CN113116523B - 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质 - Google Patents

骨科手术配准装置、终端设备和存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN113116523B
CN113116523B CN202110380859.XA CN202110380859A CN113116523B CN 113116523 B CN113116523 B CN 113116523B CN 202110380859 A CN202110380859 A CN 202110380859A CN 113116523 B CN113116523 B CN 113116523B
Authority
CN
China
Prior art keywords
mark points
bone surface
model
registration
point
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110380859.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113116523A (zh
Inventor
孟李艾俐
周越
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bone shengyuanhua robot (Shenzhen) Co., Ltd
Original Assignee
Bone Shengyuanhua Robot Shenzhen Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bone Shengyuanhua Robot Shenzhen Co ltd filed Critical Bone Shengyuanhua Robot Shenzhen Co ltd
Priority to CN202110380859.XA priority Critical patent/CN113116523B/zh
Publication of CN113116523A publication Critical patent/CN113116523A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113116523B publication Critical patent/CN113116523B/zh
Priority to PCT/CN2022/090083 priority patent/WO2022214105A1/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2068—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis using pointers, e.g. pointers having reference marks for determining coordinates of body points
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2068—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis using pointers, e.g. pointers having reference marks for determining coordinates of body points
    • A61B2034/207—Divots for calibration

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

本申请实施例适用于医疗器械技术领域，提供了一种骨科手术配准装置、终端设备和存储介质，该装置包括：粗配准模块，用于根据多个骨面标记点以及多个模型标记点确定第一变换关系，采用第一变换关系对多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；中心点拟合模块，用于确定平移向量，将多个粗配准标记点沿平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，将第一变换关系更新为第二变换关系；精配准模块，用于获取多个骨面区域标记点，采用第二变换关系对多个骨面区域标记点和骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定多个模型区域标记点，根据第三变换关系对多个骨面标记点和多个模型标记点进行配准。采用该装置可提高骨科手术配准的精度。

Description

骨科手术配准装置、终端设备和存储介质
技术领域
本申请实施例属于医疗器械技术领域，特别是涉及一种骨科手术配准装置、终端设备和存储介质。
背景技术
随着人均寿命的增长，人口老龄化进程的加快，骨科病的发病率也在不断增长，骨科手术的需求量逐年上升。作为最常见的骨科手术术式之一，关节置换手术的复杂度高，在手术过程中，既要保证三维空间的准确截骨以及与假体的准确匹配，又要注意软组织平衡，对医生的技巧及经验都提出了极高的要求。
骨科手术机器人是一种能够协助骨外科医生进行精准手术操作的机器人系统，其优势在于手术精准度高、患者创伤小、术后恢复快，并能降低医生操作强度。通常，骨科手术机器人由机械臂系统、术前规划系统、术中定位跟踪导航系统以及可视化系统等组成。其中，术前规划系统可用于在患者手术前进行的电子计算机断层扫描(ComputedTomography，CT)得出的骨头三维模型上进行手术方案设计。在手术过程中，通过术中定位跟踪导航系统可确保术前规划方案得到精准的执行。为了确保上述过程顺利完成，如何将电脑中保存的骨头三维模型与手术室中的患者真实骨头进行对应，保证二者之间的配准精度就至关重要。
发明内容
有鉴于此，本申请实施例提供了一种骨科手术配准装置、终端设备和存储介质，用以提高在骨科手术过程中骨头三维模型与患者真实骨头之间的配准精度。
本申请实施例的第一方面提供了一种骨科手术配准装置，包括：
粗配准模块，用于获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
中心点拟合模块，用于确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
精配准模块，用于获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
本申请实施例的第二方面提供了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中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计算机程序时实现如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
本申请实施例的第三方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
本申请实施例的第四方面提供了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
与现有技术相比，本申请实施例包括以下优点：
本申请实施例提供的骨科手术配准装置在进行股骨或胫骨配准时，依次通过粗配准、中心点拟合和精配准等步骤，并将股骨头中心点和踝关节中心点纳入配准全流程，在注册配准过程中对股骨机械轴和胫骨机械轴进行了约束，有效地提高了注册配准的精度，降低了假体在矢状面发生倾斜的概率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，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的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一个实施例的一种骨科手术配准装置的示意图；
图2是本申请一个实施例的一种股骨配准的步骤示意图；
图3是本申请一个实施例的一种胫骨配准的步骤示意图。
图4是本申请一个实施例的一种终端设备的示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其他实施例中也可以实现本申请。在其他情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。
在使用骨科手术机器人辅助进行手术的过程中，完成患处显露后，通常需要进行一个叫做“注册配准”的步骤，其目的就是尽可能精确地拟合患者真实骨头与骨头三维模型，以确保医生可以按照手术规划方案完成手术，保证假体安装的准确性与有效性。
通常，在骨科手术过程中，业界公认的评价假体安装准确性与有效性的指标包括：
1)冠状面胫骨组件角(frontal tibial component，FTC)：在立位负重下肢全长X线片上以胫骨内、外侧平台切线为胫骨侧横轴，测量该轴与胫骨机械轴的夹角即冠状面胫骨组件角，理想值为90°。
2)冠状面股骨组件角(frontal femoral component，FFC)：在立位负重下肢全长X线片上以股骨内、外髁的切线为膝关节股骨侧横轴，测量该轴与股骨机械轴的夹角即冠状面股骨组件角，理想值为90°。
3)矢状面股骨组件角(lateral femoral component，LFC)：在膝关节侧位X线片上测量股骨侧假体的轴线与股骨机械轴的夹角，即矢状面股骨组件角，理想值为0°。
4)矢状面胫骨组件角(lateral tibial component，LTC)：胫骨侧假体横轴与胫骨机械轴线的夹角，即矢状面胫骨组件角，理想值根据所使用假体的设计不同而有所差别。
以上四个评价指标中，股骨、胫骨机械轴都是核心参考轴，因此如何在机器人辅助手术中准确地评估股骨与胫骨的机械轴至关重要。根据定义，股骨机械轴为股骨头中心点到股骨远端中心点的连线，胫骨机械轴为踝关节中心点到胫骨平台中心点的连线。因此，股骨头中心点和踝关节中心点的定位准确性也就直接决定了整个假体安装的准确性。
目前，注册配准的方法主要包括两种。一种是在手术过程中对手术区域进行CT扫描，获得术中实时的骨头三维模型，并在此基础上进行手术方案的规划与实施。该方法需要配合使用手术室中的术中CT设备，其造价极其昂贵，并且会大幅增加手术时间和复杂度。另一种方法则是在患处显露后，由医生利用装有红外反射球的探针在股骨和胫骨暴露骨面的特定区域采集生物特征点，然后利用奇异值分解-迭代最近点(Singular ValueDecomposition-Iterative Closest Point，SVD-ICP)算法进行拟合，最终完成注册配准。
在实际应用中，由于患者骨面存在软骨、骨赘等干扰，上述传统的SVD-ICP配准算法得出的拟合结果总是存在误差的。尤其是股骨机械轴、胫骨机械轴的误差，在传统SVD-ICP算法中并未对其进行完整的约束，经常导致假体在矢状面的安装位置不理想，也就是俗称的假体抬头/低头。本申请实施例为了解决这一问题，提供了一种骨科手术配准装置、终端设备和存储介质，在传统SVD-ICP算法的基础上，提出了一种将股骨头中心点和踝关节中心点纳入配准全流程的算法，在注册配准过程中对股骨机械轴和胫骨机械轴进行了约束，有效地提高了注册配准的精度，降低了假体在矢状面发生倾斜的概率。
下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。
参照图1，示出了本申请一个实施例的一种骨科手术配准装置的示意图，该装置具体可以包括粗配准模块101、中心点拟合模块102和精配准模块103。其中：
粗配准模块，用于获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与上述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据骨面坐标和模型坐标确定第一变换关系，采用第一变换关系对多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短。
中心点拟合模块，用于确定经第一变换关系转换后三维模型上的模型中心点到骨面上的骨面中心点的平移向量，将多个粗配准标记点沿该平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据多个拟合标记点将第一变换关系更新为第二变换关系。
精配准模块，用于获取患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用第二变换关系对多个骨面区域标记点和骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定三维模型上与第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据多个模型区域标记点和模型中心点确定第三变换关系，根据第三变换关系对多个骨面标记点和多个模型标记点进行配准。
因此，使用上述骨科手术配准装置在骨科手术过程中进行配准主要包括三个步骤，即：粗配准步骤、股骨头中心点/踝关节中心点拟合步骤和精配准步骤。
在本申请实施例中，三维模型可以是在手术前，通过对患者患处进行CT扫描，并根据CT扫描结果进行图像分割，所获得的患者股骨和胫骨的三维模型。
粗配准模块可以从上述股骨和胫骨的三维模型中，获取到多个模型标记点。上述多个模型标记点又可以划分为股骨标记点和胫骨标记点。
示例性地，如下表一所示，是本申请实施例的多个标记点的示例。
表一，标记点示例。
序号 股骨标记点
1 外上髁
2 内上髁
3 股骨远端外侧
4 股骨远端内侧
5 股骨后髁外侧
6 股骨后髁内侧
7 股骨远端中心
8 股骨头中心
序号 胫骨标记点
9 外踝
10 内踝
11 胫骨平台中心
12 胫骨结节
13 后交叉韧带(posterior cruciate ligament，PCL)止点中心
14 胫骨平台外侧
15 胫骨平台内侧
需要说明的是，上述多个标记点都是在骨科医学相关学术领域有获得业界公认及共识的，因此在实际应用中具有较强的可操作性。
另一方面，由于在骨科手术过程中，注册配准是指将三维模型中的多个模型标记点与患者骨面上的多个骨面标记点一一对应起来。其中，骨面标记点与上述模型标记点具有一一对应的关系。即，骨面标记点也可以包括上述表一中示出的多个标记点。
在本申请实施例中，大部分骨面标记点可以是在手术过程中，由医生使用探针在患者骨面进行点选的方式获得的。例如，对于表一中的序号为1-7以及11-15的标记点，可以由医生使用探针在患者骨面进行点选确定。
需要说明的是，在表一中的股骨标记点1-7均分布在股骨远心端一侧，标记点8则位于近心端。以膝关节置换手术为例，由于手术过程中，手术入路只在膝关节上，暴露的骨面也只在股骨远心端与胫骨近心端，因此标记点8无法直接通过探针点选骨面的方式获得。针对此问题，业界认可的方式是在股骨上刚性固定反光球支架后，通过反复摇晃大腿使膝关节做画圆的动作，并在这一过程中用红外线导航仪记录股骨的三维运动轨迹，并由此计算出股骨头中心。类似的，胫骨的标记点9-10位于胫骨远心端，标记点11-15分布在胫骨近心端。在手术过程中，标记点9-10也无法直接通过探针点选骨面的方式获得。上述确定的骨面标记点的信息可以由粗配准模块做进一步处理。
在进行粗配准步骤时，粗配准模块具体用于：针对三维模型构建第一坐标系，获取三维模型上的多个模型标记点在第一坐标系中的模型坐标，即a＝{a1、a2、……、an}；针对患者骨面构建第二坐标系，获取多个骨面标记点在第二坐标系中的骨面坐标，即b＝{b1、b2、……、bn}。
粗配准的目的是寻找第一变换关系(R0,t0)，使b中的各个骨面标记点在经过(R0,t0)的转换后，与a中对应的各个模型标记点的平均欧氏距离最短。
在具体实现中，粗配准模块可以采用如下公式确定第一变换关系：
Figure BDA0003012909270000081
其中，(R0,t0)为第一变换关系，wi为各个骨面标记点的权重值，n为多个骨面标记点的数量，多个骨面标记点包括股骨标记点或胫骨标记点。
在本申请实施例中，上述各个骨面标记点的权重值wi均相等。
在本申请实施例中，当上述粗配准模块用于股骨配准时，股骨标记点包括外上髁标记点、内上髁标记点、股骨远端外侧标记点、股骨远端内侧标记点、股骨后髁外侧标记点、股骨后髁内侧标记点、股骨远端中心标记点和骨面中心点，该骨面中心点为股骨头中心点。即，股骨标记点包括表一中序号1-8的各个标记点。
当上述粗配准模块用于胫骨配准时，胫骨标记点包括胫骨平台中心标记点、胫骨结节标记点、后交叉韧带止点中心标记点、胫骨平台外侧标记点、胫骨平台内侧标记点和骨面中心点，该骨面中心点为根据外踝标记点和内踝标记点确定的胫骨踝关节中心点。其中，胫骨踝关节中心点的位置为位于外踝标记点和内踝标记点连线上且距离内踝侧预设比例长度处的位置。即，胫骨标记点包括表一中序号11-15的各个标记点，以及基于表一中序号9-10的标记点所得到的标记点(胫骨踝关节中心点)。为了便于说明，本申请实施例以序号16指代上述胫骨踝关节中心点。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，上述预设比例可以大于40％且小于50％。例如，该预设比例可以是46％，即胫骨踝关节中心点的位置为位于外踝标记点和内踝标记点连线上且距离内踝侧46％长度处的位置。
采用第一变换关系对多个骨面标记点进行转换后，可以得到多个粗配准标记点。
在完成上述粗配准步骤后，可以采用中心点拟合模块进行第二步，即股骨头中心点/踝关节中心点拟合步骤。
在本申请实施例中，中心点拟合模块可以首先确定平移向量，该平移向量可以是指在经过第一变换关系的转换后，模型中心点到骨面中心点的平移向量。
具体地，中心点拟合模块可以采用如下公式确定平移向量：
t0′＝(R0bm+t0)-am
其中，am为模型中心点的模型坐标、bm为骨面中心点的骨面坐标。
然后，中心点拟合模块可以将多个粗配准标记点沿上述平移向量t0′进行平移，得到多个拟合标记点，拟合标记点可以即为c＝{c1、c2、……、cn}。
其中，c满足：ci＝R0bi+t0+t0′，i＝1、2、……、n，
因此，中心点拟合模块可以将第一变换关系(R0,t0)更新为第二变换关系(R0,T0)，其中，T0＝t0+t0′。
在完成中心点拟合步骤后，可以采用精配准模块进行精配准步骤。本申请实施例中的精配准步骤是在传统的SVD-ICP算法基础上进行的改进，使其更加适合机器人辅助骨科手术。
在本申请实施例中，精配准模块可以首先获取患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用第二变换关系对多个骨面区域标记点和骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集。
需要说明的是，当精配准模块用于股骨配准时，多个预设区域可以包括股骨前髁区域、股骨前斜面区域、股骨远端区域和股骨后斜面区域；当精配准模块用于胫骨配准时，多个预设区域可以包括胫骨平台外侧区域、胫骨平台内侧区域、前内侧区域和前外侧区域。
因此，在进行股骨配准时，精配准模块可以执行步骤S1，从股骨前髁区域、股骨前斜面区域、股骨远端区域和股骨后斜面区域中采集k个标记点，然后将上述股骨头中心点作为第k+1个点纳入点集。上述k+1个点经过第二变换关系转换后，得到第一骨面精配准点集，记为d1＝{d1 1…d1 k+1}。
然后，精配准模块可以执行步骤S2，采用计算点到面的最短距离方法确定三维模型上与第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，通过令骨面中心点在三维模型中的对应点与该三维模型中的模型中心点重合，从而可以根据多个模型区域标记点和模型中心点得到第一模型精配准点集。
具体地，对于上述第一骨面精配准点集d1中的前k个点，精配准模块可以采用计算点到面(经CT扫描得到的三维模型的表面为多个三角形组成的无线mesh网格)最短距离的方法求得d1 i在三维模型上的对应点e1 i。然后，令d1 k+1在三维模型上的对应点e1 k+1与三维模型中的股骨头中心点重合，得到第一模型精配准点集，记为e1＝{e1 1…e1 k+1}。
接下来，精配准模块执行步骤S3，根据第一骨面精配准点集和第一模型精配准点集，确定第三变换关系(R1,t1)。其中，上述第一骨面精配准点集中各个标记点的坐标在经第三变换关系转换后，与对应的第一模型精配准点集中各个标记点的坐标之间的平均欧氏距离最短。即：
Figure BDA0003012909270000101
精配准模块可以重复执行上述步骤S2和S3，直到在经过p次变换后，平均欧氏距离小于预设阈值r：
Figure BDA0003012909270000111
至此，精配准步骤结束。
当然，在进行胫骨配准时，精配准模块则可以从胫骨平台外侧区域、胫骨平台内侧区域、前内侧区域和前外侧区域中采集k个标记点，然后将上述胫骨踝关节中心点作为第k+1个点纳入点集。上述k+1个点经过第二变换关系转换后，得到第一骨面精配准点集，记为d1＝{d1 1…d1 k+1}。然后，经过上述与股骨配准类似的精配准步骤，完成胫骨配准。
采用本申请实施例提供的骨科手术配准装置进行股骨/胫骨配准，所得到的配准结果在循环中的每一步均受股骨头中心点/踝关节中心点位置的约束，获得的配准结果确保了更加准确的股骨机械轴/胫骨机械轴，进而确保了更加精确的冠状面/矢状面股骨/胫骨组件角，有效地提高了注册配准的精度，降低了假体在矢状面发生倾斜的概率。
为了便于理解，下面结合具体的流程，对采用本申请实施例提供的骨科手术配准装置进行股骨配准和胫骨配准的全过程作一介绍。
参照图2，示出了本申请一个实施例的一种股骨配准的步骤示意图，具体可以包括如下步骤：
S201、手术前，对患者患处进行CT扫描并重建股骨三维模型。
S202、在股骨三维模型中点选生物标记点。
上述生物标记点可以是指表一中序号为1-8的标记点。S202中点选获得的生物标记点为前述实施例中的模型标记点。
S203、手术中，医生通过摇晃患者大腿与探针点选的方式获取对应生物标记点。
其中，直接通过探针点选的方式可获得表一中序号为1-7的标记点，在股骨上刚性固定反光球支架后，通过反复摇晃患者大腿使膝关节做画圆的动作，并在这一过程中用红外线导航仪记录股骨的三维运动轨迹，可由此计算出表一中序号为8的股骨头中心点。S203中获得的对应生物标记点为前述实施例中的骨面标记点。
S204、确定股骨坐标系到模型坐标系之间的第一变换关系。
其中，上述模型坐标系为前述实施例中的第一坐标系，股骨坐标系为前述实施例中的第二坐标系。
假设股骨三维模型所在的模型坐标系为Cmf，患者真实股骨所在的股骨坐标系为Cf。令a＝{a1、a2、…、a8}为股骨模型上的模型标记点的模型坐标，b＝{b1、b2、…、b8}为患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，则粗配准的目的是寻找变换关系(Rf0,tf0)，使b中的标记点经过(Rf0,tf0)转换后和a中的标记点的欧氏距离最短。即：
Figure BDA0003012909270000121
其中，wi为各个标记点的权重值。在本申请实施例中，所有标记点的权重值均相等。
上述S201-S204可由前述实施例中的粗配准模块实现。
S205、拟合变换后两个坐标系下的股骨中心点，并以此平移向量为基准对股骨坐标系进行整体变换。
本步骤即是对股骨头中心点进行拟合。
令t0′为经过(Rf0,tf0)转换后，a8到b8的平移向量。即：
tf0′＝Rf0b8+tf0)-a8
为了拟合股骨头中心点，可以将粗配准结果中的所有标记点全部沿tf0′进行平移。此步骤所得到的点集可以记为c＝{c1、c2、…、c8}，c满足：
ci＝Rf0bi+tf0+tf0′
则截止目前，第一变换关系(Rf0,tf0)可以更新为第二变换关系(Rf0,Tf0)，其中，Tf0＝tf0+tf0′。
上述S205可由前述实施例中的中心点拟合模块实现。
S206、获取股骨骨面的注册点，并和股骨中心点一起组成精配准原始点集合。
上述股骨骨面的注册点可由医生使用探针在在患者股骨表面上按照股骨前髁、股骨前斜面、股骨远端、股骨后斜面等多个区域采集k个标记点，然后将上述股骨头中心点b8作为第k+1个点纳入点集，组成精配准原始点集合。上述精配准原始点集合即前述实施例中的第一骨面精配准点集。
S207、在三维模型中获取所有精配准原始点的对应点，并和三维模型中的股骨中心点一起组成对应点集合。
在本步骤中，可对精配准原始点集合中前k个点(骨面上的标记点)计算点到面(三维模型表面是由许多三角形组成的mesh网格)最短距离的方法求得d1 i在三维模型上的对应点e1 i。然后，令d1 k+1在三维模型上的对应点e1 k+1与三维模型中的股骨头中心点a8重合，一起组成对应点集合。上述对应点集合即是前述实施例中的第一模型精配准点集，记为e1＝{e1 1…e1 k+1}。
S208、计算精配准原始点到对应点的变换关系。
上述变换关系即前述实施例中的第三变换关系，该第三变换关系可使精配准原始点经过变换后和对应点之间的平均欧氏距离最短。
在本步骤中，即是寻找第三变换关系(Rf1,tf1)，使d1中的标记点经过该变换后，与e1中的标记点的欧氏距离最短。即：
Figure BDA0003012909270000131
S209、将经过最优变换后的点集作为新的原始点集合，并重复上述变换获取步骤S207和S208，直到欧氏距离小于预先设定的阈值，完成股骨配准。
在本步骤中，将对d1经过(Rf1,tf1)变换后得到的d2，再次重复上述步骤，即找到e2和与之对应的(Rf2,tf2)，然后循环此步骤，直到经过p次变换后，得到的dp和ep之间的欧氏距离小于预先设定的阈值r，即：
Figure BDA0003012909270000132
至此，股骨精配准步骤结束。
上述S206-S209可由前述实施例中的精配准模块实现。
在本申请实施例中，精配准过程中所得到的配准结果在循环中的每一步均受股骨头中心点位置的约束，获得的配准结果确保了更加准确的股骨机械轴，进而确保了更加精确的冠状面/矢状面股骨组件角，有助于提高注册配准的精度，降低假体在矢状面发生倾斜的概率。
参照图3，示出了本申请一个实施例的一种胫骨配准的步骤示意图，具体可以包括如下步骤：
S301、手术前，对患者患处进行CT扫描并重建胫骨三维模型。
S302、在胫骨三维模型中点选生物标记点。
上述生物标记点可以是指表一中序号为9-15的标记点。S302中点选获得的生物标记点为前述实施例中的模型标记点。
S303、手术中，医生通过探针点选的方式获取对应生物标记点，并采用预先定义的踝关节中心点替代内外踝标记点。
在本步骤中，可获得表一中序号为9-15的标记点。定义踝关节中心点为内外踝连线上距离内踝侧46％连线长度的位置。
S304、确定胫骨坐标系到模型坐标系之间的第一变换关系。
其中，上述模型坐标系为前述实施例中的第一坐标系，胫骨坐标系为前述实施例中的第二坐标系。
假设胫骨三维模型所在的模型坐标系为Cmt，患者真实股骨所在的胫骨坐标系为Ct。令a＝{a9、a10、…、a15}为胫骨模型上的模型标记点的模型坐标，b＝{b9、b10、…、b15}为患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标。根据预先定义的踝关节中心点，将三维模型中的踝关节中心点即为a16，将真实胫骨上的踝关节中心点记为b16，更新点集a与b分别为a＝{a11、a12、…、a16}、b＝{b11、b12、…、b16}。
粗配准的目的是寻找变换关系(Rt0,tt0)，使b中的标记点经过(Rt0,tt0)转换后和a中的标记点的欧氏距离最短。即：
Figure BDA0003012909270000141
其中，wi为各个标记点的权重值。在本申请实施例中，所有标记点的权重值均相等。
上述S301-S304可由前述实施例中的粗配准模块实现。
S305、拟合变换后两个坐标系下的踝关节中心点，并以此平移向量为基准对胫骨坐标系进行整体变换。
本步骤即是对踝关节中心点进行拟合。
令t0′为经过(Rt0,tt0)转换后，a16到b16的平移向量。即：
tt0′＝(Rt0b16+tt0)-a16
为了拟合踝关节中心点，可以将粗配准结果中的所有标记点全部沿tt0′进行平移。此步骤所得到的点集可以记为c＝{c11、c12、…、c16}，c满足：
ci＝Rt0bi+tt0+tf0′
则截止目前，第一变换关系(Rt0,tt0)可以更新为第二变换关系(Rt0,Tt0)，其中，Tt0＝tt0+tt0′。
上述S305可由前述实施例中的中心点拟合模块实现。
S306、获取胫骨骨面的注册点，并和踝关节中心点一起组成精配准原始点集合。
上述胫骨骨面的注册点可由医生使用探针在在患者胫骨表面上按照胫骨平台外侧、胫骨平台内侧、前内侧、前外侧等多个区域采集k个标记点，然后将上述踝关节中心点b16作为第k+1个点纳入点集，组成精配准原始点集合。上述精配准原始点集合即前述实施例中的第一骨面精配准点集。
S307、在三维模型中获取所有精配准原始点的对应点，并和三维模型中的踝关节中心点一起组成对应点集合。
在本步骤中，可对精配准原始点集合中前k个点(骨面上的标记点)计算点到面(三维模型表面是由许多三角形组成的mesh网格)最短距离的方法求得d1 i在三维模型上的对应点e1 i。然后，令d1 k+1在三维模型上的对应点e1 k+1与三维模型中的踝关节中心点a16重合，一起组成对应点集合。上述对应点集合即是前述实施例中的第一模型精配准点集，记为e1＝{e1 1…e1 k+1}。
S308、计算精配准原始点到对应点的变换关系。
上述变换关系即前述实施例中的第三变换关系，该第三变换关系可使精配准原始点经过变换后和对应点之间的平均欧氏距离最短。
在本步骤中，即是寻找第三变换关系(Rt1,tt1)，使d1中的标记点经过该变换后，与e1中的标记点的欧氏距离最短。即：
Figure BDA0003012909270000151
S309、将经过最优变换后的点集作为新的原始点集合，并重复上述变换获取步骤S307和S308，直到欧氏距离小于预先设定的阈值，完成胫骨配准。
在本步骤中，将对d1经过(Rt1,tt1)变换后得到的d2，再次重复上述步骤，即找到e2和与之对应的(Rt2,tt2)，然后循环此步骤，直到经过p次变换后，得到的dp和ep之间的欧氏距离小于预先设定的阈值q，即：
Figure BDA0003012909270000161
至此，胫骨精配准步骤结束。
上述S306-S309可由前述实施例中的精配准模块实现。
在本申请实施例中，精配准过程中所得到的配准结果在循环中的每一步均受踝关节中心点位置的约束，获得的配准结果确保了更加准确的胫骨机械轴，进而确保了更加精确的冠状面/矢状面胫骨组件角，有助于提高注册配准的精度，降低假体在矢状面发生倾斜的概率。
参照图4，示出了本申请一个实施例的一种终端设备的示意图。如图4所示，本实施例的终端设备400包括：处理器410、存储器420以及存储在所述存储器420中并可在所述处理器410上运行的计算机程序421。所述处理器410执行所述计算机程序421时实现上述各个实施例中的股骨配准步骤或胫骨配准步骤，例如图2所示的步骤S201至S209，或图3所示的步骤S301至S309。或者，所述处理器410执行所述计算机程序421时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图1所示模块101至103的功能。
示例性的，所述计算机程序421可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器420中，并由所述处理器410执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段可以用于描述所述计算机程序421在所述终端设备400中的执行过程。例如，所述计算机程序421可以被分割成粗配准模块、中心点拟合模块、精配准模块，各模块具体功能如下：
粗配准模块，用于获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
中心点拟合模块，用于确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
精配准模块，用于获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
所述终端设备400可包括，但不仅限于，处理器410、存储器420。本领域技术人员可以理解，图4仅仅是终端设备400的一种示例，并不构成对终端设备400的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备400还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所述处理器410可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器420可以是所述终端设备400的内部存储单元，例如终端设备400的硬盘或内存。所述存储器420也可以是所述终端设备400的外部存储设备，例如所述终端设备400上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card，SMC)，安全数字(SecureDigital，SD)卡，闪存卡(Flash Card)等等。进一步地，所述存储器420还可以既包括所述终端设备400的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器420用于存储所述计算机程序421以及所述终端设备400所需的其他程序和数据。所述存储器420还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
本申请实施例还公开了一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中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计算机程序时实现如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
针对所述三维模型构建第一坐标系，获取所述三维模型上的多个模型标记点在所述第一坐标系中的模型坐标{a1、a2、……、an}；针对所述患者骨面构建第二坐标系，获取所述多个骨面标记点在所述第二坐标系中的骨面坐标{b1、b2、……、bn}，采用如下公式确定所述第一变换关系：
Figure BDA0003012909270000181
其中，(R0,t0)为所述第一变换关系，wi为各个骨面标记点的权重值，n为所述多个骨面标记点的数量，所述多个骨面标记点包括股骨标记点或胫骨标记点。
在本申请实施例中，当所述处理器执行所述计算机程序用于股骨配准时，所述股骨标记点包括外上髁标记点、内上髁标记点、股骨远端外侧标记点、股骨远端内侧标记点、股骨后髁外侧标记点、股骨后髁内侧标记点、股骨远端中心标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为股骨头中心点。
在本申请实施例中，当所述处理器执行所述计算机程序用于胫骨配准时，所述胫骨标记点包括胫骨平台中心标记点、胫骨结节标记点、后交叉韧带止点中心标记点、胫骨平台外侧标记点、胫骨平台内侧标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为根据外踝标记点和内踝标记点确定的胫骨踝关节中心点。
在本申请实施例中，所述胫骨踝关节中心点的位置为位于所述外踝标记点和所述内踝标记点连线上且距离内踝侧预设比例长度处的位置。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
采用如下公式确定所述平移向量：t0′＝(R0bm+t0)-am，其中，am为所述模型中心点的模型坐标、bm为所述骨面中心点的骨面坐标；
将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量t0′进行平移，得到多个拟合标记点{c1、c2、……、cn}，其中，ci＝R0bi+t0+t0′，i＝1、2、……、n，
将所述第一变换关系(R0,t0)更新为第二变换关系(R0,T0)，其中，T0＝t0+t0′。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，所述处理器执行所述计算机程序时实现如下步骤：
S1、获取所述获取患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集；
S2、采用计算点到面的最短距离方法确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，令所述骨面中心点在所述三维模型中的对应点与所述三维模型中的模型中心点重合，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点得到第一模型精配准点集；
S3、根据所述第一骨面精配准点集和所述第一模型精配准点集，确定第三变换关系，其中，所述第一骨面精配准点集中各个标记点的坐标在经所述第三变换关系转换后，与对应的所述第一模型精配准点集中各个标记点的坐标之间的平均欧氏距离最短；
S4、重复执行上述S2和S3步骤，直到所述平均欧氏距离小于预设阈值。
在本申请实施例中，当所述处理器执行所述计算机程序用于股骨配准时，所述多个预设区域包括股骨前髁区域、股骨前斜面区域、股骨远端区域和股骨后斜面区域；当所述处理器执行所述计算机程序用于胫骨配准时，所述多个预设区域包括胫骨平台外侧区域、胫骨平台内侧区域、前内侧区域和前外侧区域。
本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
针对所述三维模型构建第一坐标系，获取所述三维模型上的多个模型标记点在所述第一坐标系中的模型坐标{a1、a2、……、an}；针对所述患者骨面构建第二坐标系，获取所述多个骨面标记点在所述第二坐标系中的骨面坐标{b1、b2、……、bn}，采用如下公式确定所述第一变换关系：
Figure BDA0003012909270000211
其中，(R0,t0)为所述第一变换关系，wi为各个骨面标记点的权重值，n为所述多个骨面标记点的数量，所述多个骨面标记点包括股骨标记点或胫骨标记点。
在本申请实施例中，当所述计算机程序被处理器执行用于股骨配准时，所述股骨标记点包括外上髁标记点、内上髁标记点、股骨远端外侧标记点、股骨远端内侧标记点、股骨后髁外侧标记点、股骨后髁内侧标记点、股骨远端中心标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为股骨头中心点。
在本申请实施例中，当所述计算机程序被处理器执行用于胫骨配准时，所述胫骨标记点包括胫骨平台中心标记点、胫骨结节标记点、后交叉韧带止点中心标记点、胫骨平台外侧标记点、胫骨平台内侧标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为根据外踝标记点和内踝标记点确定的胫骨踝关节中心点。
在本申请实施例中，所述胫骨踝关节中心点的位置为位于所述外踝标记点和所述内踝标记点连线上且距离内踝侧预设比例长度处的位置。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
采用如下公式确定所述平移向量：t0′＝(R0bm+t0)-am，其中，am为所述模型中心点的模型坐标、bm为所述骨面中心点的骨面坐标；
将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量t0′进行平移，得到多个拟合标记点{c1、c2、……、cn}，其中，ci＝R0bi+t0+t0′，i＝1、2、……、n，
将所述第一变换关系(R0,t0)更新为第二变换关系(R0,T0)，其中，T0＝t0+t0′。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
S1、获取所述获取患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集；
S2、采用计算点到面的最短距离方法确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，令所述骨面中心点在所述三维模型中的对应点与所述三维模型中的模型中心点重合，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点得到第一模型精配准点集；
S3、根据所述第一骨面精配准点集和所述第一模型精配准点集，确定第三变换关系，其中，所述第一骨面精配准点集中各个标记点的坐标在经所述第三变换关系转换后，与对应的所述第一模型精配准点集中各个标记点的坐标之间的平均欧氏距离最短；
S4、重复执行上述S2和S3步骤，直到所述平均欧氏距离小于预设阈值。
在本申请实施例中，当所述计算机程序被处理器执行用于股骨配准时，所述多个预设区域包括股骨前髁区域、股骨前斜面区域、股骨远端区域和股骨后斜面区域；当所述计算机程序被处理器执行用于胫骨配准时，所述多个预设区域包括胫骨平台外侧区域、胫骨平台内侧区域、前内侧区域和前外侧区域。
本申请实施例还公开了一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如下步骤：
针对所述三维模型构建第一坐标系，获取所述三维模型上的多个模型标记点在所述第一坐标系中的模型坐标{a1、a2、……、an}；针对所述患者骨面构建第二坐标系，获取所述多个骨面标记点在所述第二坐标系中的骨面坐标{b1、b2、……、bn}，采用如下公式确定所述第一变换关系：
Figure BDA0003012909270000231
其中，(R0,t0)为所述第一变换关系，wi为各个骨面标记点的权重值，n为所述多个骨面标记点的数量，所述多个骨面标记点包括股骨标记点或胫骨标记点。
在本申请实施例中，当所述计算机程序产品在终端设备上运行，使得所述终端设备执行股骨配准时，所述股骨标记点包括外上髁标记点、内上髁标记点、股骨远端外侧标记点、股骨远端内侧标记点、股骨后髁外侧标记点、股骨后髁内侧标记点、股骨远端中心标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为股骨头中心点。
在本申请实施例中，当所述计算机程序产品在终端设备上运行，使得所述终端设备执行胫骨配准时，所述胫骨标记点包括胫骨平台中心标记点、胫骨结节标记点、后交叉韧带止点中心标记点、胫骨平台外侧标记点、胫骨平台内侧标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为根据外踝标记点和内踝标记点确定的胫骨踝关节中心点。
在本申请实施例中，所述胫骨踝关节中心点的位置为位于所述外踝标记点和所述内踝标记点连线上且距离内踝侧预设比例长度处的位置。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如下步骤：
采用如下公式确定所述平移向量：t0′＝(R0bm+t0)-am，其中，am为所述模型中心点的模型坐标、bm为所述骨面中心点的骨面坐标；
将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量t0′进行平移，得到多个拟合标记点{c1、c2、……、cn}，其中，ci＝R0bi+t0+t0′，i＝1、2、……、n，
将所述第一变换关系(R0,t0)更新为第二变换关系(R0,T0)，其中，T0＝t0+t0′。
在本申请实施例的一种可能的实现方式中，当所述计算机程序产品在终端设备上运行时，使得所述终端设备执行如下步骤：
S1、获取所述获取患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集；
S2、采用计算点到面的最短距离方法确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，令所述骨面中心点在所述三维模型中的对应点与所述三维模型中的模型中心点重合，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点得到第一模型精配准点集；
S3、根据所述第一骨面精配准点集和所述第一模型精配准点集，确定第三变换关系，其中，所述第一骨面精配准点集中各个标记点的坐标在经所述第三变换关系转换后，与对应的所述第一模型精配准点集中各个标记点的坐标之间的平均欧氏距离最短；
S4、重复执行上述S2和S3步骤，直到所述平均欧氏距离小于预设阈值。
在本申请实施例中，当所述计算机程序产品在终端设备上运行，使得所述终端设备执行股骨配准时，所述多个预设区域包括股骨前髁区域、股骨前斜面区域、股骨远端区域和股骨后斜面区域；当所述计算机程序产品在终端设备上运行，使得所述终端设备执行胫骨配准时，所述多个预设区域包括胫骨平台外侧区域、胫骨平台内侧区域、前内侧区域和前外侧区域。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，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申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种骨科手术配准装置，其特征在于，包括：
粗配准模块，用于获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
中心点拟合模块，用于确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
精配准模块，用于获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
2.根据权利要求1所述的骨科手术配准装置，其特征在于，所述粗配准模块具体用于：针对所述三维模型构建第一坐标系，获取所述三维模型上的多个模型标记点在所述第一坐标系中的模型坐标{a1、a2、……、an}；针对所述患者骨面构建第二坐标系，获取所述多个骨面标记点在所述第二坐标系中的骨面坐标{b1、b2、……、bn}，采用如下公式确定所述第一变换关系：
Figure FDA0003312327250000011
其中，(R0,t0)为所述第一变换关系，wi为各个骨面标记点的权重值，n为所述多个骨面标记点的数量，所述多个骨面标记点包括股骨标记点或胫骨标记点。
3.根据权利要求2所述的骨科手术配准装置，其特征在于，当所述粗配准模块用于股骨配准时，所述股骨标记点包括外上髁标记点、内上髁标记点、股骨远端外侧标记点、股骨远端内侧标记点、股骨后髁外侧标记点、股骨后髁内侧标记点、股骨远端中心标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为股骨头中心点。
4.根据权利要求2所述的骨科手术配准装置，其特征在于，当所述粗配准模块用于胫骨配准时，所述胫骨标记点包括胫骨平台中心标记点、胫骨结节标记点、后交叉韧带止点中心标记点、胫骨平台外侧标记点、胫骨平台内侧标记点和所述骨面中心点，所述骨面中心点为根据外踝标记点和内踝标记点确定的胫骨踝关节中心点。
5.根据权利要求4所述的骨科手术配准装置，其特征在于，所述胫骨踝关节中心点的位置为位于所述外踝标记点和所述内踝标记点连线上且距离内踝侧预设比例长度处的位置。
6.根据权利要求2-5任一项所述的骨科手术配准装置，其特征在于，所述中心点拟合模块具体用于：
采用如下公式确定所述平移向量：t0′＝(R0bm+t0)-am，其中，am为所述模型中心点的模型坐标、bm为所述骨面中心点的骨面坐标；
将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量t0′进行平移，得到多个拟合标记点{c1、c2、……、cn}，其中，ci＝R0bi+t0+t0′，i＝1、2、……、n，
将所述第一变换关系(R0,t0)更新为第二变换关系(R0,T0)，其中，T0＝t0+t0′。
7.根据权利要求1所述的骨科手术配准装置，其特征在于，所述三维模型的表面为多个三角形组成的mesh网格，所述精配准模块具体用于执行如下步骤：
S1、获取所述获取患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集；
S2、采用计算点到面的最短距离方法确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，令所述骨面中心点在所述三维模型中的对应点与所述三维模型中的模型中心点重合，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点得到第一模型精配准点集；
S3、根据所述第一骨面精配准点集和所述第一模型精配准点集，确定第三变换关系，其中，所述第一骨面精配准点集中各个标记点的坐标在经所述第三变换关系转换后，与对应的所述第一模型精配准点集中各个标记点的坐标之间的平均欧氏距离最短；
S4、重复执行上述S2和S3步骤，直到所述平均欧氏距离小于预设阈值。
8.根据权利要求1-5或7任一项所述的骨科手术配准装置，其特征在于，当所述精配准模块用于股骨配准时，所述多个预设区域包括股骨前髁区域、股骨前斜面区域、股骨远端区域和股骨后斜面区域；当所述精配准模块用于胫骨配准时，所述多个预设区域包括胫骨平台外侧区域、胫骨平台内侧区域、前内侧区域和前外侧区域。
9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中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计算机程序时实现如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如下步骤：
获取患者骨面上的多个骨面标记点的骨面坐标，以及获取三维模型上与所述多个骨面标记点一一对应的多个模型标记点的模型坐标，根据所述骨面坐标和所述模型坐标确定第一变换关系，采用所述第一变换关系对所述多个骨面标记点进行转换，得到多个粗配准标记点；其中，所述多个粗配准标记点的粗配准坐标与对应的所述多个模型标记点之间的平均欧氏距离最短；
确定经所述第一变换关系转换后所述三维模型上的模型中心点到所述骨面上的骨面中心点的平移向量，将所述多个粗配准标记点沿所述平移向量进行平移，得到多个拟合标记点，根据所述多个拟合标记点将所述第一变换关系更新为第二变换关系；
获取所述患者骨面上多个预设区域的多个骨面区域标记点，采用所述第二变换关系对所述多个骨面区域标记点和所述骨面中心点进行转换，得到第一骨面精配准点集，确定所述三维模型上与所述第一骨面精配准点集中的多个骨面区域标记点一一对应的多个模型区域标记点，根据所述多个模型区域标记点和所述模型中心点确定第三变换关系，根据所述第三变换关系对所述多个骨面标记点和所述多个模型标记点进行配准。
CN202110380859.XA 2021-04-09 2021-04-09 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质 Active CN113116523B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110380859.XA CN113116523B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质
PCT/CN2022/090083 WO2022214105A1 (zh) 2021-04-09 2022-04-28 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110380859.XA CN113116523B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113116523A CN113116523A (zh) 2021-07-16
CN113116523B true CN113116523B (zh) 2022-02-11

Family

ID=76775513

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110380859.XA Active CN113116523B (zh) 2021-04-09 2021-04-09 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质

Country Status (2)

Country Link
CN (1) CN113116523B (zh)
WO (1) WO2022214105A1 (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113116523B (zh) * 2021-04-09 2022-02-11 骨圣元化机器人(深圳)有限公司 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质
CN113907889A (zh) * 2021-09-03 2022-01-11 北京长木谷医疗科技有限公司 机器人机械臂的控制方法及系统
CN113729943B (zh) * 2021-11-05 2023-07-14 北京壹点灵动科技有限公司 虚拟骨面的处理方法、装置及翻修手术机器人
CN115381553B (zh) * 2022-09-21 2023-04-07 北京长木谷医疗科技有限公司 复杂性骨性融合膝关节的智能定位装置设计方法及系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101862220A (zh) * 2009-04-15 2010-10-20 中国医学科学院北京协和医院 基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统和方法
CN107133637A (zh) * 2017-03-31 2017-09-05 精劢医疗科技南通有限公司 一种手术导航图像自动注册设备以及方法
CN110215281A (zh) * 2019-06-11 2019-09-10 北京和华瑞博科技有限公司 一种基于全膝置换手术的股骨或胫骨配准方法及装置
CN110353806A (zh) * 2019-06-18 2019-10-22 北京航空航天大学 用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法及系统
CN111134840A (zh) * 2019-12-28 2020-05-12 元化智能科技(深圳)有限公司 膝关节置换手术方案的生成装置和终端

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7097357B2 (en) * 2004-06-02 2006-08-29 General Electric Company Method and system for improved correction of registration error in a fluoroscopic image
CN203953815U (zh) * 2014-04-24 2014-11-26 薛青 辅助外科手术的术中导航系统
US10980509B2 (en) * 2017-05-11 2021-04-20 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Deformable registration of preoperative volumes and intraoperative ultrasound images from a tracked transducer
US11839551B2 (en) * 2019-03-05 2023-12-12 Mako Surgical Corp. Systems and methods for surgical registration
CN111640143B (zh) * 2020-04-12 2023-05-30 复旦大学 一种基于PointNet的神经导航快速面配准方法及系统
CN113116523B (zh) * 2021-04-09 2022-02-11 骨圣元化机器人(深圳)有限公司 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质
CN113616350B (zh) * 2021-07-16 2022-04-19 元化智能科技(深圳)有限公司 标记点选取位置的验证方法、装置、终端设备和存储介质

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101862220A (zh) * 2009-04-15 2010-10-20 中国医学科学院北京协和医院 基于结构光图像的椎弓根内固定导航手术系统和方法
CN107133637A (zh) * 2017-03-31 2017-09-05 精劢医疗科技南通有限公司 一种手术导航图像自动注册设备以及方法
CN110215281A (zh) * 2019-06-11 2019-09-10 北京和华瑞博科技有限公司 一种基于全膝置换手术的股骨或胫骨配准方法及装置
CN110353806A (zh) * 2019-06-18 2019-10-22 北京航空航天大学 用于微创全膝关节置换手术的增强现实导航方法及系统
CN111134840A (zh) * 2019-12-28 2020-05-12 元化智能科技(深圳)有限公司 膝关节置换手术方案的生成装置和终端

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022214105A1 (zh) 2022-10-13
CN113116523A (zh) 2021-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113116523B (zh) 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质
US11826111B2 (en) Surgical navigation of the hip using fluoroscopy and tracking sensors
JP5474303B2 (ja) 手術計画立案
CN113616350B (zh) 标记点选取位置的验证方法、装置、终端设备和存储介质
US20150182292A1 (en) Computer-assisted joint replacement surgery and patient-specific jig systems
CN111134840B (zh) 膝关节置换手术方案的生成装置和终端
CN107106239A (zh) 外科规划和方法
CN112972076B (zh) 膝关节假体股骨部件与股骨的拟合方法及机器人手术系统
CN113633377B (zh) 一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法
Lebailly et al. Semi-automated stereoradiographic upper limb 3D reconstructions using a combined parametric and statistical model: a preliminary study
US11986251B2 (en) Patient-specific osteotomy instrumentation
CN116058965A (zh) 用于关节置换手术的骨骼注册方法及手术导航系统
US20150105780A1 (en) Method and system for determining the alignment of two bones
CN114938995B (zh) 应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统和医疗设备
Gomes et al. Patient-specific modelling in orthopedics: from image to surgery
Bou-Sleiman et al. Minimization of intra-operative shaping of orthopaedic fixation plates: a population-based design
CN117257453A (zh) 肘关节置换手术术前规划系统
CN116363093A (zh) 一种用于寻找髋臼的旋转中心的方法与装置、手术规划系统及存储介质
Liu et al. Accurate and robust registration method for computer-assisted high tibial osteotomy surgery
Biedrzycki et al. Use of Hausdorff distance and computer modelling to evaluate virtual surgical plans with three-dimensional printed guides against freehand techniques for navicular bone repair in equine orthopaedics
Lopomo Computer-assisted orthopedic surgery
Peters et al. Surgical navigation improves the precision and accuracy of tibial component alignment in canine total knee replacement
CN115607286B (zh) 基于双目标定的膝关节置换手术导航方法、系统及设备
Valenti Statistical shape models based 2D/3D registration methods for knee orthopaedic surgery
Wong CAOS in bone tumor surgery

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20210716

Assignee: Bone shengyuanhua robot (Shenzhen) Co., Ltd

Assignor: Yuanhua Intelligent Technology (Shenzhen) Co.,Ltd.

Contract record no.: X2021980011825

Denomination of invention: Orthopaedic surgery registration device, terminal device and storage medium

License type: Common License

Record date: 20211103

TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20211214

Address after: 518000 101, No. 1301-33, sightseeing Road, Xinlan community, Guanlan street, Longhua District, Shenzhen City, Guangdong Province

Applicant after: Bone shengyuanhua robot (Shenzhen) Co., Ltd

Address before: No.802, Shenzhen Research Institute, Chinese University of Hong Kong, 10 Yuexing 2nd Road, high tech Zone community, Yuehai street, Nanshan District, Shenzhen, Guangdong 518000

Applicant before: Yuanhua Intelligent Technology (Shenzhen) Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant