(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211293357.4 (22)申请日 2022.10.21 (71)申请人 中国科学院深圳先进技 术研究院 地址 518055 广东省深圳市南 山区深圳大 学城学苑大道1068号 (72)发明人 何玉成　吴戈扬　胡颖　张朋　 齐晓志　赵保亮　 (74)专利代理 机构 北京市诚辉律师事务所 11430 专利代理师 耿慧敏　成丹 (51)Int.Cl. G06T 19/00(2011.01) G06T 17/00(2006.01) G06T 7/136(2017.01) G06T 7/33(2017.01)G06T 7/73(2017.01) (54)发明名称 一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系 统 (57)摘要 本发明公开一种用于下肢骨折复位手术的 规划导航系统。 该系统包括医学图像处理模块， 用于从下肢骨折图像中分割出近端骨和远端骨， 并重建出断骨三维表面模型； 手术规划模块， 用 于对所述断骨三维表面模型进行点云采样， 获得 对应的点云模 型； 从所述点云模 型中提取骨折断 面； 通过对所述骨折断面进行点云配准， 得到远 端骨初始位置与其复位后目标位置的坐标变换 矩阵； 基于所述坐标变换矩阵， 进行骨折复位路 径规划， 该骨折复位路径规划用于指引在保持近 端骨固定情况下对远端骨进行平移旋转得到远 端骨目标位置； 导航模块， 用于可视化显示基于 所述骨折复位路径规划进行手术的过程。 本发明 能够提高复位精度、 降低复位力， 减少患者骨折 处肌肉等软组织损伤。 权利要求书3页 说明书10页 附图6页 CN 115546450 A 2022.12.30 CN 115546450 A 1.一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系统， 包括医学图像处理模块、 手术规划模 块和导航模块， 其中： 所述医学图像处理模块用于从下肢骨折图像中分割出近端骨和远端骨， 并重建出断骨 三维表面模型， 包 含远端骨三维表面模型和近端骨三维表面模型； 所述手术规划模块用于： 对所述断骨三维表面模型进行点云采样， 获得对应的点云模 型； 从所述点云模型中提取骨折断面； 通过对所述骨折断面进 行点云配准， 得到远端骨初始 位置与其复位后目标位置的坐标变换矩阵； 基于所述坐标变换矩阵， 进行骨折复位路径规 划， 该骨折复位路径规划用于指引在保持近端骨固定情况下对远端骨进 行平移旋转得到远 端骨目标位置； 所述导航模块用于可视化显示基于所述骨折复位路径规划进行手术的过程。 2.根据权利要求1所述的系统， 其特 征在于， 提取 所述骨折断面包括： 对已经获取的点云模型进行kd ‑tree相邻点搜索， 通过选取kd ‑tree搜索半径 获得各点 的邻近点 集； 计算所述 点云模型中某一 点pi法向量变化 程度的特 征量fi， 表示为： 其中， θij表示点pi的法向量与其邻近点pj法向量的夹角， k表示 点pi的邻近点数量； 设置阈值 ε， 保留fi＞ ε 的点作为断骨处的特 征点云， 进 而获得所述骨折断面。 3.根据权利要求1所述的系统， 其特 征在于， 提取 所述骨折断面包括： 确定骨长轴方向； 计算所述 点云模型中点pi的法线和所述骨长轴方向之间的角度， 表示 为： 其中， vi是pi点的法向量； 将角度小于设定阈值的点作为断骨处的特 征点云， 进 而获得所述骨折断面。 4.根据权利要求1所述的系统， 其特征在于， 所述骨折复位路径规划根据以下过程获 得： 基于所述坐标变换矩阵建立目标坐标系Ct， 并得到骨折复位参数， 其中所述目标坐标系 包括l轴， s轴和t轴， l轴是过原点的长轴方向， s轴和t轴是指向体外侧的坐标轴， 所述骨折 复位参数包括绕s轴的旋转角度参数α， 绕t轴旋转角度参数β， 绕l轴旋转角度参数γ以及位 移参数t； 根据骨折发生的范围和程度选 定拉伸的步进值， 并设置拉伸距离参数dis； 以远端骨目标位置为起点、 以远端骨初始位置为终点执行复位过程， 其中按照顺序分 别完成l+dis、 γ、 (s,t)参数的复位， 并补偿所述拉伸距离参数dis， 进而完成( α, β )参数的 复位， 并且在每 个参数调整后收集当前的坐标变换矩阵加入到验证队列； 针对验证队列中每一步骤的远端骨位置进行碰撞检测， 并去 除发生骨间碰撞的路径， 更新迭代次数n增 加拉伸距离、 清空验证队列， 重新进入复位过程， 直到 碰撞检测通过； 将验证队列中记录的远端骨每一 步骤的位置作为所规划的最佳复位路径。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115546450 A 25.根据权利要求 4所述的系统， 其特 征在于， 所述碰撞检测包括： 遍历所述点云模型中的点， 对于每个点都做引射线法判断是否在断骨闭合多面体内 部， 如果结果为不在内部， 则继续遍历直到结束； 如果结果为在内部， 则终止遍历， 说明近端 骨和远端骨发生碰撞。 6.根据权利要求 4所述的系统， 其特 征在于， 所述目标坐标系Ct根据以下 过程建立： 选取所述骨折断面的点云重心作为目标坐标系Ct的原点O； 选取过原点的远端骨的骨长轴方向l作为Ct坐标系的z轴； 通过近端骨的骨长轴方向l'作为参考选取第二坐标轴作为t轴， 该第二坐标轴是指向 体外侧坐标轴1， 其方向 向量t为l×l'； 根据笛卡尔直角坐标系定则确定第三坐标轴作为s轴， 该第三坐标轴是指向体外侧坐 标轴2， 方向 向量s为l×t； 最终得到的完整的目标坐标系Ct表示为： 其中， s是指向体外侧坐标轴2的方向向量， l是骨长轴方向向量， t是指向体外侧坐标轴 1的方向向量。 7.根据权利要求6所述的系统， 其特 征在于， 所述骨长轴方向l 根据以下 过程获得： 计算从所述 点云模型中去除骨折断面后的点云法向量， 获得点云法向量 集合； 将所述点云法向量集合随机选取均分为第 一点云法 向量集合和第 二点云法 向量集合， 进而求出骨长轴方向l， 表示 为： 其中， vi和vj分别是第一点云法向量集合和第二点云法向量集合中的元素， 第一点云法 向量集合和第二 点云法向量 集合中的元 素数量均为 n。 8.根据权利要求6所述的系统， 其特 征在于， 所述骨折复位 参数根据以下 过程获得： 基于所述 坐标变换矩阵T和所述目标坐标系Ct， 计算远端骨 初始的坐标系位置 Ci： Ci＝T‑1·Ct 以所述目标坐标系Ct为基准， 计算 其相对位置变换矩阵T'： 根据相对位置变换矩阵T'确定骨折复位逆向过程中各个参数所需要调整的数值， 包括 位移参数ts、 tt、 tl和角度参数是α 、 β 、 γ， 其中ts是指向体外侧坐 标轴2方向位移参 数， tt是指 向体外侧坐标轴1方向位移参数， tl是长轴方向位移参数， α 是绕s轴旋转角度参数， β 是绕t 轴旋转角度参数， γ是绕长轴旋转角度参数。 9.根据权利要求2所述的系统， 其特征在于， 所述骨折断面通过清理离群点获得， 所述 离群点清理包括： 对所述点云模型进行kd ‑tree搜索时， 同时记录每 个点pi与其邻近点的距离； 计算每个点与邻近点之间距离的平均距离， 根据该平均距离和每一个距离求得标准 差， 通过设置阈值 参数过滤掉平均距离大于标准差阈值的点。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115546450 A 3