CN111476832A - 一种髋臼杯配准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种髋臼杯配准方法，包括：通过计算机辅助成像方法获取病患髋臼杯图像；根据所述病患髋臼杯图像的CT值构建髋臼杯三维模型；在所述病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型间进行基于髋臼杯特征点的一次配准和二次配准。本发明提出一种在计算机辅助系统指导下进行髋臼杯配准的方法该方法，以医学图像为载体，采用双目视觉跟踪手术工具与患者髋臼杯实体的相对位姿，通过一次特征点配准与二次配准相结合的方式以实现基于机器人技术的髋关节置换手术系统下模型与实体患处配准。
Description
技术领域
本发明涉及医疗机器人技术领域，特别是涉及一种髋臼杯配准方法。
背景技术
人工髋关节置换术是治疗股骨头坏死、髋关节发育不良、退变性髋骨关节炎、类风湿性关节炎等疾病终末期病变的最重要和有效的手术之一。传统股骨头坏死治疗方法包括介入治疗，髓芯减压，游离植骨，带蒂植骨，股骨头骨水泥填充成行术，截骨术，股骨头表面置换，全髋关节置换等，上述传统的治疗方法中，游离植骨、带蒂植骨、股骨头骨水泥填充成形都要首先进行病灶清除术。医生在施行该类手术时完全暴露在X射线下，结合经验判断手术路径打入导针，然后沿着导针用医用钻头向股骨头坏死区钻孔，最后用专用工具将坏死区切除并植入新骨。整个过程手术时间长，很难彻底清除病灶且容易损伤正常骨组织。
发明内容
本发明的目的在于克服髋关节置换手术传统治疗方案的不足，本发明提出一种在计算机辅助系统指导下进行髋臼杯配准的方法，该方法以医学图像为载体，采用双目视觉跟踪手术工具与患者髋臼杯实体的相对位姿，通过一次特征点配准与二次配准相结合的方式以实现基于机器人技术的髋关节置换手术系统下模型与实体患处配准。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种髋臼杯配准方法，包括：通过计算机辅助成像方法获取病患髋臼杯图像；根据所述病患髋臼杯图像的CT值构建髋臼杯三维模型；在所述病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型间进行基于髋臼杯特征点的一次配准和二次配准；所述基于髋臼杯特征点的一次配准，包括：
S10，在所述髋臼杯三维模型表面按点选方式选择处于同一平面上的N个第一标记点，获取所述N个第一标记点的三维坐标；
S20，在所述病患髋臼杯表面使用医用探针点选的方式选择N个与所述第一标记点一一对应的第二标记点，获取所述N个第二标记点的三维坐标；
S30，将所述N个第一标记点和所述N个第二标记点组成匹配的对应点对，每组对应点对之间的映射关系为：
D(i)＝R*S(i)+T，i＝1,2,...N；
其中，D(i)为第二标记点的三维坐标，S(i)为第一标记点的三维坐标，R为旋转矩阵，T为平移向量；
S40，采用矩阵求解和求平均值方式对配准点对进行累加求平均值，得到旋转矩阵R和平移向量T；
S50，根据所述旋转矩阵R和平移向量T得到第一齐次坐标变换矩阵Mk。
进一步地，所述N个第一标记点，其中任意两个第一标记点的连线互相不平行。
进一步地，所述N个第二标记点的位置与N个第一标记点的位置一一对应。
进一步地，所述第一标记点和第二标记点的个数为5或者7。
进一步地，所述二次配准，包括：
设置当前符合要求的配准点对数k1＝0，设置当前匹配错误次数m1＝0：
P10，在髋臼杯三维模型上点选第一配准源点S1k1+1，在病患髋臼杯模型上点选配准目标点Tk1+1，组成待配准点对(S1k1+1，Tk1+1)；
P20，计算第二配准源点S2k1+1：第二配准源点S2k1+1＝第一齐次坐标变换矩阵Mk*第一准源点S1k1+1；
P30，以所述第二配准源点S2k1+1为配准源，以所述配准目标点Tk1+1为配准目标，通过ICP算法求取第二齐次坐标变换矩阵Micp；
P40，计算误差：计算第一配准源点集S1经第一齐次坐标变换矩阵Mk和第二齐次坐标变换矩阵Micp变换后，与配准目标点集T的均方根误差Ek1+1，其中，第一配准源点集S1＝{S11,......，,S1k1+1}，配准目标点集T＝{T1,，......,Tk1+1}；
P50，误差评价：
如果均方根误差Ek1+1大于误差阈值τ，判断当前匹配错误次数m1是否达到错误阈值m2，
若m1＜m2，则从第一配准源点集S1和配准目标点集T中删除对应点，m1自增1，返回步骤P10；
若m1＝m2，则终止迭代，配准进程失败，重新执行一次配准和二次配准；如果均方根误差Ek1+1小于预设阈值τ，则判断k1是否小于数量阈值k2；若是，则k1自增1，返回步骤P10；否则，将此时得到的第一齐次坐标变换矩阵Mk矩阵和第二齐次坐标变换矩阵Micp矩阵作为最终的配准矩阵输出，配准进程结束。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本申请充分利用了计算机辅助诊断，辅助成像的方法，完成髋臼杯模型与病患实体的三维配准，算法适用性强，配准精度高，操作方便，尤其适用于基于机器人技术的髋关节置换手术系统。
附图说明
图1是本申请空间配准流程图；
图2是基于髋臼杯特征点的一次配准流程图；
图3是二次配准流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
配准技术是通过一定算法，利用计算机算出两组物体之间的旋转平移关系，从而实现将两组物体关联到一起。其问题关键是计算两组物体的坐标变换参数，包括旋转矩阵和平移向量。通过该坐标变换参数使得两组视角下测得的源对象物体和目标对象物体坐标变换后的距离最小化。也就是将目标物体和源物体在不同视角下的重叠区域，通过配准使得该区域在统一坐标系中尽可能重叠。
人工假体的精准植入是评价手术质量、预后、功能恢复的重要指标，人工髋关节置换术对髋臼杯制备和摆放的精度要求很高，髋臼外展角较小使其应力指向内上方，髋关节内收时不易撞击髋臼假体，稳定性好，并不容易发生脱位。这一角度过小时,会使髋关节的屈曲和外展受限,过大时则可能减少髋关节的内收和旋转,发生髋关节内收撞击、假体外上应力集中和髖关节不稳且容易向上脱位。只有合适的外展角才能使髋臼假体对股骨头的覆盖较好接触较广,应力分布均匀,关节稳定。由此可见，配准精度对于髋臼杯的植入非常关键。
针对上述技术问题，本申请的构思是，提供一种髋臼杯配准方法，如图1所示，包括：通过计算机辅助成像方法获取病患髋臼杯图像；根据病患髋臼杯图像的CT值构建髋臼杯三维模型；进行基于髋臼杯特征点的一次配准和二次配准。
其中，基于髋臼杯特征点的一次配准，如图2所示，包括：
S10，在髋臼杯三维模型表面按逆时针点选方式选择处于同一平面上的5个第一标记点，获取5个第一标记点的三维坐标；
由于标记点过少会影响配准效果，标记点过多则会影响处理速度，根据髋臼杯特征和后期二次配准需要，故本实施例中设计5组标记点，所选取的5个第一标记点，其中任意两个第一标记点的连线互相不平行，以逆时针方式是为了便于第一标记点和第二标记点的对应；
S20，在病患髋臼杯表面使用医用探针点选的方式选择5个与第一标记点一一对应的第二标记点，获取5个第二标记点的三维坐标，选取的5个第二标记点的位置与5个第一标记点的位置一一对应。
S30，将5个第一标记点和5个第二标记点组成匹配的对应点对，每组对应点对之间的映射关系为：
D(i)＝R*S(i)+T，i＝1,2,...,5；
其中，D(i)为第二标记点的三维坐标，S(i)为第一标记点的三维坐标，R为旋转矩阵，T为平移向量；
S40，采用矩阵求解和求平均值方式对配准点对进行累加求平均值，得到旋转矩阵R和平移向量T；
S50，根据旋转矩阵R和平移向量T得到第一齐次坐标变换矩阵Mk。
二次配准，如图3所示，包括：
设置当前符合要求的配准点对数k1＝0，设置当前匹配错误次数m1＝0：
P10，在髋臼杯三维模型上点选第一配准源点S1k1+1，在病患髋臼杯模型上点选配准目标点Tk1+1，组成待配准点对(S1k1+1，Tk1+1)；
P20，计算第二配准源点S2k1+1：第二配准源点S2k1+1＝第一齐次坐标变换矩阵Mk*第一准源点S1k1+1；
P30，以第二配准源点S2k1+1为配准源，以配准目标点Tk1+1为配准目标，通过ICP算法求取第二齐次坐标变换矩阵Micp；
P40，计算误差：计算第一配准源点集S1经第一齐次坐标变换矩阵Mk和第二齐次坐标变换矩阵Micp变换后，与配准目标点集T的均方根误差Ek1+1，其中，第一配准源点集S1＝{S11,......，,S1k1+1}，配准目标点集T＝{T1,，......,Tk1+1}；
P50，误差评价：
如果均方根误差Ek1+1大于误差阈值τ，判断当前匹配错误次数m1是否达到错误阈值m2，
若m1＜m2，则从第一配准源点集S1和配准目标点集T中删除对应点，m1自增1，返回步骤P10；
若m1＝m2，则终止迭代，配准进程失败，重新执行一次配准和二次配准；如果均方根误差Ek1+1小于预设阈值τ，则判断k1是否小于数量阈值k2；若是，则k1自增1，返回步骤P10；否则，将此时得到的第一齐次坐标变换矩阵Mk矩阵和第二齐次坐标变换矩阵Micp矩阵作为最终的配准矩阵输出，配准进程结束。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (5)
1.一种髋臼杯配准方法，其特征在于，包括：
通过计算机辅助成像方法获取病患髋臼杯图像；
根据所述病患髋臼杯图像的CT值构建髋臼杯三维模型；
在所述病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型间进行基于髋臼杯特征点的一次配准和二次配准；
所述基于髋臼杯特征点的一次配准，包括：
S10，在所述髋臼杯三维模型表面以点选方式选择处于同一平面上的N个第一标记点，获取所述N个第一标记点的三维坐标；
S20，在所述病患髋臼杯表面使用医用探针点选的方式选择N个与所述第一标记点一一对应的第二标记点，获取所述N个第二标记点的三维坐标；
S30，将所述N个第一标记点和所述N个第二标记点组成匹配的对应点对，每组对应点对之间的映射关系为：
D(i)＝R*S(i)+T，i＝1,2,...N；
其中，D(i)为第二标记点的三维坐标，S(i)为第一标记点的三维坐标，R为旋转矩阵，T为平移向量；
S40，采用矩阵求解和求平均值方式对配准点对进行累加求平均值，得到旋转矩阵R和平移向量T；
S50，根据所述旋转矩阵R和平移向量T得到第一齐次坐标变换矩阵Mk。
2.根据权利要求1所述的一种髋臼杯配准方法，其特征在于，所述N个第一标记点，其中任意两个第一标记点的连线互相不平行。
3.根据权利要求1所述的一种髋臼杯配准方法，其特征在于，所述N个第二标记点的位置与N个第一标记点的位置一一对应。
4.根据权利要求1或2所述的一种髋臼杯配准方法，其特征在于，所述第一标记点和第二标记点的个数为5或者7。
5.根据权利要求1所述的一种髋臼杯配准方法，其特征在于，所述二次配准，包括：
设置当前符合要求的配准点对数k1＝0，设置当前匹配错误次数m1＝0：
P10，在髋臼杯三维模型上点选第一配准源点S1k1+1，在病患髋臼杯模型上点选配准目标点Tk1+1，组成待配准点对(S1k1+1，Tk1+1)；
P20，计算第二配准源点S2k1+1：第二配准源点S2k1+1＝第一齐次坐标变换矩阵Mk*第一准源点S1k1+1；
P30，以所述第二配准源点S2k1+1为配准源，以所述配准目标点Tk1+1为配准目标，通过ICP算法求取第二齐次坐标变换矩阵Micp；
P40，计算误差：计算第一配准源点集S1经第一齐次坐标变换矩阵Mk和第二齐次坐标变换矩阵Micp变换后，与配准目标点集T的均方根误差Ek1+1，其中，第一配准源点集S1＝{S11,......，,S1k1+1}，配准目标点集T＝{T1,，......,Tk1+1}；
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