[发明专利]一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位装置及方法

权利要求书

1.一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位装置，其特征在于，由超声设备、图像采集卡、工作站以及安装在其上的导航软件、视觉跟踪设备、近端Marker、远端Marker、六自由度并联动平台、静平台构成；

所述的超声设备的超声探头上固定有可以被视觉跟踪设备识别的Marker，该Marker与超声探头有固定的位置关系；

所述的工作站可以通过采集卡获取超声图像；

所述的六自由度并联动平台上固定有可以被视觉跟踪设备识别的Marker，该Marker与六自由度并联动平台有固定位置关系；

所述的视觉跟踪设备将识别到的近端Marker、远端Marker、超声探头Marker坐标、六自由度动平台Marker传输给工作站；

所述的近端Marker固定在患者的长骨近端，所述的远端Marker固定在患者的长骨远端；

所述的六自由度动平台上固定患者的长骨近端，所述的经平台上固定患者的长骨远端；

所述的工作站根据导航软件计算的运动量驱动六自由度动平台运动。

2.一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位方法，其特征在于，将超声设备采集到的长骨超声图像得到的骨表面散乱点与术前CT进行配准，通过视觉跟踪设备将长骨近端、长骨远端、CT模型、六自由度动平台统一到视觉空间坐标系下，根据术前规划计算六自由度动平台的运动矩阵，并根据运动学模型求解六个平台支链的伸缩量，驱动其运动。

3.根据权利要求1及权利要求2，一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位装置及方法，其特征在于，按照以下步骤实现长骨复位导航：

S1.术前对患者的骨折近端、远端进行CT扫描，规划复位方案，得到远端与近端的相对位姿矩阵A；

S2.术中，安装视觉跟踪设备，并在患者的骨折的近端、远端分别固定Marker；

S3.采用固连Marker的超声探头对患者的近端、远端进行扫描，得到近端、远端的超声图像；

S4.提取超声图像骨表面；

S5.将超声图像的骨表面与CT模型进行配准；

S6.根据视觉跟踪设备获取的近端与远端坐标得到近端与远端相对位姿矩阵B；

S7.根据步骤1的相对位姿矩阵A、步骤5的相对位姿矩阵B、长骨远端的Marker坐标、六自由度并联动平台的Marker坐标，计算六自由度并联动平台的运动矩阵T；

S8.通过求解六自由度并联动平台的运动学逆解得到六个关节的六个平台支链的伸缩量；

S9.如果六个平台支链的伸缩量小于误差范围，复位完成，否则，驱动六自由度并联动平台运动到指定位置，重复步骤S6-S8。

4.根据权利要求3，一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位方法，其特征在于，步骤S4所述的骨表面提取方法包括以下步骤：

步骤S4.1.图像预处理：对超声图像进行高斯滤波降噪处理，并提取感兴趣区域；

步骤S4.2.轮廓提取：采用相位对称性的Log-Gabor小波算法进行边缘检测，提取骨表面轮廓；

步骤S4.3.空洞消除：采用基于面积约束的处理方法将连通域中的空洞填充，消除连通域内孔；

步骤S4.4连通域位置筛选：根据连通域重心距离图像中心的距离筛选在一定阈值范围内最近的连通域，并根据连通域面积阈值筛选合适的骨表轮廓区域；

步骤S4.5轮廓骨架提取：图像进行腐蚀去毛刺处理，并拟合骨组织曲面，进行图像细化，得到单层点的轮廓骨架。

5.根据权利要求2，一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位方法，其特征在于，步骤S5所述的配准方法采用基于最小迭代的配准方法。

6.根据权利要求1及权利要求2，一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位装置及方法，其特征在于，所述的导航软件包括以下功能：

对术前CT数据进行三维重建；

对手术路径进行规划；

采集超声图像，并进行骨表面提取；

术前CT与超声图像进行点云配准；

实时获取视觉跟踪设备采集到Marker坐标；

长骨复位导航，计算六自由度动平台的运动矩阵；

计算六自由度动平台的运动学正逆解，并驱动六自由度动平台运动。

7.根据权利要求1，一种基于六自由度并联平台的超声配准及长骨复位装置，其特征在于，所述的六自由度动平台是一种并联机构，可以实现六个自由的运动，包括上平台、下平台以及通过铰链分别连接在上平台、下平台的六组电动缸。