CN113180826A - 一种关节置换手术导航系统的精度检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种关节置换手术导航系统的精度检测方法及装置，属于医疗设备技术领域，包括：在关节置换手术导航系统中导入测试模具的三维STL模型；通过关节置换手术导航系统控制扫描探针抵接测试模具上的各标记点，从三维STL模型中采集扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息；通过关节置换手术导航系统控制标定杆插入测试模具的空间特征孔，从三维STL模型中采集标定杆在空间特征孔的角度信息；确定关节置换手术导航系统的精度误差。本发明中用标准的STL模型做配准，避免传统精度检测中的包括图像变形产生的误差，配准后，经过三坐标精确计量后的组件空间位置信息及角度信息可在软件中实时读出，能够实现手术导航定位系统精度的精确检测。
Description
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种关节置换手术导航系统的精度检测方法及装置。
背景技术
骨科手术导航系统能够被用于术前制定手术计划和术中导航，可以在手术过程中跟踪手术器械，并将手术器械的位置在病人术前或术中的影像上实时更新显示出来，让手术医生随时知道手术器械的位置同病人解剖结构的关系。
正确评价和检测骨科手术导航系统的定位精度，是评估产品性能、保障手术安全和效果的关键环节，是技术研发、产品开发和验证的重要基础。现有各类型骨科手术导航系统的精度检测方法不仅过程复杂，并且需要医学成像设备配合完成扫描成像，扫描成像的图形有可能会出现变形，进而导致检测精度存在较大的误差。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的关节置换手术导航系统的精度检测存在较大误差的缺陷，从而提供一种关节置换手术导航系统的精度检测方法及装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的一种关节置换手术导航系统的精度检测方法，所述关节置换手术导航系统包括：测试模具、标定杆以及扫描探针，其中，所述测试模具用于模拟关节置换手术过程中被操作的人体骨骼的骨骼形貌，所述关节置换手术导航系统用于控制所述标定杆及扫描探针对所述测试模具执行相应的动作以模拟关节置换手术过程，所述方法包括：
在所述关节置换手术导航系统中导入所述测试模具的三维STL模型；
通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵接所述测试模具上的各标记点，并从所述三维STL模型中采集所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息；
通过所述关节置换手术导航系统控制所述标定杆插入所述测试模具的空间特征孔，并从所述三维STL模型中采集所述标定杆在所述空间特征孔的角度信息；
基于所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及基于所述标定杆在空间特征孔的角度信息和所述测试模具上各空间特征孔的实际角度信息，确定所述关节置换手术导航系统的精度误差。
作为优选方案，在通过所述关节置换手术导航系统控制所述标定杆插入所述测试模具的空间特征孔之前，所述方法还包括：
通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵接所述测试模具上的预设位置的多个标记点；
通过所述扫描探针上设置的示踪元件，获取所述多个标记点的空间坐标信息；
所述关节置换手术导航系统根据所述空间坐标信息，完成所述三维STL模型和所述测试模组的图像配准。
作为优选方案，还包括：
通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵靠至所述标记点；
获取所述标记点的空间坐标信息；
计算所述空间坐标信息和所述测试模具上标记点的实际空间坐标信息的差值。
作为优选方案，所述基于所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及，基于所述标定杆在空间特征孔的角度信息和所述测试模具上空间特征孔的实际角度信息，确定所述关节置换手术导航系统的精度误差，包括：
根据所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和所述测试模具上各标记点对应的实际空间坐标信息的差值，确定所述关节置换手术导航系统的位置精度误差；
根据所述标定杆在各空间特征孔的角度信息与所述测试模具上各空间特征孔的实际角度信息的差值，确定所述关节置换手术导航系统的角度精度误差。
作为优选方案，通过三坐标测量仪测量测得所述标记点的实际空间坐标信息以及所述空间特征孔的实际角度信息。
作为优选方案，在所述测试模具的至少三个侧面上设置所述标记点。
作为优选方案，从所述三维STL模型中采集所述标定杆在所述空间特征孔的角度信息，包括：
从所述三维STL模型中采集所述标定杆的轴线在所述空间特征孔的角度信息。
本发明提供了一种关节置换手术导航系统的精度检测装置，包括：
导入模块，用于在所述关节置换手术导航系统中导入所述测试模具的三维STL模型；
第一处理模块，用于通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵接所述测试模具上的各标记点，并从所述三维STL模型中采集所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息；
第二处理模块，用于通过所述关节置换手术导航系统控制所述标定杆插入所述测试模具的空间特征孔，并从所述三维STL模型中采集所述标定杆在所述空间特征孔的角度信息；
第三处理模块，基于所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及，基于所述标定杆在空间特征孔的角度信息和所述测试模具上空间特征孔的实际角度信息，确定所述关节置换手术导航系统的精度误差。
本发明提供了一种电子设备，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行上述方案中任一项所述的方法。
本发明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指令，所述计算机指令用于使所述计算机从而执行上述方案中任一项所述的方法。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明通过获得关节置换手术导航系统的理论定位和实际定位之间的误差，获取精度检测结果，这个误差包括位置误差和角度误差，提高综合定位精度，更全面、准备的检测手术导航系统的定位精度。在软件中用标准的STL模型做配准，避免了传统精度检测中的包括图像变形产生的误差，配准后，经过三坐标精确计量后的组件空间位置信息及角度信息可在软件中实时读出，能够实现手术导航定位系统精度的精确检测。
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为测试模具的立体结构示意图一；
图2为测试模具的立体结构示意图二；
图3为扫描探针的立体结构示意图；
图4为标定杆的立体结构示意图；
图5为本发明实施例中提供的关节置换手术导航系统的精度检测方法的流程图；
图6为扫描探针抵靠标记点的过程关系示意图；
图7为标定杆插入空间特征孔的过程关系示意图；
图8为本发明实施例中提供的关节置换手术导航系统的精度检测装置的示意图；
图9为本发明实施例中提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。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。
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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例中的关节置换手术导航系统，包括：测试模具100、标定杆、跟踪支架以及扫描探针；标定杆、跟踪支架以及扫描探针上均具有多个示踪元件，示踪元件能够被光学跟踪设备识别到；其中，跟踪支架插设在测试模具的顶面，跟踪支架的预设位置上安装有多个第一示踪元件；关节置换手术导航系统用于控制标定杆及扫描探针在测试模具中执行相应的动作以模拟关节置换手术过程。
如图1、图2所示，在测试过程中，测试模具通过底座固定在操作台上，以保证精度检测结构的准确性；测试模具为三棱柱结构，用于模拟关节置换手术过程中被操作的人体骨骼的骨骼形貌。例如，测试模具可用于模拟髋臼窝的几何形貌，具有模拟髋臼窝的半球形空腔103，半球形空腔103具有预定的尺寸；但本申请并不限于此，对于其他关节置换手术，测试模具可具有模拟其他关节的人体骨骼的几何形貌。
如图1所示，测试模具的顶面以及左右两个侧面上均设有多个标记点101，各端面上的多个标记点等间隔设置；如图2所示，测试模具的前侧端面上具有三个验证孔102，验证孔102内设有空间特征孔，验证孔102用于完成三维STL模型和测试模组的图像配准。其中，左右两侧位置处的验证孔102的空间角度为45°，中间位置处的验证孔102的空间角度为90°。
如图3所示，扫描探针具有预定的尺寸，扫描探针的一端具有扫描针尖111，扫描探针的另一端预定位置处设置有多个第二示踪元件302；能够手持扫描探针使扫描针尖111对测试模具的几何形貌进行扫描，即使扫描针尖111在测试模具的几何形貌上的各标记点划过；在扫描针尖111对测试模具的几何形貌进行扫描时，系统的光学跟踪设备可以追踪各第二示踪元件112的实时位置，由于扫描探针具有预定的尺寸，且第二示踪元件112均设置在扫描探针的预定位置处，因此可以根据光学跟踪设备捕捉到第二示踪元件112的空间位置数据、计算出扫描针尖111的运动轨迹，从而道道光学跟踪设备坐标系下的测量模具的几何形貌数据，以用于后续的图像配准操作。
如图4所示，标定杆具有预定的尺寸，标定杆的头部具有中心点，以用于模拟假体；标定杆上的预定位置处设置有多个第三示踪元件201，第三示踪元件121能够被光学跟踪设备识别到。标定杆能够插设到测试模具的验证孔102内，系统的光学跟踪设备可以追踪各第三示踪元件121的实时位置，由于标定杆具有预定的尺寸，且第三示踪元件201均设置在扫描探针的预定位置处，因此可以根据光学跟踪设备捕捉到第三示踪元件201的空间位置数据、计算出标定杆的空间位置坐标与空间角度，以用于后续的验证图像配准精度。
本实施例提供的关节置换手术导航系统的精度检测方法，通过获得关节置换手术导航系统的理论定位和实际定位之间的误差，获取精度检测结果，这个误差包括位置误差和角度误差，提高综合定位精度，更全面、准备的检测手术导航系统的定位精度。在软件中用标准的STL模型做配准，避免了传统精度检测中的包括图像变形产生的误差，配准后，经过三坐标精确计量后的组件空间位置信息及角度信息可在软件中实时读出，能够实现手术导航定位系统精度的精确检测。
如图5所示，关节置换手术导航系统的精度检测方法包括如下步骤：
S1:在关节置换手术导航系统中导入测试模具的三维STL模型。
S2:通过关节置换手术导航系统控制扫描探针抵接测试模具上预设位置的多个标记点；通过扫描探针上设置的示踪元件，获取多个标记点的空间坐标信息；关节置换手术导航系统根据空间坐标信息，完成三维STL模型和测试模组的图像配准。如图6所示，通过关节置换手术导航系统控制扫描探针抵靠至标记点；获取标记点的空间坐标信息；计算空间坐标信息和测试模具上标记点的实际空间坐标信息的差值。
完成三维STL模型和测试模组的图像配准后，可利用测试模具上的空间特征孔来进行精度验证，由于在图像配准的过程中。可能产生方位的偏差，因此空间特征孔的存在可以用工与验证图像配准的方位是否正确。在该验证过程中，可手持扫描谭政使扫描针尖运动至测试模具上的空间特征孔处，由于已完成了图像配准，因此在上位机上会显示测试模具上的空间特征孔和该扫描针尖的位置。如果在上位机上的显示中，该扫描针尖也位于测试模具上的空间特征孔处，则说明图像配准的洁净度较高，通过验证。反之，如果在上位机上的显示中，该扫描针尖与测试模具上的空间特征孔偏差较大，则说明图像配准的精度较低，方位偏差较大。
S3:通过关节置换手术导航系统控制扫描探针抵接测试模具上的各标记点，并从三维STL模型中采集扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息。
S4:如图7所示，通过关节置换手术导航系统控制标定杆插入测试模具的空间特征孔，并从三维STL模型中采集标定杆在空间特征孔的角度信息。
S5:基于扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及，基于标定杆在空间特征孔的角度信息及测试模具上空间特征孔的实际角度信息，确定关节置换手术导航系统的精度误差。
具体的精度误差计算包括：a.根据扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模具上各标记点对应的实际空间坐标信息的差值，确定关节置换手术导航系统的位置精度误差；b.根据标定杆在各空间特征孔的角度信息与测试模具上各空间特征孔的实际角度信息的差值，确定关节置换手术导航系统的角度精度误差。
其中，标记点的实际空间坐标信息以及空间特征孔的实际角度信息均由三坐标测量仪测量得到；利用三坐标测量仪的测量探头探测标定杆的中心头部的中心点，由于标定杆具有预定尺寸，因此能够得出标定杆的中心轴线的空间角度。扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息以及标定杆的轴线在各空间特征孔的角度信息可在软件中实时读取。
本实施例中还提供了一种关节置换手术导航系统的精度检测装置，如图8所示，包括：
导入模块201，用于在关节置换手术导航系统中导入测试模具的三维STL模型；
第一处理模块202，用于通过关节置换手术导航系统控制扫描探针抵接测试模具上的各标记点，并从三维STL模型中采集扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息；
第二处理模块203，用于通过关节置换手术导航系统控制标定杆插入测试模具的空间特征孔，并从三维STL模型中采集标定杆在空间特征孔的角度信息；
第三处理模块204，用于基于扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及，基于标定杆在空间特征孔的角度信息及测试模具上空间特征孔的实际角度信息，确定关节置换手术导航系统的精度误差。
本实施例中还提供了一种电子设备，如图5所示，该电子设备包括：处理器301和存储器302，存储器302和处理器301之间互相通信连接，存储器302中存储有计算机指令，处理器301通过执行计算机指令，从而执行本发明另一实施例提供的关节置换手术导航系统的精度检测方法。
上述的处理器301和存储器302可以通过总线或者其他方式连接，图9中以通过总线连接为例。
处理器301可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器301还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(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、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器302作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器301通过运行存储在存储器302中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
存储器302可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器301所创建的数据等。此外，存储器302可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器302可选包括相对于处理器301远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器301。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
一个或者多个模块存储在存储器302中，当被处理器301执行时，执行上述方法实施例中的方法。
上述电子设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-StateDrive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种关节置换手术导航系统的精度检测方法，所述关节置换手术导航系统包括：测试模具、标定杆以及扫描探针，其中，所述测试模具用于模拟关节置换手术过程中被操作的人体骨骼的骨骼形貌，所述关节置换手术导航系统用于控制所述标定杆及扫描探针对所述测试模具执行相应的动作以模拟关节置换手术过程，其特征在于，所述方法包括：
在所述关节置换手术导航系统中导入所述测试模具的三维STL模型；
通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵接所述测试模具上的各标记点，并从所述三维STL模型中采集所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息；
通过所述关节置换手术导航系统控制所述标定杆插入所述测试模具的空间特征孔，并从所述三维STL模型中采集所述标定杆在所述空间特征孔的角度信息；
基于所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及，基于所述标定杆在空间特征孔的角度信息和所述测试模具上空间特征孔的实际角度信息，确定所述关节置换手术导航系统的精度误差。
2.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统的精度检测方法，其特征在于，在通过所述关节置换手术导航系统控制所述标定杆插入所述测试模具的空间特征孔之前，所述方法还包括：
通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵接所述测试模具上预设位置的多个标记点；
通过所述扫描探针上设置的示踪元件，获取所述多个标记点的空间坐标信息；
所述关节置换手术导航系统根据所述空间坐标信息，完成所述三维STL模型和所述测试模组的图像配准。
3.根据权利要求2所述的关节置换手术导航系统的精度检测方法，其特征在于，还包括：
通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵靠至所述标记点；
获取所述标记点的空间坐标信息；
计算所述空间坐标信息和所述测试模具上标记点的实际空间坐标信息的差值。
4.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统的精度检测方法，其特征在于，所述基于所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及，基于所述标定杆在空间特征孔的角度信息和所述测试模具上空间特征孔的实际角度信息，确定所述关节置换手术导航系统的精度误差，包括：
根据所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和所述测试模具上各标记点对应的实际空间坐标信息的差值，确定所述关节置换手术导航系统的位置精度误差；
根据所述标定杆在各空间特征孔的角度信息与所述测试模具上各空间特征孔的实际角度信息的差值，确定所述关节置换手术导航系统的角度精度误差。
5.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统的精度检测方法，其特征在于，通过三坐标测量仪测量测得所述标记点的实际空间坐标信息以及所述空间特征孔的实际角度信息。
6.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统的精度检测方法，其特征在于，在所述测试模具的至少三个侧面上设置所述标记点。
7.根据权利要求1所述的关节置换手术导航系统的精度检测方法，其特征在于，从所述三维STL模型中采集所述标定杆在所述空间特征孔的角度信息，包括：
从所述三维STL模型中采集所述标定杆的轴线在所述空间特征孔的角度信息。
8.一种关节置换手术导航系统的精度检测装置，其特征在于，包括：
导入模块，用于在所述关节置换手术导航系统中导入所述测试模具的三维STL模型；
第一处理模块，用于通过所述关节置换手术导航系统控制所述扫描探针抵接所述测试模具上的各标记点，并从所述三维STL模型中采集所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息；
第二处理模块，用于通过所述关节置换手术导航系统控制所述标定杆插入所述测试模具的空间特征孔，并从所述三维STL模型中采集所述标定杆在所述空间特征孔的角度信息；
第三处理模块，用于基于所述扫描探针在各标记点对应的空间坐标信息和测试模组上的各标记点的实际空间坐标信息，以及，基于所述标定杆在空间特征孔的角度信息及所述测试模具上空间特征孔的实际角度信息，确定所述关节置换手术导航系统的精度误差。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机从而执行权利要求1-7任一项所述的方法。
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