个性化假体位置实时跟踪的标定方法与流程

本发明涉及一种手术辅助技术，尤其是涉及一种个性化假体位置实时跟踪的标定方法。

背景技术：

肿瘤切除手术后，切除部位常常需要放置假体来重建功能，但人体不同的特征(如骨尺寸、形状、结构等)不同，传统的现成植入物无法很好地实现重建。随着金属3d打印个性化假体在临床应用中的日趋成熟，该技术为保肢重建手术提供了新思路，可以提供更准确的定位和解剖匹配。

例如中国专利cn103860295a公开了一种膝关节胫骨假体的数字化设计与制造方法，其包括：1)基于健康人膝关节胫骨的医学影像数据建立膝关节胫骨三维数字化模型的步骤；2)根据膝关节置换手术方案进行数字模拟胫骨近端截骨，并测量胫骨假体设计相关几何参数的步骤；3)通过统计学分析得到不同性别、不同型号的胫骨假体的几何形状参数，并画出胫骨假体设计模型的步骤；4)根据胫骨假体设计模型并通过3d打印技术来制造膝关节胫骨假体的步骤。其能够得到不同性别、不同型号的胫骨假体，这种假体能够匹配国人男性和女性不同的膝关节胫骨骨骼解剖形态特点，提高假体与膝关节胫骨截骨面的覆盖率和手术的优良率。此外，目前大多数商业或自主研发的导航系统能够标定手术器械，实现了肿瘤的精准切除。但由于系统采用的基于标定工具的传统标定方法不适用于标定各种不规则形状的个性化假体，临床医生仍面临着如何根据术前规划的位置将个性化假体在术中精确定位安装这一挑战性难题。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种个性化假体位置实时跟踪的标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种个性化假体位置实时跟踪的标定方法，包括：

步骤s1：设计假体参考架和个性化的假体并制作，其中，所述假体上设有用于假体参考架安装的参考架安装孔以及多个用于配准的配准标志点，所述假体参考架上设有用于被光学定位跟踪系统跟踪的反光小球；

步骤s2：建立假体实物坐标系，并得到各配准标志点在假体实物坐标系中的坐标；

步骤s3：待假体参考架和假体连接并相对静止后，建立假体参考架坐标系；

步骤s4：将已通过标定过的探针依次选取假体上对应的配准标志点，并得到各配准标志点在探针参考架坐标系的坐标，以及分别用于将假体参考架坐标系和探针参考架坐标系转换为世界坐标系的第一空间变换矩阵和第二空间变换矩阵；

步骤s5：根据各配准标志点在探针参考架坐标系的坐标，以及第一空间变换矩阵和第二空间变换矩阵得到各配准标志点在假体参考架坐标系下的坐标；

步骤s6：根据各配准标志点在假体实物坐标系中的坐标、以及各配准标志点在假体参考架坐标系下的坐标确定假体在假体参考架坐标系下的位置和姿态。

所述配准标志点为圆锥形小孔。

所述圆锥形小孔的尺寸为直径2mm，高1mm。

所述配准标志点的数目为3～5个。

所述配准标志点的数目为4个。

所述探针的尺寸与配准标志点配合。

所述探针选取配准标志点时，探针尖点与配准标志点重合。

所述步骤s4具体包括：

步骤s41：将已通过标定过的探针依次选取假体上对应的配准标志点；

步骤s42：通过光学定位跟踪系统定位跟踪反光小球确定用于将假体参考架坐标系转换为世界坐标系的第一空间变换矩阵；

步骤s43：将探针选取指定配准标志点时，探针针尖的坐标作为该配准标志点在探针参考架坐标系的坐标；

步骤s44：根据探针的标定数据确定用于将探针参考架坐标系转换为世界坐标系的第二空间变换矩阵。

所述世界坐标系为光学定位跟踪系统的坐标系。

所述假体参考架和假体通过螺纹连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)通过已标定的探针在预留标识点和安装参考架的个性化假体实物上取点的方法来确定个性化假体在参考架坐标系下的位置和姿态，为解决图像引导下的个性化假体安装这一难题提供了有利条件。

2)可以使医生在手术过程中确保种植体植入的精确性与邻近重要生理组织结构的安全性，对于患者而言，可减小手术创伤，提高种植体的远期成功率，从而提高其生存质量。

3)借助假体参考架实现假体的位置和姿态，为个性化的假体提供参考。

4)配准标志点为圆锥形小孔便于和探针配合。

5)配准标志点的数目为3～5个，尤其是为4个时，可以准确判定假体姿态，并降低计算量。

6)圆锥形小孔的尺寸为直径2mm，高1mm，在提供配准的同时，可以占据更小的体积，减少对假体的结构破坏。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为个性化的假体的示意图；

图3为探针的示意图；

图4为假体参考架的示意图；

图5为探针在假体上取点的方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种个性化假体位置实时跟踪的标定方法，如图1所示，包括：

步骤s1：设计假体参考架如图4所示和个性化的假体如图2所示，并制作，其中，假体上设有用于假体参考架安装的参考架安装孔以及多个用于配准的配准标志点，假体参考架上设有用于被光学定位跟踪系统跟踪的反光小球参考架安装孔的尺寸与需要安装的假体参考架配合，配准标志点为圆锥形小孔，其尺寸为直径2mm，高1mm。配准标志点的数目为3～5个，优选为4个。

步骤s2：建立假体实物坐标系，并得到各配准标志点在假体实物坐标系中的坐标；

具体的，根据术前规划的结果形成个性化假体的三维模型，将设计完成的个性化假体三维模型通过金属3d打印技术形成实物。在假体设计过程中，其表面需预留设计3到5个圆锥形小孔作为配准标志点，并且预留参考架安装孔。然后，建立个性化假体实物的坐标系，设为o0x0y0z0，并将预留的配准标志点在其坐标系下的坐标设为x0i＝(x0i,y0i,z0i)^t,(i＝1,2,3,4)。

个性化假体三维模型可以通过ug软件(unigraphicsnx，siemensplmsoftware，germany)等建模软件设计，并保存为stereolithographic(stl)文件。

所述的个性化假体实物坐标与利用ug、solidworks等建模软件设计假体时的三维模型坐标系一致。

步骤s3：将假体参考架通过螺纹连接安装到个性化的假体上的参考架安装孔，待假体参考架和个性化假体保持相对静止后，建立假体参考架坐标系，设为o2x2y2z2，假体参考架坐标系和假体实物坐标系形成个性化假体的标定坐标系。

步骤s4：将如图3所示的已通过标定过的探针依次选取假体上对应的配准标志点，并得到各配准标志点在探针参考架坐标系的坐标，以及分别用于将假体参考架坐标系和探针参考架坐标系转换为世界坐标系的第一空间变换矩阵和第二空间变换矩阵，其中的世界坐标系为光学定位跟踪系统的坐标系；

探针的尺寸与配准标志点配合，探针选取配准标志点时，探针尖点与配准标志点重合，步骤s4具体包括：

步骤s41：如图5所示，将已通过标定过的探针依次选取假体上对应的配准标志点；

步骤s42：通过光学定位跟踪系统定位跟踪反光小球确定用于将假体参考架坐标系转换为世界坐标系的第一空间变换矩阵；

步骤s43：将探针选取指定配准标志点时，探针针尖的坐标作为该配准标志点在探针参考架坐标系的坐标；

步骤s44：根据探针的标定数据确定用于将探针参考架坐标系转换为世界坐标系的第二空间变换矩阵。

设配准标志点在探针参考架坐标系、假体参考架坐标系、世界坐标系下的三维坐标分别为x1i＝(x1i,y1i,z1i)^t、x2i＝(x2i,y2i,z2i)^t、xi＝(xi,yi,zi)^t，(i＝1,2,3,4)。a1(r1,t1)和a2(r2,t2)分别为将假体参考架坐标系和探针参考架坐标系转换为世界坐标系的空间变换矩阵(其中r1、r2为旋转矩阵，t1、t2为平移矩阵)，则存在以下转换关系：

步骤s5：根据各配准标志点在探针参考架坐标系的坐标，以及第一空间变换矩阵和第二空间变换矩阵得到各配准标志点在假体参考架坐标系下的坐标；

具体的，根据光学定位跟踪系统自动计算得到的a1、a2和得到的探针尖点在其自身参考坐标系下的三维坐标，可解得x2i＝(x2i,y2i,z2i)^t。

步骤s6：然后，基于x0i＝(x0i,y0i,z0i)^t和x2i＝(x2i,y2i,z2i)^t这两组一一对应的标志点点集在不同坐标系下的三维坐标，通过点配准能确定个性化假体在其参考架坐标系下的位置和姿态。

综上，本申请通过已标定的探针在预留配准标识点和安装假体参考架的个性化的假体实物上取点的方法来确定个性化假体在参考架坐标系下的位置和姿态，为解决图像引导下的个性化假体安装这一难题提供了有利条件。本申请可以使医生在手术过程中确保种植体植入的精确性与邻近重要生理组织结构的安全性。对于患者而言，可减小手术创伤，提高种植体的远期成功率，从而提高其生存质量。