CN117017485A - 一种膝关节置换手术规划方法、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种膝关节置换手术规划方法、电子设备及存储介质，该方法通过采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，生成接触点轨迹，输出对应的手术规划结果，辅助医生对膝关节置换手术时不同部位的截骨量进行可视化的预测判断，避免了术后膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效问题的发生，减少了术后返修率，延长了关节假体使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及人工智能技术领域，具体涉及一种膝关节置换手术规划方法、电子设备及存储介质。
背景技术
膝关节置换术是一种用人造部件来替换患者部分膝关节的手术。当膝关节出现问题时，膝部可出现疼痛、肿胀、僵硬或难以正常活动。膝关节可能多种不同的疾病引发，最常见的病因之一是骨关节炎。膝关节置换术能有效减轻膝部疼痛和改善膝关节工作方式，目前已经成为了常用的骨科手术。
人的膝关节表面由软骨覆盖，随着年龄的增加，软骨逐渐磨损，同时膝关节周围的骨骼、韧带也发生退变，最后造成膝关节疼痛、畸形、活动障碍。很多人都存在一种误区，觉得膝关节置换术是将整个膝盖都换掉，但并非如此，膝关节置换术主要是把膝关节表面的已经磨损成坑坑洼洼的软骨替换成金属的假体和高分子聚乙烯的耐磨垫片。
人工膝关节置换的类型包括全膝关节置换术(TKA)和单髁关节置换术(UKA)。
全膝关节置换术(TKA)是指用人工材料置换因膝关节骨关节炎或类风湿关节炎而变形的膝关节的手术(如附图1所示)，是治疗各种原因导致终末期膝关节骨性关节炎的有效手术方式。
单髁膝关节置换术(UKA)是仅对病变部位进行表面置换，目前主要是针对内侧髁置换(如附图2所示)。单髁膝关节置换术适用范围狭窄，主要用于早期骨性关节炎(OA)的患者，并且是单间室内局限性的软骨损伤，同时不伴有髌股关节的受累。但是，与全膝关节置换相比，单髁关节置换的优点在于：①手术只切除病变的关节面，因此切除的骨质较全膝关节置换少的多；②植入人体的异物少(包括金属、聚乙烯、骨水泥)；③手术时间短、手术创伤和并发症少，术后恢复快。
人工全膝关节置换术(TKA)和膝关节单髁置换术(UKA)是治疗膝关节骨性关节炎终末期的有效手术方式。术后关节运动的自如与稳定是手术成功的一个重要衡量指标，通过股骨和胫骨的接触点轨迹可以判断关节运动的稳定性和自由度。人工手术精准性不足，严重依赖医生的个人能力，数字化、可视化的轨迹预测数据可以弥补医生经验的不足，也可以扩展专家的能力边界。但现有技术人工手术无法采集接触点数据，缺少此种轨迹形式应用于膝关节置换手术中。由于缺少股骨和胫骨的接触点轨迹预测数据，目前仍有约20％的TKA手术患者术后满意度差，膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效，甚至会增加关节翻修比例进而影响关节假体使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种膝关节置换手术规划方法、电子设备及存储介质，以解决相关技术中膝关节置换手术后，存在膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效的技术问题。
为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
根据本发明的第一方面，提供了一种膝关节置换手术规划方法，包括：
步骤S1、将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，以建立图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系；
步骤S2、采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点；
步骤S3、根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系中，生成接触点轨迹；
步骤S4、将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，所述自定义坐标系为医生手术视角下的图像坐标系；
步骤S5、根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果。
优选地，所述方法，还包括：
步骤S6、根据步骤S5输出的手术规划结果，在软件上模拟安装假体和垫片，并获取模拟安装假体和垫片后的接触点轨迹；
步骤S7、调整假体和垫片的位置，直至接触点轨迹符合预设手术规划目标；
步骤S8、根据符合预设手术规划目标的接触点轨迹所对应的假体和垫片的位置，对患者进行截骨和试模；
步骤S9、每次试模时，返回步骤S2，重新采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点轨迹，直至所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况符合预设手术规划目标；
步骤S10、根据试模结果，在患者相应部位安装假体和垫片。
优选地，所述步骤S2中采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，包括：
计算股骨上相对胫骨力线方向，两侧股骨上离胫骨横断面最近的点；
将所述最近的点确定为内外髁最低点，将所述最低点确定为股骨和胫骨的接触点。
优选地，所述步骤S3中根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系之后，还包括：
计算股骨图像坐标在胫骨坐标系中的位姿矩阵；
所述生成接触点轨迹，具体为：
根据所述位姿矩阵，将每个屈曲角度下的接触点分别投影到胫骨坐标系的XY平面，得到不同屈曲角度下的接触点轨迹，每个屈曲角度下的接触点轨迹为该屈曲角度下的接触点投影到所述XY平面上的连线；
其中，所述胫骨坐标系的Z轴与胫骨力线重合，Y轴与Akagi线重合，原点位于胫骨力线近端；所述Akagi线为后交叉韧带止点中心与胫骨结节内缘的连线；所述胫骨力线是连接近端胫骨中心与脚踝部位的内外踝中点的连线。
优选地，所述计算股骨图像坐标在胫骨坐标系中的位姿矩阵，包括：
实时获取股骨跟踪器在相机坐标系的位姿矩阵其中T表示变换矩阵，由光学相机输出其数值；C表示光学相机，用于获取股骨跟踪器和胫骨跟踪器的空间位置和方向信息；F表示股骨跟踪器，用于获取股骨的空间位置和方向；所述股骨跟踪器通过骨针固定在患者的股骨上，且位置保持不变；
实时计算股骨图像坐标在相机坐标系中的位姿矩阵I表示股骨图像；
实时获取胫骨跟踪器在相机坐标系的位姿矩阵T表示胫骨跟踪器，用于获取胫骨的空间位置和方向；所述胫骨跟踪器通过骨针固定在患者的胫骨上，且位置保持不变；
实时计算胫骨图像坐标在相机坐标系中的位姿矩阵I2表示胫骨图像；
计算股骨图像坐标在胫骨坐标系的位姿矩阵
优选地，所述步骤S4中将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，具体为：
通过探针分别采集患者胫骨上的第一位置点坐标和患者胫骨上的第二位置点坐标；
根据步骤S1中建立的图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将所述第一位置点坐标和第二位置点坐标映射到胫骨图像上，以这两点的连线为X轴，这两点连线的中点为原点，建立自定义的二维坐标系。
优选地，步骤S5中根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果，包括：
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点在预设安全区内，按当前手术规划对胫骨外侧进行截骨；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点前侧超过预设安全区，且，后侧超过预设安全区，输出减少胫骨外侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点仅前侧超过预设安全区，输出减少胫骨前外侧截骨量，增加胫骨后外侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点仅后侧超过预设安全区，输出增加胫骨前外侧截骨量，减少胫骨后外侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点在预设安全区内集中，输出增加胫骨外侧截骨量的手术规划结果。
优选地，所述方法，还包括：
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点在预设安全区内，按当前手术规划对胫骨内侧进行截骨；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点前侧和后侧皆超过预设安全区，输出减少内侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点仅前侧超过预设安全区，输出减少前内侧截骨量，增加后内侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点仅后侧超过预设安全区，输出增加前内侧截骨量，减少后内侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点在预设安全区内集中，输出增加内侧截骨量的手术规划结果。
优选地，步骤S1中将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，包括：
粗配准计算：根据手术规划粗配点的位置，采集患者粗配点，根据手术规划骨性标志点，通过探针采集对应骨性标志点在相机坐标系中的位置；
通过刚性配准算法，计算患者粗配点和手术规划粗配点之间的位置误差最小矩阵，将所述误差最小矩阵作为原始配准矩阵；
精配准计算：在患者的手术区域的骨面上通过探针选择多个分散的点，通过迭代最近点算法，计算得到精配准矩阵；
对原始点云数据pi做变换，得到新点云p'i目标点：p'i＝Rpi+t，其中，pi表示采集的配准点，R表示配准矩阵的旋转矩阵，t表示配准矩阵的平移矩阵；旋转矩阵R与平移矩阵t为精配准矩阵；
将精配准矩阵转换为4*4齐次变换矩阵，得到股骨配准矩阵其中T表示变换矩阵，F表示股骨跟踪器，I表示股骨图像，/>表示股骨图像坐标在患者坐标系中的位姿；及胫骨配准矩阵/>其中大T表示变换矩阵，小T表示胫骨跟踪器，I2表示胫骨图像，/>表示胫骨图像坐标在患者坐标系中的位姿。
根据本发明的第二方面，提供了一种膝关节置换手术规划装置，包括：
配准模块，用于将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，以建立图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系；
采集模块，用于采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点；
映射模块，用于根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系中，生成接触点轨迹；
还用于将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，所述自定义坐标系为医生手术视角下的图像坐标系；
规划模块，用于根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果。
根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：
处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述的方法。
根据本发明的第四方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使计算机执行上述的方法。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
通过采集已经置入假体的股骨和已经置入垫片的胫骨之间的接触点轨迹，输出对应的手术规划结果，帮助医生修正假体和垫片的位置，避免了术后膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效问题的发生，减少了术后返修率，延长了关节假体使用寿命。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1是根据背景技术示出的全膝关节置换术(TKA)的流程图；
图2是根据背景技术示出的单髁膝关节置换术(UKA)的流程图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术规划方法的流程图；
图4是根据一示例性实施例示出的采集所述股骨与胫骨间的接触点轨迹的效果示意图；
图5A是根据一示例性实施例示出的胫骨坐标系的示意图；
图5B是根据一示例性实施例示出的股骨坐标系的示意图；
图6A～图6E是根据一示例性实施例示出的所述接触点轨迹上的外侧轨迹点与预设安全区的位置关系示意图；
图7A～图7E是根据一示例性实施例示出的所述接触点轨迹上的内侧轨迹点与预设安全区的位置关系示意图；
图8是根据另一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术规划方法的流程图；
图9是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术规划装置的示意框图；
图10是一示例性实施例示出的一种电子设备的示意框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如前面背景技术所述，相关技术中膝关节置换手术后，存在膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效的技术问题。
为了有效解决相关技术中的问题，本发明提供了一种膝关节置换手术规划方法、电子设备及存储介质，下面进行具体阐述。
实施例一
图3是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术规划方法的流程图，参见图3，该方法包括：
步骤S1、将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，以建立图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系；
步骤S2、采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点；
步骤S3、根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系中，生成接触点轨迹；
步骤S4、将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，所述自定义坐标系为医生手术视角下的图像坐标系；
步骤S5、根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果。
需要说明的是，本实施例提供的技术方案，在具体实践中，运行在医疗器械的控制器中运行，或者，加载在与所述控制器相连的电子设备中运行，医疗器械的控制器通过调用该电子设备中存储的程序执行相应的方法。
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，生成接触点轨迹，输出对应的手术规划结果，辅助医生对膝关节置换手术时不同部位的截骨量进行可视化的预测判断，避免了术后膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效问题的发生，减少了术后返修率，延长了关节假体使用寿命。
进一步地，所述方法，还包括：
步骤S6、根据步骤S5输出的手术规划结果，在软件上模拟安装假体和垫片，并获取模拟安装假体和垫片后的接触点轨迹；
步骤S7、调整假体和垫片的位置，直至接触点轨迹符合预设手术规划目标；
步骤S8、根据符合预设手术规划目标的接触点轨迹所对应的假体和垫片的位置，对患者进行截骨和试模；
步骤S9、每次试模时，返回步骤S2，重新采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点轨迹，直至所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况符合预设手术规划目标；
步骤S10、根据试模结果，在患者相应部位安装假体和垫片。
可以理解的是，每次截骨结束后，重新采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点轨迹，可以帮助医生判断每次截骨位置和截骨量是否合适，若不合适，再调整。可见，本实施例提供的技术方案，能实现闭环预测，一直提醒医生直至试模的假体和垫片安装位置不会影响术后膝关节屈伸，提升手术的可靠性。
进一步地，所述步骤S2中采集患者在不同屈曲角度下(所述屈曲角度包括但不限于：内翻、外翻和过伸)，股骨与胫骨的接触点，包括：
计算股骨上相对胫骨力线方向，两侧股骨上离胫骨横断面最近的点；
将所述最近的点确定为内外髁最低点，将所述最低点确定为股骨和胫骨的接触点。
所述步骤S3中根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系之后，还包括：
计算股骨图像坐标在胫骨坐标系中的位姿矩阵；
所述生成接触点轨迹，具体为：
根据所述位姿矩阵，将每个屈曲角度下的接触点分别投影到胫骨坐标系的XY平面，得到不同屈曲角度下的接触点轨迹，每个屈曲角度下的接触点轨迹为该屈曲角度下的接触点投影到所述XY平面上的连线；
其中，所述胫骨坐标系(如图5A所示)的Z轴与胫骨力线重合，Y轴与Akagi线重合，原点位于胫骨力线近端；所述Akagi线为后交叉韧带止点中心与胫骨结节内缘的连线；所述胫骨力线是连接近端胫骨中心与脚踝部位的内外踝中点的连线。
本实施例中提及的股骨图像坐标为在股骨坐标系下的图像坐标。股骨坐标系(参见图5B所示)：X轴与通髁线重合；Z轴为股骨力线；Y轴垂直于通髁线和力线，指向人体前方；原点位于通髁线中点。
可以理解的是，将股骨与胫骨间的接触点投影到胫骨坐标系的XY平面，在同一坐标系下能更好地查明当前假体和垫片位置下，产生的接触点轨迹会影响术后膝关节屈伸。
具体地，所述计算股骨图像坐标在胫骨坐标系中的位姿矩阵，包括：
实时获取股骨跟踪器在相机坐标系的位姿矩阵其中T表示变换矩阵，由光学相机输出其数值；C表示光学相机，用于获取股骨跟踪器和胫骨跟踪器的空间位置和方向信息；F表示股骨跟踪器，用于获取股骨的空间位置和方向；所述股骨跟踪器通过骨针固定在患者的股骨上，且位置保持不变；
实时计算股骨图像坐标在相机坐标系中的位姿矩阵I表示股骨图像；
实时获取胫骨跟踪器在相机坐标系的位姿矩阵T表示胫骨跟踪器，用于获取胫骨的空间位置和方向；所述胫骨跟踪器通过骨针固定在患者的胫骨上，且位置保持不变；
实时计算胫骨图像坐标在相机坐标系中的位姿矩阵I2表示胫骨图像；
计算股骨图像坐标在胫骨坐标系的位姿矩阵
优选地，所述步骤S4中将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，具体为：
通过探针分别采集患者胫骨上的第一位置点坐标和患者胫骨上的第二位置点坐标；
根据步骤S1中建立的图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将所述第一位置点坐标和第二位置点坐标映射到胫骨图像上，以这两点的连线为X轴，这两点连线的中点为原点，建立自定义的二维坐标系。
需要说明的是，自定义坐标系是一个辅助功能，系统默认使用的坐标系是上述定义的胫骨坐标系。但胫骨坐标系下，输出的接触点轨迹，可能会不符合医生手术视角。医生手术视角下，如果接触点轨迹分布不是跟Akagi线对称，可以通过探针，在胫骨上选取两个点，重新定义X轴方向，这两个点就是用来定义X轴的，这时的坐标系Y轴就不再是Akagi线方向。
在具体实践中，通过光学相机，可以采集探针的空间位置，探针采集的是内侧点还是外侧点由医生决定。两点确定一条直线，医生选择的这两个点映射到图像坐标系中，这条直线的方向就作为新的X轴方向。
需要说明的是，前面建立的图像坐标系(胫骨坐标系)，是软件为了建模自定义的，但是医生为了手术方便，可能会认为软件建模自定义的图像坐标系不便于观察手术情况，医生就会重新在患者身上采集两点，作为X轴，选取原点，重新建立认为合适的坐标系，便于自己观察手术情况。
医生手术视角下选择的两点一般为：内侧平台中心点和外侧平台中心点，以这两个点定义X轴，在自定义坐标系下的接触点轨迹更便于医生查看，辅助手术截骨。
本实施例中提及的内侧是指相对于人体中轴来说(人体中轴为人体面部对称轴的延长线)，距离人体中轴相对较近的一侧，内侧平台是指内侧胫骨平面；本实施例中提及的外侧是指相对于人体中轴来说，距离人体中轴相对较远的一侧，外侧平台是指外侧胫骨平面。
进一步地，步骤S5中根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果，包括：
如图6A所示，若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点在预设安全区内，按当前手术规划对胫骨外侧进行截骨；
如图6B所示，若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点前侧超过预设安全区，且，后侧超过预设安全区，输出减少胫骨外侧截骨量的手术规划结果；
如图6C所示，若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点仅前侧超过预设安全区，输出减少胫骨前外侧截骨量，增加胫骨后外侧截骨量的手术规划结果；
如图6D所示，若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点仅后侧超过预设安全区，输出增加胫骨前外侧截骨量，减少胫骨后外侧截骨量的手术规划结果；
如图6E所示，若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点在预设安全区内集中，输出增加胫骨外侧截骨量的手术规划结果。
如图7A所示，若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点在预设安全区内，按当前手术规划对胫骨内侧进行截骨；
如图7B所示，若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点前侧和后侧皆超过预设安全区，输出减少内侧截骨量的手术规划结果；
如图7C所示，若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点仅前侧超过预设安全区，输出减少前内侧截骨量，增加后内侧截骨量的手术规划结果；
如图7D所示，若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点仅后侧超过预设安全区，输出增加前内侧截骨量，减少后内侧截骨量的手术规划结果；
如图7E所示，若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点在预设安全区内集中，输出增加内侧截骨量的手术规划结果。
需要说明的是，所述预设安全区可以根据医生的临床需要进行调整。默认区域为：内侧安全区，不超过内侧平台中心与内侧边缘距离的1/2的圆形区域；外侧安全区，不超过外侧平台中心与外侧边缘距离的2/3圆形区域。
在具体实践中，步骤S1中将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，包括：
粗配准计算：根据手术规划粗配点的位置，采集患者粗配点，根据手术规划骨性标志点，通过探针采集对应骨性标志点在相机坐标系中的位置；
通过刚性配准算法，计算患者粗配点和手术规划粗配点之间的位置误差最小矩阵，将所述误差最小矩阵作为原始配准矩阵。
精配准计算：在患者的手术区域的骨面上通过探针选择多个分散的点，通过迭代最近点算法，计算得到精配准矩阵；
对原始点云数据pi做变换，得到新点云p'i目标点：p'i＝Rpi+t，其中，pi表示采集配准点，R表示配准矩阵的旋转矩阵，t表示配准矩阵的平移矩阵；旋转矩阵R与平移矩阵t为精配准矩阵；
将精配准矩阵转换为4*4齐次变换矩阵，得到股骨配准矩阵其中T表示变换矩阵，F表示股骨跟踪器，I表示股骨图像，/>表示股骨图像坐标在患者坐标系中的位姿；及胫骨配准矩阵/>其中大T表示变换矩阵，小T表示胫骨跟踪器，I2表示胫骨图像，/>表示胫骨图像坐标在患者坐标系中的位姿。
实施例二
图8是根据另一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术规划方法的流程图，参见图8，该方法包括：
步骤S21、将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，以建立图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系；
步骤S22、采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点；
步骤S23、根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系中，生成接触点轨迹；
步骤S24、将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，所述自定义坐标系为医生手术视角下的图像坐标系；
步骤S25、根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出手术规划结果；
步骤S26、根据步骤S25输出的手术规划结果，在软件上模拟安装假体和垫片，并获取模拟安装假体和垫片后的接触点轨迹；
步骤S27、调整假体和垫片的位置，直至接触点轨迹符合预设手术规划目标；
步骤S28、根据符合预设手术规划目标的接触点轨迹所对应的假体和垫片的位置，对患者进行截骨和试模；
步骤S29、每次试模时，返回步骤S22，重新采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点轨迹，直至所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况符合预设手术规划目标；
步骤S30、根据试模结果，在患者相应部位安装假体和垫片。
需要说明的是，本实施例提供的技术方案，在具体实践中，运行在医疗器械的控制器中运行，或者，加载在与所述控制器相连的电子设备中运行，医疗器械的控制器通过调用该电子设备中存储的程序执行相应的方法。
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，生成接触点轨迹，输出对应的手术规划结果，辅助医生对膝关节置换手术时不同部位的截骨量进行可视化的预测判断，避免了术后膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效问题的发生，减少了术后返修率，延长了关节假体使用寿命。
实施例三
图9是根据一示例性实施例示出的一种膝关节置换手术规划装置100的示意框图，参见图9，该装置包括：
配准模块101，用于将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，以建立图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系；
采集模块102，用于采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点；
映射模块103，用于根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系中，生成接触点轨迹；
还用于将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，所述自定义坐标系为医生手术视角下的图像坐标系；
规划模块104，用于根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果。
需要说明的是，本实施例提供的技术方案，在具体实践中，运行在医疗器械的控制器中运行，或者，加载在与所述控制器相连的电子设备中运行，医疗器械的控制器通过调用该电子设备中存储的程序执行相应的方法。
以上各模块的实现方式及有益效果参见上述实施例相关步骤的介绍，本实施例不再赘述。
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，生成接触点轨迹，输出对应的手术规划结果，辅助医生对膝关节置换手术时不同部位的截骨量进行可视化的预测判断，避免了术后膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效问题的发生，减少了术后返修率，延长了关节假体使用寿命。
实施例四
参见图10，根据一示例性实施例示出的一种电子设备，包括：
处理器701、通信接口702、存储器703和通信总线704，其中，处理器701、通信接口702、存储器703通过通信总线704完成相互间的通信；
存储器703，用于存放计算机程序；
处理器701，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述的方法。
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，生成接触点轨迹，输出对应的手术规划结果，辅助医生对膝关节置换手术时不同部位的截骨量进行可视化的预测判断，避免了术后膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效问题的发生，减少了术后返修率，延长了关节假体使用寿命。
实施例五
根据一示例性实施例示出的一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使计算机执行上述的方法。
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，生成接触点轨迹，输出对应的手术规划结果，辅助医生对膝关节置换手术时不同部位的截骨量进行可视化的预测判断，避免了术后膝关节屈伸过程中假体与垫片接触轨迹影响术后疗效问题的发生，减少了术后返修率，延长了关节假体使用寿命。
当然，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硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (12)
1.一种膝关节置换手术规划方法，其特征在于，包括：
步骤S1、将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，以建立图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系；
步骤S2、采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点；
步骤S3、根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系中，生成接触点轨迹；
步骤S4、将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，所述自定义坐标系为医生手术视角下的图像坐标系；
步骤S5、根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
步骤S6、根据步骤S5输出的手术规划结果，在软件上模拟安装假体和垫片，并获取模拟安装假体和垫片后的接触点轨迹；
步骤S7、调整假体和垫片的位置，直至接触点轨迹符合预设手术规划目标；
步骤S8、根据符合预设手术规划目标的接触点轨迹所对应的假体和垫片的位置，对患者进行截骨和试模；
步骤S9、每次试模时，返回步骤S2，重新采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点轨迹，直至所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况符合预设手术规划目标；
步骤S10、根据试模结果，在患者相应部位安装假体和垫片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点，包括：
计算股骨上相对胫骨力线方向，两侧股骨上离胫骨横断面最近的点；
将所述最近的点确定为内外髁最低点，将所述最低点确定为股骨和胫骨的接触点。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系之后，还包括：
计算股骨图像坐标在胫骨坐标系中的位姿矩阵；
所述生成接触点轨迹，具体为：
根据所述位姿矩阵，将每个屈曲角度下的接触点分别投影到胫骨坐标系的XY平面，得到不同屈曲角度下的接触点轨迹，每个屈曲角度下的接触点轨迹为该屈曲角度下的接触点投影到所述XY平面上的连线；
其中，所述胫骨坐标系的Z轴与胫骨力线重合，Y轴与Akagi线重合，原点位于胫骨力线近端；所述Akagi线为后交叉韧带止点中心与胫骨结节内缘的连线；所述胫骨力线是连接近端胫骨中心与脚踝部位的内外踝中点的连线。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算股骨图像坐标在胫骨坐标系中的位姿矩阵，包括：
实时获取股骨跟踪器在相机坐标系的位姿矩阵其中T表示变换矩阵，由光学相机输出其数值；C表示光学相机，用于获取股骨跟踪器和胫骨跟踪器的空间位置和方向信息；F表示股骨跟踪器，用于获取股骨的空间位置和方向；所述股骨跟踪器通过骨针固定在患者的股骨上，且位置保持不变；
实时计算股骨图像坐标在相机坐标系中的位姿矩阵 I表示股骨图像；
实时获取胫骨跟踪器在相机坐标系的位姿矩阵T表示胫骨跟踪器，用于获取胫骨的空间位置和方向；所述胫骨跟踪器通过骨针固定在患者的胫骨上，且位置保持不变；
实时计算胫骨图像坐标在相机坐标系中的位姿矩阵 I2表示胫骨图像；
计算股骨图像坐标在胫骨坐标系的位姿矩阵
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S4中将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，具体为：
通过探针分别采集患者胫骨上的第一位置点坐标和患者胫骨上的第二位置点坐标；
根据步骤S1中建立的图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将所述第一位置点坐标和第二位置点坐标映射到胫骨图像上，以这两点的连线为X轴，这两点连线的中点为原点，建立自定义的二维坐标系。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果，包括：
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点在预设安全区内，按当前手术规划对胫骨外侧进行截骨；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点前侧超过预设安全区，且，后侧超过预设安全区，输出减少胫骨外侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点仅前侧超过预设安全区，输出减少胫骨前外侧截骨量，增加胫骨后外侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点仅后侧超过预设安全区，输出增加胫骨前外侧截骨量，减少胫骨后外侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的外侧轨迹点在预设安全区内集中，输出增加胫骨外侧截骨量的手术规划结果。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点在预设安全区内，按当前手术规划对胫骨内侧进行截骨；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点前侧和后侧皆超过预设安全区，输出减少内侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点仅前侧超过预设安全区，输出减少前内侧截骨量，增加后内侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点仅后侧超过预设安全区，输出增加前内侧截骨量，减少后内侧截骨量的手术规划结果；
若所述接触点轨迹上的内侧轨迹点在预设安全区内集中，输出增加内侧截骨量的手术规划结果。
9.根据权利要求1～8任一项所述的方法，其特征在于，步骤S1中将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，包括：
粗配准计算：根据手术规划粗配点的位置，采集患者粗配点，根据手术规划骨性标志点，通过探针采集对应骨性标志点在相机坐标系中的位置；
通过刚性配准算法，计算患者粗配点和手术规划粗配点之间的位置误差最小矩阵，将所述误差最小矩阵作为原始配准矩阵；
精配准计算：在患者的手术区域的骨面上通过探针选择多个分散的点，通过迭代最近点算法，计算得到精配准矩阵；
对原始点云数据pi做变换，得到新点云p'i目标点：p'i＝Rpi+t，其中，pi表示采集的配准点，R表示配准矩阵的旋转矩阵，t表示配准矩阵的平移矩阵；旋转矩阵R与平移矩阵t为精配准矩阵；
将精配准矩阵转换为4*4齐次变换矩阵，得到股骨配准矩阵其中T表示变换矩阵，F表示股骨跟踪器，I表示股骨图像，/>表示股骨图像坐标在患者坐标系中的位姿；及胫骨配准矩阵/>其中大T表示变换矩阵，小T表示胫骨跟踪器，I2表示胫骨图像，/>表示胫骨图像坐标在患者坐标系中的位姿。
10.一种膝关节置换手术规划装置，其特征在于，包括：
配准模块，用于将股骨图像和胫骨图像上的点，与，患者真实部位上的点进行配准，以建立图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系；
采集模块，用于采集患者在不同屈曲角度下，股骨与胫骨的接触点；
映射模块，用于根据图像坐标系与患者坐标系之间的关联关系，将采集到的接触点映射到图像坐标系中，生成接触点轨迹；
还用于将所述接触点轨迹映射到自定义坐标系中，所述自定义坐标系为医生手术视角下的图像坐标系；
规划模块，用于根据所有接触点轨迹上的内侧接触点及外侧接触点的分布情况，输出截骨的手术规划结果。
11.一种电子设备，其特征在于，包括：
处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；
存储器，用于存放计算机程序；
处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1～9任一项所述的方法。
12.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1-9中任一项所述的方法。
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