用于关节置换手术的骨骼注册方法及手术导航系统技术方案

用于关节置换手术的骨骼注册方法与系统，基于利用术前的骨骼图像数据生成的术前坐标系下的VSF曲面、以及利用术中从患者实际骨骼表面采集的点数据生成的术中坐标系下的源点集SPS，通过初始配准与精确配准，来确定术前坐标系和术中坐标系之间的变换关系，其包括第一步骤：从源点集SPS与VSF曲面选取多组对应点对，进行基于奇异值分解SVD的初始配准，求取初始变换矩阵；和第二步骤：基于初始变换矩阵，进行基于ICP方法的精确配准，每次ICP迭代均采用将在变换后的源点集SPS中的各点与投影点集PSPS中相对应的投影点之间的距离平方和最小化的最小二乘优化法。当误差小于设定值或迭代次数达到设定值后，此算法过程将停止。此算法过程将停止。此算法过程将停止。

【技术实现步骤摘要】
用于关节置换手术的骨骼注册方法及手术导航系统


[0001]本专利技术涉及一种用于关节置换手术中的骨骼注册方法及系统，尤其是涉及用于膝关节置换以及髋关节置换手术的骨骼注册方法及手术导航系统。

技术介绍

[0002]计算机辅助手术导航系统被广泛应用于各种手术中，目的是提高手术的准确性和精确度。导航手术存在于医学的各个领域，此项技术需要光学追踪系统完成术中配准注册(亦称配准、注册)。注册是一个极其重要的过程，可以辅助找到软件中术前规划坐标系和手术室中实际坐标系之间的转换矩阵，从而在手术区域附近将手术器械的位置和姿态以三维模型的方式进行可视化。

技术实现思路

[0003]为解决上述问题提出本专利技术，其目的在于提供一种骨骼注册方法及系统。所提出的算法允许将软件中术前计划的坐标系和患者真实骨骼的坐标系之间进行配准。
[0004]根据本专利技术的一方面，提供一种用于关节置换手术的骨骼注册方法，基于利用术前的骨骼图像数据生成的术前坐标系下的作为三维虚拟曲面的VSF曲面、以及利用术中从患者实际骨骼表面采集的点数据生成的术中坐标系下的源点集SPS，通过所述源点集SPS与所述VSF曲面之间的初始配准与精确配准，来确定所述术前坐标系和所述术中坐标系之间的变换关系，其特征在于，包括以下步骤：第一步骤：从所述源点集SPS与所述VSF曲面选取4组对应点对，进行基于奇异值分解SVD的初始配准，求取初始变换矩阵；和第二步骤：基于所述初始变换矩阵，进行基于ICP方法的精确配准，其中，通过将变换后的源点集SPS中的多个点投影至所述VSF曲面而确定出所述VSF曲面上相对应的变换后的投影点集PSPS，进行将在变换后的源点集SPS中的各点与投影点集PSPS中相对应的投影点之间的距离平方和最小化的最小二乘优化法，来作为判断所述ICP方法迭代是否终止的评价标准，其中，所述4组对应点对适用于膝关节置换手术，为股骨的源点集SPS中的4个点及股骨的VSF曲面中的对应4个点，或者胫骨的源点集SPS中的4个点及胫骨的VSF曲面中的对应4个点，其中，所述多个点为30个以上的点。
[0005]可替换地，所述4组对应点对可以为适用于髋关节置换手术的3组对应点对，即为髋臼的源点集SPS中的3个点及髋臼的VSF曲面中的对应3个点，或者股骨的源点集SPS中的3个点及股骨的VSF曲面中的对应3个点。
[0006]优选地，所述多个点为30个点。
[0007]优选地，所述股骨的源点集SPS中的4个点是指：股骨头中心HC、股骨膝关节中心FKC、外上髁LE和内上髁ME。胫骨的源点集SPS中的4个点是指：胫骨膝关节中心TKC、胫骨结节TT、外踝LM、内踝MM。
[0008]优选地，设输入为：源点集SPS、VSF曲面、从所述VSF曲面中选定的四个点PM
n
，与从实际股骨中选定的四个点对应的点数据PB
n
，最大迭代次数m，误差阈值μ
e
，设该算法的目标
输出为：第二变换T2，
[0009]其中，所述第一步骤还包括第三步骤：求取用于表示初始矩阵T1的向量其中，α，β，γ是旋转角度，x，y，z是平移向量，
[0010]所述第二步骤还包括第四步骤：进行用于精确配准的基于ICP迭代的刚性对齐，表示为：F(x，y，z)＝R(α，β，γ)P+T(x，y，z)，(式2)，其中，(α，β，γ)是旋转角度，T(x，y，z)是一个平移向量，P是要变换的点，其中，通过预定迭代m次的循环，首先基于第三步骤中所保存的向量将变换后的源点集SPS中的SPS点投影到所述VSF曲面上，得到对应的PSPS点，接着通过上述最小二乘优化法，得到使变换后的SPS点与PSPS点之间的距离平方和最小化时的配准误差E，使用高斯
‑
牛顿法与雅可比矩阵式求解最优刚性变换T2的估计向量然后与预设初始误差进行比较，当误差小于预设的误差阈值μ
e
后，结束所述第二步骤。
[0011]根据本专利技术的另一方面，提供一种计算机辅助手术导航系统，具有光学跟踪系统和计算机，通过计算机执行上述的骨骼注册方法的步骤，进行术中坐标系与术前坐标系的配准。
[0012]根据本专利技术的又一方面，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，包括：VSF曲面生成单元，其利用术前的骨骼图像数据，建立术前坐标系下的3D虚拟模型，并生成作为该3D虚拟模型的表面的VSF曲面；源点集获取单元，其利用术中从患者实际骨骼表面采集的点数据，生成术中坐标系下的源点集SPS；初始配准单元，其从所述源点集SPS与所述VSF曲面选取多组对应点对，进行所述源点集SPS与所述VSF曲面之间的基于奇异值分解SVD的初始配准，求取初始变换矩阵；精确配准单元，其基于所述初始变换矩阵，使用ICP方法在所述源点集SPS和所述VSF曲面之间执行精确配准，该精确配准单元还包括：多点获取单元，其获取变换后的源点集SPS中的多个点；投影配准单元，其通过将所述多个点投影至所述VSF曲面而从所述VSF曲面上确定出与变换后的源点集SPS相对应的变换后的投影点集PSPS，基于将在变换后的源点集SPS中的各点与投影点集PSPS中相对应的投影点之间的距离平方和最小化的最小二乘优化法来作为判断所述ICP方法迭代是否终止的评价标准。
[0013]根据本专利技术还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序用于执行上述骨骼注册方法。
[0014]根据本专利技术还提供一种电子设备，包括：处理器和用于存储处理器可执行指令的存储器，该处理器用于从所述存储器中读取可执行指令，并执行指令以实现上述骨骼注册方法。
[0015]根据本专利技术还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，该程序被计算机执行以实现上述骨骼注册方法。
[0016]根据本专利技术，可例如用于计算机辅助膝或髋等关节置换手术。
附图说明
[0017]图1示意性地示出根据本专利技术实施例的配准用流程图。
具体实施方式
[0018]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。
[0019]本专利技术人通过研究，提出了一种在利用手术导航系统的例如膝关节置换手术以及髋关节置换手术中执行配准过程的新颖的骨骼注册方法。
[0020]<术前坐标系与术中坐标系>
[0021]在术中导航中，须将例如由光学追踪系统等定位仪跟踪到的手术器械实时显示于术前重建的三维解剖结构上。因此，需要将患者与图像空间重建的三维解剖结构进行注册以使彼此匹配。通过计算确定定位系统坐标系(术中坐标系)与术前三维医学图像坐标系(术前坐标系)之间的变换关系，将患者术中实际体位和术前三维解剖结构精确配准，使得医生在显示设备上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于关节置换手术的骨骼注册方法，基于利用术前的骨骼图像数据生成的术前坐标系下的作为三维虚拟曲面的VSF曲面、以及利用术中由扫描仪从患者实际骨骼表面实时采集的点数据生成的术中坐标系下的源点集SPS，通过所述源点集SPS与所述VSF曲面之间的初始配准与精确配准，来确定所述术前坐标系和所述术中坐标系之间的变换关系，其特征在于，包括以下步骤：第一步骤：从所述源点集SPS与所述VSF曲面选取多组对应点对，进行基于奇异值分解SVD的初始配准，求取初始变换矩阵；和第二步骤：基于所述初始变换矩阵，进行基于ICP方法的精确配准，其中，通过将变换后的源点集SPS中的多个点投影至所述VSF曲面而确定出所述VSF曲面上相对应的变换后的投影点集PSPS，进行将在变换后的源点集SPS中的各点与投影点集PSPS中相对应的投影点之间的距离平方和最小化的最小二乘优化法，来作为判断所述ICP方法迭代是否终止的评价标准，其中，所述多个点为30个以上的点，其中，在所述第一步骤中，所述多组对应点对为4组对应点对，即为股骨的源点集SPS中的4个点及股骨的VSF曲面中的对应4个点，或者胫骨的源点集SPS中的4个点及胫骨的VSF曲面中的对应4个点；或者所述多组对应点对为3组对应点对，即为髋臼的源点集SPS中的3个点及髋臼的VSF曲面中的对应3个点，或者股骨的源点集SPS中的3个点及股骨的VSF曲面中的对应3个点。2.根据权利要求1所述的骨骼注册方法，其特征在于，在所述第二步骤中，所述多个点为30个点。3.根据权利要求1或2所述的骨骼注册方法，其特征在于，所述股骨的源点集SPS中的4个点是指：股骨头中心HC、股骨膝关节中心FKC、外上髁LE和内上髁ME；所述胫骨的源点集SPS中的4个点是指：胫骨膝关节中心TKC、胫骨结节TT、外踝LM、内踝MM。4.根据权利要求3所述的骨骼注册方法，其特征在于，设输入为：源点集SPS、VSF曲面、从所述VSF曲面中选定的四个点PM
n
，与从实际股骨中选定的四个点对应的点数据PB
n
，最大迭代次数m，误差阈值μ
e
，设该算法的目标输出为：第二变换T2，其中，所述第一步骤还包括第三步骤：求取用于表示初始矩阵T1的向量其中，α，β,γ是旋转角度，x，y，z是平移向量，所述第二步骤还包括第四步骤：进行用于精确配准的基于ICP迭代的刚性对齐，表示为：F(x，y，z)＝R(α，β，γ)P+T(x，y，z)，
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(式2)，其中，(α，β，γ)是旋转角度，T(x，y,z)是一个平移向量，P是要变换的点，其中，通过预定迭代m次的循环，首先基于所述第三步骤中所保存的向量将变换后的源点集SPS中的SPS点投影到所述VSF曲面上，得到对应的PSPS点，接着通过上述最小二乘优化法，得到使变换后的SPS点与PSPS点之间的距离平方和最小化时的配准误差E，使用高斯
‑
牛顿法与雅可比矩阵式求解最优刚性变换T2的估计向量
其中，是的雅可比矩阵式，然后与预设初始误差进行比较，当误差小于预设的误差阈值μ
e
后，结束所述第二步骤。5.根据权利要求1或2所述的骨骼注册方法，其特征在于，所述髋臼的源点集SPS中的3个点是指：髋臼后部区域的一个点；髋臼前部区域的一个点和髋臼区域上缘的一点；所述股骨的源点集SPS中的3个点是指：股骨颈区域前侧的一个点；大转子远端股骨区域前侧的一个点；和大转子区外侧的一个点...

【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：