CN117179919A - 一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及影像导航技术领域，尤其涉及一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，包括如下步骤：确定患者参考阵列的反光标记物排布；安装患者参考阵列与监控标记物；确定患者参考阵列与监控标记物的初始位置关系；实时监测患者参考阵列是否松动偏移。本发明能够实时自动监测患者参考阵列是否松动偏移，手术进行过程中，无需医生中断手术操作使用光学探针进行患者参考阵列的松动检查，解决了现有技术在影像导航式骨科手术中，无法对参考阵列的松动进行全程监控的问题。

Description

一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法

技术领域

本发明涉及影像导航技术领域，尤其涉及一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法。

背景技术

在影像导航式骨科手术中，确保光学参考阵列与患者手术部位连接的刚性十分重要，其中光学参考阵列附有若干可被双目定位相机识别的反光标记物(反光球或反光片，数量大于等于3)。

以导航式全髋关节置换手术为例(如图1和2所示)，手术器械与患者盆骨部位的三维建模在术前导入电脑；术中，手术器械与盆骨均固连光学参考阵列，经过配准操作，现实空间(手术室真实场景)与图像空间(电脑屏幕显示场景)的映射关系得以建立，系统通过双目定位相机实时追踪光学参考阵列的位姿，以确定手术器械与患者盆骨的相对位置关系，并将该相对位置关系呈现于图像空间，从而帮助医生更好地了解当前手术状态。

一旦患者参考阵列在术中发生松动，系统会误以为患者盆骨发生了移动，由此导致图像中手术器械模型与患者盆骨模型的相对位置关系显示错误，若医生继续参考该图像进行手术将会存在风险。

故影像导航式骨科手术中，需要存在一种验证机制，用来确定患者光学参考阵列是否发生松动偏移。

为检验患者光学参考阵列在手术过程中是否发生松动，临床中，患者参考阵列附近的骨头处会被额外植入一个与光学探针尖端适配的标记钉。使用光学探针采集标记钉在定位相机下的位置，并将之与患者参考阵列在相机下的位置进行比较，就可以判断患者参考阵列是否发生松动偏移。此种方法的局限性在于，医生需要主动使用光学探针，将探针尖端置于标记钉处，而术中医生双手需要操持其他手术器械，只能在部分关键时间节点(如骨制备和安装假体开始之前)进行该操作，无法对参考阵列的松动进行全程监控。为此，我们提出一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，能够实时自动监测患者参考阵列是否松动偏移，手术进行过程中，无需医生中断手术操作使用光学探针进行患者参考阵列的松动检查，解决了现有技术在影像导航式骨科手术中，无法对参考阵列的松动进行全程监控的问题。

本发明提供如下技术方案：一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，包括如下步骤：

S1、确定患者参考阵列的反光标记物排布，获得患者参考阵列各反光标记物在同一坐标系下的坐标值，将坐标点构成的矩阵M代表的点集中心化，即对点集进行整体平移，使得平移后点集的几何中心c位于坐标系原点，计算点集中心化后，点集坐标构成的矩阵记为M’；

S2、安装患者参考阵列与监控标记物，在患者手术区域附近的硬骨处安装参考阵列，在参考阵列周围的硬骨区域植入一额外克氏针，并在其上安装监控标记物；

S3、确定患者参考阵列与监控标记物的初始位置关系；从定位相机获取总共n+1个反光标记物，在定位相机坐标系下的坐标，由各点坐标构成的矩阵A；将A代表的点集，以刚体方式移动至M’所代表点集的位置，使得二者所含代表患者参考阵列反光标记物的n个点一一重合，整体移动后，监控标记物的点坐标变为p₀；

S4、定位相机实时采集患者参考阵列与监控标记物的位置关系，将二者实时位置关系与p₀比较，以此判断患者参考阵列是否松动偏移。

优选的，所述步骤S1中获得患者参考阵列各反光标记物在同一坐标系下的坐标值的方法以下两种方法中的任意一种：

硬件设计阶段，在三维设计图纸上任意确定一坐标系，获取各反光标记物在该坐标系下的坐标值；

确保定位相机视野范围内可被识别的只有患者参考阵列，从定位相机系统获取各反光标记物在定位相机坐标系下的坐标值。

优选的，所述步骤S1中设参考阵列上反光标记物的数量为n，n≥3，由各点坐标构成的矩阵M为

将矩阵M代表的点集中心化，即对点集进行整体平移，使得平移后点集的几何中心位于坐标系原点；

计算点集的几何中心坐标c

计算点集中心化后，点集坐标构成的矩阵记为M’

矩阵M’即为患者参考阵列的反光标记物排布。

优选的，所述步骤S2中，按照常规克氏针固定的方式，在患者手术区域附近的硬骨处安装参考阵列；在参考阵列周围，不影响手术操作，且能够被定位相机可见的患者硬骨区域，植入一带有反光标记物转接头的克氏针，克氏针植入完毕后，在其上安装反光标记物，该额外反光标记物即为监控标记物。

优选的，所述步骤S4的具体过程如下：

S41、记术中的某一时刻，从定位相机获取总共m个反光标记物在定位相机坐标系下的坐标，由各点坐标构成的矩阵S，其中m≥n+1，患者参考阵列上n个，1个监控标记物，外加其他导航式器械上所附反光标记物；

S42、将S代表的点集，以刚体方式移动至M’所代表点集的位置，使得二者所含代表患者参考阵列反光标记物的n个点一一重合；

S43、遍历计算移动完成后S中各点与p₀的距离，若某距离值小于相机定位误差，说明患者参考阵列与监控标记物未发生相对移动，即患者参考阵列未松动偏移；若每一组距离都大于相机定位误差，说明患者参考阵列与监控标记物发生相对移动，即患者参考阵列很可能发生了松动偏移，此时导航系统发出警示；

S44、定位相机实时捕获视野范围内各反光标记物的坐标，重复上述步骤S41-S43，即可实现对患者参考阵列松动偏移的实时侦测。

本发明提供了一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，不改变准备阶段的临床操作流程，仅将安装验证钉的步骤替换为安装监控标记物。手术进行过程中，医生无需中断手术操作使用光学探针进行患者参考阵列的松动检查，系统能够实时自动监测患者参考阵列是否松动偏移。

附图说明

图1为现有技术导航式全髋关节置换手术示意图；

图2为现有技术导航式全髋关节置换手术患者参考阵列松动示意图；

图3为本发明实施例中安装患者参考阵列与监控标记物示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种技术方案：一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，包括如下步骤：

S1、确定患者参考阵列的反光标记物排布。

S11、获得患者参考阵列各反光标记物在同一坐标系下的坐标值。具体实现方式有以下两种：

硬件设计阶段，在三维设计图纸上任意确定一坐标系，获取各反光标记物在该坐标系下的坐标值；

确保定位相机视野范围内可被识别的只有患者参考阵列，从定位相机系统获取各反光标记物在定位相机坐标系下的坐标值；

虽然通过上述两种方法获得的坐标值具体数值会存在差异，但是二者均包含患者参考阵列各反光标记物的相对位置关系信息，均满足后续使用需求。设参考阵列上反光标记物的数量为n，n≥3，由各点坐标构成的矩阵M为

S12、将矩阵M代表的点集中心化，即对点集进行整体平移，使得平移后点集的几何中心位于坐标系原点。

计算点集的几何中心坐标c：

计算点集中心化后，点集坐标构成的矩阵记为M’：

矩阵M’即为患者参考阵列的反光标记物排布。

S2、安装患者参考阵列与监控标记物。

按照常规克氏针固定的方式，在患者手术区域附近的硬骨处安装参考阵列；在参考阵列周围，不影响手术操作，且能够被定位相机可见的患者硬骨区域，植入一带有反光标记物转接头的克氏针。克氏针植入完毕后，在其上安装反光标记物，该额外反光标记物即所谓监控标记物。

以髋关节置换手术为例，如图3所示，在患者髂骨处安装参考阵列，在参考阵列周围的髂骨区域植入一额外克氏针，并在其上安装监控标记物。

S3、确定患者参考阵列与监控标记物的初始位置关系。

S31、确保定位相机视野范围内可被识别的只有患者参考阵列与监控标记物，从定位相机获取总共n+1个反光标记物(患者参考阵列上n个与1个监控标记物)在定位相机坐标系下的坐标，由各点坐标构成的矩阵A为

S32、将A代表的点集，以刚体方式移动至M’所代表点集的位置，使得二者所含代表患者参考阵列反光标记物的n个点一一重合，整体移动后，监控标记物的点坐标变为p₀。

因为A中点坐标的排列顺序存在随机性，首先需要整理A各列的排序，以确定其中哪一列为监控标记物的坐标：遍历A的各种列排序方式，取重排列后A的前n列(前n个点坐标)构成一临时矩阵，计算该临时矩阵所代表点集的几何中心为c’，记该临时矩阵中心化得到的矩阵为B，重排列后A的最后一列记为p，使用奇异值分解(SVD)计算点集B以刚体方式匹配至点集M’所需要的旋转矩阵R_tmp。

计算B与M’的协方差矩阵H＝B·(M’)^T；

对H进行SVD得到H＝U·S·V^T；

利用SVD结果计算R_tmp＝V·U^T；

将R_tmp应用于B(用R_tmp左乘B)以完成B与M’的匹配，计算此时B中各点与M’中对应点的距离(B中第i个点与M’中第i个点的距离，i＝1,2…n)，若各距离都小于相机定位误差，停止A的列排序遍历，并记录此时的c’，R_tmp与p用作后续使用，p即为监控标记物在相机坐标系下的坐标，否则继续遍历A的列排序并重复上述过程。

利用上述遍历所得的c’，R_tmp与p，计算点集A整体移动至M’时，监控标记物的点坐标p₀：

p₀＝R_tmp·(p-c′)

p₀即代表了患者参考阵列与监控标记物的初始位置关系。

S4、实时监测患者参考阵列是否松动偏移。

定位相机实时采集患者参考阵列与监控标记物的位置关系，将二者实时位置关系与p₀比较，以此判断患者参考阵列是否松动偏移。

S41、记术中的某一时刻，从定位相机获取总共m个反光标记物(m≥n+1，患者参考阵列上n个，1个监控标记物，外加其他导航式器械上所附反光标记物)在定位相机坐标系下的坐标，由各点坐标构成的矩阵S；

S42、将S代表的点集，以刚体方式移动至M’所代表点集的位置，使得二者所含代表患者参考阵列反光标记物的n个点一一重合：

S中点坐标的排列顺序存在随机性，故在计算点集S运动至点集M’的旋转矩阵R’_tmp与平移向量t’之前，需要确定S中哪些列为患者参考阵列反光标记物坐标。使用类似步骤S32的方法同时达成上述目标：遍历S的各种列排序方式，取重排列后S的前n列(前n个点坐标)构成一临时矩阵，计算该临时矩阵所代表点集的几何中心为c”，记该临时矩阵中心化得到的矩阵为B’，使用SVD计算点集B’以刚体方式匹配至点集M’所需要的旋转矩阵R’_tmp。

计算B’与M’的协方差矩阵H’＝B’·(M’)^T

对H’进行SVD得到H’＝U’·S’·(V’)^T

利用SVD结果计算R’_tmp＝V’·(U’)^T

将R’_tmp应用于B’(用R’_tmp左乘B’)以完成B’与M’的匹配，计算此时B’中各点与M’中对应点的距离(B’中第i个点与M’中第i个点的距离，i＝1,2…n)；

若各距离都小于相机定位误差，停止S的列排序遍历，并利用此时的c”与R’_tmp计算t’＝-R’_tmp·c”；

若某一距离值大于相机定位误差，则继续遍历S的列排序并重复上述过程；

将R’_tmp与t’应用于S:将S的每一列向量a_i更新为R’_tmp·a_i+t’，其中i＝1,2…m；

至此S代表的点集已被移动至M’所代表点集的位置，且二者所含代表患者参考阵列反光标记物的n个点一一重合。

S43、遍历计算移动完成后S中各点与p₀的距离，若某距离值小于相机定位误差，说明患者参考阵列与监控标记物未发生相对移动，即患者参考阵列未松动偏移；若每一组距离都大于相机定位误差，说明患者参考阵列与监控标记物发生相对移动，即患者参考阵列很可能发生了松动偏移，此时导航系统发出警示。

注：因为患者参考阵列与监控标记物独立固定于患者骨质上，二者同时相对于骨质发生相同偏移的概率非常低，故若侦测到二者未发生相对移动，说明二者皆安装稳固；若侦测到二者发生相对移动，说明二者中至少有一个的安装发生松动(又因为患者参考阵列体积较大，被误触撞击松动的可能性更大)，为安全起见，导航系统应发出警示。

S44、定位相机实时捕获视野范围内各反光标记物的坐标，重复上述步骤S41-S43，即可实现对患者参考阵列松动偏移的实时侦测。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、确定患者参考阵列的反光标记物排布，获得患者参考阵列各反光标记物在同一坐标系下的坐标值，将坐标点构成的矩阵M代表的点集中心化，即对点集进行整体平移，使得平移后点集的几何中心c位于坐标系原点，计算点集中心化后，点集坐标构成的矩阵记为M’；

S2、安装患者参考阵列与监控标记物，在患者手术区域附近的硬骨处安装参考阵列，在参考阵列周围的硬骨区域植入一额外克氏针，并在其上安装监控标记物；

S3、确定患者参考阵列与监控标记物的初始位置关系；从定位相机获取总共n+1个反光标记物，在定位相机坐标系下的坐标，由各点坐标构成的矩阵A；将A代表的点集，以刚体方式移动至M’所代表点集的位置，使得二者所含代表患者参考阵列反光标记物的n个点一一重合，整体移动后，监控标记物的点坐标变为p₀；

S4、定位相机实时采集患者参考阵列与监控标记物的位置关系，将二者实时位置关系与p₀比较，以此判断患者参考阵列是否松动偏移。

2.根据权利要求1所述的一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，其特征在于：所述步骤S1中获得患者参考阵列各反光标记物在同一坐标系下的坐标值的方法以下两种方法中的任意一种：

硬件设计阶段，在三维设计图纸上任意确定一坐标系，获取各反光标记物在该坐标系下的坐标值；

确保定位相机视野范围内可被识别的只有患者参考阵列，从定位相机系统获取各反光标记物在定位相机坐标系下的坐标值。

3.根据权利要求1所述的一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，其特征在于：所述步骤S1中设参考阵列上反光标记物的数量为n，n≥3，由各点坐标构成的矩阵M为

将矩阵M代表的点集中心化，即对点集进行整体平移，使得平移后点集的几何中心位于坐标系原点；

计算点集的几何中心坐标c

计算点集中心化后，点集坐标构成的矩阵记为M’

矩阵M’即为患者参考阵列的反光标记物排布。

4.根据权利要求1所述的一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，其特征在于：所述步骤S2中，按照常规克氏针固定的方式，在患者手术区域附近的硬骨处安装参考阵列；在参考阵列周围，不影响手术操作，且能够被定位相机可见的患者硬骨区域，植入一带有反光标记物转接头的克氏针，克氏针植入完毕后，在其上安装反光标记物，该额外反光标记物即为监控标记物。

5.根据权利要求1所述的一种实时监测患者参考阵列松动偏移的方法，其特征在于：所述步骤S4的具体过程如下：

S41、记术中的某一时刻，从定位相机获取总共m个反光标记物在定位相机坐标系下的坐标，由各点坐标构成的矩阵S，其中m≥n+1，患者参考阵列上n个，1个监控标记物，外加其他导航式器械上所附反光标记物；

S42、将S代表的点集，以刚体方式移动至M’所代表点集的位置，使得二者所含代表患者参考阵列反光标记物的n个点一一重合；

S43、遍历计算移动完成后S中各点与p₀的距离，若某距离值小于相机定位误差，说明患者参考阵列与监控标记物未发生相对移动，即患者参考阵列未松动偏移；若每一组距离都大于相机定位误差，说明患者参考阵列与监控标记物发生相对移动，即患者参考阵列很可能发生了松动偏移，此时导航系统发出警示；

S44、定位相机实时捕获视野范围内各反光标记物的坐标，重复上述步骤S41-S43，即可实现对患者参考阵列松动偏移的实时侦测。