一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法技术方案

一种用于确定髌骨切除平面的系统与方法，从髌骨图像模型的髌骨表面选择三个标志点P；确定以这些标志点为顶点的三角形内接圆半径R0；获取将以髌骨图像模型几何中心点CP为圆心和半径R0的圆形CR在髌骨前表面上的投影交线BS所划定区域S内的像素点集A，对其中所有点进行最小二乘法拟合，确定辅助平面P，将辅助平面P沿其法向量平移直至与点Q重合时的平面，确定为切除平面H，该点Q为切除平面H上的点且将与待植入的植入物的基体平面W的中心点Bc重合。然后通过精确的旋转和平移来确定植入物的正确位姿，其中，基于基体平面W上的中心点Bc和三个非共线点，确定基体平面W的法线向量，由此确定旋转角α和旋转矩阵R和平移向量。定旋转角α和旋转矩阵R和平移向量。定旋转角α和旋转矩阵R和平移向量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法


[0001]本专利技术涉及用于一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法、计算机手术系统及计算机可读存储介质。

技术介绍

[0002]在全膝关节置换术(TKA)中进行髌骨表面重建时，在手术过程中难以精确和对称地切除不规则形状的髌骨，并难以识别和定义理想的切除平面与植入物配合，而切除深度不足和切除不对称会导致膝前疼痛、髌骨骨折和髌骨漂移。因此，改进髌骨表面重建技术以获得与植入物更加匹配的切除平面，可以提高患者的治疗质量和手术满意度。
[0003]尽管为此使用3D成像和术前计划的计算机辅助手术的最新技术进步已被引入骨科界，以提高手术的准确性和安全性，仍需要解决如何精确地确定髌骨的骨切除平面和术前计划期间植入物的正确位置的技术问题。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种用于确定髌骨切除平面的系统和方法，能够精确地确定髌骨的骨切除平面和术前计划期间植入物的正确位置。
[0005]根据本专利技术的一方面，提供一种用于确定髌骨切除平面的系统，通过基于髌骨的成像数据和种植体的外形结构特征数据在计算机系统中生成三维虚拟图像模型，确定用于和种植体相匹配的髌骨切除平面H，能够实现如下步骤：从髌骨图像模型的髌骨表面选择三个结构特征点作为三个标志点：最外侧点LP、最内侧点MP和最低点IP，并获取种植体顶部的顶点TP和种植体底部的基体平面上的任意三个非共线点：第一基点B1、第二基点B2、第三基点B3；以所述三个标志点为顶点定义一个三角形，确定该三角形的内接圆半径R0，并确定髌骨图像模型的几何中心点CP；获取将以所述几何中心点CP为圆心和半径R0的圆形CR朝矢状面上正前侧在髌骨前表面上的投影交线BS和髌骨前表面顶点之间所划定的沿着髌骨前表面的区域S内的像素点集A，其中，，An代表在部分区域S内获取的髌骨前表面上的任意点（x
n
,y
n
,z
n
），n为自然数；通过对所述点集A中的所有点A1, A2,
……
An进行最小二乘法拟合，确定辅助平面P，从而得到垂直于辅助平面P的法向量 ，其中，a、b、c为法向量的参数， ，（式2）；将辅助平面P沿法向量平移直至与点Q重合时的平面，确定为切除平面H，其中，点Q为几何中心点CP投影在该切除平面H上的点且将与待植入的植入物的基体平面W的中心
点Bc重合，与髌骨的从顶点朝向底部的后部方向上离切除平面H最远的后位点T之间满足： ，（式3），其中，k为后位点T沿法向量方向的长度分量，h为植入物的从顶点至基体平面W之间的高度。
[0006]优选地，通过寻找包围髌骨图像模型的面积最小的圆周或面积最小的矩形和/或长方体来获取髌骨的几何中心点CP。
[0007]优选地，基于右手定则、由上述三个标志点定义的向量以及关于髌骨属于右膝还是左膝的信息来确定髌骨图像模型的前侧和后侧。
[0008]优选地，对所述法向量进行归一化并检查其方向是否朝向髌骨图像模型的后侧，否则通过乘以
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1来反转方向。
[0009]优选地，还能够实现如下用于通过旋转和平移确定植入物位姿的步骤：基于植入物的基体平面W的中心点Bc和所述三个非共线点，确定所述基体平面W的法线向量；由所述法线向量和所述法向量的叉乘，计算得到旋转向量Rv，，旋转角α和旋转矩阵R的关系为： ，（式4）， ，（式5），K是初始旋转矩阵，I是单位矩阵；确定平移向量为： ，（式6），其中，BC代表上述Bc点；得出将植入物放置在正确位置的最终转换： ，（式7），其中，X代表植入物的空间坐标位置。
[0010]根据本专利技术的另一方面，提供一种用于确定髌骨切除平面的方法，通过执行以上所述的步骤来确定髌骨切除平面，并基于该髌骨切除平面来确定植入物位姿。
[0011]根据本专利技术的再一方面，提供一种计算机手术系统，包括用于协助截骨定位的机械手末端，用于建立坐标系的计算机装置，用于获取植入物坐标系的数据采集装置和控制器，所述控制器用于执行存储器中存储的计算机程序来实现以上任一项所述的步骤，来进行术前规划。
[0012]根据本专利技术的还一方面，提供一种存储介质，其为计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被执行来实现以上任一项所述的步骤。
[0013]根据本专利技术的技术方案，能够使用3D成像在术前计划的计算机辅助手术中提高手术的准确性和安全性，可精确地确定髌骨的骨切除平面和术前计划期间植入物的正确位置。
附图说明
[0014]图1
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3是根据本专利技术示例性实施例的用于确定辅助平面的示意图；图4是示出基于与前位点和后位点的位置关系来确定切除平面的示意图；图5
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6是示出植入物的外形轮廓与其基体平面的示意图。
具体实施方式
[0015]下面结合附图详细描述本专利技术的示例性实施例。下文描述的和附图示出的示例性实施例旨在教导本专利技术的原理，使本领域技术人员能够在若干不同环境中和对于若干不同应用实施和使用本专利技术。因此，本专利技术的保护范围由所附的权利要求来限定，示例性实施例并不意在、并且不应该被认为是对本专利技术保护的范围的限制性描述。
[0016]根据本专利技术示例性实施例的方法，可用于在TKA前确定髌骨在植入物上正确匹配的位置，尤其可以应用于术前规划以及植入物的旋转对齐，从而改善长期的临床结果并提高假体的存活率。
[0017]<髌骨表面三维图像重建>要在TKA中进行髌骨切除从而用人造的植入物替换被截除的软骨和骨骼时，作为术前规划的一个主要目标，要确保髌骨在植入物上的正确对准，从而为后续的手术提供指导。为此，本专利技术人锐意创新而得出一种改进的髌骨表面重建处理技术，以获得与植入物更加匹配的切除平面，并可相应地确定术前计划期间植入物的正确位置。
[0018]在针对髌骨的至少一部分的TKA的情况下，可基于现有的软硬件技术条件进行髌骨的3D虚拟显示。例如，在术前规划中，可以通过传统的交互式术前规划软件，使用诸如CT（Computed Tomography，计算机断层扫描）、一系列X射线、超声、或磁共振成像（MRI）的成像模态获得患者的髌骨的成像数据，以数字化成像传输到计算机系统后，生成骨骼的3D图像模型。在特定实施例中，患者的骨骼可以由用户手动、半手动或自动分割以生成骨骼的3D模型。其中，CT影像常被用来作为手术规划的参考。CT影像可以被搬入虚拟空间，通过相同特征点提取，CT影像中的骨头与真实骨头的结构可以进行重合，从而将CT影像中骨头的整个结构搬入虚拟空间中，代替真实骨头结构在虚拟空间中的位姿。这一过程的主要目的有：1，在虚拟坐标系中展示骨头整体结构；2，协助医生做手术规划，允许医生将植入物放置到骨骼解剖结构的3D模型中，以指定在骨骼上的植入物的最佳位置和对齐。还可进一步地辅助手术机器人进行假体部件与髌骨之间的准确拟合，即假体的模拟装配。
[0019]由此得出的术前规划数据还可以用于制造患者特异性仪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于确定髌骨切除平面的系统，通过基于髌骨的成像数据和种植体的外形结构特征数据在计算机系统中生成三维虚拟图像模型，其特征在于，能够实现如下步骤，来确定用于和种植体相匹配的髌骨切除平面H：从髌骨图像模型的髌骨表面选择三个结构特征点作为三个标志点：最外侧点LP、最内侧点MP和最低点IP，并获取种植体顶部的顶点TP和种植体底部的基体平面上的任意三个非共线点：第一基点B1、第二基点B2、第三基点B3；以所述三个标志点为顶点定义一个三角形，确定该三角形的内接圆半径R0，并确定髌骨图像模型的几何中心点CP；获取将以所述几何中心点CP为圆心和半径R0的圆形CR朝矢状面上正前侧在髌骨前表面上的投影交线BS和髌骨前表面顶点之间所划定的沿着髌骨前表面的区域S内的像素点集A，其中，，An代表在部分区域S内获取的髌骨前表面上的任意点（x
n
,y
n
,z
n
），n为自然数；通过对所述点集A中的所有点A1, A2,
……
An进行最小二乘法拟合，确定辅助平面P，从而得到垂直于辅助平面P的法向量 ，其中，a、b、c为法向量的参数， ，（式2）；将辅助平面P沿法向量平移直至与点Q重合时的平面，确定为切除平面H，其中，点Q为所述几何中心点CP投影在该切除平面H上的点且将与待植入的植入物的基体平面W的中心点Bc重合，与髌骨的从顶点朝向底部的后部方向上离切除平面H最远的后位点T之间满足： ，（式3），其中，k为后位点T沿法向量方向的长度分量，h为植入物的从顶点至基体平面W之间的高度。2.根据权利要求1所述的用于确定髌骨切除平面的系统，其特征在于，通过寻找包围髌骨图像模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：林必贵，M，
申请(专利权)人：杭州素问九州医疗科技有限公司，
类型：发明
国别省市：