【技术实现步骤摘要】
本公开涉及膝关节数据处理，尤其涉及一种基于膝关节平衡情况自动术中假体规划与设计方法及系统。
技术介绍
1、膝关节置换手术应用于临床以来，已成为公认的治疗膝关节骨性关节炎、类风湿性关节炎等疾病终末期患者的最佳选择。膝关节置换术成功的关键环节之一是为了获得良好的关节间隙平衡，因此关节间隙平衡是衡量膝关节置换术的重要指标之一。在传统手术技术上，关节外科医生凭借个人经验进行手工调整得以实现。目前，由于临床方面技术受限，在进行术后评估时，通常只能测量屈曲与伸直位间隙。但从原理上讲，间隙平衡是膝关节运动过程中，运动范围内的每一个运动位置都要考虑的问题，是一个多目标优化的问题。此外，每个假体在空间位置都具有6个自由度，同时又有多种假体组合方式。因此，根据膝关节间隙平衡来优化假体的位置与组合，是一个多目标、多变量的复杂优化问题，仅通过手工调整难以实现。
2、有鉴于此，本专利技术提出一种利用计算机来求解最佳假体位置与姿态的方法，以实现比手工调整更为方便且更为合适的假体方案。同时该方法也可以扩展，对假体本身进行参数化，并将假体的参数与放入优化变量，也可实现根据间隙平衡测量自动化优化假体方案。
技术实现思路
1、有鉴于此，本公开实施例提供一种基于膝关节平衡情况自动术中假体规划与设计方法及系统，以至少部分解决现有技术中存在的问题。
2、第一方面，本公开实施例提供了一种基于膝关节平衡情况自动术中假体规划与设计方法，包括：
3、基于给定最优间隙平衡曲线，采用优化方法逆向求解
4、通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数；
5、术中假体规划时对多个型号的假体拟合获得多条假体内外侧间隙曲线，并对所述多条假体间隙曲线原始数据向目标曲线进行gpu并行优化；
6、通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，为系统自动确定最终的假体方案。
7、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数，包括：
8、在屈曲角0°、屈曲角45°、屈曲角90°情况下，假体1的外侧间隙值分别为a1、b1、c1；
9、对假体1进行规划调整dt，在改变位置或假体型号大小时，变为假体2，在屈曲角0°、屈曲角45°、屈曲角90°情况下，假体2的外侧间隙值则分别为a2、b2、c2，此时假体1和假体2的外侧间隙值变化为da、db、dc。
10、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数，还包括：
11、由a1、b1、c1等一系列外侧间隙构成假体1的外侧间隙曲线，当假体位置发生移动或者假体型号变更时，此时假体2的外侧间隙曲线由a2、b2、c2一系列外侧间隙值构成。
12、将间隙的变化da，db，dc视为假体变化dt的一个函数j：da，db，dc＝j(dt)。
13、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述术中假体规划时对多个型号的假体拟合获得多条假体内外侧间隙曲线，并对所述多条假体间隙曲线原始数据向目标曲线进行gpu并行优化，包括：
14、为获得目标值的间隙平衡曲线，在屈曲角0°、屈曲角45°、屈曲角90°情况下，目标值和原始数据的间隙差值分别为：da＝a-a1、db＝b-b1、dc＝c-c1，从而计算获得假体规划调整dt；
15、求间隙函数变化的逆函数j-1，即：dt＝j-1(da，db，dc)。
16、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，包括：
17、通过已获取的股骨和胫骨三维空间姿态，利用公式【1】计算获得关节的相对位姿ti，即为术中股骨和胫骨的相对位置：
18、公式【1】：
19、其中，tfemur为股骨相对于相机的位姿，ttibia为胫骨相对于相机的位姿，ti为关节的相对位姿。
20、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
21、利用公式【2】计算获得假体的相对位姿te，即为术中股骨假体和胫骨假体的相对位姿：
22、公式【2】：
23、其中，ttibia为胫骨相对于相机的位姿，tfemur为股骨相对于相机的位姿，为已知值，tt为胫骨假体相对于胫骨的位姿，tf为股骨假体相对于股骨的位姿，为未知值。
24、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
25、定义内外侧间隙函数：内外侧间隙是关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的一个函数，如公式【3】所示：
26、公式【3】：din,dout＝g(ti,s,te)
27、其中，din,dout为膝关节内外侧间隙，ti为关节相对位姿，s为假体型号，te为假体相对位姿。
28、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
29、通过公式【4】，使间隙平衡曲线尽可能贴近目标曲线从而获取假体型号和安装位置的问题转化为求解以下最小二乘问题，其中是对应屈膝角度下理想的间隙距离：
30、公式【4】：
31、根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
32、基于公式【5】，通过高斯牛顿优化方法进行求解，其中j为目标函数的雅可比矩阵，d是残差：
33、公式【5】：ε＝-(jtj)-1jtd。
34、第二方面，本公开实施例提供了一种基于膝关节平衡情况自动术中假体规划与设计系统，包括：
35、构建模块，用于通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数；
36、拟合模块，用于术中假体规划时对多个型号的假体拟合获得多条假体内外侧间隙曲线，并对所述多条假体间隙曲线原始数据向目标曲线进行gpu并行优化；
37、确定模块，用于通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，为系统自动确定最终的假体方案。
38本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于膝关节平衡情况自动术中假体规划与设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数，还包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述术中假体规划时对多个型号的假体拟合获得多条假体内外侧间隙曲线，并对所述多条假体间隙曲线原始数据向目标曲线进行GPU并行优化，包括：
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述通过连续优化和离散优化的优化方法求解最佳假体位置与型号，还包括：
10.一种基于膝关节平衡情况自动术中假体规划与设计系统，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种基于膝关节平衡情况自动术中假体规划与设计方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数，包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述通过测量膝关节的整个运动范围以及关节在整个运动范围内各个位置的运动情况，获得关节的相对位姿以及关节内外侧间隙值，并构建关于关节相对位姿、假体型号、假体相对位姿的内外侧间隙函数，还包括：
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述术中假体规划时对多个型号的假体拟合获得多条假体内外侧间隙曲线，并对所述多条假体间隙曲线原始数据向目标曲线进行g...
【专利技术属性】
技术研发人员：李想，刘芳德，苗霁昊，吕存策，撖亚頔，李连杰，黄琪锋，曲东旭，张浩冲，王铖，张明，蔡志威，
申请(专利权)人：中国人民解放军总医院第四医学中心，
类型：发明
国别省市：
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