[發明專利]骨折并聯外固定支架空間位姿的自動識別方法

有效

• 申請號: 201810909100.4
• 申請日: 2018-08-10
• 公開（公告）號: CN109009376B
• 公開（公告）日: 2019-12-17
• 發明（設計）人: 孫濤;劉思達;閆巍;宋軼民
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61B17/66
• 分類號: A61B17/66;A61B34/10;A61B90/00
• 代理公司: 12201 天津市北洋有限責任專利代理事務所
• 代理人: 王麗英

1.并聯外固定支架空間位姿自動識別方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)安裝標記物，步驟為：將連接患者骨折部位的并聯外固定支架的兩個固定環分別稱為近端固定環(210)和遠端固定環(211)，在所述的近端固定環和遠端固定環上分別安裝三個標記物，六個標記物具有相同的結構，每個標記物包括標記球體和連接銷軸；近端固定環上的三個標記物的球心與近端固定環上表面的距離為已知定值h_M；遠端固定環上的三個標記物的球心與遠端固定環上表面的距離同樣為h_M；所述的標記球體與連接銷軸分別采用不同的材料加工，使得標記球體可以被一般的三維醫學影像系統識別，而連接銷軸不會被識別；

(2)獲取三維影像，步驟為：對患者骨折部位和安裝好所述的標記物的并聯外固定支架進行三維醫學影像掃描，經過閾值劃分和三維重建，得到骨折近端骨塊(310)、骨折遠端骨塊(311)和第一至第六標記球體的三維影像，將各三維影像數據使用三維點云的格式存儲于計算機系統中；所述的三維點云的格式采用多個數據點組成的點云描述三維影像的表面形狀；

(3)擬合標記球體，步驟為：

(a)針對六個標記球體的三維點云數據，結合已知的標記球體直徑，采用球面擬合的方式，將第一標記球體至第六標記球體的點云分別擬合為六個球面；

(b)操作人員借助骨折近端骨塊三維影像和骨折遠端骨塊三維影像作為參考，指定三維影像中第一至第六標記球體與外固定支架上第一至第六標記物的對應關系，并存儲于計算機系統中；

(4)指定標記物安裝信息，步驟為：

(a)建立固結于所述的近端固定環的近端坐標系p-uvw和固結于遠端固定環的遠端坐標系P-UVW；

(b)根據近端固定環(210)上的第一標記物(201)、第二標記物(202)和第三標記物(203)與近端固定環的實際連接情況，由已知的近端固定環的結構數據，計算出第一標記球體的第一標記球心、第二標記球體的第二標記球心和第三標球體的第三標記球心在近端坐標系p-uvw下的坐標值，分別為M₁(u₁ v₁ w₁)，M₂(u₂ v₂ w₂)和M₃(u₃ v₃ w₃)；由已知的遠端固定環(211)的結構數據，計算遠端固定環上的第四標記球體的第四標記球心、第五標記球體的第五標記球心以及第六標記球體的第六標記球心在遠端坐標系P-UVW下的坐標值M₄(U₄V₄ W₄)，M₅(U₅ V₅ W₅)和M₆(U₆ V₆ W₆)；六個標記球體的球心的坐標值組成外固定支架的標記物安裝信息；

(c)將所述的標記物安裝信息輸入計算機系統；

(5)識別坐標系空間信息，步驟為：

(a)依據第一標記球心、第二標記球心和第三標記球心共面，且所共平面與所述的近端固定環的上表面平行，按下式求解近端固定環上表面的法向量對應近端坐標系p-uvw的軸：

式中，表示點云參考坐標系O-xyz下第一標記球心指向第二標記球心的向量，表示點云參考坐標系O-xyz下第二標記球心指向第三標記球心的向量，

(b)設所述的近端坐標系p-uvw的原點p在點云參考坐標系O-xyz下的坐標為p_O-xyz＝(x_pOy_pO z_pO)，由步驟(4b)計算得到的第一標記球心、第二標記球心和第三標記球心在近端坐標系p-uvw下的坐標值M₁(u₁ v₁ w₁)、M₂(u₂ v₂ w₂)和M₃(u₃ v₃ w₃)，由以下距離方程聯立求解得到原點p在點云參考坐標系O-xyz下的坐標：

(c)在點云參考坐標系O-xyz下，設近端坐標系p-uvw的單位矢量值為同樣在點云參考坐標系O-xyz下，第一標記球心、第二標記球心和第三標記球心的矢量和分別與的矢量積等效于所述的第一標記球心、第二標記球心和第三標記球心在近端坐標系p-uvw下沿軸的分量u₁、u₂和u₃，表示為：

其中和分別由和計算，求解上式方程組得到近端坐標系p-uvw的坐標軸單位矢量；

(d)按照右手法則計算所述的近端坐標系p-uvw的坐標軸單位矢量：

(e)重復所述的步驟(a)-(d)，依據所述的第四標記球心、第五標記球心和第六標記球心在遠端坐標系P-UVW下的坐標值M₄(U₄ V₄ W₄)、M₅(U₅ V₅ W₅)和M₆(U₆ V₆ W₆)，確定遠端坐標系P-UVW的原點P在點云參考坐標系O-xyz下的坐標P_O-xyz＝(x_PO y_PO z_PO)，和遠端坐標系P-UVW的三個坐標軸在點云參考坐標系O-xyz下的單位矢量和

(f)使用所述的近端坐標系p-uvw的原點坐標值p_O-xyz、坐標軸單位矢量和確定近端坐標系p-uvw在點云參考坐標系O-xyz下的位置和姿態；使用所述的遠端坐標系P-UVW的原點坐標值P_O-xyz、坐標軸單位矢量和確定遠端坐標系P-UVW在點云參考坐標系O-xyz下的位置和姿態；然后將近端坐標系p-uvw的位置和姿態、遠端坐標系P-UVW的位置和姿態輸入計算機系統分別進行存儲；

(6)確定外固定支架空間位姿，步驟為：

(a)基于所述的近端坐標系p-uvw和遠端坐標系P-UVW的位置，計算近端坐標系原點p相對遠端坐標系原點P的位置，確定近端固定環與遠端固定環的相對位置，按如下的矢量形式表示：

(b)計算近端標系p-uvw相對遠端坐標系P-UVW的姿態，確定近端固定環與遠端固定環的相對姿態，按如下的矩陣形式表示：

(c)根據所述的近端固定環與遠端固定環的相對位置矢量和相對姿態矩陣確定外固定支架機構的空間位姿，完成了并聯式骨折外固定支架空間位置和姿態的識別。