CN113893035A - 一种关节置换手术导航***及计算机可读存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种关节置换手术导航***及计算机可读存储介质，所述关节置换手术导航***包括主控模块，和与主控模块分别通信连接的双目视觉追踪模块和手持式骨钻；手持式骨钻包括磨削杆、磨削头、骨钻电机和骨钻外壳，骨钻外壳的表面固定有光学标识物；双目视觉追踪模块包括双目视觉追踪器，用于获取光学标识物的第一位姿信息并计算磨削头的第二位姿信息；主控模块包括主机，用于接收第二位姿信息并生成三维图像；主机还用于分析预存的关节CT图像以确定打磨区域，并根据三维图像和打磨区域生成打磨指令，手持式骨钻还用于接收主机发出的打磨指令并进行打磨。本发明降低了关节置换手术的操作复杂性，提升了关节置换手术的效率。

Description

一种关节置换手术导航***及计算机可读存储介质
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体而言，涉及一种关节置换手术导航***及计算机可读存储介质。
背景技术
人口老龄化速度的加快，伴随着关节疾病的患者也越来越多。面对各种关节疾病，关节置换手术能够起到很好的疗效，并且近年来，随着人工关节技术及医疗水平的发展，关节置换手术的质量也迅速提高，能够有效地缓解疼痛，重建关节功能。
目前的关节置换手术的操作复杂性高、对操作人员的专业能力要求高，并且手术完成的效率低下。因此，亟需一种可操作性简单，并且能够有效保证关节置换手术效率的关节置换手术***。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的之一在于提供一种关节置换手术导航***及计算机可读存储介质，降低了关节置换手术的操作复杂性，有效保证关节置换手术的效率。
第一方面，本申请实施例提供了一种关节置换手术导航***，所述关节置换手术导航***包括主控模块，和与所述主控模块分别通信连接的双目视觉追踪模块和手持式骨钻；
所述手持式骨钻包括磨削杆、磨削头、骨钻电机和骨钻外壳，所述骨钻电机的两端分别与所述骨钻外壳和所述磨削杆螺纹连接，其中，所述骨钻外壳的表面固定有光学标识物；
所述双目视觉追踪模块包括双目视觉追踪器，用于获取所述光学标识物的第一位姿信息并基于所述第一位姿信息计算所述磨削头的第二位姿信息，所述双目视觉追踪器还用于向所述主控模块发送所述第二位姿信息；
所述主控模块包括主机，用于接收所述第二位姿信息并根据所述第二位姿信息生成三维图像；
所述主机还用于分析预存的关节CT图像以确定打磨区域，并根据所述三维图像和所述打磨区域生成打磨指令，其中，所述手持式骨钻还用于接收所述主机发出的所述打磨指令并进行打磨。
在一种可能的实施方式中，所述主控模块还包括与所述主机通信连接的第一显示器，所述双目视觉追踪模块还包括与所述主机通信连接的第二显示器，其中，所述第一显示器和所述第二显示器均用于显示所述三维图像。
在一种可能的实施方式中，所述手持式骨钻还包括设有按钮的钻柄，其中，所述钻柄与所述骨钻电机通过卡扣连接，所述按钮用于开关所述骨钻电机。
在一种可能的实施方式中，所述钻柄为六面体结构，所述钻柄的各个侧面均包含经过压铸处理后的纹理。
在一种可能的实施方式中，所述钻柄的一个侧面设有开槽，所述开槽内设有电池和与所述主机通信连接的无线模块。
在一种可能的实施方式中，所述无线模块的无线通信方式包括蓝牙、WiFi和Zigbee中的至少一种。
在一种可能的实施方式中，所述根据所述三维图像和所述打磨区域生成打磨指令的方式，包括：
所述主机还用于基于所述打磨区域生成打磨规划路径；
所述主机还用于基于所述打磨规划路径和所述三维图像生成打磨指令，并将所述打磨指令向所述无线模块发送；
所述无线模块用于接收所述打磨指令，所述手持式骨钻用于根据所述打磨指令进行打磨。
在一种可能的实施方式中，所述双目视觉追踪模块还用于在所述手持式骨钻开始打磨后，将获取到的所述第二位姿信息实时向所述主机传输；
若所述手持式骨钻按所述打磨规划路径完成打磨，所述主机用于向所述无线模块发送打磨完成的指令；
若所述磨削头在按所述打磨规划路径进行打磨的过程中脱离所述打磨规划路径，所述主机用于向所述无线模块发送打磨终止的指令。
在一种可能的实施方式中，所述打磨区域的确定方式，包括：
所述主机用于根据所述关节CT图像生成假体模型，并将所述假体模型包括的区域确定为打磨区域。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被一个或多个处理器执行时，实现第一方面提供的关节置换手术导航***。
本申请实施例提供的关节置换手术导航***，通过主控模块，和分别与所述主控模块通信连接的手持式骨钻和双目视觉追踪模块便可导航完成关节置换手术，降低了关节置换手术的操作复杂性，提升了关节置换手术的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本申请实施例提供的一种关节置换手术导航***的模块连接示意图；
图2示出了本申请实施例提供的一种关节置换手术导航***所包含的光学标记物示意图；
图3示出了本申请实施例提供的一种关节置换手术导航***的实体示意图；
图4示出了本申请实施例提供的一种关节置换手术导航***所包含的手持式骨钻组成示意图。
图标：双目视觉追踪模块110，主控模块120，手持式骨钻130，第一显示器310，第二显示器320，磨削头410，磨削杆420，骨钻电机450，骨钻外壳430，钻柄440，光学标识物200。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
请参见图1，关节置换手术导航***包括主控模块120，和与主控模块120分别通信连接的双目视觉追踪模块110和手持式骨钻130。
在本实施例中，关节手术导航***主要用于辅助微创外科手术的进行，如包括髋关节和膝关节等关节的外科手术，能够帮助手术医师在手术中精确地将关节假体导航植入至术前或术后制定的计划位置。
其中，主控模块120主要用于术前或术中图片、信息数据的接收和处理，以及控制指令的生成。示例性地，主控模块120可以向手持式骨钻130发送打磨指令，手持式骨钻130在接收到打磨指令后便可对关节假体进行打磨。双目视觉追踪模块110用于实现对手持式骨钻130的实时定位，以保证通过手持式骨钻130进行精准的打磨。
下面将对手持式骨钻130、双目视觉追踪模块110以及主控模块120的各部分组成和具体的功能进行详细介绍：
请参见图2、图3及图4，其中图2主要对光学标识物200进行介绍，图3主要对手持式骨钻130、主控模块120和双目视觉追踪模块110的实体及通信连接进行介绍，图4主要对手持式骨钻130的具体构造进行介绍。手持式骨钻130包括磨削杆420、磨削头410、骨钻电机450和骨钻外壳430，骨钻电机450的两端分别与骨钻外壳430和磨削杆420螺纹连接，其中，骨钻外壳430的表面固定有光学标识物200。
其中，骨钻电机450可以为手持式骨钻130提供打磨的动力，磨削头410用于打磨关节假体，磨削头410与关节假体直接接触。可选地，磨削头410可与磨削杆420螺纹连接或纽扣连接，保证磨削头410与磨削杆420之间连接的可靠性，以免在手术使用过程中出现脱落，降低手术的操作风险，在本实施例中，并不限制磨削头410与磨削杆420之间具体的连接方式，仅需保证磨削头410与磨削杆420之间连接的可靠性即可。
双目视觉追踪模块110包括双目视觉追踪器，用于获取光学标识物200的第一位姿信息并基于第一位姿信息计算第二位姿信息，双目视觉追踪器还用于向述主控模块120发送第二位姿信息。
其中，光学标识物200可用于标识自身的第一位姿信息，双目视觉追踪器可以直接获取该第一位姿信息，并根据第一位姿信息计算磨削头410的第二位置信息。双目视觉追踪器包括双目摄像机，能够保证光学标识物200的识别范围并且实现精准定位。
这里需要说明的是，关节置换手术中使用的磨削头410有不同的型号，尺寸大小都是固定的，与磨削头410连接的磨削杆420也有不同长度和粗细程度的型号，虽然磨削头410和磨削杆420均有不同的型号，但是尺寸的精准度很高，只要确定手持式骨钻130上的光学标识物200的第一位姿信息，便能够通过空间的几何关系确定出磨削头410的第二位姿信息。
本实施例中的第一位姿信息和第二位姿信息包括空间三维坐标，以及如俯仰角等空间角度信息。通过三维坐标和空间角度信息便能更精准地确定磨削头410与光学标识物200之间的空间相对位置，进一步保证关节置换手术的手术精准度。
主控模块120包括主机，用于接收第二位姿信息并根据第二位姿信息生成三维图像。
其中，主控模块120处理图像和数据主要是通过主机完成的。本实施例中的主机具备图像处理和数据分析等置换手术中常用的功能。
另外，主机还用于分析预存的关节CT图像以确定打磨区域，并根据三维图像和打磨区域生成打磨指令，其中，手持式骨钻130还用于接收主机发出的打磨指令并进行打磨。
其中，预存的关节CT图像为患者的病患处的CT图像，是术前拍摄好并传输至主机中的。主机可通过安装好的图像处理软件进行图像分析，确定出打磨区域。
由上述分析可知，本实施例中的关节置换手术导航***通过主控模块120、手持式骨钻130和双目视觉追踪模块110，能够降低关节置换手术的操作复杂性，并且通过光学标识物200确定手持式骨钻130中磨削头410的空间位置，提高了手术操作的精准度，提高了手术效率。
在一种可能的实施方式中，主控模块120还包括如图2中与主机通信连接的第一显示器310，双目视觉追踪模块110还包括与主机通信连接的第二显示器320，其中，第一显示器310和第二显示器320均用于显示三维图像。
在本实施例中，主机和第一显示器310可以固定在安装在可移动的手术台车上，方便移动显示，并且，主机和第一显示器310之间可通过有线通信连接，还可以通过无线通信连接，进一步提升了关节置换手术导航***的便捷性。同时，台车体积小，也不会过多占用手术空间。相应地，第二显示器320安装在双目视觉追踪器的下方，第二显示器320与主机的连接方式同样包括有线和无线通信连接，具体的连接方式可根据实际需求进行选择，本实施例在此不做限制。
可选地，手持式骨钻130还包括设有按钮的钻柄440，其中，钻柄440与骨钻电机450通过卡扣连接，按钮用于开关所述骨钻电机450。
在本实施例中，钻柄440可保证手持式骨钻130被稳定地握持，按钮为旋转式可按压按钮。示例性地，按钮逆时针旋转90度并按压，可关闭骨钻电机450，按钮顺时针旋转90度并按压，可启动骨钻电机450。旋转式可按压按钮可保证手持式骨钻130的操作安全性，避免像普通按钮一样出现误触导致按压通断的现象。
可选地，钻柄440为六面体结构，钻柄440的各个侧面均包含经过压铸处理后的纹理。
示例性地，钻柄440的各个侧面均有规则或不规则的纹理，增加钻柄440表面的粗糙度，能够使手持式骨钻130带来更好的握持感。
进一步地，钻柄440的一个侧面设有开槽，开槽内设有电池和与主机通信连接的无线模块。
在本实施例中，电池充当所述手持式骨钻130的动力源头，为保证手持式骨钻130工作的稳定性，电池可拆卸，便于更换，时刻为手持式骨钻130提供充足的动力。可选地，手持式骨钻130的钻柄440还可以开设一为电池充电的孔，便于电池的有线充电。另外，还可以为电池进行无线充电。电池的充电方式可根据实际的需求进行选择，本实施例在此不做限制。
可选地，无线模块的无线通信方式包括蓝牙、WiFi和Zigbee中的至少一种，为手持式骨钻130和主机间的通信方式提供多种选择。
在一种可能的实施方式中，根据三维图像和打磨区域生成打磨指令的方式，包括：
主机还用于基于打磨区域生成打磨规划路径；
主机还用于基于打磨规划路径和三维图像生成打磨指令，并将打磨指令向无线模块发送；
无线模块用于接收打磨指令，手持式骨钻130用于根据打磨指令进行打磨。
在本实施例中，主机可生成打磨规划路径，进而通过打磨指令控制所述手持式骨钻130按规划路径进行打磨，降低了打磨操作的难度，同时，也保证了打磨的精准度。
可选地，双目视觉追踪模块110还用于在手持式骨钻130开始打磨后，将获取到的第二位姿信息实时向主机传输；
若手持式骨钻130按所述打磨规划路径完成打磨，主机用于向无线模块发送打磨完成的指令；
若磨削头410在按所述打磨规划路径进行打磨的过程中脱离打磨规划路径，主机向无线模块发送打磨终止的指令。
在本实施例中，通过主机的打磨控制指令，以及通过双目视觉追踪模块110对手持式骨钻130的磨削头410的定位，关节置换手术导航***可具备打磨边界保护功能。
另外，打磨区域的确定方式，可以是主机应用根据关节CT图像生成假体模型，并将假体模型包括的区域确定为打磨区域。
具体地，以患者的髋臼为例，主机可对患者的髋臼CT图像进行渲染，并在主机的渲染场景中建立影像坐标系，并识别出髋臼的集合中心点，将该集合中心点确定为目标位置如点P0(X0，Y0，Z0)，用点P1(X1，Y1，Z1)表示磨削头410的当前位置。同时主机在渲染场景中确定髋臼的平面，并生成与髋臼平面垂直且过点P0的直线，取直线上的任一点P2(X2，Y2，Z2)。
其中，在影像坐标系中，由点P0至点P2形成向量A，由点P1至点P0形成向量B。此时，主机可根据向量的点乘公式，
Figure BDA0003324420160000091
和余弦公式，
Figure BDA0003324420160000092
得到向量B在向量A上的投影长度L。
并且，根据集合中心点P0和磨削头410的当前位置，即点P1，可以得出两点间的距离dis，用于确定手持式骨钻130是否可以进行打磨。
其中，
Figure BDA0003324420160000093
通过距离dis和投影长度L可共同判断手持式骨钻130是否可以进行打磨。
示例性地，当L>2mm时，可以打磨；当0mm<L<2mm，1mm<dis<2mm时可以打磨，dis>2mm时不可打磨；当L<0mm，0mm<dis<1mm时可以打磨，dis>1时不可打磨。其中，若可以打磨，主机便会向无线模块发送允许打磨的指令，手势式骨钻开始或继续打磨，若不可打磨，主机便会向无线模块发送终止打磨的指令，手持式骨钻130便停止打磨。另外，若手持式骨钻130按打磨规划路径完成打磨，主机也会向无线模块发送终止打磨的指令，手持式骨钻130也会停止打磨。通过主机对患者CT图像的识别与处理，使得置换手术导航***具备打磨边界的保护功能。
由上述分析可知，本实施例通过手持式骨钻130、主控模块120和双目视觉追踪模块110，共同降低了关节置换手术操作的复杂度，同时提高了手术的操作效率，并且在手持式骨钻130打磨的过程中，通过实时记录手持式骨钻130的位置，由主机进一步分析确定打磨区域以及打磨的规划路径，在降低了打磨的复杂度的同时，还实现了打磨边界的保护功能，极大程度上避免了手术中出现的打磨风险。
本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述实施例中所述的关节置换手术导航***。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种关节置换手术导航***，其特征在于，所述关节置换手术导航***包括主控模块，和与所述主控模块分别通信连接的双目视觉追踪模块和手持式骨钻；
所述手持式骨钻包括磨削杆、磨削头、骨钻电机和骨钻外壳，所述骨钻电机的两端分别与所述骨钻外壳和所述磨削杆螺纹连接，其中，所述骨钻外壳的表面固定有光学标识物；
所述双目视觉追踪模块包括双目视觉追踪器，用于获取所述光学标识物的第一位姿信息并基于所述第一位姿信息计算所述磨削头的第二位姿信息，所述双目视觉追踪器还用于向所述主控模块发送所述第二位姿信息；
所述主控模块包括主机，用于接收所述第二位姿信息并根据所述第二位姿信息生成三维图像；
所述主机还用于分析预存的关节CT图像以确定打磨区域，并根据所述三维图像和所述打磨区域生成打磨指令，其中，所述手持式骨钻还用于接收所述主机发出的所述打磨指令并进行打磨。
2.根据权利要求1所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述主控模块还包括与所述主机通信连接的第一显示器，所述双目视觉追踪模块还包括与所述主机通信连接的第二显示器，其中，所述第一显示器和所述第二显示器均用于显示所述三维图像。
3.根据权利要求1所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述手持式骨钻还包括设有按钮的钻柄，其中，所述钻柄与所述骨钻电机通过卡扣连接，所述按钮用于开关所述骨钻电机。
4.根据权利要求3所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述钻柄为六面体结构，所述钻柄的各个侧面均包含经过压铸处理后的纹理。
5.根据权利要求4所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述钻柄的一个侧面设有开槽，所述开槽内设有电池和与所述主机通信连接的无线模块。
6.根据权利要求5所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述无线模块的无线通信方式包括蓝牙、WiFi和Zigbee中的至少一种。
7.根据权利要求5所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述根据所述三维图像和所述打磨区域生成打磨指令的方式，包括：
所述主机还用于基于所述打磨区域生成打磨规划路径；
所述主机还用于基于所述打磨规划路径和所述三维图像生成打磨指令，并将所述打磨指令向所述无线模块发送；
所述无线模块用于接收所述打磨指令，所述手持式骨钻用于根据所述打磨指令进行打磨。
8.根据权利要求7所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述双目视觉追踪模块还用于在所述手持式骨钻开始打磨后，将获取到的所述第二位姿信息实时向所述主机传输；
若所述手持式骨钻按所述打磨规划路径完成打磨，所述主机用于向所述无线模块发送打磨完成的指令；
若所述磨削头在按所述打磨规划路径进行打磨的过程中脱离所述打磨规划路径，所述主机用于向所述无线模块发送打磨终止的指令。
9.根据权利要求7所述的关节置换手术导航***，其特征在于，所述打磨区域的确定方式，包括：
所述主机用于根据所述关节CT图像生成假体模型，并将所述假体模型包括的区域确定为打磨区域。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序在被一个或多个处理器执行时，实现权利要求1-9中任一项所述的关节置换手术导航***。
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