CN115844531A - 髋关节置换手术导航系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种髋关节置换手术导航系统，涉及医疗技术领域，该导航系统包括：术前规划子系统基于目标对象的医学影像进行三维重建，得到三维骨骼模型，并基于三维骨骼模型进行计算，得到髋臼假体的第一数据信息和股骨假体的第二数据信息；术中导航子系统基于三维骨骼模型、第一数据信息和第二数据信息在髋关节置换手术中进行导航和跟踪；术后评估子系统，术后评估子系统基于髋臼假体的植入信息、股骨假体的植入信息和三维骨骼模型进行模拟计算得到术后骨骼模型，并依据术后骨骼模型进行术后评估，得到评估结果。通过本申请，解决了相关技术中通过传统手术定位工具实现髋关节置换中的股骨头定位，导致定位的准确性比较低的问题。

Description

髋关节置换手术导航系统

技术领域

本申请涉及医疗技术领域，具体而言，涉及一种髋关节置换手术导航系统。

背景技术

人工髋关节表面置换术(total hip resurfacing arthroplasty，THRA)经历了曲折的发展过程。随着关节假体抗磨损技术的进步，THRA成为年轻和活动量大的患者接受过渡性关节置换的首选。研究表明，THRA术后股骨颈骨折与术中股骨侧假体的置入角度不当所致股骨近端生物力学的变化相关。所以，股骨侧假体的置入方位被认为是手术成败的关键。一般来说，不同个体间髋关节的解剖形态均存在差异，只有个体化的假体置入才能与之相适应，减少THRA术后并发症。

目前针对股骨侧假体的植入仍然采用传统手术定位工具。借助传统手术定位工具，医生通过术中目视定位来引导股骨侧假体的放置。这种方式受医生的主观影响很大，一致性较差。后续出现一些导板类的股骨头定位方式，但是由于股骨暴露区域特征面较为对称，这种通过导板的方式在很多时候并不能实现很好的术中定位。

针对相关技术中通过传统手术定位工具实现髋关节置换中的股骨头定位，导致定位的准确性比较低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种髋关节置换手术导航系统，以解决相关技术中通过传统手术定位工具实现髋关节置换中的股骨头定位，导致定位的准确性比较低的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种髋关节置换手术导航系统。该导航系统包括：术前规划子系统，其中，所述术前规划子系统基于目标对象的医学影像进行三维重建，得到三维骨骼模型，并基于所述三维骨骼模型进行计算，得到髋臼假体的第一数据信息和股骨假体的第二数据信息，其中，所述第一数据信息中至少包括所述髋臼假体的型号、所述髋臼假体的植入角度和所述髋臼假体的植入位置，所述第二数据信息中至少包括所述股骨假体的型号、所述股骨假体的植入方向和所述股骨假体的植入深度；术中导航子系统，其中，所述术中导航子系统基于所述三维骨骼模型、所述第一数据信息和所述第二数据信息在髋关节置换手术中进行导航和跟踪；术后评估子系统，其中，所述术后评估子系统基于所述髋臼假体的植入信息、所述股骨假体的植入信息和所述三维骨骼模型进行模拟计算得到术后骨骼模型，并依据所述术后骨骼模型进行术后评估，得到评估结果。

进一步地，所述术前规划子系统还包括：骨盆规划单元，其中，所述骨盆规划单元依据所述三维骨骼模型将髋臼拟合为第一球体，依据所述第一球体确定所述髋臼的尺寸和所述髋臼的旋转中心，并依据所述髋臼的尺寸和所述髋臼的旋转中心确定所述髋臼假体的第一数据信息；股骨规划单元，其中，所述股骨规划单元依据所述三维骨骼模型将股骨头拟合为第二球体，依据所述第二球体和所述股骨的股骨颈轴确定所述股骨假体的第二数据信息。

进一步地，所述股骨规划单元还包括：第一确定模块，用于基于所述三维骨骼模型中的所述股骨的冠状面确定股骨颈的上边界和所述股骨颈的下边界；第二确定模块，用于依据所述股骨颈的上边界和所述股骨颈的下边界确定第一中心线；第三确定模块，用于基于所述三维骨骼模型中的所述股骨的矢状面确定所述股骨颈的左边界和所述股骨颈的右边界，并将所述第一中心线平移至过所述股骨颈的左边界和所述股骨颈的右边界的中心的位置，以确定所述股骨的股骨颈轴。

进一步地，所述股骨规划单元还包括：分离模块，用于从所述三维骨骼模型中分离出股骨颈的点云数据；拟合模块，用于依据所述股骨颈的点云数据将所述股骨颈拟合为圆柱或者棱柱，并将所述圆柱的中心轴或者所述棱柱的中心轴作为所述股骨的股骨颈轴。

进一步地，若所述股骨颈轴不经过所述股骨的中心时，所述股骨规划单元还包括：第一优化模块，用于将所述股骨颈轴平移至过所述股骨的中心的位置，得到移动后的股骨颈轴；第四确定模块，用于将所述移动后的股骨颈轴作为当前的股骨颈轴。

进一步地，若所述股骨颈轴不经过所述股骨的中心时，所述股骨规划单元还包括：第二优化模块，用于依据所述三维骨骼模型连接所述股骨的中心和所述股骨颈轴，得到目标连线；第五确定模块，用于将所述目标连线作为当前的股骨颈轴。

进一步地，所述术中导航子系统包括：辅助定位单元，用于基于手术工具和标志位对所述手术工具和/或骨骼进行术中定位；跟踪单元，用于依据所述辅助定位单元的定位信息和目标位置信息，对所述手术工具和/或所述骨骼进行术中跟踪，其中，所述目标位置信息为所述辅助定位单元与所述手术工具或者所述骨骼的相对位置信息；注册单元，用于获取所述标志位与所述骨骼的空间转换关系，其中，所述跟踪单元基于所述空间转换关系跟踪所述手术工具和/或所述骨骼。

进一步地，所述术后评估子系统包括：静态评估单元，用于基于所述术后骨骼模型对目标静态数据进行评估，得到第一初始评估结果，其中，所述目标静态数据至少包括腿长信息、人体双侧的旋转中心和偏心距信息，所述腿长信息为股骨小转子到骨盆横断面之间的距离信息，所述偏心距信息为所述股骨小转子到骨盆矢状面的距离信息；动态评估单元，用于基于所述术后骨骼模型对术后运动和股骨假体的受力进行评估，得到第二初始评估结果；汇总单元，用于依据所述第一初始评估结果和所述第二初始评估结果确定所述评估结果。

进一步地，所述静态评估单元还包括：第一模拟模块，用于依据所述术后骨骼模型进行模拟计算，得到所述股骨假体和所述髋臼假体之间的装配关系；控制模块，用于依据所述股骨假体和所述髋臼假体之间的装配关系对所述术后骨骼模型中的双侧股骨进行摆正处理，以使所述双侧股骨到达目标位置；第一评估模块，用于在所述双侧股骨到达目标位置后，对所述目标静态数据进行评估，得到所述第一初始评估结果。

进一步地，所述动态评估单元还包括：第二评估模块，用于依据所述术后骨骼模型模拟所述术后运动，得到运动评估数据，其中，所述术后运动至少包括股骨多个自由度上的运动和复合股骨运动；第三评估模块，用于在所述术后骨骼模型中模拟目标运动时，对所述股骨假体的受力进行评估，得到受力评估数据；汇总模块，用于将所述运动评估数据和所述受力评估数据进行汇总，得到所述第二初始评估结果。

进一步地，所述第二评估模块还包括：第一模拟子模块，用于以碰撞为约束终止条件，在所述术后骨骼模型中模拟股骨侧在多个自由度上的运动，得到多个极限值，其中，所述碰撞为股骨假体与髋臼假体的碰撞，股骨假体与骨盆的碰撞，股骨与骨盆的碰撞和髋臼假体与股骨的碰撞，所述多个自由度至少包括：前屈、后驱、内收、外展、内旋和外旋；第一确定子模块，用于依据所述多个极限值，得到第一评估数据；第二模拟子模块，用于以碰撞为约束终止条件，在所述术后骨骼模型中模拟多种复合运动，得到股骨运动的运动曲线；第二确定子模块，用于依据所述股骨运动的运动曲线，得到第二评估数据；第一汇总子模块，用于将所述第一评估数据和所述第二评估数据进行汇总，得到所述运动评估数据。

进一步地，所述第三评估模块还包括：分析子模块，用于依据所述目标对象的医学影像对所述目标对象的骨盆和股骨的骨质进行分析，得到骨密度值；获取子模块，用于获取所述目标对象的体重信息；第三模拟子模块，用于在所述术后骨骼模型中模拟所述目标运动，并依据所述目标对象的体重信息，确定股骨在所述目标运动下的负载信息；计算子模块，用于通过有限元分析算法基于股骨在所述目标运动下的负载信息分析得到所述股骨假体的受力区域和所述股骨假体的受力值；评估子模块，用于通过疲劳分析算法基于所述股骨假体的受力区域、所述股骨假体的受力值和所述骨密度值计算所述股骨假体的失效信息，以得到所述受力评估数据。

通过本申请，采用术前规划子系统，其中，术前规划子系统基于目标对象的医学影像进行三维重建，得到三维骨骼模型，并基于三维骨骼模型进行计算，得到髋臼假体的第一数据信息和股骨假体的第二数据信息，其中，第一数据信息中至少包括髋臼假体的型号、髋臼假体的植入角度和髋臼假体的植入位置，第二数据信息中至少包括股骨假体的型号、股骨假体的植入方向和股骨假体的植入深度；术中导航子系统，其中，术中导航子系统基于三维骨骼模型、第一数据信息和第二数据信息在髋关节置换手术中进行导航和跟踪；术后评估子系统，其中，术后评估子系统基于髋臼假体的植入信息、股骨假体的植入信息和三维骨骼模型进行模拟计算得到术后骨骼模型，并依据术后骨骼模型进行术后评估，得到评估结果，解决了相关技术中通过传统手术定位工具实现髋关节置换中的股骨头定位，导致定位的准确性比较低的问题。在本方案中，通过术前规划子系统基于医学影像数据进行三维重建，并通过三维骨骼模型可以准确规划髋臼假体以及股骨假体的植入信息，通过术中导航子系统能够对骨骼和假体进行精准导航和定位，最后，通过术后评估子系统能够对假体的植入情况进行准确评估，进而达到了提高定位的准确性的效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是根据本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统的示意图；

图2是根据本申请实施例提供的术前规划子系统的示意图；

图3是根据本申请实施例提供的股骨颈轴的示意图；

图4是根据本申请实施例提供的术中导航子系统的示意图；

图5是根据本申请实施例提供的术后评估子系统的示意图；

图6是根据本申请实施例提供的可选的髋关节置换手术导航系统的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，本申请所涉及的相关信息（包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等）和数据（包括但不限于用于展示的数据、分析的数据等），均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据。例如，本系统和相关用户或机构间设置有接口，在获取相关信息之前，需要通过接口向前述的用户或机构发送获取请求，并在接收到前述的用户或机构反馈的同意信息后，获取相关信息。

图1是根据本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统的示意图，如图1所示，该导航系统包括：术前规划子系统101，术中导航子系统102和术后评估子系统103。

术前规划子系统101，其中，术前规划子系统101基于目标对象的医学影像进行三维重建，得到三维骨骼模型，并基于三维骨骼模型进行计算，得到髋臼假体的第一数据信息和股骨假体的第二数据信息，其中，第一数据信息中至少包括髋臼假体的型号、髋臼假体的植入角度和髋臼假体的植入位置，第二数据信息中至少包括股骨假体的型号、股骨假体的植入方向和股骨假体的植入深度；

具体地，目标对象为待进行髋关节置换的对象，对该目标对象进行医学影像的采集。医学影像可以是X光片、CT或核磁等影像。然后术前规划子系统101通过等值面提取等方法重建患者的三维骨骼模型，主要是髋臼侧骨盆以及股骨的三维模型，三维模型的格式为ply（Polygon File Format，多边形档案），stl（S TereoLithography，立体光刻）或 vtk（一种以文本方式表示的3D模型文件）等点云/多面体格式。

在得到目标对象的三维骨骼模型后，通过目标对象的三维骨骼模型计算得到髋臼的大小以及并确定髋臼的旋转中心点，然后通过髋臼的大小确定所选用的髋臼假体的大小，一般假体大小选用外径应大于髋臼本身直径1-3mm。也就是通过髋臼的大小确定髋臼假体的型号。通过将髋臼假体的中心与旋转中心重合，进而确定髋臼假体的植入角度和髋臼假体的植入位置等信息。需要说明的是，髋臼假体的位置应额外考虑假体与骨面的覆盖情况，一般应保证覆盖率需要保证在75%以上。

通过目标对象的三维骨骼模型计算股骨头的球心以及直径，股骨假体的选择应尽可能贴近原始股骨头的大小，因此通过股骨头的球心以及直径确定股骨假体的型号，并通过股骨的三维骨骼模型计算得到股骨假体的植入方向和股骨假体的植入深度等信息。最后，将患者影像数据、点云重建数据（也就是三维骨骼模型数据）以及假体型号、位置数据等发送到术中导航子系统102中。

术中导航子系统102，其中，术中导航子系统102基于三维骨骼模型、第一数据信息和第二数据信息在髋关节置换手术中进行导航和跟踪；

具体地，术中导航子系统102主要是通过患者影像数据、点云重建数据（也就是三维骨骼模型数据）以及假体型号、位置数据在髋关节置换手术中进行导航和跟踪。需要说明的是，在进行跟踪和导航时，需要借助手术工具以及标记物（Marker），例如，在髋臼侧导航时需要在髋臼锉与植入器加上Marker，以对植入角度以及植入位置进行跟踪。在股骨侧导航时需要附加Marker的导管进行辅助定位，并且术中导航子系统102中包含在骨盆或股骨上固定的Marker，用以标记骨骼的位置。

术后评估子系统103，其中，术后评估子系统基于髋臼假体的植入信息、股骨假体的植入信息和三维骨骼模型进行模拟计算得到术后骨骼模型，并依据术后骨骼模型进行术后评估，得到评估结果。

具体地，在髋关节置换手术完成后，需要对假体的植入情况进行评估。术后评估子系统103的输入信息为，术前骨骼三维模型，术中截骨定位数据，术中假体使用情况等信息。将骨骼模型与术中切削、植入的定位数据输入术后评估子系统103后，术后评估子系统103可以根据已知的假体位置信息通过模拟计算得到实际手术完成后的骨骼模型，以及假体在骨骼上的装配位置。通过上述步骤可以同时获取部分关键点，例如，植入臼杯中心，股骨假体中心，股骨假体轴向等。通过手术完成后的骨骼模型能够对假体的植入情况进行准确评估。评估结果中至少包括：在假体植入后，目标对象的股骨侧的运动极限、人体双侧的旋转中心的差异，主要在人体的三个轴向（垂直轴、矢状轴和冠状轴）的差异以及股骨负载情况等。

综上所述，通过术前规划子系统基于医学影像数据进行三维重建，并通过三维骨骼模型可以准确规划髋臼假体以及股骨假体的植入信息，通过术中导航子系统能够对骨骼和假体进行精准导航和定位，最后，通过术后评估子系统能够对假体的植入情况进行准确评估，通过上述的髋关节置换手术导航系统能够有效提高定位的准确性，还能够对术后假体植入情况进行准确评估，进而有效提升髋关节置换手术的质量和效果。

可选地，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，术前规划子系统101还包括：骨盆规划单元，其中，骨盆规划单元依据三维骨骼模型将髋臼拟合为第一球体，依据第一球体确定髋臼的尺寸和髋臼的旋转中心，并依据髋臼的尺寸和髋臼的旋转中心确定髋臼假体的第一数据信息；股骨规划单元，其中，股骨规划单元依据三维骨骼模型将股骨头拟合为第二球体，依据第二球体和股骨的股骨颈轴确定股骨假体的第二数据信息。

具体地，术前规划子系统101中包括骨盆规划单元和股骨规划单元，如图2所示。骨盆规划单元用于计算得到髋臼假体的第一数据信息。股骨规划单元用于计算得到股骨假体的第二数据信息。

骨盆规划单元根据三维骨骼模型重建髋臼侧表面。首先，通过将髋臼拟合成一个近似的球体，量取髋臼的大小，并确定髋臼的旋转中心点。通过髋臼的大小确定所选用的髋臼假体的大小（髋臼假体的型号），一般假体大小选用外径应大于髋臼本身直径1-3mm。将髋臼假体的中心与旋转中心重合，以恢复其原始旋转中心（即计算得到髋臼假体的植入位置和植入角度）。髋臼的位置应额外考虑假体与骨面的覆盖情况，一般应保证覆盖率在75%以上。

股骨规划单元根据三维骨骼模型确定计算得到股骨假体的第二数据信息，首先将股骨头为一个球体。可以使用四点拟合，也可以将股骨头上所有点使用最小二乘进行整体拟合，获取股骨头球心以及直径。股骨假体的选择应尽可能贴近原始股骨头的大小。然后通过股骨的股骨颈轴确定股骨假体的植入方向以及植入深度。

综上所述，通过上述的骨盆规划单元和股骨规划单元能够精准高效地计算得到髋臼假体的第一数据信息和股骨假体的第二数据信息。

为了提高确定股骨的股骨颈轴的准确性，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，股骨规划单元还包括：第一确定模块，用于基于三维骨骼模型中的股骨的冠状面确定股骨颈的上边界和股骨颈的下边界；第二确定模块，用于依据股骨颈的上边界和股骨颈的下边界确定第一中心线；第三确定模块，用于基于三维骨骼模型中的股骨的矢状面确定股骨颈的左边界和股骨颈的右边界，并将第一中心线平移至过股骨颈的左边界和股骨颈的右边界的中心的位置，以确定股骨的股骨颈轴。

股骨规划单元还包括：分离模块，用于从三维骨骼模型中分离出股骨颈的点云数据；拟合模块，用于依据股骨颈的点云数据将股骨颈拟合为圆柱或者棱柱，并将圆柱的中心轴或者棱柱的中心轴作为股骨的股骨颈轴。

具体地，在股骨规划单元可以通过两种方式确定股骨的股骨颈轴，一种是在股骨的冠状面及股骨的矢状面双面定位确定股骨的股骨颈轴，另一种是三维拟合确定股骨的股骨颈轴。股骨规划单元包括第一确定模块、第二确定模块、第三确定模块、分离模块和拟合模块。通过第一确定模块、第二确定模块和第三确定模块在股骨的冠状面及股骨的矢状面双面定位确定股骨的股骨颈轴。通过分离模块和拟合模块利用三维拟合确定股骨的股骨颈轴。

通过第一确定模块在三维骨骼模型中的股骨的冠状面上确定股骨颈的上边界和股骨颈的下边界，然后通过第二确定模块在股骨颈的上边界和股骨颈的下边界确定第一中心线。利用第三确定模块在三维骨骼模型中的股骨的矢状面上确定股骨颈的左边界和股骨颈的右边界，然后确定股骨颈的左边界和股骨颈的右边界的中心位置。最后将第一中心线平移至过股骨颈的左边界和股骨颈的右边界的中心的位置，将平移后的第一中心线为股骨颈轴。

通过分离模块从三维骨骼模型中分离出股骨颈的点云数据，通过拟合模块将股骨颈的点云数据拟合为圆柱或者棱柱，并将圆柱的中心轴或者棱柱的中心轴作为股骨的股骨颈轴。

综上所述，通过上述模块能够有效提高确定股骨的股骨颈轴的准确性。

为了进一步提高股骨颈轴的准确性，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，若股骨颈轴不经过股骨的中心时，股骨规划单元还包括：第一优化模块，用于将股骨颈轴平移至过股骨的中心的位置，得到移动后的股骨颈轴；第四确定模块，用于将移动后的股骨颈轴作为当前的股骨颈轴。

若股骨颈轴不经过股骨的中心时，股骨规划单元还包括：第二优化模块，用于依据三维骨骼模型连接股骨的中心和股骨颈轴，得到目标连线；第五确定模块，用于将目标连线作为当前的股骨颈轴。

具体地，在股骨颈轴股骨的中心不经过股骨的中心时，需要对股骨颈轴进行优化处理，因此，股骨规划单元还包括：第一优化模块、第四确定模块、第二优化模块和第五确定模块。对股骨颈轴的优化可以通过两种方式实现，分为轴向优先方式和颈轴中心点优先方式。通过第一优化模块和第四确定模块实现轴向优先方式，通过第二优化模块和第五确定模块实现颈轴中心点优先方式。

针对轴向优先方式，通过第一优化模块将股骨颈轴平移至过股骨的中心的位置，得到移动后的股骨颈轴，通过第四确定模块将移动后的股骨颈轴作为优化后的股骨颈轴。

针对颈轴中心点优先方式，通过第二优化模块在三维骨骼模型连接股骨的中心和股骨颈轴，得到目标连线，如图3 中所示的黑色线条。通过第五确定模块将目标连线作为优化后的股骨颈轴。

在得到股骨颈轴后直接将股骨颈轴确定为股骨假体的植入方向，沿上述确定股骨假体的植入轴向，延伸至与股骨头相交的位置作为股骨上表面顶点，股骨假体放置的深度，应保证股骨假体外表面刚好通过股骨上表面顶点。股骨假体的放置应同时考虑覆盖率，假体内表面与股骨之间不能留有空洞。因此，可以通过股骨假体的植入方向确定股骨假体的植入深度。

综上所述，通过上述步骤进行股骨颈轴优化，能够进一步提高股骨颈轴的准确性。

可选地，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，术中导航子系统102包括：辅助定位单元，用于基于手术工具和标志位对手术工具和/或骨骼进行术中定位；跟踪单元，用于依据辅助定位单元的定位信息和目标位置信息，对手术工具和/或骨骼进行术中跟踪，其中，目标位置信息为辅助定位单元与手术工具或者骨骼的相对位置信息；注册单元，用于获取标志位与骨骼的空间转换关系，其中，跟踪单元基于空间转换关系跟踪手术工具和/或骨骼。

具体地，术中导航子系统102包括辅助定位单元、跟踪单元和注册单元，如图4所示。辅助定位单元通过手术工具和标志位（Marker）配合跟踪单元共同完成对手术过程的辅助定位与跟踪。髋关节置换手术导航针对手术部位也可以分为髋臼侧与股骨侧。在髋臼侧导航时需要在髋臼锉与植入器加上Marker，以对植入角度以及植入位置进行跟踪。股骨侧的辅助定位需要通过一个附加Marker导管来实现，通过导管进行导向针植入后，需要对股骨头进行塑性，圆柱面塑形以及顶面塑形，均需要结合Marker来进行定位。由于导向针的存在，塑形方向基本是沿导向针确定的方向。辅助定位模块还包含在骨盆或股骨上固定的Marker，用以标记骨骼的位置。

跟踪单元与辅助定位单元配合使用，通过识别辅助定位模块的空间位置，结合辅助定位模块与手术工具或骨骼的相对位置关系，计算得到手术工具及骨骼在跟踪单元坐标系下的位置，从而辅助医生进行术中的定位。

需要说明的是，跟踪单元与所用的标记物（Marker）需要配合使用，例如被动或主动Marker需要配合红外双目相机，二维码类Marker配合光学双目相机。

注册模块用于获取骨骼Marker与骨骼的空间转换关系，从而可以使跟踪单元对骨骼的位置进行跟踪。

综上所述，通过辅助定位单元、跟踪单元和注册单元能够对骨骼与假体进行准确定位和跟踪，从而辅助医生完成髋关节置换手术导航系统。

可选地，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，术后评估子系统103包括：静态评估单元，用于基于术后骨骼模型对目标静态数据进行评估，得到第一初始评估结果，其中，目标静态数据至少包括腿长信息、人体双侧的旋转中心和偏心距信息，腿长信息为股骨小转子到骨盆横断面之间的距离信息，偏心距信息为股骨小转子到骨盆矢状面的距离信息；动态评估单元，用于基于术后骨骼模型对术后运动和股骨假体的受力进行评估，得到第二初始评估结果；汇总单元，用于依据第一初始评估结果和第二初始评估结果确定评估结果。

具体地，术后评估子系统103包括静态评估单元、动态评估单元和汇总单元，如图5所示。术后评估子系统103的输入信息为，术前骨骼三维模型，术中截骨定位数据，术中假体使用情况。将骨骼模型与术中切削、植入的定位数据输入术后评估子系统103后，术后评估子系统103可以根据已知的装配及位置信息通过模拟计算得到实际手术完成后的骨骼模型，以及假体在骨骼上的装配位置。通过上述步骤还可以同时获取部分关键点，例如，植入臼杯中心，股骨假体中心，股骨假体轴向等。静态评估单元对腿长、旋转中心以及偏心距等静态数据进行评估得到第一初始评估结果。动态评估模块对术后运动及力学负载进行评估得到第二初始评估结果，最后通过第一初始评估结果和第二初始评估结果进行汇总得到评估结果。

为了准确评估目标静态数据，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，静态评估单元还包括：第一模拟模块，用于依据术后骨骼模型进行模拟计算，得到股骨假体和髋臼假体之间的装配关系；控制模块，用于依据股骨假体和髋臼假体之间的装配关系对术后骨骼模型中的双侧股骨进行摆正处理，以使双侧股骨到达目标位置；第一评估模块，用于在双侧股骨到达目标位置后，对目标静态数据进行评估，得到第一初始评估结果。

具体地，静态评估单元还包括：第一模拟模块，控制模块和第一评估模块。通过第一模拟模块对术后骨骼模型进行模拟计算，得到股骨假体和髋臼假体之间的装配关系；通过控制模块按照已知的股骨假体及髋臼假体的装配关系对骨盆与股骨进行复位，并对双侧股骨进行摆正处理。摆正处理一般将双侧髓腔轴经过空间变换与矢状面平行。这里的摆正处理并不规定一个固定的方式，根据医生或最新的医学经验进行处理。最终使双侧股骨到一个合理的、可进行评估的位置即可。通过第一评估模块在双侧股骨到达目标位置后，对目标静态数据进行评估，得到第一初始评估结果。

目标静态数据可以包括腿长、旋转中心以及偏心距等静态数据，例如，通过第一评估模块评估人体双侧的旋转中心的差异，主要在人体的三个轴向的差异，并输出具体的值。腿长与偏心距则一般以股骨小转子作为关键点，小转子到骨盆的矢状面的距离为偏心距，到骨盆的横断面的距离为腿长，评估双侧腿长及偏心距的差异并进行输出。通过对目标静态数据的评估能够准确把握假体植入后的骨骼的适配情况。

可选地，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，动态评估单元还包括：第二评估模块，用于依据术后骨骼模型模拟术后运动，得到运动评估数据，其中，术后运动至少包括股骨多个自由度上的运动和复合股骨运动；第三评估模块，用于在术后骨骼模型中模拟目标运动时，对股骨假体的受力进行评估，得到受力评估数据；汇总模块，用于将运动评估数据和受力评估数据进行汇总，得到第二初始评估结果。

具体地，动态评估单元还包括：第二评估模块、第三评估模块和汇总模块。第二评估模块在术后骨骼模型中模拟术后运动，得到运动评估数据。术后运动至少包括股骨多个自由度上的运动和复合股骨运动，例如，股骨的前屈，后屈，内收，外展，内旋，外旋六个自由度的运动以及下蹲，上楼梯等复合股骨运动。第三评估模块术后骨骼模型中模拟目标运动时，对股骨假体的受力进行评估，得到受力评估数据。通过汇总模块将运动评估数据和受力评估数据进行汇总，得到第二初始评估结果。

综上所述，通过动态评估单元能够准确评估术后运动及力学负载的情况。

可选地，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，第二评估模块还包括：第一模拟子模块，用于以碰撞为约束终止条件，在术后骨骼模型中模拟股骨侧在多个自由度上的运动，得到多个极限值，其中，碰撞为股骨假体与髋臼假体的碰撞，股骨假体与骨盆的碰撞，股骨与骨盆的碰撞和髋臼假体与股骨的碰撞，多个自由度至少包括：前屈、后驱、内收、外展、内旋和外旋；第一确定子模块，用于依据多个极限值，得到第一评估数据；第二模拟子模块，用于以碰撞为约束终止条件，在术后骨骼模型中模拟多种复合运动，得到股骨运动的运动曲线；第二确定子模块，用于依据股骨运动的运动曲线，得到第二评估数据；第一汇总子模块，用于将第一评估数据和第二评估数据进行汇总，得到运动评估数据。

具体地，第二评估模块还包括：第一模拟子模块、第一确定子模块、第二确定子模块和第一汇总子模块。第一模拟子模块以碰撞为约束终止条件，在术后骨骼模型中模拟股骨侧在前屈，后屈，内收，外展，内旋，外旋六个自由度上的运动，得到六个角度的极限值。其中，上述的碰撞分为：股骨假体与髋臼假体的碰撞，股骨假体与骨盆的碰撞，股骨与骨盆的碰撞，髋臼假体与股骨的碰撞等多个不同组件的相互作用。第一确定子模块根据多个极限值得到第一评估数据。

第二模拟子模块以碰撞为约束终止条件，在术后骨骼模型中模拟多种常见的运动，例如，下蹲，上楼梯等，模拟在多种复合运动下股骨的运动曲线，第二确定子模块根据股骨运动的运动曲线计算是否会碰撞，或者是否接近极限值，以此输出复合运动的术后评估（即上述的第二评估数据）。通过第一汇总子模块将第一评估数据和第二评估数据进行汇总得到运动评估数据。

综上所述，通过第二评估模块能够准确评估术后股骨运行情况。

可选地，在本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统中，第三评估模块还包括：分析子模块，用于依据目标对象的医学影像对目标对象的骨盆和股骨的骨质进行分析，得到骨密度值；获取子模块，用于获取目标对象的体重信息；第三模拟子模块，用于在术后骨骼模型中模拟目标运动，并依据目标对象的体重信息，确定股骨在目标运动下的负载信息；计算子模块，用于通过有限元分析算法基于股骨在目标运动下的负载信息分析得到股骨假体的受力区域和股骨假体的受力值；评估子模块，用于通过疲劳分析算法基于股骨假体的受力区域、股骨假体的受力值和骨密度值计算股骨假体的失效信息，以得到受力评估数据。

具体地，第三评估模块还包括分析子模块、获取子模块、第三模拟子模块、计算子模块和评估子模块。分析子模块根据目标对象的医学影像对目标对象的骨盆和股骨的骨质进行分析，得到骨密度值；获取子模块获取目标对象的体重信息；第三模拟子模块在术后骨骼模型中模拟目标运动，并且根据目标对象的体重信息，确定股骨在目标运动下的负载信息；计算子模块通过有限元分析算法基于股骨在目标运动下的负载信息分析得到股骨假体的受力区域和股骨假体的受力值；评估子模块通过疲劳分析算法基于股骨假体的受力区域、股骨假体的受力值和骨密度值计算股骨假体的失效信息，以得到受力评估数据。股骨假体的失效信息可以是股骨柄假体与股骨间出现松动，以及假体脱落等。

在一可选的实施例中，可以采用图6所示的系统示意图实现对髋关节置换手术的导航。该系统由术前规划子系统，术中导航子系统，术后评估子系统组成。术前规划子系统分为髋臼模块及股骨模块。术中导航子系统由辅助定位模块，跟踪单元，注册模块组成。术后评估子系统分为静态评估模块及动态评估模块。

髋臼模块依据三维骨骼模型将髋臼拟合为第一球体，依据第一球体确定髋臼的尺寸和髋臼的旋转中心，并依据髋臼的尺寸和髋臼的旋转中心确定髋臼假体的第一数据信息。股骨模块依据三维骨骼模型将股骨头拟合为第二球体，依据第二球体和股骨的股骨颈轴确定股骨假体的第二数据信息。

辅助定位模块基于手术工具和标志位对手术工具和/或骨骼进行术中定位，跟踪单元依据辅助定位单元的定位信息和目标位置信息，对手术工具和/或骨骼进行术中跟踪；注册单元获取标志位与骨骼的空间转换关系，其中，跟踪单元基于空间转换关系跟踪手术工具和/或骨骼。

静态评估模块基于术后骨骼模型对目标静态数据进行评估，动态评估单元基于术后骨骼模型对术后运动和股骨假体的受力进行评估。

本申请实施例提供的髋关节置换手术导航系统，通过术前规划子系统，其中，术前规划子系统基于目标对象的医学影像进行三维重建，得到三维骨骼模型，并基于三维骨骼模型进行计算，得到髋臼假体的第一数据信息和股骨假体的第二数据信息，其中，第一数据信息中至少包括髋臼假体的型号、髋臼假体的植入角度和髋臼假体的植入位置，第二数据信息中至少包括股骨假体的型号、股骨假体的植入方向和股骨假体的植入深度；术中导航子系统，其中，术中导航子系统基于三维骨骼模型、第一数据信息和第二数据信息在髋关节置换手术中进行导航和跟踪；术后评估子系统，其中，术后评估子系统基于髋臼假体的植入信息、股骨假体的植入信息和三维骨骼模型进行模拟计算得到术后骨骼模型，并依据术后骨骼模型进行术后评估，得到评估结果，解决了相关技术中通过传统手术定位工具实现髋关节置换中的股骨头定位，导致定位的准确性比较低的问题。在本方案中，通过术前规划子系统基于医学影像数据进行三维重建，并通过三维骨骼模型可以准确规划髋臼假体以及股骨假体的植入信息，通过术中导航子系统能够对骨骼和假体进行精准导航和定位，最后，通过术后评估子系统能够对假体的植入情况进行准确评估，进而达到了提高定位的准确性的效果。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

所述髋关节置换手术导航系统包括处理器和存储器，处理器中包含内核，由内核去存储器中调取相应的程序单元。内核可以设置一个或以上，通过调整内核参数来实现髋关节置换手术的导航。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)，存储器包括至少一个存储芯片。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)、动态随机存取存储器 (DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘 (DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体 (transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，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、商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、商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“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种髋关节置换手术导航系统，其特征在于，包括：

术前规划子系统，其中，所述术前规划子系统基于目标对象的医学影像进行三维重建，得到三维骨骼模型，并基于所述三维骨骼模型进行计算，得到髋臼假体的第一数据信息和股骨假体的第二数据信息，其中，所述第一数据信息中至少包括所述髋臼假体的型号、所述髋臼假体的植入角度和所述髋臼假体的植入位置，所述第二数据信息中至少包括所述股骨假体的型号、所述股骨假体的植入方向和所述股骨假体的植入深度；

术中导航子系统，其中，所述术中导航子系统基于所述三维骨骼模型、所述第一数据信息和所述第二数据信息在髋关节置换手术中进行导航和跟踪；

术后评估子系统，其中，所述术后评估子系统基于所述髋臼假体的植入信息、所述股骨假体的植入信息和所述三维骨骼模型进行模拟计算得到术后骨骼模型，并依据所述术后骨骼模型进行术后评估，得到评估结果。

2.根据权利要求1所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述术前规划子系统还包括：

骨盆规划单元，其中，所述骨盆规划单元依据所述三维骨骼模型将髋臼拟合为第一球体，依据所述第一球体确定所述髋臼的尺寸和所述髋臼的旋转中心，并依据所述髋臼的尺寸和所述髋臼的旋转中心确定所述髋臼假体的第一数据信息；

股骨规划单元，其中，所述股骨规划单元依据所述三维骨骼模型将股骨头拟合为第二球体，依据所述第二球体和所述股骨的股骨颈轴确定所述股骨假体的第二数据信息。

3.根据权利要求2所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述股骨规划单元还包括：

第一确定模块，用于基于所述三维骨骼模型中的所述股骨的冠状面确定股骨颈的上边界和所述股骨颈的下边界；

第二确定模块，用于依据所述股骨颈的上边界和所述股骨颈的下边界确定第一中心线；

第三确定模块，用于基于所述三维骨骼模型中的所述股骨的矢状面确定所述股骨颈的左边界和所述股骨颈的右边界，并将所述第一中心线平移至过所述股骨颈的左边界和所述股骨颈的右边界的中心的位置，以确定所述股骨的股骨颈轴。

4.根据权利要求3所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述股骨规划单元还包括：

分离模块，用于从所述三维骨骼模型中分离出股骨颈的点云数据；

拟合模块，用于依据所述股骨颈的点云数据将所述股骨颈拟合为圆柱或者棱柱，并将所述圆柱的中心轴或者所述棱柱的中心轴作为所述股骨的股骨颈轴。

5.根据权利要求4所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，若所述股骨颈轴不经过所述股骨的中心时，所述股骨规划单元还包括：

第一优化模块，用于将所述股骨颈轴平移至过所述股骨的中心的位置，得到移动后的股骨颈轴；

第四确定模块，用于将所述移动后的股骨颈轴作为当前的股骨颈轴。

6.根据权利要求4所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，若所述股骨颈轴不经过所述股骨的中心时，所述股骨规划单元还包括：

第二优化模块，用于依据所述三维骨骼模型连接所述股骨的中心和所述股骨颈轴，得到目标连线；

第五确定模块，用于将所述目标连线作为当前的股骨颈轴。

7.根据权利要求1所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述术中导航子系统包括：

辅助定位单元，用于基于手术工具和标志位对所述手术工具和/或骨骼进行术中定位；

跟踪单元，用于依据所述辅助定位单元的定位信息和目标位置信息，对所述手术工具和/或所述骨骼进行术中跟踪，其中，所述目标位置信息为所述辅助定位单元与所述手术工具或者所述骨骼的相对位置信息；

注册单元，用于获取所述标志位与所述骨骼的空间转换关系，其中，所述跟踪单元基于所述空间转换关系跟踪所述手术工具和/或所述骨骼。

8.根据权利要求1所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述术后评估子系统包括：

静态评估单元，用于基于所述术后骨骼模型对目标静态数据进行评估，得到第一初始评估结果，其中，所述目标静态数据至少包括腿长信息、人体双侧的旋转中心和偏心距信息，所述腿长信息为股骨小转子到骨盆横断面之间的距离信息，所述偏心距信息为所述股骨小转子到骨盆矢状面的距离信息；

动态评估单元，用于基于所述术后骨骼模型对术后运动和股骨假体的受力进行评估，得到第二初始评估结果；

汇总单元，用于依据所述第一初始评估结果和所述第二初始评估结果确定所述评估结果。

9.根据权利要求8所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述静态评估单元还包括：

第一模拟模块，用于依据所述术后骨骼模型进行模拟计算，得到所述股骨假体和所述髋臼假体之间的装配关系；

控制模块，用于依据所述股骨假体和所述髋臼假体之间的装配关系对所述术后骨骼模型中的双侧股骨进行摆正处理，以使所述双侧股骨到达目标位置；

第一评估模块，用于在所述双侧股骨到达目标位置后，对所述目标静态数据进行评估，得到所述第一初始评估结果。

10.根据权利要求8所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述动态评估单元还包括：

第二评估模块，用于依据所述术后骨骼模型模拟所述术后运动，得到运动评估数据，其中，所述术后运动至少包括股骨多个自由度上的运动和复合股骨运动；

第三评估模块，用于在所述术后骨骼模型中模拟目标运动时，对所述股骨假体的受力进行评估，得到受力评估数据；

汇总模块，用于将所述运动评估数据和所述受力评估数据进行汇总，得到所述第二初始评估结果。

11.根据权利要求10所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述第二评估模块还包括：

第一模拟子模块，用于以碰撞为约束终止条件，在所述术后骨骼模型中模拟股骨侧在多个自由度上的运动，得到多个极限值，其中，所述碰撞为股骨假体与髋臼假体的碰撞，股骨假体与骨盆的碰撞，股骨与骨盆的碰撞和髋臼假体与股骨的碰撞，所述多个自由度至少包括：前屈、后驱、内收、外展、内旋和外旋；

第一确定子模块，用于依据所述多个极限值，得到第一评估数据；

第二模拟子模块，用于以碰撞为约束终止条件，在所述术后骨骼模型中模拟多种复合运动，得到股骨运动的运动曲线；

第二确定子模块，用于依据所述股骨运动的运动曲线，得到第二评估数据；

第一汇总子模块，用于将所述第一评估数据和所述第二评估数据进行汇总，得到所述运动评估数据。

12.根据权利要求10所述的髋关节置换手术导航系统，其特征在于，所述第三评估模块还包括：

分析子模块，用于依据所述目标对象的医学影像对所述目标对象的骨盆和股骨的骨质进行分析，得到骨密度值；

获取子模块，用于获取所述目标对象的体重信息；

第三模拟子模块，用于在所述术后骨骼模型中模拟所述目标运动，并依据所述目标对象的体重信息，确定股骨在所述目标运动下的负载信息；

计算子模块，用于通过有限元分析算法基于股骨在所述目标运动下的负载信息分析得到所述股骨假体的受力区域和所述股骨假体的受力值；

评估子模块，用于通过疲劳分析算法基于所述股骨假体的受力区域、所述股骨假体的受力值和所述骨密度值计算所述股骨假体的失效信息，以得到所述受力评估数据。

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