一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及医疗信息处理技术领域，具体涉及一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法及系统，所述方法包括：对患者的髂骨进行光学扫描，以髂骨的空间位置为基准建立姿态坐标系；建立机械臂的机械坐标系，将所述机械臂上的末端执行器设置为髋臼打磨器，根据髋臼打磨器在姿态坐标系下的打磨角度确定髋臼打磨器在机械坐标系中的打磨角度，所述机械臂用于驱动髋臼打磨器打磨患者的髋臼软骨；获取在术前对髋臼软骨规划设置的打磨厚度值，实时调整髋臼打磨器在机械坐标系下的打磨角度，直至达到规划设置的打磨厚度值，本发明专利技术对关键点空间检测简便灵活，具有节约成本、操作简单的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法及系统
本专利技术涉及医疗信息处理
，具体涉及一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法及系统。
技术介绍
人工全髋关节置换术(Total-Hip-Arthroplasty，THA)是利用手术方法将人工髋关节假体替代被疾病或损伤破坏的关节面、股骨头、髋臼，以达到切除病灶，消除疼痛，恢复关节原有的功能等效果，广泛适用于治疗关节强直，股骨头坏死，骨性关节炎，类风湿关节炎等髋关节疾病。由于老年人骨骼质量下降，老龄人是髋关节疾病的高发人群。而全髋关节置换术正是治疗相关髋关节疾病常用方法之一。随着中国老龄化加重，人工全髋关节置换术的需求量将会变大。在进行人工全髋关节手术过程中，人工假体的安放位置是手术成功的关键，合理的安放位置将有助于患者术后的恢复，避免出现人工假体的脱位、下陷以及长短腿等情况。现有的技术方案中，存在如下缺点：1、操作流程较复杂，在申请号为CN201810733924.0的中国专利技术专利申请“髋关节术中人工髋臼角度测量系统及其测量方法”中，利用姿态传感器对术中患者的相关骨关节姿态进行测量。其实现原理是根据分布放置在不同关键点的姿态传感器节点进行三角定位与角度测量，其中冠状面陀螺仪安装在骨钉上，安装柄陀螺仪安装在人工髋臼安装柄上，角度关联陀螺仪安装于角度标定台。由于节点需要安置在待测量的关节处，物理电器连接存在干扰手术的进行，且节点扩张难度大，无法同时进行多个角度测量用于比对；2、机械物理结构较大，在实际的髋关节手术现场中，摆放各式各样的手术器材与医用设备，髋关节医学结构的测量器材应力求操作方便，体积小便于收放，不影响手术医生的工作。而现有的机械机构的测量方案需要将器具摆放到患者特定身体特定部位进行测量，操作不当可能会撞击到手术现场中的医用器具、设备等；而该方案提供的操作步骤较为繁琐，通用性不高；3、现有髋关节置换术中，关键位置的检测大多都是依赖具有丰富置换术的医生，严格来说，会产生一定的人为误差。容易由于置换定位精度不佳，影响治疗效果。此外，还存在置换手术机器人价格昂贵的问题，不便于大规模推广使用。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法及系统，以解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法，所述方法包括以下步骤：步骤S100、对患者的髂骨进行光学扫描，以髂骨的空间位置为基准建立姿态坐标系；步骤S200、建立机械臂的机械坐标系，将所述机械臂上的末端执行器设置为髋臼打磨器，根据髋臼打磨器在姿态坐标系下的打磨角度确定髋臼打磨器在机械坐标系中的打磨角度，所述机械臂用于驱动髋臼打磨器打磨患者的髋臼软骨；步骤S300、获取在术前对髋臼软骨规划设置的打磨厚度值，实时调整髋臼打磨器在机械坐标系下的打磨角度，直至达到规划设置的打磨厚度值。进一步，所述步骤S100包括：通过部署在手术台上空的光学定位传感器捕捉设置于患者的髂骨上的光学标记物，以所述光学标记物的空间位置确定人体的姿态坐标系。进一步，所述步骤S200包括：步骤S210、建立机械坐标系，通过部署在手术台上空的光学定位传感器捕捉设置于机械臂上的2个光学标记物，确定机械臂上的2个光学标记物在机械臂坐标系中的坐标；步骤S220、通过转换矩阵将机械臂坐标系中2个光学标记物的坐标转换到姿态坐标系中；步骤S230、将所述机械臂上的末端执行器设置为髋臼打磨器，确定髋臼打磨器在姿态坐标系中的坐标；步骤S240、根据髋臼打磨器在姿态坐标系下的打磨角度确定髋臼打磨器在机械坐标系中的打磨角度，所述打磨角度包括外展角和前倾角。进一步，所述步骤S240包括：将髋臼打磨器平移到姿态坐标系的坐标原点，将姿态坐标系下髋臼打磨器与姿态坐标系的x1O1y1平面的夹角作为外展角α1，将髋臼打磨器与姿态坐标系的x1O1z1面的夹角作为前倾角β1，将基于姿态坐标系的外展角和前倾角投影到机械坐标系中。进一步，所述步骤S300包括：步骤S310、在术前采集患者髂骨的CT图像，根据所述CT图像确定规划设置的打磨厚度值；步骤S320、基于打磨角度规划机械臂的运行路径，根据所述运行路径控制机械臂的运行，当髋臼打磨器打磨的实时厚度值达到规划设置的打磨厚度值时，控制机械臂停止运行。进一步，所述髋臼打磨器打磨的实时厚度值通过以下方式确定：当髋臼打磨器接触髋臼软骨时，确定光学定位传感器捕捉到的机械臂上光学标记物的第一空间坐标；在机械臂运行过程中，实时确定所述光学标记物在当前动态位姿下的第二空间坐标，将第一空间坐标和第二空间坐标的相对距离作为髋臼软骨的实时厚度值。进一步，所述方法还包括：根据正常腿获得的标准长度确定置换髋关节的假体，以使标准长度和测量长度的差值在腿长误差范围内。进一步，所述根据正常腿获得的标准长度确定置换髋关节的假体，以使标准长度和测量长度的差值在腿长误差范围内，包括：步骤S410、在正常腿的髂骨外表面与膝关节位置分别放置第一标记点和第二标记点，将第一标记点和第二标记点的距离作为标准长度；步骤S420、在需置换的髋关节的一侧，髂骨外表面与膝关节位置分别放置第三标记点和第四标记点，将第三标记点和第四标记点的距离作为测量长度l′；步骤S430、根据标准长度确定置换髋关节的假体型号，以使标准长度和测量长度的差值在腿长误差范围内。一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有髋关节置换手术中关键点空间测量控制程序，所述髋关节置换手术中关键点空间测量控制程序被处理器执行时实现如上述任意一项所述的髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法的步骤。一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制系统，所述系统包括：至少一个处理器；至少一个存储器，用于存储至少一个程序；当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现上述任一项所述的髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法。本专利技术的有益效果是：本专利技术公开一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法及系统，本专利技术通过利用光学技术采集在亚毫米级下的精准位置信息，可实时提供光学标记物的位置和方向反馈，通过光学定位技术捕捉机械臂上设置的标记点，基于髂骨上光学标记点建立人体的姿态坐标系，结合机械臂的机械坐标系，即可验证打磨角度是否在安全范围，并实时确定打磨厚度，确保髋臼打磨器在适宜角度区间内打磨髋臼软骨，直至达到规划设置的打磨厚度值。本专利技术无需复杂繁多的机械器材，占用空间小，且节省了硬件成本。本专利技术还具有操作简单，定位精准的优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤S100、对患者的髂骨进行光学扫描，以髂骨的空间位置为基准建立姿态坐标系；/n步骤S200、建立机械臂的机械坐标系，将所述机械臂上的末端执行器设置为髋臼打磨器，根据髋臼打磨器在姿态坐标系下的打磨角度确定髋臼打磨器在机械坐标系中的打磨角度，所述机械臂用于驱动髋臼打磨器打磨患者的髋臼软骨；/n步骤S300、获取在术前对髋臼软骨规划设置的打磨厚度值，实时调整髋臼打磨器在机械坐标系下的打磨角度，直至达到规划设置的打磨厚度值。/n

【技术特征摘要】
1.一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤S100、对患者的髂骨进行光学扫描，以髂骨的空间位置为基准建立姿态坐标系；
步骤S200、建立机械臂的机械坐标系，将所述机械臂上的末端执行器设置为髋臼打磨器，根据髋臼打磨器在姿态坐标系下的打磨角度确定髋臼打磨器在机械坐标系中的打磨角度，所述机械臂用于驱动髋臼打磨器打磨患者的髋臼软骨；
步骤S300、获取在术前对髋臼软骨规划设置的打磨厚度值，实时调整髋臼打磨器在机械坐标系下的打磨角度，直至达到规划设置的打磨厚度值。


2.根据权利要求1所述的一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法，其特征在于，所述步骤S100包括：
通过部署在手术台上空的光学定位传感器捕捉设置于患者的髂骨上的光学标记物，以所述光学标记物的空间位置确定人体的姿态坐标系。


3.根据权利要求2所述的一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法，其特征在于，所述步骤S200包括：
步骤S210、建立机械坐标系，通过部署在手术台上空的光学定位传感器捕捉设置于机械臂上的2个光学标记物，确定机械臂上的2个光学标记物在机械臂坐标系中的坐标；
步骤S220、通过转换矩阵将机械臂坐标系中2个光学标记物的坐标转换到姿态坐标系中；
步骤S230、将所述机械臂上的末端执行器设置为髋臼打磨器，确定髋臼打磨器在姿态坐标系中的坐标；
步骤S240、根据髋臼打磨器在姿态坐标系下的打磨角度确定髋臼打磨器在机械坐标系中的打磨角度，所述打磨角度包括外展角和前倾角。


4.根据权利要求3所述的一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法，其特征在于，所述步骤S240包括：
将髋臼打磨器平移到姿态坐标系的坐标原点，将姿态坐标系下髋臼打磨器与姿态坐标系的x1O1y1平面的夹角作为外展角α1，将髋臼打磨器与姿态坐标系的x1O1z1面的夹角作为前倾角β1，将基于姿态坐标系的外展角和前倾角投影到机械坐标系中。


5.根据权利要求4所述的一种髋关节置换手术中关键点空间测量控制方法，其特征在于，所述步骤S300包括：
步骤S310、在术前采集患者髂骨的CT图像，...

【专利技术属性】
技术研发人员：范衠，胡军，陈洪江，宁为博，黄文宁，蔡堉伟，朱智健，朱家祺，容毅标，袁野，谢敏冲，陈添善，许宏武，张建军，
申请(专利权)人：汕头大学，汕头大学医学院第一附属医院，汕头大学医学院，
类型：发明
国别省市：广东;44