用于辅助骨科手术的系统和方法与流程

本发明涉及用于整形外科手术的图像处理领域。特别地，本发明涉及一种计算机实现的方法和系统，所述方法和系统被配置为预测在手术期间使用平面手术工具在受试者的目标骨骼上执行的平面切割的结果。

背景技术：

1、全膝关节置换术(tka)是一种外科手术，用于修复因关节炎受损的膝关节。金属植入物用于覆盖形成膝关节的骨骼末端。在骨骼准备阶段，外科医生使用手术切割工具(通常是矢状锯)在股骨上进行5次平面切割，在胫骨上进行一次平面切割。在导航或机器人tka的情况下，引导软件用于在切割前将切割工具定位在相对于骨骼的所需平面内。

2、引导系统用于根据目标平面将平面切割工具相对于正在切除的骨骼对齐。这种系统能够保证骨骼切割达到一定的精度，但是，有几个因素(患者形态、用户对系统的熟悉程度、基准配准误差)仍然会影响它们的性能，并且切割工具的准确定位可能无法完全令人满意。在不实际执行切割的情况下，没有独立的方法来获得用于验证骨骼切除的精度和预测切割后解剖结构形状的定性或定量信息。

3、本发明旨在通过提供一种能够与机器人和/或导航系统结合使用的方法和系统来填补这一空白，所述方法和系统用于在执行切割之前验证平面切割并可视化其未来效果。

技术实现思路

1、本发明涉及一种对使用平面手术工具在受试者的目标骨骼上执行平面切割的结果进行术中预测的计算机实现的方法，其中，所述平面手术工具包括平面切割表面，所述方法包括：

2、-接收先前从至少一个3d成像传感器获取的至少一个3d图像；所述3d图像是包括目标骨骼的至少一部分和手术工具的平面切割表面的至少一部分的3d点云，

3、-分割所述3d图像，获得3d图像中属于手术工具的平面切割表面的点和3d图像中属于目标骨骼的点；

4、-通过将平面拟合到属于手术工具的平面切割表面的分割的点来获得截骨平面的空间方向和位置；

5、-将截骨平面重叠到属于目标骨骼的分割的点，选择属于目标骨骼的旨在用手术工具移除的部分的点；

6、-输出属于目标骨骼的旨在用手术工具移除的部分的点。

7、有利地，本方法允许在执行切割之前验证平面切割的未来结果并为医务人员可视化其未来效果，因此提供用于校正任何对准误差等的宝贵信息。此外，得益于外部测量设备(即3d成像传感器)，该方法允许独立验证，不依赖于手术期间使用的机械臂或导航系统的任何运动学或定位数据，因此不受其初始定位误差的影响。

8、根据一个实施例，该方法还包括使用属于目标骨骼的旨在用手术工具移除的部分的点来生成移除骨骼部分的模拟3d模型。

9、根据一个实施例，该方法还包括：

10、-接收骨骼的3d模型术前计划，所述术前计划包括骨骼的3d模型的参考系中计划切割平面的方程，

11、-通过将切割平面的方程应用到骨骼的3d模型来获得移除骨骼部分的计划3d模型，

12、-使用3d形状分析比较模拟3d模型和移除骨骼部分的所述计划3d模型并输出所述比较的结果。

13、骨骼的3d模型和模拟3d模型可以是3d数字模型，因为计划3d模型是从骨骼的3d模型中获得的。

14、根据一个实施例，比较的结果是3d形状相似性度量或匹配误差。该方法的该输出有利地向医务人员提供关于手术工具相对于术前计划的定位精度的信息。

15、根据一个实施例，该方法还包括计算模拟3d模型的主成分，根据主成分定义移除骨骼部分的边界框，并根据边界框估计移除骨骼部分的厚度。该实施例有利地允许在实际执行切割之前计算骨碎片(即，切除的骨骼部分)的厚度。

16、根据一个实施例，该方法还包括将所述移除骨骼部分的所述估计厚度与移除骨骼部分的计划厚度进行比较，并且每当检测到与计划厚度的偏差时输出警报。这有利地提醒医务人员可以对手术工具的定位进行校正。

17、根据一个实施例，手术工具包括基准标记以帮助获得截骨平面的空间方向和位置。

18、根据一个实施例，目标骨骼是股骨或胫骨。

19、本发明还涉及一种包括指令的计算机程序，所述指令在由计算机执行时，使计算机执行根据上述任一实施例的方法的步骤。

20、本发明还涉及一种包括指令的计算机可读介质，所述指令在由计算机执行时，使计算机执行根据上述任一实施例的方法的步骤。

21、本发明还涉及一种对使用平面手术工具在受试者的目标骨骼上执行平面切割的结果进行术中预测的系统，其中，平面手术工具包括平面切割表面，所述系统包括：

22、-至少一个输入，其适于接收先前从至少一个3d成像传感器获取的至少一个3d图像，所述3d图像是包括目标骨骼的至少一部分和手术工具的平面切割表面的至少一部分的3d点云，

23、-至少一个处理器，其被配置为：

24、分割3d图像，获取3d图像中属于手术工具的平面切割表面的点和3d图像中属于目标骨骼的点；

25、通过对属于手术工具的平面切割表面的分割的点进行3d拟合来获得截骨平面的空间方向和位置；

26、将截骨平面重叠到属于目标骨骼的分割的点，选择属于目标骨骼的旨在用手术工具移除的部分的点；

27、-至少一个输出，其适于提供属于目标骨骼的旨在用手术工具移除的部分的点。

28、根据一个实施例，处理器还被配置成使用属于目标骨骼的旨在用手术工具移除的部分的点来生成移除骨骼部分的模拟3d模型。

29、根据一个实施例，处理器还被配置为：

30、-接收骨骼的3d模型和术前计划，所述术前计划包括骨骼的3d模型的参考系中切割平面的方程，

31、-通过将切割平面的方程应用到骨骼的3d模型来获得移除骨骼部分的计划3d模型，

32、-使用3d形状分析比较模拟3d模型和移除骨骼部分的所述计划的3d模型并输出所述比较的结果。

33、根据一个实施例，比较的结果是3d形状相似性度量或匹配误差。

34、根据一个实施例，处理器还被配置为计算模拟3d模型的主成分，根据主成分定义移除骨骼部分的边界框并根据边界框估计移除骨骼部分的厚度。

35、根据一个实施例，处理器还被配置成将所述移除骨骼部分的所述估计厚度与该移除骨骼部分的计划厚度进行比较，并且每当检测到与计划厚度的偏差时输出警报。

36、定义

37、在本发明中，下列术语具有以下含义：

38、-“骨骼切除厚度”是指骨骼切除部分的较小尺寸。

39、-“适于”和“配置为”在本公开中被用作广泛地涵盖本设备的初始配置、后续适配或补充，或其类似的任何组合，无论是通过材料还是软件装置(包括固件)实现。

40、-“处理器”不应被解释为仅限于能够执行软件的硬件，而是泛指处理设备，例如可以包括计算机、微处理器、集成电路或可编程逻辑设备(pld)。处理器还可以包含一个或更多个图形处理单元(gpu)，无论是用于计算机图形和图像处理还是其他功能。此外，能够执行相关联的和/或结果功能的指令和/或数据可以存储在任何处理器可读介质上，例如集成电路、硬盘、cd(压缩盘)、诸如dvd(数字通用光盘)的光盘、ram(随机存取存储器)或rom(只读存储器)。指令可以尤其存储在硬件、软件、固件或其任意组合中。

41、-“参考系”是指使用一个或更多个数字或坐标来唯一确定点或其他几何元素在欧几里得空间等流形上的位置的坐标系。

42、-“三维数字模型”是指三维数字(或虚拟)模型，是三维空间中的虚拟对象。模型的位置和方向在相关联的数字参考中是已知的。

43、-“术前计划”，在手术中是指在不同手术阶段要执行的一系列操作。该手术计划可以通过在手术之前执行的模拟程序获得，该模拟程序使用作为手术目标的患者的骨骼的三维数字模型。例如，在膝关节置换手术的情况下，术前计划将包括定义与股骨和胫骨的三维模型相关的切割平面和钻孔轴线的每一个。