一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质技术

本发明专利技术公开了一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质，该方法通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质


[0001]本专利技术涉及人工智能
，具体涉及一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质。

技术介绍

[0002]人体的膝关节由股骨、胫骨及髌骨之间的关节面组成，它是连接股骨与胫骨的关节，也是全身受力最重的关节之一。当出现诸如严重的骨性关节炎、类风湿性关节炎、创伤性关节炎等膝关节的病变时，膝关节无法行使正常功能，就需要进行膝关节置换，将病变的部分(包含股骨部分、胫骨部分和半月板等等)用人工假体取代，以缓解关节疼痛、矫正畸形、恢复和改善关节的运动功能，提高患者生活质量。
[0003]人的膝关节表面由软骨覆盖，随着年龄的增加，软骨逐渐磨损，同时膝关节周围的骨骼、韧带也发生退变，最后造成膝关节疼痛、畸形、活动障碍。很多人都存在一种误区，觉得膝关节置换术是将整个膝盖都换掉，但并非如此，膝关节置换术主要是把膝关节表面的已经磨损成坑坑洼洼的软骨替换成金属的假体和高分子聚乙烯的耐磨垫片。
[0004]人工膝关节置换的类型包括全膝关节置换术(TKA)和单髁关节置换术(UKA)。
[0005]以全膝关节置换术(TKA)为例，其是指用人工材料置换因膝关节骨关节炎或类风湿关节炎而变形的膝关节的手术(如附图1所示)，是治疗各种原因导致终末期膝关节骨性关节炎的有效手术方式。
[0006]膝关节置换术(TKA)的步骤通常包括患者摆位、切开皮肤、显露膝关节、胫骨向前拉出脱位、软组织松解、清除周围骨赘、股骨五个平面(前髁、前斜、远端、后斜、后髁)截骨、胫骨平面截骨、安装股骨假体、植入胫骨假体、安装胫骨垫片、调整及缝合等等。上述步骤中，股骨、胫骨平面截骨这两个步骤对医生的技术要求相对较高，需要医生较为精确的按照既定的位置、姿态进行截骨操作，以保证切削出的关节截面符合手术规划、具有良好的屈伸间隙平衡并恢复精确的下肢力线。完美的截骨操作不但能够缓解患者术后疼痛程度、改善患者的膝关节功能，也能防止安放的关节假体脱位、减少Notching(股骨前皮质切迹，是一种常见的TKA术后并发症，是指TKA术中前髁截骨不良导致股骨前方皮质骨缺损，股骨前皮质最远端切线和股骨假体与股骨接触切线的垂直距离>1mm)现象，并延长假体的使用寿命。因此，股骨、胫骨平面截骨这两个重要环节直接关系到整个手术的成败。
[0007]传统的膝关节置换术中，股骨、胫骨平面截骨是由医生手持截骨摆锯人工完成。一方面，人工手持操作降低了截骨的平面精度，可能损伤到患者的软组织与韧带，降低了整个手术的治疗效果；另一方面，较大的切削反作用力也给医生带来了较大的负担。
[0008]还有一些保证平面截骨精度与边界约束的做法是使用截骨导板或四合一引导器，在膝关节显露后，将截骨导板或引导器用克氏针固定在股骨或胫骨上，使用手持式截骨摆锯完成截骨操作。这种方式需要对患者骨骼额外的打钉操作，使得手术流程更加繁琐，另外，由医生手动控制的截骨摆锯也无法完全保证不伤及患者的软组织与韧带。
[0009]采用机器人辅助的膝关节置换术，可以由机械臂辅助医生进行交互式的股骨、胫
骨平面截骨，由机械臂带动截骨摆锯、通过医生触发工具动力，受控地完成截骨流程。不但能够提高平面截骨的精度，在改善手术效果的同时，也大大减少了医生的体力消耗。但是，在应用机器人辅助进行膝关节置换手术的股骨、胫骨平面截骨过程中，截骨摆锯在截骨平面内的位置需要受到一定的边界限制，防止产生因运动范围过大导致的软组织及韧带损伤、手术精度降低。现有技术中，由于无法将机器人的截骨摆锯限定在截骨平面内，时常因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于克服上述技术不足，提供一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质，以解决相关技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
[0011]为达到上述技术目的，本专利技术采取了以下技术方案：
[0012]根据本专利技术的第一方面，提供了一种截骨平面边界控制方法，包括：
[0013]步骤S1、通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；
[0014]步骤S2、每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；
[0015]步骤S3、判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，则返回步骤S1重新计算搜索方向，进行步进式搜索。
[0016]优选地，所述步骤S1包括：
[0017]步骤S11、获取截骨摆锯中心点的规划坐标，截骨摆锯的规划方向向量，截骨平面的边界点集，由边界点集构成的边界连线集，单次步进量；
[0018]步骤S12、遍历所述边界连线集中的每条边界连线，计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；
[0019]步骤S13、遍历截骨摆锯中心点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号；
[0020]步骤S14、判断所述截骨摆锯中心点是否位于所述边界连线集内，若是，则初始化搜索坐标点等于所述截骨摆锯中心点的规划坐标，否则，初始化搜索坐标点等于距离最短的边界连线上的最近点坐标；
[0021]步骤S15、计算搜索方向，所述搜索方向为距离最短的两条边界连线的方向向量的加权求和，每条边界连线的方向向量的权重值为另一条边界连线与截骨摆锯中心点的距离值。
[0022]优选地，所述步骤S2包括：
[0023]步骤S21、沿所述搜索方向执行步进搜索，并在每次步进搜索完成后，将所述搜索坐标点更新为原搜索坐标点与所述搜索方向上的步进量之和；
[0024]步骤S22、根据更新后的搜索坐标点、所述截骨摆锯的规划方向向量，计算截骨摆锯处于左极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的左极限点坐标，及，截骨摆锯处于右极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的右极限点坐标。
[0025]优选地，所述步骤S3包括：
[0026]步骤S31、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，若不相交，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若相交，继续下一步；
[0027]步骤S32、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算当前搜索坐标点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；
[0028]步骤S33、遍历当前搜索坐标点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号，返回步骤S15。
[0029]优选地，所述步骤S12中计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标，包括：
[0030]对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系；
[0031]若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种截骨平面边界控制方法，其特征在于，包括：步骤S1、计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；步骤S2、每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；步骤S3、判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，则返回步骤S1重新计算搜索方向，进行步进式搜索。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括：步骤S11、获取截骨摆锯中心点的规划坐标，截骨摆锯的规划方向向量，截骨平面的边界点集，由边界点集构成的边界连线集，单次步进量；步骤S12、遍历所述边界连线集中的每条边界连线，计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；步骤S13、遍历截骨摆锯中心点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号；步骤S14、判断所述截骨摆锯中心点是否位于所述边界连线集内，若是，则初始化搜索坐标点等于所述截骨摆锯中心点的规划坐标，否则，初始化搜索坐标点等于距离最短的边界连线上的最近点坐标；步骤S15、计算搜索方向，所述搜索方向为距离最短的两条边界连线的方向向量的加权求和，每条边界连线的方向向量的权重值为另一条边界连线与截骨摆锯中心点的距离值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括：步骤S21、沿所述搜索方向执行步进搜索，并在每次步进搜索完成后，将所述搜索坐标点更新为原搜索坐标点与所述搜索方向上的步进量之和；步骤S22、根据更新后的搜索坐标点、所述截骨摆锯的规划方向向量，计算截骨摆锯处于左极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的左极限点坐标，及，截骨摆锯处于右极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的右极限点坐标。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S3包括：步骤S31、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，若不相交，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若相交，继续下一步；步骤S32、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算当前搜索坐标点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；步骤S33、遍历当前搜索坐标点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号，返回步骤S15。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S12中计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标，包括：对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系；若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的左侧延长线上，将该条边界连线的左侧端点的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与左侧端点之间的距离
为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上，将该条边界连线的右侧端点的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与右侧端点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线上，将投影点确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与投影点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系，包括：将该条边界连线的左侧端点确定为向量起点，该条边界连线的向量方向为左侧...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘重续，刘铁昌，胡天明，朱长海，
申请(专利权)人：北京天智航医疗科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：