CN117100468A - 调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法及相关设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法及相关设备，其中所述方法包括：获取膝关节目标位置的医学图像，生成膝关节的股骨三维模型和胫骨三维模型；通过规划软件自动生成术前规划方案；分别将胫骨假体和股骨假体按照术前规划方案植入对应的胫骨模型和股骨模型；计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。本发明通过计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，可以实现在术中准确、快捷的调整股骨假体和胫骨假体之间的旋转角度。
Description
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法及相关设备。
背景技术
单髁置换手术伸屈膝位时胫骨假体和股骨假体之间的旋转角对于单髁置换术后膝关节功能和假体寿命有明显的影响，假体植入应保证在伸膝位和屈膝位时股骨假体和胫骨假体之间的旋转角保持在一定的角度范围内，这样可使膝关节屈伸过程中股骨假体和胫骨假体轨迹平行，从而保证膝关节良好的生物力学特性。
专利CN 113842211 B提供了一种膝关节置换的三维术前规划系统及假体模 型匹配方法，描述了调整单元包括：股骨假体位置调整子单元，被配置为基于所述股骨左右径和股骨前后径，调整所述三维股骨假体模型的放置位置；股骨假体角度调整子单元，被配置为调整所述三维股骨假体模型的内翻角或外翻角， 使所述三维股骨假体模型的横截面与所述股骨机械轴垂直。然而该专利在膝关节置换置换手术过程中是通过调节股骨假体相对股骨的旋转角，胫骨假体相对胫骨的旋转角，暂无对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
发明内容
本发明的目的在于解决上述背景技术中描述的现有技术方案的缺点，提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法及相关设备，可以实现在术中准确、快捷的调整股骨假体和胫骨假体之间的旋转角度。
本发明通过以下技术方案予以实现：第一方面，本发明提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，包括以下步骤：
获取膝关节目标位置的医学图像，其中，所述医学图像包括股骨数据和胫骨数据；
通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型；其中，所述三维骨骼模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
通过规划软件自动生成术前规划方案：在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型，获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系；在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型，获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系；
分别将胫骨假体和股骨假体按照术前规划方案植入对应的胫骨模型和股骨模型，实现胫骨假体和股骨假体的模拟安装；
其中，胫骨假体和股骨假体植入后，股骨假体与股骨模型的相对位姿关系和股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系一致，胫骨假体与胫骨模型的相对位姿关系和胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系一致；
计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
进一步地，所述获取的膝关节目标位置的医学图像为CT图像或者MRI图像中的一种。
进一步地，所述通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型，包括：
基于获取的膝关节目标位置的医学图像，采用深度学习算法对医学图像进行分割，其中，所述深度学习算法采用分割神经网络模型；
基于分割后的图像数据进行三维模型重建，获得股骨三维模型和胫骨三维模型。
进一步地，所述分割神经网络模型采用U-Net模型。
进一步地，所述通过规划软件自动生成术前规划方案，包括：
通过规划软件，在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型；
在股骨三维模型上选取参考点，构建股骨坐标系；其中，股骨坐标系的原点为股骨三维模型的股骨外髁、股骨内髁连线的中点，股骨三维模型机械轴为z轴，股骨三维模型的通髁线向右为x*轴，z轴与x*轴叉乘得到y轴，z轴与y轴叉乘得到x轴；
获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系，其中，股骨假体模型相对股骨三维模型的位姿关系记为femur_implant2femur；股骨三维模型相对股骨假体模型的位姿关系记为femur2femur_implant；
在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型；
在胫骨三维模型上选取参考点，构建胫骨坐标系；其中，胫骨坐标系的原点为胫骨三维模型的胫骨干与胫骨平台的交点，胫骨三维模型机械轴为z轴，胫骨三维模型前后轴为y*轴，z轴与y*轴叉乘得到x轴，z轴与x轴叉乘得到y轴；
获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系，其中，胫骨假体模型相对胫骨三维模型的位姿关系记为tibia_implant2tibia；胫骨三维模型相对胫骨假体模型的位姿关系记为tibia2tibia_implant。
进一步地，所述计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整，包括：
将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系；
将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系；
计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系；
对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
进一步地，所述将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系，以及将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系，包括：
将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内；
双目相机探测股骨光学定位装置的位置，获取股骨光学定位装置与双目相机的相对位姿关系；
其中，股骨光学定位装置相对双目相机的位姿关系记为femur_marker2camera；双目相机相对股骨光学定位装置的位姿关系记为camera2femur_marker；
使用探针采集股骨模型的点集数据，同时将股骨模型点集数据和股骨三维模型的点云数据进行配准，获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系；
其中，股骨光学定位装置相对股骨模型的位姿关系记为femur_marker2femur，股骨模型相对股骨光学定位装置的位姿关系记为femur2femur_marker；
同理，将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系以及胫骨光学定位装置与双目相机的相对位姿关系；
其中，胫骨光学定位装置相对双目相机的位姿关系记为tibia_marker2camera；双目相机相对胫骨光学定位装置的位姿关系记为camera2tibia_marker；胫骨光学定位装置相对胫骨模型的位姿关系记为tibia_marker2tibia，胫骨模型相对胫骨光学定位装置的位姿关系记为tibia2tibia_marker。
进一步地，所述计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，包括：
记胫骨假体相对股骨假体的位姿关系为tibia_implant2femur_implant，则伸膝位时tibia_implant2femur_implant通过下式计算：
tibia_implant2femur_implant=femur2femur_implant*femur_marker2femur*camera2femur_marker*tibia_marker2camera*tibia2tibia_marker*tibia_implant2tibia；
记股骨假体相对胫骨假体的位姿关系为femur_implant2tibia_implant，则屈膝位时femur_implant2tibia_implant通过下式计算：
femur_implant2tibia_implant=tibia2tibia_implant*tibia_marker2tibia*camera2tibia_marker*femur_marker2camera*femur2femur_marker*femur_implant2femur。
进一步地，所述对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整，包括：
在伸膝位时调整胫骨假体相对胫骨模型的位姿tibia_implant2tibia可间接调整tibia_implant2femur_implant；
在屈膝位时调整股骨假体相对股骨模型的位姿femur_implant2femur可间接调整femur_implant2tibia_implant；
实现对股骨假体和胫骨假体之间的旋转角的调整。
第二方面，本发明提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的装置，该装置包括：
获取图像模块，用于获取膝关节目标位置的医学图像，其中，所述医学图像包括股骨数据和胫骨数据；
生成骨骼模型模块，用于通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型；其中，所述三维骨骼模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
规划模块，用于通过规划软件自动生成术前规划方案：在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型，获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系；在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型，获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系；
假体植入模块，用于将胫骨假体和股骨假体按照术前规划方案分别植入对应的胫骨模型和股骨模型，实现胫骨假体和股骨假体的模拟安装；
计算和调整模块，用于计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
其中，所述生成骨骼模型模块包括图像分割单元和三维重建单元。所述图像分割单元用于针对获取的膝关节目标位置的医学图像，采用深度学习算法对医学图像进行分割。所述三维重建单元用于针对分割后的图像数据进行三维模型重建，获得股骨三维模型和胫骨三维模型。
所述装置中的各个模块/单元具有实现调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法中各个步骤的功能，并能达到其相应的技术效果。
第三方面，本发明提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的设备，所述设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现上述所述调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法。
第四方面，本发明提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述所述调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法。
本发明提供了一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法及相关设备，通过计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，可以实现在术中准确、快捷的调整股骨假体和胫骨假体之间的旋转角度。
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调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法流程示意图；
图2是本发明实施例提供的伸膝位时股骨假体和胫骨假体的示意图；
图3是本发明实施例提供的屈膝位时股骨假体和胫骨假体的示意图；
图4是本发明实施例提供的调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的装置示意图；
图5是本发明实施例提供的一种计算设备的结构示意图；
附图标记说明：1.股骨假体；2.胫骨假体。
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进行详细描述。
图1是本发明实施例提供的调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法流程示意图。
如图1所示，本发明提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，包括以下步骤：
S101，获取膝关节目标位置的医学图像，其中，所述医学图像包括股骨数据和胫骨数据；
S102，通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型；其中，所述三维骨骼模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
S103，通过规划软件自动生成术前规划方案：在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型，获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系；在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型，获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系；
S104，分别将胫骨假体和股骨假体按照术前规划方案植入对应的胫骨模型和股骨模型，实现胫骨假体和股骨假体的模拟安装；
其中，胫骨假体和股骨假体植入后，股骨假体与股骨模型的相对位姿关系和股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系一致，胫骨假体与胫骨模型的相对位姿关系和胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系一致；
S105，计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
作为一种可选的实施方式，S101中所述获取的膝关节目标位置的医学图像为CT图像或者MRI图像中的一种。
其中，CT（Computed Tomography）图像为电子计算机断层扫描图像数据，是利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与灵敏度极高的探测器一同围绕人体的某一部位作一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快，图像清晰等特点，可用于多种疾病的检查。MRI（magnetic resonance imaging）图像为磁共振成像图像数据，是利用磁共振现象从人体内获得电磁信号并重建出人体信息的一种检查技术。
作为一种可选的实施方式，其他关于膝关节的医学影像数据也可以为本发明所使用。
作为一种可选的实施方式，S102中所述通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型，包括：
基于获取的膝关节目标位置的医学图像，采用深度学习算法对医学图像进行分割；
基于分割后的图像数据进行三维模型重建，获得股骨三维模型和胫骨三维模型。
其中，深度学习(Deep Learning，缩写DL)是机器学习(Machine Learning，缩写ML)领域中一个新的研究方向，是学习样本数据的内在规律和表示层次，这些学习过程中获得的信息对诸如文字，图像和声音等数据的解释有很大的帮助。它的最终目标是让机器能够像人一样具有分析学习能力，能够识别文字、图像和声音等数据。
作为一种可选的实施方式，所述深度学习算法采用分割神经网络模型，具体的，所述分割神经网络模型采用U-Net模型。
作为一种可选的实施方式，所述分割神经网络模型也可采用其他模型，例如FCN、SegNet等。
作为一种可选的实施方式，S103中所述通过规划软件自动生成术前规划方案，包括：
通过规划软件，在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型；
在股骨三维模型上选取参考点，构建股骨坐标系；其中，股骨坐标系的原点为股骨三维模型的股骨外髁、股骨内髁连线的中点，股骨三维模型机械轴为z轴，股骨三维模型的通髁线向右为x*轴，z轴与x*轴叉乘得到y轴，z轴与y轴叉乘得到x轴；
获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系，其中，股骨假体模型相对股骨三维模型的位姿关系记为femur_implant2femur；股骨三维模型相对股骨假体模型的位姿关系记为femur2femur_implant；
在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型；
在胫骨三维模型上选取参考点，构建胫骨坐标系；其中，胫骨坐标系的原点为胫骨三维模型的胫骨干与胫骨平台的交点，胫骨三维模型机械轴为z轴，胫骨三维模型前后轴为y*轴，z轴与y*轴叉乘得到x轴，z轴与x轴叉乘得到y轴；
获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系，其中，胫骨假体模型相对胫骨三维模型的位姿关系记为tibia_implant2tibia；胫骨三维模型相对胫骨假体模型的位姿关系记为tibia2tibia_implant。
其中，股骨三维模型机械轴为从股骨三维模型的股骨头中心到股骨远端中心的连线。
通髁线(transepicondylar axis，TEA)，也称为股骨上髁轴，是连接股骨三维模型的内侧和外侧上髁之间的一条轴线(相对于股骨后髁线的向外部旋转3°)，通常被用作全膝关节置换术（TKA）中股骨假体定位的参考线。
胫骨三维模型机械轴为胫骨三维模型的胫骨近端中心至踝关节中心连线。
胫骨三维模型前后轴为垂直于经股骨上髁轴且经过后交叉韧带中点的直线。
作为一种可选的实施方式，所述股骨坐标系和胫骨坐标系也可采用其他的建立方式，在导航技术辅助关节置换手术的系统中，使用相对位姿关系，坐标系的定义不影响技术实现，由系统设计人员根据实际情况自行确定。
作为一种可选的实施方式，S105中所述计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整，包括：
将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系；
将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系；
计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系；
对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
作为一种可选的实施方式，所述将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系，包括：
将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内；
双目相机探测股骨光学定位装置的位置，获取股骨光学定位装置与双目相机的相对位姿关系；
其中，股骨光学定位装置相对双目相机的位姿关系记为femur_marker2camera；双目相机相对股骨光学定位装置的位姿关系记为camera2femur_marker；
使用探针采集股骨模型的点集数据，同时将股骨模型点集数据和股骨三维模型的点云数据进行配准，获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系；
其中，股骨光学定位装置相对股骨模型的位姿关系记为femur_marker2femur，股骨模型相对股骨光学定位装置的位姿关系记为femur2femur_marker。
同理，将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系以及胫骨光学定位装置与双目相机的相对位姿关系；
其中，胫骨光学定位装置相对双目相机的位姿关系记为tibia_marker2camera；双目相机相对胫骨光学定位装置的位姿关系记为camera2tibia_marker；胫骨光学定位装置相对胫骨模型的位姿关系记为tibia_marker2tibia，胫骨模型相对胫骨光学定位装置的位姿关系记为tibia2tibia_marker。
作为一种可选的实施方式，所述计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，包括：
记胫骨假体相对股骨假体的位姿关系为tibia_implant2femur_implant，则伸膝位时tibia_implant2femur_implant通过下式计算：
tibia_implant2femur_implant=femur2femur_implant*femur_marker2femur*camera2femur_marker*tibia_marker2camera*tibia2tibia_marker*tibia_implant2tibia；
记股骨假体相对胫骨假体的位姿关系为femur_implant2tibia_implant，则屈膝位时femur_implant2tibia_implant通过下式计算：
femur_implant2tibia_implant=tibia2tibia_implant*tibia_marker2tibia*camera2tibia_marker*femur_marker2camera*femur2femur_marker*femur_implant2femur。
作为一种可选的实施方式，所述对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整，包括：
如图2所示，在伸膝位时调整胫骨假体2相对胫骨模型的位姿tibia_implant2tibia可间接调整tibia_implant2femur_implant；
如图3所示，在屈膝位时调整股骨假体1相对股骨模型的位姿femur_implant2femur可间接调整femur_implant2tibia_implant；
实现对股骨假体1和胫骨假体2之间的旋转角的调整。
如图4所示，本发明还提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的装置，该装置包括：
获取图像模块401，用于获取膝关节目标位置的医学图像，其中，所述医学图像包括股骨数据和胫骨数据；
生成骨骼模型模块402，用于通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型；其中，所述三维骨骼模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
规划模块403，用于通过规划软件自动生成术前规划方案：在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型，获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系；在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型，获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系；
假体植入模块404，用于将胫骨假体和股骨假体按照术前规划方案分别植入对应的胫骨模型和股骨模型，实现胫骨假体和股骨假体的模拟安装；
计算和调整模块405，用于计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
在一个优选的实施例中，生成骨骼模型模块402包括图像分割单元4021和三维重建单元4022。
其中，图像分割单元4021用于针对获取的膝关节目标位置的医学图像，采用深度学习算法对医学图像进行分割。所述三维重建单元4022用于针对分割后的图像数据进行三维模型重建，获得股骨三维模型和胫骨三维模型。
图4所示装置中的各个模块/单元具有实现调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法中各个步骤的功能，并能达到其相应的技术效果，为简洁描述，在此不再赘述。
如图5所示，本发明还提供一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的设备，所述设备包括：处理器501、存储器502以及存储在所述存储器502中并可在所述处理器501上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器501用于执行存储器502中存储的计算机程序指令，以实现上述所述调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法。
具体地，上述处理器501可以包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置成实施本发明的一个或多个集成电路。
存储器502可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。
在一个实例中，存储器502可以包括可移除或不可移除(或固定)的介质，或者存储器是非易失性固态存储器。存储器可在综合网关容灾设备的内部或外部。
在一个实例中，存储器502可以是只读存储器(Read Only Memory，ROM)。在一个实例中，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM) 或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。
在一个实例中，存储器502可以包括只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，磁盘存储介质设备，光存储介质设备，闪存设备，电气、光学或其他物理/有形的存储器存储设备。因此，通常，存储器包括一个或多个编码有包括计算机可执行指令的软件的有形(非暂态)计算机可读存储介质(例如，存储器设备)，并且当该软件被执行(例如，由一个或多个处理器)时，其可操作来执行参考根据本公开的一方面的方法所描述的操作。
处理器501通过读取并执行存储器502中存储的计算机程序指令，以实现图1所示实施例中的方法/步骤，并能达到其相应的技术效果，为简洁描述在此不再赘述。
在一个实施例中，计算设备还可包括通信接口503和总线504。如图5所示，处理器501、存储器502、通信接口503通过总线504连接并完成相互间的通信。
通信接口503，主要用于实现本发明中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。
总线504包括硬件、软件或两者，将在线数据流量计费设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(Accelerated Graphics Port，AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线、前端总线(Front Side Bus，FSB)、超传输(Hyper Transport，HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA) 总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线可包括一个或多个总线。尽管本发明描述和示出了特定的总线，但本公开考虑任何合适的总线或互连。
另外，结合上述实施例中的调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，本发明还提供一种计算机存储介质来实现。所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述所述调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法。
本发明实施例提供的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
本发明提供了一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法及相关设备，通过计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，可以实现在术中准确、快捷的调整股骨假体和胫骨假体之间的旋转角度。
需要明确的是，本公开并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和 处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中， 描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本公开的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本公开的精神后，做出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。
以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它 们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路 (ApplicationSpecificIntegrated Circuit，ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本公开的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。相关技术人员可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。另外程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。机器可读介质可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(RadioFrequency，RF)链路，等等。
上面参考根据本公开的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
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 (10)
1.一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，获取膝关节目标位置的医学图像，其中，所述医学图像包括股骨数据和胫骨数据；
S102，通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型；其中，所述三维骨骼模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
S103，通过规划软件自动生成术前规划方案：在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型，获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系；在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型，获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系；
S104，分别将胫骨假体和股骨假体按照术前规划方案植入对应的胫骨模型和股骨模型，实现胫骨假体和股骨假体的模拟安装；
其中，胫骨假体和股骨假体植入后，股骨假体与股骨模型的相对位姿关系和股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系一致，胫骨假体与胫骨模型的相对位姿关系和胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系一致；
S105，计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
2.根据权利要求1所述的一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，其特征在于，S102中所述通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型，包括：
基于获取的膝关节目标位置的医学图像，采用深度学习算法对医学图像进行分割，其中，所述深度学习算法采用分割神经网络模型；
基于分割后的图像数据进行三维模型重建，获得股骨三维模型和胫骨三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，其特征在于，S103中所述通过规划软件自动生成术前规划方案，包括：
通过规划软件，在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型；
在股骨三维模型上选取参考点，构建股骨坐标系；其中，股骨坐标系的原点为股骨三维模型的股骨外髁、股骨内髁连线的中点，股骨三维模型机械轴为z轴，股骨三维模型的通髁线向右为x*轴，z轴与x*轴叉乘得到y轴，z轴与y轴叉乘得到x轴；
获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系，其中，股骨假体模型相对股骨三维模型的位姿关系记为femur_implant2femur；股骨三维模型相对股骨假体模型的位姿关系记为femur2femur_implant；
在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型；
在胫骨三维模型上选取参考点，构建胫骨坐标系；其中，胫骨坐标系的原点为胫骨三维模型的胫骨干与胫骨平台的交点，胫骨三维模型机械轴为z轴，胫骨三维模型前后轴为y*轴，z轴与y*轴叉乘得到x轴，z轴与x轴叉乘得到y轴；
获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系，其中，胫骨假体模型相对胫骨三维模型的位姿关系记为tibia_implant2tibia；胫骨三维模型相对胫骨假体模型的位姿关系记为tibia2tibia_implant。
4.根据权利要求3所述的一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，其特征在于，S105中所述计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整，包括：
将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系；
将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系；
计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系；
对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整。
5.根据权利要求4所述的一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，其特征在于，所述将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系，以及将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，并获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系，包括：
将股骨光学定位装置固定在股骨模型的股骨干并且位于双目相机视野范围内；
双目相机探测股骨光学定位装置的位置，获取股骨光学定位装置与双目相机的相对位姿关系；
其中，股骨光学定位装置相对双目相机的位姿关系记为femur_marker2camera；双目相机相对股骨光学定位装置的位姿关系记为camera2femur_marker；
使用探针采集股骨模型的点集数据，同时将股骨模型点集数据和股骨三维模型的点云数据进行配准，获取股骨光学定位装置与股骨模型的相对位姿关系；
其中，股骨光学定位装置相对股骨模型的位姿关系记为femur_marker2femur，股骨模型相对股骨光学定位装置的位姿关系记为femur2femur_marker；
同理，将胫骨光学定位装置固定在胫骨模型的胫骨干并且位于双目相机视野范围内，获取胫骨光学定位装置与胫骨模型的相对位姿关系以及胫骨光学定位装置与双目相机的相对位姿关系；
其中，胫骨光学定位装置相对双目相机的位姿关系记为tibia_marker2camera；双目相机相对胫骨光学定位装置的位姿关系记为camera2tibia_marker；胫骨光学定位装置相对胫骨模型的位姿关系记为tibia_marker2tibia，胫骨模型相对胫骨光学定位装置的位姿关系记为tibia2tibia_marker。
6.根据权利要求5所述的一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，其特征在于，所述计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，包括：
记胫骨假体相对股骨假体的位姿关系为tibia_implant2femur_implant，则伸膝位时tibia_implant2femur_implant通过下式计算：
tibia_implant2femur_implant=femur2femur_implant*femur_marker2femur*camera2femur_marker*tibia_marker2camera*tibia2tibia_marker*tibia_implant2tibia；
记股骨假体相对胫骨假体的位姿关系为femur_implant2tibia_implant，则屈膝位时femur_implant2tibia_implant通过下式计算：
femur_implant2tibia_implant=tibia2tibia_implant*tibia_marker2tibia*camera2tibia_marker*femur_marker2camera*femur2femur_marker*femur_implant2femur。
7.根据权利要求6所述的一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法，其特征在于，所述对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整，包括：
在伸膝位时调整胫骨假体相对胫骨模型的位姿tibia_implant2tibia可间接调整tibia_implant2femur_implant；
在屈膝位时调整股骨假体相对股骨模型的位姿femur_implant2femur可间接调整femur_implant2tibia_implant；
实现对股骨假体和胫骨假体之间的旋转角的调整。
8.一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的装置，其特征在于，包括：
获取图像模块，用于获取膝关节目标位置的医学图像，其中，所述医学图像包括股骨数据和胫骨数据；
生成骨骼模型模块，用于通过图像分割技术和三维重建技术生成膝关节的三维骨骼模型；其中，所述三维骨骼模型包括股骨三维模型和胫骨三维模型；
规划模块，用于通过规划软件自动生成术前规划方案：在股骨三维模型上构建适配的股骨假体模型，获取股骨假体模型与股骨三维模型的相对位姿关系；在胫骨三维模型上构建适配的胫骨假体模型，获取胫骨假体模型与胫骨三维模型的相对位姿关系；
假体植入模块，用于将胫骨假体和股骨假体按照术前规划方案分别植入对应的胫骨模型和股骨模型，实现胫骨假体和股骨假体的模拟安装；
计算和调整模块，用于计算伸膝位时胫骨假体相对股骨假体的位姿关系以及屈膝位时股骨假体相对胫骨假体的位姿关系，并对股骨假体和胫骨假体的旋转角进行调整；
其中，所述生成骨骼模型模块包括图像分割单元和三维重建单元；
所述图像分割单元用于针对获取的膝关节目标位置的医学图像，采用深度学习算法对医学图像进行分割；
所述三维重建单元用于针对分割后的图像数据进行三维模型重建，获得股骨三维模型和胫骨三维模型。
9.一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的设备，其特征在于，
所述设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现权利要求1至7中任意一项调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法。
10.一种调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的计算机存储介质，其特征在于，
所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1至7中任意一项调整股骨假体和胫骨假体之间旋转角度的方法。
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