[發明專利]股骨頭中心點的定位方法和系統

有效

• 申請號: 201811044132.9
• 申請日: 2018-09-07
• 公開（公告）號: CN109124835B
• 公開（公告）日: 2021-04-02
• 發明（設計）人: 李攀;葉震;李曉靜;嚴日明
• 申請（專利權）人: 上海電氣集團股份有限公司
• 主分類號: A61B17/56
• 分類號: A61B17/56;A61F2/46
• 代理公司: 上海弼興律師事務所 31283
• 代理人: 薛琦;秦晶晶

本發明公開了一種股骨頭中心點的定位方法和系統。其中，定位方法包括：將定位工具固定在股骨頭上；保持股骨頭的中心點位置不變，旋轉股骨頭；光學定位器在股骨頭的旋轉過程中采集定位工具的多個位姿；對于采集到的每一位姿，光學定位器求解定位工具坐標系和光學定位器坐標系之間的坐標變換矩陣；根據坐標變換矩陣構造目標函數F，其中，求解使目標函數F最小的X，以獲得中心點在定位工具坐標系中的坐標。從而本發明能夠簡易而快速的實現對股骨頭中心進行定位。

技術領域

本發明涉及計算機輔助醫療技術領域，尤其涉及一種股骨頭中心點的定位方法和系統。

背景技術

隨著現代醫學的不斷進步以及各學科先進成果在醫學上的廣泛應用，外科手術在減少病人痛苦、減小手術切口等方面有了長足進步，外科手術的微創性、無痛性研究也如火如荼。髖關節、膝關節等置換手術是較為復雜的外科手術，雖然現代的關節置換手術有先進的計算機影像技術與光學定位技術作為輔助，極大地提高了手術的安全性，也在微創性方面取得一定突破，但手術過程中對股骨頭中心的定位的誤差仍然較大。

例如，專利CN1488321A公開了一種機器人全膝關節置換術的股骨定位方法，其將確定股骨頭中心的問題抽象成已知球面上的點求解球心的幾何模型，具體地，該專利通過轉動股骨并直接測量出多組髁間窩中心的坐標信息，進而通過球心法求解出股骨頭中心點的坐標，但是，用球心法計算得到的股骨中心位置誤差比較大。

又如，專利CN1686056A公開了一種基于手眼式機器人的股骨中心定位方法，其首先對機器人進行手眼標定得到手眼位置變換關系，接著利用安裝在機器人末端的相機采集髁間窩中心數據，并將髁間窩數據轉化到機器人基座標系下，通過擬合球面方程計算出股骨頭中心的坐標。但是在該專利中，為保證髁間窩中心點的數據采集覆蓋比較大的球面范圍，股骨轉動的同時相機也有移動，也即，該專利忽略了相機坐標系與機器人基座坐標系之間的轉化誤差，無法保證很高的精度。

發明內容

本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中股骨頭中心的定位誤差較大的缺陷，提供一種股骨頭中心點的定位方法和系統。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題：

一種股骨頭中心點的定位方法，其特點在于，所述定位方法包括：

將定位工具固定在股骨頭上；

保持所述股骨頭的中心點位置不變，旋轉所述股骨頭；

光學定位器在所述股骨頭的旋轉過程中采集所述定位工具的多個位姿；

對于采集到的每一位姿，光學定位器求解定位工具坐標系和光學定位器坐標系之間的坐標變換矩陣；

根據坐標變換矩陣構造目標函數F，其中，其中，是6行1列的矩陣，P_i為位姿在所述定位工具坐標系中的坐標，Q_i為P_i在所述光學定位器坐標系中的對應坐標，P_i和Q_i是3行1列的矩陣并且滿足其中，i＝1，2，…，n，n為所采集的位姿的數量；

求解使所述目標函數F最小的X，以獲得所述中心點在所述定位工具坐標系中的坐標。

較佳地，坐標變換矩陣包括旋轉矩陣R和平移矩陣T，在所述根據坐標變換矩陣構造目標函數F的步驟中，

較佳地，所述求解使所述目標函數F最小的X的步驟包括：利用高斯塞德爾迭代法求解X。

較佳地，在所述求解使所述目標函數F最小的X的步驟之后，所述定位方法還包括：

計算獲得的所述中心點的坐標的誤差e，其中，

較佳地，在所述計算獲得的所述中心點的坐標的誤差e的步驟之后，所述定位方法還包括：

判斷所述誤差e是否小于誤差閾值；