髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统及方法

摘要

本发明属于手术辅助装置技术领域，公开了一种髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统及方法，所述髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统包括：髋关节固定模块、图像采集模块、图像分析模块、中央控制模块、髋关节模型构建模块、支撑点确定模块、支撑点定位模块、髋关节支撑模块、截骨角度确定模块、截骨角度调整模块、截骨导航模块、评价模块、模拟截骨模块、驱动模块。本发明通过髋关节固定模块实现对髋关节的固定，减少移动带来的误差，使得图像获取及模型构建更准确；通过髋关节模型构建模块进行髋关节模型构建，在构建的髋关节模型上进行模拟截骨，通过模拟发现截骨手术中的问题并及时改正，提升截骨准确性。

说明书

技术领域

本发明属于手术辅助装置技术领域，尤其涉及一种髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统及方法。

背景技术

目前，儿童发育性髋关节脱位是较常见的儿童先天性下肢畸形之一，致残率高，严重影响患儿身心健康，尤其大龄髋关节脱位更为严重。三联截骨术是一种将髋臼周围髂骨、坐骨及耻骨进行截骨后改变髋臼方向进而改变髋臼对股骨头包容的手术方式，坐骨截骨术是其中一重要环节。然而髋关节坐骨暴露困难，周围神经血管丰富，加之儿童坐骨本身具有角度，给手术增加了难度。在畸形狭小的坐骨内需按照严格角度截骨，角度不正确很容易会导致坐骨截骨位置过高或过低，或方向不对，进而会影响髋关节的旋转，影响手术效果，甚至会造成股骨头坏死和关节僵硬等并发症。但是目前的髋关节脱位三联截骨术的手术辅助装置中暂无可以实现按照严格角度截骨的装置，无法实现手术操作的简化和手术风险的降低。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前的髋关节脱位三联截骨术的手术辅助装置中暂无可以实现按照严格角度截骨的装置，无法实现手术操作的简化和手术风险的降低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统及方法。

本发明是这样实现的，一种髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法，所述髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法包括以下步骤：

步骤一，通过髋关节固定模块利用髋关节固定装置进行髋关节的固定；通过图像采集模块利用摄像头采集经固定的髋关节的图像；通过图像分析模块获取髋关节不同角度的两个图像，分别定义为第一图像和第二图像；利用图像分析程序分别处理第一图像和第二图像并获得对应的第一参数和第二参数，并输出所述第一参数和第二参数。

步骤二，对髋关节位置和所述摄像头之间的距离进行测量，以针对所述输出的特征点的信息为基础从针对所述髋关节位置的图像中选择至少两个特征点；以所述测量的距离为基础计算针对所述髋关节拍摄预先存储的原始图像的相对大小，得到原始图像与采集图像的比例。

步骤三，将步骤二得到髋关节的结构信息以及依照比例进行髋关节规格的计算，实现对采集的髋关节图像的分析，并生成髋关节图像分析报告；通过中央控制模块利用中央处理器控制所述髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统各个模块的正常运行。

步骤四，通过髋关节模型构建模块根据在图像分析中确定的特征点，为所述特征点构建描述子得到特征点的描述子；在所述第一图像和所述第二图像中，根据所述特征点的描述子寻找出相匹配的特征点，建立匹配关系得到视差图；利用所述视差图、所述摄像头的内参数和外参数，获得所述特征点对应空间点的空间位置，利用髋关节模型构建程序根据髋关节图像分析报告构建髋关节3D打印导航模型。

步骤五，通过支撑点确定模块利用支撑点确定程序依照图像分析结构在采集的图像中进行支撑点确定；通过支撑点定位模块利用支撑点定位程序依照在图像中确定的支撑点进行髋关节上支撑点的定位；通过髋关节支撑模块利用髋关节支撑架进行髋关节各支撑点的支撑。

步骤六，通过截骨角度确定模块利用角度确定程序根据髋关节3D打印导航模型确定截骨角度；检测截骨装置的实际位置信息，通过截骨角度调整模块根据接收到的所述截骨装置的实际位置信息与预先确定的角度信息计算偏移量；利用调整程序根据所述偏移量，调整截骨装置的位置，使调整后的截骨装置的位置处于预先设定的标准位置。

步骤七，通过截骨导航模块利用截骨导航装置根据各髋关节上支撑点的定位信息进行髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的导航，并生成模拟截骨方案；通过评价模块利用评价程序对模拟截骨方案进行评价，并生成最终截骨方案；通过模拟截骨模块利用模拟截骨程序根据最终截骨方案对髋关节3D打印导航模型进行模拟截骨；通过驱动模块利用驱动器进行驱动，使用截骨装置按照确定的角度进行髋关节的截骨。

进一步，步骤一中，所述第一图像和第二图像对所述目标对象髋关节的不同组成具有不同加权。

进一步，步骤四中，所述特征点的描述子为由所述特征点在各层卷积方向图中对应像素的值构成的向量。

进一步，步骤四中，所述通过髋关节模型构建模块根据在图像分析中确定的特征点，为所述特征点构建描述子得到特征点的描述子的方法，包括：

(1)对拍摄的图像分别沿x方向和y方向求梯度，得到梯度图；将每对梯度图对平面内多个方向进行投影，对每对梯度图计算梯度方向图；

(2)对得到的所述梯度方向图进行至少三种不同高斯核的卷积运算，得到卷积方向图；根据得到的所述卷积方向图为所述特征点构建描述子。

进一步，步骤五中，所述支撑点包括髂嵴上最横向点、髂骨翼上的最高点、坐骨结节上的最低点、髂后上棘和同侧髂前上棘中的至少两个。

进一步，步骤六中，所述计算偏移量的方法，包括：

(1)将截骨装置安装在导向器内，将导向器与髋关节固定装置相连，开启截骨装置，通过截骨装置的运动感知单元的陀螺仪进行截骨装置的水平矫正；

(2)进行截骨装置90°垂直定位，完成初始位置矫正后截骨装置进入工作状态，实时采集和记录髋关节运动加速度和运动角速度数据；

(3)定位下肢力线，将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述截骨装置所指方向与下肢力线所成角度；

(4)通过截骨角度调整模块根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨装置的偏移角度。

进一步，所述运动感知单元包括加速度传感器和陀螺仪，其中所述加速度感应器为可编程满量程为±2g，±4g，±8g，±16g的三轴加速度计，最高敏感度为1mg/LSB；所述陀螺仪为数字输出X-、Y-和Z-轴角速率且全量程为±250、±500、±1000和±2000°/sec的芯片。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统，所述髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统包括：

髋关节固定模块，与中央控制模块连接，用于通过髋关节固定装置进行髋关节的固定；

图像采集模块，与中央控制模块连接，用于通过摄像头采集经固定的髋关节的图像；

图像分析模块，与中央控制模块连接，用于通过图像分析程序进行采集的髋关节图像的分析，并生成髋关节图像分析报告；

中央控制模块，与髋关节固定模块、图像采集模块、图像分析模块、髋关节模型构建模块、支撑点确定模块、支撑点定位模块、髋关节支撑模块、截骨角度确定模块、截骨角度调整模块、截骨导航模块、评价模块、模拟截骨模块、驱动模块连接，用于通过中央处理器控制所述髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统各个模块的正常运行；

髋关节模型构建模块，与中央控制模块连接，用于通过髋关节模型构建程序根据髋关节图像分析报告进行髋关节3D打印导航模型的构建；

支撑点确定模块，与中央控制模块连接，用于通过支撑点确定程序依照图像分析结构在采集的图像中进行支撑点确定；

支撑点定位模块，与中央控制模块连接，用于通过支撑点定位程序依照在图像中确定的支撑点进行髋关节上支撑点的定位；

髋关节支撑模块，与中央控制模块连接，用于通过髋关节支撑架进行髋关节各支撑点的支撑；

截骨角度确定模块，与中央控制模块连接，用于通过角度确定程序根据髋关节3D打印导航模型确定截骨角度；

截骨角度调整模块，与中央控制模块连接，用于通过调整程序对截骨角度进行调整；

截骨导航模块，与中央控制模块连接，用于通过截骨导航装置根据各髋关节上支撑点的定位信息进行髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的导航，并生成模拟截骨方案；

评价模块，与中央控制模块连接，用于通过评价程序对模拟截骨方案进行评价，并生成最终截骨方案；

模拟截骨模块，与中央控制模块连接，用于通过模拟截骨程序根据最终截骨方案对髋关节3D打印导航模型进行模拟截骨；

驱动模块，与中央控制模块连接，用于通过驱动器进行驱动，完成截骨。

本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，储存有指令，当所述指令在计算机上运行时，使得计算机执行所述的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的3D打印导航方法，通过髋关节固定模块实现对髋关节的固定，减少移动带来的误差，进行图像的获取以及模型构建更准确；进行髋关节模型构建模块的设置能够实现髋关节模型的构建，在构建的髋关节模型上进行模拟截骨，能够实现对截骨手术的模拟，通过模拟发现截骨手术中的问题并及时改正，能够实现截骨准确性提升；进行支撑点的确定和对髋关节进行支撑，能够实现对髋关节的固定，实现髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的准确性的提升。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，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的附图。

图1是本发明实施例提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的3D打印导航方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的3D打印导航系统的结构框图；

图中：1、髋关节固定模块；2、图像采集模块；3、图像分析模块；4、中央控制模块；5、髋关节模型构建模块；6、支撑点确定模块；7、支撑点定位模块；8、髋关节支撑模块；9、截骨角度确定模块；10、截骨角度调整模块；11、截骨导航模块；12、评价模块；13、模拟截骨模块；14、驱动模块。

图3是本发明实施例提供的通过图像分析模块利用图像分析程序对采集的髋关节图像进行分析的方法流程图。

图4是本发明实施例提供的通过髋关节模型构建模块利用髋关节模型构建程序进行髋关节模型构建的方法流程图。

图5是本发明实施例提供的通过截骨角度调整模块利用调整程序对截骨角度进行调整的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统及方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法包括以下步骤：

S101，通过髋关节固定模块利用髋关节固定装置进行髋关节的固定；通过图像采集模块利用摄像头采集经固定的髋关节的图像；

S102，通过图像分析模块利用图像分析程序进行采集的髋关节图像的分析，并生成髋关节图像分析报告；

S103，通过中央控制模块利用中央处理器控制所述髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统各个模块的正常运行；

S104，通过髋关节模型构建模块利用髋关节模型构建程序根据髋关节图像分析报告进行髋关节3D打印导航模型的构建；

S105，通过截骨角度确定模块利用角度确定程序根据髋关节3D打印导航模型确定截骨角度；通过截骨角度调整模块利用调整程序对截骨角度进行调整；

S106，通过支撑点确定模块利用支撑点确定程序依照图像分析结构在采集的图像中进行支撑点确定；

S107，通过支撑点定位模块利用支撑点定位程序依照在图像中确定的支撑点进行髋关节上支撑点的定位；通过髋关节支撑模块利用髋关节支撑架进行髋关节各支撑点的支撑；

S108，通过截骨导航模块利用导航程序根据各髋关节上支撑点的定位信息进行髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的导航，并生成模拟截骨方案；通过评价模块利用评价程序对模拟截骨方案进行评价，并生成最终截骨方案；

S109，通过模拟截骨模块利用模拟截骨程序根据最终截骨方案对髋关节3D打印导航模型进行模拟截骨；通过驱动模块利用驱动器进行驱动，完成截骨。

本发明实施例提供的步骤S106中，所述支撑点包括髂嵴上最横向点、髂骨翼上的最高点、坐骨结节上的最低点、髂后上棘和同侧髂前上棘中的至少两个。

如图2所示，本发明实施例提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统包括：髋关节固定模块1、图像采集模块2、图像分析模块3、中央控制模块4、髋关节模型构建模块5、支撑点确定模块6、支撑点定位模块7、髋关节支撑模块8、截骨角度确定模块9、截骨角度调整模块10、截骨导航模块11、评价模块12、模拟截骨模块13、驱动模块14。

髋关节固定模块1，与中央控制模块4连接，用于通过髋关节固定装置进行髋关节的固定；

图像采集模块2，与中央控制模块4连接，用于通过摄像头采集经固定的髋关节的图像；

图像分析模块3，与中央控制模块4连接，用于通过图像分析程序进行采集的髋关节图像的分析，并生成髋关节图像分析报告；

中央控制模块4，与髋关节固定模块1、图像采集模块2、图像分析模块3、髋关节模型构建模块5、支撑点确定模块6、支撑点定位模块7、髋关节支撑模块8、截骨角度确定模块9、截骨角度调整模块10、截骨导航模块11、评价模块12、模拟截骨模块13、驱动模块14连接，用于通过中央处理器控制所述髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航系统各个模块的正常运行；

髋关节模型构建模块5，与中央控制模块4连接，用于通过髋关节模型构建程序根据髋关节图像分析报告进行髋关节3D打印导航模型的构建；

支撑点确定模块6，与中央控制模块4连接，用于通过支撑点确定程序依照图像分析结构在采集的图像中进行支撑点确定；

支撑点定位模块7，与中央控制模块4连接，用于通过支撑点定位程序依照在图像中确定的支撑点进行髋关节上支撑点的定位；

髋关节支撑模块8，与中央控制模块4连接，用于通过髋关节支撑架进行髋关节各支撑点的支撑；

截骨角度确定模块9，与中央控制模块4连接，用于通过角度确定程序根据髋关节3D打印导航模型确定截骨角度；

截骨角度调整模块10，与中央控制模块4连接，用于通过调整程序对截骨角度进行调整；

截骨导航模块11，与中央控制模块4连接，用于通过截骨导航装置根据各髋关节上支撑点的定位信息进行髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨的导航，并生成模拟截骨方案；

评价模块12，与中央控制模块4连接，用于通过评价程序对模拟截骨方案进行评价，并生成最终截骨方案；

模拟截骨模块13，与中央控制模块4连接，用于通过模拟截骨程序根据最终截骨方案对髋关节3D打印导航模型进行模拟截骨；

驱动模块14，与中央控制模块4连接，用于通过驱动器进行驱动，完成截骨。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

本发明实施例提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法如图1所示，作为优选实施例，如图3所示，本发明实施例提供的通过图像分析模块利用图像分析程序对采集的髋关节图像进行分析的方法包括：

S201，获取髋关节不同角度的两个图像，分别定义为第一图像和第二图像；

S202，分别处理第一图像和第二图像并获得对应的第一参数和第二参数，输出所述第一参数和第二参数；

S203，对髋关节位置和所述摄像头之间的距离进行测量，以针对所述输出的特征点的信息为基础从针对所述髋关节位置的图像中选择至少两个特征点；

S204，以所述测量的距离为基础计算针对所述髋关节拍摄预先存储的原始图像的相对大小，得到原始图像与采集图像的比例，并将得到髋关节的结构信息以及依照比例进行髋关节规格的计算。

本发明实施例提供的第一图像和第二图像对所述目标对象髋关节的不同组成具有不同加权。

实施例2

本发明实施例提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法如图1所示，作为优选实施例，如图4所示，本发明实施例提供的通过髋关节模型构建模块利用髋关节模型构建程序进行髋关节模型构建的方法包括：

S301，通过髋关节模型构建模块根据在图像分析中确定的特征点，为所述特征点构建描述子得到特征点的描述子；

S302，在所述第一图像和所述第二图像中，根据所述特征点的描述子寻找出相匹配的特征点，建立匹配关系得到视差图；

S303，利用所述视差图、所述摄像头的内参数和外参数，获得所述特征点对应空间点的空间位置，利用髋关节模型构建程序根据髋关节图像分析报告构建髋关节3D打印导航模型。

本发明实施例提供的特征点的描述子为由所述特征点在各层卷积方向图中对应像素的值构成的向量。

本发明实施例提供的通过髋关节模型构建模块根据在图像分析中确定的特征点，为所述特征点构建描述子得到特征点的描述子的方法，包括：

(1)对拍摄的图像分别沿x方向和y方向求梯度，得到梯度图；将每对梯度图对平面内多个方向进行投影，对每对梯度图计算梯度方向图；

(2)对得到的所述梯度方向图进行至少三种不同高斯核的卷积运算，得到卷积方向图；根据得到的所述卷积方向图为所述特征点构建描述子。

实施例3

本发明实施例提供的髋关节脱位三联截骨术坐骨截骨3D打印导航方法如图1所示，作为优选实施例，如图5所示，本发明实施例提供的通过截骨角度调整模块利用调整程序对截骨角度进行调整的方法包括：

S401，通过截骨角度确定模块利用角度确定程序根据髋关节3D打印导航模型确定截骨角度；

S402，检测截骨装置的实际位置信息，通过截骨角度调整模块根据接收到的所述截骨装置的实际位置信息与预先确定的角度信息计算偏移量；

S403，利用调整程序根据所述偏移量，调整截骨装置的位置，使调整后的截骨装置的位置处于预先设定的标准位置。

本发明实施例提供的计算偏移量的方法，包括：

(1)将截骨装置安装在导向器内，将导向器与髋关节固定装置相连，开启截骨装置，通过截骨装置的运动感知单元的陀螺仪进行截骨装置的水平矫正；

(2)进行截骨装置90°垂直定位，完成初始位置矫正后截骨装置进入工作状态，实时采集和记录髋关节运动加速度和运动角速度数据；

(3)定位下肢力线，将获取的运动加速度和运动角速度数据转化成描述截骨装置所指方向与下肢力线所成角度；

(4)通过截骨角度调整模块根据预设的目标截骨角度与截骨导航装置所指方向与下肢力线所成角度之差计算出截骨装置的偏移角度。

本发明实施例提供的运动感知单元包括加速度传感器和陀螺仪，其中所述加速度感应器为可编程满量程为±2g，±4g，±8g，±16g的三轴加速度计，最高敏感度为1mg/LSB；所述陀螺仪为数字输出X-、Y-和Z-轴角速率且全量程为±250、±500、±1000和±2000°/sec的芯片。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。