CN114938995A - 应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统和医疗设备 - Google Patents

Abstract

本申请适用于医疗设备技术领域，提供了一种应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统和医疗设备，所述骨盆配准系统包括骨盆配准装置和示踪器；其中，示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，台阶骨钉位于至少两枚普通骨钉中间，台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，台阶骨钉上位于骨面台阶和示踪器台阶之间的区域为加粗设计，台阶骨钉上靠近骨面台阶的一端在手术时嵌入患者骨盆髂前上棘区域且骨面台阶与患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，示踪器主体与骨表面之间的距离等于骨面台阶与示踪器台阶之间的长度。采用上述骨盆配准系统可以提高髋关节置换手术的注册配准精度。

Description

应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统和医疗设备

技术领域

本申请属于医疗设备技术领域，特别是涉及一种应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统和医疗设备。

背景技术

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，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。目前，可以使用手术机器人协助骨外科医生进行手术操作，降低医生操作强度，提高手术精准度及安全性。

骨科手术机器人一般由机械臂系统、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。

通常，关节置换手术可以分为膝关节置换手术、髋关节置换手术等多种不同的手术类型。对于膝关节置换手术，由于其主要针对股骨或胫骨等区域进行配准，需要尽可能地降低股骨机械轴、胫骨机械轴的误差，现有技术中可以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约束，以此方式来提高注册配准的精度，降低假体在矢状面发生倾斜的概率。但是，与膝关节置换手术不同，在髋关节置换手术中，髋臼窝区域相对于整个骨盆的表面积只占很小的一部分，并且髋臼窝区域近似半球的形状，使得按照与上述介绍的膝关节置换手术类似的方法对髋臼窝区域的骨面点进行全骨盆的注册配准难度极大。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统和医疗设备，用以提高髋关节置换手术的注册配准精度。

本申请的第一方面提供了一种应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统，所述骨盆配准系统包括骨盆配准装置和示踪器；其中，示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；应用所述骨盆配准装置执行如下操作：

确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

接收探针点选所述示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；

采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

本申请的第二方面提供了一种示踪器，其特征在于，所述示踪器包括示踪器主体，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度。

本申请的第三方面提供了一种医疗设备，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：

确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

接收探针点选示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；其中，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；

采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

本申请的第四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：

确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

接收探针点选示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；其中，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；

采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

本申请的第五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计算机上运行时，使得所述计算机执行：

确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

接收探针点选示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；其中，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；

采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：

本申请通过在配准循环过程中的每一步均对髋臼窝中心点的位置进行约束，有助于获得更加准确的配准结果。并且，通过采用特殊的示踪器准确确定髂前上棘标记的位置并将其纳入配准流程，解决了由于受到髋臼窝区域相对于整个骨盆的表面积只占很小的一部分及其近似半球的形状等因素的限制而无法准确拟合髋臼窝骨面中心点的问题，降低了配准难度，提高了配准精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请中的技术方案，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是本申请实施例提供的一种骨盆配准装置的执行步骤的示意图；

图2是本申请实施例提供的一种模型标记点以及髋臼窝内侧区域的示意图；

图3是本申请实施例提供的一种髋臼窝外点所在区域的示意图；

图4(a)-图4(b)是本申请实施例提供的一种示踪器的示意图；

图5是本申请实施例提供的一种台阶骨钉的示意图；

图6是本申请实施例提供的一种应用于髋关节置换手术的骨盆配准装置的示意图；

图7是本申请实施例提供的一种医疗设备的示意图。

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。

下面通过具体实施例来说明本申请的技术方案。

本申请实施例提供了一种可应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统，该骨盆配准系统可以包括骨盆配准装置和示踪器。其中，示踪器可以用于确定髋臼窝的髂前上棘标记点，结合通过其他途径确定的采集点，骨盆配准装置可以对髋关节骨盆三维模型和患者髋关节手术位置进行精确配准。

参照图1，示出了本申请实施例提供的一种骨盆配准装置的执行步骤的示意图，包括：

S101、确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点。

需要说明的是，本申请实施例提供的骨盆配准系统可以应用于髋关节置换手术。在手术前，可以对患者手术部位进行CT扫描，得到髋关节骨盆三维模型。医生可以通过在髋关节骨盆三维模型上点选出多个模型标记点。

在本申请实施例中，模型标记点可以包括髋臼上前点、髋臼上后点、髋臼后缘点、髋臼前缘点以及髋臼窝模型中心点共5个。其中，髋臼上前点、髋臼上后点、髋臼前缘点、髋臼后缘点可以由医生直接在髋关节骨盆三维模型上点选得到；髋臼窝模型中心点则可以由医生在髋关节骨盆三维模型上点选出多个髋臼窝内点，通过对多个髋臼窝内点进行计算得到。

如图2所示，是本申请实施例提供的一种模型标记点以及髋臼窝内侧区域的示意图。图2中示出了髋关节骨盆三维模型上的髋臼上前点P201、髋臼上后点P202、髋臼前缘点P203、髋臼后缘点P204以及髋臼窝内内侧区域S205。其中，髋臼上前点P201、髋臼上后点P202、髋臼前缘点P203、髋臼后缘点P204可以是髋关节骨盆三维模型上的多个预设模型位置点，这些预设模型位置点可以由手术医生根据经验在模型上选定。此外，医生可以在髋臼窝内侧区域S205选定多个模型内点，骨盆配准装置可以根据选定的多个模型内点计算出髋臼窝模型中心点。这样，髋臼窝模型中心点和多个预设模型位置点共同构成多个模型标记点。

在一种示例中，医生可以在髋臼窝内侧区域S205选定15个分散的模型内点，骨盆配准装置可以根据这15个分散的模型内点，使用最小二乘法计算出对应的髋臼窝模型中心点的三维位置，也就是髋关节骨盆三维模型上的髋臼窝中心点的三维位置。

如表一所示，是本申请实施例中医生在髋关节骨盆三维模型上选定的标记点的具体位置及数量的示例。

表一：

序号	骨盆标记点位置	数量
			1	髋臼上前	1
2	髋臼上后	1
			3	髋臼前缘	1
4	髋臼后缘	1
			5	髋臼窝内侧	15

在手术过程中，医生可以通过常规手术入路暴露手术位置，然后进入注册配准环节。在注册配准环节，还需要确定患者髋关节手术位置处与多个模型标记点对应的多个骨面标记点。这些骨面标记点即是患者真实手术位置处的标记点。

在本申请实施例中，骨面标记点也可以包括髋臼上前点、髋臼上后点、髋臼后缘点、髋臼前缘点以及髋臼窝骨面中心点共5个。与模型标记点类似，髋臼上前点、髋臼上后点、髋臼前缘点、髋臼后缘点可以由医生直接在髋关节手术位置处点选得到；髋臼窝骨面中心点则可以由医生在髋关节手术位置处点选出多个髋臼窝内点，通过对多个髋臼窝内点进行计算得到。

其中，骨面标记点中的髋臼上前点、髋臼上后点、髋臼前缘点、髋臼后缘点可以是髋关节手术位置处的多个预设骨面位置点，这些预设骨面位置点可以由手术医生根据经验在手术位置处选定。对于髋臼窝骨面中心点，可以由医生在患者髋关节手术位置处的髋臼窝内侧选定多个髋臼窝内点，骨盆配准装置可以根据选定的多个髋臼窝内点计算出髋臼窝骨面中心点。这样，髋臼窝骨面中心点和多个预设骨面位置点共同构成多个骨面标记点。

与计算髋臼窝模型中心点的方式类似，医生可以在髋臼窝内侧区域选定15个分散的髋臼窝内点，骨盆配准装置可以根据这15个分散的髋臼窝内点，使用最小二乘法计算出对应的髋臼窝骨面中心点的三维位置，也就是髋关节手术位置处的髋臼窝中心点的三维位置。

如表二所示，是本申请实施例中医生在髋关节手术位置处选定的标记点的具体位置及数量的示例。

表二：

序号	骨盆标记点位置	数量
			1	髋臼上前	1
2	髋臼上后	1
			3	髋臼前缘	1
4	髋臼后缘	1
			5	髋臼窝内侧	15

S102、根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系。

在确定多个模型标记点和多个骨面标记点后，骨盆配置装置可以对上述模型标记点和骨面标记点进行粗配准，得到第一变换关系。其中，第一变换关系可以是指多个骨面标记点经其转换后，与对应的多个模型标记点之间的平均欧式距离最短。

在具体实现中，可以假设髋关节骨盆三维模型所在坐标系为C_mf，真实世界也就是患者髋关节手术位置所在坐标系为C_f。令a＝{a₁、a₂、a₃、a₄、a₅}为前述髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点的坐标，b＝{b₁、b₂、b₃、b₄、a₅}为前述髋关节手术位置处的多个骨面标记点的坐标。其中，a₁为模型上髋臼上前点的坐标、a₂为模型上髋臼上后点的坐标、a₃为模型上髋臼后缘点的坐标、a₄为模型上髋臼后缘点的坐标、a₅为根据最小二程法计算得到的模型上髋臼窝模型中心点的坐标。b₁为手术位置处髋臼上前点的坐标、b₂为手术位置处髋臼上后点的坐标、b₃为手术位置处髋臼后缘点的坐标、b₄为手术位置处髋臼后缘点的坐标、b₅为根据最小二程法计算得到的手术位置处髋臼窝骨面中心点的坐标。

那么，粗配准的目的即是寻找第一变换关系(R_f0，t_f0)，使b中的骨面标记点经(R_f0，t_f0)转换后，与a中的模型标记点之间的平均欧式距离最短。即：

其中，w_i为各个标记点的权重。

在一种示例中，各个标记点的权重可以相等。在另一种示例中，各个标记点的权重也可以不相等。例如，对于医生较为明确地确定其位置的个别标记点，可以赋予更高的权重，而对于其他一些标记点，则可以赋予相对较低的权重。

在完成粗配准后，相当于完成了注册配准的初始化步骤。此时，可以对髋臼窝中心点进行拟合。

在具体实现中，可以确定髋臼窝模型中心点到髋臼窝骨面中心点的平移向量，令t_f0’为经过第一变换关系(R_f0，t_f0)转换后a₅到b₅的平移向量。即：

t_f0，＝(R_f0b₅+t_f0)-a₅

为了拟合髋臼窝中心点，可以根据上述平移向量t_f0’，将第一变换关系(R_f0，t_f0)更新为目标变换关系(R_f0，T_f0)。

具体地，可以将粗配准后的多个骨面标记点分别沿上述平移向量t_f0’进行平移，得到平移后的多个骨面标记点，记为c＝{c₁、c₂、c₃、c₄、c₅}。c满足：

c_i＝R_fob_i+t_f0+t_f0′

然后基于平移后的多个骨面标记点，将第一变换关系(R_f0，t_f0)更新为目标变换关系(R_f0，T_f0)。其中：

T_f0＝t_f0+t_f0′

这样，平移后的多个骨面标记点经目标变换关系(R_f0，T_f0)转换后，与对应的多模型标记点之间的平均欧式距离最短。

S103、获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点。

在本申请实施例中，多个采集点可以包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点。其中，多个髋臼窝内点可以是前述S101中选定的位于手术位置处髋臼窝内侧的多个内点。例如，前述步骤中的15个髋臼窝内点。

如图3所示，是本申请实施例提供的一种髋臼窝外点所在区域S301的示意图，该区域S301位于髋臼窝的外沿骨面。医生可以使用探针在区域S301处采集多个髋臼窝外点。例如，医生可以在该区域S301处采集15个髋臼窝外点。

上述多个髋臼窝内点以及多个髋臼窝外点可以用于后续的精配准。

S104、接收探针点选所述示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点。

在本申请实施例中，由于髋臼窝区域相对于整个骨盆的表面积只占很小的一部分，并且髋臼窝区域近似半球的形状，使得仅基于髋臼窝区域的骨面点进行全骨盆的注册配准难度极大。为了降低配准难度，提高配准精确度，还可以将髂前上棘点纳入配准流程。

在本申请实施例中，可以采用示踪器确定髂前上棘标记点。

参照图4(a)和图4(b)，示出了本申请实施例提供的一种示踪器的示意图。其中，图4(a)和图4(b)分别是该示踪器在不同方位的视图。结合图4，示踪器包括示踪器主体401。在手术过程中，示踪器主体401可以由嵌入患者骨盆髂前上棘区域402的至少两枚普通骨钉403和一枚台阶骨钉404固定。其中，台阶骨钉404应当位于至少两枚普通骨钉403中间。

如图5所示，示出了本申请实施例提供的一种台阶骨钉404的示意图。与普通骨钉403不同之处在于，该台阶骨钉404包括骨面台阶4041和示踪器台阶4042，台阶骨钉404上位于骨面台阶4041和示踪器台阶4042之间的区域为加粗设计。即，骨面台阶4041和示踪器台阶4042之间的区域相较于台阶骨钉104的两端更粗。台阶骨钉404上靠近骨面台阶4041的一端可以设计为螺纹。在手术时设计为螺纹的一端可以嵌入患者骨盆髂前上棘区域402中，且使得骨面台阶404与患者骨盆髂前上棘区域402的骨表面保持接触，这样，示踪器主体101与骨表面之间的距离可以等于骨面台阶4041与示踪器台阶4042之间的长度。

具体地，结合图4，医生操作手术时，可以将上述普通骨钉403和台阶骨钉404打入患者骨盆髂前上棘区域402中，并保证两枚普通骨钉403分别位于台阶骨钉404左右两侧。然后，可以将示踪器主体401穿过上述普通骨钉403和台阶骨钉404，由紧固螺钉405将其固定在一起。由于骨面台阶4041和示踪器台阶4042的存在，示踪器主体401与骨表面之间的距离即为台阶骨钉404上骨面台阶4041与示踪器台阶4042之间的长度。

由于示踪器的整体位置是已知的，医生在手术过程中，可以通过使用探针以此点选示踪器主体101上表面的多个位置点，这些位置点可以是示踪器主体101上的探针捕获点406，得到这些探针捕获点406的位置信息，从而计算出髂前上棘骨面的三维坐标。这样，可以准确地获得髂前上棘骨面的具体位置信息，确定出髂前上棘标记点407。

S105、采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点。

在本申请实施例中，可以采用目标变换关系(R_f0，T_f0)对多个采集点和髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点。

示例性地，可以采用上述目标变换关系(R_f0，T_f0)多个髋臼窝内点以及多个髋臼窝外点进行转换，并将转换后得到的点集记为d¹＝{d¹ ₁…d¹ ₃₀}。其中，{d¹ ₁…d¹ ₁₅}为15个髋臼窝内点经转换后得到的精配准标记点，{d¹ ₁₆…d¹ ₃₀}为15个髋臼窝外点经转换后得到的精配准标记点。

对于髂前上棘标记点，骨盆配准装置也可以采用上述目标变换关系(R_f0，T_f0)对其进行转换，将转换后得到的点记为d¹ ₃₁，并将其纳入点集d¹中，此时：d¹＝{d¹ ₁…d¹ ₃₁}。

至此，精配准所需的标记点全部获取完毕。需要说明的是，上述获取15个髋臼窝内点以及15个髋臼窝外点仅仅是本申请实施例的一种示例，根据实际需要，可以选择更多或更少的内点或外点作为精配准所需的标记点，本申请实施例对此不作限定。

S106、基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

在获取到多个精配准标记点后，骨盆配准装置可以基于这些标记点对髋关节骨盆三维模型和患者髋关节手术位置进行精配准。

在精配准时，首先需要确定每个精配准标记点d¹在髋关节骨盆三维模型上的对应点e¹。

在具体实现中，对点集d¹中的点，可以采用计算点到面的最短距离的方法，求得其在髋关节骨盆三维模型上的对应点e¹。

然后，根据多个精配准标记点d¹及其对应点e¹，确定第二变换关系(R_f1，t_f1)。其中，多个精配准标记点d¹经第二变换关系(R_f1，t_f1)转换后，与多个对应点e¹之间的平均欧式距离最短。即：

骨盆配准装置可以采用上述第二变换关系(R_f1，t_f1)对多个精配准标记点d¹进行变换更新。变换更新后得到的点集可以记为d^1-2。类似地，d^1-2中的{d^1-2 ₁，…，d^1-2 ₁₅}为髋臼窝内点。

骨盆配置装置可以基于变换更新后的多个精配准标记点进行循环配准，直到多个精配准标记点与髋关节骨盆三维模型上的多个对应点之间的欧式距离小于预设阈值。

在具体实现中，可以采用变换更新后的多个精配准标记点中位于髋臼窝内侧的多个标记点拟合髋臼窝骨面中心点。例如，可以针对上述髋臼窝内点{d^1-2 ₁，…，d^1-2 ₁₅}，再次使用最小二乘法计算得到其对应的髋臼窝骨面中心点，记为d^1-2 _center。

然后，根据髋臼窝模型中心点a5和拟合后的髋臼窝骨面中心点d^1-2 _center更新目标变换关系，记为(R_f1，T_f1)。并将d¹经过(R_f1，T_f1)变换后得到的点集记为d²。至此，便完成了一次完整的精配准循环。

然后，循环执行采用更新后的目标变换关系(R_fm，T_fm)对多个采集点和髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点的步骤，直到在经过m次变换后，得到d^m和e^m的欧式距离小于预先设定的阈值r。即：

其中，n为精配准标记点的数量。例如，在前述示例中，n＝31。

这样，精配准步骤结束，所得到的配准结果在循环中的每一步均对髋臼窝中心点的位置进行了约束，有助于获得更加准确的配准结果。并且，通过采用特殊的示踪器准确确定髂前上棘标记的位置并将其纳入配准流程，解决了由于受到髋臼窝区域相对于整个骨盆的表面积只占很小的一部分及其近似半球的形状等因素的限制而无法准确拟合髋臼窝骨面中心点的问题，降低了配准难度，提高了配准精度。

参照图6，示出了本申请实施例提供的一种应用于髋关节置换手术的骨盆配准装置的示意图，具体可以包括标记点确定模块601、变换关系确定模块602、采集点获取模块603、髂前上棘标记点确定模块604、精配准标记点获取模块605和精配准模块606，其中：

标记点确定模块601，用于确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

变换关系确定模块602，用于根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

采集点获取模块603，用于获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

髂前上棘标记点确定模块604，用于接收探针点选示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；其中，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；

精配准标记点获取模块605，用于采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

精配准模块606，用于基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

在本申请实施例中，所述标记点确定模块601具体可以用于：在所述髋关节骨盆三维模型上选定多个预设模型位置点；在所述髋关节骨盆三维模型的髋臼窝内侧选定多个模型内点，并根据多个所述模型内点计算所述髋臼窝模型中心点，所述髋臼窝模型中心点和多个所述预设模型位置点构成多个所述模型标记点。

在本申请实施例中，所述标记点确定模块601还可以用于：在所述患者髋关节手术位置处选定多个预设骨面位置点；在所述患者髋关节手术位置处的髋臼窝内侧选定多个髋臼窝内点，并根据多个所述髋臼窝内点计算所述髋臼窝骨面中心点，所述髋臼窝骨面中心点和多个所述预设骨面位置点构成多个所述骨面标记点。

在本申请实施例中，所述变换关系确定模块602具体可以用于：对多个所述模型标记点和多个所述骨面标记点进行粗配准，得到第一变换关系；其中，多个所述骨面标记点经所述第一变换关系转换后，与对应的多个所述模型标记点之间的平均欧式距离最短；确定所述髋臼窝模型中心点到所述髋臼窝骨面中心点的平移向量；根据所述平移向量，将所述第一变换关系更新为所述目标变换关系。

在本申请实施例中，所述变换关系确定模块602还可以用于：将粗配准后的多个所述骨面标记点分别沿所述平移向量进行平移，得到平移后的多个所述骨面标记点；基于平移后的多个所述骨面标记点，将所述第一变换关系更新为所述目标变换关系；其中，平移后的多个所述骨面标记点经所述目标变换关系转换后，与对应的多个所述模型标记点之间的平均欧式距离最短。

在本申请实施例中，所述精配准模块606具体可以用于：确定每个所述精配准标记点在所述髋关节骨盆三维模型上的对应点；根据多个所述精配准标记点和多个所述对应点，确定第二变换关系；其中，多个所述精配准标记点经所述第二变换关系转换后，与多个所述对应点之间的平均欧式距离最短；采用所述第二变换关系对多个所述精配准标记点进行变换更新；基于变换更新后的多个所述精配准标记点进行循环配准，直到多个所述精配准标记点与所述髋关节骨盆三维模型上的多个所述对应点之间的欧式距离小于预设阈值。

在本申请实施例中，所述精配准模块606还可以用于：采用变换更新后的多个所述精配准标记点中位于髋臼窝内侧的多个精配准标记点拟合所述髋臼窝骨面中心点；根据所述髋臼窝模型中心点和拟合后的所述髋臼窝骨面中心点更新所述目标变换关系；循环执行采用更新后的所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个所述精配准标记点的步骤。

对于装置实施例而言，由于其与前述系统实施例中介绍的骨盆配准装置基本相似，所以描述得比较简单，相关之处参见前述实施例部分的说明即可。

参照图7，示出了本申请实施例提供的一种医疗设备的示意图。如图7所示，本申请实施例中的医疗设备700包括：处理器710、存储器720以及存储在所述存储器720中并可在所述处理器710上运行的计算机程序721。所述处理器710执行所述计算机程序721时实现上述各个实施例中骨盆配准装置所实现的步骤，例如图1所示的步骤S101至S106。或者，所述处理器710执行所述计算机程序721时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如图6所示模块601至606的功能。

示例性的，所述计算机程序721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720中，并由所述处理器710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721在所述医疗设备700中的执行过程。例如，所述计算机程序721可以被分割成标记点确定模块、变换关系确定模块、采集点获取模块、髂前上棘标记点确定模块、精配准标记点获取模块和精配准模块，各模块具体功能可以参见前述装置实施例部分的介绍。

所述医疗设备700可以是是桌上型计算机、云端服务器等计算设备。所述医疗设备700可包括，但不仅限于，处理器710、存储器720。本领域技术人员可以理解，图7仅仅是医疗设备700的一种示例，并不构成对医疗设备700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，例如所述医疗设备700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710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720可以是所述医疗设备700的内部存储单元，例如医疗设备700的硬盘或内存。所述存储器720也可以是所述医疗设备700的外部存储设备，例如所述医疗设备700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720还可以既包括所述医疗设备700的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器720用于存储所述计算机程序721以及所述医疗设备700所需的其他程序和数据。所述存储器720还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

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)

1.一种应用于髋关节置换手术的骨盆配准系统，其特征在于，所述骨盆配准系统包括骨盆配准装置和示踪器；其中，示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；应用所述骨盆配准装置执行如下操作：

确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

接收探针点选所述示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；

采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

2.根据权利要求1所述的骨盆配准系统，其特征在于，所述确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，包括：

在所述髋关节骨盆三维模型上选定多个预设模型位置点；

在所述髋关节骨盆三维模型的髋臼窝内侧选定多个模型内点，并根据多个所述模型内点计算所述髋臼窝模型中心点，所述髋臼窝模型中心点和多个所述预设模型位置点构成多个所述模型标记点。

3.根据权利要求1所述的骨盆配准系统，其特征在于，所述确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，包括：

在所述患者髋关节手术位置处选定多个预设骨面位置点；

在所述患者髋关节手术位置处的髋臼窝内侧选定多个髋臼窝内点，并根据多个所述髋臼窝内点计算所述髋臼窝骨面中心点，所述髋臼窝骨面中心点和多个所述预设骨面位置点构成多个所述骨面标记点。

4.根据权利要求1-3任一项所述的骨盆配准系统，其特征在于，所述根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系，包括：

对多个所述模型标记点和多个所述骨面标记点进行粗配准，得到第一变换关系；其中，多个所述骨面标记点经所述第一变换关系转换后，与对应的多个所述模型标记点之间的平均欧式距离最短；

确定所述髋臼窝模型中心点到所述髋臼窝骨面中心点的平移向量；

根据所述平移向量，将所述第一变换关系更新为所述目标变换关系。

5.根据权利要求4所述的骨盆配准系统，其特征在于，所述根据所述平移向量，将所述第一变换关系更新为所述目标变换关系，包括：

将粗配准后的多个所述骨面标记点分别沿所述平移向量进行平移，得到平移后的多个所述骨面标记点；

基于平移后的多个所述骨面标记点，将所述第一变换关系更新为所述目标变换关系；其中，平移后的多个所述骨面标记点经所述目标变换关系转换后，与对应的多个所述模型标记点之间的平均欧式距离最短。

6.根据权利要求1-3或5任一项所述的骨盆配准系统，其特征在于，所述基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准，包括：

确定每个所述精配准标记点在所述髋关节骨盆三维模型上的对应点；

根据多个所述精配准标记点和多个所述对应点，确定第二变换关系；其中，多个所述精配准标记点经所述第二变换关系转换后，与多个所述对应点之间的平均欧式距离最短；

采用所述第二变换关系对多个所述精配准标记点进行变换更新；

基于变换更新后的多个所述精配准标记点进行循环配准，直到多个所述精配准标记点与所述髋关节骨盆三维模型上的多个所述对应点之间的欧式距离小于预设阈值。

7.根据权利要求6所述的骨盆配准系统，其特征在于，所述基于变换更新后的多个所述精配准标记点进行循环配准，包括：

采用变换更新后的多个所述精配准标记点中位于髋臼窝内侧的多个精配准标记点拟合所述髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点和拟合后的所述髋臼窝骨面中心点更新所述目标变换关系；

循环执行采用更新后的所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个所述精配准标记点的步骤。

8.一种示踪器，其特征在于，所述示踪器包括示踪器主体，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度。

9.一种医疗设备，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：

确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

接收探针点选示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；其中，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；

采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

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：

确定髋关节骨盆三维模型上的多个模型标记点，以及确定患者髋关节手术位置处与多个所述模型标记点对应的多个骨面标记点，多个所述模型标记点包括髋臼窝模型中心点，多个所述骨面标记点包括与所述髋臼窝模型中心点对应的髋臼窝骨面中心点；

根据所述髋臼窝模型中心点与所述髋臼窝骨面中心点，确定多个所述模型标记点与多个所述骨面标记点之间的目标变换关系；

获取所述患者髋关节手术位置处的多个采集点，多个所述采集点包括髋臼窝内侧的多个髋臼窝内点以及髋臼窝外沿的多个髋臼窝外点；

接收探针点选示踪器主体表面的多个位置点而得到的位置信息，并根据所述示踪器主体表面的多个位置点的位置信息，确定髂前上棘标记点；其中，所述示踪器主体由嵌入患者骨盆髂前上棘区域的至少两枚普通骨钉和一枚台阶骨钉固定，所述台阶骨钉位于至少两枚所述普通骨钉中间，所述台阶骨钉包括骨面台阶和示踪器台阶，所述台阶骨钉上位于所述骨面台阶和所述示踪器台阶之间的区域为加粗设计，所述台阶骨钉上靠近所述骨面台阶的一端在手术时嵌入所述患者骨盆髂前上棘区域且所述骨面台阶与所述患者骨盆髂前上棘区域的骨表面接触，所述示踪器主体与所述骨表面之间的距离等于所述骨面台阶与所述示踪器台阶之间的长度；

采用所述目标变换关系对多个所述采集点和所述髂前上棘标记点进行变换得到多个精配准标记点；

基于多个所述精配准标记点对所述髋关节骨盆三维模型和所述患者髋关节手术位置进行精配准。

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