【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于醫療器械，涉及基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人及其快速精確配準方法。
技術介紹
1、傳統髖關節手術機器人在進行手術器械定位和植入物放置時，通常需要經歷粗配準和精配準兩個階段，且在精配準過程中常采用探針接觸軟組織進行多次點位標記，這種方法耗時較長，手術效率低下，且由于依賴于大量軟組織點位，配準精度受限，易受軟組織變形等因素的影響，不利于手術的精準實施。
技術實現思路
1、本專利技術為了克服至少一個現有技術的不足，提供基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人及其快速精確配準方法。
2、為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，包括
3、三維掃描儀，其集成安裝在髖關節手術機器人的末端，用于對髖臼窩內部進行三維輪廓掃描，生成三維圖像數據；
4、中央處理器，其與三維掃描儀緊密耦合，用于接收并實時分析處理三維圖像數據；
5、圖像處理模塊，配置為對掃描得到的三維圖像數據進行預處理、骨性結構識別與提取，分離髖臼窩內骨性結構輪廓，獲得骨性結構信息；
6、三維模型匹配與配準模塊，其用于從骨性結構信息提取出關鍵特征點并獲得骨性結構信息與預先構建的三維模型之間的空間對應關系以及配準參數。
7、進一步的，所述三維掃描儀為多束激光或多視角相機系統。
8、進一步的，所述關鍵特征點包含位置信息，具備在不同的姿態和尺度下保持不變性。
9、進一步的，所述關
10、進一步的，所述髖關節手術機器人的機械臂安裝手術器械，髖關節手術機器人根據配準參數實時調整機械臂的位置和姿態。
11、髖關節手術機器人的快速精確配準方法，包括以下步驟：
12、步驟s1：術前依據患者的髖臼窩二維圖像數據建立髖臼窩的三維模型；
13、步驟s2：術前使用三維掃描儀掃描患者的髖臼窩獲得三維圖像數據；
14、步驟s3：圖像處理模塊對三維圖像數據進行骨性結構識別與提取獲得骨性結構信息；
15、步驟s4：三維模型匹配與配準模塊將提取的骨性結構信息與設定的三維模型進行匹配，得出精確的配準參數；
16、步驟s5：術中髖關節手術機器人根據配準參數實時調整機械臂的位置和姿態的動作，使手術機器人進行精確的手術器械定位和植入物放置操作。
17、進一步的，所述步驟s4的骨性結構信息與設定的三維模型進行匹配的方法為：
18、步驟s41：設定骨性結構信息掃描點云數據集合p，p={p_1，p_2，.，p_i.，p_n}；i=1，2...n，i為骨性結構信息掃描點的序號，n為骨性結構信息掃描點的總數；
19、三維模型點云數據集合m，m={m_1，m_2，.m_j.，m_x}，j=1.2...x，j為三維模型點的序號，x為三維模型點的總數；
20、步驟s42：對于每一次迭代，尋找集合p中每個點p_i在集合m中距離最近的點m_{ij}；
21、步驟s43：計算所有對應點(p_i，m_{ij})的最小化值；
22、對應點(p_i，m_{ij})做剛體變換，得到||rp_i+t-m_{ij}||^2（1），r為旋轉矩陣，t為平移向量，||·||為歐氏距離，對（1）轉化為最小化損失函數：
23、[e(r，t)=\sum_{i=1}^{n}||rp_i+t-m_{ij}||^2]；
24、上式中e為最小化損失函數；
25、步驟s44：更新變換矩陣r和t，通過梯度下降法或其他非線性優化策略求解步驟s43的方程組；
26、步驟s45：應用更新后的變換t=[r|t]對骨性結構信息掃描點進行變換，并判斷是否達到停止條件，若未達到停止條件，則返回步驟s42繼續迭代，直至收斂，若達到停止條件，判定t為骨性結構信息掃描點與維模型之間的最佳變換矩陣。
27、綜上所述，本專利技術的有益之處在于：
28、1）?本專利技術通過三維掃描儀直接獲取實時骨性結構信息使手術機器人具備直接掃描配準功能，省去了傳統手術機器人粗配準和軟組織點位標記步驟，極大提高了手術配準的速度和效率；同時通過三維模型匹配與配準模塊具備高精度識別與配準特性，能夠有效克服軟組織變形帶來的影響，確保手術器械定位和植入物放置的精確度；通過上述技術方案，有效提升手術效率與安全性，通過減少手術準備時間和提高手術操作精度，減輕醫生工作負荷，降低手術風險和并發癥發生率的手術機器人能夠直接通過掃描髖臼窩內部實現精確配準，無需繁瑣的人工探針點位操作，顯著縮短手術準備時間。
29、2）?本專利技術通過圖像處理模塊能精確區分骨科血肉和軟組織，消除軟組織變形對配準精度的影響，實現更準確的手術器械定位和植入物放置。
30、3）?本專利技術的技術手段不僅可以提高手術操作的精確度，而且能夠減少手術時間，減輕醫生的工作負荷，提升手術安全性。
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1.基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：包括三維掃描儀，其集成安裝在髖關節手術機器人的末端，用于對髖臼窩內部進行三維輪廓掃描，生成三維圖像數據；中央處理器，其與三維掃描儀緊密耦合，用于接收并實時分析處理三維圖像數據；圖像處理模塊，配置為對掃描得到的三維圖像數據進行預處理、骨性結構識別與提取，分離髖臼窩內骨性結構輪廓，獲得骨性結構信息；三維模型匹配與配準模塊，其用于從骨性結構信息提取出關鍵特征點并獲得骨性結構信息與預先構建的三維模型之間的空間對應關系以及配準參數。
2.根據權利要求1所述的基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：所述三維掃描儀為多束激光或多視角相機系統。
3.根據權利要求1所述的基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：所述關鍵特征點包含位置信息，具備在不同的姿態和尺度下保持不變性。
4.根據權利要求4所述的基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：所述關鍵特征點提取算法采用尺度不變特征變換（SIFT）、快速魯棒特征（SURF）或更快的旋轉不變局部二進制模式（ORB）的其中之
5.根據權利要求1所述的基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：所述髖關節手術機器人的機械臂安裝手術器械，髖關節手術機器人根據配準參數實時調整機械臂的位置和姿態。
6.髖關節手術機器人的快速精確配準方法，基于上述權利要求1-5任一項所述的髖關節手術機器人，其特征在于：包括以下步驟：
7.根據權利要求6所述的髖關節手術機器人的快速精確配準方法，其特征在于：所述步驟S4的骨性結構信息與設定的三維模型進行匹配的方法為：
...【技術特征摘要】
1.基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：包括三維掃描儀，其集成安裝在髖關節手術機器人的末端，用于對髖臼窩內部進行三維輪廓掃描，生成三維圖像數據；中央處理器，其與三維掃描儀緊密耦合，用于接收并實時分析處理三維圖像數據；圖像處理模塊，配置為對掃描得到的三維圖像數據進行預處理、骨性結構識別與提取，分離髖臼窩內骨性結構輪廓，獲得骨性結構信息；三維模型匹配與配準模塊，其用于從骨性結構信息提取出關鍵特征點并獲得骨性結構信息與預先構建的三維模型之間的空間對應關系以及配準參數。
2.根據權利要求1所述的基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：所述三維掃描儀為多束激光或多視角相機系統。
3.根據權利要求1所述的基于三維掃描和圖像處理的髖關節手術機器人，其特征在于：所述關鍵特征點包含位置信...
【專利技術屬性】
技術研發人員：徐子昂，盧明，林鵬，童睿，方華磊，王婧，
申請(專利權)人：杭州三壇醫療科技有限公司，
類型：發明
國別省市：
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