CN112641511A - 关节置换手术导航系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种关节置换手术导航系统及方法，所述系统包括：术前规划模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行分割重建得到髋关节三维模型，并进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；导航配准模块，用于根据骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，根据所述髋关节实体模型，控制夹持假体的手术器械将假体安放在髋关节中。通过术前规划手术入路及假体安放位置等信息，术中利用空间定位方法，对手术器械进行追踪，提高手术的精确度的同时还为医生提供导航支持，使手术更加安全高效。

Description

关节置换手术导航系统及方法
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体涉及一种关节置换手术导航系统及方法。
背景技术
近年来，髋关节置换术作为治疗严重髋关节疼痛、畸形、功能障碍的一种有效的临床术式，在国内外得到了广泛的开展。医学影像技术的发展(如CT、MRI等可以显示结构复杂部位的三维结构)虽然使医生对病人的情况做出比以前更充分、精确的评估，然而这些图像特征并不适用于手术过程中，术中医生仍是主要靠二维的X光图像，根据临床经验进行局部分析和诊断，对于病变区域的精确定位和定量分析远远不够，而现有的术前根据CT图像数据重建的三维模型在术中与患者解剖结构之间的配准精度较低，实时性较差，手术时间较长，从而严重影响了医生使用的积极性。此外，传统的关节置换手术，主要依靠医生的手术经验，通过传统的手术工具与器械进行人工关节的安放与植入，可重复性低，精准度差，手术的风险性大，术后并发症多。
发明内容
由于现有方法存在上述问题，本发明实施例提供一种关节置换手术导航系统及方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种关节置换手术导航系统，包括：
术前规划模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
导航配准模块，用于根据光学定位仪，骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配；
手持控制模块，根据术前规划方案与髋关节实体配准结果，通过手持控制模块器械将髋臼假体安放在髋关节中，实时在术中监测假体的位置，通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现。
进一步地，所述术前规划模块包括：数据获取子模块、三维模型重建子模块、髋臼侧计划确定子模块、股骨侧计划确定子模块和计划方案确认子模块；
其中，所述数据获取子模块，用于获取髋关节医学图像数据；
所述三维模型重建子模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型；
所述髋臼侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，并根据髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角以及髋臼外展角，综合考虑髋臼杯覆盖率，确定髋臼侧植入假体的大小型号以及位置；
所述股骨侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角，并根据股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角确定股骨侧假体植入大小型号及位置，同时考虑腿长差和股骨联合偏心距；
所述计划方案确认子模块，用于确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适，若否，则触发所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块重新确定髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划，若是，则将所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划作为术前规划方案。
进一步地，所述导航配准模块包括：探针检查子模块、股骨标记子模块、股骨配准子模块、股骨颈截骨子模块、扩锉和股骨柄安放子模块、骨盆标记子模块和骨盆配准子模块；
其中，所述探针检查子模块，用于通过探针标定架对手术探针进行精度验证；
所述股骨标记子模块，用于通过手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置；
所述股骨配准子模块，用于根据手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的股骨进行配准；
所述股骨颈截骨子模块，用于根据髋关节三维模型中股骨的配准结果，确定股骨颈截骨位置；
所述扩锉和股骨柄安放子模块，用于根据股骨颈截骨位置，对股骨进行扩挫和股骨柄的安放；
所述骨盆标记子模块，用于通过手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置；
所述骨盆配准子模块，用于根据手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。
进一步地，所述手持控制模块包括：髋臼磨锉子模块、髋臼压配子模块和复位结果子模块；
所述髋臼磨锉子模块，用于根据髋关节三维模型中髋臼侧的配准结果，通过手持控制设备对髋臼进行磨锉操作；
所述髋臼压配子模块，用于在髋臼进行磨锉操作后，根据髋关节实体模型，通过手持控制设备控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作；其中，通过手持控制设备控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作是指：通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现；
所述复位结果子模块，用于根据股骨柄与股骨解剖结构的对齐情况，以及，髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，确定手术复位结果情况。
进一步地，所述复位结果子模块，具体用于：
通过手术探针采集髋臼杯上至少三个点的空间位置，确定髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，以及，测量股骨柄与股骨解剖结构的对齐情况，确定手术复位结果情况。
进一步地，所述导航配准模块，还包括术后检查子模块；
所述术后检查子模块用于在手术复位后通过检查髋关节运动范围和肢体长度评估髋关节术后稳定性。
进一步地，所述手持机器人处理模块还包括自转导航子模块；
所述自转导航子模块与磨锉定位子模块相连，用于带动磨锉定位子模块实现360°不同方位调节，以适应不同方位的光学追踪识别。
第二方面，本发明实施例还提供了一种关节置换手术导航方法，包括：
根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
根据光学定位仪，骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配；
根据术前规划方案与髋关节实体配准结果，通过手持控制模块器械将髋臼假体安放在髋关节中，实时在术中监测假体的位置，通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现。
第三方面，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第二方面所述关节置换手术导航方法的步骤。
第四方面，本发明实施例还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如第二方面所述关节置换手术导航方法的步骤。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种关节置换手术导航系统及方法，术前根据髋关节医学图像数据得到髋关节的三维模型，进而根据髋关节三维模型进行手术规划，模拟假体安放的位置、大小和角度等信息，术中通过骨盆参考架和股骨参考架追踪股骨和骨盆的空间位置，并根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，使得通过髋关节三维模型能准确反映患者髋关节的结构构造，使术者对假体安放位置的情况十分清楚，避免了以往导航系统需要术前定位和制定匹配计划的繁杂过程。由此可见，本发明实施例通过三维模型进行术前规划，以及，利用空间定位方法进行术中导航，从而可以为医生提供可视化的手术操作监控信息，辅助医生完成精准手术操作并最大限度地避开危险区域，提高了手术的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些图获得其他的附图。
图1是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的术前规划模块的示意图；
图3是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的导航配准模块的示意图；
图4是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的示意图；
图5是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航方法的流程图；
图6是本发明一实施例提供的另一种关节置换手术导航方法的流程图；
图7是本发明一实施例提供的一种手持导航机器人的结构示意图；
图8是本发明一实施例提供的一种手持导航机器人的术前规划模块的示意图；
图9是本发明一实施例提供的一种手持导航机器人的导航配准模块的示意图；
图10是本发明一实施例提供的一种手持导航机器人的手持机器人处理模块的示意图；
图11是本发明一实施例提供的操作工具示意图；
图12是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的配准过程示意图；
图13是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统和手持导航机器人的应用场景示意图；
图14是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统和手持导航机器人的磨锉场景示意图；
图15是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统和手持导航机器人的压配场景示意图
图16是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统髋臼杯计划示意图；
图17是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统股骨柄计划示意图；
图18是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统截骨操作示意图；
图19是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统磨锉操作示意图；
图20是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统压配操作示意图；
图21是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统复位操作示意图；
图22是本发明一实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1示出了本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统，图4是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的示意图，图5是本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的界面图，图6是本发明一实施例提供的另一种关节置换手术导航系统的界面图。下面结合图1、图4、图5和图6对本发明实施例提供的关节置换手术导航系统进行详细解释和说明。
如图1所示，本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统，包括：
术前规划模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
导航配准模块，用于根据光学定位仪，骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配；
手持控制模块，根据术前规划方案与髋关节实体配准结果，通过手持控制模块器械将髋臼假体安放在髋关节中，实时在术中监测假体的位置，通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现。
在本实施例中，可以通过成像设备(CT/MRI/X线)对病人的骨盆及双下肢进行术前扫描，生成术前骨盆及双下肢的三维视图。可选的，关节置换手术导航系统在术前读入DICOM格式CT图像，并对髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，根据多个分割图像对应的图像数据重建个体化复杂髋关节三维模型(这一步可以根据现有算法实现)，包括虚拟骨盆和股骨，以使手术人员通过髋关节三维模型在术前充分评估病人情况、利用系统软件规划手术入路和模拟髋关节(股骨侧、髋臼侧)手术方案。所述手术方案包括假体植入的位置、大小和角度等手术信息。本发明实施例可以在普通计算机上实现医学图像处理，使医生可以对可视化三维图像任意剖分。在关节置换手术导航系统中，病灶信息在视觉上清晰可见，而且便于手术操作。
在本实施例中，如图16、图17和图18所示，通过计算机系统导入关节置换手术导航系统，包括测量髋臼形态、髋臼旋转中心、骨量、髋臼外展角及前倾角、腿长差异和偏心距。术中可根据实际测量数据并及时在电脑中显示对所有数据进行模板化，以确定假体的最适合大小和位置。
在本实施例中，手持控制模块也称手持机器人或手持机器人模块。
在本实施例中，骨盆参考架和股骨参考架可手动安置在髋臼侧和股骨侧，利用系统的导航相机跟踪骨盆参考架和股骨参考架上的示踪元件，确定患者的骨盆和股骨的空间位置。相应的，在手术探针进行采点时导航相机跟踪手术探针尾部的示踪元件，通过算法计算出所采集点的空间位置，进而将手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置集成到一个共同的坐标系统中，对髋关节三维模型进行配准。此时，在髋关节三维模型中会显示出相应的采集点，通过点云配准算法，分别实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。可以理解的是，导航配准模块需要将术中病人体位与术前扫描数据(如CT和MRI)进行坐标系配准，从而找到术前扫描数据与术中病人体位的转换关系，进而根据术中病人体位对术前规划生成的髋关节三维模型进行修正，以降低术前规划过程中标记点空间位置的误差，从而极大的提高配准精度。
在本发明实施例中，采用一种优选的实施方式，将术前在扫描数据上选定的点云与术中医生标定的点云进行拟合，找出最合适的旋转矩阵，其中医生在病人人体上标定的点会参照术前选定的点，当医生标定的点和术前选定的点在人体上不在同一位置时，需要根据医生标记的点云的空间位置关系和结构来实时修正术前选定的点云的位置，使最终配准结果达到较高的精度。
在本实施例中，需要说明的是，在股骨侧和髋臼侧完成配准后，对髋臼侧进行磨锉操作，以及，对股骨进行扩挫。在对髋臼侧进行磨锉操作和对股骨进行扩挫后，将预定型号的髋臼杯和股骨柄分别植入股骨侧和髋臼侧。其中，导航相机通过红外摄像动态追踪手术器械相对病人解剖结构的当前位置。在本实施例中，需要说明的是，针对髋关节置换术对手术的要求较高，而传统的器械辅助易于导致假体植入位置的不确定性，并且需要相当长的时间才能将假体植入到正确的位置。本发明实施例综合先进的成像设备(CT/MRI/X线)，根据影像学检查结果以获得骨盆及双下肢三维模型，利用计算机辅助医学影像技术进行图像的三维重建与融合，术前充分评估病人情况，规划手术路径模拟手术方案、确定手术入路以及假体安放的大小、位置、角度等手术信息，利用空间定位方法对手术器械进行追踪，显著提高了手术的精确度和器械的可行性，为外科医生提供导航支持，使手术更精确、安全和高效。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图2，所述术前规划模块包括：数据获取子模块、三维模型重建子模块、髋臼侧计划确定子模块、股骨侧计划确定子模块和计划方案确认子模块；
其中，所述数据获取子模块，用于获取髋关节医学图像数据；
所述三维模型重建子模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型；
所述髋臼侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，并根据髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，以及髋臼杯覆盖率，确定髋臼侧植入假体的大小型号以及位置；
举例来说，当髋关节三维模型髋臼直径为50mm，确定相应的髋臼侧植入假体的大小型号约为50mm，当髋臼前倾角为20°，髋臼外展角为40°，根据髋臼旋转中心位置及保证髋臼杯覆盖率大于70％情况，确定髋臼植入假体的具体位置。
所述股骨侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴和股骨颈干角，并根据股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴和股骨颈干角，确定股骨侧假体植入大小型号及位置，同时考虑腿长差和股骨联合偏心距；
具体地，可以根据股骨头旋转中心，确定股骨侧假体旋转中心，并根据股骨髓腔解剖轴确定股骨侧假体轴线，根据股骨髓腔形态及颈干角确定股骨侧假体大小号。
所述计划方案确认子模块，用于确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适，若否，则触发所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块重新确定髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划，若是，则将所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划作为术前规划方案。
在本实施例中，在确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适时，具体是指：
髋臼侧假体大小型号合适标准：髋臼杯直径近似于髋臼直径相等，髋臼杯与髋臼前后径贴合但又不过多磨损骨质，保证髋臼杯覆盖率大于70％。髋臼杯位置合适的标准：髋臼杯放置在安全区。股骨合适的标准：股骨侧假体与股骨贴合。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，术前规划模块是包括人机交互接口、电机控制、图像信号采集三部分，均采用c++语言编程，可运行在Window操作系统中，能够传输术中医学图像和规划手术路径，并通过控制模块的数据网络接口实施术中导航，系统采用了集成化的设计思想，使系统结构小巧，占用手术空间少。同时，模块化的设计使得系统可以方便的拆卸和组装，不仅提高了系统的临床适应性，也便于消毒，且系统对于手术环境和手术器械没有特殊的要求。
在本实施例中，需要说明的是，功能模块之间采用快速接口技术(数据接口及机械接口)，以方便组装框架及连接驱动电机和线缆。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种关节置换手术导航系统，术前根据髋关节医学图像数据得到髋关节的三维模型，进而根据髋关节三维模型进行手术规划，模拟假体安放的位置、大小和角度等信息，术中通过骨盆参考架和股骨参考架追踪股骨和骨盆的空间位置，并根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，使得通过髋关节三维模型能准确反映患者髋关节的结构构造，使术者对假体安放位置的情况十分清楚，避免了以往导航系统需要术前定位和制定匹配计划的繁杂过程。由此可见，本发明实施例通过三维模型进行术前规划，以及，利用空间定位方法进行术中导航，从而可以为医生提供可视化的手术操作监控信息，辅助医生完成精准手术操作并最大限度地避开危险区域，提高了手术的安全性。
在本实施例中，在关节置换手术导航系统在术前读入DICOM格式CT图像后，对髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，进而得到多个分割图像对应的图像数据。
在本实施例中，根据数据获取子模块获取的图像数据重建个体化复杂髋关节三维模型，包括虚拟骨盆和股骨。
在本实施例中，手术人员可以根据髋关节三维模型中髋臼侧的结构情况，制定髋臼磨锉和髋臼杯植入的计划，包括手术入路、磨锉次数、髋臼杯的大小、位置和角度等信息。
在本实施例中，手术人员可以根据髋关节三维模型中股骨侧的结构情况，制定股骨颈截骨和假体植入的计划，包括截骨位置、扩锉程度、股骨柄的大小、位置和角度等信息。
在本实施例中，可以理解的是，在制定好髋臼侧计划和股骨侧计划后，手术人员需要进行评估分析，对不符合标准的手术计划重新进行制定，以确保术前规划生成的手术方案为最佳方案。本发明实施例能够从视觉、触觉和听觉上为医生进行手术操作提供便利，扩展医生的操作技能，有效提高手术诊断与评估、精密操作和手术训练的质量，缩短患者康复周期。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，术前规划过程中，还可以包括：用于创建患者方案的方案创建子模块、用于进行骨盆三维模型矫正的骨盆矫正子模块、用于进行术前髋臼标记的骨盆标记子模块(髋臼前缘、髋臼后缘、髋臼上缘、髋臼旋转中心)、用于进行术前髋臼配准的髋臼配准规划子模块、用于进行术前髋臼验证的髋臼验证规划子模块、用于进行术前股骨标记的股骨标记子模块(股骨胫鞍点、小转子点、膝内上髁、膝外上髁、大转子点、股骨胫中心、股骨头中心、股骨近端、股骨远端)、用于进行术前股骨配准的股骨配准规划子模块和用于进行术前股骨验证的股骨验证规划子模块。
其中，髋臼配准规划子模块和股骨配准规划子模块，均是术前规划好的点，以使术中采集后利用这些点完成配准。髋臼验证规划子模块和股骨验证规划子模块，均是用于验证髋臼侧和股骨侧的配准是否成功。具体的，在髋臼侧和股骨侧完成配准后再次利用手术探针采集结构表面至少三个点进行配准验证。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图3，本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的导航配准模块的示意图，如图3所示，所述导航配准模块包括：
探针检查子模块、股骨标记子模块、股骨配准子模块、股骨颈截骨子模块、扩锉和股骨柄安放子模块、骨盆标记子模块和骨盆配准子模块；
其中，所述探针检查子模块，用于通过探针标定架对手术探针进行精度验证；
所述股骨标记子模块，用于通过手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置；
所述股骨配准子模块，用于根据手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的股骨进行配准；
所述股骨颈截骨子模块，用于根据髋关节三维模型中股骨的配准结果，确定股骨颈截骨位置；
所述扩锉和股骨柄安放子模块，用于根据股骨颈截骨位置，对股骨进行扩挫和股骨柄的安放；
所述骨盆标记子模块，用于通过手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置；
所述骨盆配准子模块，用于根据手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。
在本实施例中，所述股骨配准子模块或所述骨盆配准子模块在进行配准时，具体用于：
以三角形为配准过程中的最小单元，若医生术中标记的点为A、B、C三点，对应的术前规划点为a、b、c，其中，医生标记的点都在人体组织表面上；
在a、b、c分别对应的邻域空间点集中筛选出对应的点a’、b’、c’，使三角形ABC和三角形a’b’c’全等，其中，a’b’c’三点都在人体组织表面上；其中，由a’、b、’c’组成的三角形与A、B、C组成的三角形是全等三角形；
将术前规划的a、b、c的空间位置修正到a’、b、’c’的空间位置，并运用配准方法将术中标记的点和术前规划的点进行配准，以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
以使用手术探针采集至少三个病人解剖结构上的点为例，此时配准算法的最小单元为三角形，假设医生术中标记的点为A B C三点，对应的术前规划点为a b c，可以默认医生标记的点都在人体组织表面上，则我们需要在a b c的邻域中找到点a’,b’,c’，使三角形ABC和三角形a’b’c’全等，其中a’b’c’点都在人体组织表面上，这样a’b’c’三点与ABC三点在人体组织上的位置重合度极高，因为三角形具有唯一性。如图12所示，本发明一实施例提供的一种关节置换手术机器人导航定位系统的配准过程示意图。图中左侧A、B、C为医生术中标记的点，右侧a、b、c为术前规划的点，可以看出，(A、B、C)和(a、b、c)有明显的空间位置误差，右侧空白标记点为a、b、c邻域空间的点集。在大量空白标记点中筛选出a’、b、’c’，由a’、b、’c’组成的三角形与A、B、C组成的三角形基本上是全等三角形，此时将术前规划的a、b、c的空间位置修正到a’、b、’c’的空间位置，并运用ICP配准方法即可将术中标记的点和术前规划的点进行配准，以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
可以理解的是，由于三角形具有唯一性和足够的稳定性，因此在配准时采用三角形作为配准最小单元能够有效提高配准的准确性，从而可以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述手持控制模块包括：髋臼磨锉子模块、髋臼压配子模块和复位结果子模块；
所述髋臼磨锉子模块，用于根据髋关节三维模型中髋臼侧的配准结果，通过手持控制设备对髋臼进行磨锉操作；
所述髋臼压配子模块，用于在髋臼进行磨锉操作后，根据髋关节实体模型，通过手持控制设备控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作；其中，通过手持控制设备控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作是指：通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现；
所述复位结果子模块，用于根据股骨柄与股骨解剖结构的对齐情况，以及，髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，确定手术复位结果情况。
在本实施例中，需要说明的是，在手术探针在术中进行采点前，需要进行精度验证。具体的，将手术探针的针尖依次点触探针标定架上的各个检验点，点触完所有检验点后，在系统上会显示手术探针的采集精度，对不符合预设标准的手术探针进行调整以满足手术操作需求。
在本实施例中，需要说明的是，术中利用手术探针的针尖点触髋臼侧和股骨侧上至少三个不同位置，以使根据手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的股骨进行配准，以及，根据手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。
在本实施例中，如图19和图20所示，在对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准后，对髋臼进行磨锉操作，以使控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作。
在本实施例中，如图21所示，在股骨柄和髋臼杯植入后，根据股骨柄与股骨解剖结构的对齐情况，以及，髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，判断是否进行手术复位。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，所述导航配准模块还可以包括用于验证骨盆配准结果的骨盆配准验证子模块和用于验证股骨配准结果的股骨配准验证子模块。在髋臼侧和股骨侧配准完成后，根据配准后的采集点距离骨表面的距离验证配准是否正确。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，通过光学追踪软件建立个性化的骨盆模型，并由跟踪系统模拟髋臼假体的位置在整个植入过程中，髋臼假体角度的数据始终显示在计算机屏幕上，髋臼假体的位置以模拟的形式实时更新显示，使术者对假体的位置十分清楚,避免了以往导航系统需要术前定位和制定匹配计划的繁杂过程。同时，系统软件可准确探测计算物体的三维数据，并判断其具体的方位和角度。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述复位结果子模块，具体用于：
通过手术探针采集髋臼杯上至少三个点的空间位置，确定髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，以及，测量股骨柄与股骨解剖结构的对齐情况，确定手术复位结果情况。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，在髋臼杯植入后，通过手术探针的针尖点触髋臼杯上至少三个点的空间位置，根据手术探针采集点的空间位置与骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准，从而确定髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，例如，确定髋臼杯前倾角、髋臼杯外展角、髋臼杯覆盖率、髋臼杯旋转中心与原髋臼旋转中心的相对位置变化，进而判断是否进行手术复位。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，在股骨柄植入后，测量股骨柄与患者解剖结构的对齐情况，例如腿长差、股骨偏距差、联合偏距差、股骨前倾角等，进而判断是否进行手术复位。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述导航配准模块，还包括术后检查子模块；
所述术后检查子模块用于在手术复位后通过检查髋关节运动范围和肢体长度评估髋关节术后稳定性。
在本实施例中，在手术复位后，通过检查髋关节运动范围和双下肢肢体长度评估髋关节术后稳定性，缝合关节囊，逐层关闭组织层次。
在本实施例中，需要说明的是，在全髋置换手术完成后，髋臼假体外展角度的变异减少，假体与人体更匹配，假体安装过程也更精确，手术质量明显提高，同时可以有效避免术后一些并发症发生。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种关节置换手术导航方法，参见图5，本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航方法的流程图，图6，本发明一实施例提供的另一种关节置换手术导航方法的流程图。如图5和图6所示，本发明实施例提供的一种关节置换手术导航方法，具体包括：
步骤701：根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
在本步骤中，可以通过成像设备(CT/MRI/X线)对病人的骨盆及双下肢进行术前扫描，生成术前骨盆及双下肢的三维视图。可选的，关节置换手术导航系统在术前读入DICOM格式CT图像，并对髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，根据多个分割图像对应的图像数据重建个体化复杂髋关节三维模型，包括虚拟骨盆和股骨，以使手术人员通过髋关节三维模型在术前充分评估病人情况、利用系统软件规划手术入路和模拟髋关节(股骨侧、髋臼侧)手术方案。所述手术方案包括假体植入的位置、大小和角度等手术信息。
在本步骤中，需要说明的是，通过计算机系统导入关节置换手术导航系统，包括测量髋臼形态、骨量、髋臼外展角及前倾角、腿长差异和偏心距。术中可根据实际测量数据并及时在电脑中显示对所有数据进行模板化，以确定假体的大小和位置。
步骤702：根据光学定位仪，骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配。
在本步骤中，骨盆参考架和股骨参考架可手动安置在髋臼侧和股骨侧，利用系统的导航相机跟踪骨盆参考架和股骨参考架上的示踪元件，确定患者的骨盆和股骨的空间位置。相应的，在手术探针进行采点时导航相机跟踪手术探针尾部的示踪元件，通过算法计算出所采集点的空间位置，进而将手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置集成到一个共同的坐标系统中，对髋关节三维模型进行配准。此时，在髋关节三维模型中会显示出相应的采集点，通过点云配准算法，分别实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。在股骨侧和髋臼侧完成配准后，对髋臼侧进行磨锉操作，以及，对股骨进行扩挫。在对髋臼侧进行磨锉操作和对股骨进行扩挫后，将预定型号的髋臼杯和股骨柄分别植入股骨侧和髋臼侧。
步骤703：根据术前规划方案与髋关节实体配准结果，通过手持控制模块器械将髋臼假体安放在髋关节中，实时在术中监测假体的位置，通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种关节置换手术导航方法，术前根据髋关节医学图像数据得到髋关节的三维模型，进而根据髋关节三维模型进行手术规划，模拟假体安放的位置、大小和角度等信息，术中通过骨盆参考架和股骨参考架追踪股骨和骨盆的空间位置，并根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，使得通过髋关节三维模型能准确反映患者髋关节的结构构造，使术者对假体安放位置的情况十分清楚，避免了以往导航系统需要术前定位和制定匹配计划的繁杂过程。由此可见，本发明实施例通过三维模型进行术前规划，以及，利用空间定位方法进行术中导航，从而可以为医生提供可视化的手术操作监控信息，辅助医生完成精准手术操作并最大限度地避开危险区域，提高了手术的安全性。
本实施例所述的关节置换手术导航方法可以用于执行上述方法实施例，其原理和技术效果类似，此处不再赘述。
基于相同的发明构思，本发明另一实施例提供了一种手持导航机器人，如图7所示，本发明一实施例提供的一种手持导航机器人，包括术前规划模块1、导航配准模块2和手持机器人处理模块3；
所述术前规划模块1，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
所述导航配准模块2，用于根据骨盆参考架确定骨盆的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型；
所述手持机器人处理模块3，基于所述髋关节实体模型，通过手持机器人对髋臼进行磨锉操作。
在本实施例中，可以通过成像设备(CT/MRI/X线)对病人的骨盆及双下肢进行术前扫描，生成术前骨盆及双下肢的三维视图。可选的，关节置换手术导航系统在术前读入DICOM格式CT图像，并对髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，根据多个分割图像对应的图像数据重建个体化复杂髋关节三维模型，包括虚拟骨盆和股骨，以使手术人员通过髋关节三维模型在术前充分评估病人情况、利用系统软件规划手术入路和模拟髋关节(股骨侧、髋臼侧)手术方案。所述手术方案包括假体植入的位置、大小和角度等手术信息。本发明实施例可以在普通计算机上实现医学图像处理，使医生可以对可视化三维图像任意剖分。在关节置换手术导航系统中，病灶信息在视觉上清晰可见，而且便于手术操作。
在本实施例中，需要说明的是，通过计算机系统导入关节置换手术导航系统，包括测量髋臼形态、骨量、髋臼外展角及前倾角、腿长差异和偏心距。术中可根据实际测量数据并及时在电脑中显示对所有数据进行模板化，以确定假体的大小和位置。
在本实施例中，骨盆参考架和股骨参考架可手动安置在髋臼侧和股骨侧，利用系统的导航相机跟踪骨盆参考架和股骨参考架上的示踪元件，确定患者的骨盆和股骨的空间位置。相应的，在手术探针进行采点时导航相机跟踪手术探针尾部的示踪元件，通过算法计算出所采集点的空间位置，进而将手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置集成到一个共同的坐标系统中，对髋关节三维模型进行配准，从而可以建立虚拟图像与病人实体间的对应关系，实现实际手术与虚拟手术进行匹配验证和导引。其中，在髋关节三维模型中会显示出相应的采集点，通过点云配准算法，分别实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。在股骨侧和髋臼侧完成配准后，对髋臼侧进行磨锉操作，以及，对股骨进行扩挫。在对髋臼侧进行磨锉操作和对股骨进行扩挫后，将预定型号的髋臼杯和股骨柄分别植入股骨侧和髋臼侧。其中，导航相机通过红外摄像动态追踪手术器械相对病人解剖结构的当前位置。
在本实施例中，在完成髋关节实体模型中的髋臼侧配准后，利用手持机器人对髋臼进行磨锉操作。
在本实施例中，需要说明的是，针对髋关节置换术对手术的要求较高，而传统的器械辅助易于导致假体植入位置的不确定性，并且需要相当长的时间才能将假体植入到正确的位置。本发明实施例综合先进的成像设备(CT/MRI/X线)，根据影像学检查结果以获得骨盆及双下肢三维模型，利用计算机辅助医学影像技术进行图像的三维重建与融合，术前充分评估病人情况，规划手术路径模拟手术方案、确定手术入路以及假体安放的大小、位置、角度等手术信息，利用空间定位方法对手术器械进行追踪，显著提高了手术的精确度和器械的可行性，为外科医生提供导航支持，使手术更精确、安全和高效。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，术前规划模块是包括人机交互接口、电机控制、图像信号采集三部分，均采用c++语言编程，可运行在Window操作系统中，能够传输术中医学图像和规划手术路径，并通过控制模块的数据网络接口实施术中导航，系统采用了集成化的设计思想，使系统结构小巧，占用手术空间少。同时，模块化的设计使得系统可以方便的拆卸和组装，不仅提高了系统的临床适应性，也便于消毒，且系统对于手术环境和手术器械没有特殊的要求。
在本实施例中，需要说明的是，功能模块之间采用快速接口技术(数据接口及机械接口)，以方便组装框架及连接驱动电机和线缆。
在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例采用一种新型的导航控制技术，采用了基于光学识别的手持导航器，并开发出了可以实现快、慢速控制、360°方位固定、正负旋转的转换模式引导控制系统对原始数据进行读取和解析，获得其自身的坐标系，并建立和手持机器人的映射关系，通过标定得出其输出数据之间的定量关系。具体的，首先为实现多控制模式的转换，建立360度旋转控制模型，从而确定人机交互过程中的最优效果，进而选取符合操作者意图的控制模式。其次为减少操控过程中操作者的生理抖动的影响，软件交互将对其状态进行最优显示，最后通过实验有效地验证了该方法在人机交互应用中具备较高的可行性和通用性。而传统的手工操作的手术模式不仅需要熟练的技术和丰富的临床经验，同时手术时间长、工作量大，不可避免地导致人员疲劳，轻则影响手术效果、重则导致医疗事故。
在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例包含专用配套器械，包括：手持导航器、导航压配杆、骨盆航参考架(骨盆参考架适配器)、探针标定架、手术探针、股骨参考架、快接定位针以及配套的辅助工具。在术中基于三维模型，利用手术探针在患者坐标系的位置与在模型标记点坐标系的位置关系，将现实采集的手术探针位置通过坐标变换转换到术前重建的三维病灶模型所在的坐标系中。该系统简单稳定，同时还可以满足外科手术导航精度的需求，能够使器械在患者体内依靠自身实现空间移动、定位，增强了手术器械的末端姿态调整能力，具有较好的灵活性，同时也实现了在狭小空间内完成手术操作的需求。其中，手持导航器，用于动力系统与光感系统结合驱动髋臼锉手柄完成术中导航的动力系统，手持式的手术机器人导航系统是一种动力系统上与光感系统相结合的联接结构，所述联接结构包括：导航环，所述导航环的一端旋转连接在动力上，具有自转关节避免了方位受限的问题。导航压配杆，用于完成髋关节手术操作过程中的压配操作。骨盆参考架，用于追踪骨盆位置，其与3针骨盆钳和骨盆参考架适配器一起使用。探针标定架，用于进行探针术前标定，完成手术探针的精度验证。手术探针，用于收集患者解剖结构上的一些点。股骨参考架，用于追踪股骨位置。快接针，用于书中固定，分别有3mm、4mm。
在本实施例中，如图13本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统和手持导航机器人的应用场景示意图所示，a表示主控台车显示器，用于完成术前规划和显示整个手术过程的实况信息；b表示主控台车，用于承载主控台车显示器a，可任意移动；i表示光学导航仪，用于追踪手持导航器e、探针c、股骨参考架g、骨盆参考架h和导航压配杆d的空间位置；c表示手术探针，用于收集患者解剖结构上的一些点；d表示导航压配杆，用于进行髋关节手术中的压配操作；e表示手持导航器，f表示磨锉杆，手持导航器e与磨锉杆f连接，用于完成术中髋臼侧的磨锉操作；g表示股骨参考架，用于定位患者股骨位置；h表示髋臼参考架，用于定位患者髋臼侧位置，与3针骨盆钳和骨盆参考架适配器一起使用；j表示光学导航仪显示器，用于显示由光学导航仪捕捉到的手持导航器e、探针c、股骨参考价g、髋臼参考架h和导航压配杆d的空间姿态；k表示光学导航底座，用于承载光学导航仪i和光学导航仪显示器j，可任意移动；l表示手术床。如图14和图15所示，可以理解的是，本发明实施例先进行髋臼侧的磨锉操作，后进行髋臼侧的压配操作。
由上面技术方案可知，本发明实施例提供的一种手持导航机器人，术前根据髋关节医学图像数据得到髋关节的三维模型，进而根据髋关节三维模型进行手术规划，模拟假体安放的位置、大小和角度等信息，术中通过骨盆参考架追踪骨盆的空间位置，并根据手术探针与骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型进行配准，并基于配准后的髋关节实体模型，通过手持机器人对髋臼进行磨锉操作。由此可见，本发明实施例通过三维模型进行术前规划、利用空间定位方法进行术中导航，以及，通过手持机器人对髋臼进行智能化磨锉操作，从而可以为医生提供可视化的手术操作监控信息，辅助医生完成精准手术操作并最大限度地避开危险区域，实现磨锉操作的快、慢、360°旋转控制，不仅提高了手术的安全性，还可以确定人机交互过程中的最优效果，进而选取符合操作者意图的控制模式。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图8，本发明一实施例提供的一种手持导航机器人的术前规划模块的示意图。如图8所示，所述术前规划模块1包括：数据获取子模块4、三维模型重建子模块5、髋臼侧计划确定子模块6和计划方案确认子模块7；
其中，所述数据获取子模块4，用于获取髋关节医学图像数据；
所述三维模型重建子模块5，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型；
所述髋臼侧计划确定子模块6，用于根据所述髋关节三维模型确定髋臼侧假体植入计划；
所述计划方案确认子模块7，用于确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划是否合适，若否，则触发所述髋臼侧计划确定子模块重新确定髋臼侧假体植入计划，若是，则将所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划作为术前规划方案。
在本实施例中，在手持机器人导航系统在术前读入DICOM格式CT图像后，对髋关节图像进行分割处理得到多个分割图像，进而得到多个分割图像对应的图像数据。
在本实施例中，根据数据获取子模块获取的图像数据重建个体化复杂髋关节三维模型，包括虚拟骨盆和股骨。
在本实施例中，手术人员可以根据髋关节三维模型中髋臼侧的结构情况，制定髋臼磨锉和髋臼杯植入的计划，包括手术入路、磨锉次数、髋臼杯的大小、位置和角度等信息。
在本实施例中，可以理解的是，在制定好髋臼侧计划后，手术人员需要进行评估分析，对不符合标准的手术计划重新进行制定，以确保术前规划生成的手术方案为最佳方案。本发明实施例能够从视觉、触觉和听觉上为医生进行手术操作提供便利，扩展医生的操作技能，有效提高手术诊断与评估、精密操作和手术训练的质量，缩短患者康复周期。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图9，本发明一实施例提供的一种手持导航机器人的导航配准模块的示意图，如图9所示，所述导航配准模块2包括：探针检查子模块8、骨盆标记子模块9和骨盆配准子模块10。
其中，所述探针检查子模块8，用于通过探针标定架对手术探针进行精度验证；
所述骨盆标记子模块9，用于通过手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置；
所述骨盆配准子模块10，用于根据手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。
在本实施例中，需要说明的是，在手术探针在术中进行采点前，需要进行精度验证。具体的，将手术探针的针尖依次点触探针标定架上的各个检验点，点触完所有检验点后，在系统上会显示手术探针的采集精度，对不符合预设标准的手术探针进行调整以满足手术操作需求。
在本实施例中，需要说明的是，术中利用手术探针的针尖点触髋臼侧上至少三个不同位置，以使根据手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。可以理解的是，导航配准模块2需要将术中病人体位与术前扫描数据(如CT和MRI)进行坐标系配准，从而找到术前扫描数据与术中病人体位的转换关系，进而根据术中病人体位对术前规划生成的髋关节三维模型进行修正，以降低术前规划过程中标记点空间位置的误差，从而极大的提高配准精度。
在本发明实施例中，采用一种优选的实施方式，将术前在扫描数据上选定的点云与术中医生标定的点云进行拟合，找出最合适的旋转矩阵，其中医生在病人人体上标定的点会参照术前选定的点，当医生标定的点和术前选定的点在人体上不在同一位置时，需要根据医生标记的点云的空间位置关系和结构来实时修正术前选定的点云的位置，使最终配准结果达到较高的精度。其中，点云配准算法如下：
以使用手术探针采集至少三个病人解剖结构上的点为例，此时配准算法的最小单元为三角形，假设设医生术中标记的点为A B C三点，对应的术前规划点为a b c，可以默认医生标记的点都在人体组织表面上，则我们需要在a b c的邻域中找到点a’,b’,c’，使三角形ABC和三角形a’b’c’全等，其中a’b’c’点都在人体组织表面上，这样a’b’c’三点与ABC三点在人体组织上的位置重合度极高，因为三角形具有唯一性。如图12所示，本发明一实施例提供的一种关节置换手术导航系统的配准过程示意图。图中左侧A、B、C为医生术中标记的点，右侧a、b、c为术前规划的点，可以看出，(A、B、C)和(a、b、c)有明显的空间位置误差，右侧空白标记点为a、b、c邻域空间的点集。在大量空白标记点中筛选出a’、b、’c’，由a’、b、’c’组成的三角形与A、B、C组成的三角形基本上是全等三角形，此时将术前规划的a、b、c的空间位置修正到a’、b、’c’的空间位置，并运用ICP配准方法即可将术中标记的点和术前规划的点进行配准，以实现股骨侧和髋臼侧表面的精确配准。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，通过光学追踪软件建立个性化的骨盆模型，并由跟踪系统模拟髋臼假体的位置在整个植入过程中，髋臼假体角度的数据始终显示在计算机屏幕上，髋臼假体的位置以模拟的形式实时更新显示，使术者对假体的位置十分清楚,避免了以往导航系统需要术前定位和制定匹配计划的繁杂过程。同时，系统软件可准确探测计算物体的三维数据，并判断其具体的方位和角度。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，参见图10，本发明一实施例提供的一种手持导航机器人的手持机器人处理模块的示意图。如图10所示，所述手持机器人处理模块3包括：磨锉定位子模块13、髋臼磨锉子模块14和髋臼压配子模块15；
其中，所述磨锉定位子模块13，用于获取手持导航器在髋臼侧结构中的空间位置，并根据所述手持导航器在髋臼侧结构中的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准；
所述髋臼磨锉子模块14，用于根据髋关节三维模型中髋臼侧的配准结果，通过手持导航器的磨锉手柄对髋臼进行磨锉操作；
所述髋臼压配子模块15，用于在髋臼进行磨锉操作后，根据髋关节实体模型，控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作。
在本实施例中，利用系统的导航相机跟踪手持导航器在髋臼侧结构中的空间位置，进而将手持导航器在髋臼侧结构中的空间位置和骨盆参考架的空间位置集成到一个共同的坐标系统中，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。
在本实施例中，在髋关节三维模型中的髋臼侧配准成功后，手术人员可以利用手持导航器对髋臼进行磨锉操作。操作期间，可以通过调节手持导航器上的自转关节实现360°不同方位调节，以适应不同方位的光学追踪识别。
在本实施例中，在完成髋臼侧的磨锉后，控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并利用导航压配杆完成压配操作。
在本实施例中，需要说明的是，手持导航器可以辅助人手臂实现磨挫操作，手持机器人导航系统中从计算机视觉、机器人定位等技术完成实时导航。实施手术时，通过三维视觉系统和动作定标系统操作控制同时，系统的红外线摄像头动态追踪手术器械相对病人解剖结构的当前位置。本发明实施例将传统的手术工具与光感小球结合，坚力基于光学导航和力反馈的手持机器人导航系统平台。具体的，采用光学追踪定位技术进行术中精确定位手持导航器与手术器械结合完成医生的技术动作和手术操作。为医生提供可视化的手术操作监控信息，辅助医生完成精准手术操作最大限度地避开危险区域，大大减少病人的磨挫次数及并发症，提高了手术的安全性。
在本实施例中，采用一种优选的实施方式，通过光学追踪软件建立个性化的骨盆模型，并由跟踪系统模拟髋臼假体的位置在整个植入过程中，髋臼假体角度的数据始终显示在计算机屏幕上，髋臼假体的位置以模拟的形式实时更新显示，使术者对假体的位置十分清楚,避免了以往导航系统需要术前定位和制定匹配计划的繁杂过程。同时，系统软件可准确探测计算物体的三维数据，并判断其具体的方位和角度。
在本实施例中，需要说明的是，手持导航器有助于降低医务工作者的劳动风险，可有效避免医生在放射条件下工作的风险，以及手术中被感染的概率。同时，手持导航器的出现促进了相关技术的进步，它不再单纯依赖医生经验，同时对病情检测与数据获取更加规范，这大大促进了相关医疗技术的发展。
本发明实施例通过手持导航器辅助手术人员进行磨锉操作，具有降低制造成本及使用维护成本，使手术机器人更加普遍的投入应用、简化手术机器人复杂的结构设计，简化操作步骤，使医生使用更加方便、小型化与远程化，设备体积更小、易于运输，远程手术技术更加成熟、智能化，具备一定的人工智能，对医生的相关操作进行预测、评估与告警等有益效果。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述手持机器人处理模块3还包括自转导航子模块16；
所述自转导航子模块与所述磨锉定位子模块相连，用于带动磨锉定位子模块实现360°不同方位调节，以适应不同方位的光学追踪识别。
在本实施例中，需要说明的是，手持导航器上包含与导航环相连的自转关节，可以带动导航环实现360°不同方位调节，以适应不同方位的光学追踪识别。本发明实施例通过手持导航器可以实现360°不同方位的定位转换，从而解决现有的导航机器人作业范围有限，容易进入死机状态的问题。在本实施例中，图11对手术中需要使用的操作工具进行了示例说明。
基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述导航配准模块2还包括：复位结果子模块11和术后检查子模块12；
所述复位结果子模块11，用于通过手术探针采集髋臼杯上至少三个点的空间位置，确定髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，进而确定手术复位结果情况；
所述术后检查子模块12用于在手术复位后通过检查髋关节运动范围评估髋关节术后稳定性。
在本实施例中，在髋臼杯植入后，根据髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，判断是否进行手术复位。具体的，在髋臼杯植入后，通过手术探针的针尖点触髋臼杯上至少三个点的空间位置，根据手术探针采集点的空间位置与骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准，从而确定髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，并判断是否进行手术复位。
在本实施例中，在手术复位后，通过检查髋关节运动范围，评估髋关节术后稳定性，进而缝合关节囊，逐层关闭组织层次。
在本实施例中，需要说明的是，在全髋置换手术完成后，髋臼假体外展角度的变异减少，假体与人体更匹配，假体安装过程也更精确，手术质量明显提高，同时可以有效避免术后一些并发症发生。
本发明另一实施例还提供了一种关节置换手术导航方法，具体包括：
根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
根据光学定位仪，骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配；
根据术前规划方案与髋关节实体配准结果，通过手持控制模块器械将髋臼假体安放在髋关节中，实时在术中监测假体的位置，通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现。
由于本发明实施例提供的方法可以采用上述关节置换手术导航系统实现，其工作原理和技术效果类似，故此处不再赘述。
基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种电子设备，参见图22所具体包括如下内容：处理器2201、存储器2202、通信接口2203和通信总线2204；
其中，所述处理器2201、存储器2202、通信接口2203通过所述通信总线2204完成相互间的通信；所述通信接口2203用于实现各设备之间的信息传输；
所述处理器2201用于调用所述存储器2202中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述一种关节置换手术导航方法的全部步骤，例如，根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；根据骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，控制夹持假体的手术器械将假体安放在髋关节中。
基于相同的发明构思，本发明又一实施例提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述一种关节置换手术导航方法的全部步骤，例如，根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；根据骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，并根据所述髋关节实体模型，控制夹持假体的手术器械将假体安放在髋关节中。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的关节置换手术导航方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种关节置换手术导航系统，其特征在于，包括：
术前规划模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
导航配准模块，用于根据光学定位仪，骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配；
手持控制模块，根据术前规划方案与髋关节实体配准结果，通过手持控制模块器械将髋臼假体安放在髋关节中，实时在术中监测假体的位置，通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现。
2.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统，其特征在于，所述术前规划模块包括：数据获取子模块、三维模型重建子模块、髋臼侧计划确定子模块、股骨侧计划确定子模块和计划方案确认子模块；
其中，所述数据获取子模块，用于获取髋关节医学图像数据；
所述三维模型重建子模块，用于根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型；
所述髋臼侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角，髋臼外展角，并根据髋臼旋转中心，髋臼直径，髋臼前倾角以及髋臼外展角，综合考虑髋臼杯覆盖率，确定髋臼侧植入假体的大小型号以及位置；
所述股骨侧计划确定子模块，用于根据所述髋关节三维模型确定股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角，并根据股骨头旋转中心，股骨髓腔形态，股骨髓腔解剖轴以及股骨颈干角确定股骨侧假体植入大小型号及位置，同时考虑腿长差和股骨联合偏心距；
所述计划方案确认子模块，用于确认所述髋臼侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划以及所述股骨侧计划确定子模块确定的股骨侧假体植入计划是否合适，若否，则触发所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块重新确定髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划，若是，则将所述髋臼侧计划确定子模块和所述股骨侧计划确定子模块确定的髋臼侧假体植入计划和股骨侧假体植入计划作为术前规划方案。
3.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统，其特征在于，所述导航配准模块包括：探针检查子模块、股骨标记子模块、股骨配准子模块、股骨颈截骨子模块、扩锉和股骨柄安放子模块、骨盆标记子模块和骨盆配准子模块；
其中，所述探针检查子模块，用于通过探针标定架对手术探针进行精度验证；
所述股骨标记子模块，用于通过手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置；
所述股骨配准子模块，用于根据手术探针采集股骨解剖结构上至少三个点的空间位置和股骨参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的股骨进行配准；
所述股骨颈截骨子模块，用于根据髋关节三维模型中股骨的配准结果，确定股骨颈截骨位置；
所述扩锉和股骨柄安放子模块，用于根据股骨颈截骨位置，对股骨进行扩挫和股骨柄的安放；
所述骨盆标记子模块，用于通过手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置；
所述骨盆配准子模块，用于根据手术探针采集髋臼侧结构上至少三个点的空间位置和骨盆参考架的空间位置关系，对髋关节三维模型中的髋臼侧进行配准。
4.根据权利要求3所述的关节置换手术导航系统，其特征在于，所述手持控制模块包括：髋臼磨锉子模块、髋臼压配子模块和复位结果子模块；
所述髋臼磨锉子模块，用于根据髋关节三维模型中髋臼侧的配准结果，通过手持控制设备对髋臼进行磨锉操作；
所述髋臼压配子模块，用于在髋臼进行磨锉操作后，根据髋关节实体模型，通过手持控制设备控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作；其中，通过手持控制设备控制夹持髋臼杯的手术器械将髋臼杯安放在髋臼中，并完成压配操作是指：通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现；
所述复位结果子模块，用于根据股骨柄与股骨解剖结构的对齐情况，以及，髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，确定手术复位结果情况。
5.根据权利要求4所述的关节置换手术导航系统，其特征在于，所述复位结果子模块，具体用于：
通过手术探针采集髋臼杯上至少三个点的空间位置，确定髋臼杯在髋臼中的安放位置、大小和角度，以及，测量股骨柄与股骨解剖结构的对齐情况，确定手术复位结果情况。
6.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统，其特征在于，所述导航配准模块，还包括术后检查子模块；
所述术后检查子模块用于在手术复位后通过检查髋关节运动范围和肢体长度评估髋关节术后稳定性。
7.根据权利要求4所述的关节置换手术导航系统，其特征在于，所述手持机器人处理模块还包括自转导航子模块；
所述自转导航子模块与磨锉定位子模块相连，用于带动磨锉定位子模块实现360°不同方位调节，以适应不同方位的光学追踪识别。
8.一种关节置换手术导航方法，其特征在于，包括：
根据获取的髋关节医学图像数据进行髋关节的分割和重建得到髋关节三维模型，并根据所述髋关节三维模型进行术前规划，确定假体安放的位置、大小和角度；
根据光学定位仪，骨盆参考架和股骨参考架确定骨盆和股骨的空间位置，以及，根据手术探针与骨盆参考架和股骨参考架的空间位置关系，对所述髋关节三维模型进行配准，得到髋关节实体模型，将髋关节实体模型与术前规划模型相匹配；
根据术前规划方案与髋关节实体配准结果，通过手持控制模块器械将髋臼假体安放在髋关节中，实时在术中监测假体的位置，通过手持控制设备手动调节髋臼安放假体的旋转中心，髋臼假体前倾角，髋臼假体外展角，髋臼假体打入深度，将术前计划在术中精准实现。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求8所述关节置换手术导航方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求8所述关节置换手术导航方法的步骤。
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