CN115300102A

CN115300102A - 一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法

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Publication number: CN115300102A
Application number: CN202211036137.3A
Authority: CN
Inventors: 林必贵; M·杰森; 李锐鹏
Original assignee: Hangzhou Suwen Jiuzhou Medical Technology Co ltd
Current assignee: Hangzhou Suwen Jiuzhou Medical Technology Co ltd
Priority date: 2022-08-27
Filing date: 2022-08-27
Publication date: 2022-11-08

Abstract

一种用于确定髌骨切除平面的系统与方法，从髌骨图像模型的髌骨表面选择三个标志点P；确定以这些标志点为顶点的三角形内接圆半径R0；获取将以髌骨图像模型几何中心点CP为圆心和半径R0的圆形CR在髌骨前表面上的投影交线BS所划定区域S内的像素点集A，对其中所有点进行最小二乘法拟合，确定辅助平面P，将辅助平面P沿其法向量平移直至与点Q重合时的平面，确定为切除平面H，该点Q为切除平面H上的点且将与待植入的植入物的基体平面W的中心点Bc重合。然后通过精确的旋转和平移来确定植入物的正确位姿，其中，基于基体平面W上的中心点Bc和三个非共线点，确定基体平面W的法线向量，由此确定旋转角α和旋转矩阵R和平移向量。

Description

一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法

技术领域

本发明涉及用于一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法、计算机手术系统及计算机可读存储介质。

背景技术

在全膝关节置换术(TKA)中进行髌骨表面重建时，在手术过程中难以精确和对称地切除不规则形状的髌骨，并难以识别和定义理想的切除平面与植入物配合，而切除深度不足和切除不对称会导致膝前疼痛、髌骨骨折和髌骨漂移。因此，改进髌骨表面重建技术以获得与植入物更加匹配的切除平面，可以提高患者的治疗质量和手术满意度。

尽管为此使用3D成像和术前计划的计算机辅助手术的最新技术进步已被引入骨科界，以提高手术的准确性和安全性，仍需要解决如何精确地确定髌骨的骨切除平面和术前计划期间植入物的正确位置的技术问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法，能够精确地确定髌骨的骨切除平面和术前计划期间植入物的正确位置。

根据本发明的一方面，提供一种用于确定髌骨切除平面的系统，通过基于髌骨的成像数据和种植体的外形结构特征数据在计算机系统中生成三维虚拟图像模型，确定用于和种植体相匹配的髌骨切除平面H，能够实现如下步骤：

从髌骨图像模型的髌骨表面选择三个结构特征点作为三个标志点：最外侧点LP、最内侧点MP和最低点IP，并获取种植体顶部的顶点TP和种植体底部的基体平面上的任意三个非共线点：第一基点B1、第二基点B2、第三基点B3；

以所述三个标志点为顶点定义一个三角形，确定该三角形的内接圆半径R0，并确定髌骨图像模型的几何中心点CP；

获取将以所述几何中心点CP为圆心和半径R0的圆形CR朝矢状面上正前侧在髌骨前表面上的投影交线BS和髌骨前表面顶点之间所划定的沿着髌骨前表面的区域S内的像素点集A，其中，

，An代表在部分区域S内获取的髌骨前表面上的任意点（x_n,y_n,z_n），n为自然数；

通过对所述点集A中的所有点A1, A2,……An进行最小二乘法拟合，确定辅助平面P，从而得到垂直于辅助平面P的法向量

，其中，a、b、c为法向量的参数，

，（式2）；

将辅助平面P沿法向量

平移直至与点Q重合时的平面，确定为切除平面H，其中，点Q为几何中心点CP投影在该切除平面H上的点且将与待植入的植入物的基体平面W的中心点Bc重合，与髌骨的从顶点朝向底部的后部方向上离切除平面H最远的后位点T之间满足：

，（式3），

其中，k为后位点T沿法向量

方向的长度分量，h为植入物的从顶点至基体平面W之间的高度。

优选地，通过寻找包围髌骨图像模型的面积最小的圆周或面积最小的矩形和/或长方体来获取髌骨的几何中心点CP。

优选地，基于右手定则、由上述三个标志点定义的向量以及关于髌骨属于右膝还是左膝的信息来确定髌骨图像模型的前侧和后侧。

优选地，对所述法向量

进行归一化并检查其方向是否朝向髌骨图像模型的后侧，否则通过乘以-1来反转方向。

优选地，还能够实现如下用于通过旋转和平移确定植入物位姿的步骤：

基于植入物的基体平面W的中心点Bc和所述三个非共线点，确定所述基体平面W的法线向量

；

由所述法线向量

和所述法向量

的叉乘，计算得到旋转向量Rv，

，旋转角α和旋转矩阵R的关系为：

，（式4），

，（式5），

K是初始旋转矩阵，I是单位矩阵；

确定平移向量

为：

，（式6），

其中，BC代表上述Bc点；

得出将植入物放置在正确位置的最终转换：

，（式7），

其中，X代表植入物的空间坐标位置。

根据本发明的另一方面，提供一种用于确定髌骨切除平面的方法，通过执行以上所述的步骤来确定髌骨切除平面，并基于该髌骨切除平面来确定植入物位姿。

根据本发明的再一方面，提供一种计算机手术系统，包括用于协助截骨定位的机械手末端，用于建立坐标系的计算机装置，用于获取植入物坐标系的数据采集装置和控制器，所述控制器用于执行存储器中存储的计算机程序来实现以上任一项所述的步骤，来进行术前规划。

根据本发明的还一方面，提供一种存储介质，其为计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被执行来实现以上任一项所述的步骤。

根据本发明的技术方案，能够使用3D成像在术前计划的计算机辅助手术中提高手术的准确性和安全性，可精确地确定髌骨的骨切除平面和术前计划期间植入物的正确位置。

附图说明

图1-3是根据本发明示例性实施例的用于确定辅助平面的示意图；

图4是示出基于与前位点和后位点的位置关系来确定切除平面的示意图；

图5-6是示出植入物的外形轮廓与其基体平面的示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本发明的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同应用实施和使用本发明。因此，本发明的保护范围由所附的权利要求来限定，示例性实施例并不意在、并且不应该被认为是对本发明保护的范围的限制性描述。

根据本发明示例性实施例的方法，可用于在TKA前确定髌骨在植入物上正确匹配的位置，尤其可以应用于术前规划以及植入物的旋转对齐，从而改善长期的临床结果并提高假体的存活率。

<髌骨表面三维图像重建>

要在TKA中进行髌骨切除从而用人造的植入物替换被截除的软骨和骨骼时，作为术前规划的一个主要目标，要确保髌骨在植入物上的正确对准，从而为后续的手术提供指导。为此，本发明人锐意创新而得出一种改进的髌骨表面重建处理技术，以获得与植入物更加匹配的切除平面，并可相应地确定术前计划期间植入物的正确位置。

在针对髌骨的至少一部分的TKA的情况下，可基于现有的软硬件技术条件进行髌骨的3D虚拟显示。例如，在术前规划中，可以通过传统的交互式术前规划软件，使用诸如CT（Computed Tomography，计算机断层扫描）、一系列X射线、超声、或磁共振成像（MRI）的成像模态获得患者的髌骨的成像数据，以数字化成像传输到计算机系统后，生成骨骼的3D图像模型。在特定实施例中，患者的骨骼可以由用户手动、半手动或自动分割以生成骨骼的3D模型。其中，CT影像常被用来作为手术规划的参考。CT影像可以被搬入虚拟空间，通过相同特征点提取，CT影像中的骨头与真实骨头的结构可以进行重合，从而将CT影像中骨头的整个结构搬入虚拟空间中，代替真实骨头结构在虚拟空间中的位姿。这一过程的主要目的有：1，在虚拟坐标系中展示骨头整体结构；2，协助医生做手术规划，允许医生将植入物放置到骨骼解剖结构的3D模型中，以指定在骨骼上的植入物的最佳位置和对齐。还可进一步地辅助手术机器人进行假体部件与髌骨之间的准确拟合，即假体的模拟装配。

由此得出的术前规划数据还可以用于制造患者特异性仪器，或者由手术设备加载和读取，以帮助医生在手术中执行规划，甚至定位手术机器人，以便确保机器人的空间进入所需的手术区域。

关于三维图像重建以及建立坐标系的方法、设备不是本发明的重点，在此不再赘述，可以利用上述等现有的手段来实现。

下面主要对根据本发明的用于确定髌骨切除平面的方法及确定种植体位置的方法进行说明。

例如，在通过CT扫描重建三维图像时，作为图像数据，对CT扫描的dicom文件序列进行重组并且可重新划分，从而将CT文件序列组合成一张完整的三维图像。

此外，通过将种植体的外形结构特征数据搬入虚拟空间中，生成三维虚拟图像模型。

<标志点数据的获取>

在三维图像的虚拟空间中，要确定合适的切除平面，首先选择三个主要标志，并确定髌骨是属于左膝还是右膝。如图1例示出比较容易获得的三种标志点：

-最外侧点LP（Most lateral Point）；

-最内侧点MP（Most medial Point）；

-最低点IP（Lowest Point）。

另外，为了确定种植体的正确位置，需要获取种植体底部的三个非共线点和种植体顶部的中心点。如图6例示出种植体底部的基体平面W（亦称底面）上任意获取的三个非共线点（B1，B2，B3）和种植体顶部的顶点（TP）：

-第一基点B1；

-第二基点B2；

-第三基点B3；和

-种植体顶部的顶点TP。

<切除平面H>

在如上获取各数据点之后，即可采用下述步骤来确定髌骨的骨切除平面。

参照图4中示意性示出的髌骨俯视图，外表面包括位于患者前侧的前位、背侧的后位，以及与股骨头对应的内侧面、外侧面。图中还示意性示出了骨切除平面H和辅助平面P。

关于髌骨前侧和后侧的确定，可使用右手定则、由上述三种标志点（LP、MP、IP）定义的第一向量以及关于髌骨属于右膝还是左膝的信息来定义。当然也可由操作者凭视觉、经验辅助确定。

在此，一个良好的髌骨切除平面可被定义为最适合髌骨植入物对齐安装的平面。另一方面，种植体基部的基体平面W必须与切除平面H重合，种植体基部的基体平面中心Bc必须与投影在切除平面上的髌骨中心一致。

<确定髌骨的中心点>

为了确定切除平面H，需要得到髌骨的中心点CP，其可以通过寻找包围髌骨的面积最小的圆周或面积最小的矩形（进而可利用长方体）来获得，髌骨中心点通常为髌骨的几何中心点，是位于髌骨内部的点，这个过程可以很容易地使用VTK等库来实现。

<辅助平面P>

可根据定义在髌骨表面的三个点LP、MP、IP定义一个三角形，然后确定该三角形的内接圆半径R0，如图1所示。在三角形中的内接圆半径R0由下式给出：

，（式1），

其中，Triangle_Area代表内接圆的面积，Triangle_Perimeter代表内接圆的周长。

如图2、图3所示，将以中心点CP为圆心和半径R0的圆形CR朝体前侧投影（即，矢状面上正前侧），在由该圆形CR在髌骨前表面上的投影交线BS和髌骨前表面顶点CPT（对应后述的前位点CPA）之间划定一个沿着髌骨前表面的区域S，得到髌骨前表面顶部区域S内的一组点，即点集A，用于获取切除平面H的向量

，其中，

，An代表在区域S内获取的髌骨前表面上的任意点，n为自然数。因为CT扫描结果是像素呈现，这里n的数值基于所划定区域S范围内的表面像素点个数确定。

由此，即可利用这些点An来求取用于辅助确定切除平面H的辅助平面P。假定该辅助平面P对区域S进行切割，在图3中，为便于理解，示意性地以完美球冠形状示出了区域S及此时的切割边界线BS，鉴于髌骨前表面的不规则性，具体要在因人而异的髌骨前表面的虚拟空间表面形状上划定与切割，此时连接中心点CP与髌骨前表面顶点CPT的直线L1并不一定恰好为图中对称性的中心竖直方向，或者辅助平面P并不一定为图中水平方位。

通过对点集A中的每个点A1, A2,……An进行最小二乘法拟合，得到辅助平面P。即利用各个点到该辅助平面P的最小二乘距离，最终确定出辅助平面P。由此，即可得到垂直于辅助平面P的法向量

，

，（式2），

其中，a、b、c为法向量的参数，将髌骨中心点CP沿该法向量投影至辅助平面P，得到点Pm。

对法向量

进行归一化并检查其方向是否朝向髌骨背面（对应后述的髌骨后部），否则通过乘以-1来反转其方向。

在此，辅助平面P相当于尚未确定深度的切割平面，在寻找最终切割平面（切除平面H）的过程中，通过对辅助平面进行平移，即可按照垂直向量的形式来置放最终切割面。因此，辅助平面P的法向量

即为切除平面H的法向量

。

如上述，切除平面H平行于辅助平面P，已知切除平面H的法向量

，通过将辅助平面P沿法向量

朝向后位点T平移至切割位置即可。为此，还需确定切除深度d。

<切除深度>

正确的切除深度d将由所选髌骨植入物的高度h（即如图5所示的从顶点TP至基体平面之间的高度），以及在髌骨后部方向上离切除平面H最远的后位点T决定。

设点Q为几何中心点CP投影在切除平面H上的点，该点Q即对应于上述的切除深度d，而且将与待植入的植入物的基体平面W的中心点Bc重合。

基于点Q的坐标与后位点T之间的关系，可以定义为：

，（式3），

其中，k为后位点T沿法向量

方向的长度分量。

根据髌骨表面形状特点的不同，在一个特定实施例中，Q=k-h。

将辅助平面P沿其法向量平移，与点Q重合，即可得到切除平面H。

即，通过将切除平面H与后位点T部分之间的部分进行切除，将高度h的髌骨植入物植入切除后的空间位置，即可使该植入物的种植体底部的基体平面W与切除平面H相对应。

<植入物的位姿确定>

植入物的正确位姿是通过精确的旋转和平移来确定的。

如图6所示，植入物的基体平面W可由底面的中心点Bc和该面上的任意其它点B1、B2、B3来定义，该中心点Bc由顶点TP在基体平面W上的投影确定。

植入物的位姿调整目标，是要使基体平面W的法线向量

与法向量

同向，且基体平面W的中心点Bc与点Q重合。

为了确定旋转矩阵，法线向量

和法向量

之间的角度及坐标系的转动需要由叉乘向量定义，可由法线向量

和法向量

的叉乘，计算得到旋转向量Rv，

，其中关于坐标系的旋转角α和旋转矩阵R的表达式为：

，（式4），

，（式5），

其中，K是初始旋转矩阵，I是单位矩阵。

平移向量

定义为：

，（式6），

其中，BC代表上述Bc点。

因此，将植入物放置在正确位置的最终转换由下式给出：

，（式7），

其中，X代表髌骨植入物的空间坐标位置。

根据上述实施例，在手术过程中可以精确和对称地切除不规则形状的髌骨，能够识别和定义理想的切除平面与植入物配合，从而可实现有效确定手术前髌骨植入物的对准过程和正确的髌骨切除平面的技术效果。

此外，本发明涉及的用于确定髌骨切除平面的方法可以通过软件、硬件或软硬结合的方式来实现。例如，可以包括集成的或分开的功能模块或单元来执行上述方法中的对应步骤。

相应地，本发明提供机器人手术系统，包括用于协助截骨定位的机械手末端，用于建立坐标系的计算机装置，用于获取植入物坐标系的数据采集装置，通过上述用于确定髌骨切除平面的方法进行术前规划。

相应地，本发明提供一种存储介质，其为计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被控制器执行来实现上述的用于确定髌骨切除平面的方法。

上述计算机程序可以包含多个模块，例如是执行相应功能的一系列指令段，以描述程序在计算机装置中的执行过程，处理器可与模块连接，用于处理向量计算与位姿确定等。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。本领域技术人员可以理解，本发明实施例中的不同步骤、设备或模块等不表示它们之间的必然逻辑顺序。还应理解，在本发明实施例中，“多个”可以指两个或两个以上，“至少一个”可以指一个、两个或两个以上。还应理解，对于本发明实施例中提及的任一部件、数据或结构，在没有明确限定或者在前后文给出相反启示的情况下，一般可以理解为一个或多个。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

本发明实施例可以应用于终端设备、计算机系统、服务器等电子设备，其可与众多其它通用或专用计算系统环境或配置一起操作。适于与终端设备、计算机系统、服务器等电子设备一起使用的众所周知的终端设备、计算系统、环境和/或配置的例子包括但不限于：个人计算机系统、服务器计算机系统、瘦客户机、厚客户机、手持或膝上设备、基于微处理器的系统、机顶盒、可编程消费电子产品、网络个人电脑、小型计算机系统﹑大型计算机系统和包括上述任何系统的分布式云计算技术环境，等等。终端设备、计算机系统、服务器等电子设备可以在由计算机系统执行的计算机系统可执行指令（诸如程序模块）的一般语境下描述。通常，程序模块可以包括例程、程序、目标程序、组件、逻辑、数据结构等等，它们执行特定的任务或者实现特定的抽象数据类型。计算机系统/服务器可以在分布式云计算环境中实施，分布式云计算环境中，任务是由通过通信网络链接的远程处理设备执行的。在分布式云计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备的本地或远程计算系统存储介质上。

尽管已经参考具体实施例描述了本发明，但是应当理解，可以在所描述的发明构思的精神和范围内做出变形。因此，意图是本发明不限于所描述的实施例，而是将具有由所附权利要求的语言所定义的全部范围。对于本领域技术人员不言而喻的是，根据本发明公开的内容而能够容易想到的技术方案也应当视为等同或相当而落在本发明的范围内。