CN111134841B - 髋关节置换术中配准骨盆的方法及配准工具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种髋关节置换术中配准骨盆的方法及配准工具。该髋关节置换术中配准骨盆的方法，应用于计算机辅助骨外科手术，具体的，该髋关节置换术中配准骨盆的方法包括将配准工具与病人的髋臼的球面接触；获取髋臼的球面上至少四个标记点，其中，至少一个标记点与其他标记点不共面；根据标记点确定髋臼的形状；根据髋臼的形状确定髋臼的开口方向；完成配准并进行手术。本发明所提供的髋关节置换术中配准骨盆的方法简化了配准操作，无需寻找多个骨性标记，配准时间短且易操作。

Description

髋关节置换术中配准骨盆的方法及配准工具

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，尤其涉及一种髋关节置换术中配准骨盆的方法及配准工具。

背景技术

医疗机器人系统通常用于需要高度准确性和/或精确性的应用中，例如外科程序或其他复杂任务。这样的系统可以包括各种类型的机器人，例如自主的、远程操作的和交互式的。对于一些类型的手术，例如关节置换手术，交互式医疗机器人系统可能是优选的，原因是它们使外科医生能够保持对外科程序的直接手动控制，同时，仍然实现高度准确性和/或精确性。

其中，在进行上述手术操作中，一个重要步骤是将骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，即通过定位设备获得实际骨骼的位姿，并建立一系列变换，使其数字三维模型的位姿可以通过这些变换用实际骨骼的位姿表达，这个过程称为配准，实际效果相当于将数字三维模型与实际骨骼对齐。配准对手术的精度有较大影响。

具体的，配准的流程包括：低精度配准、高精度配准和配准确认。低精度配准也称为点配准，一般通过选取数字三维模型和实际骨骼上相匹配的骨性标记点来实现。高精度配准也称为面配准，实际是由定位系统连续的、采集多个实际骨骼表面点的位置，并自动的计算与其匹配的数字三维模型上点的位置，通过微调数字三维模型与实际骨骼的对齐。现有技术中的配准方式虽然能够实现数字三维模型与实际骨骼的对齐，但是，现有的配准过程需要寻找多个骨性标记点以进行配准，并且在此过程中操作繁琐且容易出错，配准时间长且不易操作。

发明内容

本发明提供了一种髋关节置换术中配准骨盆的方法及配准工具，该髋关节置换术中配准骨盆的方法及配准工具简化了配准操作，无需寻找多个骨性标记，配准时间短且不易操作。

本发明的第一方面提供了一种髋关节置换术中配准骨盆的方法，应用于计算机辅助骨外科手术，包括：

将配准工具与病人的髋臼的球面接触；

获取所述髋臼的球面上至少四个标记点，其中，至少一个所述标记点与其他所述标记点不共面；

根据所述标记点确定所述髋臼的形状；

根据所述髋臼的形状确定所述髋臼的开口方向；

完成配准并进行手术。

进一步的，所述配准工具设置有至少一个接触端；

将配准工具与病人的髋臼球面接触包括：

将所述接触端与所述髋臼的球面接触；

确定所述配准工具的位姿；

根据所述配准工具的位姿以获取至少一个所述标记点。

进一步的，所述配准工具设置有多边形接触面，将配准工具与病人的髋臼的球面接触包括：

将所述多边形接触面与所述髋臼球面第一次接触；

确定所述配准工具第一次接触时的位姿；

根据所述配准工具第一次接触时的位姿，以获取所述标记点围合成的第一多边形轮廓；

将所述多边形接触面与其他位置处的所述髋臼球面第二次接触；

确定所述配准工具第二次接触时的位姿；

根据所述配准工具第二次接触时的位姿，以获取所述标记点围合成的第二多边形轮廓。

进一步的，根据所述标记点确定所述髋臼的形状包括：

确定穿过所述第一多边形轮廓的重心的第一法线；

确定穿过所述第二多边形轮廓的重心的第二法线；

通过所述第一法线与所述第二法线确定所述髋臼的球心位置及球面半径。

进一步的，将所述多边形接触面与所述髋臼球面的不同位置进行多次接触，并确定每条穿过所述多边形接触面的重心的法线；

通过多条所述法线确定所述髋臼的球心位置及球面半径。

进一步的，所述配准工具设置有导向端，确定所述髋臼的开口方向包括：

将所述配准工具与所述髋臼的球面接触；

操作人员通过目测的方式将所述导向端调整至距离所述髋臼的边缘均相等的位置；

获取所述配准工具的位姿数据，所述导向端的指向方向即为所述髋臼的开口方向。

进一步的，确定所述髋臼的开口方向包括：

利用所述配准工具沿着所述髋臼的边缘运动；

获取所述配准工具的位姿数据，以获得所述髋臼的边缘轮廓；

确定所述轮廓围合成的平面的中垂线，所述中垂线即为所述髋臼的开口方向。

本发明的第二方面提供了一种配准工具，应用于上述所述的髋关节置换术中配准骨盆的方法，包括：

定位组件；

导向件；

接触件，所述定位组件和所述接触件分别位于所述导向件的两端。

进一步的，所述接触件包括至少三个，所述接触件的自由端围合成多边形接触面；

其中，所述多边形接触面的重心位于所述导向件的轴线上。

进一步的，所述接触件包括：

接触部，所述接触部围合成所述多边形接触面；

本体，所述本体一端与所述导向件连接，另一端与所述接触部连接。

进一步的，所述接触部为球形结构。

进一步的，所述定位组件包括多个定位件，其中，多个所述定位件中至少三个不共线。

本发明提供的技术方案可以达到以下有益效果：

本发明所提供一种髋关节置换术中配准骨盆的方法，并应用于计算机辅助骨外科手术，其中，在进行配准操作中，由于该髋关节置换术中配准骨盆的方法应用几何方式进行髋臼的配准，进行配准操作时，将配准工具与病人的髋臼的球面接触，并获取髋臼的球面上至少四个标记点，其中，由于至少一个标记点与其他标记点不共面，因此，利用几何原理能够得出球体的形状，进而确定了髋臼的形状，无需寻找多个骨性标记以进行配准，并且在此过程中操作简单且不易出错，配准时间短且易操作；确定髋臼的形状后，根据髋臼的形状确定髋臼的开口方向，即完成了配准操作，替代传统的低精度配准方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的髋关节置换术中配准骨盆的方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的将配装工具与病人的髋臼的球面接触的具体流程图；

图3为本发明实施例所提供的将配装工具与病人的髋臼的球面接触的另一种具体流程图；

图4为本发明实施例所提供的根据标记点确定髋臼的形状的具体流程图；

图5为本发明实施例所提供的根据髋臼的形状确定髋臼的开口方向的具体流程图；

图6为本发明实施例所提供的根据髋臼的形状确定髋臼的开口方向的另一种具体流程图；

图7为本发明实施例所提供的髋臼的结构示意图；

图8为本发明实施例所提供的配准工具的结构示意图；

图9为本发明实施例所提供的接触件与髋臼接触时的结构示意图。

附图标记：

1-定位组件；

11-定位件；

2-导向件；

3-接触件；

31-本体；

32-接触部；

4-髋臼。

具体实施方式

下面通过具体的实施例并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“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。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此处需要说明的是，在以下实施例中为了方便描述，将髋关节置换术中配准骨盆的方法简称为配准骨盆的方法，其中，如图2和图7所示，髋臼4的结构可简化或者等效为一个球体，且髋臼4的结构具有球心及球面半径。

如图1所示，本实施例提供了一种髋关节置换术中配准骨盆的方法，应用于计算机辅助骨外科手术，具体的，该配准骨盆的方法包括：

步骤S00，将配准工具与病人的髋臼4的球面接触。

在本实施例中，配准工具设置有至少一个接触端，进行髋臼4的球面上的标记点选取时，根据解剖的统计学结果，配准工具的接触端应保障不会落在髋臼4的马蹄窝内。具体的，配准工具与病人的髋臼4球面接触时，步骤S00可以包括：

步骤S001，将接触端与髋臼4的球面接触。

步骤S003，确定配准工具的位姿。

步骤S005，根据配准工具的位姿以获取至少一个标记点。

进行标记点选取时，配准工具用于选取标记点的接触端可以为一个、两个、三个、四个等多个，其中，利用接触端与髋臼4的球面接触时，每次至少能够获取一个标记点。在本实施例中，在能够快速于髋臼4的球面上选取标记点且保障精确度的同时，还能够简化结构设计，接触端为三个，且三个接触端能够与髋臼4的球面同时接触。

进一步的，设置一配准系统，包括数据计算模块和信息图像配准模块，利用配准工具进行配准时，启动配准系统，定位组件1可以获取配准工具的位姿，其中，定位器包括但不限于光学、电磁学和惯性定位器，定位组件1输出的结果可以转化为表达位置的点(x，y，z)，进而确定配准工具的空间位姿，以实现将病人的骨骼与三维模型进行匹配。

在本实施例中，配准工具设置有多变形接触面。具体的，配准工具与病人的髋臼4球面接触时，步骤S00可以包括：

步骤S001，将多边形接触面与髋臼4球面第一次接触。

步骤S002，确定配准工具第一次接触时的位姿。

此处需要说明的是，定位组件1可以获取配准工具的位姿，其中，定位器包括但不限于光学、电磁学和惯性定位器，定位组件1输出的结果可以转化为表达位置的点(x，y，z)，进而确定配准工具的空间位姿，以实现将病人的骨骼与三维模型进行匹配。

步骤S003，根据配准工具第一次接触时的位姿，以获取标记点围合成的第一多边形轮廓。

步骤S004，将多边形接触面与其他位置处的髋臼4球面第二次接触。

步骤S005，确定配准工具第二次接触时的位姿。

步骤S006，根据配准工具第二次接触时的位姿，以获取标记点围合成的第二多边形轮廓。

步骤S20，获取髋臼4的球面上至少四个标记点，其中，至少一个标记点与其他标记点不共面。

步骤S40，根据标记点确定髋臼4的形状。

当空间内具有至少四个点，其中，存在至少一个点与其他点不共面时，可以利用几何原理得出球体的形状，进而根据这种方式确定了髋臼4的形状。其中，当选取的标记点越多，配准越精确。

或者，根据标记点确定髋臼4的形状，具体的，步骤S40包括：

步骤S401，确定穿过第一多边形轮廓的重心的第一法线。

步骤S403，确定穿过第二多边形轮廓的重心的第一法线；

步骤S405，根据第一法线与第二法线确定髋臼4的球心位置及球面半径。

根据几何原理，由于髋臼4结构等效为球体结构的一部分，因此，当配准工具的多边形接触面与髋臼4结构的球面接触时，穿过多边形接触面的重心的一条法线也会穿过髋臼4结构的球心。通过多边形接触面两次与髋臼4球面接触，能够获取六个标记点，利用几何原理，法线彼此相交的位置处即为髋臼4的球心位置，同时，确定球面半径。

为能够更好提高配准精度，可以将多边形接触面与髋臼4球面的不同位置进行多次接触，并确定个每条穿过多边形接触面的重心的法线，其中，所有法线均能够相交，以确定髋臼4的球心位置及球面半径。

此处需要说明是，由于髋臼4结构等效为球体结构的一部分，因此，进行实际操作时，第一法线与第二法线之间存在没有交点的情况，针对此种情况，本实施例提供一种实施方式，具体的，找出第一法线与第二法线的公垂线，其中，公垂线的中点即为髋臼4结构的球心点。进一步，当通过配准工具得到三条及三条以上的法线时，所有法线中的任意两条法线进行组合并得到该组法线的公垂线，并确定公垂线的中点，将所得到的公垂线的中点连线以得到一个几何图形，其中，公垂线的中心点围合成的几何图形的重心即为球心点。

由于髋臼4结构等效为球体结构的一部分，因此，进行实际操作时，多条法线之间存在没有共同交点的情况，针对此种情况，在本实施例中还提供一种实施方式，利用计算机系统在髋臼4结构的球面空间内寻找一个点，该点要满足与每条法线的距离求和后的数值最小，该点即为球心点。其中，利用计算机系统在髋臼4结构的球面空间内寻点的过程可以通过编程、仿真软件等多种方式计算得到，在此不一一例举，只要利用该算法在髋臼4结构的球面空间内能够寻找一个点，且该点满足与每条法线的距离求和后的数值最小即可。

其中，为了保障配准精度，下一次（步骤S001）利用配准工具与髋臼4接触的位置尽可能的与上一次（步骤S004）保持较远的距离，以保证两次接触获得的法线不重合，同时，接触的次数越多精度也会随之提高。

步骤S60，根据髋臼4的形状确定髋臼4的开口方向。具体的，根据髋臼4的开口方向，可以规划手术机器人的手术路径，即手术开始入刀的方位。

其中，配准工具设置有导向端，确定髋臼4的开口方向时，步骤S60包括：

步骤S601，将配准工具与髋臼4的球面接触。

步骤S603，操作人员通过目测的方式将导向端调整至距离髋臼4的边缘均相等的位置。

操作人员将配准工具与髋臼4的球面接触后，通过目测的方式测量导向端距离髋臼4的边缘是否均相等，如若不相等，调整配准工具与髋臼4的球面的接触位置，直至相等。

步骤S605，获取配准工具的位姿数据，导向端的指向方向即为髋臼4的开口方向。

或者，步骤S60包括：

步骤S601，利用配准工具沿着髋臼4的边缘运动。

步骤S603，获取配准工具的位姿数据，以获得髋臼4的边缘轮廓。

步骤S605，确定轮廓围合成的平面的中垂线，中垂线即为髋臼4的开口方向。

步骤S80，完成配准并进行手术。

本实施例提供一种髋关节置换术中配准骨盆的方法，并应用于计算机辅助骨外科手术，其中，在进行配准操作中，由于该髋关节置换术中配准骨盆的方法应用几何方式进行髋臼4的配准，进行配准操作时，将配准工具与病人的髋臼4的球面接触，并获取髋臼4的球面上至少四个标记点，其中，由于至少一个标记点与其他标记点不共面，因此，利用几何原理能够得出球体的形状，进而确定了髋臼4的形状，无需寻找多个骨性标记以进行配准，并且在此过程中操作简单且不易出错，配准时间短且易操作；确定髋臼4的形状后，根据髋臼4的形状确定髋臼4的开口方向，即完成了配准操作，替代传统的低精度配准方法。

其中，利用在髋臼4的球面上获取至少四个标记点，且至少一个标记点与其他标记点不共面的方式，还能够在无影像的情况下进行髋臼4结构的配准操作，防止采取影像过程中对医护人员造成的伤害，在保障配准精度的情况下，提高了配准过程中的安全性。

如图7、图8和图9所示，具体的，配准工具包括定位组件1、导向件2和至少三个接触件3，定位组件1和接触件3分别位于导向件2的两端，其中，至少三个接触件3的接触部32围合成多边形接触面，在进行配准操作中确定髋臼4的结构时，将每个接触件3同时与病人的髋臼4球面接触，由于各个接触件3的接触端连线能够围合成多边形，其中，髋臼4球面的球心位于穿过多边形接触面的重心的法线上，进一步的，配准工具经过一次及一次以上的操作后即可确定髋臼4的球心及球面半径。

更为具体的，在本实施例中，当髋臼4磨削对精度要求较低时，此时，只需将配准工具的接触件3与髋臼4球面接触一次，确定髋臼4的球心所在直线即可进行手术操作；相对地，当髋臼4磨削对精度要求较高时，此时，配准工具至少要两次或者两次以上与髋臼4球面接触，其中，为了保障配准精度，下一次利用配准工具与髋臼4接触的位置尽可能的与上一次保持较远的距离，同时，接触的次数越多精度也会随之提高。

其中，为能够使得配装工具更具备便捷性，在本实施例中，优选地的，多边形接触面为正多边形接触面，可以正三角形，即三个接触件3，正四边形，即四个接触件3，正五边形，即五个接触件3等正多边形，为简化结构设计，同时满足具有正多边形接触面的设计要求，接触件3为三个，且围合成正三角形接触面。

此处需要说明的是，根据解剖的统计学结果，配准工具的所有接触件3的接触端应保障不会落在马蹄窝内。且多边形的位姿相对于定位组件1是已知的，即可通过定位设备测量出多边形空间内的位置。进一步，为方便描述，以正三角形为例说明，三根接触件3中需有一根为主触角，主触角的位置相对于定位组件1是已知的，即可通过定位设备测量出主触角在空间内的位置。其中，接触件3的长短、夹角无特殊要求。

如图9所示，更为具体的，在本实施例中，接触件3包括接触部32和本体31，接触部32围合成多边形接触面，本体31一端与导向件2连接，另一端与接触部32连接。在进行配准操作时，将每个接触部32同时与病人的髋臼4球面接触，由于各个接触件3部连线能够围合成多边形，其中，髋臼4球面的球心位于穿过多边形接触面的重心的法线上，进一步的，配准工具经过一次及一次以上的操作后即可确定髋臼4的球心及球面半径。其中，接触部32可以尖状，为避免对病人骨骼造成损伤，同时，保障测量的精确度，优选地，接触部32为球形结构。

其中，在本实施例中，定位组件1可以配合手术操作中的定位系统向计算机发送配准工具的位姿，定位组件1的具体设置方式在此不做限定，例如，定位组件1可以利用反射红外线并被测位仪识别的方式确定配准工具的位姿。或者定位组件1也可以为红外发射器，能够发射红外线，测位仪能够识别该红外线，从而识别定位组件1。定位组件1的设置方式不仅限于此，只要定位组件1能够被测位仪识别即可。

如图9所示，具体的，在本实施例中，定位组件1包括多个定位件11，其中，多个定位件11中至少三个不共线，其中，定位件11的个数在此不做限定，定位件11可以为三个、四个或更多个，以图1为例，定位件11为四个，四个定位件11中至少三个定位件11不共线设置，令测位仪根据三个以上的定位件11能够确定配准工具的空间位置。

如图9所示，其中，在本实施例中，为方便规划手术机器人的手术路径，配装工具具有导向件2，当髋臼4结构确定后，利用导向件2指向髋臼4的开口方向，并使得髋臼4的球心位于导向件2的轴线上，进而通过定位系统检测定位组件1的位置，以获取配准工具的位姿数据，根据配准工具的位姿数据确定手术机器人的行进方向。

如图9所示，在本实施例中，安装接触件3的导向件2也无特殊要求，但为方便操作，通常将导向件2设计为有一轴形结构且，导向件2的轴线与穿过多边形接触面的重心的法线重合。

此处需要说明的是，本实施例提供的髋关节置换术中配准骨盆的方法依然可以采用有影像的方式下进行。具体的，获取的影像数据可以是二维影像数据、三维影像数据等影像数据，在此不对影像数据做具体限定，只要能够满足符合三维器官模型打印的影像数据即可。目前，医学上使用较多的是核磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI）数据或电子计算机断层扫描（Computed Tomography，简称CT）数据等影像数据等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种髋关节置换术中配准骨盆的系统，所述髋关节置换术中配准骨盆的系统包括计算机可读介质和配准工具，所述配准工具包括：

定位组件（1），所述定位组件用于确定所述配准工具的空间位姿；

导向件（2）；

接触件（3），所述定位组件（1）和所述接触件（3）分别位于所述导向件（2）的两端；

所述接触件（3）包括至少三个，所述接触件（3）的自由端围合成多边形接触面；

其中，所述多边形接触面的重心位于所述导向件（2）的轴线上；

所述计算机可读介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于执行以下步骤：

当接触件（3）与髋臼（4）的球面接触，确定配准工具的位姿；

根据配准工具的位姿以获取髋臼（4）的球面上至少四个标记点，其中，至少一个所述标记点与其他所述标记点不共面；

根据所述标记点确定所述髋臼（4）的形状；

根据所述髋臼（4）的形状确定所述髋臼（4）的开口方向，将三维模型与髋臼（4）匹配。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据所述配准工具的位姿获取所述标记点包括：

确定配准工具与所述髋臼（4）第一次接触时的位姿；

根据配准工具第一次接触时的位姿，以获取所述标记点围合成的第一多边形轮廓；

将所述多边形接触面与其他位置处的所述髋臼（4）球面第二次接触；

确定配准工具与所述髋臼（4）第二次接触时的位姿；

根据配准工具第二次接触时的位姿，以获取所述标记点围合成的第二多边形轮廓。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，根据所述标记点确定所述髋臼（4）的形状包括：

确定穿过所述第一多边形轮廓的重心的第一法线；

确定穿过所述第二多边形轮廓的重心的第二法线；

通过所述第一法线与所述第二法线确定所述髋臼（4）的球心位置及球面半径。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据所述配准工具的位姿获取所述标记点后，确定所述髋臼（4）的形状包括：

将所述多边形接触面与所述髋臼（4）球面的不同位置进行多次接触，并确定每条穿过所述多边形接触面的重心的法线；

通过多条所述法线确定所述髋臼（4）的球心位置及球面半径。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，根据所述髋臼（4）的形状确定所述髋臼（4）的开口方向包括：

当所述导向件（2）至距离所述髋臼（4）的边缘均相等时，获取配准工具的位姿数据，所述导向件（2）的指向方向即为所述髋臼（4）的开口方向。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接触件（3）包括：

接触部（32），所述接触部（32）围合成所述多边形接触面；

本体（31），所述本体（31）一端与所述导向件（2）连接，另一端与所述接触部（32）连接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述接触部（32）为球形结构。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述定位组件（1）包括多个定位件（11），其中，多个所述定位件（11）中至少三个不共线。

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