CN115462898A - 一种磨削模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗器械处理技术领域，具体指一种磨削模拟方法，该方法包括：生成骨骼三维模型和磨削器械三维模型；基于传感器反馈的磨削器械的动作信息，在虚拟场景下实时更新所述磨削器械三维模型的坐标位置变化；基于所述更新后得到的磨削器械三维模型的位置信息以及所述骨骼三维模型的数据点信息，得到所述磨削器械三维模型与各个数据点之间的位置关系；基于所述磨削器械三维模型与各个数据点的位置关系对各个数据点的目标位置进行修正；基于数据点的不同状态，对所述骨骼三维模型各个三角面片的状态进行修正；处理所有数据点，填充三角面片，得到所述更新后的骨骼三维模型。本发明提供的方法提高了磨削模拟的更新效率，保证了磨削模拟的实时性。

Description

一种磨削模拟方法

技术领域

本发明涉及医疗器械处理技术领域，具体涉及一种磨削模拟方法。

背景技术

随着计算机技术的发展，手术导航系统广泛地应用于脑外科、骨科、牙科等临床领域。手术导航系统是将病人术前的影像资料与术中病灶的具体位置通过高性能计算机连接起来，准确地显示病灶的三维空间位置及相邻重要的组织器官，使医生在术前就可以通过相关处理软件在计算机上制定最佳手术方案。另外手术导航系统还可在术中跟踪手术器械的位置，并在影像上实时更新显示，医生可以根据实时导航系统避开重要的组织结构直达目标位置，并在切除病灶过程中根据实时导航信息有效的保护病灶周围的重要组织器官。

在骨科等涉及磨削或钻孔的操作中，在导航虚拟图像上实时模拟磨削过程，准确的将模型上被切削部分予以删除显得尤为重要。在手术过程中，如果不能对患处的骨骼模型根据实际的磨削动作进行实时的计算更新，就无法确保对手术情况真实有效的反映，从而影响医生对手术情况的判断。然而，目前大多数模拟方法采用布尔运算的方式模拟磨削器械对骨骼的操作，受实体布尔运算算法精度、图形显示效率以及运算方式的制约，难以实时的精确反馈手术的真实情况，直接影响了导航手术的实时性和精准度。

发明内容

为了解决上述背景技术中所述的现有骨骼磨削模拟方法的缺点，本发明提供了一种磨削模拟方法，通过对部分点的坐标以及拓扑关系的修改实现对磨削操作的实时反馈，提高了磨削模拟的更新效率，保证了磨削模拟的实时性。

本发明提供一种磨削模拟方法，该方法包括：

生成骨骼三维模型和磨削器械三维模型；

基于传感器反馈的磨削器械的动作信息，在虚拟场景下实时更新所述磨削器械三维模型的坐标位置变化；

基于所述更新后得到的磨削器械三维模型的位置信息以及所述骨骼三维模型的数据点信息，得到所述磨削器械三维模型与各个数据点之间的位置关系；

基于所述磨削器械三维模型与各个数据点的位置关系对各个数据点的目标位置进行修正；

基于数据点的不同状态，对所述骨骼三维模型各个三角面片的状态进行修正；

处理所有数据点，填充三角面片，得到所述更新后的骨骼三维模型。

进一步地，所述生成骨骼三维模型和磨削器械三维模型，包括：

根据预先获取的骨骼CT图像，分割生成所述骨骼三维模型；

根据所述磨削器械的机械结构构造所述磨削器械三维模型。

进一步地，所述骨骼三维模型表面由三角面片构成，三角面片的基本元素是数据点。

进一步地，所述基于所述更新后得到的磨削器械三维模型的位置信息以及所述骨骼三维模型的数据点信息，得到所述磨削器械三维模型与各个数据点之间的位置关系，包括：

基于所述更新后的磨削器械三维模型的位置信息，确定所述磨削器械三维模型的中心以及尺寸参数；

通过所述磨削器械三维模型的中心与所述骨骼三维模型数据点之间的距离判断所述磨削器械三维模型与所述骨骼三维模型的数据点之间的位置信息。

可选地，所述磨削器械为球钻，所述磨削器械三维模型的尺寸参数为所述球钻的半径。

进一步地，所述通过所述磨削器械三维模型的中心与所述骨骼三维模型数据点之间的距离判断所述磨削器械三维模型与所述骨骼三维模型的数据点之间的位置信息，包括：

若所述磨削器械三维模型与数据点之间的距离大于或等于半径，则确定数据点位于所述磨削器械外部；

若所述磨削器械三维模型与数据点之间的距离小于半径，则确定数据点位于所述磨削器械内部。

进一步地，所述基于所述磨削器械三维模型与各个数据点的位置关系对各个数据点的目标位置进行修正，包括：

针对位于所述磨削器械外部的数据点维持原状；将位于所述磨削器械内部的数据点按照所述磨削器械的运动方向以及距离做出相应的改变，同时记录维持运动方向的向量变化以及用于表征物体朝向的向量变化；

利用所述骨骼三维模型数据检查改变后数据点的状态，即数据点的目标位置是否已经运动到了原始骨骼三维模型以外。

进一步地，所述利用所述骨骼三维模型数据检查改变后数据点的状态，即数据点的目标位置是否已经运动到了原始骨骼三维模型以外，包括：

通过将改变前的数据点沿表征物体朝向的向量的反方向移动微小距离，确保此时的数据点位于所述骨骼三维模型的内部；

建立生成数据点与数据点目标位置之间的连线，检查所述连线与所述骨骼三维模型是否相交；

如果不相交说明所述数据点的目标位置仍位于所述骨骼三维模型内部，则认为目标位置是合理的，不需要进行进一步修正操作；

如果相交说明所述数据点的目标位置位于所述骨骼三维模型的外部，则需要利用交点以及交点所在的三角面片对目标位置进行修正。

进一步地，所述利用交点以及交点所在的三角面片对目标位置进行修正，包括：

检查三角面片中的数据点与所述磨削器械三维模型的关系，确定在所述磨削器械内部数据点的个数；

若三角面片的三个点均在所述磨削器械内部或均在所述磨削器械外部，则认为这三个点无法定位到合理的位置，标记为待删除；若有一个或者两个点位于所述磨削器械内部，则找到两条与所述磨削器械三维模型相交的两条边分别求出交点，取与所述骨骼三维模型交点较近的一点作为数据点的目标位置。

进一步地，所述基于数据点的不同状态，对所述骨骼三维模型各个三角面片的状态进行修正，包括：

检查所有标记为待删除的数据点，建立数据点和由他们构成的三角面片的映射关系；

逐个检查所述三角面片，根据被标记为待删除数据点的个数分别进行处理：如果构成三角面片的数据点全部被标记为待删除，则删除所述三角面片；如果有两个数据点被标记为待删除，则将这两个点记录为待填充的集合；如果仅有一个数据点标记为待删除，则记录两个有效的数据点为一条边，加入边集合。

进一步地，所述处理所有数据点，填充三角面片，得到所述更新后的骨骼三维模型，包括：

对所有定义为待删除的数据点进行处理，遍历所述边集合，找到与之距离最近的点；

将待删除的数据点与所述边集合内的数据点合并，并建立距离最近点与待删除数据点之间的对应关系；

检查待填充的集合，确定里面的每个数据点位置信息不同；

以待填充的集合为边界，填充三角面片，完成对所述骨骼三维模型状态的更新。

进一步地，本发明为避免因所述磨削器械的微小抖动产生无意义的计算而影响模拟的实时性，预先设置了距离阈值，基于更新前和更新后的所述磨削器械三维模型的位置信息，计算所述磨削器械三维模型的移动距离，通过比较所述移动距离和所述预设距离阈值的大小来判断是否属于所述磨削器械的微小抖动：

若所述移动距离大于所述预设距离阈值，则基于更新后的所述磨削器械三维模型的位置信息，更新所述骨骼三维模型；若所述移动距离小于等于预设距离阈值，则确定当前动作属于无意义的微小抖动，不更新所述骨骼三维模型。

与现有技术相比，本发明提供的磨削模拟方法通过对部分点的坐标以及拓扑关系的修改实现对磨削操作的实时反馈，避免了较为复杂且效率较低的布尔操作，提高了磨削模拟的更新效率，保证了磨削模拟的实时性。另外本发明使用精准度较高的三维模型来表征磨削器械，有效提高了导航手术的精准度。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的磨削模拟方法流程图；

图2是本发明实施例提供的磨削器械三维模型示意图；

图3是本发明实施例提供的磨削器械三维模型与骨骼三维模型示意图；

图4是本发明实施例提供的验证骨骼数据点的目标位置是否运动到骨骼三维模型的示意图；

图5是本发明实施例提供的三角面片有一个点位于所述磨削器械内部示意图；

图6是本发明实施例提供的三角面片有两个点位于所述磨削器械内部示意图；

附图标记说明：1.磨削器械三维模型；2.骨骼三维模型；3.三角面片。

具体实施方式

下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例提供的磨削模拟方法进行详细描述。

图1是本发明实施例提供的磨削模拟方法流程图。

如图1所示，本发明提供一种磨削模拟方法，该方法包括：

S101，生成磨削器械三维模型1和骨骼三维模型2；

S102，基于传感器反馈的磨削器械的动作信息，在虚拟场景下实时更新所述磨削器械三维模型1的坐标位置变化；

S103，基于所述更新后得到的磨削器械三维模型1的位置信息以及所述骨骼三维模型2的数据点信息，得到所述磨削器械三维模型1与各个数据点之间的位置关系；

S104，基于所述磨削器械三维模型1与各个数据点的位置关系对各个数据点的目标位置进行修正；

S105，基于数据点的不同状态，对所述骨骼三维模型2各个三角面片的状态进行修正；

S106，处理所有数据点，填充三角面片，得到所述更新后的骨骼三维模型2。

进一步地，S101中所述生成磨削器械三维模型1和骨骼三维模型2，包括：

根据预先获取的骨骼CT图像，分割生成所述骨骼三维模型2；

根据所述磨削器械的机械结构构造所述磨削器械三维模型1。

进一步地，所述骨骼三维模型2的表面由三角面片构成，三角面片的基本元素是数据点。

进一步地，S103中所述基于所述更新后得到的磨削器械三维模型1的位置信息以及所述骨骼三维模型2的数据点信息，得到所述磨削器械三维模型1与各个数据点之间的位置关系，包括：

基于所述更新后的磨削器械三维模型1的位置信息，确定所述磨削器械三维模型1的中心以及尺寸参数；

通过所述磨削器械三维模型1的中心与所述骨骼三维模型2的数据点之间的距离判断所述磨削器械三维模型1与所述骨骼三维模型2的数据点之间的位置信息。

图2是本发明实施例提供的所述磨削器械三维模型示意图。

如图2所示，所述磨削器械为球钻，所述磨削器械三维模型1的尺寸参数为所述球钻的半径。

图3是本发明实施例提供的所述磨削器械三维模型与所述骨骼三维模型示意图。

如图3所示，所述通过所述磨削器械三维模型1的中心与所述骨骼三维模型2数据点之间的距离判断所述磨削器械三维模型1与所述骨骼三维模型2的数据点之间的位置信息，包括：

若所述磨削器械三维模型1与数据点之间的距离大于或等于半径，则确定数据点位于所述磨削器械外部；

若所述磨削器械三维模型1与数据点之间的距离小于半径，则确定数据点位于所述磨削器械内部。

进一步地，S104中所述基于所述磨削器械三维模型1与各个数据点的位置关系对各个数据点的目标位置进行修正，包括：

针对位于所述磨削器械外部的数据点维持原状；将位于所述磨削器械内部的数据点按照所述磨削器械的运动方向以及距离做出相应改变，同时记录维持运动方向的向量变化S1以及用于表征物体朝向S2的向量变化；

利用所述骨骼三维模型2的数据检查改变后数据点的状态，即数据点的目标位置是否已经运动到了原始骨骼三维模型以外。

图4是本发明实施例提供的验证骨骼数据点的目标位置是否运动到骨骼三维模型的示意图。

如图4所示，所述利用所述骨骼三维模型2的数据检查改变后数据点的状态，即数据点的目标位置是否已经运动到了原始骨骼三维模型以外，包括：

通过将改变前的数据点沿表征物体朝向S2的向量的反方向移动微小距离，确保此时的数据点位于所述骨骼三维模型2的内部；

建立生成数据点与数据点目标位置之间的连线，检查所述连线与所述骨骼三维模型2是否相交；

如果不相交说明所述数据点的目标位置仍位于所述骨骼三维模型2内部，则认为目标位置是合理的，不需要进行进一步修正操作；

如果相交说明所述数据点的目标位置位于所述骨骼三维模型2的外部，则需要利用交点以及交点所在的三角面片对目标位置进行修正。

进一步地，所述利用交点以及交点所在的三角面片对目标位置进行修正，包括：

检查三角面片中的数据点与所述磨削器械三维模型1的关系，确定在所述磨削器械内部数据点的个数；

若三角面片的三个点均在所述磨削器械内部或均在所述磨削器械外部，则认为这三个点无法定位到合理的位置，标记为待删除；若有一个或者两个点位于所述磨削器械内部，如图5和图6所示，则找到两条与所述磨削器械三维模型1相交的两条边分别求出交点，取与所述骨骼三维模型2交点较近的一点作为数据点的目标位置。

进一步地，S105中所述基于数据点的不同状态，对所述骨骼三维模型2各个三角面片的状态进行修正，包括：

检查所有标记为待删除的数据点，建立数据点和由他们构成的三角面片的映射关系；

逐个检查所述三角面片，根据被标记为待删除数据点的个数分别进行处理：如果构成三角面片的数据点全部被标记为待删除，则删除所述三角面片；如果有两个数据点被标记为待删除，则将这两个点记录为待填充的集合；如果仅有一个数据点标记为待删除，则记录两个有效的数据点为一条边，加入边集合。

进一步地，S106中所述处理所有数据点，填充三角面片，得到所述更新后的骨骼三维模型，包括：

对所有定义为待删除的数据点进行处理，遍历所述边集合，找到与之距离最近的点；

将待删除的数据点与所述边集合内的数据点合并，并建立距离最近点与待删除数据点之间的对应关系；

检查待填充的集合，确定里面的每个数据点位置信息不同；

以待填充的集合为边界，填充三角面片，完成对所述骨骼三维模型2的状态更新。

进一步地，本发明为避免因所述磨削器械的微小抖动产生无意义的计算而影响模拟的实时性，预先设置了距离阈值，基于更新前和更新后的所述磨削器械三维模型1的位置信息，计算所述磨削器械三维模型1的移动距离，通过比较所述移动距离和所述预设距离阈值的大小来判断是否属于所述磨削器械的微小抖动：

若所述移动距离大于所述预设距离阈值，则基于更新后的所述磨削器械三维模型1的位置信息，更新所述骨骼三维模型2；若所述移动距离小于等于预设距离阈值，则确定当前动作属于无意义的微小抖动，不更新所述骨骼三维模型2。

与现有技术相比，本发明提供的磨削模拟方法通过对部分点的坐标以及拓扑关系的修改实现对磨削操作的实时反馈，避免了较为复杂且效率较低的布尔操作，提高了磨削模拟的更新效率，保证了磨削模拟的实时性。另外本发明使用精准度较高的三维模型来表征磨削器械，有效提高了导航手术的精准度。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地 了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过 程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本公开的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种磨削模拟方法，其特征在于，包括：

生成骨骼三维模型和磨削器械三维模型；

基于传感器反馈的磨削器械的动作信息，在虚拟场景下实时更新所述磨削器械三维模型的坐标位置变化；

基于所述更新后得到的磨削器械三维模型的位置信息以及所述骨骼三维模型的数据点信息，得到所述磨削器械三维模型与各个数据点之间的位置关系；

基于所述磨削器械三维模型与各个数据点的位置关系对各个数据点的目标位置进行修正；

基于数据点的不同状态，对所述骨骼三维模型各个三角面片的状态进行修正；

处理所有数据点，填充三角面片，得到所述更新后的骨骼三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述生成骨骼三维模型和磨削器械三维模型，包括：

根据预先获取的骨骼CT图像，分割生成所述骨骼三维模型；

根据所述磨削器械的机械结构构造所述磨削器械三维模型。

3.根据权利要求1所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述骨骼三维模型表面由三角面片构成，三角面片的基本元素是数据点。

4.根据权利要求1所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述基于所述更新后得到的磨削器械三维模型的位置信息以及所述骨骼三维模型的数据点信息，得到所述磨削器械三维模型与各个数据点之间的位置关系，包括：

基于所述更新后的磨削器械三维模型的位置信息，确定所述磨削器械三维模型的中心以及尺寸参数；

通过所述磨削器械三维模型的中心与所述骨骼三维模型数据点之间的距离判断所述磨削器械三维模型与所述骨骼三维模型的数据点之间的位置信息。

5.根据权利要求4所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述磨削器械为球钻，所述磨削器械三维模型的尺寸参数为所述球钻的半径。

6.根据权利要求4所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述通过所述磨削器械三维模型的中心与所述骨骼三维模型数据点之间的距离判断所述磨削器械三维模型与所述骨骼三维模型的数据点之间的位置信息，包括：

若所述磨削器械三维模型与数据点之间的距离大于或等于半径，则确定数据点位于所述磨削器械外部；

若所述磨削器械三维模型与数据点之间的距离小于半径，则确定数据点位于所述磨削器械内部。

7.根据权利要求1所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述基于所述磨削器械三维模型与各个数据点的位置关系对各个数据点的目标位置进行修正，包括：

针对位于所述磨削器械外部的数据点维持原状；将位于所述磨削器械内部的数据点按照所述磨削器械的运动方向以及距离做出相应的改变，同时记录维持运动方向的向量变化以及用于表征物体朝向的向量变化；

利用所述骨骼三维模型数据检查改变后数据点的状态，即数据点的目标位置是否已经运动到了原始骨骼三维模型以外。

8.根据权利要求7所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述利用所述骨骼三维模型数据检查改变后数据点的状态，即数据点的目标位置是否已经运动到了原始骨骼三维模型以外，包括：

通过将改变前的数据点沿表征物体朝向的向量的反方向移动微小距离，确保此时的数据点位于所述骨骼三维模型的内部；

建立生成数据点与数据点目标位置之间的连线，检查所述连线与所述骨骼三维模型是否相交；

如果不相交说明所述数据点的目标位置仍位于所述骨骼三维模型内部，则认为目标位置是合理的，不需要进行进一步修正操作；

如果相交说明所述数据点的目标位置位于所述骨骼三维模型的外部，则需要利用交点以及交点所在的三角面片对目标位置进行修正。

9.根据权利要求8所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述利用交点以及交点所在的三角面片对目标位置进行修正，包括：

检查三角面片中的数据点与所述磨削器械三维模型的关系，确定在所述磨削器械内部数据点的个数；

若三角面片的三个点均在所述磨削器械内部或均在所述磨削器械外部，则认为这三个点无法定位到合理的位置，标记为待删除；若有一个或者两个点位于所述磨削器械内部，则找到两条与所述磨削器械三维模型相交的两条边分别求出交点，取与所述骨骼三维模型交点较近的一点作为数据点的目标位置。

10.根据权利要求1所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述基于数据点的不同状态，对所述骨骼三维模型各个三角面片的状态进行修正，包括：

检查所有标记为待删除的数据点，建立数据点和由他们构成的三角面片的映射关系；

逐个检查所述三角面片，根据被标记为待删除数据点的个数分别进行处理：如果构成三角面片的数据点全部被标记为待删除，则删除所述三角面片；如果有两个数据点被标记为待删除，则将这两个点记录为待填充的集合；如果仅有一个数据点标记为待删除，则记录两个有效的数据点为一条边，加入边集合。

11.根据权利要求1所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，所述处理所有数据点，填充三角面片，得到所述更新后的骨骼三维模型，包括：

对所有定义为待删除的数据点进行处理，遍历所述边集合，找到与之距离最近的点；

将待删除的数据点与所述边集合内的数据点合并，并建立距离最近点与待删除数据点之间的对应关系；

检查待填充的集合，确定里面的每个数据点位置信息不同；

以待填充的集合为边界，填充三角面片，完成对所述骨骼三维模型状态的更新。

12.根据权利要求1所述的一种磨削模拟方法，其特征在于，还包括：

为避免因所述磨削器械的微小抖动产生无意义的计算而影响模拟的实时性，需要预先设置距离阈值，基于更新前和更新后的所述磨削器械三维模型的位置信息，计算所述磨削器械三维模型的移动距离，通过比较所述移动距离和所述预设距离阈值的大小来判断是否属于所述磨削器械的微小抖动：

若所述移动距离大于所述预设距离阈值，则基于更新后的所述磨削器械三维模型的位置信息，更新所述骨骼三维模型；若所述移动距离小于等于预设距离阈值，则确定当前动作属于无意义的微小抖动，不更新所述骨骼三维模型。

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