CN115844534A - 膝关节置换术的植入物摆位方法、系统和存储介质 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种膝关节置换术的植入物摆位方法、系统和存储介质。所述方法包括：获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。采用本方法微调解剖标志点位置，可以得到准确的植入物摆位规划值；根据调整后的解剖学标志点建立的骨骼坐标系，可以解决了患者拍摄CT时骨头未正对影像坐标系而引起的位置误差问题，使得假体摆放的位置参数更加准确；本发明通过模拟方式计算出植入物的摆放参数，代替人工手动调整的方式，可以提高自动化和智能化程度。

Description

膝关节置换术的植入物摆位方法、系统和存储介质

技术领域

本申请涉及机器人导航技术领域，特别是涉及一种膝关节置换术的植入物摆位方法、系统和存储介质。

背景技术

计算机辅助的关节置换手术，首先需要通过术前的植入物摆位来确定截骨方案，然后机械臂根据术前制定的截骨方案，定位到相应的截骨位置，辅助医生完成截骨操作。现有的植入物摆位方法只能通过人工手动调整植入物在骨骼上的位姿，这种主观判断摆位的方法，存在较大误差性，并且效率低。目前也有通过用于确定植入物摆位参数的解剖学标志点，组合计算出植入物摆位参数完成植入物的摆位，但是解剖学标志点为人工选择确定，解剖学标志点位置存在主观误差性，从而影响植入物摆位的正确性，而且患者拍摄CT时骨头不一定正对影像坐标系(即CT坐标系)，造成假体摆放的位置参数不够准确。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高植入物摆放位置精度的膝关节置换术的植入物摆位方法、系统和存储介质。

第一方面，本申请提供了一种膝关节置换术的植入物摆位方法。所述方法包括：

获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；

在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点，对解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点；

根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

在其中一个实施例中，对解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点，包括：

以解剖学标志点为中心，以预设立方体为搜索范围，遍历骨骼三维模型的体素点，确定满足预设搜索条件的目标体素点，将目标体素点作为调整后的解剖学标志点；预设搜索条件为解剖学标志点至目标体素点的向量，在骨骼三维模型的骨骼坐标系中与向量垂直的轴方向上的投影长度最大。

在其中一个实施例中，解剖学标志点包括用于标记骨骼三维模型的冠状面视图上凸起的至少三个解剖学标志点，以及标记骨骼三维模型的矢状面视图上凸起的至少两个解剖学标志点；根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系，包括：

根据骨骼三维模型的冠状面视图上至少三个解剖学标志点，确定冠状面视图的法向量，将法向量作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的纵轴；

将骨骼三维模型的矢状面视图上两个解剖学标志点之间的连线向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的竖轴；

将竖轴和纵轴的叉乘向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的横轴。

在其中一个实施例中，根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系还包括：

以任意一个解剖学标志点作为基点，以骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的竖轴与影像坐标系的竖轴平行；

以影像坐标系的竖轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的横轴与影像坐标系的横轴平行。

在其中一个实施例中，在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型，包括：

确定骨骼三维模型的尺寸值；

根据尺寸值，确定与尺寸值适配的植入物三维模型；

根据植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度，将植入物三维模型安装在骨骼三维模型上，以使植入物三维模型安装后的旋转角度和截骨量与适配的旋转角度和截骨量相同。

在其中一个实施例中，确定骨骼三维模型的尺寸值，包括：

以骨骼三维模型的冠状面视图上的解剖学标志点为基点，遍历骨骼三维模型的冠状面视图上的体素点，确定满足预设条件的目标体素点；预设条件为使目标体素点至解剖学标志点的向量在骨骼坐标系的轴方向上的投影长度最大；

将目标体素点至解剖学标志点的向量的模值，作为骨骼三维模型的尺寸值。

在其中一个实施例中，根据植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度，将植入物三维模型安装在骨骼三维模型上，以使植入物三维模型安装后的旋转角度和截骨量与适配的旋转角度和截骨量相同，包括：

针对植入物三维模型与骨骼三维模型所共存的三维空间，将植入物三维模型的植入物坐标系与骨骼三维模型的骨骼坐标系对准，获得摆正后的植入物三维模型；植入物坐标系的竖轴垂直与植入物三维模型的安装面，植入物坐标系的横轴平行于植入物三维模型的安装面，植入物坐标系的纵轴分别垂直与植入物坐标系的竖轴和横轴；

在三维空间中旋转摆正后的植入物三维模型，直至植入物三维模型的旋转角度达到适配的旋转角度；

在三维空间中移动旋转后的植入物三维模型，计算植入物三维模型在移动过程中，对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

在其中一个实施例中，旋转角度包括内外翻角度、内外旋角度和前后倾角度，在三维空间中旋转摆正后的植入物三维模型，直至植入物三维模型的旋转角度达到适配的旋转角度，包括：

以骨骼坐标系的纵轴为旋转轴，以适配的内外翻角度为旋转角度，旋转摆正后的植入物三维模型，得到内外翻角度下的植入物三维模型的摆位，以及第一姿态的植入物坐标系；

确定骨骼三维模型的通髁线，在第一姿态的植入物坐标系的XOY平面上的投影向量，以投影向量与第一姿态的植入物坐标系的横轴的叉乘向量为旋转轴，以适配的内外旋角度为旋转角度，旋转第一姿态的植入物三维模型，得到内外旋角度下的植入物三维模型的摆位，以及第二姿态的植入物坐标系；

以第二姿态的植入物坐标系的横轴为旋转轴，以适配的前后倾角度为旋转角度，旋转第二姿态的植入物三维模型，得到前后倾角度下的植入物三维模型的摆位，以及第三姿态的植入物坐标系。

在其中一个实施例中，在三维空间中移动旋转后的植入物三维模型，计算植入物三维模型在移动过程中，对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量，包括：

将植入物三维模型的安装面中心平移至骨骼三维模型的截骨面中心后，沿着骨骼坐标系的竖轴移动，根据骨骼三维模型的解剖学标志点与骨骼三维模型的截骨面中心连线在骨骼坐标系的竖轴方向上的投影距离，确定植入物三维模型在移动过程中对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

第二方面，本申请还提供了一种膝关节置换术的植入物摆位系统。所述系统包括机器人装置、外科操作工具和处理电路；

外科操作工具安装在机器人装置上；机器人装置用于引导外科操作工具将植入物摆放至解剖学结构上；

处理电路被配置为：获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；

在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；解剖学标志点为位置调整后的特征点；

根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

在其中一个实施例中，处理电路还被配置为：基于植入物的摆放位置生成控制对象，并且控制机器人装置以使外科操作工具局限于控制对象内。

第三方面，本申请还提供了一种计算机设备。所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现以下步骤：

获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；

在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；

根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

第四方面，本申请还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，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；

在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；

根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

第五方面，本申请还提供了一种计算机程序产品。所述计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；

在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；

根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

上述膝关节置换术的植入物摆位方法、系统和存储介质，通过在解剖学结构的骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。通过微调解剖标志点位置，可以得到准确的植入物摆位规划值；根据调整后的解剖学标志点建立的骨骼坐标系，可以解决了患者拍摄CT时骨头未正对影像坐标系而引起的位置误差问题，使得假体摆放的位置参数更加准确；本发明通过模拟方式计算出植入物的摆放参数，代替人工手动调整的方式，可以提高自动化和智能化程度。

附图说明

图1为一个实施例中膝关节置换术的植入物摆位方法的应用场景；

图2为一个实施例中膝关节置换术的植入物摆位方法的流程示意图；

图3为一个实施例中骨骼三维模型的示意图；

图4为另一个实施例中解剖学结构在影像坐标系下的示意图；

图5为一个实施例中骨骼三维模型的冠状面、横断面、矢状面示意图；

图6为一个实施例中股骨三维模型在冠状面和矢状面视角下示出的解剖学标志点的分布图；

图7为一个实施例中胫骨三维模型在冠状面和矢状面视角下示出的解剖学标志点的分布图；

图8为一个实施例中自动调整股骨的冠状面视图上初始解剖学标志点的示意图；

图9为一个实施例中自动调整胫骨的矢状面视图上初始解剖学标志点的示意图；

图10为一个实施例中建立骨骼坐标系的流程图；

图11为另一个实施例中通过摆正的方式建立骨骼坐标系的流程图；

图12为图6中股骨三维模型在影像坐标系下摆正的示意图；

图13为图7中胫骨三维模型在影像坐标系下摆正的示意图；

图14为一个实施例中在骨骼坐标系下摆放植入物三维模型的流程示意图；

图15为一个实施例中确定骨骼三维模型的尺寸值的流程图；

图16为一个实施例中确定股骨三维模型的尺寸值的示意图；

图17为一个实施例中确定胫骨三维模型的尺寸值的示意图；

图18为一个实施例中植入物三维模型匹配在骨骼三维模型上的流程图；

图19为一个实施例中股骨三维模型上的植入物坐标系的示意图；

图20为一个实施例中胫骨三维模型上的植入物坐标系的示意图；

图21为一个实施例中旋转植入物三维模型的流程图；

图22为一个实施例中股骨三维模型的通髁线示意图；

图23为一个实施例中胫骨三维模型上的截骨面的示意图；

图24为一个实施例中股骨远端内外侧截骨量的示意图；

图25为一个实施例中股骨后端内外侧截骨量的示意图；

图26为一个实施例中胫骨近端内外侧截骨量的示意图；

图27为一个实施例中股骨三维模型和胫骨三维模型上的植入物三维模型的最终摆位效果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请实施例提供的膝关节置换术的植入物摆位方法，可以应用于如图1所示的应用环境中。其中，关节置换手术机器人首先需要通过术前的植入物摆位来确定截骨方案，然后机械臂根据术前制定的截骨方案，定位到相应的截骨位置，辅助医生完成截骨操作。其中，患者73躺在操作台81上；机械臂台车11用于控制机械臂12动作，工具靶标21用于定位机械臂末端位置，摆锯41用于对患者的股骨71和胫骨72进行截骨；截骨导向工具31用于在摆锯41进行截骨时提供方向；NIDI导航设备51用于实时跟踪工具靶标21、股骨靶标22、胫骨靶标23和基座靶标24的位置；主显示器62和辅助显示器52分别用于显示术前规划的手术方案和基于术前规划的导航引导过程；导航台车61用于获取预先规划好的患者73的截骨面信息和植入物的内外旋角度，并将患者73的截骨面信息和植入物的内外旋角度发送给机械臂台车11；输入设备63用于输入患者和植入物的参数。基座靶标24用于定位机械臂台车11的位置。

由于现有的植入物摆位方法只能通过人工手动调整植入物在骨骼上的位姿，这种主观判断摆位的方法，存在较大误差性，并且效率低。目前也有通过用于确定植入物摆位参数的解剖学标志点，组合计算出植入物摆位参数完成植入物的摆位，但是解剖学标志点为人工选择确定，解剖学标志点位置存在主观误差性，从而影响植入物摆位的正确性，而且患者拍摄CT时骨头不一定正对影像坐标系(即CT坐标系)，造成假体摆放的位置参数不够准确。因此，为解决上述问题，本实施例在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点，根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系，在骨骼坐标系或影像坐标系下摆正骨骼三维模型时，可以根据骨骼坐标系和影像坐标系的各轴平行，确定骨骼三维模型在影像坐标系下摆正。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种膝关节置换术的植入物摆位方法，包括以下步骤：

步骤202，获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型。

其中，骨骼三维模型是指根据解剖学结构例如股骨和/或胫骨的三维信息建立的三维模型。骨骼三维模型在影像坐标系下呈现，骨骼三维模型的示意图如图3所示。

可选地，计算机设备获取解剖学结构的三维影像，三维影像包括CT、MRI等三维影像；，计算机设备将解剖学结构的三维影像以冠状面、横断面、矢状面三个方向(如图4所示)显示，方便操作者查看解剖学结构在冠状面、横断面、矢状面的三个视角上的三维影像。计算机设备基于图像分割或者模型重建的方法，从三维影像中获取解剖学结构的骨骼三维模型，其中，骨骼三维模型的冠状面、横断面、矢状面如图5所示。

步骤204，在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点，对解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点。

其中，解剖学标志点是骨骼三维模型上可以表征骨骼解剖学特征的特征点。解剖学标志点用于确定植入物摆位参数。由于骨骼三维模型上的多个解剖学标志点是由人工选择确认，解剖学标志点位置存在主观误差性，从而影响植入物摆位的正确性。因此，为解决上述问题，本实施例对解剖学标志点进行位置调整，纠正医生手动选点的误差，提高骨骼坐标系的精确度，以及可以提高植入物摆放的位置精度。

以骨骼三维模型为股骨三维模型为例，图6中左侧图像示出股骨三维模型的股骨冠状面视角下的股骨以大转子后缘点A、后髁内侧切点B和后髁外侧切点C，图6中右侧图像示出股骨三维模型的股骨矢状面视角下的股骨头中心点E和膝关节中心点F，股骨三维模型上的解剖学标志点可以图6所示的股骨冠状面和股骨矢状面视图中股骨以大转子后缘点A、后髁内侧切点B、后髁外侧切点C、股骨头中心点E和膝关节中心点F。

以骨骼三维模型为胫骨三维模型为例，图7中左侧图像示出胫骨三维模型的胫骨冠状面视角下的胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H和距骨中心点K，图7中右侧图像示出胫骨三维模型的股骨矢状面视角下的胫骨平台中心J和距骨中心点K，胫骨三维模型上的解剖学标志点可以是图7所示的胫骨冠状面视图和股骨矢状面视图中胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H、距骨中心点K、胫骨平台中心J和距骨中心点K。

可选地，计算机设备将骨骼三维模型在影像坐标系下呈现，并根据解剖学结构的骨骼特征，在骨骼三维模型标注多个表征骨骼解剖学特征的解剖学标志点，并对解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点。

步骤206，根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系。

其中，为保证植入物摆放的准确合理，本实施例以调整后的解剖学标志点建立骨骼坐标系，用于给植入物调整提供准确的依据，进而提高植入物摆位精度。

可选地，计算机设备根据解剖学标志点的位置，以建立股骨三维模型的骨头坐标系为例，如图6所示，将股骨三维模型的股骨冠状面视图的股骨以大转子后缘点A、后髁内侧切点B和后髁外侧切点C连接组成的平面，作为骨骼坐标系的XoZ二维平面，以垂直于XoZ二维平面的法向量为骨骼坐标系的纵轴，即骨骼坐标系的Y轴；在XoZ二维平面中将股骨三维模型的力线，作为骨骼坐标系的竖轴，即骨骼坐标系的Z轴，然后将骨骼坐标系的纵轴与竖轴的叉乘向量，作为骨骼坐标系的横轴，即骨骼坐标系的X轴，从而建立骨骼三维模型的骨骼坐标系。胫骨三维模型的骨骼坐标系如图7所示。

步骤208，在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

在骨骼坐标系中摆放植入物三维模型的过程包括：基于上述骨骼坐标系，统一骨骼坐标系和植入物模型坐标系后，以调整后的解剖学标志点计算得到的力线、通髁线、内旋、外旋角度，自动摆放或者适配植入物三维模型至骨骼三维模型的对应位置。

在影像坐标系下摆放植入物三维模型至骨骼单位模型的过程包括：将骨骼坐标系调整至与影像坐标系的各轴平行，将骨骼坐标系与影像坐标系的方向一致，完成骨骼三维模型在影像坐标系下摆正。

可选地，计算机设备在影像坐标系下显示植入物三维模型和骨骼三维模型，然后根据骨骼三维模型的解剖学标志点建立骨骼坐标系，但是骨骼坐标系的各轴方向与影像坐标系的各轴方向不一定一致。在植入物三维模型摆放至骨骼三维模型的过程中，通过计算机设备上旋转或平移的调整按钮控制植入物三维模型在骨骼三维模型上的位姿，其中，植入物三维模型旋转或平移的量是在骨骼坐标系的基准下计算得来的。

上述植入物摆位方法中，通过在解剖学结构的骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。通过微调解剖标志点位置，可以得到准确的植入物摆位规划值；根据调整后的解剖学标志点建立的骨骼坐标系，可以解决了患者拍摄CT时骨头未正对影像坐标系而引起的位置误差问题，使得假体摆放的位置参数更加准确；本实施例通过模拟方式计算出植入物的摆放参数，代替人工手动调整的方式，可以提高自动化和智能化程度。

在一个实施例中，骨骼三维模型上的多个解剖学标志点是由人工选择确认，解剖学标志点位置存在主观误差性，从而影响植入物摆位的正确性。因此，为解决上述问题，本实施例设计算法将人工选择的解剖学标志点在小范围内进行位置微调，通过微调骨骼的解剖学标志点位置，自动将其调整为几何局部的极值点，以得到准确的植入物摆位规划值，保证植入物摆位的正确性。具体地，在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点还包括：

以解剖学标志点为中心，以预设立方体为搜索范围，遍历骨骼三维模型的体素点，确定满足预设搜索条件的目标体素点，将目标体素点作为调整后的解剖学标志点；预设搜索条件为解剖学标志点至目标体素点的向量，在骨骼三维模型的骨骼坐标系中与向量垂直的轴方向上的投影长度最大。

例如，骨骼三维模型为股骨三维模型，解剖学标志点包括股骨以大转子后缘点A、后髁内侧切点B、后髁外侧切点C、股骨头中心点E和膝关节中心点F，每个解剖学标志点的微调方法都是相同的，因此，以其中的后髁内侧切点B、后髁外侧切点C为例，如图8所示，在股骨三维模型上的后髁内侧切点B、后髁外侧切点C，设定一定的检索范围，比如，可以设定检索范围为：以后髁内侧切点B与后髁外侧切点C连线长度一半的立方体范围；遍历股骨三维模型上立方体范围内的所有股骨三维模型外表面的体素点B’和体素点C’，使得向量BB’和向量CC’在股骨三维模型的骨骼坐标系的纵轴方向上的投影长度最大，即满足要求的体素点B’和体素点C’为后髁内侧切点B与后髁外侧切点C微调后的局部极值点位置。

需要注意的是：由于后髁内侧切点B和后髁外侧切点C位于股骨三维模型的冠状面视图上，并且靠近股骨三维模型的后端，因此，股骨三维模型的骨骼坐标系的纵轴与向量BB’和向量CC’垂直。

例如，骨骼三维模型为胫骨三维模型，解剖学标志点包括胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H、距骨中心点K、胫骨平台中心J和距骨中心点K，每个解剖学标志点的微调方法都是相同的，因此，以其中的胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H为例，如图9所示，在胫骨三维模型上的胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H，设定一定的检索范围，比如，可以设定检索范围为：以胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H连线长度一半的立方体范围；遍历胫骨三维模型上立方体范围内的所有胫骨三维模型外表面的体素点G’和体素点H’，使得向量GG’和向量HH’在股骨三维模型的骨骼坐标系的竖轴方向上的投影长度最大，即满足要求的体素点G’和体素点H’为后髁内侧切点G与后髁外侧切点H微调后的局部极值点位置。

需要注意的是：由于胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H位于胫骨三维模型的矢状面视图上，并且靠近胫骨三维模型的前端，因此，胫骨三维模型的骨骼坐标系的竖轴与向量GG’和向量HH’垂直。

本实施例中，将解剖学标志点在小范围内进行位置微调，通过微调骨骼的解剖学标志点位置，自动将其调整为几何局部的极值点，以得到准确的植入物摆位规划值，保证植入物摆位的正确性。

在一个实施例中，为建立骨骼三维模型的骨骼坐标系，本实施例根据处于冠状面视图的三个解剖学标志点确定骨骼坐标系的XoZ二维平面，以垂直于XoZ二维平面的法向量为骨骼坐标系的纵轴，即骨骼坐标系的Y轴；在XoZ二维平面中将骨骼三维模型的力线，作为骨骼坐标系的竖轴，即骨骼坐标系的Z轴；将骨骼坐标系的纵轴与竖轴的叉乘向量，作为骨骼坐标系的横轴，即骨骼坐标系的X轴，从而建立骨骼三维模型的骨骼坐标系。因此，解剖学标志点包括用于标记骨骼三维模型的冠状面视图上凸起的至少三个解剖学标志点，以及标记骨骼三维模型的矢状面视图上凸起的至少两个解剖学标志点。具体地，根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系，如图10所示，包括以下步骤：

步骤1002，根据骨骼三维模型的冠状面视图上至少三个解剖学标志点，确定冠状面视图的法向量，将法向量作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的纵轴。

其中，骨骼三维模型的冠状面、矢状面和横断面方向，与影像坐标系下展示的解剖学结构的三维影像的方向相同。

以骨骼三维模型为股骨三维模型为例，按照影像坐标系下展示的解剖学结构的冠状面和矢状面方向获取的股骨三维模型的冠状面视图和矢状面视图分别如图6所示。其中，股骨三维模型的冠状面视图上包括股骨以大转子后缘点A、后髁内侧切点B和后髁外侧切点C，股骨三维模型的矢状面视图上包括股骨头中心点E和膝关节中心点F。

以骨骼三维模型为胫骨三维模型为例，按照影像坐标系下展示的解剖学结构的冠状面和矢状面方向获取的骨骼三维模型的冠状面视图和矢状面视图分别如图7所示。其中，胫骨三维模型的冠状面视图上包括胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H和距骨中心点K，胫骨三维模型的矢状面视图上包括胫骨平台中心J和距骨中心点K。

由于解剖学标志点是冠状面视图上凸起的点，因此，解剖学标志点不在一条直线上。如图4所示，影像坐标系下的冠状面视图的法向量为纵轴。

以骨骼三维模型为股骨三维模型为例，如图6所示，股骨三维模型的冠状面视图上包括股骨以大转子后缘点A、后髁内侧切点B和后髁外侧切点C，股骨以大转子后缘点A、后髁内侧切点B和后髁外侧切点C可以组成一个面，垂直于该面的法向量即为股骨三维模型的骨骼坐标系的纵轴。

以骨骼三维模型为胫骨三维模型为例，如图7所示，胫骨三维模型的冠状面视图上包括胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H和距骨中心点K，胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H和距骨中心点K可以组成一个面，垂直于该面的法向量即为胫骨三维模型的骨骼坐标系的纵轴。

可选地，计算机设备按照影像坐标系下展示的解剖学结构的冠状面和矢状面方向，分别确定骨骼三维模型的冠状面视图和矢状面视图，计算机设备获取冠状面视图上至少三个解剖学标志点在影像坐标系下的三维坐标，根据不在一条直线上的三个解剖学标志点，可以确定唯一的一个平面，该平面的法向量作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的纵轴。

步骤1004，将骨骼三维模型的矢状面视图上两个解剖学标志点之间的连线向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的竖轴。

其中，如图4所示，影像坐标系下的矢状面视图的法向量为纵轴。

以骨骼三维模型为股骨三维模型为例，如图6所示，股骨三维模型的矢状面视图上包括股骨头中心点E和膝关节中心点F，膝关节中心点F与股骨头中心点E之间的连线为股骨力线，膝关节中心点F至股骨头中心点E的向量，即为股骨三维模型的骨骼坐标系的竖轴。

以骨骼三维模型为胫骨三维模型为例，如图7所示，胫骨三维模型的矢状面视图上包括胫骨平台中心J和距骨中心点K，距骨中心点K与胫骨平台中心J之间的连线为胫骨力线，距骨中心点K至胫骨平台中心J的向量，即为胫骨三维模型的骨骼坐标系的竖轴。

可选地，计算机设备获取矢状面视图上至少两个解剖学标志点在影像坐标系下的三维坐标，将矢状面视图上两个解剖学标志点之间的连线向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的竖轴。

步骤1006，将竖轴和纵轴的叉乘向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的横轴。

其中，已知骨骼坐标系的纵轴和竖轴，纵轴和竖轴的叉乘向量即为骨骼坐标系的横轴。

以骨骼三维模型为股骨三维模型为例，将股骨力线和冠状面的法向量的叉乘向量确定骨骼坐标系的横轴。

以骨骼三维模型为胫骨三维模型为例，将胫骨力线和冠状面的法向量的叉乘向量确定骨骼坐标系的横轴。

本实施例中，以骨骼三维模型的力线方向为骨骼坐标系的竖轴，以骨骼三维模型的冠状面视图的法向量，为骨骼三维模型的骨骼坐标系的纵轴，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系，以上述建立坐标系的方法为基准，降低患者拍摄CT时位置姿态未正对影像坐标系或者骨骼本身自带倾斜造成的植入物摆放误差。

在一个实施例中，若上述实施例建立的骨骼三维模型的骨骼坐标系与影像坐标系未对准，则植入物摆位时存在角度误差，导致植入物三维模型在骨骼三维模型上摆放的位置参数不准确。因此，为解决上述问题，本实施例通过摆正的方式将骨骼三维模型的骨骼坐标系摆正至与影像坐标系各轴向平行，解决了骨骼三维模型的骨骼坐标系与影像坐标系未对准而引起的位置误差问题，使得植入物三维模型摆放的位置参数更加准确。具体的，如图11所示，根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系还包括以下步骤：

步骤1102，以任意一个解剖学标志点作为基点，以骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的竖轴与影像坐标系的竖轴平行。

其中，骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴的叉乘轴分别垂直于骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴。由于在骨骼坐标系和影像坐标系共存的三维空间上，骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴在三维空间上相交或者平行，因此，为适用于骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴不同场景下的位置关系，以任意一个解剖学标志点作为基点，以骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，可以使得骨骼坐标系的竖轴方向上的向量与影像坐标系的竖轴方向上的向量平行。

可选地，计算机设备的显示界面实时显示骨骼坐标系和影像坐标系之间的位置关系，以任意一个解剖学标志点作为基点，以骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，按照骨骼坐标系的竖轴平行于影像坐标系的竖轴的方向旋转骨骼坐标系，在旋转骨骼坐标系的过程中，计算机设备显示骨骼坐标系的竖轴与影像坐标系的竖轴之间的角度，当骨骼坐标系的竖轴与影像坐标系的竖轴平行时，停止旋转骨骼坐标系。

步骤1104，以影像坐标系的竖轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的横轴与影像坐标系的横轴平行。

其中，在骨骼坐标系的竖轴与影像坐标系的竖轴平行后，只需让骨骼坐标系的横轴与影像坐标系的横轴平行，或让骨骼坐标系的纵轴与影像坐标系的纵轴平行，即可将骨骼三维模型的骨骼坐标系摆正至与影像坐标系各轴向平行。

例如，如图12所示，以骨骼三维模型为股骨三维模型，解剖学标志点为膝关节中心点F为例，以膝关节中心点F为基点，以股骨力线EF(骨骼坐标系的竖轴)和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，直至股骨力线EF旋转至与影像坐标系的竖轴平行。以膝关节中心点F为基点，以影像坐标系的竖轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的横轴旋转至与影像坐标系的横轴平行。

例如，如图13所示，以骨骼三维模型为胫骨三维模型，解剖学标志点为胫骨平台中心J为例，以胫骨平台中心J为基点，以胫骨力线JK(骨骼坐标系的竖轴)和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，直至胫骨力线JK旋转至与影像坐标系的竖轴平行。以胫骨平台中心J为基点，以影像坐标系的竖轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的横轴旋转至与影像坐标系的横轴平行。

将骨骼三维模型摆正至与影像坐标系各轴向平行的摆正算法如下：

其中，Translation_{膝关节中心点}表示以膝关节中心点的位置坐标组成的3×3位移矩阵；

表示以影像坐标系的Z轴为旋转轴，将骨骼坐标系的X轴旋转至与影像坐标系的X轴平行的3×3旋转矩阵；

表示骨骼坐标系的Z轴和影像坐标系的Z轴的叉乘轴为旋转轴，将骨骼坐标系的Z轴旋转至与影像坐标系的Z轴平行的3×3旋转矩阵。

可选地，计算机设备的显示界面实时显示骨骼坐标系和影像坐标系之间的位置关系，以影像坐标系的竖轴为旋转轴，按照骨骼坐标系的横轴平行于影像坐标系的横轴的方向旋转骨骼坐标系，在旋转骨骼坐标系的过程中，计算机设备显示骨骼坐标系的横轴与影像坐标系的横轴之间的角度，当骨骼坐标系的横轴与影像坐标系的横轴平行时，停止旋转骨骼坐标系。

本实施例中，通过摆正的方式将骨骼三维模型的骨骼坐标系摆正至与影像坐标系各轴向平行，解决了骨骼三维模型的骨骼坐标系与影像坐标系未对准而引起的位置误差问题，使得植入物三维模型摆放的位置参数更加准确。

在一个实施例中，传统植入物三维模型在骨骼三维模型上的摆位方式主要依靠人工手动来进行调整，存在摆放位置误差大以及摆放效率较低的问题。因此，为解决上述问题，本实施例根据各型号植入物系统推荐的植入物摆位参数，实现植入物的自动摆位，提高植入物三维模型摆放的效率，以及提高自动化和智能化程度。具体的，如图14所示，在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型，包括以下步骤：

步骤1402，确定解剖学结构的骨骼三维模型的尺寸值。

其中，由于不同解剖学结构的骨骼尺寸不相同，因此，在对解剖学结构的骨骼进行建模时，需要确定解剖学结构的骨骼尺寸指，然后按照1:1的比例进行建模，得到解剖学结构的骨骼三维模型。

可选地，计算机设备通过扫描或者测量的方式获得解剖学结构的骨骼三维信息，将骨骼三维信息导入计算机设备中，计算机设备通过计算得知骨骼三维模型的尺寸值，或者通过扫描获得解剖学结构的骨骼三维模型的尺寸值。

步骤1404，根据尺寸值，确定与尺寸值适配的植入物三维模型。

其中，不同尺寸的骨骼，与其适配的植入物尺寸也不相同。

可选地，计算机设备在得知骨骼三维模型的尺寸值后，根据骨骼三维模型的尺寸值，自动适配植入物型号，将植入物型号对应的植入物三维模型导入计算机设备中。

步骤1406，根据植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度，将植入物三维模型安装在骨骼三维模型上，以使植入物三维模型安装后的旋转角度和截骨量与预先规划好的旋转角度和截骨量相同。

其中，不同型号的植入物都有对应的推荐截骨量和旋转角度，因此，在确定植入物型号后，可以根据植入物型号确定与植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度。

可选地，计算机设备计算植入物三维模型的实时旋转角度以及对骨骼三维模型造成的截骨量，根据植入物三维模型的实时旋转角度和适配的旋转角度之间的差异，确定植入物三维模型达到适配的旋转角度时所需的旋转矩阵，计算机设备根据旋转矩阵对植入物三维模型进行旋转，直至植入物三维模型的实时旋转角度达到适配的旋转角度；根据植入物三维模型的实时平移量和适配的截骨量之间的差异，确定植入物三维模型达到适配的截骨量时所需的平移矩阵，计算机设备根据平移矩阵对植入物三维模型进行平移，直至植入物三维模型的实时平移量达到适配的截骨量。

本实施例中，根据解剖学结构的骨骼三维模型的尺寸值，确定与尺寸值适配的植入物三维模型；根据植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度，确定植入物三维模型达到适配的旋转角度时所需的旋转矩阵，以及植入物三维模型达到适配的截骨量时所需的平移矩阵，根据旋转矩阵对植入物三维模型进行旋转，直至植入物三维模型的实时旋转角度达到适配的旋转角度；根据平移矩阵对植入物三维模型进行平移，直至植入物三维模型的实时平移量达到适配的截骨量。采用上述方法，可以将植入物三维模型安装在骨骼三维模型上，以使植入物三维模型安装后的旋转角度和截骨量与预先规划好的旋转角度和截骨量相同，实现植入物的自动摆位，提高植入物三维模型摆放的效率，以及提高自动化和智能化程度。

在一个实施例中，如图15所示，确定骨骼三维模型的尺寸值，包括以下步骤：

步骤1502，以骨骼三维模型的冠状面视图上的解剖学标志点为基点，遍历骨骼三维模型的冠状面视图上的体素点，确定满足预设条件的目标体素点；预设条件为使目标体素点至解剖学标志点的向量在骨骼坐标系的轴方向上的投影长度最大。

其中，体素点是骨骼三维模型的体表面上的像素点。骨骼三维模型的尺寸值包括骨骼三维模型的长度和宽度，根据骨骼三维模型的长度或宽度即可确定植入物型号，因此，本实施例中，只需确定骨骼三维模型的长度或宽度即可。本实施例中，骨骼三维模型的冠状面视图上的解剖学标志点与冠状面视图上的目标体素点之间的连线距离为骨骼三维模型的长度。

例如，如图16所示，以骨骼三维模型为股骨三维模型，解剖学标志点为微调后的后髁内侧切点B’或后髁外侧切点C’为例，则以后髁内侧切点B’或后髁外侧切点C’为基点，设定一定的搜索范围，遍历搜索骨骼三维模型的冠状面视图上的体素点D，使体素点D与B’或者C’组成的向量DB’或者DC’在骨骼坐标系的纵轴方向上的投影长度最大，即向量DB’或者DC’的模值设定为骨骼三维模型的长度值，搜寻与长度值对应的植入物尺寸，即可完成植入物尺寸自动适配。

步骤1504，将目标体素点至解剖学标志点的向量的模值，作为骨骼三维模型的尺寸值。

其中，向量DB’或者DC’在骨骼坐标系的竖轴方向上的投影长度最大，即为向量DB’或者DC’的模值，作为骨骼三维模型的骨骼长度值。

在一些实施例中，骨骼三维模型的尺寸值包括骨骼三维模型的长度和宽度，根据骨骼三维模型的长度或宽度即可确定植入物型号，因此，本实施例确定解剖学结构的骨骼三维模型的宽度值，包括以下步骤：

步骤1，以骨骼三维模型的矢状面视图上的解剖学标志点为基点，遍历骨骼三维模型的矢状面视图上的体素点，确定满足预设条件的第一目标体素点和第二目标体素点；预设条件为使第一目标体素点至解剖学标志点的第一向量，以及第二目标体素点至解剖学标志点的第二向量在骨骼坐标系的横轴方向上的投影长度最大。

其中，第一向量和第二向量在骨骼坐标系的横轴方向上的投影长度最大，表征第一目标体素点和第二目标体素点位于骨骼三维模型在骨骼坐标系的横轴上最左侧点和最右侧点，因此，第一目标体素点和第二目标体素点之间的连线距离即为骨骼三维模型的宽度值。

例如，如图17所示，以骨骼三维模型为胫骨三维模型，解剖学标志点为微调后的胫骨平台中心点J’为例，则以胫骨平台中心点J’为基点，设定一定的搜索范围，遍历搜索骨骼三维模型的矢状面视图上的体素点，确定第一目标体素点I和第二目标体素点L，使得向量IJ’和向量LJ’在骨骼坐标系的横轴上的投影最大，将向量IL的模值设定为胫骨三维模型的宽度值，搜寻与之对应的胫骨植入物尺寸，即可完成植入物尺寸自动适配。

步骤2，将第一目标体素点至第二目标体素点的向量模值，作为骨骼三维模型的尺寸值。

本实施例中，遍历骨骼三维模型的冠状面视图上的体素点，确定满足预设条件的目标体素点；预设条件为使目标体素点至解剖学标志点的向量在骨骼坐标系的竖轴方向上的投影长度最大；以骨骼三维模型的冠状面视图上的目标体素点至冠状面视图上的解剖学标志点的向量的模值，确定骨骼三维模型的骨骼长度值。

在一个实施例中，计算机设备根据旋转矩阵和平移矩阵分别对植入物三维模型进行旋转和平移操作，直至植入物三维模型的实时旋转角度达到适配的旋转角度，植入物三维模型的实时平移量达到适配的截骨量。具体的，如图18所示，根据植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度，将植入物三维模型安装在骨骼三维模型上，以使植入物三维模型安装后的旋转角度和截骨量与预先规划好的旋转角度和截骨量相同，包括：

步骤1802，针对植入物三维模型与骨骼三维模型所共存的三维空间，将植入物三维模型的植入物坐标系与骨骼三维模型的骨骼坐标系对准，获得摆正后的植入物三维模型；植入物坐标系的竖轴垂直与植入物三维模型的安装面，植入物坐标系的横轴平行于植入物三维模型的安装面，植入物坐标系的纵轴分别垂直与植入物坐标系的竖轴和横轴。

其中，以股骨三维模型为例，如图19所示，股骨三维模型上的植入物三维模型和股骨三维模型在影像坐标系下进行展示，以胫骨三维模型为例，如图20所示，胫骨三维模型上的植入物三维模型和胫骨三维模型在影像坐标系下进行展示；植入物三维模型与骨骼三维模型所共存的三维空间可以是影响坐标系所界定的三维空间。植入物三维模型的植入物坐标系与骨骼三维模型的骨骼坐标系对准的意思是：将植入物坐标系的各轴向摆正至与骨骼坐标系的各轴向方向平行。

本实施例，植入物三维模型的安装面指与骨骼三维模型接触的平面，处于植入物三维模型的底部，如图19所示，植入物坐标系的竖轴垂直于植入物三维模型的安装面，植入物坐标系的竖轴的正方向由植入物的底部指向植入物的顶部。如图19所示，植入物三维模型的安装面近似为一个矩形，以矩形的长度方向为植入物坐标系的横轴，植入物坐标系的横轴的正方向为植入物的内侧指向外侧。如图19所示，植入物坐标系的纵轴分别垂直与植入物坐标系的竖轴和横轴，植入物坐标系的纵轴的正方向为植入物的前部指向后部。

可选地，计算机设备针对植入物三维模型与骨骼三维模型所共存的三维空间，以植入物三维模型的植入物坐标系原点为基点，以植入物坐标系的竖轴与骨骼坐标系的竖轴之间的夹角为旋转角，以植入物坐标系的竖轴与骨骼坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，转动植入物三维模型，直至植入物坐标系的竖轴与骨骼坐标系的竖轴平行，获得摆正后的植入物三维模型。

步骤1804，在三维空间中旋转摆正后的植入物三维模型，直至植入物三维模型的旋转角度达到适配的旋转角度。

可选地，计算机设备在植入物三维模型摆正后，获取摆正后的植入物三维模型的实时旋转角度，根据实时旋转角度与适配的旋转角度之间的差异，确定植入物三维模型达到适配的旋转角度时所需的旋转矩阵，根据旋转矩阵对植入物三维模型进行旋转，直至植入物三维模型的实时旋转角度达到适配的旋转角度。

步骤1806，在三维空间中移动旋转后的植入物三维模型，计算植入物三维模型在移动过程中，对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

其中，平移的过程具体包括：计算机设备将旋转后的植入物三维模型的植入物坐标系的中心平移至骨骼坐标系的中心，将植入物三维模型沿着骨骼坐标系的竖轴方向上下移动，在上下移动的过程中，计算植入物三维模型对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

可选地，计算机设备获取植入物三维模型旋转至适配的旋转角度后，计算机获取植入物三维模型在影像坐标系下的实时位置坐标，根据实时位置坐标与适配的截骨量之间的差异，确定植入物三维模型达到适配的截骨量时所需的平移矩阵，根据平移矩阵对植入物三维模型进行平移，直至植入物三维模型的实时平移量达到适配的截骨量。

本实施例中，通过将植入物三维模型的植入物坐标系与骨骼坐标系进行对准，使得植入物坐标系的各轴摆正至与骨骼坐标系的各轴向平行，获得摆正后的植入物三维模型，在摆正的植入物三维模型的基础上进行旋转和平移，使植入物三维模型的旋转角度和对骨骼三维模型造成的截骨量与适配的旋转角度和截骨量相同，实现植入物的自动摆位，提高植入物三维模型摆放的效率，以及提高自动化和智能化程度。

在一个实施例中，旋转角度包括内外翻角度、内外旋角度和前后倾角度。因此，如图21所示，在三维空间中旋转摆正后的植入物三维模型，直至植入物三维模型的旋转角度达到适配的旋转角度，具体包括以下步骤：

步骤2102，以骨骼坐标系的纵轴为旋转轴，以适配的内外翻角度为旋转角度，旋转摆正后的植入物三维模型，得到内外翻角度下的植入物三维模型的摆位，以及第一姿态的植入物坐标系。

其中，根据骨骼坐标系的纵轴为旋转轴，适配的内外翻角度为旋转角度计算出植入物三维模型旋转至适配的内外翻角度时所需的旋转矩阵。

可选地，计算机设备以骼坐标系的纵轴为旋转轴，以适配的内外翻角度为旋转角度，在骨骼三维模型中旋转摆正后的植入物三维模型，得到得到内外翻角度下的植入物三维模型的摆位，以及第一姿态的植入物坐标系。

步骤2104，确定骨骼三维模型的通髁线，在第一姿态的植入物坐标系的XOY平面上的投影向量，以投影向量与第一姿态的植入物坐标系的横轴的叉乘向量为旋转轴，以适配的内外旋角度为旋转角度，旋转第一姿态的植入物三维模型，得到内外旋角度下的植入物三维模型的摆位，以及第二姿态的植入物坐标系。

其中，骨骼三维模型的通髁线即为外侧髁最高点和内侧髁间凹最低点的连线。以股骨为例，如图22所示，股骨的通髁线为后髁内侧切点B和后髁外侧切点C之间的连线。以胫骨为例，如图23所示，胫骨的通髁线为胫骨近端内侧切点G、胫骨近端外侧切点H之间的连线。

其中，根据骨骼三维模型的通髁线在第一姿态的植入物坐标系的XOY平面上的投影向量，与第一姿态的植入物坐标系的横轴的叉乘向量为旋转轴，以适配的内外旋角度为旋转角度，计算出植入物三维模型旋转至适配的内外旋角度时所需的旋转矩阵。

可选地，计算机设备根据骨骼三维模型上解剖学标志点确定骨骼三维模型的通髁线，确定通髁线的矢量方向，以及带有矢量方向的通髁线在第一姿态的植入物坐标系的XOY平面上的投影向量，以投影向量与第一姿态的植入物坐标系的横轴的叉乘向量为旋转轴，以适配的内外旋角度为旋转角度，旋转第一姿态的植入物三维模型，得到内外旋角度下的植入物三维模型的摆位，以及第二姿态的植入物坐标系。

步骤2106，以第二姿态的植入物坐标系的横轴为旋转轴，以适配的前后倾角度为旋转角度，旋转第二姿态的植入物三维模型，得到前后倾角度下的植入物三维模型的摆位，以及第三姿态的植入物坐标系。

其中，根据第二姿态的植入物坐标系的横轴为旋转轴，以适配的前后倾角度为旋转角度，计算出植入物三维模型旋转至适配的前后倾角度时所需的旋转矩阵。

可选地，计算机设备以第二姿态的植入物坐标系的横轴为旋转轴，以适配的前后倾角度为旋转角度，旋转第二姿态的植入物三维模型，得到前后倾角度下的植入物三维模型的摆位，以及第三姿态的植入物坐标系。

本实施例中，在适配的旋转角度包括内外翻角度、内外旋角度和前后倾角度时，提供一种获取植入物三维模型旋转至适配的旋转角度时，所需旋转流程以及旋转矩阵，从而实现植入物三维模型的自动旋转，提高植入物三维模型的摆放效率。

在一个实施例中，在三维空间中移动旋转后的植入物三维模型，计算植入物三维模型在移动过程中，对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量，包括以下步骤：

将植入物三维模型的安装面中心平移至骨骼三维模型的截骨面中心后，沿着骨骼坐标系的竖轴移动，根据骨骼三维模型的解剖学标志点与骨骼三维模型的截骨面中心连线在骨骼坐标系的竖轴方向上的投影距离，确定植入物三维模型在移动过程中对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

其中，骨骼三维模型的截骨面是骨骼三维模型上安装植入物三维模型的平面。以骨骼三维模型为胫骨三维模型为例，如图23所示，胫骨三维模型上的截骨面中心为胫骨三维模型上胫骨近端内侧切点G与胫骨近端外侧切点H的连线中心位置P。

本实施例中，在植入物三维模型的安装面中心沿着骨骼坐标系的竖轴移动，直至实时截骨量达到适配的截骨量的过程中，计算出植入物三维模型的实时截骨量达到适配的截骨量时所需的平移矩阵。

截骨量指植入物三维模型安装至骨骼三维模型时，骨骼三维模型所需截掉的量。以骨骼三维模型为股骨三维模型为例，股骨三维模型的截骨量包括股骨远端内外侧截骨量以及股骨后端内外侧截骨量，其中，如图24所示，股骨远端内外侧截骨量的计算为：股骨远端内侧切点M、股骨远端外侧切点N分别与植入物三维模型的远端安装面几何中心点P1连线在股骨三维模型的竖轴方向上的投影距离即为内外侧截骨量值。如图25所示，股骨后端内外侧截骨量的计算：后髁内侧切点B和后髁外侧切点C分别与植入物三维模型的后端安装面几何中心点P2连线在股骨三维模型的竖轴方向上的投影距离即为内外侧截骨量值。以骨骼三维模型为胫骨三维模型为例，胫骨三维模型的截骨量包括胫骨近端内外侧截骨量，如图26所示，胫骨近端内外侧截骨量的计算为：股骨头中心点E和膝关节中心点F，分别与植入物三维模型的远端安装面几何中心点P3连线在胫骨三维模型的竖轴方向上的投影距离即为内外侧截骨量值。

对股骨三维模型和胫骨三维模型进行截骨以及植入物三维模型的安装后，股骨三维模型和胫骨三维模型上的植入物三维模型的最终摆位效果如图27所示，

本实施例中，在三维空间中移动旋转后的植入物三维模型，将植入物三维模型的安装面中心平移至骨骼三维模型的截骨面中心后，沿着骨骼坐标系的竖轴移动，根据骨骼三维模型的解剖学标志点与骨骼三维模型的截骨面中心连线在骨骼坐标系的竖轴方向上的投影距离，确定植入物三维模型在移动过程中对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量，在此过程中，计算出植入物三维模型的实时截骨量达到适配的截骨量时所需的平移矩阵，从而实现植入物三维模型的自动平移，提高植入物三维模型的摆放效率。

在一个实施例中，提供一种膝关节置换术的植入物摆位方法的详细步骤，具体包括：

步骤1，获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型。

步骤2，在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点，以解剖学标志点为中心，以预设立方体为搜索范围，遍历骨骼三维模型的体素点，确定满足预设搜索条件的目标体素点，将目标体素点作为调整后的解剖学标志点；预设搜索条件为解剖学标志点至目标体素点的向量，在骨骼三维模型的骨骼坐标系中与向量垂直的轴方向上的投影长度最大。

步骤3，根据骨骼三维模型的冠状面视图上至少三个解剖学标志点，确定冠状面视图的法向量，将法向量作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的纵轴。

步骤4，将骨骼三维模型的矢状面视图上两个解剖学标志点之间的连线向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的竖轴。

步骤5，将竖轴和纵轴的叉乘向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的横轴。

步骤6，以任意一个解剖学标志点作为基点，以骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的竖轴与影像坐标系的竖轴平行。

步骤7，以影像坐标系的竖轴为旋转轴，旋转骨骼坐标系，直至骨骼坐标系的横轴与影像坐标系的横轴平行。

步骤8，以骨骼三维模型的冠状面视图上的解剖学标志点为基点，遍历骨骼三维模型的冠状面视图上的体素点，确定满足预设条件的目标体素点；预设条件为使目标体素点至解剖学标志点的向量在骨骼坐标系的纵轴方向上的投影长度最大。

步骤9，将目标体素点至解剖学标志点的向量的模值，作为骨骼三维模型的尺寸值。

步骤10，根据尺寸值，确定与尺寸值适配的植入物三维模型。

步骤11，针对植入物三维模型与骨骼三维模型所共存的三维空间，将植入物三维模型的植入物坐标系与骨骼三维模型的骨骼坐标系对准，获得摆正后的植入物三维模型；植入物坐标系的竖轴垂直与植入物三维模型的安装面，植入物坐标系的横轴平行于植入物三维模型的安装面，植入物坐标系的纵轴分别垂直与植入物坐标系的竖轴和横轴。

步骤12，以骨骼坐标系的纵轴为旋转轴，以适配的内外翻角度为旋转角度，旋转摆正后的植入物三维模型，得到内外翻角度下的植入物三维模型的摆位，以及第一姿态的植入物坐标系。

步骤13，确定骨骼三维模型的通髁线，在第一姿态的植入物坐标系的XOY平面上的投影向量，以投影向量与第一姿态的植入物坐标系的横轴的叉乘向量为旋转轴，以适配的内外旋角度为旋转角度，旋转第一姿态的植入物三维模型，得到内外旋角度下的植入物三维模型的摆位，以及第二姿态的植入物坐标系。

步骤14，以第二姿态的植入物坐标系的横轴为旋转轴，以适配的前后倾角度为旋转角度，旋转第二姿态的植入物三维模型，得到前后倾角度下的植入物三维模型的摆位，以及第三姿态的植入物坐标系。

步骤15，将植入物三维模型的安装面中心平移至骨骼三维模型的截骨面中心后，沿着骨骼坐标系的竖轴移动，根据骨骼三维模型的解剖学标志点与骨骼三维模型的截骨面中心连线在骨骼坐标系的竖轴方向上的投影距离，确定植入物三维模型在移动过程中对骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

本实施例中，建立骨骼坐标系，并将骨骼坐标系的各轴摆正至与影像坐标系的各轴向平行，解决了骨骼三维模型不一定正对影像坐标系而引起的位置误差问题，使得植入物三维模型摆放的位置参数更加准确；通过微调骨骼三维模型的解剖学标志点位置，自动将解剖学标志点调整为几何局部的极值点，以得到准确的植入物摆位规划值；植入物三维模型的摆位采用自动计算控制，应用于关机置换手术机器人，可提高提高自动化和智能化程度。

基于同样的发明构思，本申请实施例还提供了一种用于实现上述所涉及的膝关节置换术的植入物摆位方法方法的膝关节置换术的植入物摆位系统。该系统所提供的解决问题的实现方案与上述方法中所记载的实现方案相似，故下面所提供的一个或多个膝关节置换术的植入物摆位系统实施例中的具体限定可以参见上文中对于植入物摆放方法方法的限定，在此不再赘述。

在一个实施例中，提供了一种膝关节置换术的植入物摆位系统，膝关节置换术的植入物摆位系统包括机器人装置、外科操作工具和处理电路；

外科操作工具安装在机器人装置上；机器人装置用于引导外科操作工具将植入物摆放至解剖学结构上。

处理电路被配置为：获取解剖学结构的骨骼三维模型；骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；

在骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；对解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点；

根据调整后的解剖学标志点，建立骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在骨骼坐标系或影像坐标系下的骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

在其中一个实施例中，处理电路还被配置为：基于植入物的摆放位置生成控制对象，并且控制机器人装置以使外科操作工具局限于控制对象内。

在一个实例中，处理电路还被配置为：基于植入物的摆放位置生成控制对象，并且控制机器人装置以使外科操作工具局限于控制对象内。

其中，控制对象指用于限定植入物在骨骼三维模型上摆放位姿的参数。例如，控制对象可以是截骨量和旋转角度等参数。

在一个实施例中，处理电路还被配置为实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器中存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

在一个实施例中，提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述各方法实施例中的步骤。

需要说明的是，本申请所涉及的用户信息(包括但不限于用户设备信息、用户个人信息等)和数据(包括但不限于用于分析的数据、存储的数据、展示的数据等)，均为经用户授权或者经过各方充分授权的信息和数据，且相关数据的收集、使用和处理需要遵守相关国家和地区的相关法律法规和标准。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和易失性存储器中的至少一种。非易失性存储器可包括只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、磁带、软盘、闪存、光存储器、高密度嵌入式非易失性存储器、阻变存储器(ReRAM)、磁变存储器(Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM)、铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FRAM)、相变存储器(Phase Change Memory，PCM)、石墨烯存储器等。易失性存储器可包括随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)或外部高速缓冲存储器等。作为说明而非局限，RAM可以是多种形式，比如静态随机存取存储器(Static Random Access Memory，SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic RandomAccess Memory，DRAM)等。本申请所提供的各实施例中所涉及的数据库可包括关系型数据库和非关系型数据库中至少一种。非关系型数据库可包括基于区块链的分布式数据库等，不限于此。本申请所提供的各实施例中所涉及的处理器可为通用处理器、中央处理器、图形处理器、数字信号处理器、可编程逻辑器、基于量子计算的数据处理逻辑器等，不限于此。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种膝关节置换术的植入物摆位方法，其特征在于，所述方法包括：

获取解剖学结构的骨骼三维模型；所述骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型；

在所述骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点，对所述解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点；

根据调整后的所述解剖学标志点，建立所述骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在所述骨骼坐标系或影像坐标系下的所述骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点，包括：

以所述解剖学标志点为中心，以预设立方体为搜索范围，遍历所述骨骼三维模型的体素点，确定满足预设搜索条件的目标体素点，将所述目标体素点作为调整后的解剖学标志点；

所述预设搜索条件为解剖学标志点至目标体素点的向量，在骨骼三维模型的骨骼坐标系中与向量垂直的轴方向上的投影长度最大。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述解剖学标志点包括用于标记所述骨骼三维模型的冠状面视角下的至少三个解剖学标志点，以及标记所述骨骼三维模型的矢状面视图上凸起的至少两个解剖学标志点；所述根据调整后的所述解剖学标志点，建立所述骨骼三维模型的骨骼坐标系，包括：

根据所述骨骼三维模型的冠状面视图上至少三个解剖学标志点，确定所述冠状面视图的法向量，将所述法向量作为所述骨骼三维模型的骨骼坐标系的纵轴；

将所述骨骼三维模型的矢状面视图上两个解剖学标志点之间的连线向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的竖轴；

将所述竖轴和所述纵轴的叉乘向量，作为骨骼三维模型的骨骼坐标系的横轴。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据调整后的所述解剖学标志点，建立所述骨骼三维模型的骨骼坐标系还包括：

以任意一个所述解剖学标志点作为基点，以所述骨骼坐标系的竖轴和影像坐标系的竖轴的叉乘轴为旋转轴，旋转所述骨骼坐标系，直至所述骨骼坐标系的竖轴与所述影像坐标系的竖轴平行；

以所述影像坐标系的竖轴为旋转轴，旋转所述骨骼坐标系，直至所述骨骼坐标系的横轴与所述影像坐标系的横轴平行。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述骨骼坐标系或影像坐标系下的所述骨骼三维模型上摆放植入物三维模型，包括：

确定所述骨骼三维模型的尺寸值；

根据所述尺寸值，确定与所述尺寸值适配的植入物三维模型；

根据所述植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度，将所述植入物三维模型匹配到所述骨骼三维模型上，以使所述植入物三维模型安装后的旋转角度和截骨量与适配的旋转角度和截骨量相同。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述确定所述骨骼三维模型的尺寸值，包括：

以所述骨骼三维模型的冠状面视图上的解剖学标志点为基点，遍历所述骨骼三维模型的冠状面视图上的体素点，确定满足预设条件的目标体素点；所述预设条件为使目标体素点至解剖学标志点的向量在所述骨骼坐标系的轴方向上的投影长度最大；

将所述目标体素点至所述解剖学标志点的向量的模值，作为所述骨骼三维模型的尺寸值。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述植入物三维模型适配的截骨量和旋转角度，将所述植入物三维模型安装在所述骨骼三维模型上，以使所述植入物三维模型安装后的旋转角度和截骨量与适配的旋转角度和截骨量相同，包括：

针对所述植入物三维模型与所述骨骼三维模型所共存的三维空间，将所述植入物三维模型的植入物坐标系与所述骨骼三维模型的骨骼坐标系对准，获得摆正后的植入物三维模型；所述植入物坐标系的竖轴垂直与所述植入物三维模型的安装面，所述植入物坐标系的横轴平行于所述植入物三维模型的安装面，所述植入物坐标系的纵轴分别垂直与所述植入物坐标系的竖轴和横轴；

在所述三维空间中旋转摆正后的所述植入物三维模型，直至所述植入物三维模型的旋转角度达到适配的旋转角度；

在所述三维空间中移动旋转后的所述植入物三维模型，计算所述植入物三维模型在移动过程中，对所述骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述旋转角度包括内外翻角度、内外旋角度和前后倾角度，所述在所述三维空间中旋转摆正后的所述植入物三维模型，直至所述植入物三维模型的旋转角度达到适配的旋转角度，包括：

以所述骨骼坐标系的纵轴为旋转轴，以预先规划好的内外翻角度为旋转角度，旋转摆正后的所述植入物三维模型，得到所述内外翻角度下的植入物三维模型的摆位，以及第一姿态的植入物坐标系；

确定所述骨骼三维模型的通髁线，在第一姿态的所述植入物坐标系的XOY平面上的投影向量，以所述投影向量与第一姿态的所述植入物坐标系的横轴的叉乘向量为旋转轴，以预先规划好的内外旋角度为旋转角度，旋转第一姿态的所述植入物三维模型，得到所述内外旋角度下的植入物三维模型的摆位，以及第二姿态的植入物坐标系；

以第二姿态的所述植入物坐标系的横轴为旋转轴，以预先规划好的前后倾角度为旋转角度，旋转第二姿态的所述植入物三维模型，得到所述前后倾角度下的植入物三维模型的摆位，以及第三姿态的植入物坐标系。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述在所述三维空间中移动旋转后的所述植入物三维模型，计算所述植入物三维模型在移动过程中，对所述骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量，包括：

将所述植入物三维模型的安装面中心平移至所述骨骼三维模型的截骨面中心后，沿着所述骨骼坐标系的竖轴移动，根据所述骨骼三维模型的解剖学标志点与所述骨骼三维模型的截骨面中心连线在所述骨骼坐标系的竖轴方向上的投影距离，确定所述植入物三维模型在移动过程中对所述骨骼三维模型造成的实时截骨量，直至实时截骨量达到适配的截骨量。

10.一种膝关节置换术的植入物摆位系统，其特征在于，所述系统包括机器人装置、外科操作工具和处理电路；

所述外科操作工具安装在所述机器人装置上；所述机器人装置用于引导所述外科操作工具将植入物摆放至解剖学结构上；

所述处理电路被配置为：

获取解剖学结构的骨骼三维模型，所述骨骼三维模型为股骨三维模型和/或胫骨三维模型在所述骨骼三维模型上标记多个解剖学标志点；对所述解剖学标志点进行位置调整，获得调整后的解剖学标志点；

根据调整后的所述解剖学标志点，建立所述骨骼三维模型的骨骼坐标系；

在所述骨骼坐标系或影像坐标系下的所述骨骼三维模型上摆放植入物三维模型。

11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述处理电路还被配置为：

基于所述植入物的摆放位置生成控制对象，并且控制所述机器人装置以使所述外科操作工具局限于所述控制对象内。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。

13.一种计算机程序产品，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至9中任一项所述的方法的步骤。

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