CN111297475A - 骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件 - Google Patents

骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件，获取可跟踪元件的末端经骨表面进行相应操作所得到的标记点信息；获取可跟踪元件的扫描装置对所述骨表面进行扫描得到的骨影像数据；进而根据获取的所述标记点信息结合预先获取的骨影像数据进行骨表面虚拟重建。如此配置，通过将可跟踪元件的末端在骨表面进行相应的操作，即可实现骨表面虚拟重建，而无需进行术前CT扫描，可避免病人受到辐射伤害，实现病人物理空间坐标系和图像空间坐标系的精确配准，只需一名操作者即可完成配准工作，且精度高，操作便捷，可显著提高注册效率，操作者的操作体验佳。

Description

骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件
技术领域
本发明涉及机器人辅助手术系统和方法领域，特别涉及一种骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件。
背景技术
在常规的骨科手术中，外科医生需要对人体的解剖结构十分熟悉，仅依靠手、眼系统建立解剖结构，这非常依赖于医生的经验。计算机辅助骨科手术(Computer Assistedorthopaedics surgery，CAOS)则使用计算机完成对病人原始数据的收集和三维重建，并利用三维模型来引导医生的手术，使得医生可以通过对计算机上图像的观察来了解手术的进程和指导手术，甚至可以由计算机进行手术规划，在经过医生的确认后全自动或半自动地完成手术。这种全新的基于图像导航的手术方式使得医生可以快速、安全和有效地利用医学数据完成手术，而不依赖于医生的经验，提高了手术的安全性。
现有的计算机辅助骨科手术中所使用的导航装置，在术前配准时，通常需要一个操作者操作可跟踪元件在患者组织表面进行选点，当选定特征点时，示意另一操作者在操作系统中确认，完成特征点的匹配。但是这种配准方法需要至少两名操作者配合操作，不仅费时而且由于协同操作的不稳定性会影响特征点确定的准确性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件，以解决现有的导航装置在术前配准时需要至少两名操作者，费时且不稳定等问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种骨注册方法，其包括：
获取可跟踪元件的末端经骨表面进行相应操作所得到的标记点信息；
获取可跟踪元件的扫描装置对所述骨表面进行扫描得到的骨影像数据；
根据获取的所述标记点信息结合所述骨影像数据进行骨表面虚拟重建。
可选的，在所述骨注册方法中，所述标记点信息基于软骨表面轮廓数据和软骨厚度数据得到；或者，所述标记点信息基于硬骨表面轮廓数据得到；
所述软骨表面轮廓数据的获取步骤包括：根据所述可跟踪元件的末端于软骨表面进行抵靠操作得到；
所述硬骨表面轮廓数据的获取步骤包括：根据所述可跟踪元件的末端于硬骨表面进行抵靠操作得到；
所述软骨厚度数据的获取步骤包括：
获取所述可跟踪元件的开关满足第一设定条件时其末端于软骨表面一点处的第一位置信息；
获取所述可跟踪元件的末端在所述一点处进行穿刺操作并至所述开关满足第二设定条件时，所述可跟踪元件的末端的第二位置信息；
基于所述第一位置信息和所述第二位置信息的位置差得到所述软骨厚度数据。
可选的，在所述骨注册方法中，所述标记点信息基于软骨表面轮廓数据和软骨厚度数据得到；所述软骨表面轮廓数据的获取步骤包括：根据所述可跟踪元件的末端于软骨表面进行抵靠操作得到；所述可跟踪元件包括位移接触开关，所述位移接触开关包括阻尼器，所述阻尼器的刚度被配置为使所述阻尼器的行程与所述可跟踪元件的末端在穿刺软骨层时的穿刺阻力相适配；所述软骨厚度数据的获取步骤包括：
获取所述可跟踪元件的末端在软骨表面一点处进行穿刺操作并至所述阻尼器的行程达到预定行程时，所述可跟踪元件的末端的位置信息；
基于所述阻尼器的刚度和所述位置信息得到所述软骨厚度数据。
可选的，在所述骨注册方法中，所述标记点信息基于软骨表面轮廓数据和软骨厚度数据得到；其中所述软骨厚度数据为所述可跟踪元件的末端在多个点处进行穿刺操作所得到的多个数据的平均值。
可选的，在所述骨注册方法中，所述可跟踪元件包括开关，所述标记点信息于所述开关于满足相应的设定条件时得到。
可选的，在所述骨注册方法中，所述对骨表面进行虚拟重建的步骤包括：
将所述可跟踪元件的末端在定位装置下的标记点集与所述骨影像数据经分割后的表面点集进行配准。
可选的，在所述骨注册方法中，所述配准的方法包括：
将所述标记点集Pi变换到与所述表面点集Qi相同的坐标系下：
Qi＝R·Pi+T
其中R与T为旋转平移矩阵，i为自然数；
而所述旋转平移矩阵R与T满足：
Figure BDA0002387353910000031
使目标函数E取得最小值。
为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种骨注册系统，包括：可跟踪元件、定位装置及控制装置；
所述可跟踪元件用于在骨表面进行相应操作；所述可跟踪元件包括扫描装置，所述扫描装置用于对所述骨表面进行扫描以得到骨影像数据；
所述定位装置分别与所述可跟踪元件及所述控制装置通信连接，所述定位装置用于获取所述可跟踪元件的位置信息，并将所述可跟踪元件的位置信息发送给所述控制装置；
所述控制装置基于所述可跟踪元件在骨表面进行相应操作的位置信息得到标记点信息，并结合所述扫描装置所获取的骨影像数据，进行骨表面虚拟重建。
可选的，在所述骨注册系统中，所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面进行抵靠操作，以及在软骨表面进行穿刺操作；所述控制装置根据所述可跟踪元件的末端在软骨表面的抵靠操作获得软骨表面轮廓数据，以及根据所述可跟踪元件的末端在软骨表面的穿刺操作获得软骨厚度数据，进而所述控制装置基于所述软骨表面轮廓数据和所述软骨厚度数据得到所述标记点信息；
或者，
所述可跟踪元件的末端用于在硬骨表面进行抵靠操作；所述控制装置根据所述可跟踪元件的末端在硬骨表面的抵靠操作获得硬骨表面轮廓数据，进而所述控制装置基于所述硬骨表面轮廓数据得到所述标记点信息。
可选的，在所述骨注册系统中，所述可跟踪元件包括开关，所述开关被配置为，所述可跟踪元件的末端于软骨表面一点处进行穿刺操作，当满足第一设定条件时，触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的第一位置信息；所述可跟踪元件的末端在所述一点处继续穿刺，至满足第二设定条件时触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的第二位置信息；进而所述控制装置根据所述第二位置信息与所述第一位置信息的位置差获得所述软骨厚度数据。
可选的，在所述骨注册系统中，所述开关包括手动开关和/或力传感器，所述力传感器用于感测所述可跟踪元件的末端所受到的反馈力；
所述第一设定条件包括所述手动开关按下，或所述力传感器于所感测的反馈力大于第一预设值；
所述第二设定条件包括所述手动开关再次按下；所述力传感器于所感测的反馈力大于第二预设值，其中所述第二预设值大于所述第一预设值；或者，所述力传感器所感测的反馈力增加的同时，所述可跟踪元件的末端的位置信息不变。
可选的，在所述骨注册系统中，所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面进行穿刺操作；所述可跟踪元件包括位移接触开关，所述位移接触开关包括阻尼器，所述阻尼器的刚度被配置为使所述阻尼器的行程与所述可跟踪元件的在穿刺软骨层时的穿刺阻力相适配，所述位移接触开关被配置为于所述阻尼器的行程达到预定行程时触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的位置信息，所述控制装置基于所述位置信息和所述阻尼器的刚度获得所述软骨厚度数据。
可选的，在所述骨注册系统中，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面或硬骨表面进行抵靠操作，所述可跟踪元件包括与所述控制装置通信连接的开关，所述开关被配置为，当满足第三设定条件时，触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的位置信息；进而所述控制装置根据所述位置信息获得所述软骨表面轮廓数据或所述硬骨表面轮廓数据。
可选的，在所述骨注册系统中，所述骨注册系统还包括显示装置，所述显示装置与所述控制装置通信连接，所述显示装置用于显示所述可跟踪元件的位置信息、骨表面的特征点、所述虚拟重建的结果或提示所述可跟踪元件的运动轨迹。
可选的，在所述骨注册系统中，所述定位装置包括光学定位仪，所述可跟踪元件包括多个光学靶标，所述光学定位仪通过红外线对所述光学靶标实现定位。
为解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，还提供了一种骨注册控制装置，其包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的骨注册方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的第四个方面，还提供了一种可跟踪元件，其包括：扫描装置以及多个靶标，所述靶标用于与一定位装置适配，以供所述定位装置定位；所述扫描装置用于对骨表面进行扫描以获得骨影像数据。
可选的，所述可跟踪元件包括开关，所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面的一点处进行穿刺操作；所述开关被配置为，于满足第一设定条件时，触发一控制装置获取所述可跟踪元件的末端的第一位置信息；之后所述可跟踪元件的末端用于在所述一点处继续穿刺，至满足第二设定条件时所述开关触发所述控制装置获取所述可跟踪元件的末端的第二位置信息。
可选的，在所述可跟踪元件中，所述开关包括手动开关和/或力传感器，所述力传感器用于感测所述可跟踪元件的末端所受到的反馈力；
所述第一设定条件包括所述手动开关按下，或所述力传感器于所感测的反馈力大于第一预设值；
所述第二设定条件包括所述手动开关再次按下；所述力传感器于所感测的反馈力大于第二预设值，其中所述第二预设值大于所述第一预设值；或者，所述力传感器所感测的反馈力增加的同时，所述可跟踪元件的末端的位置信息不变。
可选的，所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面进行穿刺操作；所述可跟踪元件包括位移接触开关，所述位移接触开关包括阻尼器，所述阻尼器的刚度被配置为使所述阻尼器的行程与所述可跟踪元件的在穿刺软骨层时的穿刺阻力相适配，所述位移接触开关被配置为于所述阻尼器的行程达到预定行程时触发一控制装置获取所述可跟踪元件的位置信息。
可选的，所述可跟踪元件包括开关，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面或硬骨表面进行抵靠操作，所述开关被配置为，当满足第三设定条件时，触发一控制装置获取所述可跟踪元件的末端的位置信息。
可选的，所述可跟踪元件包括两个以上的设置于其本体上的扫描装置，所述扫描装置相对于所述可跟踪元件之本体的角度可调节。
综上所述，在本发明提供的骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件中，获取可跟踪元件的末端经骨表面进行相应操作所得到的标记点信息；获取可跟踪元件的扫描装置对所述骨表面进行扫描得到的骨影像数据；进而根据获取的所述标记点信息结合所述骨影像数据进行骨表面虚拟重建。如此配置，通过将可跟踪元件的末端在骨表面进行相应的操作，即可实现骨表面虚拟重建，而无需进行术前CT扫描，可避免病人受到辐射伤害，实现病人物理空间坐标系和图像空间坐标系的精确配准，只需一名操作者即可完成配准工作，且精度高，操作便捷，可显著提高注册效率，操作者的操作体验佳。
附图说明
本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：
图1是本发明一实施例提供的骨注册系统的示意图；
图2是本发明一实施例提供的配准的示意图；
图3是本发明一实施例之第一个优选示例提供的可跟踪元件的示意图；
图4是本发明一实施例之第二个优选示例提供的可跟踪元件的示意图；
图5是本发明一实施例之第三个优选示例提供的可跟踪元件的示意图；
图6是本发明一实施例提供的骨表面虚拟重建的示意图；
图7是本发明一实施例提供的穿刺操作的示意图；
图8是本发明一实施例提供的骨注册控制装置的示意图；
图9是本发明一实施例提供的去除软骨的骨注册方法的流程图；
图10是本发明一实施例提供的不去除软骨的骨注册方法的流程图。
附图中：
1-可跟踪元件；2-定位装置；3-导航台车；31-视频台车；32-显示装置；33-连杆装置；34-靶标球；35-手动开关；36-力传感器；37-位移接触开关；38-扫描装置；41-虚拟重建区；50-控制装置；51-处理器；52-存储器；53-通信接口。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近患者靠近病灶的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，除非内容另外明确指出外。
本发明的核心思想在于提供一种骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件，以解决现有的导航装置在骨注册/术前配准时需要至少两名操作者，费时且不稳定等问题。以下参考附图进行描述。
请参考图1至图10，其中，图1是本发明一实施例提供的骨注册系统的示意图，图2是本发明一实施例提供的配准的示意图，图3是本发明一实施例之第一个优选示例提供的可跟踪元件的示意图，图4是本发明一实施例之第二个优选示例提供的可跟踪元件的示意图，图5是本发明一实施例之第三个优选示例提供的可跟踪元件的示意图，图6是本发明一实施例提供的骨表面虚拟重建的示意图，图7是本发明一实施例提供的穿刺操作的示意图，图8是本发明一实施例提供的骨注册控制装置的示意图，图9是本发明一实施例提供的去除软骨的骨注册方法的流程图，图10是本发明一实施例提供的不去除软骨的骨注册方法的流程图。
本发明实施例一提供一种骨注册系统，如图1所示，所述骨注册系统包括可跟踪元件1、定位装置2及控制装置。所述定位装置2分别与所述可跟踪元件1及所述控制装置通信连接，所述定位装置2用于获取所述可跟踪元件1的位置信息，并将所述可跟踪元件1的位置信息发送给所述控制装置。
如图8所示，所述控制装置50用于实现本申请所述的各种功能，例如，计算、控制。在一些实施例中，所述控制装置50为一计算机，该计算机优选设置于一导航台车3上，但本发明对此不作限制。在其它一些实施例中，所述控制装置50设置在一独立的设备中或者设置在一远程的设备中，在又一些实施例中，所述控制装置的一部分设置在所述导航台车3中，剩余部分设置在其它一个或者多个独立的设备中。在进一步实施例中，所述控制装置50选择性的设置在所述骨注册系统的任意位置处。所述控制装置50包括具有处理器51和存储器52的处理电路。所述处理器51可选择为通用处理器、专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、处理组件或其它合适的电子处理组件；所述存储器52是一种或多种用于存储完成或协助本申请中所述各种功能/过程的数据和/或计算机程序的装置，例如，RAM、ROM、闪速存储器、硬盘存储器等；所述存储器52可以是或包括易失性存储器或非易失性存储器；进一步地，所述存储器52可包括数据库组件、目标代码组件、脚本组件或者用于支持本申请中所述各种功能的任何其它类型信息结构。在示例性实施例中，所述存储器52与处理器51通信连接，且包括用于执行本申请所述一个或多个功能/过程的计算机代码；所述存储器52中包括至少一种模块，每个模块存储与特定类型功能有关的数据和/或计算机代码，以实现各模块所对应的功能。
所述控制装置50进一步包括通信接口53，以用于与所述定位装置2、所述可跟踪元件1通信连接。所述通信接口53包括经由直接连接或网络连接(例如因特网连接、LAN、WAN或WLAN连接等)至外部源，以进行数据通信的有线或无线接口，例如插口、天线、发射器、接收器、收发器、电线接头等，本申请对此不进行限制。在一些实施例中，所述通信接口53包括用于经由基于以太网的通信链路或网络发送及接收数据的以太网卡及端口；在另一些实施例中，所述通信接口53包括经由无线通信网络进行通信的Wi-Fi收发器。
具体地，所述通信接口53用于获取可跟踪元件1的末端在骨表面抵靠操作所得到的标记点的位置信息，以及可跟踪元件1的扫描装置38扫描获得的骨影像数据；所述存储器52用于存储通信接口53所获取的标记点的位置信息及骨影像数据，处理器51用于对标记点的位置信息进行数据处理，以获得标记点信息，结合骨影像数据，进行骨表面虚拟重建。
优选的，所述导航台车3还包括视频台车31及显示装置32，所述显示装置32与所述控制装置通过所述通信接口53通信连接，所述显示装置32用于显示所述可跟踪元件1的位置信息、骨表面的特征点、骨表面虚拟重建的结果或提示所述可跟踪元件1的运动轨迹等。所述定位装置2亦优选设置在所述导航台车3上。在如图1所示的示范性方案中，定位装置2为一光学定位仪，该光学定位仪通过连杆装置33设置在视频台车31的上部，以便可调节光学定位仪相对于视频台车31的高度和角度，从而适应患者的位置，以观察到可跟踪元件1，避免遮挡。所述光学定位仪优选为一光学定位装置，其上设置有若干红外发射器，相应的，可跟踪元件1上设置有多个光学靶标，如靶标球34，同一时刻至少有部分的靶标球34可被光学定位仪观测到，以通过红外线实现对靶标球34的定位。通过靶标球34，所述可跟踪元件1可实现与光学定位仪配对。光学定位仪用于根据靶标球34的位置信息确定可跟踪元件1的末端在病人物理坐标系中的位置信息。当然，定位装置2不限于为光学定位仪，可跟踪元件1上也不限于设置光学靶标，本领域技术人员还可以根据现有技术进行类似的替换，如可以设置为磁导航装置和磁靶标等。可跟踪元件1还包括扫描装置38，所述扫描装置38用于对所述骨表面进行扫描，以获得骨影像数据。
所述控制装置优选为设置在视频台车31中，但如上所述，本申请中针对控制装置的具体设置位置或方式不作限制。在一实施例中，所述控制装置可对扫描装置38获取的骨影像数据，基于人体组织生理、形状特征进行分割提取，获得各个特征点。操作者根据上述的特征点，手持可跟踪元件1在患者处采集对应的标记点。进而，所述光学定位仪2获得各个标记点相对于光学定位仪2的位置信息。如图2所示，控制装置通过点云配准算法将扫描装置38扫描得到的骨影像数据与光学定位仪测得的标记点进行配准，提取骨影像数据上与标记点精细配准后的目标特征点。通过一定数量的标记点的精细配准，得到最终的变换矩阵，进而实现病人物理空间坐标系和图像空间坐标系的精确配准。所述显示装置32设置在所述视频台车31上，骨影像数据以及目标特征点可以叠加显示在显示装置32上。显示装置32可以为触摸屏显示器，也可以通过键盘/鼠标等输入设备进行控制。
图3示出了本实施例之第一个优选示例提供的可跟踪元件1，该可跟踪元件1为Y形，即包括一本体和两个分叉，本体大致呈笔状，两个分叉的长度不一致，在一些实施例种所述两个分叉的长度一致，本申请对分叉的长度及位置关系不作特别限定，只要各分叉上的靶标球能够与光学定位仪实现信息传输。靶标球34为八个，分布于可跟踪元件1的两侧并对称设置。其中一侧，两个靶标球34位于分叉的端部，一个靶标球34位于分叉与本体的交界处，一个靶标球34位于本体的中部。本发明对可跟踪元件的形状、靶标球34的个数以及排布方式没有特别的限制。可跟踪元件的形状、靶标球34的个数以及排布方式是本领域技术人员可以根据需要进行设定的，本领域技术人员可以根据靶标球34的个数以及排布方式采用相应的算法用于确定可跟踪元件的末端在病人物理坐标系中的位置信息。可跟踪元件1包括扫描装置38，扫描装置38设置于可跟踪元件1之本体上，扫描装置38与控制装置通信连接。扫描装置38如可为摄像头，扫描装置38用于扫描骨表面以获得骨影像数据，并将获取的骨影像数据发送给控制装置。优选的，可跟踪元件1包括两个扫描装置38，两个扫描装置38通过支架连接在可跟踪元件1的本体上，两个扫描装置38优选铰接在支架上，操作者可调节扫描装置38相对于可跟踪元件1之本体的位置或角度。通过两个扫描装置38即可获得骨影像数据。由于可跟踪元件1上靶标球34和扫描装置38之间的位置关系是相对固定的，扫描装置38相对于可跟踪元件34的转动角度则可通过码盘读数获得。因此可跟踪元件1的末端所采集的特征点信息和扫描装置37所采集到的骨影像数据的关系是可知的。
进一步，可跟踪元件1还包括与所述控制装置通信连接的开关，所述开关被配置为，于满足相应设定条件时触发所述控制装置记录所述可跟踪元件1的位置信息。实际中，该位置信息即代表操作者所确定的标记点，开关于满足设定条件时，即触发通知控制装置操作者所确定的标记点。开关如可为手动开关35(如按钮开关)，设定条件如包括手动开关35按下实现与预设规则相对应的导通(如长按、短按或双击按动等)，手动开关35可设置在可跟踪元件1上任意位置处，优选的，其设置在操作者易于手持的位置。通过手动开关35的设置，便于操作者进行实时操作，包括但不限于标记点的确定和删除，而无需其它操作者协助，提高工作效率，以及操作体验。优选的，所述可跟踪元件1经所述手动开关35与控制装置的通信接口无线连接，例如手动开关35与控制装置通过蓝牙连接。所述控制装置的配准结果可显示在显示装置32上。操作者可以根据显示装置32的提示操作手动开关35。所述控制装置接收手动开关35的标记信号，并控制所述显示装置向操作者显示标记点确定信息(例如显示绿色特征点)或标记点重新确定或删除信息(例如显示红色特征点)，以实现标记点的确定或删除，从而一名操作者即可以独立的完成配准工作。
更进一步的，本发明并不限制手动开关35的操作方式，只要能够通过不同的输入方式实现不同的功能即可。即操作者可以通过不同的操作手动开关35的方式，实现不同的输入功能，例如通过按一次、连按多次或长按手动开关35的方式选择或删除所选标记点，或者设置多个对应不同功能的按钮(如确定按钮和取消按钮等)。如一示范性的示例中，操作者连续按手动开关35两次，实现标记点的确认；长按手动开关35，控制装置可提示删除标记点，操作者再次按手动开关35，可确认删除，操作者再次长按可取消删除选项，重新进入选择标记点的模式等。
为解决本发明的技术问题，本实施例还提供一种骨注册方法，其包括：
获取可跟踪元件1的末端经骨表面进行相应操作所得到的标记点信息；获取可跟踪元件1的扫描装置38对所述骨表面进行扫描得到的骨影像数据；根据获取的所述标记点信息结合所述骨影像数据进行骨表面虚拟重建。如此配置，通过将可跟踪元件1的末端在骨表面进行相应的操作，即可实现骨表面虚拟重建，而无需进行术前CT扫描，可避免病人受到辐射伤害，实现病人物理空间坐标系和图像空间坐标系的精确配准，只需一名操作者即可完成配准工作，且精度高，操作便捷，可显著提高注册效率，操作者的操作体验佳。
进一步的，根据所述可跟踪元件1的末端于骨表面进行抵靠操作，可以获取得到骨表面的轮廓数据。实际中，硬骨表面会有一层软骨层，若去除该软骨层，并将可跟踪元件1的末端于硬骨表面进行抵靠操作，可以获取得到硬骨表面的轮廓数据，控制装置可基于硬骨表面轮廓数据得到所述标记点信息。进而控制装置基于所述标记点信息，并结合扫描装置38获取的骨影像数据，进行骨表面虚拟重建。如图9所示，去除软骨的骨注册方法主要包括以下步骤：步骤SA1：去除软骨；步骤SA2：硬骨表面轮廓数据的采集；步骤SA3：硬骨表面的骨影像数据的采集；步骤SA4：数据处理(如可由控制装置执行)；步骤SA5：骨表面虚拟重建(如可由控制装置执行)。
在一些实施例中，可利用铣刀去除硬骨表面的软骨，获得硬骨表面；然后可跟踪元件1的末端在硬骨表面进行抵靠操作，抵靠操作如划线或点选等，当开关满足第三设定条件时，触发所述控制装置获取所述可跟踪元件1的末端的位置信息，控制装置通过可跟踪元件1的末端的位置信息即得到了硬骨表面轮廓数据。进而，控制装置即直接基于硬骨表面轮廓数据得到标记点信息，结合预先获取的骨影像数据，进行骨表面虚拟重建，图6示意了骨表面完成虚拟重建后的虚拟重建区41。具体的，在骨注册系统开机后，操作者打开手动开关35，并完成可跟踪元件1与定位装置2的配对。通过可跟踪元件1的末端在硬骨表面划线或点选，例如操作者将可跟踪元件1的末端放置在目标区域，长按手动开关35(满足第三设定条件的一种可选方式)，并在硬骨表面移动可跟踪元件1，使可跟踪元件1的末端在硬骨表面划线或点选，扫描装置38同步地采集骨影像数据。完成划线或点选后，操作者释放手动开关35，并从硬骨表面移开可跟踪元件1的末端。光学定位仪定位可跟踪元件1的末端之靶标球34的运动轨迹，从而获得可跟踪元件1的末端的运动轨迹，进而获得硬骨表面一系列标记点的位置信息(标记点集)，并发送给控制装置，控制装置根据获得的一系列标记点的位置信息结合扫描装置37所获得的骨影像数据进行骨表面虚拟重建。
优选的，所述对骨表面进行虚拟重建的步骤包括：将所述可跟踪元件1的末端在定位装置2下的标记点集与所述骨影像数据经分割后的表面点集进行配准。如图2所示，具体的，靶标坐标原点在光学定位仪下某一时刻坐标为O＝{x,y,z}，靶标坐标原点与可跟踪元件1的末端之间的转换关系为T＝{t_i,i＝1,2..n}。由此可以获得在定位装置2的坐标系下，在某一时刻多组标记点集为P＝{p_i,i＝1,2,…n}，其中p_i＝O·t_i，该标记点集与骨影像数据经过分割后重建的表面点集Qi，即骨影像数据坐标系下的表面点集进行精细配准，即实现了骨表面虚拟重建。
进一步的，所述配准的方法包括：首先，点云配准过程即为求解标记点集Pi与表面点集Qi两个点集之间的旋转平移矩阵，将所述标记点集Pi变换到与所述表面点集Qi相同的坐标系下：
Qi＝R·Pi+T
其中R与T为所求的旋转平移矩阵，i为自然数；
而所述旋转平移矩阵R与T的选取标准是，下式中：
Figure BDA0002387353910000131
使目标函数E取得最小值。
在其它的一些实施例中，可不去除硬骨表面的软骨，并将可跟踪元件1的末端于软骨表面进行抵靠操作，可以获取得到软骨表面的轮廓数据，此时还需要获取软骨厚度数据，以将软骨表面的轮廓数据修正为硬骨表面的轮廓数据，因此所述标记点信息可基于软骨表面轮廓数据和软骨厚度数据得到。
一般的，硬骨表面会有一层软骨层，而扫描装置38获得的骨影像数据常包括该软骨层。而实际中，硬骨表面的软骨层的厚度一般可认为是定值，根据患者的年龄、性别等因素设定修正值，对软骨层的厚度进行修正；但通过这种方法设定的修正值并无法适应个体差异，有可能影响硬骨配准的精度，从而影响手术精度。由此本实施例提供的骨注册方法中，所述软骨厚度数据的获取步骤包括：获取所述可跟踪元件的开关满足第一设定条件时其末端于一点处的第一位置信息；获取所述可跟踪元件的末端在所述一点处进行穿刺操作并至所述开关满足第二设定条件时，所述可跟踪元件的末端的第二位置信息；基于所述第一位置信息和所述第二位置信息的位置差得到所述软骨厚度数据。通过穿刺操作获取的软骨厚度数据，能精确匹配个体差异，有利于提高硬骨配准的精度。具体的，如图10所示，不去除软骨的骨注册方法主要包括以下步骤：步骤SB1：可跟踪元件的末端于软骨表面进行抵靠操作，以获取软骨表面轮廓数据；步骤SB2：可跟踪元件的末端于软骨表面进行穿刺操作，以获取软骨厚度数据；步骤SB3：可跟踪元件的扫描装置获取软骨表面的骨影像数据；步骤SB4：数据数据处理(如可由控制装置执行)；步骤SB5：骨表面虚拟重建(如可由控制装置执行)。
请参考图7，优选的，所述可跟踪元件1的末端为尖端，所述可跟踪元件1的开关被配置为，所述可跟踪元件的末端于软骨表面的一点处进行穿刺操作，当满足第一设定条件时，触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的第一位置信息；所述可跟踪元件的末端在所述一点处继续穿刺，至满足第二设定条件时触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的第二位置信息；进而所述控制装置根据所述第二位置信息与所述第一位置信息的位置差获得所述软骨厚度数据。进一步的，所述可跟踪元件1将软骨厚度数据发送给控制装置，控制装置基于软骨厚度数据对软骨表面轮廓数据进行修正后，得到硬骨表面轮廓数据，以进行骨表面虚拟重建。虚拟重建的过程可参考前文。更优选的，所述软骨厚度数据为所述可跟踪元件1的末端在多个点处进行穿刺操作所得到的多个数据的平均值。实际中，软骨层的厚度在不同的点处可能会有一些差距。此外，仅通过一次穿刺操作所获得的软骨厚度数据可能会带来一些误差，因此，可以通过多次穿刺操作，获取多个软骨厚度数据，并优选取其平均数，以提高精度。
在所述可跟踪元件1的末端抵触所述骨表面上的一点之后，至满足第一设定条件时，例如通过操作者的主观手感或者可跟踪元件1自身设置的设定条件，操作者或者可跟踪元件1自动通过控制所述开关来触发所述控制装置记录所述可跟踪元件1的第一位置信息，再之后，基于所述可跟踪元件1的末端在所述一点处继续穿刺，至满足第二设定条件时，例如通过操作者的主观手感或者可跟踪元件1自身设置的设定条件，由操作者或可跟踪元件1自动触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的第二位置信息；进而基于所述第二位置信息与所述第一位置信息的位置差获得所述软骨厚度数据。
在一个示范例中，所述第一设定条件包括所述手动开关35按下，第二设定条件包括手动开关35再次按下，首先使所述可跟踪元件1的末端接触到软骨表面并按下手动开关35，触发控制装置记录所述可跟踪元件1的第一位置信息(一点在软骨表面的位置信息)；然后继续下压可跟踪元件1，使可跟踪元件1的末端继续穿刺，至可跟踪元件1的末端接触到硬骨表面后再次按下手动开关35，触发控制装置记录所述可跟踪元件1的第二位置信息(所述一点在硬骨表面的位置信息)。其中所述可跟踪元件1在进行穿刺操作过程中的位移量即为软骨层的厚度。在该实施方式中，何时进行手动开关35按下操作的判断方法为操作者的主观手感。如上配置，无需在骨注册前去除软骨，操作方便，所得的结果相比现有直接根据患者的年龄或性别等因素直接设定修正值更准确，能较好地适应个体差异，有效提高了硬骨表面的配准精度。
请参考图4，其是本发明一实施例之第二个优选示例提供的可跟踪元件1的示意图。在该优选示例中，可跟踪元件1的开关包括力传感器36，所述力传感器36用于感测所述可跟踪元件1的末端所受到的反馈力，所述第一设定条件包括所述力传感器36于所感测的反馈力大于第一预设值。可选的，可将可跟踪元件1的末端刺到软骨表面时的反馈力作为第一预设值，该第一预设值即为初始零位标记。实际中，不论是否铲除软骨层，一旦力传感器36所感测到的反馈力大于第一预设值，即表明可跟踪元件1的末端已接触到骨表面。后续对骨表面进行虚拟重建的过程可参考前文，与前一优选示例相似，这里不再赘述。
进一步的，在不铲除软骨的方案中，可跟踪元件1的末端在所述一点处继续穿刺，直至满足第二设定条件时触发所述控制装置记录所述可跟踪元件1的第二位置信息；该第二设定条件包括所述力传感器36所感测的反馈力大于第二预设值，其中所述第二预设值大于所述第一预设值。实际中，可将可跟踪元件1的末端刺到硬骨表面的反馈力作为第二预设值，该第二预设值即为初始终点位标记。或者在另一些示例中，所述第二设定条件为所述力传感器36所感测的反馈力增加的同时，所述可跟踪元件1的末端的位置信息不变。具体的，当可跟踪元件1在穿刺操作的过程中，反馈力一直在增加，但是可跟踪元件1的末端位置不变，即表明可跟踪元件1的末端已接触到硬骨表面。由此可将反馈力增加而位置信息不变的情况作为可跟踪元件1的末端接触到硬骨表面的第二设定条件。进而，在获得可跟踪元件1的第一位置信息和第二位置信息后，通过第一位置信息和第二位置信息之间的位置差，即可跟踪元件1的末端的距离变化，即可知道软骨层的厚度。
更进一步的，可跟踪元件1的开关在包括力传感器36的同时，还包括手动开关35，操作者可以通过不同的操作来选择手动开关35的控制方式，实现不同的输入功能，例如通过按一次、连按多次或长按手动开关35的方式触发力传感器36，实现自动选择或删除所选特征点，同理，可通过按一次、连按多次或长按手动开关35的方式关闭力传感器36，实现手动选择或删除所选特征点。
请参考图5，其是本发明一实施例之第三个优选示例提供的可跟踪元件1的示意图。在该优选示例中，所述可跟踪元件1的末端为尖端，所述可跟踪元件1的末端用于在骨表面一点处进行穿刺操作，以获取所述一点处的软骨厚度数据；所述可跟踪元件1包括位移接触开关37，所述位移接触开关37包括阻尼器，所述阻尼器的刚度被配置为使所述阻尼器的行程与所述可跟踪元件1在穿刺软骨层时的穿刺阻力相适配，所述位移接触开关37于所述阻尼器的行程达到预定行程时触发所述控制装置以记录所述可跟踪元件1的位置信息，所述控制装置基于所述位置信息和所述阻尼器的刚度获得所述软骨厚度数据。可选的，阻尼器包括弹簧，实际中，可将可跟踪元件1的末端刺到软骨表面的力作为初始零位标记，通过标定记录的软骨层的刚度，选择适合的弹簧，得到弹簧压缩量与软骨层穿刺深度间的关系，即可通过位移的变化得到软骨层的厚度。具体的，操作者在确定选定的点后，按下可跟踪元件1，可跟踪元件1的末端受到软骨层的骨组织的反作用力，可跟踪元件1的末端相对于位移接触开关37产生轴向位移，至可跟踪元件1的末端到达硬骨时，弹簧的行程达到预定行程，位移接触开关37导通，从而触发控制装置记录所述可跟踪元件1的位置信息。优选的，该位移接触开关37在完成安装后，其位移开关的导通与否为可见的形式，即操作者可直接观察到位移开关是否导通。实际中，可通过多种方式将位移开关的导通情况传输至控制装置，例如可以由操作者直接通过观察并输入控制装置，或者可跟踪元件1通过无线传输的方式，直接将位移接触开关37所获取的导通数据传输至控制装置，控制装置基于标定的弹簧的刚度，即可以方便地求得软骨厚度数据。进一步的虚拟重建的操作可参考前文，与其它优选示例相似，这里不再赘述。
在上述实施例中，操作者均可独立的完成选点配准工作，提高了术前准备工作的效率，以及操作者的使用体验。当然，实际中也可以由另一操作者通过其它输入设备输入控制信号。可选的，输入设备可以为键盘、鼠标、触摸屏等。
此外，根据本发明的另一个方面，如上所述的骨注册方法可以在一程序被执行时实现，而该程序可以存储于本发明所提供的骨注册系统的控制装置的存储器中，当然也可将上述程序整合入其它的硬件装置，如将该程序整合入骨注册系统的任意装置中。
综上所述，在本发明提供的骨注册方法、骨注册系统、骨注册控制装置及可跟踪元件中，获取可跟踪元件的末端经骨表面进行相应操作所得到的标记点信息；获取可跟踪元件的扫描装置对所述骨表面进行扫描得到的骨影像数据；进而根据获取的所述标记点信息结合所述骨影像数据进行骨表面虚拟重建。如此配置中，操作者可手动触发可跟踪元件或者可跟踪元件自动来启动控制装置记录所述可跟踪元件的位置信息，例如以上所述的第一位置信息和/或第二位置信息，同时可以获得软骨厚度数据，控制装置利用软骨厚度数据和软骨表面轮廓数据对骨表面进行虚拟重建，并且，通过可跟踪元件自身设置的扫描装置来获得骨影像数据，进而无需进行术前CT扫描，在术中即可由操作者选择性的进行扫描操作，可避免病人受到辐射伤害，实现病人物理空间坐标系和图像空间坐标系的精确配准，如此操作中，只需一名操作者即可完成配准工作，实现病人物理空间坐标系和图像空间坐标系的精确配准，且精度高，操作便捷，可显著提高注册效率，操作者的操作体验佳。
进一步的，导航系统优选采用光学定位系统，光学定位系统的定位靶标可设置于可跟踪元件上，不仅避免了不能贴标记点进行配准和只利用骨性标记点配准误差大的问题，而且采用的光学定位系统成本较低。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (22)

1.一种骨注册方法，其特征在于，包括：
获取可跟踪元件的末端经骨表面进行相应操作所得到的标记点信息；
获取可跟踪元件的扫描装置对所述骨表面进行扫描得到的骨影像数据；
根据获取的所述标记点信息结合所述骨影像数据进行骨表面虚拟重建。
2.根据权利要求1所述的骨注册方法，其特征在于，所述标记点信息基于软骨表面轮廓数据和软骨厚度数据得到；或者，所述标记点信息基于硬骨表面轮廓数据得到；
所述软骨表面轮廓数据的获取步骤包括：根据所述可跟踪元件的末端于软骨表面进行抵靠操作得到；
所述硬骨表面轮廓数据的获取步骤包括：根据所述可跟踪元件的末端于硬骨表面进行抵靠操作得到；
所述软骨厚度数据的获取步骤包括：
获取所述可跟踪元件的开关满足第一设定条件时其末端于软骨表面一点处的第一位置信息；
获取所述可跟踪元件的末端在所述一点处进行穿刺操作并至所述开关满足第二设定条件时，所述可跟踪元件的末端的第二位置信息；
基于所述第一位置信息和所述第二位置信息的位置差得到所述软骨厚度数据。
3.根据权利要求1所述的骨注册方法，其特征在于，所述标记点信息基于软骨表面轮廓数据和软骨厚度数据得到；所述软骨表面轮廓数据的获取步骤包括：根据所述可跟踪元件的末端于软骨表面进行抵靠操作得到；所述可跟踪元件包括位移接触开关，所述位移接触开关包括阻尼器，所述阻尼器的刚度被配置为使所述阻尼器的行程与所述可跟踪元件的末端在穿刺软骨层时的穿刺阻力相适配；所述软骨厚度数据的获取步骤包括：
获取所述可跟踪元件的末端在软骨表面一点处进行穿刺操作并至所述阻尼器的行程达到预定行程时，所述可跟踪元件的末端的位置信息；
基于所述阻尼器的刚度和所述位置信息得到所述软骨厚度数据。
4.根据权利要求2或3所述的骨注册方法，其特征在于，所述标记点信息基于软骨表面轮廓数据和软骨厚度数据得到；其中所述软骨厚度数据为所述可跟踪元件的末端在多个点处进行穿刺操作所得到的多个数据的平均值。
5.根据权利要求1所述的骨注册方法，其特征在于，所述可跟踪元件包括开关，所述标记点信息于所述开关于满足相应的设定条件时得到。
6.根据权利要求1所述的骨注册方法，其特征在于，所述骨表面虚拟重建的步骤包括：
将所述可跟踪元件的末端在定位装置下的标记点集与所述骨影像数据经分割后的表面点集进行配准。
7.根据权利要求6所述的骨注册方法，其特征在于，所述配准的方法包括：
将所述标记点集Pi变换到与所述表面点集Qi相同的坐标系下：
Qi＝R·Pi+T
其中R与T为旋转平移矩阵，i为自然数；
而所述旋转平移矩阵R与T满足：
Figure FDA0002387353900000021
使目标函数E取得最小值。
8.一种骨注册系统，其特征在于，包括：可跟踪元件、定位装置及控制装置；
所述可跟踪元件用于在骨表面进行相应操作；所述可跟踪元件包括扫描装置，所述扫描装置用于对所述骨表面进行扫描以得到骨影像数据；
所述定位装置分别与所述可跟踪元件及所述控制装置通信连接，所述定位装置用于获取所述可跟踪元件的位置信息，并将所述可跟踪元件的位置信息发送给所述控制装置；
所述控制装置基于所述可跟踪元件在骨表面进行相应操作的位置信息得到标记点信息，并结合所述扫描装置所获取的骨影像数据，进行骨表面虚拟重建。
9.根据权利要求8所述的骨注册系统，其特征在于，
所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面进行抵靠操作，以及在软骨表面进行穿刺操作；所述控制装置根据所述可跟踪元件的末端在软骨表面的抵靠操作获得软骨表面轮廓数据，以及根据所述可跟踪元件的末端在软骨表面的穿刺操作获得软骨厚度数据，进而所述控制装置基于所述软骨表面轮廓数据和所述软骨厚度数据得到所述标记点信息；
或者，
所述可跟踪元件的末端用于在硬骨表面进行抵靠操作；所述控制装置根据所述可跟踪元件的末端在硬骨表面的抵靠操作获得硬骨表面轮廓数据，进而所述控制装置基于所述硬骨表面轮廓数据得到所述标记点信息。
10.根据权利要求9所述的骨注册系统，其特征在于，所述可跟踪元件包括开关，所述开关被配置为，所述可跟踪元件的末端于软骨表面一点处进行穿刺操作，当满足第一设定条件时，触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的第一位置信息；所述可跟踪元件的末端在所述一点处继续穿刺，至满足第二设定条件时触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的第二位置信息；进而所述控制装置根据所述第二位置信息与所述第一位置信息的位置差获得所述软骨厚度数据。
11.根据权利要求10所述的骨注册系统，其特征在于，所述开关包括手动开关和/或力传感器，所述力传感器用于感测所述可跟踪元件的末端所受到的反馈力；
所述第一设定条件包括所述手动开关按下，或所述力传感器所感测的反馈力大于第一预设值；
所述第二设定条件包括所述手动开关再次按下；所述力传感器所感测的反馈力大于第二预设值，其中所述第二预设值大于所述第一预设值；或者，所述力传感器所感测的反馈力增加的同时，所述可跟踪元件的末端的位置信息不变。
12.根据权利要求9所述的骨注册系统，其特征在于，所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面进行穿刺操作；所述可跟踪元件包括位移接触开关，所述位移接触开关包括阻尼器，所述阻尼器的刚度被配置为使所述阻尼器的行程与所述可跟踪元件的在穿刺软骨层时的穿刺阻力相适配，所述位移接触开关被配置为于所述阻尼器的行程达到预定行程时触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的位置信息，所述控制装置基于所述位置信息和所述阻尼器的刚度获得所述软骨厚度数据。
13.根据权利要求8所述的骨注册系统，其特征在于，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面或硬骨表面进行抵靠操作，所述可跟踪元件包括与所述控制装置通信连接的开关，所述开关被配置为，当满足第三设定条件时，触发所述控制装置记录所述可跟踪元件的末端的位置信息；进而所述控制装置根据所述位置信息获得所述软骨表面轮廓数据或所述硬骨表面轮廓数据。
14.根据权利要求8所述的骨注册系统，其特征在于，所述骨注册系统还包括显示装置，所述显示装置与所述控制装置通信连接，所述显示装置用于显示所述可跟踪元件的位置信息、骨表面的特征点、所述虚拟重建的结果或提示所述可跟踪元件的运动轨迹。
15.根据权利要求8所述的骨注册系统，其特征在于，所述定位装置包括光学定位仪，所述可跟踪元件包括多个光学靶标，所述光学定位仪通过红外线对所述光学靶标实现定位。
16.一种骨注册控制装置，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器中存储有程序，所述程序被执行时实现根据权利要求1～7中任一项所述的骨注册方法。
17.一种可跟踪元件，其特征在于，包括：扫描装置以及多个靶标，所述靶标用于与一定位装置适配，以供所述定位装置定位；所述扫描装置用于对骨表面进行扫描以获得骨影像数据。
18.根据权利要求17所述的可跟踪元件，其特征在于，所述可跟踪元件包括开关，所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面的一点处进行穿刺操作；所述开关被配置为，于满足第一设定条件时，触发一控制装置获取所述可跟踪元件的末端的第一位置信息；之后所述可跟踪元件的末端用于在所述一点处继续穿刺，至满足第二设定条件时所述开关触发所述控制装置获取所述可跟踪元件的末端的第二位置信息。
19.根据权利要求18所述的可跟踪元件，其特征在于，所述开关包括手动开关和/或力传感器，所述力传感器用于感测所述可跟踪元件的末端所受到的反馈力；
所述第一设定条件包括所述手动开关按下，或所述力传感器于所感测的反馈力大于第一预设值；
所述第二设定条件包括所述手动开关再次按下；所述力传感器于所感测的反馈力大于第二预设值，其中所述第二预设值大于所述第一预设值；或者，所述力传感器所感测的反馈力增加的同时，所述可跟踪元件的末端的位置信息不变。
20.根据权利要求17所述的可跟踪元件，其特征在于，所述可跟踪元件的末端为尖端，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面进行穿刺操作；所述可跟踪元件包括位移接触开关，所述位移接触开关包括阻尼器，所述阻尼器的刚度被配置为使所述阻尼器的行程与所述可跟踪元件的在穿刺软骨层时的穿刺阻力相适配，所述位移接触开关被配置为于所述阻尼器的行程达到预定行程时触发一控制装置获取所述可跟踪元件的位置信息。
21.根据权利要求17所述的可跟踪元件，其特征在于，所述可跟踪元件包括开关，所述可跟踪元件的末端用于在软骨表面或硬骨表面进行抵靠操作，所述开关被配置为，当满足第三设定条件时，触发一控制装置获取所述可跟踪元件的末端的位置信息。
22.根据权利要求17所述的可跟踪元件，其特征在于，所述可跟踪元件包括两个以上的设置于其本体上的扫描装置，所述扫描装置相对于所述可跟踪元件之本体的角度可调节。
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