骨骼注册方法及系统、手术机器人系统以及存储介质技术方案

提供用于手术导航系统的骨骼注册方法、系统及手术机器人系统及存储介质，包括：利用术前的骨骼图像数据获得源点集SPS；利用从实际骨骼表面采集的点数据生成目标点集TPS；从SPS与TPS选取4组点对进行初始配准，求取变换T1；使用该变换T1和SPS，将TPS转换为与SPS相重叠的三维模型空间，通过迭代修改从实际骨骼表面采集的点L

【技术实现步骤摘要】
骨骼注册方法及系统、手术机器人系统以及存储介质


[0001]本专利技术涉及一种用于提高骨骼注册精度的方法，更具体地，涉及骨科手术中的骨骼注册方法及系统、存储介质以及手术机器人系统。

技术介绍

[0002]计算机辅助手术导航系统被广泛应用于各种外科手术中，其目的是提高手术的准确性和精确度。导航手术作为存在于医学的各个领域的一项技术，需要一个光学跟踪系统(例如定位仪)来执行术前、术中的注册(亦称配准)，以实现手术情况的跟踪。
[0003]其中，注册是一个非常重要的过程，通过它能够在软件中找到术前平面坐标系和手术室(术中)坐标系之间的转换，从而能够可视化手术器械相对于术中区域的三维模型的位置和方向。注册方法的优劣会实时地影响手术导航精度。
[0004]目前手术导航系统所采用的标记点注册方法中，标记点包括：骨植入螺钉标记点、解剖标志点以及粘贴于皮肤表面的标记点。另外，当前基于骨科手术机器人系统的手术中，多采用手持探针的接触式采样方式来采集、测量骨表面的位置信息，以与患者的术前图像进行注册。虽然标记点注册方法配准更快捷，然而，顾忌于对患者造成的额外创伤和疼痛、人为操作误差、识别难度、光线遮挡、标记点掉落、需要额外消毒等因素，在该方法中，一般倾向于尽量限制需要采集的点的数量，或者要由系统通过显示来指导外科医生所要采集的点进行配准。这不仅容易影响精度，也影响可操作性。

技术实现思路

[0005]鉴于上述问题，本专利技术的目的在于提出一种新的算法，该算法允许在软件中的术前计划坐标系和患者真实骨骼坐标系之间容易地进行精确的注册配准。
[0006]具体地，根据本专利技术的一方面，提供一种骨骼注册方法，用于确定术前坐标系和术中坐标系之间的变换关系，其特征在于，包括以下步骤：利用术前的骨骼图像数据，建立3D虚拟模型的术前坐标系，并从该3D虚拟模型的表面获得源点集SPS；利用术中从实际骨骼表面采集的点数据，建立术中坐标系，并生成目标点集TPS；从源点集SPS与目标点集TPS选取4组的对应点对，进行源点集SPS与目标点集TPS之间的初始配准，求取第一变换T1；使用第一变换T1以及源点集SPS，将目标点集TPS转换为与源点集SPS的三维模型空间相重叠的三维模型空间，通过对从实际骨骼表面采集的点L
i
进行迭代修改，以改善第一变换误差，直到该误差小于预先设定的阈值或达到最大迭代次数，从而求取精确变换矩阵与注册误差，其中，针对点L
i
的迭代修改，是通过在以该点L
i
为圆心的球体内随机选择4个点，求取各随机点与在3D虚拟模型上的对应点M
i
之间的第一变换T1以及新的第一变换误差来进行，其中，i为自然数。
[0007]优选地，如果第一变换误差不满足改善条件，则在球体内再选择4个随机点，重新计算第一变换T1及其误差直到误差减小，更新球体的中心并重复迭代修改过程；如果第一变换误差满足改善条件，将另一新的点L
i+1
作为新球体的中心，以获得新的随机点并重复迭
代修改过程。
[0008]优选地，球体的半径为2mm。
[0009]优选地，自然数i＝1,2，
…
30。
[0010]优选地，如果上述注册过程达到最大迭代次数并且没有收敛到所建立的误差阈值，则将所产生的第一变换T1用作刚性配准算法的初始变换。
[0011]优选地，设输入为：源点集SPS、目标点集TPS、从3D虚拟模型中选定的四个点PM
n
，从实际股骨中选定的四个点PB
n
，最大迭代次数m，通用误差阈值G
e
，设该算法的目标输出为：注册误差R
e
，第二变换T2，该方法还包括如下步骤：设定初始误差E；基于PB
n
点集找到对应球心C
n
；开始i＝1，2,
…
，m自然数次的循环：其中，基于PB
n
点集、PM
n
点集得到变换矩阵T，根据点集SPS、TPS和变换矩阵T，求得配准误差E
i
，当误差E
i
小于初始误差E时，进行用于误差收敛的赋值操作：E＝E
i
，T1＝T，(式1)，由此根据初始误差E的值，来减少点集SPS中的点数，并在球心C
n
范围内得到新的对应点集PB
n
，当初始误差E小于通用误差阈值G
e
时，中断循环，通过对齐虚拟点集和实物点集，得到第一变换T1，从而，根据源点集SPS、目标点集TPS和第一变换T1，利用ICP迭代得到注册误差R
e
和第二变换T2。
[0012]根据本专利技术的另一方面，提供一种手术机器人系统，包括具有光学跟踪系统和计算机的手术导航系统，通过计算机执行上述的骨骼注册方法的步骤，将术中坐标系与术前坐标系配准，并以实际骨骼的坐标引导或控制手术机器人进行手术。
[0013]根据本专利技术的一方面，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，其特征在于，该计算机程序被执行来实现上述的骨骼注册方法的步骤。
[0014]根据本专利技术的一方面，提供一种用于术中导航的骨骼注册系统，用于确定术前坐标系和术中坐标系之间的变换关系，其特征在于，包括：源点集获取单元，其利用术前的骨骼图像数据，建立3D虚拟模型的术前坐标系，并从该3D虚拟模型的表面获得源点集SPS；目标点集生成单元，其利用术中从实际骨骼表面采集的点数据，建立术中坐标系，并生成目标点集TPS；初始配准单元，其通过从源点集SPS与目标点集TPS选取4组的对应点对，进行源点集SPS与目标点集TPS之间的初始配准，求取第一变换T1；精确配准单元，其使用第一变换T1以及源点集SPS，将目标点集TPS转换为与源点集SPS的三维模型空间相重叠的三维模型空间，从而求取精确变换矩阵与注册误差，初始配准单元还包括迭代修改单元，其通过对从实际骨骼表面采集的点L
i
进行迭代修改，改善第一变换误差，直到误差小于预先设定的阈值或达到最大迭代次数，其中，针对点L
i
的迭代修改，是通过在以该点L
i
为圆心的球体内随机选择4个点，求取各随机点与在3D虚拟模型上的对应点M
i
之间的第一变换T1以及新的T1变换误差来进行，其中，i为自然数。
[0015]其中，优选地，如果第一变换误差不满足改善条件，则在球体内再选择4个随机点，重新计算第一变换T1及其误差直到误差减小，更新球体的中心并重复迭代修改过程；如果第一变换误差满足改善条件，将另一新的点L
i+1
作为新球体的中心，以获得新的随机点并重复迭代修改过程。
[0016]根据本专利技术，可以进一步限制需要采集的点的数量，从传统的40个取点限制到30个取点即可确保注册精度，而且不必由系统通过显示来指导外科医生所要采集的点进行配准。从而不仅提高了精度，也改善了可操作性。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨骼注册方法，用于确定术前坐标系和术中坐标系之间的变换关系，其特征在于，包括以下步骤：利用术前的骨骼图像数据，建立3D虚拟模型的术前坐标系，并从该3D虚拟模型的表面获得源点集SPS；利用术中从实际骨骼表面采集的点数据，建立术中坐标系，并生成目标点集TPS；从所述源点集SPS与所述目标点集TPS选取4组的对应点对，进行所述源点集SPS与所述目标点集TPS之间的初始配准，求取第一变换T1；使用所述第一变换T1以及所述源点集SPS，将所述目标点集TPS转换为与所述源点集SPS的三维模型空间相重叠的三维模型空间，其中，通过对从实际骨骼表面采集的点L
i
进行迭代修改，以改善第一变换误差，直到该误差小于预先设定的阈值或达到最大迭代次数，从而求取精确变换矩阵与注册误差，其中，针对所述点L
i
的迭代修改，是通过在以该点L
i
为圆心的球体内随机选择4个点，求取各随机点与在所述3D虚拟模型上的对应点M
i
之间的第一变换T1以及新的第一变换误差来进行，其中，i为自然数。2.根据权利要求1所述的骨骼注册方法，其特征在于，如果所述第一变换误差不满足改善条件，则在所述球体内再选择4个随机点，重新计算第一变换T1及第一变换误差直到误差减小，更新球体的中心并重复迭代修改过程；如果所述第一变换误差满足改善条件，将另一新的点L
i+1
作为新球体的中心，以获得新的随机点并重复迭代修改过程。3.根据权利要求1所述的骨骼注册方法，其特征在于，所述球体的半径为2mm。4.根据权利要求1所述的骨骼注册方法，其特征在于，所述自然数i＝1,2，
…
30。5.根据权利要求1所述的骨骼注册方法，其特征在于，如果上述注册过程达到最大迭代次数并且没有收敛到所建立的误差阈值，则将所产生的第一变换T1用作刚性配准算法的初始变换。6.根据权利要求1至5中任一项所述的骨骼注册方法，其特征在于，设输入为：源点集SPS、目标点集TPS、从3D虚拟模型中选定的四个点PM
n
，从实际股骨中选定的四个点PB
n
，最大迭代次数m，通用误差阈值G
e
，设该算法的目标输出为：注册误差R
e
，第二变换T2，该方法还包括如下步骤：设定初始误差E；基于PB
n
点集找到对应球心C
n
；开始i＝1，2,
…
，m自然数次的循环：其中，基于PB
n
点集、PM
n
点集得到变换矩阵T，根据点集SPS、TPS和变换矩阵T，求得配准误差E
...

【专利技术属性】
技术研发人员：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：