通信接口 160与手术设计模块130和存储器电路140耦合，通信接口 160可以被 配置为生成示出通用正常骨模型、配准的通用模型、异常骨表示和手术设计中的一个或更 多个的表示。通信接口 160可以包括显示设备，所述显示设备被配置为用音频、视频或其他 多媒体格式呈现信息，以在创建和评估手术设计的过程期间辅助外科医生。呈现格式的示 例包括声音、对话框、文本、或者2D或3D图形。呈现还可以包括可视动画，例如通用正常骨 模型、异常骨表示、配准的通用模型和手术设计等的实时3D表示。在特定示例中，可视动画 是编码有颜色的，以进一步辅助外科医生观察根据手术设计需要改变的异常骨上的一个或 更多个区域。在各示例中，通信接口 160还可以包括用户输入设备，所述用户输入设备被配 置为接收用户输入，以接受或修改手术设计模块130所生成的手术设计。
[0054] 通信接口 160可以通过内部总线与系统100内的其他模块通信。在一些示例中，通 信接口 160可以被配置为与一个或更多个外部设备（包括例如跟踪设备、定位设备、手术导 航系统或医疗机器人系统）通信。通信接口 160可以包括有线接口（例如与通信接口 160 上的通信端口耦合的电缆）和无线连接（例如以外网、IEEE802. 11无线或蓝牙等）二者。
[0055] 图2是示出配准模块131的示例的框图。配准模块131可以包括分割模块210、模 型变换模块220、匹配模块230和对齐模块240。如图1中所示，配准模块131能够以通用 正常骨模型和异常骨表示作为输入，并生成配准的通用模型和在配准的通用模型与异常骨 表示之间的对齐。
[0056] 分割模块210可以被配置为将通用正常骨模型分割为多个分段。例如，当通用正 常骨模型由医学图像或点云构成时，分割模块210能够将图像或点云划分为表示各解剖结 构的分段。在一些示例中，分割模块210可以被配置为向每个分段分配标签，使得具有相同 标签的分段共享指定的特征（如形状、解剖结构或强度等）。分割模块210还可以将异常骨 表示分割为多个分段。例如，分割模块可以区分异常骨表示上的正常部分与病态部分，并从 异常骨表示的分段中识别无解剖异常的配准区域。在一些实施例中，分割模块210可以是 可选的。例如，当通用正常骨模型和异常骨表示二者被系统100接收时都是具有根据相应 解剖结构分配的标签的分段图像时，配准模块131中可以不包括分割模块210。
[0057] 模型变换模块220可以变换通用正常骨模型，以例如使用在异常骨上的无解剖异 常的区域与通用正常骨模型的相应分段之间的比较来创建配准的通用模型。该变换可以 包括例如缩放、旋转、平移、扩张、膨胀或其他仿射变换之类的线性或非线性操作。变换可 以包括保留距离的刚性变换（例如平移、旋转和反射）或非刚性变换（例如拉伸、收缩或 基于模型的变换（例如径向基函数、样条或有限元模型））。在一些实施例中，模型变换模 块220既可以采用使得通用正常模型与异常骨表示的大小和取向整体上对齐的刚性变换， 还可以采用通过对齐通用正常骨模型与异常骨表示来减小局部几何偏差的非刚性变换。在 一些实施例中，模型变换模块220可以确定所需变换?，所需变换?使所识别出的异常骨 表示Sabn_al(x，y，z)上的无异常分段与变换?后的通用正常骨模型y，z)的相 应分段之间的差异最小。也就是说，选择所需变换?_使得欧式距离II? y， z))-Sabn_al(x，y，z) | |最小。然后模型变换模块220可以向通用正常骨模型应用所需变换 ，以创建配准的通用模型?wtU。
[0058] 匹配模块230可以将配准的通用模型与异常骨表示进行匹配。在一个实施例中， 匹配模块230能够响应于识别出异常骨的配准区域，将配准的通用模型的一个或更多个分 段与异常骨的相应配准区域进行匹配。对齐模块240可以被配置为至少部分基于该匹配来 将配准的通用模型的剩余分段与异常骨表示的剩余分段对齐。
[0059] 图3示出了手术设计形成模块132的实施例。手术设计形成模块132被配置为识 别异常骨的一个或更多个异常区域，并生成用于改变所识别出的异常区域的手术设计。手 术设计形成模块132包括特征提取模块310、异常检测模块320和改变决定模块330。
[0060] 特征提取模块310被配置为从配准的通用模型中提取多个模型特征，以及从异常 骨表示中提取多个异常骨特征。在一个示例中，提取的特征的类型可以包括一个或更多个 几何参数（例如位置、取向、曲率、轮廓、形状、面积、体积或其他体积参数）。在另一示例中， 提取的特征可以包括一个或更多个基于强度的特征。可以在空间域、频率域或空间-频率 域内提取这些特征。在各实施例中，特征可以包括根据几何参数或基于强度的参数导出的 统计测量（例如均值、中位数、模、方差、协方差和其他二阶或更高阶的统计数据）。
[0061] 异常检测模块320被配置为使用在模型特征与异常骨特征之间的比较来识别异 常骨的一个或更多个异常区域。该比较可以针对来自配准的通用模型和来自异常骨表示的 全部分段或所选分段来执行。在一个实施例中，仅在配准模块131将配准的通用模块的分 段与异常骨的配准区域匹配之后才可以执行该比较。
[0062] 如果在分段的异常骨特征Rabn_al (k)与配准的通用模型上的相应分段的模型特征 OCm(k))之间的相似性度量满足指定准则，则异常检测模块320可以检测出来自异常骨 的分段的异常区域。例如，如果Rabn_al(k)之间的体积差异超过了指定阈值，则 可以检测出异常区域。在各示例中，异常检测模块320可以根据特征的类型采用不同的相 似性度量。异常检测模块320还可以根据异常骨表示和通用正常骨模型的数据格式（例如 成像方式或图像类型）来选择相似性度量。例如，如果来自310的提取的特征是几何特征， 则异常检测模块320可以计算模型特征与异常骨特征之间的平方距离的总和，其中可以将 距离计算为赋范向量空间中的L1范数、L2范数（欧式距离）、无穷范数或其他范数之一。 在另一示例中，如果提取的特征是基于强度的特征，则异常检测模块320可以使用例如相 关系数、交互信息或图像比率一致性之类的度量之一来计算模型特征与异常骨特征之间的 相似性。
[0063] 改变决定模块330可以被配置为：针对检测到的异常区域，从异常骨的分段的 体积参数（Xabn_al(k))中减去配准的通用模型的分段的体积参数（X^wGO)。体积参数 Xmodel(k)和Xabnormai(k)各自表示相应骨表示的形状或体积。可以将所述一个或更多个异 常区域中的每一个异常区域中的减去后的体积参数确定为改变部分。在一些实施例中， 可以在模型特征匕^⑵和异常骨特征Rabn_al(k)之间执行该减法。例如，Uk)和 Rabn_al(k)二者可以不表示相应骨表示的形状或体积的直接度量；相反，Uk)可以是经 由体积参数XMdel(k)的映射〇间接表示体积（即RMdel(k) = 〇 (Xm^GO)的模型特征，而 异常骨特征Rabn_ai(k)经由体积参数XabnOTnal(k)的映射间接地表示体积（即Rabn_al(k)= ①（Xabn_al(k)))。作为手术设计的一部分，可以通过向相应特征应用逆映射①穴即①i(R abnormal(k))-〇 (Rmodel(k)))来确定体积差异。
[0064] 在一个示例中，改变决定模块330可以包括用于执行对异常骨（例如病变股骨、病 变髋白或身体中的其他病变骨）的第一模拟的指令，和用于执行对手术改变后的异常骨的 第二模拟（例如移除了识别出的多余骨组织的术后异常骨的模拟模型）的指令。第一和第 二模拟之一或二者可以分别包括用于评估一个或更多个生物力学参数的生物学模拟，所述 参数包括例如相应骨的运动范围。改变决定模块330可以使用第一模拟和第二模拟之间的 比较来确定异常骨的一个或更多个异常区域。在一些示例中，改变决定模块330可以包括 用于通过从异常骨逐渐地移除识别出的多余骨组织（例如服从预先指定的过程）来逐步地 改变异常骨的一个或更多个异常区域的指令。
[0065] 图4A-E示出了使用通用正常股骨模型检测到的病态股骨的畸形的示例。图4A-B 示出了具有使用3D通用正常股骨近端模型420 (如图4B中所示）检测到的畸形区域的三 维（3D)病态股骨近端图像410 (如图4A中所示）的示例，通用正常股骨近端模型420可以 使用本文档中所讨论的系统100或它的各实施例来生成并呈现。可以根据对来自一组主体 的具有可比的解剖起端的正常股骨近端的多个CT扫描构建的统计形状数据来导出通用正 常股骨近端模型420。病态股骨近端图像410表示从具有股骨髋臼撞击（FAI)的患者取得 的股骨近端的CT扫描。可以将正常股骨近端统计形状（SS)模型420配准到病态撞击的股 骨近端图像410。可以对SS模型420和撞击的股骨近端图像410进行划分并加标签。撞击 的股骨近端图像410的无异常的分段（例如股骨头411)可以被识别并与SS模型420的相 应股骨头421匹配。然后将撞击的股骨近端图像410的剩余分段与SS模型420的相应剩 余分段对齐。来自SS模型420的分段与撞击的股骨近端图像410的分段的比较揭示了撞 击的股骨近端图像410的股骨颈412上的畸形区域。可以将检测到的畸形区域412上的多 余骨定义为在检测到的畸形区域412与SS模型420上的对应股骨颈分段422之间的体积 差异。该体积差异，作为手术设计的一部分，限定了需要手术移除的病态股骨410上的形状 和体积。
[0066] 图4C-E示出了具有使用2D通用正常股骨模型440 (如图4D中所示）检测到的畸 形区域的二维（2D)病态股骨表示430 (如图4C中所示）的示例。可以使用本文档中所讨论 的系统100或它的各实施例来生成并呈现通用正常股骨模型440。通用正常股骨模型440 可以是根据具有可比的解剖起端的正常股骨的多个图像构建的统计模型、几何模型或参数 模型。在通用正常股骨模型440与病态股骨表示430配准之后，可以生成配准的股骨模块 450 (如图4E中所示）。通过将配准的股骨模块450与病态股骨表示430进行匹配，可以识 别出无异常区域451 (其可以包括一个或更多个无异常分段）。通过将配准的股骨模块450 的剩余分段与病态股骨表示430的相应分段对齐，可以检测畸形区域452。如图4E中所示， 畸形区域452限定了可以手术移除的病态股骨表示430上的多余骨组织的形状。图4C-E 中所示的2D示例主要是为了说明分割以及将通用模型与病态模型进行匹配的概念而提供 的。通过2D示例说明的分割和相关的方法直接适用于以上参照图4A-B讨论的3D模型。
[0067] 图5是示出用于设计在对异常骨的手术的方法的示例的流程图。在一个实施例 中，系统100,包括本文中讨论的它的各个实施例，被编程为执行方法500,所述方法500包 括本文中所讨论的它的各个实