[发明专利]一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统与方法

权利要求书

1.一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准系统，其特征在于，包括以下子模块：

模型处理子模块,所述的模型处理子模块扫描获取人体下肢CT数据并根据所得的人体下肢CT数据重建人体下肢三维模型，并获取和存储标志点数据用于后续匹配用于后续数据处理；

特征提取与筛选子模块，所述的特征提取与筛选子模块利用光学跟踪设备经由体表获取胫骨体表解剖标志点、内外踝体表点云及胫骨近端骨表面特征点云，剔除异常点并存储用于后续配准；

粗配准子模块，所述的粗配准子模块借由解剖标志点将术前CT数据转换至便于算法收敛的初始配准位姿；

精配准子模块，所述的精配准子模块基于改良的ICP算法将粗配准子模块的模型配准至较好的迭代位姿；

限制性区域寻优子模块，所述的限制性区域寻优子模块在限定自由度区域内对配准结果进行优化更新以获取优质的配准结果。

2.一种面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)扫描获取人体下肢CT数据并根据所得的人体下肢CT数据重建人体下肢三维模型，通过医学图像处理软件Mimics的点拾取工具拾取3D模型表面骨解剖标志点，存储标志点数据用于后续匹配。然后采用高精度存储模式保存为STL网格模型用于后续数据处理；模型的高精度存储，可以提高匹配点的定位精度；

(2)利用光学跟踪设备经由体表获取胫骨体表解剖标志点、内外踝体表点云及胫骨近端骨表面特征点云，存储用于后续配准；

(3)粗配准阶段；选取皮肤及软组织较少的三个解剖位置点：踝内外侧及胫骨结节，与术前CT数据进行粗配准，获取粗配准矩阵T_P，并将术前点云数据作如下处理：

s_i＝T_Pp_i (1)

式中，p_i表示由术前CT获取的点云数据，s_i为粗配准后的术前点云数据，粗配准后的数据作为后续精配准的输入；

(4)精配准阶段；为了便于后续描述，记ICP算法当前迭代矩阵T为q_i在s_i的当前对应点集数据为这里m代表迭代次数；同时，我们记术中采集的近端点云个数为n₁，远端点云个数为n₂；由于远端点云是经皮获取的，我们对经典ICP算法做如下修改：在计算迭代矩阵时使用整体远近端数据，而采用胫骨近端点云的平均迭代距离为迭代终止依据；

式中，ε_ICP表示两次迭代平均距离差，当ε_ICP≤0时，结束ICP精配准过程，获取ICP精配准后的点云数据m_i＝T_ICPs_i以及近端点云的平均迭代距离d_ICP；

(5)限制性区域寻优阶段；限定ICP配准模型在轴向自旋及三维平移四个自由度进行迭代优化搜索。

3.根据权利要求2所述面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准方法，其特征在于，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

(a)利用光学定位探针经皮点选3个胫骨体表解剖标记点，且所述的三个点坐标分布于患骨的两端；

(b)利用光学定位探针均匀划取内外踝体表及胫骨近端骨表面，获取初始骨内外踝体表及胫骨近端骨表面点云数据；

(c)若所述的初始点云数据中存在重复点，则保留其中任一坐标点坐标；

(d)若患骨初始表面点云数据中任一点不满足非噪声点的邻域特性，则将其作为噪声点进行剔除；

(e)经过上述处理后的患骨初始表面点云数据为获取的患骨待匹配点云数据，将术中依靠点云采集装置获取的点云数据记为：q_i。

4.根据权利要求2所述面向胫骨高位截骨手术的胫骨优化配准方法，其特征在于，所述步骤(5)具体包括如下步骤：

(a)初始搜索方向的定义；首先利用CT模型定义胫骨解剖方位坐标系P-uvw，其中，P-u为胫骨机械轴方向，方向向量记为u₁；P-v为胫骨内侧指向外侧，记为u₂；P-w为胫骨前侧指向后侧，记为u₃；坐标原点为胫骨膝关节中心，记为p_c；则初始搜索方向为：

式中，表示初始迭代胫骨局部坐标系坐标轴的方向，表示初始迭代胫骨局部坐标系坐标原点的位置；

(b)初始搜索节点的定义；定义4个自由度搜索区域的步长为d_f(f＝1,2,3),，步数为k；将搜索区域第f个自由度的第k步节点的转换矩阵表示为：T_(f,k)；假设第0次迭代每个搜索节点(f,k)点集q_i与点集m_i中距离最近的对应点集为可得每个搜索节点对应点对的平均距离为：

当平均距离下降量Δ＝d_ICP-d^(f,k)取得最大值时，输出节点索引(f,k)作为初次迭代的最优节点；我们记迭代寻优过程当前迭代矩阵T为这里n代表迭代次数；则初次迭代矩阵初始迭代平均距离

(c)迭代优化过程；完成初始方向及初始节点的定义后，可得当前迭代矩阵为：

式中，表示当前搜索区域的最优迭代矩阵；

当前搜索方向为：

(d)迭代终止条件；定义两次迭代平均距离的差值若ε_ROICP≤0，结束限制性区域寻优过程；至此，我们获取最终的患骨配准矩阵:

T_F＝T_ROICPT_ICPT_p (10)。