一种骨隧道建立系统技术方案

本发明专利技术公开了一种骨隧道建立系统，包括：追踪器，放置于患者患处；标记件，安装于相对于追踪器位置固定的位置；靶标，放置于的患者患处的目标位置；机械臂设备，设有末端追踪器；光学跟踪设备，识别患者患处和机械臂设备上的追踪器；上位机，获取患者患处的三维影像，识别三维影像中靶标和标记件的位置信息，根据靶标的位置信息进行骨隧道规划；上位机得到标记件与追踪器之间的变换关系，结合光学跟踪设备识别患者患处的追踪器计算规划的骨隧道在光学跟踪设备下的位置信息，据此对机械臂设备进行运动规划并执行到位进行骨隧道建立。本发明专利技术能够精准建立骨隧道，避免由于骨隧道起止点位置偏差影响术后康复效果。差影响术后康复效果。差影响术后康复效果。

【技术实现步骤摘要】
一种骨隧道建立系统


[0001]本专利技术涉及图像处理
，尤其设计一种骨隧道建立系统。

技术介绍

[0002]前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)断裂是常见而又严重的运动损伤，治疗不当将导致膝关节不稳，引起一系列后遗改变，严重影响膝关节运动功能，因此，其临床研究和治疗一直是骨科和运动创伤领域的一个重要课题，被广大专家、学者们所重视。对ACL断裂的治疗，往往采用韧带重建的方法。膝关节韧带重建通常涉及诊断性关节镜检查、切取准备韧带移植物、建立以韧带解剖附着点为出入口的骨隧道、移植物的植入和固定，其中建立用于固定重建韧带的骨隧道是手术的重点和难点。
[0003]以最常见的前交叉韧带重建手术为例，理论上，根据前交叉韧带在股骨和胫骨上的两个附着点就可以确定出一条直线，因此确定股骨与胫骨的韧带附着点的位置显得极为重要，对手术的术后效果起到至关重要的作用。
[0004]目前的传统手术中，在需要进行骨隧道建立的场景中，尤其是前交叉韧带重建手术中，结合关节镜的使用，确定出胫骨和股骨的韧带附着点，然后通过传统隧道定位工具进行隧道的建立，此种方法对于缺乏经验的术者来说难道较高，常常存在位置不准确的情况，这样就导致隧道的位置不理想，从而影响后续的手术效果。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对上述不足，本专利技术提出一种骨隧道建立系统，通过直观的放置靶标在用于规划骨隧道的位置处，进而通过标记件进行配准，识别更加精确，能够准确的识别骨隧道的起止点，精准建立骨隧道。
[0006]技术方案：一种骨隧道建立系统，包括：追踪器，放置于患者患处，用于表征患处位置；标记件，安装于相对于所述追踪器位置固定的位置；靶标，放置于患者患处上用于建立骨隧道的位置处；机械臂设备，其上设有末端追踪器；光学跟踪设备，用于识别所述患者患处的追踪器和所述机械臂设备上的末端追踪器；上位机，获取患者包含患者患处及标记件的三维影像，识别得到三维影像中靶标和标记件的位置信息，并根据其中靶标的位置信息进行骨隧道规划；上位机根据标记件与追踪器的之间的位置参数得到标记件与追踪器之间的变换关系，结合光学跟踪设备识别患者患处的追踪器得到光学跟踪设备对应坐标系与影像坐标系之间的变换关系，进而计算得到规划的骨隧道在光学跟踪设备对应坐标系下的位置信息，并据此对机械臂设备进行运动规划并执行到位进行骨隧道建立。
[0007]所述标记件为靶球，所述靶球安装于材料密度高于骨组织的托架上。
[0008]所述靶球的数量为至少3个。
[0009]所述上位机识别得到三维影像中靶球的位置信息，具体为：（1）识别三维影像中标记件的托架，进行二值形态学开运算处理得到其中的连通域，并分别计算每个连通域对应的物理体积和空间质心位置；（2）计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域，并将靶球群区域中的托架区域的体素值替换成密度小于托架的材料的体素值；（3）以三维影像的横断面为基准面，以水平方向为基准方向，分别选择与基准方向之间不同角度的经过基准面的中心并垂直于基准面的平面作为一投影面，选择同时垂直于基准面和该投影面的另一面作为另一投影面，进而得到多组正交投影面，并计算得到靶球群区域投影至对应正交投影面上的投影图像；（4）识别得到多组靶球群区域的正交投影图像中半径满足设定条件的连通域作为候选区域，并分别计算得到各候选区域的圆心坐标，也即各候选靶球在各组正交投影图像上的投影区域的圆心坐标；（5）根据步骤（4）及对应投影图像的法向量计算得到对应的两组空间直线方程，计算该两组空间直线方程的空间交点即为对应候选靶球的空间球心，进而得到多组正交投影面对应的候选靶球的空间球心；（6）判断步骤（5）得到的各组对应的空间球心与设计的标记件中靶球的数量是否一致，若是，则以步骤（5）对应的空间球心数据作为候选数据；否则选择在所有组正交投影面中均能提取得到的空间球心数据作为候选数据；（7）根据步骤（6）得到的候选数据判断提取得到的靶球的空间球心数量M与设计的靶球群中靶球的数量N是否一致；若是，则根据标记件的设计参数得到的各靶球之间的拓扑结构对三维影像中各靶球进行标记，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息；若否，则对候选数据进行排列组合，根据排列组合结果根据各靶球之间的拓扑结构进行筛选，对筛选得到的组合与实际靶球群之间进行最小二乘法计算误差，选择误差最小的一组作为最终的靶球组合，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息。
[0010]所述误差具体为：对筛选得到的组合对应的实际坐标系与实际标记件对应的理论坐标系之间进行最小二乘法计算两坐标系的变换关系，并计算其中任一经变换之后与另一之间配对靶球点对之间的空间距离，并将各配对靶球点对的均方根作为误差。
[0011]所述标记件位于获取的三维影像的边缘处，则所述步骤（2）中计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域具体为：先选取物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为候选连通域，再选取候选连通域中空间质心位置最靠近三维影像边缘的作为靶球群区域。
[0012]在步骤（2）得到的靶球群区域的基础上，将其往影像坐标系的三个坐标轴方向扩展设定距离得到最终的靶球群区域。
[0013]在扩展过程中若所述靶球群区域存在超出影像空间范围，则将其与影像空间的最大交集作为最终的靶球群区域。
[0014]所述计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域
具体为：根据标记件的设计参数计算得到标记件所占用的体积V，计算得到其物理体积满足[k1V，k2V]的连通域作为靶球群区域。
[0015]k1=0.8，k2=1.2。
[0016]所述不同角度分别为0
°
、30
°
、60
°
。
[0017]所述识别得到多组靶球群区域的正交投影图像中半径满足设定条件的连通域作为候选区域具体为：对得到的靶球群区域的正交投影图像分别进行自适应阈值分割处理得到各连通域，并对各连通域通过霍夫找圆算法检索得到其中半径满足[k3R，k4R]的连通域作为候选区域；其中，R为靶球的设计半径。
[0018]k3=0.8，k4=1.2。
[0019]所述患者患处为患者患肢，所述靶标通过器械在关节镜探入到患者患肢的交叉韧带处后在胫骨和股骨的韧带附着点分别置入。
[0020]有益效果：本专利技术提供的方案在需要进行骨隧道建立的场景中，尤其是前交叉韧带重建手术中，为股骨和胫骨的隧道建立提供了一种更直观、更准确的方法。通过直观的放置靶标在用于规划骨隧道的位置处，进而通过标记件进行配准，能够准确的识别骨隧道的起止点，精准建立骨隧道，避免由于骨隧道起止点位置偏差影响术后康复效果。且本专利技术在通过标记件进行配准时先通过粗计算得到示踪器在影像中大致位置，再通过精计算得到标记件在影像中的精确位置，避免了反复迭代，影像中标记件查找更快更精确。示踪器体积小巧，避免示踪器不在成像设备的成像范围内。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨隧道建立系统，其特征在于，包括：追踪器，放置于患者患处，用于表征患处位置；标记件，安装于相对于所述追踪器位置固定的位置；靶标，放置于患者患处上用于建立骨隧道的位置处；机械臂设备，其上设有末端追踪器；光学跟踪设备，用于识别所述患者患处的追踪器和所述机械臂设备上的末端追踪器；上位机，获取患者包含患者患处及标记件的三维影像，识别得到三维影像中靶标和标记件的位置信息，并根据其中靶标的位置信息进行骨隧道规划；上位机根据标记件与追踪器的之间的位置参数得到标记件与追踪器之间的变换关系，结合光学跟踪设备识别患者患处的追踪器得到光学跟踪设备对应坐标系与影像坐标系之间的变换关系，进而计算得到规划的骨隧道在光学跟踪设备对应坐标系下的位置信息，并据此对机械臂设备进行运动规划并执行到位进行骨隧道建立。2.根据权利要求1所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述标记件为靶球，所述靶球安装于材料密度高于骨组织的托架上。3.根据权利要求2所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述靶球的数量为至少3个。4.根据权利要求2所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述上位机识别得到三维影像中靶球的位置信息，具体为：（1）识别三维影像中标记件的托架，进行二值形态学开运算处理得到其中的连通域，并分别计算每个连通域对应的物理体积和空间质心位置；（2）计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域，并将靶球群区域中的托架区域的体素值替换成密度小于托架的材料的体素值；（3）以三维影像的横断面为基准面，以水平方向为基准方向，分别选择与基准方向之间不同角度的经过基准面的中心并垂直于基准面的平面作为一投影面，选择同时垂直于基准面和该投影面的另一面作为另一投影面，进而得到多组正交投影面，并计算得到靶球群区域投影至对应正交投影面上的投影图像；（4）识别得到多组靶球群区域的正交投影图像中半径满足设定条件的连通域作为候选区域，并分别计算得到各候选区域的圆心坐标，也即各候选靶球在各组正交投影图像上的投影区域的圆心坐标；（5）根据步骤（4）及对应投影图像的法向量计算得到对应的两组空间直线方程，计算该两组空间直线方程的空间交点即为对应候选靶球的空间球心，进而得到多组正交投影面对应的候选靶球的空间球心；（6）判断步骤（5）得到的各组对应的空间球心与设计的标记件中靶球的数量是否一致，若是，则以步骤（5）对应的空间球心数据作为候选数据；否则选择在所有组正交投影面中均能提取得到的空间球心数据作为候选数据；（7）根据步骤（6）得到的候选数据判断提取得到的靶球的空间球心数量M与设计的靶球群中靶球的数量N是否一致；若是，则根据标记件的设计参数得到的各靶球之间的拓扑结构对三维影像中各靶球进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：王瑞，陈哲峰，韩笑，刘锋，殷国勇，
申请(专利权)人：江苏省人民医院南京医科大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：