一种基于机器学习的关节手术导航系统

本发明涉及关节手术导航，具体而言，涉及一种基于机器学习的关节手术导航系统。背景技术：1、骨科手术导航系统能够被用于术前制定手术计划和术中导航，可以在手术过程中跟踪手术器械，并将手术器械的位置在病人术前或术中的影像上实时更新显示出来，让手术医生随时知道手术器械的位置同病人解剖结构的关系。2、当前手术导航主要是基于关节的模型数据进行手术的拟合，这样的方式需要进行大量的数据处理分析，并保证数据分析的及时性和实时性，难度较大作业也不方便。手术导航的最终目的是进行手术状态的确认引导手术人员进行合理的手术处理，并提供诸如假肢、假体的安装定位引导。因此，如何更加高效且准确的进行关节手术的引导，避免过于繁琐的大量数据分析处理是当前关节手术导航重点关注的问题。3、因此，设计一种基于机器学习的关节手术导航系统，通过模拟匹配提取定位点和处理量来简化引导数据的处理，同时为手术提供高效及时且准确的引导数据，提高手术的成功率和效果，是目前亟待解决的问题。技术实现思路1、本发明的目的在于提供一种基于机器学习的关节手术导航系统，通过对要进行安装的假体的贴面数据以及目标手术对象手术区域的图像数据进行匹配对比分析，准确确定出假体的最终安装位置，进而在模拟的装配位置下进行假体重合位置区域的定位点提取，保证假体在实际安装时能够引导进行准确的位置定位，提高假体安装的准确度，同时确定出非重合区域上需要对关节进行处理的体积数据，以便在实时导航跟踪时定量的进行手术处理量的监控，避免处理量偏差导致假体安装位置的偏移和安装稳定性的下降。在充分提取定位点信息和处理体积信息后，实时进行手术处理和假体安装定位的对比分析，提供准确的对比引导信息，大大提高了关节手术的安全性和准确度，引导信息实时进行引导参考，提升了手术的效率以及成功率，保证假体安装的稳定性。2、第一方面，本发明提供一种基于机器学习的关节手术导航系统，包括图像数据采集单元，用于采集假体贴面三维数据、手术对象的初始关节手术区域图像数据以及实时关节手术区域图像数据；定位处理分析单元，用于获取图像数据采集单元采集的假体贴面三维数据进行贴面曲面提取，形成目标假体贴面曲面信息，将目标假体贴面信息与图像数据采集单元采集的手术对象的关节手术区域图像数据进行匹配分析，确定出假体定位点位置数据和处理体积数据；导航引导跟踪单元，用于获取定位处理分析单元形成的处理体积数据，并将处理体积数据与实时关节手术区域图像数据进行对比分析，形成体积处理引导信息，用于获取定位处理分析单元形成的假体定位点位置数据，并结合实时关节手术区域图像数据进行假体定位点的匹配分析，形成假体定位引导信息。3、在本发明中，该系统通过对要进行安装的假体的贴面数据以及目标手术对象手术区域的图像数据进行匹配对比分析，准确确定出假体的最终安装位置，进而在模拟的装配位置下进行假体重合位置区域的定位点提取，保证假体在实际安装时能够引导进行准确的位置定位，提高假体安装的准确度，同时确定出非重合区域上需要对关节进行处理的体积数据，以便在实时导航跟踪时定量的进行手术处理量的监控，避免处理量偏差导致假体安装位置的偏移和安装稳定性的下降。在充分提取定位点信息和处理体积信息后，实时进行手术处理和假体安装定位的对比分析，提供准确的对比引导信息，大大提高了关节手术的安全性和准确度，引导信息实时进行引导参考，提升了手术的效率以及成功率，保证假体安装的稳定性。4、作为一种可能的实现方式，定位处理分析单元采用以下具体步骤确定假体定位点位置数据和处理体积数据：获取假体贴面三维数据，形成目标假体贴面曲面信息；获取手术对象的初始关节手术区域图像数据，并结合目标假体贴面曲面信息，进行基于最大重合度的匹配分析，确定手术处理区域和重合定位区域；对重合定位区域进行定位点的提取分析，获取假体定位点位置数据；对手术处理区域进行基于处理体积的分析，获取处理体积数据。5、在本发明中，定位处理分析单元主要是进行假体贴面数据与手术对象手术区域图像数据的重合对比分析，进而完成假体定位点位置信息以及手术处理体积量的提取。可以理解的是，在完成假体贴面数据与手术对象手术区域图像的匹配后，重合区域基本为确定的假体安装位置，手术过程中不会发生位置变化，因而在完成重合匹配后就可以直接从重合区域提取出定位点位置信息，而对于非重合区域则是为了保证假体安装的合理性和稳定性需要进行处理的区域，这些区域主要进行削切等方式的处理，因而可以通过非重合区域的体积量来提取需要处理的工作量，进而形成处理量的引导数据。6、作为一种可能的实现方式，获取手术对象的初始关节手术区域图像数据，并结合目标假体贴面曲面信息，进行基于最大重合度的匹配分析，确定手术处理区域和重合定位区域，包括：根据初始关节手术区域图像数据，确定手术对象的初始关节手术曲面；提取目标假体贴面曲面信息的假体贴面曲面；设定重合间隙阈值，将初始关节手术曲面和假体贴面曲面进行重合匹配，确定出重合面积最大的情况，并将对应的重合区域确定为重合定位区域；获取重合面积最大情况下，初始关节手术曲面与假体贴面曲面的有效重合边界，并根据有效重合边界，确定出初始关节曲面与假体贴面曲面之间非重合区域，形成手术处理区域。7、在本发明中，对假体贴面数据与手术对象的手术区域图像数据的匹配考虑实际假体安装是假体的贴面要与手术区域的骨外形匹配，所以在重合性匹配分析上是提取了假体上与关节贴合的贴面曲面来同关节的表面曲面来进行的。需要说明的是，对于匹配分析的重合性判断，考虑假体制作会存在一定的尺寸误差，同时所测量的曲面数据也会因为测量方式、分析方式等方面存在一定的误差，因而重合性分析时不能仅将完全重合的位置点判定为重合，这样会降低重合分析的合理性和准确性，因此通过设定重合间隙阈值来将距离差处于一定范围的位置都确定为匹配重合的位置，可以充分减小数据测量和处理误差对匹配分析结果的影响。当然，对于重合间隙阈值来说可以根据实际的匹配分析情况确定，也可以通过对测量、分析所产生的累计误差进行分析取得。另外，还需要说明的是在假体贴面曲面与手术区域关节的表面曲面进行匹配时，通常假体贴面曲面上靠近边界的部分是用于与手术区域关节的表面曲面进行重合匹配的部分，所以可以理解，只有假体贴面曲面尽可能的在靠近边界的部分与手术区域关节的表面曲面重合才能保证假体的安装稳定性和合理性，所以重合匹配分析是以假体贴面曲面与手术区域的关节表面曲面的重合度达到最高为分析的最佳状态。8、作为一种可能的实现方式，设定重合间隙阈值，将初始关节手术曲面和假体贴面曲面进行重合匹配，确定出重合面积最大的情况，并将对应的重合区域确定为重合定位区域，包括：以初始关节手术曲面上的点为基准点，确定初始关节手术曲面上所有点的法线到假体贴面曲面的重合判断距离；对初始关节手术曲面与假体贴面曲面进行重合调整，将重合判断距离不超过重合间隙阈值的点所形成区域的面积最大的情形确定为初始关节手术曲面与假体贴面曲面的重合匹配位置；获取初始关节手术曲面上重合判断距离等于重合间隙阈值的点所形成的所有重合封闭曲线；提取所有重合封闭曲线所包围的重合区域，形成重合定位区域。9、在本发明中，对于两个曲面的重合匹配，考虑在重合的地方如果发生曲面的重合，那么两个曲面上重合位置的两个点在对应曲面上形成的发现应该是重合的。以此作为曲面是否发生重合的判断准则能够快速的确定出重合的区域，进而基于边界曲线进行重合区域的提取。可以理解的是，虽然假体贴面曲面基本是在靠近边界的部分上与手术区域关节的表面曲面重合，但实际手术中假体所包覆的部分也会存在多处非相连的区域需要进行处理，因而导致实际重合的区域会有多个而非一个相连的整体。而多个重合区域也可以利用封闭的重合曲线来进行辨识和提取。10、作为一种可能的实现方式，对重合定位区域进行定位点的提取分析，获取假体定位点位置数据，包括：当重合定位区域为单个封闭区域时，则：获取重合定位区域的面积s，并设定最小间距a，确定定位点数量n，其中：表示对的结果取整数；根据定位点数量n和最小间距a，在重合定位区域任意确定n个间距不小于最小间距a的定位点；当存在多个封闭的重合定位区域时，则：对每个重合定位区域，确定在重合定位区域的边界上距离最远的两个点，建立两个点之间的第一线段，并获取第一线段的第一距离值l1；根据第一线段，确定在对应重合定位区域内与第一线段垂直的直线中被重合定位区域的边界所划定的距离最大的第二线段，并获取第二线段的第二距离值l2；根据第一距离值l1和第二距离值l2，确定提取间距l0，其中，α表示调整因子；在对应的重合定位区域内任意确定间距不小于提取间距l0的三个定位点；结合所确定的所有定位点的位置信息，形成假体定位点位置数据。11、在本发明中，在确定出重合定位区域后，考虑重合定位区域是假体与手术区域的关节表面适中匹配重合的部分，在手术过程中重合定位区域不会发生任何的变化，因而是关节手术导航进行假体安装时与关节配合定位的重要位置参考信息。这里，为了避免关节手术导航利用正片的重合定位区域曲面进行匹配定位造成导航分析的复杂性，通过在重合定位区域中提取合理的定位点进行导航定位分析的参考数据，这样既降低了导航分析的复杂度，也能够充分的保证假体安装导航引导的准确性。对于定位点的提取，需要考虑重合定位区域的数量情况，毕竟不同数量的重合定位区域对于提取有效的定位点是有直接影响的。当重合定位区域仅为一个连片的区域时，考虑区域曲面可能存在的形状变化情况会影响定位的准确度，因而可以通过设定最小间距并结合重合定位区域的曲面面积来确定合理的定位点数量，而定位点的位置则基于最小间距作为基础的间隔距离来进行提取。对于最小间距可以充分考虑曲面的形状变化带来的对定位匹配准确度的影响，进而合理的进行数值设定。毕竟在曲面具有不同起伏形状的情况下，在不同的凸起区域和凹陷区域都需要定位点的引导进行匹配定位以提高假体安装的稳定性和准确性。对于重合定位区域为多个的区域情况，考虑不同重合定位区域之间存在手术处理的区域，因而每个重合定位区域都应该进行定位点的提取以保证重合定位区域的定位匹配不会受到周围手术处理区域发生体积和形状变化的影响。这里，对每个重合定位区域采用三定位点的提取方式，毕竟三个定位点形成的平面可以充分保留重合定位区域曲面的位置特征，使假体安装时在该重合定位区域可以达到较高的匹配准确度。调整因子可以根据实际需要来确定，也可以结合重合定位区域的形状特征来进行调整。12、作为一种可能的实现方式，对手术处理区域进行基于处理体积的分析，获取处理体积数据，包括：对每个封闭的手术处理区域，确定在初始关节手术曲面上对应的区域关节手术曲面以及在假体贴面曲面上对应的区域假体贴面曲面；根据区域关节手术曲面和区域假体贴面曲面，确定对应的手术处理区域的包络体积；结合所有手术处理区域对应的包络体积，形成处理体积数据。13、在本发明中，对于手术处理区域，由于假体贴面曲面与关节手术区域的关节曲面不重合，所以两个曲面之间存在一定的空间体积，该空间体积即是在关节手术中需要进行处理的部分，考虑关节手术中对该区域的处理可以采用不同的手术处理方式，因而在进行关节手术的引导时只需要进行处理体积的引导，保证处理体积合理，为假体的安装提供合理的处理量即可。14、作为一种可能的实现方式，导航引导跟踪单元采用以下具体步骤形成体积处理引导信息和假体定位引导信息：获取实时关节手术区域图像数据，形成实时关节手术曲面；根据实时关节手术曲面、初始关节手术曲面上确定的手术处理区域以及处理体积数据，进行实时处理的引导分析，形成体积处理引导信息；根据体积处理引导信息，结合假体定位点位置数据，分别在实时关节手术曲面以及假体贴面曲面上标定定位点，并进行定位点匹配分析，形成假体定位引导信息。15、在本发明中，在基于术前初始的手术区域关节曲面进行重合定位区域和非重合区域的处理体积数据确定后，为了保证手术导航的实时性和有效性，通过实时获取手术过程中关节的曲面信息进行手术处理体积的实时对比分析和假体安装时的定位点位置实时对比分析，进而根据对比结果输出提示进行引导，给关节手术的处理和假体安装提供数据的引导参考。16、作为一种可能的实现方式，根据实时关节手术曲面、初始关节手术曲面上确定的手术处理区域以及处理体积数据，进行实时处理的引导分析，形成体积处理引导信息，包括：根据初始关节手术曲面上确定的手术处理区域，确定出实时关节手术曲面上对应的手术处理区域的边界，并获取实时关节手术曲面上对应的手术处理区域的实时手术曲面；根据手术处理区域上的实时手术曲面与对应的假体贴面曲面，确定对应的手术区域的实时剩余体积；将实时剩余体积与对应的包络体积进行引导分析，形成体积处理引导信息。17、在本发明中，针对处理体积的对比分析，主要是在获取实时关节曲面数据后与初始关节曲面进行对比，确定出已经处理的体积量，在处理体积的对比中，由于是结合包络体积进行的分析，因此间接的也对实时关节曲面进行了处理区域的位置对比，有效确保体积处理过程中处理的区域不会发生偏差，提高了体积处理的准确性。18、作为一种可能的实现方式，将实时剩余体积与对应的包络体积进行引导分析，形成体积处理引导信息，包括：确定每个手术处理区域上对应的实时剩余体积和对应的包络体积并进行以下分析判判断：若存在任意的手术处理区域满足则对满足要求的手术处理区域进行标定，并形成继续处理引导信息；若所有手术处理区域满足则形成匹配启动引导信息，其中，n表示多个手术处理区域时不同手术处理区域的编号，β表示引导判断参考因子。19、在本发明中，处理体积的对比是先于定位点对比分析的，因为只有在完成处理体积的处理后假体才能够被顺利的安装。因而在进行处理体积的手术引导时，针对分析对比的结果会进行不同的引导提示，在没有完成合理的体积处理量时，形成的引导信息为继续处理的引导信息，在完成合理的体积处理量时就会形成指示进行假体安装的匹配引导信息。对于引导判断参考因子可以根据实际需要来确定，一方面是为了保证对比分析过程进行时造成超体积量的处理，另一方面也是合理的进行数据处理过程中产生的体积处理量的误差的消除。20、作为一种可能的实现方式，根据体积处理引导信息，结合假体定位点位置数据，分别在实时关节手术曲面以及假体贴面曲面上标定定位点，并进行定位点匹配分析，形成假体定位引导信息，包括：设定匹配容限γ，当体积处理引导信息输出为匹配启动引导信息时，将实时关节手术曲面上的定位点与假体贴面曲面上对应的定位点进行以下匹配性分析：若实时关节手术曲面上的定位点通假体贴面曲面上对应的定位点之间的距离超过匹配容限γ，则形成调整定位引导信息；若实时关节手术曲面上的定位点通假体贴面曲面上对应的定位点之间的距离不超过匹配容限γ，则形成匹配完成引导信息。21、在本发明中，可以理解的是，由于假体的制造、数据的处理等方面实际存在一定的误差，因而在进行假体的安装定位引导时，需要提供一定的定位点匹配容限，以保证假体安装的合理性，匹配容限可以根据实际情况确定，也可以基于大数据的误差分析来确定。22、本发明提供的一种基于机器学习的关节手术导航系统的有益效果有：23、该系统通过对要进行安装的假体的贴面数据以及目标手术对象手术区域的图像数据进行匹配对比分析，准确确定出假体的最终安装位置，进而在模拟的装配位置下进行假体重合位置区域的定位点提取，保证假体在实际安装时能够引导进行准确的位置定位，提高假体安装的准确度，同时确定出非重合区域上需要对关节进行处理的体积数据，以便在实时导航跟踪时定量的进行手术处理量的监控，避免处理量偏差导致假体安装位置的偏移和安装稳定性的下降。在充分提取定位点信息和处理体积信息后，实时进行手术处理和假体安装定位的对比分析，提供准确的对比引导信息，大大提高了关节手术的安全性和准确度，引导信息实时进行引导参考，提升了手术的效率以及成功率，保证假体安装的稳定性。