本文公开了一种用于将患者骨与手术计划进行手术配准的手术系统。作为其执行手术配准能力的一部分，该系统被配置为处理患者骨的超声图像，该超声图像包括每个患者骨的骨表面。该系统包括计算设备，该计算设备包括处理设备和其上存储有一个或多个可执行指令的计算机可读介质。处理设备被配置为执行该一个或多个可执行指令。该一个或多个可执行指令：i)检测超声图像中每个患者骨的骨表面；以及ii)分离与每个患者骨的骨表面相关联的超声图像像素的第一点云。的第一点云。的第一点云。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】基于超声的多重骨配准手术系统及在计算机辅助手术中的使用方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2020年10月27日提交的美国临时申请第63/105,973号的权益，该临时申请的全部内容通过引用并入本申请。
[0003]本公开涉及用于计算机辅助手术的医疗系统和方法。更具体地，本公开涉及计算机辅助手术中的手术配准系统和方法。
技术介绍
[0004]现代矫形关节置换手术通常涉及至少一定程度的手术术前计划，以提高特定程序的有效性和效率。特别是，术前计划可以提高骨切除和植入物放置的准确性，同时减少程序的总时间和患者关节被打开和暴露的时间。
[0005]在矫形关节置换手术的执行中使用机器人系统可以大大减少特定程序的术中时间。越来越多地，程序的有效性可能基于在术前计划阶段使用的工具、系统和方法。
[0006]术前计划中涉及的步骤示例可涉及确定：植入物尺寸、位置和取向；切除平面和深度；到达手术部位的进入轨迹；等等。在某些情况下，术前计划可能涉及生成患者骨和软组织的三维(“3D”)患者特定模型以进行关节置换。3D患者模型可用作计划植入物尺寸、植入物取向、植入物位置和对应的切除平面和深度以及其他参数的各种可能性的视觉辅助。
[0007]但是，在机器人系统可以执行关节置换之前，机器人系统和导航系统必须与患者进行配准。配准涉及将术前计划中定义的虚拟边界和约束映射到物理空间中的患者，因此可以相对于患者准确跟踪机器人系统，并相对于应用于患者解剖结构的边界进行约束。
[0008]虽然用于手术配准的某些方面的框架在本领域中可能是已知的，但是需要系统和方法来进一步细化配准的某些方面以进一步提高机器人和机器人辅助矫形关节置换手术的效率和有效性。
技术实现思路
[0009]本公开的方面可以包括各种神经网络中的一种或多种神经网络的组合被训练以检测超声图像中的骨表面并任选地对该超声图像中的骨表面进行分类。
[0010]本公开的方面还可以包括能够在超声模态和第二模态(例如，CT/MRI，或采用根据患者解剖数据变形的一种或多种统计/通用模型)之间将N个骨(通常形成关节)的骨表面同时共配准的算法，通过优化以下来捕获这些骨：从超声模态到第二模态的至少Nx6DOF变换；以及将超声模态图像数据中的区域分配给N个捕获的骨中的一个骨的分类信息。
[0011]在某些情况下，为了将单独的超声图像(仅捕获骨的切片/一小部分)拼接成一个一致的3D图像数据集，相对于附接到N个捕获的骨中的每一个的解剖结构跟踪器跟踪超声探头。在被扫描的骨被固定的情况下，超声图像可以通过仅跟踪超声探头而被拼接在一起。
[0012]在某些情况下，多重配准可以是基于3D点云/网格的。在这种情况下，可以在第二模态(CT/MRI骨分割)中分割N个骨，获得三角网格。
[0013]在某些情况下，多重配准可以是基于图像的。在这种情况下，分类的超声数据直接匹配到第二模态而不需要检测超声图像的骨表面。
[0014]本公开的方面可以包括用于将患者骨与手术计划进行手术配准的系统，该手术配准采用患者骨的超声图像，超声图像包括单个超声图像，该单个超声图像包括多个骨的骨表面，单个超声图像是从超声扫描产生的，该超声扫描是由超声探头穿过患者骨的单个扫描带产生的。在这样的系统中，该系统包括计算设备，该计算设备包括处理设备和其上存储有一个或多个可执行指令的计算机可读介质。处理设备被配置为执行该一个或多个指令。一个或多个可执行指令包括一个或多个神经网络，该神经网络被训练以：i)检测单个超声图像中的骨表面；和ii)根据骨的类型对单个超声图像中的每个骨表面进行分类以得到分类的骨表面。
[0015]一个或多个神经网络可以包括检测单个超声图像中的骨表面的卷积网络。根据实施例，一个或多个神经网络可以包括像素分类网络和/或对每个骨表面进行分类的似然分类网络。
[0016]该系统是有利的，因为它可以接收具有多个骨的骨表面的单个超声图像，然后：i)检测单个超声图像中的骨表面；ii)根据骨的类型对每个骨表面进行分类，以得到分类的骨表面。换句话说，尽管单个超声图像包括多个骨的骨表面，该系统仍然可以检测骨表面以及对骨表面分类。该能力有利地允许从超声扫描生成单个超声图像，该超声扫描由跨越形成关节的患者骨的超声波探头的单个扫描带产生。因此，由于这种能力，不需要将跨越患者关节骨的超声探头的扫描带限制在单个骨上；扫描带可以简单地延伸到关节的所有骨，这样得到的超声图像包含多个骨，并且系统能够检测骨表面并对它们进行分类，以便由系统对骨表面进行分选。
[0017]在系统的一个变化形式中，处理设备执行一个或多个指令以计算单个超声图像的分类的骨表面的2D图像像素到3D点的变换，从而生成分类的3D骨表面点云。根据实施例，在计算单个超声图像的分类的骨表面的2D图像像素到3D点的变换时，可以考虑超声波在特定介质中的传播速度，超声探头的已知姿态集合可以关于超声探头坐标系相对于探头跟踪器来获取，并且可以计算探头跟踪器空间和超声探头坐标系之间的变换。
[0018]在系统的一个变化形式中，处理设备执行一个或多个指令以计算患者骨到患者骨的计算机模型的初始或粗略配准。
[0019]在系统的一个实施例中，在计算患者骨到患者骨的计算机模型的初始或粗略配准时，由系统生成第一点云和第二点云，第一点云是患者骨中的第一骨相对于与第一骨相关联的第一跟踪器的点云，第二点云是患者骨中的第二骨相对于与第二骨相关联的第二跟踪器的点云。因此，在患者膝盖的背景下，第一点云是患者骨中的股骨相对于固定到股骨的第一跟踪器的点云，第二点云是胫骨相对于固定到胫骨的第二跟踪器的点云。在计算患者骨与患者骨的计算机模型的初始或粗略配准时，系统将第一点云的骨表面点匹配到第一骨的计算机模型上，并将第二点云的骨表面点匹配到第二骨的计算机模型上。
[0020]在系统的其他实施例中，在计算患者骨到患者骨的计算机模型的初始或粗略配准时，系统可以采用基于界标的配准和/或基于解剖结构跟踪器销的配准。
[0021]在系统的一个变化形式中，处理设备执行一个或多个指令以计算最终的多重骨配准，该配准采用初始或粗略配准和分类的3D骨表面点云，其中最终的多重骨配准实现分类的3D骨表面点云与患者骨之间的收敛。取决于实施例，在计算其中在分类的3D骨表面点云与患者骨之间存在收敛的最终多重骨配准时，系统可以参考第一跟踪器将初始或粗略配准应用于分类的3D骨表面点云。在膝关节的背景下，第一跟踪器可以附接到股骨。
[0022]根据实施例，在计算其中在分类的3D骨表面点云与患者骨之间存在收敛的最终多重骨配准时，系统迭代地计算分类的3D表面点云到患者骨的计算机模型的最近点。
[0023]本公开的方面可以包括一种将患者关节的多个骨配准到手术计划的方法。根据实施例，该方法可以包括：接收患者关节的超声图像，其中至少一些超声图像描绘了多个骨；使用卷积网络在超声图像中检测多个骨的骨表面；采用似然分类器网络或像素分类器网络中的至少一个本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种配置为处理患者骨的超声图像的手术系统，该超声图像包括每个所述患者骨的骨表面，该系统包括：计算设备，其包括处理设备和其上存储有一个或多个可执行指令的计算机可读介质，所述处理设备被配置为执行所述一个或多个可执行指令，所述一个或多个可执行指令i)检测所述超声图像中的每个所述患者骨的骨表面；以及ii)分离与每个所述患者骨的骨表面相关联的超声图像像素的第一点云。2.如权利要求1所述的系统，其中，所述骨表面的检测通过形成所述一个或多个可执行指令的至少一部分的图像处理算法发生。3.如权利要求2所述的系统，其中，所述图像处理算法包括机器学习模型。4.如权利要求2所述的系统，其中，分离所述第一点云通过形成所述一个或多个可执行指令的至少一部分的像素分类神经网络发生。5.如权利要求2所述的系统，其中，分离所述第一点云通过形成所述一个或多个可执行指令的至少一部分的基于图像的分类神经网络发生。6.如权利要求1所述的系统，其中，所述处理设备执行所述一个或多个可执行指令以计算所述第一点云到分离的3D点云的变换，所述分离的3D点云被分离使得所述分离的3D点云的所述超声图像像素各自与所述患者骨的相应骨表面相关。7.如权利要求6所述的系统，其中，在计算所述第一点云到所述分离的3D点云的变换时，针对超声探头跟踪器校准所述超声图像像素并且针对跟踪相机校准所述超声探头跟踪器。8.如权利要求7所述的系统，其中，在针对所述超声探头跟踪器校准所述超声图像像素时，考虑超声波在特定介质中的传播速度。9.如权利要求6所述的系统，其中，在计算所述第一点云到所述分离的3D点云的变换时，针对超声探头跟踪器校准所述超声图像像素，针对跟踪相机校准超声探头跟踪器，并且坐标系是经由位于所述患者骨的骨表面上的解剖结构跟踪器相对于所述骨表面的。10.如权利要求6所述的系统，其中，分离所述第一点云通过对所述第一点云的几何分析发生。11.如权利要求6所述的系统，其中，所述一个或多个可执行指令计算从所述患者骨取得的第二点云到所述患者骨的骨模型的初始或粗略配准。12.如权利要求11所述的系统，其中，所述第二点云包括相对于所述患者骨上的多个跟踪器的多个点云。13.如权利要求12所述的系统，其中，所述多个点云包括与所述患者骨的骨模型中的一个骨模型配准的一个点云和与所述患者骨的骨模型中的另一个骨模型配准的另一个点云。14.如权利要求11所述的系统，其中，所述初始或粗略配准是基于界标的。15.如权利要求11所述的系统，其中，所述初始或粗略配准是根据解剖结构跟踪器的位置和取向计算的。16.如权利要求11所述的系统，其中，在计算所述初始或粗略配准时，由所述系统生成第三点云和第四点云，所述第三点云是所述患者骨中的第一骨相对于与所述第一骨相关联的第一跟踪器的点云，所述第四点云是所述患者骨中的第二骨相对于与所述第二骨相关联的第二跟踪器的点云。
17.如权利要求16所述的系统，其中，在计算所述初始或粗略配准时，所述系统将所述第三点云的骨表面点匹配到所述第一骨的计算机模型上，并将所述第四点云的骨表面点匹配到所述第二骨的计算机模型上。18.如权利要求11所述的系统，其中，所述处理设备执行所述一个或多个指令以使用所述初始或粗略配准和所述分离的3D点云来计算最终多重骨配准，其中所述最终多重骨配准实现所述分离的3D点云与所述患者骨之间的最终配准。19.如权利要求18所述的系统，其中，在计算其中在...
【专利技术属性】
技术研发人员：P，
申请(专利权)人：马科外科公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。