CN114224574A - 一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法 - Google Patents

一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法，包括以下步骤：从术前规划中获取正位后的股骨柄、髋臼杯的stl数据作为待检测物体；从术前规划中获取股骨球头的旋转中心作为中心，分割出可能发生碰撞的股骨柄、髋臼杯的stl数据，去除剩余部分；股骨活动范围检测：以屈曲后伸活动度为x轴，外展内收活动度为y轴构建坐标系，坐标原点即为待检测物体当前位姿，接着基于广度遍历思想，从坐标原点出发，遍历所有坐标点并检测其是否发生碰撞，即可得到患者股骨具体的活动范围；将边界队列排序后绘制。该检测方法改进股骨活动范围检测的策略，减少数据更换后更新一次股骨活动范围边界所需的时间；在当前股骨度发生碰撞时，实施绘制出碰撞区域。

Description

一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法
技术领域
本发明涉及刚性物体碰撞检测技术领域，具体地说，涉及一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法。
背景技术
术前根据CT影像重建出患者的髋关节及股骨模型，并根据给出的规划方案将特定型号的髋臼杯放置在患者的髋臼窝，将股骨柄放置在股骨内部，将它们调整到规划方案给定的角度。
随后固定髋臼杯的位置，模拟股骨柄在屈曲150度、后伸50度、内收40度、外展50度范围内的各种组合角度，检测当前股骨柄与髋臼杯是否发生碰撞，从而在屈曲后伸和内收外展的范围表上绘制出在股骨柄与髋臼杯的非碰撞区域，也即患者股骨的可活动范围。
目前常用的碰撞检测方法是基于方向包围盒(OBB)的层次包围盒,其基本思想是通过使用一个包含了待检测物体的相对简单的几何模型来代替原本复杂的、难以检测的几何物体，在经过对它们的包围盒的粗略碰撞检测后，当它们的包围盒之间发生相交时有可能原物体存在碰撞，继续构造更深层次的包围盒并检测；若包围盒未相交，则待检测物体之间一定不存在碰撞。该方法是基于方向包围盒(OBB)的层次包围盒，其对于存在碰撞的检测的时间复杂度取决于待检测物体的三角面片数量。因此对于精细的股骨柄和髋臼杯模型进行一次碰撞检测所需的时间过长。
另一种碰撞检测方法以点作为检测元素，将待检测物体中的一方所包含的所有点进行逐一检测。检测方法为将该点从随机方向射出两条射线，判断该射线与另一检测物体的三角面片相交的个数，若每条射线都正好只与一个三角面片相交，则说明该点在该检测物体的内部，两个待检测物体发生了碰撞，该方法是基于点作为检测元素的碰撞检测方法，在两物体距离较远时不能很快的判断出其未发生碰撞。且在仅要求判断是否发生碰撞时，其时间复杂度远远高于基于方向包围盒。
此外将所有医学范围内的可能的屈曲后伸和内收外展组合应用后进行碰撞检测，其所需的碰撞检测次数过多、相应的检测时间过长，故其绘制一次患者的股骨活动范围所需时间过长；而在手术方案预览中更换一次髋臼杯或股骨柄都需要重新绘制活动范围，故其有待改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法，该检测方法改进股骨活动范围检测的策略，减少数据更换后更新一次股骨活动范围边界所需的时间；在当前股骨度发生碰撞时，实施绘制出碰撞区域。
本发明公开的一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法，包括以下步骤：
S100，待检测物体的数据准备：从术前规划中获取正位后的股骨柄、髋臼杯的stl数据作为待检测物体；从术前规划中获取股骨球头的旋转中心作为中心，分割出可能发生碰撞的股骨柄、髋臼杯的stl数据，去除剩余部分；将选中的stl数据进行面片稀疏，减少待检测物体的三角面片数量；
S200，股骨活动范围检测：首先以屈曲后伸为x轴，内收外展为y轴构建坐标系，医学中屈曲后伸和内收外展可能达到的最大范围作为坐标轴的边界，则该坐标系上每一个坐标点都代表一个股骨柄可能达到的位姿；其中坐标原点即为待检测物体未施加旋转角度的当前位姿，且可以确认其必定处于非碰撞状态；
接着基于广度遍历思想，从坐标原点出发，遍历所有坐标点并检测其是否发生碰撞，即可得到患者股骨具体的活动范围，且每个坐标点设置访问位，探索前判断其访问位，若为真则表示其已经被探索过，直接抛弃该点；若为否，则探索该点，当探索到达边界点时，直接将其作为活动范围的边界点加入边界队列；
S300，将边界队列排序后绘制：将事前无序入队的边界队列，根据其与坐标原点所成的角度，重新排列顺序，最后通过B样条拟合有序点得到股骨活动范围的边界曲线；
S400，绘制当前碰撞的碰撞区域：将当前手术人员设定的屈曲后伸和内收外展计算后应用于股骨，并为其更新对应的方向包围盒，接着采用基于方向包围盒OBB的层次包围盒得到待检测物体间所有的碰撞点，通过B样条拟合得到包围碰撞的区域的指示线。
作为优选，所述步骤S200中的遍历方法的具体步骤如下：基于当前坐标P，将探索方向分为上下左右四个方向，探索步长为给定的n，表现在坐标系中即y轴正向、y轴负向、x轴正向、x轴负向，得到P1、P2、P3、P4；依次探索该四个点：假设当前检测点为PX,对其进行碰撞检测，若不碰撞，则将PX加入待扩展队列；若碰撞，则以P与PX作为二分法的左右起点，当出现两个坐标点相邻且碰撞情况不同时，将其中非碰撞点作为一个活动范围边界，存入边界队列，同时抛弃PX，在四个点都探索完毕后将P点从从探索队列中去除；当探索队列为空时，遍历结束。。
本发明的创新点在于：
1、将基于方向包围盒(OBB)的层次包围盒进行调整，在对待检测物体新的姿态矩阵时，避免从头生成OBB，而是对OBB同步应用姿态矩阵，减少了对于待检测物体相同而姿态不同时进行一次碰撞检测所需的时间。
2、提出了一种新的股骨活动范围检测方法。首先为股骨活动范围对应的角度建立二维坐标系，基于广度遍历的思想，从坐标原点出发，进行四领域搜索，最终得到从非碰撞状态到碰撞状态的边界，即为股骨活动范围的边界。该方法大幅度减少了绘制一次股骨活动范围所需要的碰撞检测次数，将所需的具体时间减少到1s以内。手术人员在更换髋臼杯或股骨柄导致待检测物体发生变换，更新股骨活动范围响应更迅速，优化了手术人员的使用体验。
本发明公开的用于髋关节置换手术中的髋骨配准方法的有益效果是：提出了一种新的股骨活动范围检测方法。首先为股骨活动范围对应的角度建立二维坐标系，基于广度遍历的思想，从坐标原点出发，进行四领域搜索，最终得到从非碰撞状态到碰撞状态的边界，即为股骨活动范围的边界。该方法大幅度减少了绘制一次股骨活动范围所需要的碰撞检测次数，将所需的具体时间减少到1s以内。手术人员在更换髋臼杯或股骨柄导致待检测物体发生变换，更新股骨活动范围响应更迅速，优化了手术人员的使用体验。
附图说明
图1是本发明股骨活动边界绘制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步阐述和说明:
请参考图1，为更具体解释步骤中包含的技术细节，下面将结合附图以对本发明进行进一步解释。
一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法，包括以下步骤：
S100，待检测物体的数据准备：从术前规划中获取正位后的股骨柄、髋臼杯的stl数据作为待检测物体；从术前规划中获取股骨球头的旋转中心作为中心，分割出可能发生碰撞的股骨柄、髋臼杯的stl数据，去除剩余部分；将选中的stl数据进行面片稀疏，减少待检测物体的三角面片数量；
S200，股骨活动范围检测：首先以屈曲后伸为x轴，内收外展为y轴构建坐标系，医学中屈曲后伸和内收外展可能达到的最大范围作为坐标轴的边界，则该坐标系上每一个坐标点都代表一个股骨柄可能达到的位姿；其中坐标原点即为待检测物体未施加旋转角度的当前位姿，且可以确认其必定处于非碰撞状态；
接着基于广度遍历思想，从坐标原点出发，遍历所有坐标点并检测其是否发生碰撞，即可得到患者股骨具体的活动范围，且每个坐标点设置访问位，探索前判断其访问位，若为真则表示其已经被探索过，直接抛弃该点；若为否，则探索该点，当探索到达边界点时，直接将其作为活动范围的边界点加入边界队列；
S300，将边界队列排序后绘制：将事前无序入队的边界队列，根据其与坐标原点所成的角度，重新排列顺序，最后通过B样条拟合有序点得到股骨活动范围的边界曲线；
S400，绘制当前碰撞的碰撞区域：将当前手术人员设定的前倾外展角计算后应用于股骨，并为其更新对应的方向包围盒，接着采用基于方向包围盒OBB的层次包围盒得到待检测物体间所有的碰撞点，通过B样条拟合得到包围碰撞的区域的指示线。
其中所述步骤S200中的遍历方法的具体步骤如下：基于当前坐标P，将探索方向分为上下左右四个方向，探索步长为给定的n，表现在坐标系中即y轴正向、y轴负向、x轴正向、x轴负向，得到P1、P2、P3、P4；依次探索该四个点：假设当前检测点为PX,对其进行碰撞检测，若不碰撞，则将PX加入待扩展队列；若碰撞，则以P与PX作为二分法的左右起点，当出现两个坐标点相邻且碰撞情况不同时，将其中非碰撞点作为一个活动范围边界，存入边界队列，同时抛弃PX，在四个点都探索完毕后将P点从从探索队列中去除；当探索队列为空时，遍历结束。。
本发明一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法的创新点在于：
1、将基于方向包围盒(OBB)的层次包围盒进行调整，在对待检测物体新的姿态矩阵时，避免从头生成OBB，而是对OBB同步应用姿态矩阵，减少了对于待检测物体相同而姿态不同时进行一次碰撞检测所需的时间。
2、提出了一种新的股骨活动范围检测方法。首先为股骨活动范围对应的角度建立二维坐标系，基于广度遍历的思想，从坐标原点出发，进行四领域搜索，最终得到从非碰撞状态到碰撞状态的边界，即为股骨活动范围的边界。该方法大幅度减少了绘制一次股骨活动范围所需要的碰撞检测次数，将所需的具体时间减少到1s以内。手术人员在更换髋臼杯或股骨柄导致待检测物体发生变换，更新股骨活动范围响应更迅速，优化了手术人员的使用体验。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (2)

1.一种用于髋关节置换手术中的活动范围检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100，待检测物体的数据准备：从术前规划中获取正位后的股骨柄、髋臼杯的stl数据作为待检测物体；从术前规划中获取股骨球头的旋转中心作为中心，分割出可能发生碰撞的股骨柄、髋臼杯的stl数据，去除剩余部分；将选中的stl数据进行面片稀疏，减少待检测物体的三角面片数量；
S200，股骨活动范围检测：首先以屈曲后伸活动度为x轴，外展内收活动度为y轴构建坐标系，医学中屈曲后伸活动度、外展内收活动度可能达到的最大范围作为坐标轴的边界，则该坐标系上每一个坐标点都代表一个股骨柄可能达到的位姿；其中坐标原点即为待检测物体未施加旋转角度的当前位姿，且可以确认其必定处于非碰撞状态；
接着基于广度遍历思想，从坐标原点出发，遍历所有坐标点并检测其是否发生碰撞，即可得到患者股骨具体的活动范围，且每个坐标点设置访问位，探索前判断其访问位，若为真则表示其已经被探索过，直接抛弃该点；若为否，则探索该点，当探索到达边界点时，直接将其作为活动范围的边界点加入边界队列；
S300，将边界队列排序后绘制：将事前无序入队的边界队列，根据其与坐标原点所成的角度，重新排列顺序，最后通过B样条拟合有序点得到股骨活动范围的边界曲线；
S400，绘制当前碰撞的碰撞区域：将当前手术人员设定的屈曲后伸、外展内收活动度计算后应用于股骨，并为其更新对应的方向包围盒，接着采用基于方向包围盒OBB的层次包围盒得到待检测物体间所有的碰撞点，通过B样条拟合得到包围碰撞的区域的指示线。
2.根据权利要求1所述的一种用于髋关节置换手术中的股骨活动范围检测方法，其特征在于，所述步骤S200中的遍历方法的具体步骤如下：基于当前坐标P，将探索方向分为上下左右四个方向，探索步长为给定的n，表现在坐标系中即y轴正向、y轴负向、x轴正向、x轴负向，得到P1、P2、P3、P4；依次探索该四个点：假设当前检测点为PX,对其进行碰撞检测，若不碰撞，则将PX加入待扩展队列；若碰撞，则以P与PX作为二分法的左右起点，当出现两个坐标点相邻且碰撞情况不同时，将其中非碰撞点作为一个活动范围边界，存入边界队列，同时抛弃PX，在四个点都探索完毕后将P点从从探索队列中去除；当探索队列为空时，遍历结束。
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