髖關節置換手術導航系統的製作方法

2023-08-09 14:45:59

1.本技術涉及醫療技術領域，具體而言，涉及一種髖關節置換手術導航系統。


背景技術：

2.人工髖關節表面置換術(total hip resurfacing arthroplasty，thra)經歷了曲折的發展過程。隨著關節假體抗磨損技術的進步，thra成為年輕和活動量大的患者接受過渡性關節置換的首選。研究表明，thra術後股骨頸骨折與術中股骨側假體的置入角度不當所致股骨近端生物力學的變化相關。所以，股骨側假體的置入方位被認為是手術成敗的關鍵。一般來說，不同個體間髖關節的解剖形態均存在差異，只有個體化的假體置入才能與之相適應，減少thra術後併發症。
3.目前針對股骨側假體的植入仍然採用傳統手術定位工具。藉助傳統手術定位工具，醫生通過術中目視定位來引導股骨側假體的放置。這種方式受醫生的主觀影響很大，一致性較差。後續出現一些導板類的股骨頭定位方式，但是由於股骨暴露區域特徵面較為對稱，這種通過導板的方式在很多時候並不能實現很好的術中定位。
4.針對相關技術中通過傳統手術定位工具實現髖關節置換中的股骨頭定位，導致定位的準確性比較低的問題，目前尚未提出有效的解決方案。


技術實現要素：

5.本技術的主要目的在於提供一種髖關節置換手術導航系統，以解決相關技術中通過傳統手術定位工具實現髖關節置換中的股骨頭定位，導致定位的準確性比較低的問題。
6.為了實現上述目的，根據本技術的一個方面，提供了一種髖關節置換手術導航系統。該導航系統包括：術前規划子系統，其中，所述術前規划子系統基於目標對象的醫學影像進行三維重建，得到三維骨骼模型，並基於所述三維骨骼模型進行計算，得到髖臼假體的第一數據信息和股骨假體的第二數據信息，其中，所述第一數據信息中至少包括所述髖臼假體的型號、所述髖臼假體的植入角度和所述髖臼假體的植入位置，所述第二數據信息中至少包括所述股骨假體的型號、所述股骨假體的植入方向和所述股骨假體的植入深度；術中導航子系統，其中，所述術中導航子系統基於所述三維骨骼模型、所述第一數據信息和所述第二數據信息在髖關節置換手術中進行導航和跟蹤；術後評估子系統，其中，所述術後評估子系統基於所述髖臼假體的植入信息、所述股骨假體的植入信息和所述三維骨骼模型進行模擬計算得到術後骨骼模型，並依據所述術後骨骼模型進行術後評估，得到評估結果。
7.進一步地，所述術前規划子系統還包括：骨盆規劃單元，其中，所述骨盆規劃單元依據所述三維骨骼模型將髖臼擬合為第一球體，依據所述第一球體確定所述髖臼的尺寸和所述髖臼的旋轉中心，並依據所述髖臼的尺寸和所述髖臼的旋轉中心確定所述髖臼假體的第一數據信息；股骨規劃單元，其中，所述股骨規劃單元依據所述三維骨骼模型將股骨頭擬合為第二球體，依據所述第二球體和所述股骨的股骨頸軸確定所述股骨假體的第二數據信息。
8.進一步地，所述股骨規劃單元還包括：第一確定模塊，用於基於所述三維骨骼模型中的所述股骨的冠狀面確定股骨頸的上邊界和所述股骨頸的下邊界；第二確定模塊，用於依據所述股骨頸的上邊界和所述股骨頸的下邊界確定第一中心線；第三確定模塊，用於基於所述三維骨骼模型中的所述股骨的矢狀面確定所述股骨頸的左邊界和所述股骨頸的右邊界，並將所述第一中心線平移至過所述股骨頸的左邊界和所述股骨頸的右邊界的中心的位置，以確定所述股骨的股骨頸軸。
9.進一步地，所述股骨規劃單元還包括：分離模塊，用於從所述三維骨骼模型中分離出股骨頸的點雲數據；擬合模塊，用於依據所述股骨頸的點雲數據將所述股骨頸擬合為圓柱或者稜柱，並將所述圓柱的中心軸或者所述稜柱的中心軸作為所述股骨的股骨頸軸。
10.進一步地，若所述股骨頸軸不經過所述股骨的中心時，所述股骨規劃單元還包括：第一優化模塊，用於將所述股骨頸軸平移至過所述股骨的中心的位置，得到移動後的股骨頸軸；第四確定模塊，用於將所述移動後的股骨頸軸作為當前的股骨頸軸。
11.進一步地，若所述股骨頸軸不經過所述股骨的中心時，所述股骨規劃單元還包括：第二優化模塊，用於依據所述三維骨骼模型連接所述股骨的中心和所述股骨頸軸，得到目標連線；第五確定模塊，用於將所述目標連線作為當前的股骨頸軸。
12.進一步地，所述術中導航子系統包括：輔助定位單元，用於基於手術工具和標誌位對所述手術工具和/或骨骼進行術中定位；跟蹤單元，用於依據所述輔助定位單元的定位信息和目標位置信息，對所述手術工具和/或所述骨骼進行術中跟蹤，其中，所述目標位置信息為所述輔助定位單元與所述手術工具或者所述骨骼的相對位置信息；註冊單元，用於獲取所述標誌位與所述骨骼的空間轉換關係，其中，所述跟蹤單元基於所述空間轉換關係跟蹤所述手術工具和/或所述骨骼。
13.進一步地，所述術後評估子系統包括：靜態評估單元，用於基於所述術後骨骼模型對目標靜態數據進行評估，得到第一初始評估結果，其中，所述目標靜態數據至少包括腿長信息、人體雙側的旋轉中心和偏心距信息，所述腿長信息為股骨小轉子到骨盆橫斷面之間的距離信息，所述偏心距信息為所述股骨小轉子到骨盆矢狀面的距離信息；動態評估單元，用於基於所述術後骨骼模型對術後運動和股骨假體的受力進行評估，得到第二初始評估結果；匯總單元，用於依據所述第一初始評估結果和所述第二初始評估結果確定所述評估結果。
14.進一步地，所述靜態評估單元還包括：第一模擬模塊，用於依據所述術後骨骼模型進行模擬計算，得到所述股骨假體和所述髖臼假體之間的裝配關係；控制模塊，用於依據所述股骨假體和所述髖臼假體之間的裝配關係對所述術後骨骼模型中的雙側股骨進行擺正處理，以使所述雙側股骨到達目標位置；第一評估模塊，用於在所述雙側股骨到達目標位置後，對所述目標靜態數據進行評估，得到所述第一初始評估結果。
15.進一步地，所述動態評估單元還包括：第二評估模塊，用於依據所述術後骨骼模型模擬所述術後運動，得到運動評估數據，其中，所述術後運動至少包括股骨多個自由度上的運動和複合股骨運動；第三評估模塊，用於在所述術後骨骼模型中模擬目標運動時，對所述股骨假體的受力進行評估，得到受力評估數據；匯總模塊，用於將所述運動評估數據和所述受力評估數據進行匯總，得到所述第二初始評估結果。
16.進一步地，所述第二評估模塊還包括：第一模擬子模塊，用於以碰撞為約束終止條
件，在所述術後骨骼模型中模擬股骨側在多個自由度上的運動，得到多個極限值，其中，所述碰撞為股骨假體與髖臼假體的碰撞，股骨假體與骨盆的碰撞，股骨與骨盆的碰撞和髖臼假體與股骨的碰撞，所述多個自由度至少包括：前屈、後驅、內收、外展、內旋和外旋；第一確定子模塊，用於依據所述多個極限值，得到第一評估數據；第二模擬子模塊，用於以碰撞為約束終止條件，在所述術後骨骼模型中模擬多種複合運動，得到股骨運動的運動曲線；第二確定子模塊，用於依據所述股骨運動的運動曲線，得到第二評估數據；第一匯總子模塊，用於將所述第一評估數據和所述第二評估數據進行匯總，得到所述運動評估數據。
17.進一步地，所述第三評估模塊還包括：分析子模塊，用於依據所述目標對象的醫學影像對所述目標對象的骨盆和股骨的骨質進行分析，得到骨密度值；獲取子模塊，用於獲取所述目標對象的體重信息；第三模擬子模塊，用於在所述術後骨骼模型中模擬所述目標運動，並依據所述目標對象的體重信息，確定股骨在所述目標運動下的負載信息；計算子模塊，用於通過有限元分析算法基於股骨在所述目標運動下的負載信息分析得到所述股骨假體的受力區域和所述股骨假體的受力值；評估子模塊，用於通過疲勞分析算法基於所述股骨假體的受力區域、所述股骨假體的受力值和所述骨密度值計算所述股骨假體的失效信息，以得到所述受力評估數據。
18.通過本技術，採用術前規划子系統，其中，術前規划子系統基於目標對象的醫學影像進行三維重建，得到三維骨骼模型，並基於三維骨骼模型進行計算，得到髖臼假體的第一數據信息和股骨假體的第二數據信息，其中，第一數據信息中至少包括髖臼假體的型號、髖臼假體的植入角度和髖臼假體的植入位置，第二數據信息中至少包括股骨假體的型號、股骨假體的植入方向和股骨假體的植入深度；術中導航子系統，其中，術中導航子系統基於三維骨骼模型、第一數據信息和第二數據信息在髖關節置換手術中進行導航和跟蹤；術後評估子系統，其中，術後評估子系統基於髖臼假體的植入信息、股骨假體的植入信息和三維骨骼模型進行模擬計算得到術後骨骼模型，並依據術後骨骼模型進行術後評估，得到評估結果，解決了相關技術中通過傳統手術定位工具實現髖關節置換中的股骨頭定位，導致定位的準確性比較低的問題。在本方案中，通過術前規划子系統基於醫學影像數據進行三維重建，並通過三維骨骼模型可以準確規劃髖臼假體以及股骨假體的植入信息，通過術中導航子系統能夠對骨骼和假體進行精準導航和定位，最後，通過術後評估子系統能夠對假體的植入情況進行準確評估，進而達到了提高定位的準確性的效果。
附圖說明
19.構成本技術的一部分的附圖用來提供對本技術的進一步理解，本技術的示意性實施例及其說明用於解釋本技術，並不構成對本技術的不當限定。在附圖中：圖1是根據本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統的示意圖；圖2是根據本技術實施例提供的術前規划子系統的示意圖；圖3是根據本技術實施例提供的股骨頸軸的示意圖；圖4是根據本技術實施例提供的術中導航子系統的示意圖；圖5是根據本技術實施例提供的術後評估子系統的示意圖；圖6是根據本技術實施例提供的可選的髖關節置換手術導航系統的示意圖。
具體實施方式
20.需要說明的是，在不衝突的情況下，本技術中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本技術。
21.為了使本技術領域的人員更好地理解本技術方案，下面將結合本技術實施例中的附圖，對本技術實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本技術一部分的實施例，而不是全部的實施例。基於本技術中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本技術保護的範圍。
22.需要說明的是，本技術的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語「第一」、「第二」等是用於區別類似的對象，而不必用於描述特定的順序或先後次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換，以便這裡描述的本技術的實施例。此外，術語「包括」和「具有」以及他們的任何變形，意圖在於覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限於清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或對於這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。
23.需要說明的是，本技術所涉及的相關信息（包括但不限於用戶設備信息、用戶個人信息等）和數據（包括但不限於用於展示的數據、分析的數據等），均為經用戶授權或者經過各方充分授權的信息和數據。例如，本系統和相關用戶或機構間設置有接口，在獲取相關信息之前，需要通過接口向前述的用戶或機構發送獲取請求，並在接收到前述的用戶或機構反饋的同意信息後，獲取相關信息。
24.圖1是根據本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統的示意圖，如圖1所示，該導航系統包括：術前規划子系統101，術中導航子系統102和術後評估子系統103。
25.術前規划子系統101，其中，術前規划子系統101基於目標對象的醫學影像進行三維重建，得到三維骨骼模型，並基於三維骨骼模型進行計算，得到髖臼假體的第一數據信息和股骨假體的第二數據信息，其中，第一數據信息中至少包括髖臼假體的型號、髖臼假體的植入角度和髖臼假體的植入位置，第二數據信息中至少包括股骨假體的型號、股骨假體的植入方向和股骨假體的植入深度；具體地，目標對象為待進行髖關節置換的對象，對該目標對象進行醫學影像的採集。醫學影像可以是x光片、ct或核磁等影像。然後術前規划子系統101通過等值面提取等方法重建患者的三維骨骼模型，主要是髖臼側骨盆以及股骨的三維模型，三維模型的格式為ply（polygon file format，多邊形檔案），stl（s tereolithography，立體光刻）或 vtk（一種以文本方式表示的3d模型文件）等點雲/多面體格式。
26.在得到目標對象的三維骨骼模型後，通過目標對象的三維骨骼模型計算得到髖臼的大小以及並確定髖臼的旋轉中心點，然後通過髖臼的大小確定所選用的髖臼假體的大小，一般假體大小選用外徑應大於髖臼本身直徑1-3mm。也就是通過髖臼的大小確定髖臼假體的型號。通過將髖臼假體的中心與旋轉中心重合，進而確定髖臼假體的植入角度和髖臼假體的植入位置等信息。需要說明的是，髖臼假體的位置應額外考慮假體與骨面的覆蓋情況，一般應保證覆蓋率需要保證在75%以上。
27.通過目標對象的三維骨骼模型計算股骨頭的球心以及直徑，股骨假體的選擇應儘可能貼近原始股骨頭的大小，因此通過股骨頭的球心以及直徑確定股骨假體的型號，並通
過股骨的三維骨骼模型計算得到股骨假體的植入方向和股骨假體的植入深度等信息。最後，將患者影像數據、點雲重建數據（也就是三維骨骼模型數據）以及假體型號、位置數據等發送到術中導航子系統102中。
28.術中導航子系統102，其中，術中導航子系統102基於三維骨骼模型、第一數據信息和第二數據信息在髖關節置換手術中進行導航和跟蹤；具體地，術中導航子系統102主要是通過患者影像數據、點雲重建數據（也就是三維骨骼模型數據）以及假體型號、位置數據在髖關節置換手術中進行導航和跟蹤。需要說明的是，在進行跟蹤和導航時，需要藉助手術工具以及標記物（marker），例如，在髖臼側導航時需要在髖臼銼與植入器加上marker，以對植入角度以及植入位置進行跟蹤。在股骨側導航時需要附加marker的導管進行輔助定位，並且術中導航子系統102中包含在骨盆或股骨上固定的marker，用以標記骨骼的位置。
29.術後評估子系統103，其中，術後評估子系統基於髖臼假體的植入信息、股骨假體的植入信息和三維骨骼模型進行模擬計算得到術後骨骼模型，並依據術後骨骼模型進行術後評估，得到評估結果。
30.具體地，在髖關節置換手術完成後，需要對假體的植入情況進行評估。術後評估子系統103的輸入信息為，術前骨骼三維模型，術中截骨定位數據，術中假體使用情況等信息。將骨骼模型與術中切削、植入的定位數據輸入術後評估子系統103後，術後評估子系統103可以根據已知的假體位置信息通過模擬計算得到實際手術完成後的骨骼模型，以及假體在骨骼上的裝配位置。通過上述步驟可以同時獲取部分關鍵點，例如，植入臼杯中心，股骨假體中心，股骨假體軸向等。通過手術完成後的骨骼模型能夠對假體的植入情況進行準確評估。評估結果中至少包括：在假體植入後，目標對象的股骨側的運動極限、人體雙側的旋轉中心的差異，主要在人體的三個軸向（垂直軸、矢狀軸和冠狀軸）的差異以及股骨負載情況等。
31.綜上所述，通過術前規划子系統基於醫學影像數據進行三維重建，並通過三維骨骼模型可以準確規劃髖臼假體以及股骨假體的植入信息，通過術中導航子系統能夠對骨骼和假體進行精準導航和定位，最後，通過術後評估子系統能夠對假體的植入情況進行準確評估，通過上述的髖關節置換手術導航系統能夠有效提高定位的準確性，還能夠對術後假體植入情況進行準確評估，進而有效提升髖關節置換手術的質量和效果。
32.可選地，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，術前規划子系統101還包括：骨盆規劃單元，其中，骨盆規劃單元依據三維骨骼模型將髖臼擬合為第一球體，依據第一球體確定髖臼的尺寸和髖臼的旋轉中心，並依據髖臼的尺寸和髖臼的旋轉中心確定髖臼假體的第一數據信息；股骨規劃單元，其中，股骨規劃單元依據三維骨骼模型將股骨頭擬合為第二球體，依據第二球體和股骨的股骨頸軸確定股骨假體的第二數據信息。
33.具體地，術前規划子系統101中包括骨盆規劃單元和股骨規劃單元，如圖2所示。骨盆規劃單元用於計算得到髖臼假體的第一數據信息。股骨規劃單元用於計算得到股骨假體的第二數據信息。
34.骨盆規劃單元根據三維骨骼模型重建髖臼側表面。首先，通過將髖臼擬合成一個近似的球體，量取髖臼的大小，並確定髖臼的旋轉中心點。通過髖臼的大小確定所選用的髖臼假體的大小（髖臼假體的型號），一般假體大小選用外徑應大於髖臼本身直徑1-3mm。將髖
臼假體的中心與旋轉中心重合，以恢復其原始旋轉中心（即計算得到髖臼假體的植入位置和植入角度）。髖臼的位置應額外考慮假體與骨面的覆蓋情況，一般應保證覆蓋率在75%以上。
35.股骨規劃單元根據三維骨骼模型確定計算得到股骨假體的第二數據信息，首先將股骨頭為一個球體。可以使用四點擬合，也可以將股骨頭上所有點使用最小二乘進行整體擬合，獲取股骨頭球心以及直徑。股骨假體的選擇應儘可能貼近原始股骨頭的大小。然後通過股骨的股骨頸軸確定股骨假體的植入方向以及植入深度。
36.綜上所述，通過上述的骨盆規劃單元和股骨規劃單元能夠精準高效地計算得到髖臼假體的第一數據信息和股骨假體的第二數據信息。
37.為了提高確定股骨的股骨頸軸的準確性，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，股骨規劃單元還包括：第一確定模塊，用於基於三維骨骼模型中的股骨的冠狀面確定股骨頸的上邊界和股骨頸的下邊界；第二確定模塊，用於依據股骨頸的上邊界和股骨頸的下邊界確定第一中心線；第三確定模塊，用於基於三維骨骼模型中的股骨的矢狀面確定股骨頸的左邊界和股骨頸的右邊界，並將第一中心線平移至過股骨頸的左邊界和股骨頸的右邊界的中心的位置，以確定股骨的股骨頸軸。
38.股骨規劃單元還包括：分離模塊，用於從三維骨骼模型中分離出股骨頸的點雲數據；擬合模塊，用於依據股骨頸的點雲數據將股骨頸擬合為圓柱或者稜柱，並將圓柱的中心軸或者稜柱的中心軸作為股骨的股骨頸軸。
39.具體地，在股骨規劃單元可以通過兩種方式確定股骨的股骨頸軸，一種是在股骨的冠狀面及股骨的矢狀面雙面定位確定股骨的股骨頸軸，另一種是三維擬合確定股骨的股骨頸軸。股骨規劃單元包括第一確定模塊、第二確定模塊、第三確定模塊、分離模塊和擬合模塊。通過第一確定模塊、第二確定模塊和第三確定模塊在股骨的冠狀面及股骨的矢狀面雙面定位確定股骨的股骨頸軸。通過分離模塊和擬合模塊利用三維擬合確定股骨的股骨頸軸。
40.通過第一確定模塊在三維骨骼模型中的股骨的冠狀面上確定股骨頸的上邊界和股骨頸的下邊界，然後通過第二確定模塊在股骨頸的上邊界和股骨頸的下邊界確定第一中心線。利用第三確定模塊在三維骨骼模型中的股骨的矢狀面上確定股骨頸的左邊界和股骨頸的右邊界，然後確定股骨頸的左邊界和股骨頸的右邊界的中心位置。最後將第一中心線平移至過股骨頸的左邊界和股骨頸的右邊界的中心的位置，將平移後的第一中心線為股骨頸軸。
41.通過分離模塊從三維骨骼模型中分離出股骨頸的點雲數據，通過擬合模塊將股骨頸的點雲數據擬合為圓柱或者稜柱，並將圓柱的中心軸或者稜柱的中心軸作為股骨的股骨頸軸。
42.綜上所述，通過上述模塊能夠有效提高確定股骨的股骨頸軸的準確性。
43.為了進一步提高股骨頸軸的準確性，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，若股骨頸軸不經過股骨的中心時，股骨規劃單元還包括：第一優化模塊，用於將股骨頸軸平移至過股骨的中心的位置，得到移動後的股骨頸軸；第四確定模塊，用於將移動後的股骨頸軸作為當前的股骨頸軸。
44.若股骨頸軸不經過股骨的中心時，股骨規劃單元還包括：第二優化模塊，用於依據
三維骨骼模型連接股骨的中心和股骨頸軸，得到目標連線；第五確定模塊，用於將目標連線作為當前的股骨頸軸。
45.具體地，在股骨頸軸股骨的中心不經過股骨的中心時，需要對股骨頸軸進行優化處理，因此，股骨規劃單元還包括：第一優化模塊、第四確定模塊、第二優化模塊和第五確定模塊。對股骨頸軸的優化可以通過兩種方式實現，分為軸向優先方式和頸軸中心點優先方式。通過第一優化模塊和第四確定模塊實現軸向優先方式，通過第二優化模塊和第五確定模塊實現頸軸中心點優先方式。
46.針對軸向優先方式，通過第一優化模塊將股骨頸軸平移至過股骨的中心的位置，得到移動後的股骨頸軸，通過第四確定模塊將移動後的股骨頸軸作為優化後的股骨頸軸。
47.針對頸軸中心點優先方式，通過第二優化模塊在三維骨骼模型連接股骨的中心和股骨頸軸，得到目標連線，如圖3 中所示的黑色線條。通過第五確定模塊將目標連線作為優化後的股骨頸軸。
48.在得到股骨頸軸後直接將股骨頸軸確定為股骨假體的植入方向，沿上述確定股骨假體的植入軸向，延伸至與股骨頭相交的位置作為股骨上表面頂點，股骨假體放置的深度，應保證股骨假體外表面剛好通過股骨上表面頂點。股骨假體的放置應同時考慮覆蓋率，假體內表面與股骨之間不能留有空洞。因此，可以通過股骨假體的植入方向確定股骨假體的植入深度。
49.綜上所述，通過上述步驟進行股骨頸軸優化，能夠進一步提高股骨頸軸的準確性。
50.可選地，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，術中導航子系統102包括：輔助定位單元，用於基於手術工具和標誌位對手術工具和/或骨骼進行術中定位；跟蹤單元，用於依據輔助定位單元的定位信息和目標位置信息，對手術工具和/或骨骼進行術中跟蹤，其中，目標位置信息為輔助定位單元與手術工具或者骨骼的相對位置信息；註冊單元，用於獲取標誌位與骨骼的空間轉換關係，其中，跟蹤單元基於空間轉換關係跟蹤手術工具和/或骨骼。
51.具體地，術中導航子系統102包括輔助定位單元、跟蹤單元和註冊單元，如圖4所示。輔助定位單元通過手術工具和標誌位（marker）配合跟蹤單元共同完成對手術過程的輔助定位與跟蹤。髖關節置換手術導航針對手術部位也可以分為髖臼側與股骨側。在髖臼側導航時需要在髖臼銼與植入器加上marker，以對植入角度以及植入位置進行跟蹤。股骨側的輔助定位需要通過一個附加marker導管來實現，通過導管進行導向針植入後，需要對股骨頭進行塑性，圓柱麵塑形以及頂麵塑形，均需要結合marker來進行定位。由於導向針的存在，塑形方向基本是沿導向針確定的方向。輔助定位模塊還包含在骨盆或股骨上固定的marker，用以標記骨骼的位置。
52.跟蹤單元與輔助定位單元配合使用，通過識別輔助定位模塊的空間位置，結合輔助定位模塊與手術工具或骨骼的相對位置關係，計算得到手術工具及骨骼在跟蹤單元坐標系下的位置，從而輔助醫生進行術中的定位。
53.需要說明的是，跟蹤單元與所用的標記物（marker）需要配合使用，例如被動或主動marker需要配合紅外雙目相機，二維碼類marker配合光學雙目相機。
54.註冊模塊用於獲取骨骼marker與骨骼的空間轉換關係，從而可以使跟蹤單元對骨骼的位置進行跟蹤。
55.綜上所述，通過輔助定位單元、跟蹤單元和註冊單元能夠對骨骼與假體進行準確定位和跟蹤，從而輔助醫生完成髖關節置換手術導航系統。
56.可選地，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，術後評估子系統103包括：靜態評估單元，用於基於術後骨骼模型對目標靜態數據進行評估，得到第一初始評估結果，其中，目標靜態數據至少包括腿長信息、人體雙側的旋轉中心和偏心距信息，腿長信息為股骨小轉子到骨盆橫斷面之間的距離信息，偏心距信息為股骨小轉子到骨盆矢狀面的距離信息；動態評估單元，用於基於術後骨骼模型對術後運動和股骨假體的受力進行評估，得到第二初始評估結果；匯總單元，用於依據第一初始評估結果和第二初始評估結果確定評估結果。
57.具體地，術後評估子系統103包括靜態評估單元、動態評估單元和匯總單元，如圖5所示。術後評估子系統103的輸入信息為，術前骨骼三維模型，術中截骨定位數據，術中假體使用情況。將骨骼模型與術中切削、植入的定位數據輸入術後評估子系統103後，術後評估子系統103可以根據已知的裝配及位置信息通過模擬計算得到實際手術完成後的骨骼模型，以及假體在骨骼上的裝配位置。通過上述步驟還可以同時獲取部分關鍵點，例如，植入臼杯中心，股骨假體中心，股骨假體軸向等。靜態評估單元對腿長、旋轉中心以及偏心距等靜態數據進行評估得到第一初始評估結果。動態評估模塊對術後運動及力學負載進行評估得到第二初始評估結果，最後通過第一初始評估結果和第二初始評估結果進行匯總得到評估結果。
58.為了準確評估目標靜態數據，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，靜態評估單元還包括：第一模擬模塊，用於依據術後骨骼模型進行模擬計算，得到股骨假體和髖臼假體之間的裝配關係；控制模塊，用於依據股骨假體和髖臼假體之間的裝配關係對術後骨骼模型中的雙側股骨進行擺正處理，以使雙側股骨到達目標位置；第一評估模塊，用於在雙側股骨到達目標位置後，對目標靜態數據進行評估，得到第一初始評估結果。
59.具體地，靜態評估單元還包括：第一模擬模塊，控制模塊和第一評估模塊。通過第一模擬模塊對術後骨骼模型進行模擬計算，得到股骨假體和髖臼假體之間的裝配關係；通過控制模塊按照已知的股骨假體及髖臼假體的裝配關係對骨盆與股骨進行復位，並對雙側股骨進行擺正處理。擺正處理一般將雙側髓腔軸經過空間變換與矢狀面平行。這裡的擺正處理並不規定一個固定的方式，根據醫生或最新的醫學經驗進行處理。最終使雙側股骨到一個合理的、可進行評估的位置即可。通過第一評估模塊在雙側股骨到達目標位置後，對目標靜態數據進行評估，得到第一初始評估結果。
60.目標靜態數據可以包括腿長、旋轉中心以及偏心距等靜態數據，例如，通過第一評估模塊評估人體雙側的旋轉中心的差異，主要在人體的三個軸向的差異，並輸出具體的值。腿長與偏心距則一般以股骨小轉子作為關鍵點，小轉子到骨盆的矢狀面的距離為偏心距，到骨盆的橫斷面的距離為腿長，評估雙側腿長及偏心距的差異並進行輸出。通過對目標靜態數據的評估能夠準確把握假體植入後的骨骼的適配情況。
61.可選地，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，動態評估單元還包括：第二評估模塊，用於依據術後骨骼模型模擬術後運動，得到運動評估數據，其中，術後運動至少包括股骨多個自由度上的運動和複合股骨運動；第三評估模塊，用於在術後骨骼模型中模擬目標運動時，對股骨假體的受力進行評估，得到受力評估數據；匯總模塊，用於將
運動評估數據和受力評估數據進行匯總，得到第二初始評估結果。
62.具體地，動態評估單元還包括：第二評估模塊、第三評估模塊和匯總模塊。第二評估模塊在術後骨骼模型中模擬術後運動，得到運動評估數據。術後運動至少包括股骨多個自由度上的運動和複合股骨運動，例如，股骨的前屈，後屈，內收，外展，內旋，外旋六個自由度的運動以及下蹲，上樓梯等複合股骨運動。第三評估模塊術後骨骼模型中模擬目標運動時，對股骨假體的受力進行評估，得到受力評估數據。通過匯總模塊將運動評估數據和受力評估數據進行匯總，得到第二初始評估結果。
63.綜上所述，通過動態評估單元能夠準確評估術後運動及力學負載的情況。
64.可選地，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，第二評估模塊還包括：第一模擬子模塊，用於以碰撞為約束終止條件，在術後骨骼模型中模擬股骨側在多個自由度上的運動，得到多個極限值，其中，碰撞為股骨假體與髖臼假體的碰撞，股骨假體與骨盆的碰撞，股骨與骨盆的碰撞和髖臼假體與股骨的碰撞，多個自由度至少包括：前屈、後驅、內收、外展、內旋和外旋；第一確定子模塊，用於依據多個極限值，得到第一評估數據；第二模擬子模塊，用於以碰撞為約束終止條件，在術後骨骼模型中模擬多種複合運動，得到股骨運動的運動曲線；第二確定子模塊，用於依據股骨運動的運動曲線，得到第二評估數據；第一匯總子模塊，用於將第一評估數據和第二評估數據進行匯總，得到運動評估數據。
65.具體地，第二評估模塊還包括：第一模擬子模塊、第一確定子模塊、第二確定子模塊和第一匯總子模塊。第一模擬子模塊以碰撞為約束終止條件，在術後骨骼模型中模擬股骨側在前屈，後屈，內收，外展，內旋，外旋六個自由度上的運動，得到六個角度的極限值。其中，上述的碰撞分為：股骨假體與髖臼假體的碰撞，股骨假體與骨盆的碰撞，股骨與骨盆的碰撞，髖臼假體與股骨的碰撞等多個不同組件的相互作用。第一確定子模塊根據多個極限值得到第一評估數據。
66.第二模擬子模塊以碰撞為約束終止條件，在術後骨骼模型中模擬多種常見的運動，例如，下蹲，上樓梯等，模擬在多種複合運動下股骨的運動曲線，第二確定子模塊根據股骨運動的運動曲線計算是否會碰撞，或者是否接近極限值，以此輸出複合運動的術後評估（即上述的第二評估數據）。通過第一匯總子模塊將第一評估數據和第二評估數據進行匯總得到運動評估數據。
67.綜上所述，通過第二評估模塊能夠準確評估術後股骨運行情況。
68.可選地，在本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統中，第三評估模塊還包括：分析子模塊，用於依據目標對象的醫學影像對目標對象的骨盆和股骨的骨質進行分析，得到骨密度值；獲取子模塊，用於獲取目標對象的體重信息；第三模擬子模塊，用於在術後骨骼模型中模擬目標運動，並依據目標對象的體重信息，確定股骨在目標運動下的負載信息；計算子模塊，用於通過有限元分析算法基於股骨在目標運動下的負載信息分析得到股骨假體的受力區域和股骨假體的受力值；評估子模塊，用於通過疲勞分析算法基於股骨假體的受力區域、股骨假體的受力值和骨密度值計算股骨假體的失效信息，以得到受力評估數據。
69.具體地，第三評估模塊還包括分析子模塊、獲取子模塊、第三模擬子模塊、計算子模塊和評估子模塊。分析子模塊根據目標對象的醫學影像對目標對象的骨盆和股骨的骨質進行分析，得到骨密度值；獲取子模塊獲取目標對象的體重信息；第三模擬子模塊在術後骨
骼模型中模擬目標運動，並且根據目標對象的體重信息，確定股骨在目標運動下的負載信息；計算子模塊通過有限元分析算法基於股骨在目標運動下的負載信息分析得到股骨假體的受力區域和股骨假體的受力值；評估子模塊通過疲勞分析算法基於股骨假體的受力區域、股骨假體的受力值和骨密度值計算股骨假體的失效信息，以得到受力評估數據。股骨假體的失效信息可以是股骨柄假體與股骨間出現鬆動，以及假體脫落等。
70.在一可選的實施例中，可以採用圖6所示的系統示意圖實現對髖關節置換手術的導航。該系統由術前規划子系統，術中導航子系統，術後評估子系統組成。術前規划子系統分為髖臼模塊及股骨模塊。術中導航子系統由輔助定位模塊，跟蹤單元，註冊模塊組成。術後評估子系統分為靜態評估模塊及動態評估模塊。
71.髖臼模塊依據三維骨骼模型將髖臼擬合為第一球體，依據第一球體確定髖臼的尺寸和髖臼的旋轉中心，並依據髖臼的尺寸和髖臼的旋轉中心確定髖臼假體的第一數據信息。股骨模塊依據三維骨骼模型將股骨頭擬合為第二球體，依據第二球體和股骨的股骨頸軸確定股骨假體的第二數據信息。
72.輔助定位模塊基於手術工具和標誌位對手術工具和/或骨骼進行術中定位，跟蹤單元依據輔助定位單元的定位信息和目標位置信息，對手術工具和/或骨骼進行術中跟蹤；註冊單元獲取標誌位與骨骼的空間轉換關係，其中，跟蹤單元基於空間轉換關係跟蹤手術工具和/或骨骼。
73.靜態評估模塊基於術後骨骼模型對目標靜態數據進行評估，動態評估單元基於術後骨骼模型對術後運動和股骨假體的受力進行評估。
74.本技術實施例提供的髖關節置換手術導航系統，通過術前規划子系統，其中，術前規划子系統基於目標對象的醫學影像進行三維重建，得到三維骨骼模型，並基於三維骨骼模型進行計算，得到髖臼假體的第一數據信息和股骨假體的第二數據信息，其中，第一數據信息中至少包括髖臼假體的型號、髖臼假體的植入角度和髖臼假體的植入位置，第二數據信息中至少包括股骨假體的型號、股骨假體的植入方向和股骨假體的植入深度；術中導航子系統，其中，術中導航子系統基於三維骨骼模型、第一數據信息和第二數據信息在髖關節置換手術中進行導航和跟蹤；術後評估子系統，其中，術後評估子系統基於髖臼假體的植入信息、股骨假體的植入信息和三維骨骼模型進行模擬計算得到術後骨骼模型，並依據術後骨骼模型進行術後評估，得到評估結果，解決了相關技術中通過傳統手術定位工具實現髖關節置換中的股骨頭定位，導致定位的準確性比較低的問題。在本方案中，通過術前規划子系統基於醫學影像數據進行三維重建，並通過三維骨骼模型可以準確規劃髖臼假體以及股骨假體的植入信息，通過術中導航子系統能夠對骨骼和假體進行精準導航和定位，最後，通過術後評估子系統能夠對假體的植入情況進行準確評估，進而達到了提高定位的準確性的效果。
75.需要說明的是，在附圖的流程圖示出的步驟可以在諸如一組計算機可執行指令的計算機系統中執行，並且，雖然在流程圖中示出了邏輯順序，但是在某些情況下，可以以不同於此處的順序執行所示出或描述的步驟。
76.所述髖關節置換手術導航系統包括處理器和存儲器，處理器中包含內核，由內核去存儲器中調取相應的程序單元。內核可以設置一個或以上，通過調整內核參數來實現髖關節置換手術的導航。
77.存儲器可能包括計算機可讀介質中的非永久性存儲器，隨機存取存儲器(ram)和/或非易失性內存等形式，如只讀存儲器(rom)或快閃記憶體(flash ram)，存儲器包括至少一個存儲晶片。
78.本領域內的技術人員應明白，本技術的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本技術可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本技術可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質（包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom、光學存儲器等）上實施的電腦程式產品的形式。
79.本技術是參照根據本技術實施例的方法、設備（系統）、和電腦程式產品的流程圖和／或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和／或方框圖中的每一流程和／或方框、以及流程圖和／或方框圖中的流程和／或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和／或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
80.這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和／或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
81.這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和／或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
82.在一個典型的配置中，計算設備包括一個或多個處理器 (cpu)、輸入/輸出接口、網絡接口和內存。
83.存儲器可能包括計算機可讀介質中的非永久性存儲器，隨機存取存儲器(ram)和/或非易失性內存等形式，如只讀存儲器(rom)或快閃記憶體(flash ram)。存儲器是計算機可讀介質的示例。
84.計算機可讀介質包括永久性和非永久性、可移動和非可移動媒體可以由任何方法或技術來實現信息存儲。信息可以是計算機可讀指令、數據結構、程序的模塊或其他數據。計算機的存儲介質的例子包括，但不限於相變內存 (pram)、靜態隨機存取存儲器 (sram)、動態隨機存取存儲器 (dram)、其他類型的隨機存取存儲器 (ram)、只讀存儲器 (rom)、電可擦除可編程只讀存儲器 (eeprom)、快閃記憶體或其他內存技術、只讀光碟只讀存儲器 (cd-rom)、數字多功能光碟 (dvd) 或其他光學存儲、磁盒式磁帶，磁帶磁碟存儲或其他磁性存儲設備或任何其他非傳輸介質，可用於存儲可以被計算設備訪問的信息。按照本文中的界定，計算機可讀介質不包括暫存電腦可讀媒體 (transitory media)，如調製的數據信號和載波。
85.還需要說明的是，術語「包括」、「包含」或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、商品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、商品或者設備所固有的要
素。在沒有更多限制的情況下，由語句「包括一個
……」
限定的要素，並不排除在包括要素的過程、方法、商品或者設備中還存在另外的相同要素。
86.本領域技術人員應明白，本技術的實施例可提供為方法、系統或電腦程式產品。因此，本技術可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本技術可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質（包括但不限於磁碟存儲器、cd-rom、光學存儲器等）上實施的電腦程式產品的形式。
87.以上僅為本技術的實施例而已，並不用於限制本技術。對於本領域技術人員來說，本技術可以有各種更改和變化。凡在本技術的精神和原理之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本技術的權利要求範圍之內。