[發明專利]骨骼注冊方法及系統及存儲介質

有效

• 申請號: 202110458099.X
• 申請日: 2021-04-27
• 公開（公告）號: CN112991409B
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 林必貴;M·杰森
• 申請（專利權）人: 杭州素問九州醫療科技有限公司
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T3/00;A61B34/20
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明提供一種用于手術導航系統的骨骼注冊方法及系統及存儲介質，用于確定術前坐標系和術中坐標系之間的變換關系，包括：利用術前的骨骼圖像數據獲得源點云SPC；利用從實際骨骼表面采集的點數據獲得目標點云TPC；從源兩點云選取4組對應點對，進行初始配準；通過不同的初始變換矩陣執行精確配準，其中，初始配準基于奇異值分解的仿射變換方法，產生4x4維矩陣，從而將3D虛擬模型的點映射到術中坐標系中的患者骨骼坐標的近似值。根據本發明，可以將患者的術前和術中患者解剖結構準確對應，使得醫生對手術器械和患者解剖的位置一目了然，精確控制手術工具達到要求的部位。

技術領域

本發明涉及骨科手術中的骨骼注冊方法及系統以及計算機可讀存儲介質。

背景技術

計算機輔助手術導航系統被廣泛應用于各種外科手術中，其目的是提高手術的準確性和精確度。導航手術作為存在于醫學的各個領域的一項技術，需要一個光學跟蹤系統來執行術前、術中的注冊（亦稱配準），以實現手術情況的跟蹤。

其中，注冊是一個非常重要的過程，通過它能夠實現術前坐標系和術中坐標系之間的轉換，從而能夠可視化手術器械相對于術中的三維模型的位置和方向。注冊方法的優劣會實時地影響手術導航精度。

目前手術導航系統所采用的標記點注冊方法中，標記點包括：骨植入螺釘標記點、解剖標志點以及粘貼于皮膚表面的標記點。另外，當前基于骨科手術機器人系統的手術中，多采用手持探針的接觸式采樣方式來采集、測量骨表面的位置信息，以與患者的術前圖像進行注冊。雖然標記點注冊方法配準更快捷，然而，顧忌于對患者造成的額外創傷和疼痛、人為操作誤差、識別難度、光線遮擋、標記點掉落、需要額外消毒等因素，在該方法中，一般傾向于盡量限制需要采集的點的數量，或者由系統通過顯示來指導外科醫生所要采集的點進行配準。這不僅容易影響精度，也影響可操作性。

發明內容

鑒于上述問題，本發明的目的在于提出一種新的算法，該算法允許在軟件中的術前計劃坐標系和患者真實骨骼坐標系之間容易地進行精確的注冊配準。

根據本發明的一方面，提供一種用于手術導航系統的骨骼注冊方法，用于確定術前坐標系和術中坐標系之間的變換關系，其特征在于，包括以下步驟：利用術前的骨骼圖像數據，建立3D虛擬模型的術前坐標系，并從該3D虛擬模型的表面獲得源點云SPC；利用術中從患者實際骨骼表面采集的點數據，建立術中坐標系，并生成目標點云TPC；從所述源點云SPC與所述目標點云TPC選取4組對應點對，進行所述源點云SPC與所述目標點云TPC之間的初始配準，求取初始變換矩陣；通過不同的所述初始變換矩陣，在從所述患者實際骨骼表面收集的多個點云和從所述3D虛擬模型的三維表面提取的點云之間執行精確配準，其中，所述初始配準基于奇異值分解的仿射變換方法，在3D虛擬模型中對選定的解剖點與對應的實際骨骼空間上的點進行仿射變換，產生4x4維矩陣，從而將所述3D虛擬模型的點映射到術中坐標系中的患者骨骼坐標的近似值。

根據本發明的算法，允許在軟件中的術前計劃坐標系和患者真實骨骼坐標系之間進行準確高效的注冊配準。

優選地，在初始配準步驟中，基于取自患者骨骼的四個點PBn和取自所述3D虛擬模型中的四個點PMn，得到4x4維剛性轉換矩陣T：

，（式1），

其中是一個3x3旋轉矩陣，是一個3x1平移矢量，n=1, 2, 3, 4，

設、分別表示允許該第一次變換的誤差足夠小的旋轉矩陣和平移向量，滿足以下條件：

，（式2），

，（式3），

其中，和是允許在一個區間內估計的值：

，（式4），和

，（式5），

其中， 是分別對應于角度取值范圍和位移取值范圍的閾值，