專利名稱：可拆換式c形臂校準靶的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種醫療工程技術領域的器件，具體是一種可拆換式C形臂校準靶。
背景技術：
臨床醫療工程領域中存在多類計算機輔助外科手術導航系統，而基于C形臂X線透視圖像的導航系統是其中的一類。C形臂校準靶是導航系統實現C形臂位置跟蹤、圖像變形校正及C形臂相機校準功能所必需的工具，而這三項功能又是該類手術導航系統的關鍵技術，校準靶設計的優劣不僅直接影響靶體本身的制作成本，而且會影響整個手術導航系統的精度。
校準靶隨校準方案的不同而不同。導航系統可采用在線校準和離線校準兩種方案。若采用在線校準方案，則上述的光學跟蹤、變形校正、相機校準3項功能都必須在手術過程中現場實現，為了實現光學跟蹤功能，校準靶上必須安裝定位標記物；為了求取變形校正和相機校準參數，校準靶上必須按一定規律排列一定數目的標志物，用于在線校準方案的校準靶一般采用一體式結構。若采用離線校準方案，則系統分初始化和實際使用兩個階段。初始化階段中對校準靶的要求與采用在線校準方案時一致。在實際使用階段中另需一個與初始化階段不同的靶體，該校準靶應可實現光學跟蹤功能。現有的C形臂校準靶制造成本高、導航精度低。
經對現有技術的文獻檢索發現，R.Hofstetter等在《Computer aidedsurgery》(計算機輔助手術，1999年4卷65-76)上發表的“Fluoroscopy asan Imaging Means for Computer Assisted Surgical Navigation”(用熒光圖像作為一種圖像載體進行計算機輔助手術導航)，該文中提出僅采用一層校準模板分別放置在C形臂影像增強器前端不同的位置處的方式來代替完整的校準靶來實現校準功能，其不足在于僅能采用離線校準方式，操作步驟繁瑣，校準模板的兩個位置靠手工放置，精度難以保證。檢索中還發現，Delia Soimu等在《computerized Medical Imaging and Graphics》(醫學圖像圖形計算機處理，2003年27卷79-85)上發表的“A novel approach for distortioncorrection for X-ray image intensifiers”(一種新穎的X線圖像影像增強器變形校正方法)，該文中提出一種僅含一層割槽鋁制模板的校準靶用于X線圖像的變形校正，其不足在于僅能實現變形校正功能，而C形臂相機校準功能的實現還要依賴另一套復雜的專門用于校準的靶體，把本來順序相連的變形校正功能和相機校準功能強行分離，操作過程繁瑣，整體導航精度受兩個靶體加工及安裝精度影響大。
發明內容
本發明克服了現有C形臂校準靶本身的缺點及其對導航系統整體性能的不良影響，提供一種可拆換式C形臂校準靶，使其降低了校準靶本身的加工成本，提高了手術導航系統整體精度，實現一靶兩用，既可用于在線校準又可用于離線校準。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所述的可拆換式C形臂校準靶，包括主體框架、校準模板組件，校準模板組件固定在主體框架上。
所述的主體框架，其主要部分為一鼓狀結構，其上設有3個定位爪。其中兩個固定定位爪直接安裝在鼓狀結構下緣上側，另一個定位爪為可動定位爪，其上設有一個狹長槽孔，該槽孔可沿旋在鼓狀結構下緣上的鎖緊螺釘滑動以實現可動定位爪的伸縮。三個定位爪內側面均為直徑與匹配C形臂影像增強器外側壁直徑一致的圓柱面，該設計可保證校準靶與C形臂影像增強器之間的準確定位，而旋在鼓狀結構下緣上與可動定位爪直接接觸的鎖緊螺釘可保證校準靶可靠地固定在C形臂影像增強器上。
所述的主體框架，在其鼓狀結構下緣下側面上設有螺釘孔，校準模板組件用螺釘通過該螺釘孔固定在鼓狀結構上；鼓狀結構上緣外側圓柱面上及下緣外側圓柱面上按一定的規律布置光學定位標記物。這里所指的標記物實際上包括兩部分——紅外反射球及連接主體框架和紅外反射球的小基臺，兩者均由加拿大NDI公司(北方數碼股份有限公司)作為Polaris光學立體定位跟蹤系統配套產品提供。為了保證紅外反射球的位置精度，鼓狀結構上安裝小基臺處設有小平面。
為了保證無論C形臂處于任何姿態時校準靶均可被光學跟蹤系統跟蹤，在滿足NDI光學跟蹤系統獨立工具設計規則前提下，本發明采用盡可能多的紅外反射球和獨立幾何面，即20個紅外反射球構成8個獨立幾何面。
所述的校準模板組件，其關鍵部件為兩層校準模板，與現有大多數校準模板采用高分子材料包埋金屬標志物的方法不同，本發明采用在校準模板基體上開設盲孔并鑲嵌鋼球的方法，盲孔均按正交方式排列布局。兩層校準模板通過校準模板箍架連接。所述的校準模板箍架為一法蘭形結構，其上端為一外凸緣，外凸緣上設有6個通孔用于和主體框架的鼓狀結構進行裝配。校準模板箍架內側設有2個平行的內凸緣，每個內凸緣上各設有6個螺紋孔和2個銷子。校準模板邊緣處設有6個通孔和2個銷孔與校準模板箍架內凸緣上的6個螺紋孔和2個銷子對應，兩層校準模板通過螺釘分別固定在校準模板箍架2個內凸緣上，裝配后，兩層校準模板呈平行分布且兩層校準模板上鋼球的排列方位一致。
本發明還可以包括一個環形配重件，該部件用于離線校準方案，環形配重件與主體框架之間通過螺釘裝配。
所述的環形配重件，其重量與校準模板及其箍架的重量之和相等，該部件僅用于導航系統采用離線校準方案情況。
本發明所涉及的校準靶既可用于在線校準方案也可用于離線校準方案。若用于在線校準方案，則只需將主體框架與校準模板組件一次裝配作為一個一體式的校準靶用于術中校準。在線校準無需使用環形配重件。若欲將校準靶用于離線校準方案，則在系統初始化階段中，需將主體框架、校準模板組件一起裝配作為一個一體式的校準靶用于離線校準；而在初始化完畢后則需用環形配重件取代校準模板組件，實際使用階段主體框架與環形配重件一起作為一個一體式的靶體用于光學系統跟蹤定位。這樣做的理由是圖像變形校正和C形臂相機校準所需參數已于系統初始化階段獲取，實際使用階段中可直接調用這些參數而無需現場獲取，因此不再需要校準模板組件；但將校準模板組件從主體框架上去除會減少整個校準靶的重量從而導致C形臂的彈性變形反彈，進而影響到導航精度，環形配重件的使用正是為了彌補這種由于C形臂彈性反彈造成的導航精度降低。
本發明校準靶結構簡單，采用常規工藝，材料易獲得且價格適中，無需針對不同校準方案制作兩套校準靶，成本低；校準靶與環形配重結合既可用于在線校準也可用于離線校準；校準模板采用精密數控切削加工，與包埋方法相比，加工精度更易保證。
圖1為可拆換式校準靶總體結構示意2為光學跟蹤標記物布局示意3為校準模板箍架結構示意4為主體框架與環形配重件連接體示意5為上層校準模板基體結構6為下層校準模板基體結構圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發明校準靶由可拆換的主體框架與校準模板組件兩大主要部分組成，具體部件包括校準模板箍架21、鼓狀結構22、紅外反射球23、上層校準模板基體24、下層校準模板基體(本圖中下層校準模板基體不可見，下層校準模板基體詳見圖5)、定位銷25、鋼球26、固定螺釘27、鎖緊螺釘28、可動定位爪29、固定定位爪30。
其中，鼓狀結構22、紅外反射球23、鎖緊螺釘28、可動定位爪29、固定定位爪30屬于主體框架的組成，固定定位爪30通過螺釘固定在鼓狀結構22的下緣上端面上，鎖緊螺釘28穿過可動定位爪29上的槽旋在鼓狀結構22下緣上端面上。3個定位爪內側面均為直徑與匹配C形臂影像增強器外側壁直徑一致的圓柱面，該設計可保證校準靶與C形臂影像增強器之間的準確定位，而擰緊鎖緊螺釘28可實現校準靶在C形臂影像增強器上的可靠固定。
校準模板箍架21、上層校準模板基體24、下層校準模板基體(本圖中下層校準模板基體不可見，下層校準模板基體詳見圖5)、固定螺釘27、定位銷25、鋼球26屬于校準模板組件的組成。其中上層校準模板基體24及下層校準模板用固定螺釘27安裝在校準模板箍架21上形成一個整體，校準模板箍架21上端外凸緣上的6個螺釘孔用于將該整體安裝到鼓狀結構22上。
如圖2所示，為鼓狀結構22(見圖1)上紅外反射球23的詳細布局，紅外反射球23共有20個，構成8個獨立幾何面。20個紅外反射球分為兩群。第一群14個分布在鼓狀結構22下緣外側圓柱面上，14個紅外反射球到鼓狀結構22外圓柱面中軸線的距離相等，即14個標記物的中心位于一個平面圓周上，而該圓周又垂直于鼓狀結構22外圓柱面中軸線。第二群6個紅外反射球分布在鼓狀結構22上緣外側圓柱面上，6個紅外反射球到鼓狀結構22外圓柱面中軸線的距離相等，即6個紅外反射球的中心位于另一個平面圓周上，該圓周也垂直于鼓狀結構22外圓柱面中軸線且直徑與上一個圓周直徑相等。在大圓周直徑及兩個大圓周間距既定的前提下，各個獨立幾何面中紅外反射球中心之間連線的長度與構成這些幾何面的紅外反射球以鼓狀結構22外圓柱面中軸線為軸扇開的角度直接相關。大圓周直徑可根據待匹配的C形臂影像增強器外圓柱面的直徑、3個定位爪的預設結構尺寸、鼓狀結構22上下緣的預設厚度初步確定；兩個大圓周之間的距離可根據NDI Polaris光學跟蹤系統獨立工具設計規則中的“每個獨立幾何面中任意兩個紅外反射球中心的距離必須不小于50mm”規定初步確定。在這兩個初定尺寸的基礎上，遵循NDI光學跟蹤系統獨立工具設計規則，并盡量使數據取整數以方便后續處理，經過多次的計算——檢驗——調整——計算循環處理確定最終的紅外反射球布局與獨立幾何面構成。圖中20個小圓分別表示20個紅外反射球，無括號阿拉伯數字為紅外反射球標號，有括號阿拉伯數字為獨立幾何面標號；兩個大圓分別表示第一群紅外反射球與第二群紅外反射球中心所在的圓周，這兩個圓周直徑實際上是相等的，之所以繪為一大一小只是為了區分方便；放射線之間的角度表示相鄰紅外反射球以鼓狀結構22外圓柱面中軸線為軸扁開的角度。8個獨立幾何面中各紅外反射球中心連線距離如表1所示，若以圖中坐標系為參考坐標系(原點位于14個紅外反射球中心所在圓周的中心)則20個紅外反射球中心的坐標如表2所示表1
表2
如圖3所示，為校準模板箍架，其為一法蘭形結構，其上端設有外凸緣31，外凸緣上設有通孔34用于和主體框架的鼓狀結構22(見圖1)進行裝配。校準模板箍架內側設有2個平行的內凸緣32，每個內凸緣上都設有螺紋孔33和銷子35。
如圖4所示，為主體框架與環形配重件36的裝配體，該裝配體專用于離線校準方案，主體框架與環形配重件36之間通過螺釘裝配。
如圖5所示，為上層校準模板基體，其上設有兩種規格的盲孔39、40共69個，以正交方式均勻排列，所有盲孔軸線均與模板基體端面垂直，中心盲孔的軸線通過校準模板基體中心。上層校準模板基體邊緣處設有2個定位銷孔37和6個螺釘裝配孔38，其中螺釘裝配孔38沿圓周方向平均分布。
如圖6所示，為下層校準模板基體，其上設有68個盲孔43，以正交方式均勻排列，所有盲孔軸線均與模板端面基體垂直，中心區域的4個盲孔的軸線到校準模板基體中心的距離相等，下層校準模板基體邊緣處設有2個定位銷孔41和6個螺釘裝配孔42，其中螺釘裝配孔42沿圓周方向平均分布。
以下提供本發明制作方法的實施例鼓狀結構材料選用鍛鋁LD7-CS，毛坯采用常規鍛造工藝加工，精加工采用數控設備。鼓狀結構外側面上安裝紅外反射球小基臺的小平面距離外側面軸線的距離為184mm，其中下端分布14個小平面上端分布6個小平面，每個小平面中心處采用數控設備加工一個M2.5深度為5.5mm的螺紋孔用于安裝紅外反射球小基臺，兩層螺紋孔的間距為60mm。紅外反射球及其小基臺由NDI公司提供。3個定位爪均采用不銹鋼1Cr18Ni9用數控設備加工，其中2個固定定位爪分別采用2個M5螺釘固定在鼓狀結構下端上側面上，可動定位爪上槽寬為5mm通過旋在鼓狀結構下端上側面直徑為5mm的鎖緊螺釘連接，鎖緊螺釘釘帽外側面可滾花。3個定位爪厚度均為10mm，內側面為直徑為148.5mm的圓柱面。鼓狀結構側壁及上端面內緣鏤空以減重。鼓狀結構下緣下側面上設有6個沿圓周方向平均分布的M4-6H的螺紋孔用于裝配校準模板組件或環形配重件。
鼓狀結構上紅外反射球的詳細布局如下兩層小球中心所在圓周的直徑為(184+8.76)*2＝385.52mm、兩個大圓周之間的距離為60mm，其中8.76為小基臺高度。8個獨立幾何面所含紅外反射球以鼓狀結構外圓柱面中軸線為軸扇開的角度分別為16°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°。為了避免分度接近的獨立幾何面在空間上距離過近從而導致光學跟蹤系統識別出錯，將8個獨立幾何面進行了穿插排列以保證相鄰的獨立幾何面扇開角度相差足夠大。
校準模板箍架選用鍛鋁LD7-CS，毛坯采用常規鍛造工藝加工，精加工采用數控設備。校準模板箍架上端外凸緣上沿圓周方向設有6個Φ4H8的通孔用于校準模箍架與鼓狀結構之間的連接。校準模板箍架內側設有2個內凸緣用于安裝兩層校準模板，每個內凸緣上都布置兩個成60°分布的3mm銷子用于校準模板的精確定位，每個內凸緣上都沿圓周方向平均分布6個M4-6H的螺紋孔用于校準模板的安裝。這些螺紋孔與校準模板箍架上端凸緣上的6個Φ4H8通孔的排列方位一致以保證整個校準靶裝配好后兩層校準模板上的標志物與主體框架上紅外反射小球的相對位置。
兩層校準模板基體采用透明有機玻璃板加工。上層校準模板上布置69個盲孔，盲孔有3mm和4mm直徑兩種規格，深度分別為6.5mm和7mm。3mm盲孔有49個，4mm盲孔有20個。盲孔以正交方式排列，行距和列距均為22mm。其中中心處盲孔的軸線與模板基體的軸線重合。標志物為直徑3mm軸承用鋼球49個和4mm軸承用鋼球20個。鋼球采用硅膠封堵在盲孔內，封好后各個鋼球中心均位于模板基體的中間平面上。上層校準模板上邊緣處分布2個3mm銷孔及6個Φ4H8的螺釘裝配孔，這些銷孔和螺釘裝配孔與校準模板箍架內上凸緣的2個定位銷和6個M4-6H的螺紋孔對應用于校準模板在箍架上的定位和安裝。下層校準模板上布置68個盲孔，盲孔直徑和深度分別為2mm和6mm。盲孔以正交方式排列，行距和列距均為22mm。其中中心處4個盲孔的軸線與模板基體軸線的距離相等。標志物為直徑2mm軸承用鋼球68個。鋼球采用硅膠封堵在盲孔內，封好后各個鋼球中心均位于模板基體的中間平面上。下層校準模板上邊緣處分布2個mm銷孔及6個Φ4H8的螺釘裝配孔，這些銷孔和螺釘裝配孔與校準模板箍架內下凸緣的2個銷子和6個M4-6H的螺紋孔對應用于校準模板在箍架的定位和安裝。
環形配重件選用鍛鋁LD7-CS，毛坯采用常規鍛造工藝加工，其上布置6個Φ4H8的通孔，與鼓狀結構上的6個M4-6H的螺紋孔對應用于在鼓狀結構上的安裝，6個Φ4H8的通孔采用數控設備加工。
校準模板箍架與校準模板一次裝配完畢，以后若無特殊情況無需再行拆卸。校準模板箍架與主體框架之間采用螺釘連接。若校準靶用于在線校準方案，則校準模板箍架連同校準模板一起與主體框架一次裝配完畢并將校準靶整體固定在匹配C形臂影像增強器上，以后若無特殊情況無需再行拆卸。若校準靶用于離線校準方案，則在系統初始化階段將校準模板箍架連同校準模板一起與主體框架裝配并將校準靶整體固定在匹配C形臂影像增強器上，系統初始化完畢后主體框架保持在C形臂影像增強器上原來的位置不變，只是將校準模板箍架連同校準模板一起從主體框架上拆卸下來，并把環形配重件安裝在主體框架上模板箍架原來所在的位置處。
所設計校準靶由一個結構簡單的主靶外加一個簡單配重件構成，無需加工兩套不同的校準靶分別用于不同的校準方案；所選材料鍛鋁、不銹鋼及有機玻璃價格適中，鑄造及常規數控工藝方法與精鑄及材料包埋工藝方法相對很低，這些因素都可大幅度降低校準靶本身的加工成本。校準模板組件與環形配重件可互換以滿足在線和離線兩種校準方案的需要，操作簡單，實現一靶兩用。對于離線校準來說由于系統初始化階段與實際使用階段采用同一個主體框架，且主體框架相對于C形臂影像增強器的位置在兩個階段是一致的，保證了系統整體導航精度。
權利要求
1.一種可拆換式C形臂校準靶，包括主體框架、校準模板組件，其特征在于，校準模板組件固定在主體框架上，所述的校準模板組件，包含兩層校準模板(24)和用于承載校準模板的校準模板箍架(21)，校準模板箍架(21)與主體框架連接。
2.根據權利要求1所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，所述的主體框架，其上緣外側圓柱面上及下緣外側圓柱面上設有光學定位標記物。
3.根據權利要求2所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，所述的光學定位標記物包括紅外反射球(23)本身及連接主體框架和小球的小基臺，紅外反射球(23)共有20個。
4.根據權利要求3所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，20個紅外反射球(23)構成8個獨立幾何面，20個紅外反射球(23)的球心分別分布在兩個直徑為385.52mm、間距為60mm的平行的平面圓周上，其中一個圓周上分布14個，另一個圓周上分布6個，8個獨立幾何面所含紅外反射球(23)以鼓狀結構(22)外圓柱面中軸線為軸扇開的角度分別為16°、21°、22°、23°、24°、25°、26°、27°。
5.根據權利要求1所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，所述的校準模板箍架(21)，其外凸緣(31)上設有通孔(34)用于和鼓狀結構(22)進行裝配。
6.根據權利要求1或者5所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，所述的校準模板箍架(21)，其內側設有兩個內凸緣(32)，兩個內凸緣(32)上各設有6個螺紋孔(33)和兩個銷子(35)用于安裝和定位校準模板(24)。
7.根據權利要求1所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，所述的兩層校準模板，包括上層校準模板和下層校準模板，對于上層校準模板，其上按正交排列布置69個盲孔(39、40)，所有盲孔軸線均與上層校準模板基體(24)端面垂直，中心盲孔的軸線通過上層校準模板基體(24)中心，上層校準模板基體(24)邊緣處沿圓周方向平均分布6個螺釘裝配孔(38)，上層校準模板基體邊緣處分布2個銷孔(37)；對于下層校準模板，其上按正交排列布置68個盲孔(43)，所有盲孔軸線均與下層校準模板基體端面垂直，中心區域的4個盲孔的軸線到下層校準模板基體中心的距離相等，下層校準模板基體邊緣處沿圓周方向平均分布6個螺釘裝配孔(42)，下層校準模板基體邊緣處分布2個銷孔(41)。
8.根據權利要求1所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，還包括一個環形配重件(36)，環形配重件(36)與主體框架之間通過螺釘裝配。
9.根據權利要求8所述的可拆換式C形臂校準靶，其特征是，所述的環形配重件(36)，其重量與校準模板組件的重量相等。
全文摘要
一種醫療工程技術領域的可拆換式C形臂校準靶。校準靶由模板組件和主體框架外加一個配重件組成。模板組件由模板本體及其箍架構成，模板采用在有機玻璃板上的精密盲孔內封堵鋼球，模板箍架用于連接模板及主體框架。主體框架采用鏤空筒狀結構，上下兩端外側面上根據NDI獨立工具設計規則布置紅外反射小球。校準模板組件與主體框架的裝配體既可用于在線校準也可用于離線校準的系統初始化階段，配重件與主體框架的裝配體可用于離線校準的使用階段。主體框架、箍架毛坯采用鋁材鍛造，主體框架、箍架精加工、模板及其他部件采用數控設備加工。新校準靶成本低、精度高、可一靶兩用。
文檔編號A61B17/00GK1883388SQ20061002796
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月22日 優先權日2006年6月22日
發明者王成燾, 閆士舉, 蘇穎穎, 錢理為, 林艷平 申請人:上海交通大學