和深度。控制显示模块可发送头架及传感器的校准命令，以及实时显示当前头架角度状态。

(2)角度控制台

角度控制台的一个示例可包括计算机、固定支架、高精度电机、传动装置和控制电路。计算机可安装图像处理系统，并通过串口发送控制命令到控制电路。固定支架可固定头架。高精度电机可接收控制电路的驱动实现高精度的角度调整，确保定位精准。控制电路可连接计算机，接收其控制命令并驱使高精度电机转动。传动装置可连接高精度电机，并随其转动实现头架的角度自动调整。

(3)基座

基座的一个示例可包括显影环、支架和生物相容性螺钉如钛螺钉。显影环可内嵌在支架内，便于CT/MRI识别，建立坐标系。支架可用于固定头架，为头架与患者病灶之间建立坐标纽带关系。钛螺钉可用于支架与患者固定，同时和显影环一起，被CT/MRI识别，建立坐标系。

(4)头架

头架的一个示例可包括支撑架、平面旋转环、磁环、摆动杆、加速度传感器、原点、穿刺道、上盖、角度检测控制电路。支撑架可固定于基座上，同时为平面旋转环提供稳定的旋转环境，其内可设有旋转锁位螺丝，使平面旋转环无法移动。平面旋转环可旋转地安装在支撑架上，并通过上盖压合，从而达到灵活旋转的目的。磁环可内嵌在平面旋转环上，为角度检测电路提供测量角度依据。摆动杆可固定于平面旋转环，可沿纵轴摆动，内有穿刺道。摆动杆内可设有摆动锁位螺丝，在非工作时期可被卡位锁死，而无法摆动，而在需要可将摆动锁位螺丝调松使得摆动杆可摆动，在调节至所需的摆动角度后，重新拧紧摆动锁位螺丝而卡位锁死摆动杆至该摆动角度。传感器可固定在摆动杆上方，或者穿刺针上方，检测其摆动角度，其在自动调整实施方式时可省略。原点例如可以是平面旋转环的圆心，于平面旋转环及其垂直面一起建立空间坐标系。穿刺道可以是摆动杆的纵向中心内腔，根据穿刺针直径，可以有不同的规格。上盖可固定于支撑架上，同时保证平面旋转环的旋转环境。根据实施步骤不同，可分为自动调整上盖和手工调整上盖。手工调整上盖在采用自动调整技术的情形下可增加用于固定角度检测控制电路的腔面。角度检测控制电路可固定在手工调整上盖，内置旋转角度传感器和体姿传感器如加速度传感器，其中旋转角度传感器可相切于磁环边沿布置。

(5)穿刺针

穿刺针的一个示例可包括卡位扣和穿刺针。卡位扣可具有灵活性，可以在穿刺针上自由移动，并在调整到预定长度后稳固地卡在穿刺针上。穿刺针可根据不同手术有不同尺寸规格，内有刻度，可在穿刺道内平稳的移动。还可进一步提供可与卡位扣配合的卡位螺丝，以固定(例如调整到位的)穿刺长度。

下面结合附图和实施例对三维空间定向系统及其组成部分、以及其操作和校准等等，进行详细描述。

头架组件

如图2-图9所示，图2是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的头架组件200的示意图，展示了其一般性的配置和构造。图5是根据本发明一实施例的可用于图2所示头架组件200的头架200A的分解示意图。图6是图5所示头架组件200的从顶部俯视的组装后的整体示意图。图7是图5-6所示头架组件200的头架200A的T型摆动杆204与平面旋转环202在组装前的分解示意图。图8是展示了图5-6所示头架组件200的头架200A及其如何旋转的一示意性视图。图9是图5-6所示头架组件200的头架200A及其如何摆动的一示意性视图。

根据一个示例，头架组件200可包括头架200A和基座200B，以及可选的其它部件。

头架

在一个示例中，头架200A可由支撑架201、平面旋转环202、磁环203、T型摆动杆204、加速度传感器205和上盖208等等构成。平面旋转环202可固定安装在支撑架201上。磁环203可套设在平面旋转环202上，例如大体平齐地嵌套在平面旋转环202顶部的向内收的台阶上。上盖208安置在磁环203和平面旋转环202的上方。T型摆动杆204可周向旋转地且可摆动地安装在头架200A内，在T型摆动杆204的顶端或其附近部位可设有加速度传感器205，如图2-6所示。

支撑架201具有在整体上呈圆环或中空圆筒状的支撑环体201A和设置在支撑环体201A上且周向地间隔开的多个(图5-9中显示为3个)支撑柱201B。如图8-9所示，头架200A的平面旋转环202(以及其上的其它部件)抵靠安置在支撑环体201A上，并且可旋转地内嵌套设在3个支撑柱201B的径向内侧，由此，这3个支撑柱201B将为平面旋转环202的安装和旋转运动提供周向的界限和约束，使得其可被可靠地且可旋转地安装且保持在支撑架201上。此外，这3个支撑柱201B还可为支撑架201本身以及其上安装的其它部件(如有的话)提供结构强度和支撑。

如图5-9所示，在支撑环体201A上、具体而言可在3个支撑柱201B上还可设有多个、例如3个旋转锁定孔231–每个支撑柱201B上各设一个径向地延伸的旋转锁定孔231，该3个旋转锁定孔231可用来在需要时选择性地锁定平面旋转环202使其不能相对于支撑架201旋转。在每个旋转锁定孔231中设有可旋拧进行径向调节的旋转锁位螺丝231A，当旋拧调紧旋转锁位螺丝231A使其径向向内延伸时，平面旋转环202将被旋转锁位螺丝231A径向约束和锁死而不能自由地旋转(调节旋转角度)；当反向旋拧调松旋转锁位螺丝231A使其径向向外延伸时，平面旋转环202将不再受到旋转锁位螺丝231A的径向约束，从而能够连同其上的其它头架部件，例如磁环203、T型摆动杆204、加速度传感器205和上盖208等等一起自由地旋转(调节)。

支撑架201的支撑环体201A上还可设有周向地间隔开的多个、例如三个定位孔225(如图6和图8-9所示)，用来将头架200A固定在基座200B上，同时其还可为可旋转地安装在支撑环体201A上上的平面旋转环202提供相对旋转的支撑基础。

如上，平面旋转环202上内嵌磁环203，从而保证在平面旋转环202旋转时磁环203也跟随其一起旋转。平面旋转环202上还可设有用于安装T型摆动杆204的2个横轴承座211，这2个横轴承座211用于可旋转地安装T型摆动杆204(具体而言是T型摆动杆的横轴212)，使得在安装后T型摆动杆204(具体而言是T型摆动杆的横轴212)可相对于这2个横轴承座211枢转，这种枢转使整个T型摆动杆204(具体而言是T型摆动杆的纵轴213)看起来是摆动运动的。平面旋转环202是可相对旋转的，使得整个T型摆动杆204还可随同平面旋转环202一起旋转运动，因此可用于调整头架200A旋转角度。

磁环203可以是能够径向地充磁的钕铁硼磁环，其可为旋转角度传感器226提供测量依据。

根据一个示例，T型摆动杆204可由横轴212和纵轴213构成，它们一起构成了大体的T形形状。横轴212和纵轴213的交叉中心点206可设置为头架原点o 206。T型摆动杆204用于调整头架200A的摆动角度，此时头架原点o 206可设置为三维空间定向系统的定位原点。

设置在T型摆动杆204上的加速度传感器205可用于检测头架200A的摆动角度，其可固定于纵轴213上端或其邻近位置，但不限于安装此位置，其还可安装于穿刺针上或者其它配件上，只要保证其在工作时与T型摆动杆204的相对位置恒定不变。

带手柄(图5-8所示)的圆盘形上盖208可用于固定头架200A，并使平面旋转环202在旋转运动过程中保持在同一平面内旋转，而不发生上下偏移。上盖208上可设有(例如印刷或者刻有)刻度盘，该刻度盘用于显示平面旋转环202的旋转角度，刻度盘的零点为校准零刻度点210。在上盖208的右柄(如图5-6所示)下方或者上方可选择性地安装有角度检测控制电路209。角度检测控制电路209可配置有旋转角度传感器226、信号处理电路227、加速度传感器228和主控MCU229。旋转角度传感器226可以为离轴式磁传感器，其可安装于与磁环203边沿相切的位置，例如图11所示。由于磁环203各个位置的磁场强度不一样，旋转角度传感器226可通过检测磁环203旋转前后的磁场强度变化，再经过信号处理电路227后传输给主控MCU229，而可检测相对旋转的角度。

基座

根据一个示例，例如如图12所示，基座200B可由大体圆环状的支架302、显影环304和布置在支架302外圆周上的多个、例如3个钛螺钉301构成。图12所示的3个例如等间距地沿周向布置的钛螺钉301用于把环状支架302(以及基座200B和固定在基座200B上的头架200A)固定在患者的颅骨上不动，并确保使用期间参考点不会产生发生偏移，并在头架200A与患者病灶之间建立固定的坐标关系。根据一示例，基座200B的圆环状支架302可设计成使支架302圆环的外径小于或等于大约40mm，基座200B的其它构件尺寸设计成与之相适配，这样的设计有助于基座200B和头架设计的小型化。

显影环304可大体上同心地内嵌在圆环状支架302上，例如绕其内周设置且位于其径向内侧，并且与支架302的平面绝对平齐。显影环304例如可以是一种能被CT/MRI识别的金属环，便于CT/MRI识别，建立坐标系。在显影环304上的零刻点处可设有一个缺口，如图12所示，即，显影环零刻度点s'303。当基座200B与头架200A对准并安装就位时，显影环零刻度点s'303的物理安装位置上可与头架200A上的校准零刻度点210的位置彼此对准/对齐，用于图像处理系统识别起始点/零刻度点。

如上，显影环304可与支架302共圆心，该圆心即为基座原点o'305。支架302的圆周上例如可内嵌有多个、例如3个卡位柱306，当头架200A组装到基座200B上时，需要将卡位柱306对准定位孔225安装，以确保基座200B的显影环零刻度点s'303对准头架200A的校准零刻度点210。如图13A和13B所示，展示了头架旋转角度校准点s(横轴承座对准零点位置)222，并展示了头架零刻度与基座零刻度水平重合的位置指示223。图13A是根据一实施例的图2所示组装的头架组件200的一个视角的示意性立体视图。图13B是图13A所示头架组件200在取下摆动杆204后的另一个视角的示意性立体视图，展示了头架平面校准。

角度检测和控制

结合例如图10所示，可在例如PCB(印刷电路板)232上布置角度检测控制电路209，信号处理电路227，主控MCU229，LED指示灯230，等等。利用带有角度检测控制电路209的头架200A进行角度检测和验证步骤的一实施例如下：

1)将头架200A处于校准的初始零点位置，对旋转角度传感器226进行校准；

2)旋转角度传感器226实时采集磁环磁场强度，并经过信号处理电路227，对采集的数据进行放大滤波处理后传输出给主控MCU229；

3)主控MCU229经过算法处理得出磁环转动后精确的角度信息，也就是头架旋转角度；

4)主控MCU229接收加速度传感器(104、205或者其他配件中的一个)数据；

5)主控MCU229采集角度检测控制电路上的加速度传感器228数据；

6)主控MCU229通过2个加速度传感器数据经过算法处理得出精确的T型摆动杆204相对头架200A的摆动角度；

7)主控MCU229实时发送头架200A当前角度信息给图像处理系统，并与图像处理系统计算的目标角度进行对比；和

8)头架调整的角度与目标角度相近和一致时可通过LED指示灯230提醒操作者和角度控制台400。

头架200A(头架不包含角度检测控制电路)角度检测和控制步骤的另一个实施例如下：

1)将头架200A通过多个、例如图示3个定位孔225安装在基座200B上；

2)调松头架200A上的横轴承座211上的摆动锁位螺丝，使T型摆动杆204的纵轴213可以左右摆动，例如如图9中的虚线箭头所示，直至摆动角度达到预期角度后停止，并重新将摆动锁位螺丝调紧而将T型摆动杆锁位固定不动；和

3)调松头架200A上的旋转锁定孔231中的旋转锁位螺丝231A，使平面旋转环202(从而带动磁环203和T型摆动杆204)可以在旋转平面内沿着平面旋转环旋转方向217自由地旋转(调节)，如图8中的虚线箭头217所示方向，直至旋转角度达到预期的角度后停止，并重新调紧旋转锁定孔231中的该旋转锁位螺丝231A将平面旋转环202锁位固定不动。

校准治具和校准方法

图14A是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的组装的头架和校准治具600的整体示意图。图14B是图14A所示头架和校准治具600的分解示意图，展示了头架组件以及与之配套组装使用的校准治具600。

例如，如图14A-14B所示，校准治具600顶部的结构和卡槽可与基座200B的支架相似，都可设置成非常精准地与头架200A相匹配。例如，如图14A和14B所示，其圆周上也可设有3个定位柱602和零刻度点603，用于对准定位和校准。另外，校准治具600还可设有例如两个卡位夹601，用于确保头架200A在进行校准时其T型摆动杆204垂直于校准治具600所在平面(与平面旋转环202所在平面平行)，从而提高定位精度。

传感器校准的一个示例可包括：初始位置确定和传感器软件校准。

利用校准治具600实施校准的一个实施例中的操作步骤，可包括如下：

1)将头架200A通过定位孔225安装在校准治具600上；

2)将头架200A的3个周向间隔开的定位孔225和校准治具600的3个周向间隔开的定位柱602彼此对准，从而确保头架200A的零刻度与校准治具600的零刻度点603对准，如图14A-14B所示；

3)操作校准治具600上的卡位夹601使T型摆动杆204的纵轴213垂直于校准治具600所在平面；

4)通过例如旋转锁位螺丝和摆动锁位螺丝锁定头架200A，使T型摆动杆204和平面旋转环202在初始位置固定不动；

5)以上的校准步骤可在出厂前进行，这样可减少手术准备时间和医生学习时间(当然，也可以在出厂后进行)；

6)从校准治具600上取下头架200A；

7)将头架200A安装在基座200B上，经由计算机/图像处理系统发送校准命令，通过主控MCU229对加速度传感器228和角度传感器226进行软件校准。

作为一个备选实例，上述步骤1)-5)也可通过角度控制台固定支架420完成。

角度控制台

如图15-19所示，角度控制台400的一个实例可包括旋转驱动电机401、旋转减速齿轮402、旋转编码器403、旋转传动齿轮404、电机支架405、摆动驱动电机406、摆动减速齿轮407、摆动传动装置408、摆动编码器409、计算机410、控制电路419、传动机械臂411以及头架夹持机构412。头架夹持机构412可用于夹持头架200A。电机支架405例如可具有L形、U形或H形等任何合适的构型，例如如图15A和图16-17所示了一种示例性的构型，其一方面可用于固定/安装摆动电机组件406A，另一方面可同时安装旋转电机组件401A，例如可连接旋转传动齿轮404。传动机械臂411可用于驱动头架夹持机构412，使得头架400A可实现旋转和摆动2个方向的运动。如图所示，传动机械臂411的一端可连接摆动传动装置408，另一端可连接头架夹持机构412。头架夹持机构412可由413机械爪，弹簧414，机械爪连接件415等组成。例如如图19所示，固定支架420可由夹持翻盖416、夹持螺丝417，夹持底座418等组成，其与头架夹持机构412一起可用于固定头架200A，并可使之处于物理零点位置。根据操作人员如手术医生等通过例如计算机410发送的指令，角度控制台400的旋转驱动电机401、旋转减速齿轮402、旋转编码器403、旋转传动齿轮404、传动机械臂411以及头架夹持机构412等组件自动化地驱动/调节角度控制台400上的头架200A的平面旋转环202(从而带动磁环203和T型摆动杆204一起)在平面旋转环202所限定的旋转平面内沿着平面旋转环旋转方向217按照所需的旋转角度进行旋转运动(调节)，因此可用于调整头架200A在旋转平面内的旋转角度。

根据操作人员如手术医生等通过例如计算机410发送的指令，角度控制台400的安装在电机支架405上的摆动驱动电机406、摆动减速齿轮407、摆动传动装置408、摆动编码器409、传动机械臂411以及头架夹持机构412等组件自动化地驱动/调节角度控制台400上的头架200A的T型摆动杆204按照所需的摆动角度进行摆动运动(调节)，因此可用于调整头架200A的纵轴213的摆动角度。

如图15A-15B和图18A-18B所示，传动机械臂411例如可由机械爪413、弹簧414和机械爪连接件415等组成。机械爪413可抓紧并驱动例如头架200A的T型摆动杆204，从而自动调整头架200A的2个方向、即旋转方向和摆动方向的角度。

如图16-17和图19所示，头架夹持机构412配合传动机械臂411，使头架200A固定在角度控制台400上不偏移，且使转动部件在校准位置。头架夹持机构412例如可主要由夹持翻盖416、夹持螺丝417和夹持底座418组成。夹持翻盖416和夹持底座418各自的圆形/长圆形安装孔在夹持就位时所形成的安装位便于夹持对应形状和尺寸的头架200A。

角度控制台400的一个实例可包括计算机410，其配置成可安装图像处理系统，并可通过串口发送控制命令到控制电路419。控制电路419配置成与计算机410通讯相连或者与之一体集成，接收其控制命令并驱使高精度的驱动电机转动。

根据一个示例，旋转驱动电机401和摆动驱动电机406可以是高精度电机，其配置成接收计算机410(例如可借助于控制电路419)的驱动信号运转，以实现高精度的角度调整或校准，确保定位精准。

旋转电机组件401A例如可包括安装在固定支架或其它固定位置上的旋转驱动电机401，与旋转驱动电机401可操作地连接的旋转减速齿轮402和旋转传动齿轮404，并且可包括旋转编码器403。控制电路419可驱动电机401带动减速齿轮402及传动齿轮404转动，编码器403可检测转动角度并反馈给控制电路419，控制电路419可配置成例如通过算法、诸如PID算法精准控制旋转角度，从而实现高精度电机控制和驱动，使旋转传动齿轮的控制精度可高达0.02°。旋转电机组件401A带动电机支架405旋转，电机支架405连同摆动电机组件406A一起带着传动机械臂411一起旋转，直至达到目标旋转角度。

摆动电机组件406A可包括安装在电机支架405上的摆动驱动电机406，以及与摆动驱动电机406可操作地连接的摆动减速齿轮407和摆动传动装置408。摆动传动装置408例如可以带传动齿，比如呈部分传动齿轮的扇段的形式。并且，摆动电机组件406A还可包括摆动编码器409。摆动编码器409可检测摆动角度并反馈给控制电路419，控制电路419可配置成例如通过算法、诸如PID算法精准控制摆动角度，从而实现高精度电机控制和驱动，使摆动传动装置的控制精度可高达0.02°。摆动电机组件406A通过摆动传动装置408带动传动机械臂411摆动，直至达到目标摆动角度。

高精度电机的运转操作的一个组装和操作示例如下：

1)计算机410发送控制命令到控制电路419，控制电路419驱动旋转驱动电机401可带动旋转减速齿轮402旋转，以增加转矩和控制分辨率，为控制电机401高精度转动提供基础，同时在电机401的停止状态下不会产生回转。

2)旋转减速齿轮402可带动旋转传动齿轮404，旋转传动齿轮404例如可等比例地分别连接电机支架405和旋转编码器403，旋转编码器403检测转动角度并反馈给控制电路419，控制电路419可通过算法(例如PID算法)精准控制转动角度。这样，旋转编码器403可检测到例如转速、即负载的转动角度，角度控制台400可由此减小旋转减速齿轮402和旋转传动齿轮404之间产生的精度误差。

3)旋转编码器403可以是一款例如17bit分辨率的可测量旋转驱动电机401旋转位置的非接触式绝对值编码器，其有效的控制精度为14bit，从而旋转驱动电机401的控制精度能达到大约0.02°。

摆动驱动电机406的电机操作方式可以与旋转驱动电机401基本上一致，例如与如上相类似地操作，因此不在此赘述。

角度控制台400的一个操作示例如下：

1)翻开夹持翻盖416，把头架200A放置在夹持底座418上；

2)夹持底座418的结构可以类似于基座200B的支架302，可使头架200A处于校准位置；

3)传动机械臂411使T型摆动杆204垂直于头架200A平面；

4)拧紧夹持螺丝417，使头架200A非常稳固地安装在角度控制台400上，并保持在校准位置上；

5)旋转驱动电机401和摆动驱动电机406的操作例如可如上，其控制可由控制电路419完成，计算机410中可安装有图像处理系统/软件。

穿刺针

穿刺针100配置成可插入并安装固定在T形摆动杆204的中空内腔，即，穿刺道207中。

如图1-4所示，穿刺针100上可设有刻度103，并可配有一个卡位扣102，使得可依据显示的刻度调节穿刺针100的穿刺深度。卡位扣102可安装配置成具有一定的位置灵活性，可以在穿刺针100上自由地移动定位，并在穿刺针100调整到预定长度后将卡位扣102稳固地卡在穿刺针100上。加速度传感器104可安装在例如图2-3所示的顶端(图中所示的上端，或称近端，其与穿刺针100的远端或称手术端相对)或其附近位置，可用来测量穿刺时的角度参数。

穿刺针100根据不同的用途或手术可具有多种不同的尺寸规格，并且可在穿刺道207内平滑地移动，插入或者退出。

三维极坐标系和空间定位

图20是可用于图1所示三维空间定向系统的在头架200A与基座200B之间建立的三维极坐标系的示意图。图21是图20所示三维极坐标系模型可用于在头架200A、基座200B与病灶靶点T之间建立坐标关系的示意图。

空间极坐标，又称球极坐标系，是三维极坐标系的一种，由二维极坐标系扩展而来，用以确定三维空间中点、线、面以及体的位置，它以坐标原点为参考点，由方位角、仰角和距离构成，例如如图20-21所示。极坐标在二维中的工作方式的本质为：三维空间中的点可以通过给出方向和距离来指定。球面坐标可以通过定义方向和距离来起作用：在三维中，定义方向需要两个角度，例如如图20-21所示的旋转角度φ(与附图中的φ等同，在本文中可互换地使用)和摆动角度θ。三维球形空间还有两个极轴：第一个轴是“水平的”，对应于二维极坐标中的极轴或三维笛卡儿约定中的+x，另一个轴是“垂直的”，对应于三维笛卡儿约定中的“+z”。

头架平面501是指以头架200A的原点o 206为基准建立的平面。在这个平面上，以头架原点o 206为圆心，平面旋转环202为其中的同心圆，从而形成一个固定平面。该平面由无数个同心圆组成，每个圆的半径都不相同，但它们都以头架200A的原点o为圆心。

如图20-21所示，在本发明的三维空间定向系统中，三维直角坐标系(x,y,z)504是指以头架平面501(例如平面旋转环202所限定的平面)为基准建立的坐标系。头架200A的原点o 206为坐标系原点，os方向的轴为x轴，y轴为os绕原点o在头架平面501内顺时针旋转90°后与x轴垂直的轴，垂直于头架平面501经过原点o 206向下的轴为z轴。

基座平面502是指以基座200B的显影环304为基准建立的平面，其平行于头架平面501。

病灶平面503是指以病灶靶点T为基准模拟出的平面，该平面设置成平行于基座平面502，并依据该平面建立二维坐标系x'y'。该二维坐标系(x'，y')的原点(圆心)o'为头架200A的原点o沿三维直角坐标系(x,y,z)504的z轴映射到病灶平面503内的点，其中，x'轴为三维直角坐标系(x,y,z)504的x轴在病灶平面503的映射，y'轴为三维直角坐标系(x,y,z)504的y轴在病灶平面503的映射。

图22是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的图像处理系统模拟计算病灶靶点T极坐标的流程的示意图。

如图22所示，模拟计算病灶靶点T极坐标的流程的一个示例如下：

让患者头颅佩戴安装固定基座200B后进行CT/MRI扫描；

获取患者头颅内的病灶靶点与基座200B的显影环304之间的位置关系、位置参数和/或图像；

在显影环304的平面(即，基座平面502)上方高度h处映射与之平行的一头架平面501，并以此头架平面501为基准建立原点为o的三维直角坐标系(x,y,z)504；

以显影环304的平面向下映射一与之平行的平面(即，原点为o'的病灶平面503)，使得病灶靶点T位于该平面内，其坐标和位置关系如图21所示；

计算病灶靶点T与原点o之间的直线的长度为r，计算r与z轴之间形成的夹角∠Too'为θ(对应于摆动角度θ)，计算病灶平面503内的To'连线与x'轴之间形成的夹角∠To'x'为φ'(对应于旋转角度φ)，如图21所示；

将病灶靶点T在头架平面501内映射得到点T'，此时，角度φ'与头架平面501内的对应角度φ相等。

三维空间定向系统的图像处理系统可按照例如图22的流程模拟重建图20-21的坐标位置关系。其中，显影环304的直径为d，头架200A的高度h，那么在以头架平面501为基准建立的原点为o的三维直角坐标系(x,y,z)504中，点s坐标为(d/2,0,0)，点s'坐标为(d/2,0,h)，点o'的坐标为(0,h,0)，病灶靶点T坐标为(r*cosθ，

依据图21所示，通过调整穿刺针100的穿刺深度以及调整头架200A的旋转角度φ和摆动角度θ，即可精准穿刺到病灶靶点T的位置。

穿刺针100的穿刺深度L为穿刺路径oT长度(r)与纵轴213的长度r1之和，即L＝r+r1。

如图20-21所示，φ角即为头架200A在头架平面501旋转的角度，即，旋转角度216，如图8所示。

如图20-21所示，θ角即为头架200A的T型摆动杆的纵轴213摆动的角度，即，摆动角度218，如图9所示。

三维空间定向系统的人工操作

图23是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的人工操作的一般性内容的示意图。该人工操作的一般性内容可包括：通过在患者脑颅上佩戴基座200B进行CT/MRI扫描，利用图像处理系统进行三维图像重建，并计算病灶靶点T与基座(以及头架)的坐标关系，由此得到并提供角度数据(θ和φ)和穿刺深度数据(L)；利用校准治具对头架200A进行初始位置确定，并在确定后通过锁位螺丝固定后再拆下头架200A；将头架200A通过定位孔225和卡位柱306相匹配固定于基座200B上，亦或者可通过例如用螺丝固定在基座200B上；并根据相应角度数据和穿刺深度数据人工操作和调整头架200A使其达到目标角度；人工调整穿刺针100卡位扣至目标位置后锁定；安装调整好的穿刺针100通过穿刺道207进行穿刺，使穿刺针100穿刺到病灶靶点T位置。

图24是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的人工实施操作流程的示意图。该人工实施操作的流程的一个示例可包括(操作不受此处描述的先后顺序限制)：

将基座200B支架通过钛螺钉锁定(固定不动)在患者脑颅骨上；

让患者佩戴该基座200B进行CT/MRI扫描；

图像处理系统获取基座200B和患者病灶的图像；

图像处理系统三维重建和模拟头架的位置，并获得病灶靶点T与基座(以及头架)的坐标关系；

路径优化计算得到相应的角度(θ和φ)数据以及穿刺深度(L)数据；

头架200A的角度检测控制电路209通过无线通讯接收图像处理系统计算的角度(θ和φ)以及穿刺深度(L)数据；

使头架200A处于初始位置状态(可在出厂时设置)，亦或者可利用校准治具进行头架200A的初始位置确定；

将头架200A通过例如3个卡位柱306固定于基座200B；

通过例如图像处理系统(图像处理软件)对头架200A上的传感器进行校准；

根据角度数据，松开旋转锁位螺丝231A，人工旋转头架200A的T形摆动杆使其旋转并至目标旋转角度φ，拧紧旋转锁位螺丝231A使平面旋转环202不能旋转；

根据角度数据，松开摆动锁位螺丝231B，人工旋转头架200A的T形摆动杆204使其摆动并至目标摆动角度θ，拧紧摆动锁位螺丝231B使摆动杆204不能摆动；

根据穿刺深度数据，人工调整穿刺针100的卡位扣，使其达到目标穿刺深度并锁定；和

将穿刺针100通过T形摆动杆204的穿刺道207进行穿刺操作。

三维空间定向系统的自动化操作

图25是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的自动化实施操作的一般性内容的示意图。该自动化操作的一般性内容可包括：通过在患者脑颅上佩戴基座200B进行CT/MRI扫描，利用图像处理系统进行三维图像重建，并计算病灶靶点T与基座(以及头架)的坐标关系，由此得到并提供角度数据(θ和φ)和穿刺深度数据(L)；将头架200A(例如可不含传感器及控制电路)通过定位孔225安装在角度控制台400的固定支架420上；利用角度控制台400对头架200A进行自动化校准，并在自动化校准后根据相应角度数据(θ和φ)和穿刺深度数据(L)利用角度控制台400自动调整到目标角度(θ和φ)并自动用锁定螺丝固定；以及自动调整穿刺针100上的卡位扣至目标深度(L)并锁定；将头架200A拆下，通过定位孔225和卡位柱306相匹配固定于基座200B上，亦或者可通过例如螺丝固定在基座200B上；安装调整好的穿刺针100通过穿刺道207进行穿刺，使穿刺针100穿刺到病灶靶点T位置。

图26是根据本发明一实施例的可用于图1所示三维空间定向系统的系统自动化实施流程的示意图。

该自动化实施操作的流程的一示例可包括(操作不受此处描述的顺序限制)：

将基座200B支架通过钛螺钉锁定(固定不动)在患者脑颅骨上；

让患者佩戴该基座200B进行CT/MRI扫描；

图像处理系统获取基座200B和患者病灶的图像；

图像处理系统三维重建和模拟头架的位置，并获得病灶靶点T与基座(以及头架)的坐标关系；

路径优化计算得到相应的角度(θ和φ)数据以及穿刺深度(L)数据；

角度控制台400的控制电路419通过接收图像处理系统计算的角度(θ和φ)以及穿刺深度(L)数据；

使头架200A处于初始位置状态(可在出厂时设置)，将头架200A安装在角度控制台400的固定支架420上，由于头架夹持机构412的机械爪413与头架200A的横轴212紧密压合，可使头架200A处于初始位置状态；

点击角度控制台400的操作显示界面的校准按钮，进行自动化校准；

根据角度数据，角度控制台400通过旋转电机组件401A带动电机支架405和传动机械臂411从而自动调整头架200A的T形摆动杆的旋转角度φ，使其达到目标角度；

将调整好目标角度的头架200A的旋转部分锁定不动，例如通过调紧支撑架201的旋转锁定孔231中的旋转锁位螺丝231A(例如可参加前文中的相应部分)，使平面旋转环202无法旋转；

根据角度数据，角度控制台400通过摆动电机组件406A带动传动机械臂411从而自动调整头架200A的T形摆动杆的摆动角度θ，使其达到目标角度；

将调整好目标角度的头架200A的摆动部分锁定不动，例如通过调紧横轴承座211上的摆动锁位螺丝231B(例如图6所示，可参加前文中的相应部分)，使摆动杆无法摆动；

根据穿刺深度数据，角度控制台400可自动化调整穿刺针100的卡位扣，使其达到目标穿刺深度并自动化地用卡位螺丝锁定；

将调整好目标角度的头架200A取下并安装到固定于患者脑颅骨的基座200B上；和

将调整好穿刺深度的穿刺针100取下，通过T形摆动杆204的穿刺道207进行穿刺操作。

本发明的创新的三维空间定向系统的一个或多个实施例提供了优于现有技术的诸多技术优势，包括但不限于如下：

1)可通过将一个小尺寸的基座固定在颅骨上，可以建立病灶靶点与基座之间的坐标关系。由于作为参考物的基座直接固定在颅骨上，头架内部结构与基座的相对位置是固定且确定的，使得本领域的技术人员能够更加准确地确定头架与病灶靶点之间的精确位置。这个方法能够帮助医生在手术过程中更加准确地定位和操作，提高手术的定位精度，确保手术的安全性和精准性。

2)可通过头架的平面旋转环和摆动杆共圆心的结构，可以实现在平面内确定精准位置。同时，结合穿刺针的长度，即可实现空间精准定位的效果。

3)可通过头架与基座的分立设计和可拆卸的组装，可实现自动和手工调节角度，方便操作，并且在很多步骤和流程中不需要将头架组件的全部或者一部分安装在患者身上。通过这种方式，首先可有效减小脑颅植入部分的体积和重量，使其更为轻便，减轻患者负担。

4)可通过在头架的摆动杆和/或穿刺针上安装高精度传感器，可测量其摆动角度。同时，可使用诸如六面标定算法之类的算法来提高测量精度。

5)可通过在平面旋转环内置磁环，并在其相切位置安装离轴式磁编码角度传感器，可以测量旋转的相对角度。并可采用软件标定算法对测量数据进行处理，可以实现更准确的角度测量，提高三维空间定向系统的性能和稳定性。

6)生物相容性螺钉可选用钛螺钉，其是一种具有良好生物相容性和强度的材料，能够稳定地固定在患者的身体组织中。显影环可以是嵌在环状主体上的金属环。并且，显影环还可以是一种对比剂提供的环形标记物或者是涂布有对比剂的环，该对比剂可以在例如扫描的图像中产生明显的标记，有助于准确定位和识别目标区域。通过结合钛螺钉和显影环的应用，CT/MRI影像就能够提供更清晰、更准确的信息，以减少参考坐标系误差。

7)可通过角度控制台自动调节穿刺角度和/或深度，从而可以有效提高手术的精确性、可重复性和便捷性。利用角度控制台自动话调节穿刺角度，以及利用小巧的高精度角度传感器配置来测量角度，还进一步简化了系统配置和使用操作流程，进一步提高了定位精度，并减少了医生使用设备的学习时间。

8)可通过例如步进电机形式的驱动电机带动减速齿轮，并可在减速齿轮的末端设置高精度的编码器，就可实现角度控制更加精准的有益效果。

出于说明的目的而提出了对本发明的对若干个实施例的前文描述。前文描述并非意图是穷举的，也并非将本发明限于所公开的精确步骤和/或形式，显然，根据上文的教导，可作出许多修改和变型。本发明的范围和所有的等同者旨在由所附权利要求限定。