髋关节骨科手术导航系统技术方案

本发明专利技术涉及一种髋关节骨科手术导航系统，该系统包括光学导航系统、手持动力系统、计算机主控系统、无线通信系统和图像配准系统，图像配准系统用于对患者髋关节病灶进行CT扫描后进行分割模型，结合安装在患者骨组织上的追踪靶标的实时位置得到病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型，以医学图像为载体，采用双目视觉跟踪手术工具与患者髋臼杯实体的相对位姿，并在病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型间进行基于髋臼杯特征点的一次配准和二次配准；一次配准是通过分别设置在髋臼上部、髋臼前部和髋臼后部的CT标志点确定骨盆髋臼初始位置的定位；二次配准是通过分别设置在骨盆髋臼上的各不重合的32个CT标志点确定骨盆髋臼的精确空间位置。位置。位置。

【技术实现步骤摘要】
髋关节骨科手术导航系统


[0001]本专利技术涉及医疗仪器
，具体涉及一种髋关节骨科手术导航系统。

技术介绍

[0002]髋关节是人体最大的球凹关节，髋臼软骨下骨近似于球面，股骨头和髋臼关节面之间具有轮廓相似的球面结构，二者运动过程中髋臼和股骨头两个曲面之间始终保持相切或平行的关系。髋臼在发育过程中通过自然选择的过程形成了不同概念的外展角和前倾角，股骨也形成了不同的颈干角，这种差异性从本质上适应了不同个体生物力学的需要。但是，髋关节作为体重的支撑和下肢活动能够功能的主要架构，常因为磨损等原因而并发骨性关节炎等，导致解剖截骨的改变和关节生理功能的减退，进而需要进行髋关节骨科手术。
[0003]目前常见的髋关节骨科手术包括人工髋关节表面置换术或人工全髋关节置换术。人工髋关节表面置换术中在处理假体时，通常是由手工测量和经验把握，利用股骨颈中心定位器等辅助定位极易受到术中体位变化的影响。人工全髋关节置换术中需要尽可能地将臼杯安放在真臼位置以避免假体在置换后的非生理状态下产生生物力学的变化，但是临床上在置放髋臼假体时，常会面临髋臼以及股骨近端解剖变异等情况，关于如何准确定位臼杯假体的理想方位目前仍然没有一个统一可靠的标准，实际操作中很大程度上依赖于术者的个人经验。而采用骨科手术导航系统能够改善手术质量，提高手术效率，有利于实现精准医疗与微创操作。
[0004]骨科手术导航系统是应用计算机辅助骨科手术技术，基于术中图像，采用相应定位手段对手术部位和术中的手术器械进行精确的实时跟踪、显示和引导，从而使骨科医生能够根据导航图像开展手术。骨科手术导航系统的工作原理为：在患者的手术部位附近和手术器械上安装能够发出信号的装置，通常采用红外线作为发射源、CCD相机为接收器，利用发出的信号对患者的骨骼位置和手术器械的位置以及运动轨迹进行跟踪，同时将这些信息通过显示器展示给医生；在术中进行患者手术部位的X线透视，并将透视图像与得到的患者骨骼位置和手术器械位置图像进行合成，从而得到医生进行手术采用的导航图像。采用骨科手术导航系统后，医生在手术中首先在患者手术部位附近和手术器械上安装示踪器，然后拍摄患者手术部位的透视图像，此时，在导航软件模块上就能看到手术器械进入患者身体内部的虚拟图像，这样就能在导航显示器上实时观看手术器械与患者手术部位的位置关系，并可以根据导航系统制定的手术规划完成整个手术。
[0005]但是现有技术中的骨科手术导航系统在图像配准方面还存在很大的改进空间。现有技术中，骨科手术导航系统在图像配准方面容易出现平移、伸缩、旋转等图像失真问题，而且由于不同批次采集得到的医学图像在局部显影上具有一定的失真，直接会影响配准的精度。而且现有技术中骨科手术导航系统完成配准消耗的平均时间较长，用户体验不佳。
[0006]另外，现有技术中的骨科手术导航系统没有设置安全区域预警，无法保证手术操作的安全有效。

技术实现思路

[0007]本专利技术旨在提供一种髋关节骨科手术导航系统，所要解决的技术问题至少包括如何提高图像配准的精度，缩短配准时间，提高用户体验，设置安全区域预警，保证手术操作的安全有效。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供一种髋关节骨科手术导航系统，包括光学导航系统、手持动力系统、计算机主控系统、无线通信系统和图像配准系统，所述的图像配准系统用于对患者髋关节病灶进行CT扫描后进行分割模型，结合安装在患者骨组织上的追踪靶标的实时位置得到病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型，以医学图像为载体，采用双目视觉跟踪手术工具与患者髋臼杯实体的相对位姿，并在病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型间进行基于髋臼杯特征点的一次配准和二次配准；所述的一次配准是通过分别设置在髋臼上部、髋臼前部和髋臼后部的CT标志点确定骨盆髋臼初始位置的定位；所述的二次配准是通过分别设置在骨盆髋臼上的各不重合的32个CT标志点确定骨盆髋臼的精确空间位置；所述的手持动力系统上设置有光学靶标，所述的光学导航系统用于在手术实施过程中实时捕捉手持动力系统上的光学靶标的位置以及安装在患者骨组织上的追踪靶标的实时位置，所述的计算机主控系统与所述的手持动力系统之间能够无线通信，所述的计算机主控系统根据所述的光学导航系统实时捕捉的手持动力系统上的光学靶标的位置以及安装在患者骨组织上的追踪靶标的实时位置和所述的图像配准系统通过一次配准和二次配准确定的骨盆髋臼的精确空间位置进行计算，形成对所述手持动力系统的实时控制信号，经由无线通信控制所述的手持动力系统；针对通过术前系统规划确定的假体位置，所述的计算机主控系统能够生成控制边界及深度边界，进行实时的跟踪响应，对超出术前系统规划的条件作出停机响应，保证了磨骨过程的安全有效。
[0009]优选地，所述的髋臼上部选择在髋臼上缘外侧；所述的髋臼前部选择在髋臼上缘外侧；所述的髋臼后部选择在马蹄窝后面关节面上。
[0010]优选地，所述的一次配准的具体方法为：将骨盆髋臼的旋转中心作为圆心抽象出一个近似圆球，使分别设置在髋臼上部、髋臼前部和髋臼后部的CT标志点作为抽象出的近似圆球的表面上的点，骨盆髋臼的旋转中心与设置在髋臼上部、髋臼前部和髋臼后部的CT标志点的直线距离作为半径R，采用最小二乘法完成该近似圆球的函数拟合并将拟合函数的误差最小化，设拟合后所述的近似圆球的圆心在世界坐标系下的坐标为(α,β,γ)，拟合后所述的近似圆球的表面上的任意一点在世界坐标系下的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，每一点拟合后估计值与实际值之间的差值e
i
(α,β,γ,R)的数学模型（拟合函数）为：e
i
(α,β,γ,R)=(x
i
–
α)2+(y
i
–
β)2+(z
i
–
γ)2‑
R2；所述的拟合函数的误差的平方和E(α,β,γ,R)的数学模型为：;其中，N为大于或等于3的整数；使所述的拟合函数的误差的平方和E(α,β,γ,R)对α,β,γ,R分别求偏导数，令所述的偏导数分别等于0，从而求出α,β,γ,R的数值解；其中α,β,γ代表的坐标值即为骨盆髋臼的旋转中心在世界坐标系下的初始位置的定位信息。
[0011]优选地，所述的二次配准的具体方法为：假设分别设置在骨盆髋臼上的各不重合的32个CT标志点在世界坐标系下的坐标为(x
j
,y
j
,z
j
)，计算32个CT标志点与α,β,γ代表的坐标值所表征的点之间的距离均值L： ；用距离均值L代替一次配准中的半径R，重新拟合后所述的近似圆球的表面上的每一点拟合后估计值与实际值之间的差值e
j
(α,β,γ,L)的数学模型（拟合函数）为：e
j
(α,β,γ,L)=(x
j
–
α)2+(y
j
–
β)2+(z
j
–
γ)2‑
L2；由于距离均值L为计算得到的已知数值本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种髋关节骨科手术导航系统，其特征在于，所述的髋关节骨科手术导航系统包括光学导航系统、手持动力系统、计算机主控系统、无线通信系统和图像配准系统，所述的图像配准系统用于对患者髋关节病灶进行CT扫描后进行分割模型，结合安装在患者骨组织上的追踪靶标的实时位置得到病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型，以医学图像为载体，采用双目视觉跟踪手术工具与患者髋臼杯实体的相对位姿，并在病患髋臼杯图像和髋臼杯三维模型间进行基于髋臼杯特征点的一次配准和二次配准；所述的一次配准是通过分别设置在髋臼上部、髋臼前部和髋臼后部的CT标志点确定骨盆髋臼初始位置的定位；所述的二次配准是通过分别设置在骨盆髋臼上的各不重合的32个CT标志点确定骨盆髋臼的精确空间位置；所述的手持动力系统上设置有光学靶标，所述的光学导航系统用于在手术实施过程中实时捕捉手持动力系统上的光学靶标的位置以及安装在患者骨组织上的追踪靶标的实时位置，所述的计算机主控系统与所述的手持动力系统之间能够无线通信，所述的计算机主控系统根据所述的光学导航系统实时捕捉的手持动力系统上的光学靶标的位置以及安装在患者骨组织上的追踪靶标的实时位置和所述的图像配准系统通过一次配准和二次配准确定的骨盆髋臼的精确空间位置进行计算，形成对所述手持动力系统的实时控制信号，经由无线通信控制所述的手持动力系统；针对通过术前系统规划确定的假体位置，所述的计算机主控系统能够生成控制边界及深度边界，进行实时的跟踪响应，对超出术前系统规划的条件作出停机响应，保证磨骨过程的安全有效。2.根据权利要求1所述的髋关节骨科手术导航系统，其特征在于，所述的髋臼上部选择在髋臼上缘外侧；所述的髋臼前部选择在髋臼上缘外侧；所述的髋臼后部选择在马蹄窝后面关节面上。3.根据权利要求1所述的髋关节骨科手术导航系统，其特征在于，所述的一次配准的具体方法为：将骨盆髋臼的旋转中心作为圆心抽象出一个近似圆球，使分别设置在髋臼上部、髋臼前部和髋臼后部的CT标志点作为抽象出的近似圆球的表面上的点，骨盆髋臼的旋转中心与设置在髋臼上部、髋臼前部和髋臼后部的CT标志点的直线距离作为半径R，采用最小二乘法完成该近似圆球的函数拟合并将拟合函数的误差最小化，设拟合后所述的近似圆球的圆心在世界坐标系下的坐标为(α,β,γ)，拟合后所述的近似圆球的表面上的任意一点在世界坐标系下的坐标为(x
i
,y
i
,z
i
)，每一点拟合后估计值与实际值之间的差值e
i
(α,β,γ,R)的拟合函数为：e
i
(α,β,γ,R)=(x
i
–
α)2+(y
i
–
β)2+(z
i
–
γ)2‑
R2；所述的拟合函数的误差的平方和E(α,β,γ,R)的数学模型为：;其中，N为大于或等于3的整数；使所述的拟合函数的误差的平方和E(α,β,γ,R)对α,β,γ,R分别求偏导数，令所述的偏导数分别等于0，从而求出α,β,γ,R的数值解；其中α,β,γ代...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳术俊，魏章利，许奎雪，张杰，张振东，李扬，史春生，史春宝，孙涛舰，
申请(专利权)人：北京市春立正达医疗器械股份有限公司，
类型：发明
国别省市：