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CN116236278A - 一种骨隧道建立系统 - Google Patents

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CN116236278A CN202310505671.2A CN202310505671A CN116236278A CN 116236278 A CN116236278 A CN 116236278A CN 202310505671 A CN202310505671 A CN 202310505671A CN 116236278 A CN116236278 A CN 116236278A
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Jiangsu Province Hospital
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Abstract

本发明公开了一种骨隧道建立系统，包括：追踪器，放置于患者患处；标记件，安装于相对于追踪器位置固定的位置；靶标，放置于的患者患处的目标位置；机械臂设备，设有末端追踪器；光学跟踪设备，识别患者患处和机械臂设备上的追踪器；上位机，获取患者患处的三维影像，识别三维影像中靶标和标记件的位置信息，根据靶标的位置信息进行骨隧道规划；上位机得到标记件与追踪器之间的变换关系，结合光学跟踪设备识别患者患处的追踪器计算规划的骨隧道在光学跟踪设备下的位置信息，据此对机械臂设备进行运动规划并执行到位进行骨隧道建立。本发明能够精准建立骨隧道，避免由于骨隧道起止点位置偏差影响术后康复效果。

Description

一种骨隧道建立系统
技术领域
本发明涉及图像处理技术领域，尤其设计一种骨隧道建立系统。
背景技术
前交叉韧带(anterior cruciate ligament，ACL)断裂是常见而又严重的运动损伤，治疗不当将导致膝关节不稳，引起一系列后遗改变，严重影响膝关节运动功能，因此，其临床研究和治疗一直是骨科和运动创伤领域的一个重要课题，被广大专家、学者们所重视。对ACL断裂的治疗，往往采用韧带重建的方法。膝关节韧带重建通常涉及诊断性关节镜检查、切取准备韧带移植物、建立以韧带解剖附着点为出入口的骨隧道、移植物的植入和固定，其中建立用于固定重建韧带的骨隧道是手术的重点和难点。
以最常见的前交叉韧带重建手术为例，理论上，根据前交叉韧带在股骨和胫骨上的两个附着点就可以确定出一条直线，因此确定股骨与胫骨的韧带附着点的位置显得极为重要，对手术的术后效果起到至关重要的作用。
目前的传统手术中，在需要进行骨隧道建立的场景中，尤其是前交叉韧带重建手术中，结合关节镜的使用，确定出胫骨和股骨的韧带附着点，然后通过传统隧道定位工具进行隧道的建立，此种方法对于缺乏经验的术者来说难道较高，常常存在位置不准确的情况，这样就导致隧道的位置不理想，从而影响后续的手术效果。
发明内容
发明目的：针对上述不足，本发明提出一种骨隧道建立系统，通过直观的放置靶标在用于规划骨隧道的位置处，进而通过标记件进行配准，识别更加精确，能够准确的识别骨隧道的起止点，精准建立骨隧道。
技术方案：一种骨隧道建立系统，包括：
追踪器，放置于患者患处，用于表征患处位置；
标记件，安装于相对于所述追踪器位置固定的位置；
靶标，放置于患者患处上用于建立骨隧道的位置处；
机械臂设备，其上设有末端追踪器；
光学跟踪设备，用于识别所述患者患处的追踪器和所述机械臂设备上的末端追踪器；
上位机，获取患者包含患者患处及标记件的三维影像，识别得到三维影像中靶标和标记件的位置信息，并根据其中靶标的位置信息进行骨隧道规划；
上位机根据标记件与追踪器的之间的位置参数得到标记件与追踪器之间的变换关系，结合光学跟踪设备识别患者患处的追踪器得到光学跟踪设备对应坐标系与影像坐标系之间的变换关系，进而计算得到规划的骨隧道在光学跟踪设备对应坐标系下的位置信息，并据此对机械臂设备进行运动规划并执行到位进行骨隧道建立。
所述标记件为靶球，所述靶球安装于材料密度高于骨组织的托架上。
所述靶球的数量为至少3个。
所述上位机识别得到三维影像中靶球的位置信息，具体为：
（1）识别三维影像中标记件的托架，进行二值形态学开运算处理得到其中的连通域，并分别计算每个连通域对应的物理体积和空间质心位置；
（2）计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域，并将靶球群区域中的托架区域的体素值替换成密度小于托架的材料的体素值；
（3）以三维影像的横断面为基准面，以水平方向为基准方向，分别选择与基准方向之间不同角度的经过基准面的中心并垂直于基准面的平面作为一投影面，选择同时垂直于基准面和该投影面的另一面作为另一投影面，进而得到多组正交投影面，并计算得到靶球群区域投影至对应正交投影面上的投影图像；
（4）识别得到多组靶球群区域的正交投影图像中半径满足设定条件的连通域作为候选区域，并分别计算得到各候选区域的圆心坐标，也即各候选靶球在各组正交投影图像上的投影区域的圆心坐标；
（5）根据步骤（4）及对应投影图像的法向量计算得到对应的两组空间直线方程，计算该两组空间直线方程的空间交点即为对应候选靶球的空间球心，进而得到多组正交投影面对应的候选靶球的空间球心；
（6）判断步骤（5）得到的各组对应的空间球心与设计的标记件中靶球的数量是否一致，若是，则以步骤（5）对应的空间球心数据作为候选数据；否则选择在所有组正交投影面中均能提取得到的空间球心数据作为候选数据；
（7）根据步骤（6）得到的候选数据判断提取得到的靶球的空间球心数量M与设计的靶球群中靶球的数量N是否一致；
若是，则根据标记件的设计参数得到的各靶球之间的拓扑结构对三维影像中各靶球进行标记，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息；
若否，则对候选数据进行排列组合
Figure SMS_1
，根据排列组合结果根据各靶球之间的拓扑结构进行筛选，对筛选得到的组合与实际靶球群之间进行最小二乘法计算误差，选择误差最小的一组作为最终的靶球组合，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息。
所述误差具体为：
对筛选得到的组合对应的实际坐标系与实际标记件对应的理论坐标系之间进行最小二乘法计算两坐标系的变换关系，并计算其中任一经变换之后与另一之间配对靶球点对之间的空间距离，并将各配对靶球点对的均方根作为误差。
所述标记件位于获取的三维影像的边缘处，则所述步骤（2）中计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域具体为：先选取物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为候选连通域，再选取候选连通域中空间质心位置最靠近三维影像边缘的作为靶球群区域。
在步骤（2）得到的靶球群区域的基础上，将其往影像坐标系的三个坐标轴方向扩展设定距离得到最终的靶球群区域。
在扩展过程中若所述靶球群区域存在超出影像空间范围，则将其与影像空间的最大交集作为最终的靶球群区域。
所述计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域具体为：根据标记件的设计参数计算得到标记件所占用的体积V，计算得到其物理体积满足[k1V，k2V]的连通域作为靶球群区域。
k1=0.8，k2=1.2。
所述不同角度分别为0°、30°、60°。
所述识别得到多组靶球群区域的正交投影图像中半径满足设定条件的连通域作为候选区域具体为：
对得到的靶球群区域的正交投影图像分别进行自适应阈值分割处理得到各连通域，并对各连通域通过霍夫找圆算法检索得到其中半径满足[k3R，k4R]的连通域作为候选区域；其中，R为靶球的设计半径。
k3=0.8，k4=1.2。
所述患者患处为患者患肢，所述靶标通过器械在关节镜探入到患者患肢的交叉韧带处后在胫骨和股骨的韧带附着点分别置入。
有益效果：本发明提供的方案在需要进行骨隧道建立的场景中，尤其是前交叉韧带重建手术中，为股骨和胫骨的隧道建立提供了一种更直观、更准确的方法。通过直观的放置靶标在用于规划骨隧道的位置处，进而通过标记件进行配准，能够准确的识别骨隧道的起止点，精准建立骨隧道，避免由于骨隧道起止点位置偏差影响术后康复效果。且本发明在通过标记件进行配准时先通过粗计算得到示踪器在影像中大致位置，再通过精计算得到标记件在影像中的精确位置，避免了反复迭代，影像中标记件查找更快更精确。示踪器体积小巧，避免示踪器不在成像设备的成像范围内。
附图说明
图1为本发明的导航系统的架构图；
图2为在三维影像的横断面上构建正交投影面的示意图。
图中，1.透视设备，2.光学跟踪设备，3.机械臂设备，4.胫骨，5.股骨，6.胫骨追踪器，7.股骨追踪器，8.靶标，9.追踪球，10.示踪器工装，11.靶球，12.套筒。
实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
参照图1，本发明具体实施例的骨隧道建立系统包括手术床、透视设备1、光学跟踪设备2、机械臂设备3、上位机、分别安装在患者患肢的胫骨4和股骨5上的胫骨追踪器6和股骨追踪器7以及分别置于胫骨4和股骨5的韧带附着点上的靶标8；其中，患者患肢固定在手术床上；透视设备1用于扫描患者患肢膝关节处得到透视图像；本发明中，透视设备1为CT设备；在机械臂设备3上设有末端追踪器，在机械臂设备3的末端安装有套筒12，套筒12用于穿设骨隧道打孔的克氏针或钻头；光学跟踪设备2放置在可识别到胫骨追踪器6和股骨追踪器7的位置信息，用于识别胫骨4和股骨5上的胫骨追踪器6和股骨追踪器7，同时光学跟踪设备2识别得到机械臂设备3上末端追踪器的位置信息；靶标8可通过器械在关节镜探入到患者患肢的交叉韧带处后在胫骨4和股骨5的韧带附着点分别置入；靶标8采用在透视设备1的透视下成像效果良好且无伪影的材料，尤其选用成像好且易置于骨表面的材料为宜。
其中，胫骨追踪器6和股骨追踪器7均包括若干共面不共线的追踪球9，且在胫骨追踪器6和股骨追踪器7上均安装有示踪器工装10作为标记件，具体地，示踪器工装10包括托架及安装于托架上的若干靶球11，靶球11需要在CT下成像效果良好且无伪影且密度大于骨组织，材料首选陶瓷球，为便于在影像中进行区分，靶球的密度远低于托架；而托架的材料密度需高于骨组织，本发明优选金属材料。
本发明中，靶球11的数量为至少3个且优选为3个，并安装于金属托架上，金属托架再安装于胫骨追踪器6或股骨追踪器7上。
本发明中，透视设备1在扫描患者膝关节处时，需覆盖胫骨追踪器6和股骨追踪器7上安装的示踪器工装10，且需保证示踪器工装10位于扫描得到的透视图像经三维重建得到的三维影像的范围内，由于成像范围限制，一般在三维影像的边缘处。进一步地，经三维重建得到的三维影像中患者骨组织位于视野中心区域，示踪器工装10位于三维影像的边缘处。本发明中，三维影像的来源并不止于采用透视设备1扫描再经三维重建得到，还可以采用其他方式得到。
上位机获取透视设备1扫描得到的患者患肢的膝关节处的图像，对其进行三维重建，并识别得到其中靶标8和靶球11的位置信息，即得到在影像空间坐标系下靶标8和靶球11的位置信息，然后根据示踪器工装10的设计参数得到靶球11在示踪器工装10对应的工装坐标系下的位置信息，之后根据示踪器工装10与胫骨追踪器6或股骨追踪器7之间的安装参数计算得到工装坐标系与对应追踪器坐标系之间的变换关系，结合光学跟踪设备2识别得到胫骨追踪器6和股骨追踪器7的位置信息计算得到靶球11与光学跟踪设备2对应的光学跟踪坐标系之间的位置关系，进而计算得到光学跟踪坐标系与影像空间坐标系之间的变换关系，从而可通过光学跟踪设备2直接获取得到在影像中识别得到的靶球11的位置信息；
其中，上位机识别得到三维影像中靶标8的位置信息采用正交投影的2D影像中识别圆心后反投影计算空间位置进行提取识别；
上位机识别得到三维影像中靶球11的位置信息具体如下：
（1）靶球群区域定位；
本发明中，靶球11通过金属托架进行固定，金属托架的密度高于骨组织，且靶球11材质的密度远低于金属托架的材质，因此在三维影像中很容易对靶球群进行区分定位，具体如下：
（11）载入三维影像，并对其进行阈值分割识别得到示踪器工装10中的金属托架，包括但不限于使用OTSU（大津法，又叫最大类间方差法）、阈值迭代等阈值分割方法；本发明中，优选2000HU值作为阈值使用；
（12）鉴于示踪器工装10的金属托架与靶球11存在粘连或者存在金属伪影等，本发明对经步骤（11）处理的三维影像通过二值形态学开运算处理以去除金属伪影或其他噪声；
（13）查找经步骤（12）处理后的二值化影像的连通域，分别计算每个连通域对应的物理体积和空间质心位置；
（14）筛选目标连通域；
根据示踪器工装10的设计参数计算得到示踪器工装10所占用的体积V，结合步骤（13）得到的各连通域对应的物理体积计算得到其物理体积满足[k1V，k2V]的连通域作为候选连通域，再选取候选连通域中空间质心位置最靠近三维影像边缘的作为目标连通域；
本发明中，k1=0.8，k2=1.2；
（15）边界扩展；
在步骤（14）得到的目标连通域基础上，将其往影像空间坐标系的三个坐标轴方向扩展设定距离得到靶球群区域，具体设定距离根据示踪器工装10的金属托架和靶球11的设计尺寸而定；
将靶球群区域中的金属托架对应的影像区域体素值替换成有效影像区域中最小密度的体素值（即将金属托架对应的体素值替换成最小密度材料的体素值，如空气的体素值），得到其对应的影像，作为后续使用影像。在本发明中，实际上只需将靶球群区域中的金属托架对应的影像区域体素值替换成密度小于金属的材料的体素值即可，为了效果更优，本发明选择将靶球群区域中的金属托架对应的影像区域体素值替换成最小密度材料的体素值。
其中，若在扩展过程中存在超出影像空间范围，则其与影像空间的最大交集作为靶球群区域。
（2）靶球提取；
（21）获取靶球群区域的正交投影图像；
以三维影像的横断面为基准面，以水平方向为基准方向，分别选择与基准方向之间不同角度的经过基准面的中心并垂直于基准面的平面作为一投影面，选择同时垂直于基准面和该投影面的另一面作为另一投影面，进而以该两投影面作为正交投影面，得到多组正交投影面，并计算得到靶球群区域投影至对应正交投影面上的投影图像；如图2所示，本发明分别以0°、30°、60°作为选择的与基准方向之间的三个角度。
（22）对经步骤（21）得到的靶球群区域的正交投影图像分别进行自适应阈值分割处理得到各连通域，并对各连通域通过霍夫找圆算法检索得到其中半径满足[k3R，k4R]的连通域作为候选区域，也即得到各候选靶球在对应正交投影图像上的投影区域，并分别计算得到各候选区域的圆心坐标；其中，R为靶球11的设计半径；
本发明中，k3=0.8，k4=1.2；
（23）计算多组正交投影面对应的各候选靶球的空间球心；
根据步骤（22）得到各候选靶球在各组正交投影图像上的投影区域的圆心坐标及对应投影图像的法向量计算得到对应的两组空间直线方程，计算该两组空间直线方程的空间交点即为对应候选靶球的空间球心；
具体为：
以一组正交投影图像为例，如与基准方向之间为30°选取的一投影面及同时垂直于基准面和该投影面的另一面作为另一投影面得到正交投影面上的正交投影图像为例，以一投影图像上一候选区域的圆心坐标及该投影图像的法向量计算得到对应的空间直线方程，以该候选区域在另一投影图像上对应的候选区域的圆心坐标及另一投影图像的法向量计算得到另一对应的空间直线方程，计算该两空间直线方程的空间交点，即为该候选靶球的空间球心；进一步地，由于存在图像处理和计算上的误差，可能导致两空间直线不存在交点，则查找与该两空间直线均垂直且相交的直线作为辅助直线，计算该辅助直线与两空间直线之间的交点的平均作为该候选靶球的空间球心；更进一步地，分别计算得到的该候选靶球的空间球心和辅助直线与两空间直线之间的交点之间的距离，在其中任一大于设定阈值（如1×10-5mm）时将该候选靶球的空间球心剔除，返回步骤（22）；
之后分别使用与基准方向之间不同角度构建的正交投影面计算提取每组正交投影面对应的候选靶球的空间球心；
（24）选取空间球心；
理论上在步骤（23）各组计算得到的空间球心与设计的靶球群中靶球的数量一致，此时以步骤（23）计算得到任一组的空间球心数据作为候选数据，转至步骤（25），更具体地，以步骤（23）计算得到的多组正交投影面对应的各候选靶球的空间球心数据的平均作为候选数据；但是鉴于影像存在未知干扰，会产生错误的球心，因此，存在计算得到的空间球心与设计的靶球群中靶球的数量不一致的情况，那么此时选择在所有组正交投影面中均能提取得到的空间球心数据的平均作为候选数据，在所有组正交投影面中均能提取得到的空间球心即某一候选靶球的空间球心在所有组正交投影面中均能提取得到；
（25）提取靶球，并根据靶球的空间球心得到各靶球的位置信息；
根据步骤（24）得到的候选数据判断提取得到的靶球的空间球心数量M与设计的靶球群中靶球的数量N是否一致；
若是，则根据示踪器工装10的设计参数得到的各靶球之间的拓扑结构对三维影像中各靶球进行标记，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息；其中，各靶球之间的拓扑结构一般采用两靶球的连线长度或者三个靶球的夹角；
若否，则对候选数据进行排列组合
Figure SMS_2
，根据排列组合结果根据各靶球之间的拓扑结构进行筛选，对筛选得到的组合与实际示踪器工装10之间进行最小二乘法计算，选择误差最小的一组作为最终的靶球组合，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息；具体地，对筛选得到的组合对应的实际工装坐标系与实际示踪器工装10对应的理论工装坐标系之间进行最小二乘法计算两坐标系的变换关系，并计算其中任一经变换之后与另一之间配对点对之间的空间距离，并将各配对靶球点对的均方根作为误差，选择其中误差最小的一各组合作为最终的靶球组合。
上位机根据影像中靶标8的位置信息进行骨隧道规划，并根据得到影像中靶球11的位置得到靶标8与靶球11之间的变换关系，进而结合前述可通过光学跟踪设备2直接获取得到在影像中识别得到的靶标8的位置信息，进而可以通过光学跟踪设备2直接追踪规划的骨隧道；
机械臂设备3根据通过光学跟踪设备2直接追踪规划的骨隧道及光学跟踪设备2识别得到的机械臂设备3上末端追踪器的位置信息进行运动规划并执行到位，之后通过机械臂设备3完成骨隧道打孔操作。
本发明以膝关节置换为例，即本发明的患者患处为患者患肢，那么骨隧道的起止点即为韧带重建手术的起止点，那么将靶标置于股骨和胫骨的韧带附着点上即可，但是本发明并不止于此，本发明适用于其他任何需在骨组织中进行骨隧道规划操作的场景中，在其他场景中，将靶标置于患者患处上用于建立骨隧道的位置处即可。
本发明在需要进行骨隧道建立的场景中，尤其是前交叉韧带重建手术中，通过在胫骨和股骨的韧带附着点置入靶标，在胫骨和股骨上设置示踪器及靶球，通过透视设备扫描的得到三维影像中识别得到该靶标，进而可在三维影像上进行隧道规划；然后通过三维影像中识别得到的靶球得到靶标与靶球之间的位置关系，然后通过光学跟踪设备识别示踪器，结合示踪器和靶球之间的位置关系即可通过光学跟踪设备直接识别得到靶标的位置，进而可以通过光学跟踪设备直接识别得到规划的骨隧道，那么通过光学跟踪设备与机械臂设备上的示踪器即可直接控制机械臂设备的运动，以完成骨隧道打孔操作。本发明的骨隧道固定且通过光学跟踪系统进行追踪，不仅在术前确定了韧带附着点，保证了韧带附着点位置的准确性，且保证了术中骨隧道的位置的准确性，保证了手术效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换（如数量、形状、位置等），这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种骨隧道建立系统，其特征在于，包括：
追踪器，放置于患者患处，用于表征患处位置；
标记件，安装于相对于所述追踪器位置固定的位置；
靶标，放置于患者患处上用于建立骨隧道的位置处；
机械臂设备，其上设有末端追踪器；
光学跟踪设备，用于识别所述患者患处的追踪器和所述机械臂设备上的末端追踪器；
上位机，获取患者包含患者患处及标记件的三维影像，识别得到三维影像中靶标和标记件的位置信息，并根据其中靶标的位置信息进行骨隧道规划；
上位机根据标记件与追踪器的之间的位置参数得到标记件与追踪器之间的变换关系，结合光学跟踪设备识别患者患处的追踪器得到光学跟踪设备对应坐标系与影像坐标系之间的变换关系，进而计算得到规划的骨隧道在光学跟踪设备对应坐标系下的位置信息，并据此对机械臂设备进行运动规划并执行到位进行骨隧道建立。
2.根据权利要求1所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述标记件为靶球，所述靶球安装于材料密度高于骨组织的托架上。
3.根据权利要求2所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述靶球的数量为至少3个。
4.根据权利要求2所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述上位机识别得到三维影像中靶球的位置信息，具体为：
（1）识别三维影像中标记件的托架，进行二值形态学开运算处理得到其中的连通域，并分别计算每个连通域对应的物理体积和空间质心位置；
（2）计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域，并将靶球群区域中的托架区域的体素值替换成密度小于托架的材料的体素值；
（3）以三维影像的横断面为基准面，以水平方向为基准方向，分别选择与基准方向之间不同角度的经过基准面的中心并垂直于基准面的平面作为一投影面，选择同时垂直于基准面和该投影面的另一面作为另一投影面，进而得到多组正交投影面，并计算得到靶球群区域投影至对应正交投影面上的投影图像；
（4）识别得到多组靶球群区域的正交投影图像中半径满足设定条件的连通域作为候选区域，并分别计算得到各候选区域的圆心坐标，也即各候选靶球在各组正交投影图像上的投影区域的圆心坐标；
（5）根据步骤（4）及对应投影图像的法向量计算得到对应的两组空间直线方程，计算该两组空间直线方程的空间交点即为对应候选靶球的空间球心，进而得到多组正交投影面对应的候选靶球的空间球心；
（6）判断步骤（5）得到的各组对应的空间球心与设计的标记件中靶球的数量是否一致，若是，则以步骤（5）对应的空间球心数据作为候选数据；否则选择在所有组正交投影面中均能提取得到的空间球心数据作为候选数据；
（7）根据步骤（6）得到的候选数据判断提取得到的靶球的空间球心数量M与设计的靶球群中靶球的数量N是否一致；
若是，则根据标记件的设计参数得到的各靶球之间的拓扑结构对三维影像中各靶球进行标记，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息；
若否，则对候选数据进行排列组合
Figure QLYQS_1
，根据排列组合结果根据各靶球之间的拓扑结构进行筛选，对筛选得到的组合与实际靶球群之间进行最小二乘法计算误差，选择误差最小的一组作为最终的靶球组合，并根据各靶球的空间球心得到各靶球的位置信息。
5.根据权利要求4所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述误差具体为：
对筛选得到的组合对应的实际坐标系与实际标记件对应的理论坐标系之间进行最小二乘法计算两坐标系的变换关系，并计算其中任一经变换之后与另一之间配对靶球点对之间的空间距离，并将各配对靶球点对的均方根作为误差。
6.根据权利要求4所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述标记件位于获取的三维影像的边缘处，则所述步骤（2）中计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域具体为：先选取物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为候选连通域，再选取候选连通域中空间质心位置最靠近三维影像边缘的作为靶球群区域。
7.根据权利要求4所述的骨隧道建立系统，其特征在于，在步骤（2）得到的靶球群区域的基础上，将其往影像坐标系的三个坐标轴方向扩展设定距离得到最终的靶球群区域。
8.根据权利要求7所述的骨隧道建立系统，其特征在于，在扩展过程中若所述靶球群区域存在超出影像空间范围，则将其与影像空间的最大交集作为最终的靶球群区域。
9.根据权利要求4所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述计算物理体积相比标记件设计参数满足设定条件的连通域作为靶球群区域具体为：根据标记件的设计参数计算得到标记件所占用的体积V，计算得到其物理体积满足[k1V，k2V]的连通域作为靶球群区域。
10.根据权利要求9所述的骨隧道建立系统，其特征在于，k1=0.8，k2=1.2。
11.根据权利要求4所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述不同角度分别为0°、30°、60°。
12.根据权利要求4所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述识别得到多组靶球群区域的正交投影图像中半径满足设定条件的连通域作为候选区域具体为：
对得到的靶球群区域的正交投影图像分别进行自适应阈值分割处理得到各连通域，并对各连通域通过霍夫找圆算法检索得到其中半径满足[k3R，k4R]的连通域作为候选区域；其中，R为靶球的设计半径。
13.根据权利要求12所述的骨隧道建立系统，其特征在于，k3=0.8，k4=1.2。
14.根据权利要求1所述的骨隧道建立系统，其特征在于，所述患者患处为患者患肢，所述靶标通过器械在关节镜探入到患者患肢的交叉韧带处后在胫骨和股骨的韧带附着点分别置入。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116725662A (zh) * 2023-08-11 2023-09-12 北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司 一种基于二维影像的骨折手术规划方法、设备及可存储介质
CN118097643A (zh) * 2024-04-29 2024-05-28 真健康(广东横琴)医疗科技有限公司 体表定位标记物识别方法、手术机器人导航方法及设备
CN118469935A (zh) * 2024-05-07 2024-08-09 首都医科大学附属北京积水潭医院 止点范围确定方法、装置、电子设备及存储介质

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995015729A1 (en) * 1993-12-10 1995-06-15 Wang Mattew Y Automatic technique for localizing externally attached fiducial markers in volume images of the head
US20170340389A1 (en) * 2016-05-27 2017-11-30 Mako Surgical Corp. Preoperative planning and associated intraoperative registration for a surgical system
CN107468351A (zh) * 2016-06-08 2017-12-15 北京天智航医疗科技股份有限公司 一种手术定位装置、定位系统及定位方法
CN111297480A (zh) * 2020-02-20 2020-06-19 京东方科技集团股份有限公司 一种跟踪定位件、配准方法、存储介质及电子设备
CN111388091A (zh) * 2020-03-17 2020-07-10 京东方科技集团股份有限公司 光标尺、坐标系配准的方法
CN112880562A (zh) * 2021-01-19 2021-06-01 佛山职业技术学院 一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统
CN113673410A (zh) * 2021-08-16 2021-11-19 北京大学 人工标记的生成方法、识别方法、装置、设备、介质和程序
CN215994218U (zh) * 2021-08-02 2022-03-11 杭州三坛医疗科技有限公司 一种远程骨折复位系统
CN115500944A (zh) * 2022-11-15 2022-12-23 北京市春立正达医疗器械股份有限公司 膝关节骨科手术导航系统
CN115546783A (zh) * 2022-10-08 2022-12-30 佗道医疗科技有限公司 一种三维影像下的示踪球定位方法
CN115666409A (zh) * 2020-03-31 2023-01-31 埃森蒂尔机器人技术公司 为基于荧光透视的导航系统生成图像的系统
CN115721415A (zh) * 2022-11-15 2023-03-03 浙江大学 一种软组织穿刺导航定位方法和系统

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1995015729A1 (en) * 1993-12-10 1995-06-15 Wang Mattew Y Automatic technique for localizing externally attached fiducial markers in volume images of the head
US20170340389A1 (en) * 2016-05-27 2017-11-30 Mako Surgical Corp. Preoperative planning and associated intraoperative registration for a surgical system
CN107468351A (zh) * 2016-06-08 2017-12-15 北京天智航医疗科技股份有限公司 一种手术定位装置、定位系统及定位方法
CN111297480A (zh) * 2020-02-20 2020-06-19 京东方科技集团股份有限公司 一种跟踪定位件、配准方法、存储介质及电子设备
CN111388091A (zh) * 2020-03-17 2020-07-10 京东方科技集团股份有限公司 光标尺、坐标系配准的方法
CN115666409A (zh) * 2020-03-31 2023-01-31 埃森蒂尔机器人技术公司 为基于荧光透视的导航系统生成图像的系统
CN112880562A (zh) * 2021-01-19 2021-06-01 佛山职业技术学院 一种机械臂末端位姿误差测量方法及系统
CN215994218U (zh) * 2021-08-02 2022-03-11 杭州三坛医疗科技有限公司 一种远程骨折复位系统
CN113673410A (zh) * 2021-08-16 2021-11-19 北京大学 人工标记的生成方法、识别方法、装置、设备、介质和程序
CN115546783A (zh) * 2022-10-08 2022-12-30 佗道医疗科技有限公司 一种三维影像下的示踪球定位方法
CN115500944A (zh) * 2022-11-15 2022-12-23 北京市春立正达医疗器械股份有限公司 膝关节骨科手术导航系统
CN115721415A (zh) * 2022-11-15 2023-03-03 浙江大学 一种软组织穿刺导航定位方法和系统

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116725662A (zh) * 2023-08-11 2023-09-12 北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司 一种基于二维影像的骨折手术规划方法、设备及可存储介质
CN116725662B (zh) * 2023-08-11 2023-11-03 北京维卓致远医疗科技发展有限责任公司 一种基于二维影像的骨折手术规划方法、设备及可存储介质
CN118097643A (zh) * 2024-04-29 2024-05-28 真健康(广东横琴)医疗科技有限公司 体表定位标记物识别方法、手术机器人导航方法及设备
CN118097643B (zh) * 2024-04-29 2024-07-16 真健康(广东横琴)医疗科技有限公司 体表定位标记物识别方法、手术机器人导航方法及设备
CN118469935A (zh) * 2024-05-07 2024-08-09 首都医科大学附属北京积水潭医院 止点范围确定方法、装置、电子设备及存储介质

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