CN113633377A - 一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法 - Google Patents
一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113633377A CN113633377A CN202110930203.0A CN202110930203A CN113633377A CN 113633377 A CN113633377 A CN 113633377A CN 202110930203 A CN202110930203 A CN 202110930203A CN 113633377 A CN113633377 A CN 113633377A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- registration
- tibia
- point cloud
- point
- data
- 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.)
- Granted
Links
- 210000002303 tibia Anatomy 0.000 title claims abstract description 52
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000005457 optimization Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000012216 screening Methods 0.000 claims abstract description 4
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims description 26
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 21
- 238000009616 inductively coupled plasma Methods 0.000 claims description 20
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 claims description 16
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 10
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 claims description 5
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 4
- 210000003423 ankle Anatomy 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 8
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 description 3
- 206010012139 Extremity deformities Diseases 0.000 description 1
- 208000003947 Knee Osteoarthritis Diseases 0.000 description 1
- 238000002679 ablation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 210000003557 bones of lower extremity Anatomy 0.000 description 1
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 description 1
- 238000013150 knee replacement Methods 0.000 description 1
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 1
- 238000002271 resection Methods 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 208000024891 symptom Diseases 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
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
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
-
- 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
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
- A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
- A61B2034/102—Modelling of surgical devices, implants or prosthesis
- A61B2034/104—Modelling the effect of the tool, e.g. the effect of an implanted prosthesis or for predicting the effect of ablation or burring
-
- 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
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
- A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
- A61B2034/105—Modelling of the patient, e.g. for ligaments or bones
-
- 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
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
- A61B2034/108—Computer aided selection or customisation of medical implants or cutting guides
-
- 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
- A61B2034/2046—Tracking techniques
- A61B2034/2055—Optical tracking systems
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/40—Engine management systems
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Surgery (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Robotics (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Surgical Instruments (AREA)
Abstract
本发明公开了一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法，包括模型处理子模块、特征提取与筛选子模块、粗配准子模块、精配准子模块、限制性区域寻优子模块，采用融合体表特征点进行配准的方式，操作简便，术中便于实施。同时采用限制性区域优化配准方法优化了传统方法的配准效果，可降低由于拾取点噪声引起的误差，并有效提高手术的精度。
Description
技术领域
本发明涉及手术导航设备中的胫骨优化配准系统与方法，特别涉及一种面向胫骨高位截骨手术过程的胫骨优化配准系统与方法。
背景技术
自1958年Jackson首先提出胫骨高位截骨术(High tibial osteotomy,HTO)的概念以来，该技术被广泛应用于治疗膝关节单侧骨关节炎及其他下肢畸形领域。特别是针对年轻活跃的患者(年龄一般小于65周岁)展现出良好的手术疗效。胫骨高位截骨术是一类通过调整患者畸形的生理力线，将膝关节负重均匀的分配至内外侧间室的手术。这样做可以减轻患者症状并且延缓疾病的进展，进而推迟或避免全膝关节置换手术。
HTO的结果取决于准确的术前计划和术中技术。随着诸如Mimics、Orthomap3D等规划软件的快速发展，术前规划变得越来越精准和高效。大量研究表明，相对于术前计划，术中矫正的准确性成为决定胫骨高位截骨术成功结果的最重要因素。术中技术的关键在于建立准确的截骨平面和理想的撑开角度。准确的截骨平面是避免术中胫骨平台骨折和神经血管结构损伤的必要前提；理想的撑开角度可以保证膝内侧软组织得到充分释放并且将膝关节负重均匀的分配至内外侧间室。然而，传统手术由于术中视野的局限性，医生缺乏对患骨位置的精准感知，不能实现规划方案的有效实施，成为手术疗效差的主要因素。大量研究证明，传统的术中测量技术经常显示出观察者内部的可变性和低再现性，即使仅考虑冠状面也是如此。
计算机辅助外科手术因其精准高效的操作理念被引入胫骨高位截骨手术领域。其原理在于通过配准技术将术前规划数据与术中患骨信息进行融合，进而引导手术过程的进行。大量文献已经证实计算机辅助手段相较于传统方法具有更高的稳定性，但仍存在诸多限制。由于骨表面覆盖的软组织干扰，骨性标志难以准确识别，可能会引发配准错误。此外，HTO的手术操作区域相当有限，外科医生经常需要经皮识别解剖标志，这可能会干扰精确的指向和配准。上述限制制约了计算机辅助手术配准精度的提升，目前还没有计算机可以补偿这一点。因此，寻求更好的配准及优化方法可能是解决上述限制的一种有效途径。
在骨科矫形手术配准中，基于点的配准似乎是最常用的配准方式。基于点的配准可分为基于外部特征的配准和基于内部特征的配准。
基于外部特征的配准多采用植入标记物或粘贴体表标志的方式，前者虽然具有很高的配准精度，但因其会对患者造成二次伤害，易造成患者的心理负担和不必要的生理损伤，一般不建议使用此种方式；而后者由于皮肤形变的因素也并不可靠。基于外部特征的配准参数通常可以显式计算，因此不需要复杂的优化算法。其主要缺点是前瞻性，即必须在采集前阶段作出规定，以及标记物经常具有侵入性。
基于内部特征的配准多采用3-D探测器(如电磁、超声波、光学)在手术空间中获取骨表面点，通过匹配不同坐标系下的内部特征进而完成配准的方式。由于内部特征通常是点云的形式，多数配准方法都是基于迭代最近点算法(iterative closest point,ICP)。这种方法可以在正常操作条件下可产生准确的配准。但随着手术操作区域的缩小，配准结果会迅速恶化，因为有意义的表面特征的获取受到损害。Ferdinando等给出一种有界ICP方法，借助股骨头中心的旋转定位特性实现股骨的配准过程，但仅限于模型测试，实际应用中股骨头中心位置的波动对算法的影响将是致命的。Calvin等针对颅骨配准给出一种点和表面加权组合的方法，该方法需要除了患骨表面还需要引入额外的人工标记，并不适用于下肢骨的配准。现有的配准方法对于匹配点云的位置，数量以及质量均有较高的要求，特别是针对HTO此类小切口类的手术，难以获取优质的配准效果。
综上所述，现有的配准系统难以满足临床手术的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种在手术过程中操作简单、效率高、精度好的胫骨优化配准系统。
本发明是通过以下技术方案实现：
本发明的一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统，包括以下子模块：
模型处理子模块,所述的模型处理子模块用于扫描获取人体下肢CT数据并根据所得的人体下肢CT数据重建人体下肢三维模型，并获取和存储标志点数据用于后续匹配用于后续数据处理；
特征提取与筛选子模块，所述的特征提取与筛选子模块用于利用光学跟踪设备经由体表获取胫骨体表解剖标志点、内外踝体表点云及胫骨近端骨表面特征点云，剔除异常点并存储用于后续配准；
粗配准子模块，所述的粗配准子模块用于借由解剖标志点将术前CT数据转换至便于算法收敛的初始配准位姿；
精配准子模块，所述的精配准子模块用于基于改良的ICP算法将粗配准子模块的模型配准至较好的迭代位姿；
限制性区域寻优子模块，所述的限制性区域寻优子模块用于在限定自由度区域内对配准结果进行优化更新以获取优质的配准结果。
一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准方法，包括以下步骤：
(1)扫描获取人体下肢CT数据并根据所得的人体下肢CT数据重建人体下肢三维模型，通过医学图像处理软件Mimics的点拾取工具拾取3D模型表面骨解剖标志点，存储标志点数据用于后续匹配。然后采用高精度存储模式保存为STL网格模型用于后续数据处理；模型的高精度存储，可以提高匹配点的定位精度。
(2)利用光学跟踪设备经由体表获取胫骨体表解剖标志点、内外踝体表点云及胫骨近端骨表面特征点云，存储用于后续配准；
(3)粗配准阶段；选取皮肤及软组织较少的三个解剖位置点：踝内外侧及胫骨结节，与术前CT数据进行粗配准，获取粗配准矩阵TP，并将术前点云数据作如下处理：
si＝TPpi (1)
式中，pi表示由术前CT获取的点云数据，si为粗配准后的术前点云数据，粗配准后的数据作为后续精配准的输入；
(4)精配准阶段；为了便于后续描述，记ICP算法当前迭代矩阵T为
qi在si的当前对应点集数据为
这里m代表迭代次数；同时，我们记术中采集的近端点云个数为n1，远端点云个数为n2；由于远端点云是经皮获取的，我们对经典ICP算法做如下修改：在计算迭代矩阵时使用整体远近端数据，而采用胫骨近端点云的平均迭代距离
为迭代终止依据；
式中，εICP表示两次迭代平均距离差，当εICP≤0时，结束ICP精配准过程，获取ICP精配准后的点云数据mi＝TICPsi以及近端点云的平均迭代距离dICP；
(5)限制性区域寻优阶段；限定ICP配准模型在轴向自旋及三维平移四个自由度进行迭代优化搜索。
本发明的有益效果是：采用融合体表特征点进行配准的方式，操作简便，术中便于实施。同时采用限制性区域优化配准方法优化了传统方法的配准效果，可降低由于拾取点噪声引起的误差，并有效提高手术的精度。
附图说明
图1是本发明的面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统的整体流程图；
图2是特征提取与筛选模块的子流程图；
图3是限制性区域优化模块的子流程图；
图4是胫骨模型局部坐标系定义的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
参见附图1，本发明的一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统，执行以下步骤：
(1)扫描获取人体下肢CT数据并根据所得的人体下肢CT数据重建人体下肢三维模型，通过医学图像处理软件Mimics的点拾取工具拾取3D模型表面骨解剖标志点，存储标志点数据用于后续匹配。然后采用高精度存储模式保存为STL网格模型用于后续数据处理；模型的高精度存储，可以提高匹配点的定位精度。
作为本发明的一种实施方式具体方法可以为：对患者进行术前螺旋CT扫描，并利用医学图像处理软件Mimics对CT数据进行精确的三维重建及特征拾取；
(2)如附图2所示，利用光学跟踪设备经由体表获取胫骨体表解剖标志点、内外踝体表点云及胫骨近端骨表面特征点云，存储用于后续配准。
作为本发明的一种实施方式具体方法可以为：利用光学跟踪仪器获取特征点及特征点云，具体包括：
(2a)利用光学定位探针经皮点选3个胫骨体表解剖标记点，且所述的三个点坐标分布于患骨的两端；
(2b)利用光学定位探针均匀划取内外踝体表及胫骨近端骨表面，获取初始骨内外踝体表及胫骨近端骨表面点云数据；
(2c)若所述的初始点云数据中存在重复点，则保留其中任一坐标点坐标；
(2d)若患骨初始表面点云数据中任一点不满足非噪声点的邻域特性，则将其作为噪声点进行剔除；
(2e)经过上述处理后的患骨初始表面点云数据为获取的患骨待匹配点云数据，我们将术中依靠点云采集装置获取的点云数据记为：qi。
(3)粗配准阶段。选取皮肤及软组织较少的三个解剖位置点(踝内外侧及胫骨结节)与术前CT数据进行粗配准，获取粗配准矩阵TP，并将术前点云数据作如下处理：
si＝TPpi (4)
式中，pi表示由术前CT获取的点云数据，si为粗配准后的术前点云数据，粗配准后的数据作为后续精配准的输入。
(4)精配准阶段。为了便于后续描述，我们记ICP算法当前迭代矩阵T为
qi在si的当前对应点集数据为
这里m代表迭代次数。同时，我们记术中采集的近端点云个数为n1，远端点云个数为n2。由于远端点云是经皮获取的，我们对经典ICP算法做如下修改：在计算迭代矩阵时使用整体远近端数据，而采用胫骨近端点云的平均迭代距离
为迭代终止依据。
式中，εICP表示两次迭代平均距离差，当εICP≤0时，结束ICP精配准过程，获取ICP精配准后的点云数据mi＝TICPsi以及近端点云的平均迭代距离dICP。
(5)限制性区域寻优阶段。如图3所示，我们限定ICP配准模型在轴向自旋及三维平移四个自由度进行迭代优化搜索。包括如下步骤：
(5a)初始搜索方向的定义。如图4所示，首先利用CT模型定义胫骨解剖方位坐标系P-uvw，其中，P-u为胫骨机械轴方向，方向向量记为u1；P-v为胫骨内侧指向外侧，记为u2；P-w为胫骨前侧指向后侧，记为u3；坐标原点为胫骨膝关节中心，记为pc。则初始搜索方向为：
式中，
表示初始迭代胫骨局部坐标系坐标轴的方向，
表示初始迭代胫骨局部坐标系坐标原点的位置。
(5b)初始搜索节点的定义。定义4个自由度搜索区域的步长为df(f＝1,2,3,4)，步数为k。将搜索区域第f个自由度的第k步节点的转换矩阵表示为：T(f,k)。假设第0次迭代每个搜索节点(f,k)点集qi与点集mi中距离最近的对应点集为
可得每个搜索节点对应点对的平均距离为：
当平均距离下降量Δ＝dICP-d(f,k)取得最大值时，输出节点索引(f,k)作为初次迭代的最优节点。我们记迭代寻优过程当前迭代矩阵T为
这里n代表迭代次数。则初次迭代矩阵
初始迭代平均距离
(5c)迭代优化过程。完成初始方向及初始节点的定义后，可得当前迭代矩阵为：
式中，
表示当前搜索区域的最优迭代矩阵。
当前搜索方向为：
(5d)迭代终止条件。定义两次迭代平均距离的差值
若εROICP≤0，结束限制性区域寻优过程。至此，我们获取最终的患骨配准矩阵:
TF＝TROICPTICPTp (13)
本发明的一种针对胫骨高位截骨手术过程的胫骨优化配准系统，所述方法可在胫骨高位截骨手术此类小切口手术中展现鲁棒性的优化配准结果。同时，采用融合体表特征点进行配准的方式，操作简便，术中便于实施。故本发明的一种针对胫骨高位截骨手术过程的胫骨优化配准系统可满足临床手术导航的需求。
以上对本发明的描述仅仅是示意性的，而不是限制性的，所以，本发明的实施方式并不局限于上述的具体实施方式。如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，做出其他变化或变型，均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统，其特征在于，包括以下子模块：
模型处理子模块,所述的模型处理子模块扫描获取人体下肢CT数据并根据所得的人体下肢CT数据重建人体下肢三维模型，并获取和存储标志点数据用于后续匹配用于后续数据处理；
特征提取与筛选子模块，所述的特征提取与筛选子模块利用光学跟踪设备经由体表获取胫骨体表解剖标志点、内外踝体表点云及胫骨近端骨表面特征点云，剔除异常点并存储用于后续配准；
粗配准子模块，所述的粗配准子模块借由解剖标志点将术前CT数据转换至便于算法收敛的初始配准位姿；
精配准子模块，所述的精配准子模块基于改良的ICP算法将粗配准子模块的模型配准至较好的迭代位姿；
限制性区域寻优子模块，所述的限制性区域寻优子模块在限定自由度区域内对配准结果进行优化更新以获取优质的配准结果。
2.一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)扫描获取人体下肢CT数据并根据所得的人体下肢CT数据重建人体下肢三维模型，通过医学图像处理软件Mimics的点拾取工具拾取3D模型表面骨解剖标志点，存储标志点数据用于后续匹配。然后采用高精度存储模式保存为STL网格模型用于后续数据处理；模型的高精度存储，可以提高匹配点的定位精度；
(2)利用光学跟踪设备经由体表获取胫骨体表解剖标志点、内外踝体表点云及胫骨近端骨表面特征点云，存储用于后续配准；
(3)粗配准阶段；选取皮肤及软组织较少的三个解剖位置点：踝内外侧及胫骨结节，与术前CT数据进行粗配准，获取粗配准矩阵TP，并将术前点云数据作如下处理：
si＝TPpi (1)
式中，pi表示由术前CT获取的点云数据，si为粗配准后的术前点云数据，粗配准后的数据作为后续精配准的输入；
(4)精配准阶段；为了便于后续描述，记ICP算法当前迭代矩阵T为
qi在si的当前对应点集数据为
这里m代表迭代次数；同时，我们记术中采集的近端点云个数为n1，远端点云个数为n2；由于远端点云是经皮获取的，我们对经典ICP算法做如下修改：在计算迭代矩阵时使用整体远近端数据，而采用胫骨近端点云的平均迭代距离
为迭代终止依据；
式中，εICP表示两次迭代平均距离差，当εICP≤0时，结束ICP精配准过程，获取ICP精配准后的点云数据mi＝TICPsi以及近端点云的平均迭代距离dICP；
(5)限制性区域寻优阶段；限定ICP配准模型在轴向自旋及三维平移四个自由度进行迭代优化搜索。
3.根据权利要求2所述面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：
(a)利用光学定位探针经皮点选3个胫骨体表解剖标记点，且所述的三个点坐标分布于患骨的两端；
(b)利用光学定位探针均匀划取内外踝体表及胫骨近端骨表面，获取初始骨内外踝体表及胫骨近端骨表面点云数据；
(c)若所述的初始点云数据中存在重复点，则保留其中任一坐标点坐标；
(d)若患骨初始表面点云数据中任一点不满足非噪声点的邻域特性，则将其作为噪声点进行剔除；
(e)经过上述处理后的患骨初始表面点云数据为获取的患骨待匹配点云数据，将术中依靠点云采集装置获取的点云数据记为：qi。
4.根据权利要求2所述面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括如下步骤：
(a)初始搜索方向的定义；首先利用CT模型定义胫骨解剖方位坐标系P-uvw，其中，P-u为胫骨机械轴方向，方向向量记为u1；P-v为胫骨内侧指向外侧，记为u2；P-w为胫骨前侧指向后侧，记为u3；坐标原点为胫骨膝关节中心，记为pc；则初始搜索方向为：
式中，
表示初始迭代胫骨局部坐标系坐标轴的方向，
表示初始迭代胫骨局部坐标系坐标原点的位置；
(b)初始搜索节点的定义；定义4个自由度搜索区域的步长为df(f＝1,2,3),，步数为k；将搜索区域第f个自由度的第k步节点的转换矩阵表示为：T(f,k)；假设第0次迭代每个搜索节点(f,k)点集qi与点集mi中距离最近的对应点集为
可得每个搜索节点对应点对的平均距离为：
当平均距离下降量Δ＝dICP-d(f,k)取得最大值时，输出节点索引(f,k)作为初次迭代的最优节点；我们记迭代寻优过程当前迭代矩阵T为
这里n代表迭代次数；则初次迭代矩阵
初始迭代平均距离
(c)迭代优化过程；完成初始方向及初始节点的定义后，可得当前迭代矩阵为：
式中，
表示当前搜索区域的最优迭代矩阵；
当前搜索方向为：
(d)迭代终止条件；定义两次迭代平均距离的差值
若εROICP≤0，结束限制性区域寻优过程；至此，我们获取最终的患骨配准矩阵:
TF＝TROICPTICPTp (10)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110930203.0A CN113633377B (zh) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | 一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110930203.0A CN113633377B (zh) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | 一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113633377A true CN113633377A (zh) | 2021-11-12 |
| CN113633377B CN113633377B (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=78421720
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110930203.0A Active CN113633377B (zh) | 2021-08-13 | 2021-08-13 | 一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113633377B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114246635A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-03-29 | 杭州三坛医疗科技有限公司 | 一种截骨平面定位方法、系统及装置 |
| CN114305685A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-04-12 | 杭州键嘉机器人有限公司 | 一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009291342A (ja) * | 2008-06-04 | 2009-12-17 | Univ Of Tokyo | 手術支援装置 |
| CN106504277A (zh) * | 2016-11-18 | 2017-03-15 | 辽宁工程技术大学 | 一种改进的icp点云自动配准方法 |
| US20170340389A1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | Mako Surgical Corp. | Preoperative planning and associated intraoperative registration for a surgical system |
| US20170360509A1 (en) * | 2014-12-08 | 2017-12-21 | Think Surgical, Inc. | Implant based planning, digitizing, and registration for total joint arthroplasty |
| CN108765474A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-11-06 | 天津工业大学 | 一种针对ct与光学扫描牙齿模型的高效配准方法 |
| CN109953798A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-07-02 | 北京航空航天大学 | 胫骨高位截骨的截骨平面定位方法及系统 |
| 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 |
| CN111166473A (zh) * | 2018-12-04 | 2020-05-19 | 艾瑞迈迪科技石家庄有限公司 | 一种髋膝关节置换手术的导航方法和系统 |
-
2021
- 2021-08-13 CN CN202110930203.0A patent/CN113633377B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009291342A (ja) * | 2008-06-04 | 2009-12-17 | Univ Of Tokyo | 手術支援装置 |
| US20170360509A1 (en) * | 2014-12-08 | 2017-12-21 | Think Surgical, Inc. | Implant based planning, digitizing, and registration for total joint arthroplasty |
| US20170340389A1 (en) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | Mako Surgical Corp. | Preoperative planning and associated intraoperative registration for a surgical system |
| CN106504277A (zh) * | 2016-11-18 | 2017-03-15 | 辽宁工程技术大学 | 一种改进的icp点云自动配准方法 |
| CN108765474A (zh) * | 2018-04-17 | 2018-11-06 | 天津工业大学 | 一种针对ct与光学扫描牙齿模型的高效配准方法 |
| CN111166473A (zh) * | 2018-12-04 | 2020-05-19 | 艾瑞迈迪科技石家庄有限公司 | 一种髋膝关节置换手术的导航方法和系统 |
| CN109953798A (zh) * | 2019-03-27 | 2019-07-02 | 北京航空航天大学 | 胫骨高位截骨的截骨平面定位方法及系统 |
| 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 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114305685A (zh) * | 2021-12-17 | 2022-04-12 | 杭州键嘉机器人有限公司 | 一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法 |
| CN114305685B (zh) * | 2021-12-17 | 2024-05-24 | 杭州键嘉医疗科技股份有限公司 | 一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法 |
| CN114246635A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-03-29 | 杭州三坛医疗科技有限公司 | 一种截骨平面定位方法、系统及装置 |
| CN114246635B (zh) * | 2021-12-31 | 2023-06-30 | 杭州三坛医疗科技有限公司 | 一种截骨平面定位方法、系统及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113633377B (zh) | 2024-02-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US11826111B2 (en) | Surgical navigation of the hip using fluoroscopy and tracking sensors | |
| US11382698B2 (en) | Surgical navigation system | |
| EP2667813B1 (en) | Computer program for planning the positioning of an implant | |
| US9947110B2 (en) | Method for assisting the positioning of a medical structure on the basis of two-dimensional image data | |
| 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 | |
| CN112991409A (zh) | 骨骼注册方法及系统及存储介质 | |
| CN113116523B (zh) | 骨科手术配准装置、终端设备和存储介质 | |
| CN110946659A (zh) | 影像空间与实际空间的注册方法及系统 | |
| CN112826590A (zh) | 基于多模态融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统 | |
| CN110115628B (zh) | 一种个性化胫骨高位截骨角度匹配模板的模型的构建方法 | |
| CN112998854B (zh) | 胫骨假体与胫骨的拟合方法及机器人手术系统 | |
| 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 | |
| CN113069134A (zh) | 一种基于ct三维重建图像的股骨髓腔内形态学参数三维测量方法 | |
| CN114305685A (zh) | 一种用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法 | |
| WO2006092594A2 (en) | 3d ultrasound registration | |
| CN116421313A (zh) | 胸腔镜下肺部肿瘤切除手术导航中的增强现实融合方法 | |
| CN113332008B (zh) | 一种髋关节置换术中股骨长度的确定方法及系统 | |
| CN115358995A (zh) | 基于多模态信息融合的全自动空间注册系统 | |
| CN114938995B (zh) | 应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统和医疗设备 | |
| McDonald et al. | The effect of anatomic landmark selection of the distal humerus on registration accuracy in computer-assisted elbow surgery | |
| Świątek-Najwer et al. | The Maxillo-Facial Surgery System for guided cancer resection and bone reconstruction | |
| US20240024035A1 (en) | Preoperative imaging combined with intraoperative navigation before and after alteration of a surgical site to create a composite surgical three dimensional structural dataset | |
| 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 | |
| McDonald et al. | Implant alignment in total elbow arthroplasty: conventional vs. navigated techniques | |
| CN116549108A (zh) | 基于影像的目标点位置确定方法、装置、设备及存储介质 |
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 | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |