关节置换手术辅助定位方法、定位装置及系统.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910329634.4 (22)申请日 2019.04.23 (71)申请人 雅客智慧 （北京） 科技有限公司 地址 100007 北京市东城区安定门东大街 28号雍和大厦B座1208室 (72)发明人 王利峰刘洪澎 (74)专利代理机构 北京路浩知识产权代理有限 公司 11002 代理人 王庆龙苗晓静 (51)Int.Cl. A61B 17/17(2006.01) A61B 17/16(2006.01) A61B 34/10(2016.01) A61B 34/20(201。

2、6.01) (54)发明名称 关节置换手术辅助定位方法、 定位装置及系 统 (57)摘要 本发明实施例提供一种关节置换手术辅助 定位方法、 定位装置及系统， 该方法包括： 获取关 节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐 标系的映射关系； 获取关节部位在所述视觉空间 坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在所述视 觉空间坐标系中的位姿； 根据所述映射关系， 将 所述手术器械末端以及所述关节部位在视觉空 间坐标系中的位姿转换到三维模型坐标系中； 在 所述三维模型坐标系的虚拟图像中显示所述关 节部位以及手术器械末端， 以供根据所述虚拟图 像的显示结果进行手术辅助定位。 由于医生在手 术操作中能够直观。

3、的观测到关节部位和手术器 械末端的相对位置关系， 从而截骨准确率高， 能 够降低操作风险， 进而使得假体安装位置的精确 性和匹配度提高。 权利要求书2页 说明书9页 附图2页 CN 110037768 A 2019.07.23 CN 110037768 A 1.一种关节置换手术辅助定位方法， 其特征在于， 包括： 获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系； 获取关节部位在所述视觉空间坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在所述视觉空间 坐标系中的位姿； 根据所述映射关系， 将所述手术器械末端以及所述关节部位在视觉空间坐标系中的位 姿转换到三维模型坐标系中； 在所述三维模型坐标。

4、系的虚拟图像中显示所述关节部位以及手术器械末端， 以供根据 所述虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位。 2.根据权利要求1所述的关节置换手术辅助定位方法， 其特征在于， 所述获取关节部位 在所述视觉空间坐标系中的位姿， 包括： 获取关节预设位置处固定的第一视觉参考架的位姿， 结合所述第一视觉参考架与关节 部位的相对位姿， 获取关节部位在所述视觉空间坐标系中的位姿； 相应地， 所述获取手术器械末端在所述视觉空间坐标系中的位姿， 包括： 获取手术器械上固定的第二视觉参考架的位姿， 结合所述第二视觉参考架与手术器械 的相对位姿， 获取所述手术器械末端在所述视觉空间坐标系中的位姿。 3.根据权利要求1所。

5、述的关节置换手术辅助定位方法， 其特征在于， 所述获取关节的三 维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系， 包括： 在三维模型空间中， 获取关节部位多个标记点在三维模型坐标系的坐标； 获取标定好的探针尖端触碰关节部位的对应标记点时， 每一标记点在视觉空间坐标系 的坐标； 根据所述标记点在两个坐标系的坐标， 获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉 空间坐标系的映射关系。 4.根据权利要求1所述的关节置换手术辅助定位方法， 其特征在于， 所述获取关节部位 在所述视觉空间坐标系中的位姿之前， 还包括： 获取医生在关节的三维模型上规划的手术区域； 相应地， 在所述三维模型的虚拟图像中显示所述。

6、关节部位以及手术器械末端， 具体为： 在所述三维模型的虚拟图像中显示所述关节部位、 关节部位的手术区域以及手术器械 末端。 5.根据权利要求4所述的关节置换手术辅助定位方法， 其特征在于， 根据所述手术区域 和所述手术器械末端的相对位姿， 若检测到手术器械末端超出所述手术区域， 则进行风险 规避处理； 所述风险规避处理包括， 控制手术器械末端停止运动、 控制手术器械发出震动信号进 行反馈以及发出告警声音进行反馈。 6.一种关节置换手术辅助定位装置， 其特征在于， 包括： 第一获取模块， 用于获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射 关系； 第二获取模块， 用于获取关节部位在所述。

7、视觉空间坐标系中的位姿， 并获取手术器械 末端在所述视觉空间坐标系中的位姿； 处理模块， 用于根据所述映射关系， 将所述手术器械末端以及所述关节部位在视觉空 权利要求书 1/2 页 2 CN 110037768 A 2 间坐标系中的位姿转换到三维模型坐标系中； 输出模块， 用于在所述三维模型坐标系的虚拟图像中显示所述关节部位以及手术器械 末端， 以供根据所述虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位。 7.一种关节置换手术辅助系统， 包括显示屏、 手术器械、 视觉导航仪和计算机， 其特征 在于， 所述计算机包括权利要求6所述的关节置换手术辅助定位装置； 所述显示屏与所述计算机连接， 所述计算机与所述视。

8、觉导航仪连接， 所述手术器械位 于所述视觉导航仪的视觉空间中。 8.根据权利要求7所述的关节置换手术辅助系统， 其特征在于， 所述手术器械内部设有 震动马达； 所述震动马达， 用于根据虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位过程中， 手术器械末 端触碰到骨组织时， 通过震动向医生进行反馈， 震动强度与骨组织的密度相对应。 9.根据权利要求7所述的关节置换手术辅助系统， 其特征在于， 所述手术器械内部设有 震动马达； 所述震动马达， 用于根据虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位过程中， 手术器械末 端超出手术区域时， 通过震动向医生进行反馈。 10.根据权利要求7所述的关节置换手术辅助系统， 其特征在于。

9、， 所述手术器械连接有 供水管道， 所述手术器械末端设有喷水腔道； 所述供水管道， 用于将冷却液输入所述手术器械的喷水腔道， 通过冷却液对手术部位 进行冷却。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110037768 A 3 关节置换手术辅助定位方法、 定位装置及系统 技术领域 0001 本发明涉及医疗器械领域， 尤其涉及一种关节置换手术辅助定位方法、 定位装置 及系统。 背景技术 0002 退化性膝关节炎是随着年龄逐渐恶化的关节疾病， 主要是由老化与膝关节长期过 度使用而造成， 膝关节面软骨磨损， 导致膝关节囊的润滑液变少， 使关节组织产生慢性发 炎， 逐渐出现酸、 胀、 麻痛、 关节僵硬。 据。

10、统计国内60岁以上的族群， 有八成饱受退化性关节 炎所苦， 还有一部分人群长年饱受关节弯曲变形之苦。 0003 面对上述关节性的疾病， 目前主要通过传统全人工膝关节置换手术来解决。 手术 时， 主要通过医生凭经验手工进行坏骨的磨除操作， 医生无法准确观察到手术器械与手术 关节的相对位姿， 难以避免的将好坏骨头都磨除， 甚至连健康的软组织如十字韧带等也无 法保留， 从而患者需承受较大的伤口带来的创伤， 以及长达1到2年的漫长复原时间。 0004 目前的关节手术的位置确定方法， 其截骨准确率低， 存在骨皮质穿透风险， 从而假 体安装位置的精确性和匹配度较差， 术后力线恢复也难以接近生理状态。 发明。

11、内容 0005 为了解决上述问题， 本发明实施例提供一种关节置换手术辅助定位方法、 定位装 置及系统。 0006 第一方面， 本发明实施例提供一种关节置换手术辅助定位方法， 包括： 获取关节的 三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系； 获取关节部位在所述视觉空间 坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在所述视觉空间坐标系中的位姿； 根据所述映射关 系， 将所述手术器械末端以及所述关节部位在视觉空间坐标系中的位姿转换到三维模型坐 标系中； 在所述三维模型坐标系的虚拟图像中显示所述关节部位以及手术器械末端， 以供 根据所述虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位。 0007 第二方面， 本发明。

12、实施例提供一种关节置换手术辅助定位装置， 包括： 第一获取模 块， 用于获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系； 第二获取 模块， 用于获取关节部位在所述视觉空间坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在所述视 觉空间坐标系中的位姿； 处理模块， 用于根据所述映射关系， 将所述手术器械末端以及所述 关节部位在视觉空间坐标系中的位姿转换到三维模型坐标系中； 输出模块， 用于在所述三 维模型坐标系的虚拟图像中显示所述关节部位以及手术器械末端， 以供根据所述虚拟图像 的显示结果进行手术辅助定位。 0008 第三方面， 本发明实施例提供一种关节置换手术辅助系统， 包括： 手术器械、 。

13、视觉 导航仪， 以及本发明第二方面的关节置换手术辅助定位装置。 0009 第四方面， 本发明实施例提供一种电子设备， 包括存储器、 处理器及存储在存储器 上并可在处理器上运行的计算机程序， 处理器执行程序时实现本发明第一方面关节置换手 说明书 1/9 页 4 CN 110037768 A 4 术辅助定位方法的步骤。 0010 第五方面， 本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质， 其上存储有计算 机程序， 该计算机程序被处理器执行时实现本发明第一方面关节置换手术辅助定位方法的 步骤。 0011 本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位方法、 定位装置及系统， 通过获取关 节部位在视觉空间坐标。

14、系中的位姿， 并获取手术器械末端在视觉空间坐标系中的位姿， 结 合三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系， 在所述三维模型坐标系的虚 拟图像中显示所述关节部位以及手术器械末端， 使得医生在手术操作中能够直观的观测到 关节部位和手术器械末端的相对位置关系， 从而截骨准确率高， 能够降低操作风险， 进而使 得假体安装位置的精确性和匹配度提高。 附图说明 0012 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍， 显而易见地， 下面描述中的附图是本发 明的一些实施例， 对于本领域普通技术人员来讲， 在不付出创造性劳动的。

15、前提下， 还可以根 据这些附图获得其他的附图。 0013 图1为本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位方法流程图； 0014 图2为本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位装置结构图； 0015 图3为本发明实施例提供的关节置换手术辅助系统结构示意图； 0016 图4为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图。 具体实施方式 0017 为使本发明实施例的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合本发明实施例 中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述， 显然， 所描述的实施例是 本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于本发明中的实施例， 本领域普通技术人员 在没。

16、有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例， 都属于本发明保护的范围。 0018 本发明实施例提供一种关节置换手术辅助定位方法。 该方法可应用于膝关节或髋 关节等关节置换手术场景。 在具体实施过程中， 该方法可由对应的手术辅助定位装置实施， 可在手术区域的适当位置上安装手术辅助定位装置， 也可在手术器械上安装这种手术辅助 定位装置， 从而实现关节手术的辅助定位。 0019 应当理解的是， 尽管在下文中采用术语 “第一” 、“第二” 等来描述各种视觉参考架， 但这些信息不应限于这些术语， 这些术语仅用来将同一类型的事物彼此区分开。 0020 图1为本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位方法流程。

17、图， 如图1所示， 本发 明实施例提供一种关节置换手术辅助定位方法， 包括： 0021 101， 获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系。 0022 三维模型用于展示待手术的关节部位， 在101之前， 为了进行辅助定位， 预先获得 关节部位的三维模型， 并获得该三维模型在对应坐标系中的表示。 例如， 根据手术关节部位 的CT扫描影像建立用于展示手术部位的骨解剖3D模型， 继而对此3D模型建立一个空间上的 坐标系表示， 对于3D模型上每个点均有对应的坐标， 也就是说手术部位的每个点都对应到 说明书 2/9 页 5 CN 110037768 A 5 三维模型的坐标中。 002。

18、3 在101中， 此为手术的准备阶段， 定位装置是执行该方法的装置， 其具有视觉空间， 通过该视觉空间捕获的坐标进行本方法的相关步骤。 定位装置可通过连接视觉导航仪(具 备3D摄像头的导航仪器， 以下以此为例进行说明)， 或定位装置本身集成3D摄像头模块， 能 够在其视觉空间中捕获一些关键点的坐标。 在此步骤中， 定位装置获取的是， 关节部位在定 位装置的视觉空间中的坐标与关节部位在上述三维模型坐标系之间的映射关系(可由44 的齐次变换矩阵表达)， 从而使得定位装置捕获到的相关部位能够映射到三维模型空间上， 便于后续步骤中医生在三维模型的坐标系空间上观测到手术器械以及实施手术的部位。 0024。

19、 102、 获取关节部位在视觉空间坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在视觉空间 坐标系中的位姿。 0025 在102中， 在手术准备实施阶段或者手术实施过程中， 视觉导航仪开始捕获关节部 位在视觉空间坐标系中的位置姿态(简称位姿)， 同时也捕获手术器械末端在视觉空间坐标 系中的位姿。 手术器械末端是实施手术的关键部位， 如关节置换手术中用到的钻磨刀或者 磨头， 位于手术器械的末端。 0026 103、 根据映射关系， 将手术器械末端以及关节部位在视觉空间坐标系中的位姿转 换到三维模型坐标系中。 0027 在103中， 根据101中获得的两个空间坐标系之间的映射关系， 定位装置把视觉导 航仪捕。

20、获的关节部位在视觉空间坐标系中的位姿， 以及捕获手术器械末端在视觉空间坐标 系中的位姿， 分别转换到三维模型的坐标系中。 0028 104、 在三维模型坐标系的虚拟图像中显示关节部位以及手术器械末端， 以供根据 虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位。 0029 关节部位能够通过三维模型坐标系显示在人机界面上， 例如三维模型为上述根据 CT扫描图像构建的三维虚拟图像。 关节部位和手术器械的末端的坐标经转换到三维模型坐 标系后， 能够在三维模型坐标系对应的虚拟图像中重构出关节部位和手术器械末端的相对 位置关系。 在实施手术的过程中， 根据人机界面中显示的关节部位和手术器械末端的相对 位置关系， 可以。

21、进行手术的辅助定位。 0030 本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位方法， 通过获取关节部位在视觉空间 坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在视觉空间坐标系中的位姿， 结合三维模型坐标系 与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系， 在三维模型坐标系的虚拟图像中显示关节部位 以及手术器械末端， 使得医生在操作中能够直观的观测到关节部位和手术器械末端的相对 位置关系， 从而截骨准确率高， 能够降低操作风险， 进而使得假体安装位置的精确性和匹配 度提高。 0031 基于上述实施例的内容， 作为一种可选实施例， 获取关节部位在视觉空间坐标系 中的位姿， 包括： 获取关节预设位置处固定的第一视觉参考架的位。

22、姿， 结合第一视觉参考架 与关节部位的相对位姿， 获取关节部位在视觉空间坐标系中的位姿； 相应地， 获取手术器械 末端在视觉空间坐标系中的位姿， 包括： 获取手术器械上固定的第二视觉参考架的位姿， 结 合第二视觉参考架与手术器械的相对位姿， 获取手术器械末端在视觉空间坐标系中的位 姿。 0032 具体地， 传统视觉导航仪难以直接捕获手术部位以及手术器械在其视觉空间的准 说明书 3/9 页 6 CN 110037768 A 6 确坐标。 本发明实施例中， 关节部位的预设位置处(如关节附近的骨头上)固定有视觉参考 架(称为第一视觉参考架)， 视觉参考架用于在手术中标识患者关节部位的位置。 视觉参考。

23、 架可由反光球、 反光片构成， 视觉导航仪器可以实时追踪视觉参考架上反射球的三维空间 位置。 第一视觉参考架由一系列(至少3个)反射球构成一个空间坐标系， 用于表征被其依附 物体的空间位置与姿态(简称位姿)。 可通过医生用工具将视觉标记参考架打入患者股骨、 胫骨或盆骨予以固定， 从而第一视觉参考架与手术部位的相对位姿是确定的， 可通过第一 视觉参考架的位姿来确定关节部位的位置。 0033 作为一个优选实施例， 第一视觉参考架可设置多个。 例如， 关节两侧各放置一个， 从而增加定位精度。 0034 手术器械上同样装有视觉标记参考架(称为第二视觉参考架)， 考虑到手术器械需 要进行消毒处理， 器械。

24、端的视觉参考架可设计为方便拆装和固定的形式。 术前需要标定好 手术器械与其上固定的第二参考架之间的相对位置姿态关系， 即已知手术器械端的第二视 觉参考架与手术器械的相对位姿关系。 第二视觉参考架和手术器械的相对位姿已确定， 第 一视觉参考架与手术部位的相对位姿也已确定。 通过视觉导航仪器捕获第一视觉参考架与 第二视觉参考架的相对位姿， 可获得手术器械末端与手术部位的相对位姿。 在三维模型坐 标系对应的虚拟图像中重构出关节部位和手术器械末端的相对位置关系。 在实施手术的过 程中， 根据人机界面中显示的关节部位和手术器械末端的相对位置关系， 可以进行手术的 辅助定位。 0035 本发明实施例提供的。

25、关节置换手术辅助定位方法， 通过关节预设位置处固定的第 一视觉参考架以及手术器械上固定第二视觉参考架， 从而能够准确获取关节部位和手术器 械末端在视觉空间的位姿， 进而使得转换到三维模型坐标系的虚拟图像中显示结果更准 确。 0036 基于上述实施例的内容， 作为一种可选实施例， 获取关节的三维模型坐标系与定 位装置的视觉空间坐标系的映射关系， 包括： 在三维模型空间中， 获取关节部位多个标记点 在三维模型坐标系的坐标； 获取标定好的探针尖端触碰关节部位的对应标记点时， 每一标 记点在视觉空间坐标系的坐标； 根据标记点在两个坐标系的坐标， 获取关节的三维模型坐 标系与定位装置的视觉空间坐标系的映。

26、射关系。 0037 具体地， 关节部位在三维模型空间中选取若干标记点， 标记点可以是骨组织解剖 标志点， 标记点在三维模型坐标系中的坐标是已知的。 使用标定好的探针触碰关节部位的 上述标记点的中心部位， 通过视觉导航仪捕获这些标记点， 则可以获得这些标记点在定位 装置的视觉空间坐标系下的坐标。 通过空间坐标转换的相关数学原理， 对两组坐标值中相 同标记点的坐标进行分析运算， 便可获得上述三维模型坐标系和视觉空间坐标系之间的映 射关系。 0038 本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位方法， 通过获取关节部位多个标记点 在三维模型坐标系的坐标， 以及获取标定好的探针尖端触碰关节部位的对应标记点时。

27、， 每 一标记点在视觉空间坐标系的坐标。 通过多个标记点实现， 操作过程简单且计算量较小。 0039 基于上述实施例的内容， 作为一种可选实施例， 结合第一视觉参考架与关节部位 的相对位姿， 获取关节部位在视觉空间坐标系中的位姿之前， 还包括： 获取标定好的探针尖 端触碰关节部位的多个标记点时， 每一标记点在视觉空间坐标系的坐标； 获取第一视觉参 说明书 4/9 页 7 CN 110037768 A 7 考架在视觉空间坐标系的位姿； 根据每一标记点在视觉空间坐标系的坐标， 以及第一视觉 参考架在视觉空间坐标系的位姿， 获取第一视觉参考架与关节部位的相对位姿。 0040 具体地， 与上述关节部位。

28、在三维模型空间中选取若干标记点类似， 在关节部位选 取多个标记点， 这些标记点可以是骨组织解剖标志点。 使用标定好的探针触碰关节部位的 上述标记点的中心部位， 通过视觉导航仪捕获这些标记点， 则可以获得这些标记点在定位 装置的视觉空间坐标系下的坐标。 同时关节的预设部位固定有第一视觉参考架， 视觉导航 仪获取第一视觉参考架的空间位姿。 通过空间坐标转换的相关数学原理， 对第一视觉参考 架的位姿以及上述多个标记点的坐标进行分析运算， 便可获取第一视觉参考架与关节部位 的相对位姿。 通过获得获取第一视觉参考架与关节部位的相对位姿， 能够准确在视觉空间 中确定关节部位的位姿。 0041 基于上述实施。

29、例的内容， 作为一种可选实施例， 获取关节部位在视觉空间坐标系 中的位姿之前， 还包括： 获取医生在关节的三维模型上规划的手术区域； 相应地， 在三维模 型的虚拟图像中显示关节部位以及手术器械末端， 具体为： 在三维模型的虚拟图像中显示 关节部位、 关节部位的手术区域以及手术器械末端。 0042 医生首先会在三维模型上进行手术区域的规划， 例如拍摄患者关节处CT图像， 进 行三维重建得到三维模型后， 在三维设计辅助软件中医生根据患者关节解剖结构进行手术 规划， 确定切除/磨除的区域。 相应地， 在三维模型的虚拟图像中也进行手术区域的显示， 即 在三维模型的虚拟图像中显示出关节部位、 关节部位中。

30、需手术的区域以及手术器械的末 端， 从而根据显示结果进行可以进行手术的辅助定位。 0043 本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位方法， 通过将关节部位的手术区域在 三维模型的虚拟图像中进行显示， 通过手术区域和手术器械末端的相对位姿， 能够直观的 判断手术器械的末端是否在手术区域内， 从而实现准确的辅助定位。 0044 基于上述实施例的内容， 作为一种可选实施例， 根据手术区域和手术器械末端的 相对位姿， 若检测到手术器械末端超出手术区域， 则进行风险规避处理； 风险规避处理包 括， 控制手术器械末端停止运动、 控制手术器械发出震动信号进行反馈以及发出告警声音 进行反馈。 0045 具体地，。

31、 手术区域和手术器械末端在三维模型空间的位姿以及二者在视觉坐标系 中的位姿是已知的。 本发明实施例中， 可通过对手术区域和手术器械末端的相对位姿进行 实时检测， 根据碰撞检测或其它相关算法， 一旦检测到手术器械末端超出手术区域， 则进行 风险规避。 例如包括， 手术器械末端停止运动从而中止手术进行， 控制系统可发送指令控制 手术器械主轴立即停止转动。 0046 作为一个优选实施例， 上述模式可能会造成手术器械反复启停， 影响手术效率， 延 长手术时间。 也可以采用另一种模式： 医生手持手术器械进行磨削操作， 磨头有主轴带动以 恒定速度转动。 手术器械内部还装有震动马达， 当超出指定手术区域时，。

32、 控制系统发送信号 控制震动马达发出一定模式的震动， 提醒医生。 另一方面， 可通过发出特定的告警声音进行 反馈， 如显示器或其它扬声设备发出提示音。 震动反馈和声音反馈可根据需求进行选择， 或 同时使用。 通过给与医生触觉和听觉上的反馈， 使得人机交互更加自然高效。 0047 本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位方法， 根据手术区域和手术器械末端 的相对位姿， 若检测到手术器械末端超出手术区域， 则进行风险规避处理， 从而进一步提高 说明书 5/9 页 8 CN 110037768 A 8 辅助定位的准确性、 安全性。 0048 图2为本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位装置结构图， 如。

33、图2所示， 该关 节置换手术辅助定位装置包括： 第一获取模块201、 第二获取模块202、 处理模块203以及输 出模块204。 其中， 第一获取模块201用于获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空 间坐标系的映射关系； 第二获取模块202用于获取关节部位在视觉空间坐标系中的位姿， 并 获取手术器械末端在视觉空间坐标系中的位姿； 处理模块203用于根据映射关系， 将手术器 械末端以及关节部位在视觉空间坐标系中的位姿转换到三维模型坐标系中； 输出模块204， 用于在三维模型坐标系的虚拟图像中显示关节部位以及手术器械末端， 以供根据虚拟图像 的显示结果进行手术辅助定位。 0049 具体地， 在。

34、手术的准备阶段， 第一获取模块201可通过连接视觉导航仪(具备3D摄 像头的导航仪器， 以下以此为例进行说明)， 或第一获取模块本身集成3D摄像头模块， 能够 在其视觉空间中捕获一些关键点的坐标。 首先， 第一获取模块201获取关节部位在定位装置 的视觉空间中的坐标与关节部位在上述三维模型坐标系之间的映射关系(可由44的齐次 变换矩阵表达)， 从而使得定位装置捕获到的相关部位能够映射到三维模型空间上， 便于后 续步骤中医生在三维模型的坐标系空间上观测到手术器械以及实施手术的部位。 0050 在手术准备实施阶段或者手术实施过程中， 第二获取模块202通过视觉导航仪开 始捕获关节部位在视觉空间坐标。

35、系中的位置姿态(简称位姿)， 同时也捕获手术器械末端在 视觉空间坐标系中的位姿。 手术器械末端是实施手术的关键部位， 如关节置换手术中用到 的钻磨刀或者磨头， 位于手术器械的末端。 0051 根据第一获取模块201获得的两个空间坐标系之间的映射关系， 处理模块203把第 二获取模块通过视觉导航仪捕获的关节部位在视觉空间坐标系中的位姿， 以及捕获手术器 械末端在视觉空间坐标系中的位姿， 分别转换到三维模型的坐标系中。 0052 关节部位能够通过三维模型坐标系显示在人机界面上， 例如三维模型为上述根据 CT扫描图像构建的三维虚拟图像。 处理模块203将关节部位和手术器械的末端的坐标经转 换到三维模。

36、型坐标系后， 输出模块204在三维模型坐标系对应的虚拟图像中重构出关节部 位和手术器械末端的相对位置关系， 并输出到人机界面进行显示。 在实施手术的过程中， 根 据人机界面中显示的关节部位和手术器械末端的相对位置关系， 可以进行手术的辅助定 位。 0053 本发明实施例提供的装置实施例是为了实现上述各方法实施例的， 具体流程和详 细内容请参照上述方法实施例， 此处不再赘述。 0054 本发明实施例提供的关节置换手术辅助定位装置， 通过第二获取模块获取关节部 位在视觉空间坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在视觉空间坐标系中的位姿， 结合第 一获取模块获取的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标。

37、系的映射关系， 通过处理模 块处理后， 输出模块在三维模型坐标系的虚拟图像中显示关节部位以及手术器械末端， 使 得医生在手术操作中能够直观的观测到关节部位和手术器械末端的相对位置关系， 从而截 骨准确率高， 能够降低操作风险， 进而使得假体安装位置的精确性和匹配度提高。 0055 图3为本发明实施例提供的关节置换手术辅助系统结构示意图， 如图3所示， 该关 节置换手术辅助系统包括： 显示屏301、 手术器械302、 视觉导航仪303和计算机， 该计算机中 包括上述实施例的关节置换手术辅助定位装置。 其中， 显示屏301与计算机连接， 计算机与 说明书 6/9 页 9 CN 110037768 。

38、A 9 视觉导航仪303连接， 手术器械302位于所述视觉导航仪303的视觉空间中。 关节置换手术辅 助定位装置为通过计算机实现的虚拟装置。 计算机与视觉导航仪303连接， 以使得关节置换 手术辅助定位装置的第一获取模块和第二获取模块通过视觉导航仪303执行上述各方法实 施例的相关步骤。 计算机与显示屏301相连， 以使得输出模块通过显示屏301进行上述步骤 中的显示。 手术器械302位于视觉导航仪303的视觉空间中， 即视觉导航仪303能够获取手术 器械302的空间位置所对应的坐标。 0056 作为可选实施例， 关节的附近固定有第一视觉参考架305， 手术器械302上固定有 第二视觉参考架3。

39、05。 0057 基于上述实施例的内容， 作为一种可选实施例， 手术器械302连接供水管道， 手术 器械302的末端设有可供喷水的腔道。 该供水管道， 用于将冷却液输入所述手术器械302的 喷水腔道， 通过冷却液对手术部位进行冷却。 为了防止高速磨削产生的高温伤害骨组织， 手 术器械可制作成喷水冷却与磨削操作一体的设备。 手术器械302末端装有磨头， 磨头主轴通 过主马达带动进行高速旋转， 主轴与外壳之间形成一个管状腔道， 手术器械末端可连接水 缆， 通过外部液压泵将冷却液注入手术器械的喷水腔道。 在磨头高速旋转时可同步控制冷 却液的喷射， 以降低磨削操作时骨表面的温度。 0058 本发明实施。

40、例提供的通过关节置换手术辅助系统， 通过术器械连接有供水管道， 手术器械末端设有喷水腔道， 能够在手术过程中进行手术部位的降温， 避免高速磨削产生 的高温伤害骨组织。 0059 基于上述实施例的内容， 作为一种可选实施例， 手术器械302内部设有震动马达； 该震动马达用于根据虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位过程中， 手术器械302的末端 触碰到骨组织时， 通过震动向医生进行反馈， 震动强度与骨组织的密度相对应。 在磨头触碰 到不同密度的骨组织时， 手术器械302中的震动马达反馈至医生手部的力大小不一样， 从而 医生可根据反馈力度快速做出操作上的调整。 通过震动向医生进行反馈， 震动强度与骨组。

41、 织的密度相对应， 有利于医生根据骨组织的密度控制力度， 从而进一步提高手术定位的准 确性。 0060 基于上述实施例的内容， 作为一种可选实施例， 所述手术器械302内部设有震动马 达； 该震动马达用于根据虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位过程中， 手术器械302末端 超出手术区域时， 通过震动向医生进行反馈。 0061 根据虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位过程中， 医生手持手术器械302进行 磨削操作， 磨头有主轴带动以恒定速度转动。 手术器械302内部还装有震动马达， 当超出指 定手术区域时， 控制系统发送信号， 控制震动马达发出一定模式的震动(同时显示器或其它 扬声设备发出提示音)，。

42、 提醒医生。 这一方法给与医生触觉和听觉上的反馈， 使得人机交互 更加自然高效。 手术器械末端超出手术区域时， 通过震动向医生进行反馈， 能够进一步提高 手术定位的精度。 0062 本发明实施例提供的系统实施例通过辅助定位装置实现上述各方法实施例， 具体 流程和详细内容请参照上述方法实施例， 此处不再赘述。 0063 该关节置换手术辅助系统， 通过医生在手术操作中通过显示器能够直观的观测到 关节部位和手术器械末端的相对位置关系， 从而截骨准确率高， 能够降低操作风险， 进而使 得假体安装位置的精确性和匹配度提高。 说明书 7/9 页 10 CN 110037768 A 10 0064 图4为本。

43、发明实施例提供的一种电子设备的实体结构示意图， 如图4所示， 该服务 器可以包括： 处理器(processor)401、 通信接口(Communications Interface)402、 存储器 (memory)403和总线404， 其中， 处理器401， 通信接口402， 存储器403通过总线404完成相互 间的通信。 通信接口402可以用于电子设备的信息传输。 处理器401可以调用存储器403中的 逻辑指令， 以执行包括如下的方法： 获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐 标系的映射关系； 获取关节部位在视觉空间坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在视觉 空间坐标系中的位姿； 。

44、根据映射关系， 将手术器械末端以及关节部位在视觉空间坐标系中 的位姿转换到三维模型坐标系中； 在三维模型坐标系的虚拟图像中显示关节部位以及手术 器械末端， 以供根据虚拟图像的显示结果进行手术辅助定位。 0065 此外， 上述的存储器403中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为 独立的产品销售或使用时， 可以存储在一个计算机可读取存储介质中。 基于这样的理解， 本 发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以 软件产品的形式体现出来， 该计算机软件产品存储在一个存储介质中， 包括若干指令用以 使得一台计算机设备(可以是个人计算机， 服务器， 或者网络设备。

45、等)执行本发明上述各方 法实施例的全部或部分步骤。 而前述的存储介质包括： U盘、 移动硬盘、 只读存储器(ROM， Read-Only Memory)、 随机存取存储器(RAM， Random Access Memory)、 磁碟或者光盘等各种 可以存储程序代码的介质。 0066 本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质， 该非暂态计算机可读存储介 质存储计算机指令， 该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供的服务项目监控方法， 例如包括： 获取关节的三维模型坐标系与定位装置的视觉空间坐标系的映射关系； 获取关 节部位在视觉空间坐标系中的位姿， 并获取手术器械末端在视觉空间坐标系中的位姿。

46、； 根 据映射关系， 将手术器械末端以及关节部位在视觉空间坐标系中的位姿转换到三维模型坐 标系中； 在三维模型坐标系的虚拟图像中显示关节部位以及手术器械末端， 以供根据虚拟 图像的显示结果进行手术辅助定位。 0067 以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的， 其中作为分离部件说明的单元可以是 或者也可以不是物理上分开的， 作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元， 即 可以位于一个地方， 或者也可以分布到多个网络单元上。 可以根据实际的需要选择其中的 部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。 本领域普通技术人员在不付出创造性的劳 动的情况下， 即可以理解并实施。 0068 通过以上的实施。

47、方式的描述， 本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可 借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现， 当然也可以通过硬件。 基于这样的理解， 上 述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来， 该 计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中， 如ROM/RAM、 磁碟、 光盘等， 包括若干指 令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机， 服务器， 或者网络设备等)执行各个实施 例或者实施例的某些部分的方法。 0069 最后应说明的是： 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案， 而非对其限制； 尽管 参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 本领域的普通技术人员应当理解： 其依然可 以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等同替换； 而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和 说明书 8/9 页 11 CN 110037768 A 11 范围。 说明书 9/9 页 12 CN 110037768 A 12 图1 图2 说明书附图 1/2 页 13 CN 110037768 A 13 图3 图4 说明书附图 2/2 页 14 CN 110037768 A 14 。