基于双目标定的膝关节置换手术导航方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术涉及基于双目标定的膝关节置换手术导航方法、系统及设备。包括：通过双摄像头获取参考架图像，根据所述参考架图像得到实时的参考架空间位姿信息；基于参考架图像完成股骨手术区域注册和胫骨手术区域注册，其中，所述参考架包括第一参考架和第二参考架。本发明专利技术方法旨在基于双目空间射线焦点进行定位，通过实时注册并定量计算股骨与胫骨关键点位，快速引导手术切割角度和深度，发掘其在协助外科医生实现最佳手术结果中的潜在应用价值。实现最佳手术结果中的潜在应用价值。实现最佳手术结果中的潜在应用价值。

【技术实现步骤摘要】
基于双目标定的膝关节置换手术导航方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及临床医学中的膝关节置换手术导航领域，更具体地，涉及基于双目标定的膝关节置换手术导航、系统、设备、计算机可读存储介质及其应用。

技术介绍

[0002]全膝关节置换术(TKA)是治疗终末期膝关节疾病的有效方法，是骨科目前最常用且疗效确切的技术之一。全膝关节置换术的主要目标是改善关节稳定性、活动范围、功能和缓解疼痛，适当的假体对线和软组织平衡是实现这些目标的重要因素。许多外科医生使用测量截骨和间隙平衡的混合技术来完成TKA手术，获得目标结果。在这种情况下，手术的成功率极大依赖于医生以往的经验来行膝关节置换术，而以往经验的形成需要长时间的医疗培训和临床经验。
[0003]膝关节置换是一个对精准度要求异常严苛的手术，假体位置和下肢力线稍有偏差都会影响到假体使用寿命和术后患者恢复情况。尽管在假体设计、手术技术、技术创新和对膝关节运动学的理解方面取得了进步，但由于多因素的影响，近20%的患者在TKA术后仍不满意。不同医生甚至同一个医生在不同的生理和心理状态所做出的医疗规划和决策也不尽相同，从而导致手术成功率的不稳定性，容易出现术后脱位、感染等并发症。因此，做好术中导航更为重要。
[0004]基于股骨远端和胫骨近端截骨决定了假体对线和整体下肢力线，本申请旨在提出一种膝关节置换手术导航方法、系统及设备，以减少术中手动测量评估，缩短手术时间，提高手术精度和成功率。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于，本申请实施例提供一种基于双目标定的膝关节置换手术导航方法、系统、设备、计算机可读存储介质及其应用，其旨在通过双摄像头获取的参考架图像完成股骨手术区域和胫骨手术区域的注册，基于双目标定原理定量计算股骨与胫骨关键点位的新技术，以减少术中手动测量评估，缩短手术时间，提高手术精度，发掘其在协助外科医生实现最佳手术结果的临床应用价值，给患者的术中决策提供更充分的技术支持。
[0006]根据本申请的第一方面，本申请一实施例提供了基于双目标定的膝关节置换手术导航方法，其包括：获取参考架图像，根据所述参考架图像得到实时的参考架的空间位姿信息，其中，所述参考架包括第一参考架和第二参考架；基于所述参考架图像完成股骨手术区域注册和胫骨手术区域注册，具体步骤如下：所述股骨手术区域注册，包括：将第一参考架固定于股骨，周转手术腿，根据第一参考架的空间位姿信息，确定股骨头中心点；
将第二参考架置于股骨髁中心点以确定股骨髁中心点；基于股骨头中心点、股骨髁中心点，获得股骨的机械轴；基于第二参考架的轴线、股骨头中心点、股骨髁中心点，得到股骨的坐标系；将第二参考架的轴线与股骨的怀特线对齐以确定矢状位，基于所述矢状位、机械轴获得股骨切割角度；将第二参考架在股骨内外髁移动以确定股骨内外髁最远端；基于假体信息和股骨内外髁最远端计算得到股骨切割深度；输出所述股骨切割角度和股骨切割深度引导股骨髁切割；所述胫骨手术区域注册，包括：将第一参考架固定于胫骨；将第二参考架置于胫骨内外踝点，确定胫骨内外踝点；将第二参考架置于胫骨平台中心点以确定胫骨平台中心点；基于所述胫骨平台中心点、胫骨内外踝点，得到胫骨的机械轴；基于所述胫骨平台中心点、胫骨内外踝点和第二参考架的轴线，得到基于胫骨建立的标准坐标系；将第二参考架的轴线与胫骨的AP面对齐以确定矢状位，基于所述矢状位、机械轴获得胫骨切割角度；将第二参考架置于胫骨内外上关节面最凹点以确定胫骨内外上关节面最凹点；基于假体信息和胫骨内外上关节面最凹点计算得到胫骨切割深度；输出所述胫骨切割角度和胫骨切割深度引导胫骨切割。
[0007]进一步，所述获取参考架图像，根据所述参考架图像得到实时的参考架的空间位姿信息的具体方法为：通过左右两个相机分别获取参考架图像，基于所述参考架图像生成特征点，计算出特征点的三维空间坐标和空间位姿，基于特征点的三维空间坐标和空间位姿计算出参考架的空间位姿信息。
[0008]再进一步，所述特征点基于所述参考架图像的关键特征检测生成，具体的过程是通过左右两个相机的双目空间射线焦点进行空间位置的定位计算，逐点遍历参考架图像中的像素点，通过查找是否存在指定的特殊形状，来匹配生成。
[0009]在一实施例中，所述参考架是手术过程用到的关键手术工具，具体的所述第一参考架是指患者追踪器，所述第二参考架是指探针。更为具体的，完成股骨手术区域注册和/或胫骨手术区域注册的第一参考架、第二参考架可以是一个也可以是多个。
[0010]在一实施例中，所述股骨手术区域和胫骨手术区域通过对获取的参考架图像进行轮廓检测实现股骨手术区域和胫骨手术区域特征点的识别与匹配，定位得到。
[0011]在一些实施例中，所述股骨头中心点的确定过程为：在一定范围内通过周转手术腿，根据周转手术腿随之旋转产生的第一参考架的空间位姿信息拟合得到圆球球心，所述球心即股骨头中心点。
[0012]在一些实施例中，所述股骨切割角度通过将第二参考架放在切割块所在切割面的卡槽里，基于所述股骨的坐标系进行自动计算所述切割面与所述矢状位的夹角得到；可选的，所述胫骨切割角度通过将第二参考架放在对应的切割块所在切割面的卡槽里，基于所述基于胫骨建立的标准坐标系自动计算所述切割面与对应的矢状位的夹角得到。
[0013]在一实施例中，所述股骨切割深度，通过探针点云方式测量并确定股骨内外髁最远端，即股骨内外髁最凸处点所在所述股骨的坐标系的相对坐标位置，再计算所述股骨内外髁最远端与所述假体信息中的假体厚度的差，得到股骨切割深度。
[0014]进一步，所述胫骨切割深度，通过测量并确定胫骨内外上关节面最凹处点所在所述基于胫骨建立的标准坐标系中的相对位置，再计算所述胫骨内外上关节面最凹处点与所述假体信息中的假体厚度的差，得到胫骨切割深度。
[0015]在一实施例中，所述股骨手术区域注册和/或胫骨手术区域注册还可以通过特征点配准的方法实现切割深度和角度的实时导航；可选的，所述特征点配准的方法通过下列网络模型中的任意一种或几种组合实现：多视图三维重建网络pixelNeRF、MVSNet、PatchMatchNet、JDACS
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MS。
[0016]根据本申请的第二方面，本申请一实施例提供了基于双目标定的膝关节置换手术导航系统，其包括：获取模块，获取参考架图像，根据所述参考架图像得到实时的参考架的空间位姿信息；其中，所述参考架包括第一参考架和第二参考架，所述第一参考架是指患者追踪器，所述第二参考架是指探针；区域注册模块，包括股骨手术区域注册子模块和胫骨手术区域注册子模块；其中，所述股骨手术区域注册子模块，包括：将第一参考架固定于股骨，周转手术腿，根据第一参考架的空间位姿信息，确定股骨头中心点；将第二参考架置于股骨髁中心点以确定股骨髁中心点；基于股骨头中心点、股骨髁中心点，获得股骨的机械轴；基于第二参考架的轴线、股骨头中心点、股骨髁中心点，得到股骨的坐标系；将第二参考架的轴线与股骨的怀特线对齐以确定矢状位，基于所述矢状位、机械轴获得股骨切割本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于双目标定的膝关节置换手术导航方法，其特征在于，所述方法包括：获取参考架图像，根据所述参考架图像得到实时的参考架的空间位姿信息，其中，所述参考架包括第一参考架和第二参考架；基于所述参考架图像完成股骨手术区域注册和胫骨手术区域注册，具体步骤如下：所述股骨手术区域注册，包括：将第一参考架固定于股骨，周转手术腿，根据第一参考架的空间位姿信息，确定股骨头中心点；将第二参考架置于股骨髁中心点以确定股骨髁中心点；基于股骨头中心点、股骨髁中心点，获得股骨的机械轴；基于第二参考架的轴线、股骨头中心点、股骨髁中心点，得到股骨的坐标系；将第二参考架的轴线与股骨的怀特线对齐以确定矢状位，基于所述矢状位、机械轴获得股骨切割角度；将第二参考架在股骨内外髁移动以确定股骨内外髁最远端；基于假体信息和股骨内外髁最远端计算得到股骨切割深度；输出所述股骨切割角度和股骨切割深度引导股骨髁切割；所述胫骨手术区域注册，包括：将第一参考架固定于胫骨；将第二参考架置于胫骨内外踝点，确定胫骨内外踝点；将第二参考架置于胫骨平台中心点以确定胫骨平台中心点；基于所述胫骨平台中心点、胫骨内外踝点，得到胫骨的机械轴；基于所述胫骨平台中心点、胫骨内外踝点和第二参考架的轴线，得到基于胫骨建立的标准坐标系；将第二参考架的轴线与胫骨的AP面对齐以确定矢状位，基于所述矢状位、机械轴获得胫骨切割角度；将第二参考架置于胫骨内外上关节面最凹点以确定胫骨内外上关节面最凹点；基于假体信息和胫骨内外上关节面最凹点计算得到胫骨切割深度；输出所述胫骨切割角度和胫骨切割深度引导胫骨切割。2.根据权利要求1所述的基于双目标定的膝关节置换手术导航方法，其特征在于，所述获取参考架图像，根据所述参考架图像得到实时的参考架的空间位姿信息的具体方法为：通过左右两个相机分别获取参考架图像，基于所述参考架图像生成特征点，计算出特征点的三维空间坐标和空间位姿，基于特征点的三维空间坐标和空间位姿计算出参考架的空间位姿信息。3.根据权利要求2所述的基于双目标定的膝关节置换手术导航方法，其特征在于，所述特征点基于所述参考架图像的关键特征检测生成，具体的过程是基于左右两个相机的双目空间射线焦点进行空间位置的定位计算，逐点遍历所述参考架图像中的像素点，通过查找是否存在指定的特殊形状，来匹配生成。4.根据权利要求1所述的基于双目标定的膝关节置换手术导航方法，其特征在于，所述股骨手术区域和胫骨手术区域通过对获取的参考架图像进行轮廓检测实现股骨手术区域和胫骨手术区域特征点的识别与匹配，定位得到。
5.根据权利要求1所述的基于双目标定的膝关节置换手术导航方法，其特征在于，所述股骨切割深度，通过探针点云方式测量并确定股骨内外髁最远端，即股骨内外髁最凸处点所在所述股骨的坐标系的相对坐标位置，再计算所述股骨内外踝最远端与所述假体信息中的假体厚度的差，得到股骨切割深度；可选的，所述胫骨切割深度，通过测量并确定胫骨内外上关节面最凹处点所在所述基于胫骨建立的标准坐标系中的相对位置，再计算所述胫骨内外上关节面最凹处点与所述假体信息中的假体厚度的差，得到胫骨切割深度。6.根据权利要求1所述的基于双目标定的膝关节置换手术导航方法，其特征在于，所述股骨切割角度通过将第二参考架放在...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁通，
申请(专利权)人：北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司，
类型：发明
国别省市：