可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统的制作方法

本发明涉及机器人辅助手术系统领域，特别涉及一种可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统。

背景技术：

近年来，手术导航系统越来越多地被运用到外科手术当中，特别是骨科手术中。例如mako骨科手术导航系统、robodoc骨科手术导航系统等，均是利用机械臂以及红外光学导航设备的结合，根据医生的术前规划，结合术中的注册配准技术，使用机器人辅助医生完成手术操作。这其中，骨注册配准技术，是获得导航系统虚拟骨模型与实际骨头的坐标转换关系，但是目前通用的注册工具以及方法存在着以下的问题：

1)流程繁琐，增加额外手术时间，目前通用的骨注册方法为：使用带有靶标跟踪球的探针，对骨头采用单点采集，单点采集速度慢，同时由于采集的样本量有限，加之人为采集点的误操作，容易导致配准失败，增加手术整体时间。

2)由于骨头表面存在一层软组织，通用的骨注册需要使用尖头探针刺破软组织，刺破软组织的力度以及深度人为很难把握，采集点不够精确，采集点误差大，从而造成配准误差大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统，以解决现有骨注册配准所存在的问题。

为解决上述技术问题，根据本发明的第一个方面，提供了一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现：

获取预定对象的骨表面数据，所述骨表面数据经与一预定对象连接的深度传感器获得；

根据所述骨表面数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；

将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得深度传感器坐标系与导航影像坐标系之间的第一坐标转换关系；

基于所述第一坐标转换关系，利用所述深度传感器所获取的实时骨表面数据反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

可选的，所述第一虚拟模型与所述第二虚拟模型均为骨模型。

可选的，所述可读存储介质上的程序被执行时，根据所述超声图像数据进行三维重建，得到第一虚拟模型的步骤包括：

对所述超声图像数据进行分割处理，获取骨轮廓点云数据；

基于所述骨轮廓点云数据进行三维重建，得到所述第一虚拟模型。

可选的，所述可读存储介质上的程序被执行时，将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准的步骤包括：

根据所述第二虚拟模型，计算得到关节外边界的最小包围盒，并获取所述最小包围盒的中心；

将所述骨轮廓点云数据经粗配准矩阵转换到所述第二虚拟模型的坐标系，并获取转换后的点云中心点；

将所述最小包围盒的中心与所述预定对象的关节中心连接限定第一向量；

将所述点云中心点与所述关节中心连接限定第二向量，所述第二向量与所述第一向量之间的夹角为α，所述第一向量与所述第二向量组成的平面的法向量为ε，将所述骨轮廓点云数据围绕ε轴旋转α角，使所述第一向量与所述第二向量在轴线ε’上重合；以及

将围绕ε向量旋转α角后的骨轮廓点云数据围绕轴线ε’转动β角度。

可选的，所述可读存储介质上的程序被执行时，将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准的步骤还包括：

计算围绕轴线ε’转动β角度后的骨轮廓点云数据与围绕ε向量旋转α角前的骨轮廓点云数据之间的均方根，若所述均方根大于预设的第一阈值，则重复将所述骨轮廓点云数据围绕ε轴旋转α角以及围绕轴线ε’转动β角度的步骤，直至所述均方根不大于所述第一阈值。

可选的，所述可读存储介质上的程序被执行时，在将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准后，还实现：

比较当前时刻的点云配准矩阵与预定间隔时刻下的点云配准矩阵，若当前时刻的点云配准矩阵与预定间隔时刻下的点云配准矩阵之间的旋转和平移大于预设的第二阈值，则触发所述第一虚拟模型与所述第二虚拟模型进行重新配准。

可选的，所述可读存储介质上的程序被执行时，预置的第二虚拟模型根据ct扫描或mri扫描所述预定对象所得的影像建立。

可选的，所述可读存储介质上的程序被执行时，还实现：

基于与所述深度传感器连接的靶标，获得深度传感器坐标系与靶标坐标系之间的第二坐标转换关系；

通过所述第一坐标转换关系与所述第二坐标转换关系的坐标系转换，获得所述靶标坐标系与所述导航影像坐标系的第三坐标转换关系；

基于所述第三坐标转换关系，利用所述靶标的实时坐标反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

可选的，利用所述实时骨表面数据反馈得到的所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标，与利用所述靶标的实时坐标反馈得到的所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标互为校验，当其中一者发生异常，则产生报警信息。

为解决上述技术问题，根据本发明的第二个方面，还提供了一种骨建模配准系统，其包括：处理器以及固定检测装置；所述固定检测装置具有内尺寸可调节的环状部及深度传感器，所述环状部用于围绕一预定对象布置；所述深度传感器与所述环状部连接；

所述处理器与所述固定检测装置通信连接；所述处理器被配置为，获取经所述深度传感器所得到的预定对象的骨表面数据；根据所述骨表面数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得深度传感器坐标系与导航影像坐标系之间的第一坐标转换关系；基于所述第一坐标转换关系，利用所述深度传感器所获取的实时骨表面数据反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

可选的，所述骨建模配准系统还包括：导航装置及靶标；所述靶标与所述环状部连接，所述导航装置与所述处理器通信连接，所述导航装置与所述靶标相适配，用以获取所述靶标的实时坐标反馈，并将所述实时坐标反馈传输至所述处理器；

所述处理器还被配置为，获得所述深度传感器坐标系与靶标坐标系之间的第二坐标转换关系；通过所述第一坐标转换关系与所述第二坐标转换关系的坐标系转换，获得所述靶标坐标系与所述导航影像坐标系的第三坐标转换关系；基于所述第三坐标转换关系，利用所述靶标的实时坐标反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

可选的，所述骨建模配准系统还包括：报警装置；所述报警装置被配置为，在所述深度传感器无法获取实时骨表面数据反馈，或者所述导航装置无法获取所述靶标的实时坐标反馈时，发出报警信息。

为解决上述技术问题，根据本发明的第三个方面，还提供了一种骨科手术系统，其包括如上所述的骨建模配准系统。

综上所述，在本发明提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统中，所述可读存储介质上存储有程序，所述程序被执行时实现：获取预定对象的骨表面数据，所述骨表面数据经与一预定对象连接的深度传感器获得；根据所述骨表面数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得深度传感器坐标系与导航影像坐标系之间的第一坐标转换关系；基于所述第一坐标转换关系，利用所述深度传感器所获取的实时骨表面数据反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

如此配置，利用深度传感器获取骨表面数据，重建得到第一虚拟模型，基于第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型的配准及各坐标系之间的转换，利用深度传感器所获取的实时骨表面数据反馈，即可得到预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。即实现了术前影像模型与术中实际骨模型的配准。整个配准过程中无需钻孔，无额外创伤，降低感染的可能。此外，骨建模配准系统的设置简单，简化了手术中配准注册工具的安装，简化了配准流程，降低了手术的复杂度，缩减了手术时间。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明涉及的骨科手术系统的手术场景示意图；

图2是本发明涉及的骨科手术系统的骨科手术过程的流程图；

图3是本发明实施例一的固定检测装置的示意图；

图4是本发明实施例一的固定检测装置安装使用的示意图；

图5是本发明实施例一的环状部调节的示意图；

图6是本发明实施例一的环状部拆卸的示意图；

图7是本发明实施例一的坐标转换示意图；

图8a是本发明实施例一的第一步配准的示意图；

图8b是本发明实施例一的第二步配准的示意图；

图9是本发明实施例一的配准算法的流程图；

图10是本发明实施例一的配准后误差实时校准的示意图；

图11是本发明实施例二的固定检测装置的示意图；

图12是本发明实施例三的固定检测装置的示意图；

图13是本发明实施例三的固定检测装置安装使用的示意图；

图14是本发明实施例三的坐标转换示意图；

图15是本发明实施例四的固定检测装置的示意图；

图16是本发明实施例四的固定检测装置安装使用的示意图；

图17是本发明实施例四的坐标转换示意图。

附图中：

1-手术台车；2-机械臂；3-工具靶标；4-截骨导向工具；5-手术工具；6-跟踪仪；7-辅助显示器；8-主显示器；9-导航台车；10-键盘；11-股骨靶标；12-股骨；13-胫骨靶标；14-胫骨；15-基座靶标；17-患者；18-操作者；

21-超声探头阵列坐标系；22-靶标坐标系；23-导航装置坐标系；24-导航影像坐标系；25-深度传感器坐标系；

100-固定检测装置；110-环状部；120-超声探头阵列；130-靶标；140-惯性组件；150-深度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，术语“近端”通常是靠近操作者的一端，术语“远端”通常是靠近被操作对象的一端，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。此外，如在本发明中所使用的，一元件设置于另一元件，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的核心思想在于提供一种可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统，以解决现有骨注册配准所存在的一个或者多个问题。

请参考图1和图2，其中，图1是本发明涉及的骨科手术系统的手术场景示意图；图2是本发明涉及的骨科手术系统的骨科手术过程的流程图。

图1示出了一个示范性的实施例中，利用所述骨科手术系统进行膝关节置换的应用场景，然而，本发明的骨科手术系统对应用环境没有特别的限制，也可应用于其他的骨科手术。以下描述中，以用于膝关节置换为示例对骨科手术系统进行说明，但不应以此作为对本发明的限定。

如图1所示，所述骨科手术系统包括控制装置、导航装置、机械臂2以及截骨导向工具4。机械臂2设置在手术台车1上，所述控制装置在一些实施例中为一台计算机，但本发明对此不作限制，该计算机配置了处理器、主显示器8和键盘10，更优选还包括辅助显示器7。所述辅助显示器7和主显示器8所显示的内容可以是一致的，也可以不同。所述导航装置可以是电磁定位导航装置、光学定位导航装置或者电磁定位导航装置。优选的，所述导航装置为光学定位导航装置，相比于其他的导航方式，测量精度高，可有效提高截骨导向工具4的定位精度。以下描述中，以光学定位导航装置作为示例进行说明，但不以此为限。

所述导航装置具体包括导航标志物和跟踪仪6，所述导航标志物包括基座靶标15和工具靶标3，基座靶标15固定不动，例如基座靶标15被固定在手术台车1上而用于提供一个基坐标系(或称基座靶标坐标系)，而工具靶标3安装在截骨导向工具4上而用于跟踪截骨导向工具4的位置。所述截骨导向工具4安装在机械臂2的末端，从而通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，并调整截骨导向工具4的空间位置和姿态。

实际中，利用跟踪仪6来捕捉工具靶标3反射的信号(优选光学信号)并记录工具靶标3的位置(即工具靶标3在基座标系下的位置和姿态)，再由控制装置的存储器内存储的计算机程序根据工具靶标3的当前位置和期望位置，控制机械臂2运动，机械臂2驱动截骨导向工具4和工具靶标3运动，并使工具靶标3到达期望位置，工具靶标3的期望位置对应于截骨导向工具4的期望位置。

因此，对于骨科手术系统的应用，可实现截骨导向工具4的自动定位，且手术过程中由工具靶标3跟踪并反馈截骨导向工具4的实时位姿，并通过控制机械臂的运动实现截骨导向工具4的位置和姿态的调整，不仅截骨导向工具4的定位精度高，而且通过机械臂2来支撑截骨导向工具4，而无需将导向工具固定在人体上，可避免对人体产生二次伤害。

一般的，所述骨科手术系统还包括手术台车1和导航台车9。所述控制装置和一部分所述导航装置安装在导航台车9上，例如所述处理器安装在导航台车9的内部，所述键盘10放置在导航台车9的外部进行操作，所述主显示器8、辅助显示器7和跟踪仪6均安装在一个支架上，所述支架竖直固定在导航台车9上，而所述机械臂2安装在手术台车1上。手术台车1和导航台车9的使用，使整个手术操作更为方便。

请参考图2，在执行膝关节置换手术时，本实施例的骨科手术系统的使用过程大致包括以下操作：

步骤sk1：将手术台车1及导航台车9移动至病床旁边合适的位置；

步骤sk2：安装导航标志物(导航标志物还包括股骨靶标11、胫骨靶标13)、截骨导向工具4以及其他相关部件(如无菌袋)；

步骤sk3：术前规划；具体的，操作者18将患者17的骨头ct/mri扫描模型导入所述计算机进行术前规划，得到截骨方案，该截骨方案例如包括截骨平面坐标、假体的型号以及假体的安装方位等信息；具体地，根据ct/mri扫描得到的患者膝关节影像数据，创建三维膝关节虚拟模型，进而根据三维膝关节虚拟模型创建截骨方案，以便手术操作者根据截骨方案进行术前评估，更具体地，基于三维膝关节虚拟模型，并结合得到的假体的尺寸规格以及截骨板的安装位置等确定截骨方案，所述截骨方案最终以手术报告形式输出，其记录有截骨平面坐标、截骨量、截骨角度、假体规格、假体的安装位置、手术辅助工具等一系列参考数据，特别还包括一系列理论说明，如选取该截骨角度的原因说明等，以为手术操作者提供参考；其中，三维膝关节虚拟模型可通过主显示器8进行显示，且操作者可通过键盘10输入手术参数，以便进行术前规划；

步骤sk4：骨实时配准；术前评估后，需要实时获取骨头特征点位置，然后处理器才可以通过特征匹配算法得到股骨12及胫骨14的实际方位，并与股骨12及胫骨14的图像方位相对应，随后导航装置将股骨12、胫骨14的实际方位与安装在股骨12及胫骨14上的相应靶标相联系，从而使股骨靶标11和胫骨靶标13可以实时跟踪骨头的实际位置。通过导航装置将股骨12及胫骨14的实际方位与安装在股骨12及胫骨14上的相应靶标相联系，使得股骨靶标11和胫骨靶标13可以实时跟踪骨头的实际位置，且手术过程中，只要靶标与骨头间的相对位置固定，骨头移动不会影响手术效果；

步骤sk5：驱动机械臂运动到位，执行操作；进而通过导航装置将术前规划的截骨平面坐标发送给机械臂2，所述机械臂2通过工具靶标3定位截骨平面并运动到预定位置后，使机械臂2进入保持状态(即不动)，此后，操作者即可使用摆锯或电钻等手术工具5通过截骨导向工具4进行截骨和/或钻孔操作。完成截骨及钻孔操作后，操作者即可安装假体及进行其他手术操作。

传统手术及没有机械臂参与定位的导航手术系统，需要手动调整截骨导向定位工具，精度差，调整效率低，而使用机械臂定位导向工具，操作者不需要使用额外的骨钉将导向工具固定在骨头上，减少病人的创伤面，并缩减手术时间。

本实施例中，所述导航标志物还包括股骨靶标11和胫骨靶标13。其中股骨靶标11用于定位股骨12的空间位置和姿态，胫骨靶标13用于定位胫骨14的空间位置和姿态。如前所说的，所述工具靶标3安装在截骨导向工具4上，但在其他实施例中，所述工具靶标3也可以安装在机械臂2的末端关节上。

基于上述骨科手术系统，可实现机器人辅助手术，帮助操作者定位需截骨的位置，以便于操作者实施截骨。然而，在术前评估后，需要将骨虚拟模型与实际骨头的位置进行配准，股骨靶标11和胫骨靶标13才可以实现实时跟踪骨头的功能。为此，本发明提供了一种骨建模配准系统，其包括：处理器、导航装置以及固定检测装置100；这里的处理器可以为设置在手术台车1上的计算机内的共用的处理器，也可以是独立设置的处理器；同样的，导航装置可以利用前述骨科手术系统中的跟踪仪6，也可以独立设置。所述骨科手术系统包括如上所述的骨建模配准系统，即可利用该骨建模配准系统在术前或术中对骨位置进行配准。下面通过若干实施例，结合附图，对本发明提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统进行详细的说明。

【实施例一】

请参考图3至图10，其中，图3是本发明实施例一的固定检测装置的示意图；图4是本发明实施例一的固定检测装置安装使用的示意图；图5是本发明实施例一的环状部调节的示意图；图6是本发明实施例一的环状部拆卸的示意图；图7是本发明实施例一的坐标转换示意图；图8a是本发明实施例一的第一步配准的示意图；图8b是本发明实施例一的第二步配准的示意图；图9是本发明实施例一的配准算法的流程图；图10是本发明实施例一的配准后误差实时校准的示意图。

图3和图4示出了本发明实施例一提供的固定检测装置100，所述固定检测装置100具有内尺寸可调节的环状部110、超声探头阵列120及靶标130，所述超声探头阵列120沿所述环状部110周向分布，用于围绕一预定对象布置；所述靶标130与所述环状部110连接；所述导航装置与所述靶标130相适配(如跟踪仪6与相适配的光学靶标)，用以获取所述靶标130的实时坐标反馈，并将所述实时坐标反馈传输至所述处理器；所述处理器分别与所述导航装置及所述固定检测装置100通信连接；所述处理器被配置为，获取经所述超声探头阵列120所得到的预定对象的超声图像数据；根据所述超声图像数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得超声探头阵列坐标系与导航影像坐标系(即用于导航的ct影像或mri影像的坐标系)之间的第一坐标转换关系；获得所述超声探头阵列坐标系与靶标坐标系之间的第二坐标转换关系；通过所述第一坐标转换关系与所述第二坐标转换关系的坐标系转换，获得所述靶标坐标系与所述导航影像坐标系的第三坐标转换关系；基于所述第三坐标转换关系，利用所述靶标130的实时坐标反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。在一些实施例中，所述第二坐标转换关系可以是固定的，如通过机械设计文件或者通过标定的方式获得。优选的，所述第一虚拟模型与所述第二虚拟模型均为骨模型，第一虚拟模型是根据超声图像数据所建立的待配准的骨头的骨模型，第二虚拟模型是根据该骨头于术前ct/mri扫描所得的影像所建立的骨模型。

由此，本实施例一还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现：

步骤sa1：获取预定对象的超声图像数据，所述超声图像数据经围绕一预定对象的环状布置的超声探头阵列120获得；

步骤sa2：根据所述超声图像数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；

步骤sa3：将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准；

步骤sa4：基于与所述超声探头阵列120连接的靶标130，获得所述超声探头阵列坐标系、靶标坐标系、导航装置坐标系以及导航影像坐标系之间的坐标转换关系；

步骤sa5：基于所述坐标转换关系，利用所述靶标130于导航装置下的实时坐标反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

下面以股骨作为预定对象为例进行说明，环状部110可以围绕股骨绑扎在患者的大腿上，如此，超声探头阵列120即可获取股骨的超声图像数据。请参考图5和图6，优选的，环状部110的内尺寸可调节，且可开合地设置，即在使用中，环状部110可以打开，套设在患者大腿上，然后闭合，调节内尺寸，以适合不同患者的大腿的粗细尺寸。可选的，环状部110可采用钢带等材料。

在步骤sa1中，环状布置的超声探头阵列120可以获取股骨的超声图像数据，进而将获取到的超声图像数据传输至处理器。进一步的，步骤sa2具体包括：

步骤sa21：对所述超声图像数据进行分割处理，获取骨轮廓点云数据；

步骤sa22：基于所述骨轮廓点云数据进行三维重建，得到所述第一虚拟模型，亦即重建后的股骨的虚拟模型。

优选的，在步骤sa3中，预置的第二虚拟模型根据ct扫描或mri扫描所述预定对象所得的影像建立。具体的，可于术前通过ct扫描或mri扫描得到ct扫描影像或mri扫描影像，并传输至处理器，处理器根据ct扫描影像或mri扫描影像建立第二虚拟模型。进一步的，将根据超声图像数据建立的第一虚拟模型与根据术前影像建立的第二虚拟股模型进行配准，即实现了术前影像模型与术中实际骨模型的配准。

请参考图7，步骤sa4的目的是将各坐标系进行统一。具体的，由于超声探头阵列120与靶标130分别与环状部110连接，超声探头阵列120与靶标130之间的相对位置是可以预知的，因此超声探头阵列坐标系21与靶标坐标系22之间的转换关系是可知的，例如可通过配置文件获知。由于导航装置(如跟踪仪6)与靶标130两者是相适配的，跟踪仪6可以实时地获知靶标130的位置信息，因此靶标坐标系22和导航装置坐标系23之间的转换关系可通过跟踪仪6对靶标130的跟踪获知。通过第一虚拟模型与第二虚拟模型进行配准，可以获得超声探头阵列坐标系21与导航影像坐标系24之间的转换关系。进一步的，通过上述各个坐标系之间的转换关系，即可获得靶标坐标系22与导航影像坐标系24之间的转换关系。

步骤sa5中，在完成步骤sa3的配准，以及步骤sa4的坐标系转换后，即可通过靶标130在导航装置坐标系23下的实时位置反馈，对股骨的实际位置进行实时跟踪。

如此配置，利用环状布置的超声探头阵列120获取超声图像数据，重建得到第一虚拟模型，基于第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型的配准及各坐标系之间的转换，利用靶标的实时坐标反馈，即可得到预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。即实现了术前影像模型与术中实际骨模型的配准。整个配准过程中无需钻孔，无额外创伤，降低感染的可能。此外，骨建模配准系统的设置简单，简化了手术中配准注册工具的安装，简化了配准流程，降低了手术的复杂度，缩减了手术时间。

请参考图8a、8b和图9，将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准的步骤包括：

步骤sa31：根据所述第二虚拟模型，计算得到关节外边界的最小包围盒，并获取所述最小包围盒的中心ckj；

步骤sa32：将所述骨轮廓点云数据经粗配准矩阵t0转换到所述第一虚拟模型的坐标系，并获取转换后的点云中心点cb；具体如下公式：

p{ct}＝t0p{r}

其中，p{ct}指的是骨轮廓点云数据中的任意一点，p{r}代表实际重建采集的第一虚拟模型的坐标系(即超声探头阵列坐标系)。

步骤sa33：将所述最小包围盒的中心ckj与所述预定对象的关节中心hct连接限定第一向量q；需要理解的，若预定对象为股骨，则其对应的关节中心为髋关节中心，而若预定对象为胫骨，则其对应的关节中心为踝关节中心。

步骤sa34：将所述点云中心点cb与所述关节中心hct连接限定第二向量s，所述第二向量s与所述第一向量q之间的夹角为α，所述第一向量q与所述第二向量s组成的平面的法向量为ε，将所述骨轮廓点云数据围绕ε向量旋转α角，使所述第一向量q与所述第二向量s在轴线ε’上重合；实现第一步配准(如图8a所示)。

步骤sa35：将所述骨轮廓点云数据围绕轴线ε’转动β角度。在经过步骤sa34的轴线重合后，围绕ε向量旋转α角前后的骨轮廓点云数据之间还存在围绕轴ε’成β角度的偏角，因此还需将围绕ε向量旋转α角后的骨轮廓点云数据围绕轴线ε’转动β角度；实现第二步配准(如图8b所示)。

进一步的，将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准的步骤还包括：

步骤sa36：计算围绕轴线ε’转动β角度后的骨轮廓点云数据与围绕ε向量旋转α角前的骨轮廓点云数据之间的均方根(rms)，若所述均方根大于预设的第一阈值，则重复将所述骨轮廓点云数据围绕ε轴旋转α角以及围绕轴线ε’转动β角度的步骤，直至所述均方根不大于所述第一阈值。具体的，步骤sa34与步骤sa35可以重复多次，直至均方根不大于第一阈值时达到收敛条件，完成配准。具体如下公式：

t′n＝t(hct)r1(εn,αn)t(-hct)tn

tn+1＝t(hct)r2(ε′n,βn)t(-hct)t′n

其中，tn为第n次迭代后的配准矩阵，t′n是第n次迭代的轴向旋转配准矩阵(即步骤sa34所采用的矩阵)，r1为绕ε旋转α角度；tn+1是第n+1迭代的轴向自转的配准矩阵(即步骤sa35所采用的矩阵)；r2为基于上一次轴向旋转之后的围绕ε'轴旋转β角度。

通过上述步骤，即实现了骨轮廓点云数据与第二虚拟模型的配准。

进一步的，在将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准后，所述可读存储介质上的程序被执行时还实现：比较当前时刻的点云配准矩阵与预定间隔时刻下的点云配准矩阵，若当前时刻的点云配准矩阵与预定间隔时刻下的点云配准矩阵之间的旋转和平移大于预设的第二阈值，则触发所述第一虚拟模型与所述第二虚拟模型进行重新配准。请参考图10，在配准后，还可以对误差进行实时校准。在手术执行过程中，超声探头阵列120实时获取的超声图像数据经过分割重建得到点云数据，当前后两个配准矩阵之间的旋转和平移大于预设的第二阈值，则可认为当前靶标130发生了移动，将触发进行重新配准(如重新执行步骤sa31～步骤sa36)，直至旋转和平移在可接受的范围内，即完成误差校准。

【实施例二】

请参考图11，其是本发明实施例二的固定检测装置的示意图。

本发明实施例二提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统与实施例一提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。

如图11所示，实施例二提供的骨建模配准系统中，所述固定检测装置还包括：惯性组件140；所述惯性组件140与所述靶标连接，用于实时获取所述靶标130的位置信息和姿态信息；所述处理器还被配置为，基于所述靶标130于导航装置坐标系23下的初始坐标，以及所述惯性组件140实时获取的靶标130的位置信息和姿态信息，得到所述靶标130的实时坐标反馈。可选的，所述惯性组件140包括陀螺仪和/或加速度传感器；所述陀螺仪用于获取所述靶标130的姿态信息，所述加速度传感器用于获取所述靶标130的位置信息。陀螺仪如可为三轴陀螺仪，加速度传感器如可为三轴加速度传感器。三轴陀螺仪测量的目标是旋转角速度，通过对时间进行积分和累加可以得到靶标130的姿态信息。三轴加速度传感器测量的目标是加速度，通过对加速度进行积分和累加可以得到靶标130的位置信息。

基于本实施例提供二的骨建模配准系统，可读存储介质上的程序被执行时，除了可实现实施例一中的步骤sa1～sa5外，还可进一步实现：

步骤sa6：实时获取所述靶标130的位置信息和姿态信息，所述靶标130的位置信息和姿态信息来自于与所述靶标130连接的惯性组件140；

步骤sa7：基于所述靶标130于导航装置坐标系23下的初始坐标，以及所述惯性组件140实时获取的靶标130的位置信息和姿态信息，得到所述靶标130的实时坐标反馈。

需要说明的，这里步骤sa6和步骤sa7并不限定按顺序在步骤sa5之后执行，而是可以在步骤sa1～步骤sa5在的任一个步骤之前或之后执行。

基于上述骨建模配准系统和可读存储介质，处理器可以获取两套跟踪数据，一套是通过导航装置-靶标130的跟踪系统，另一套为利用惯性组件140的惯性跟踪系统。进一步的，在所述可读存储介质中，利用所述惯性组件140得到的所述靶标130的实时坐标反馈，与导航装置直接获取的所述靶标130的实时坐标反馈互为校验，当其中一者发生异常，则产生报警信息。在一些实施例中，靶标130为光学靶标，当导航装置在跟踪靶标130的位置和姿态时，靶标130发生被遮挡或者无法识别的情况，处理器可通过惯性跟踪系统对靶标130的位置进行修正和补偿，从而可避免由于靶标130丢失跟踪造成的误差。

优选的，所述骨建模配准系统还包括：报警装置(未图示)；所述报警装置被配置为，在所述惯性组件140及所述导航装置中的任一个无法获取所述靶标130的实时坐标反馈时，发出报警信息。报警装置如包括led灯或者蜂鸣器等，当惯性组件140无法提供准确信息时，或者当导航装置无法获取靶标130的实时坐标反馈时，报警装置即发出报警信息，以提示操作者至少一个跟踪系统存在问题。

【实施例三】

请参考图12至图14，其中，图12是本发明实施例三的固定检测装置的示意图；图13是本发明实施例三的固定检测装置安装使用的示意图；图14是本发明实施例三的坐标转换示意图。

本发明实施例三提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统与实施例一提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。

请参考图12和图13，其示出了本实施例三提供的固定检测装置100，所述固定检测装置100具有内尺寸可调节的环状部110及深度传感器150，所述环状部110用于围绕一预定对象布置；所述深度传感器150与所述环状部110连接；所述处理器与所述固定检测装置100通信连接；所述处理器被配置为，获取经所述深度传感器150所得到的预定对象的骨表面数据；根据所述骨表面数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得深度传感器坐标系与导航影像坐标系之间的第一坐标转换关系；基于所述第一坐标转换关系，利用所述深度传感器150所获取的实时骨表面数据反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

由此，本实施例三还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现：

步骤sb1：获取预定对象的骨表面数据，所述骨表面数据经与一预定对象连接的深度传感器获得；

步骤sb2：根据所述骨表面数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；

步骤sb3：将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得深度传感器坐标系与导航影像坐标系之间的第一坐标转换关系；

步骤sb4：基于所述第一坐标转换关系，利用所述深度传感器所获取的实时骨表面数据反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

下面以股骨作为预定对象为例进行说明，环状部110可以围绕股骨绑扎在患者的大腿上，深度传感器150(如可包括深度相机等)向膝关节一侧延伸。术前暴露股骨靠近膝关节的一端，深度传感器150即可直接获取该暴露的股骨的骨表面数据。具体的，这里的骨表面数据包括图像深度数据等。由于深度传感器150相对于环状部110的位置关系可以预先设置或根据配准文件获得，因此可以认为深度传感器150与股骨形成可预知的连接关系。

在步骤sb1中，深度传感器150可以获取股骨的骨表面数据，进而将获取到的骨表面数据传输至处理器。进一步的，步骤sb2具体包括：

步骤sb21：对所述骨表面数据进行分割处理，获取骨轮廓点云数据；

步骤sb22：基于所述骨轮廓点云数据进行三维重建，得到所述第一虚拟模型，亦即重建后的股骨的虚拟模型。

在一个示范例中，深度传感器150在获取骨表面数据后，可通过深度传感器150上的可视化的窗口，通过自动区域获取算法或者交互的方式，获取用户感兴趣区域数据，通过自动分割算法实现骨头分割，并对分割后的结果进行重建。当然，本领域技术人员还可根据现有技术，对第一虚拟模型的重建方法进行合理的改进。

优选的，在步骤sb3中，预置的第二虚拟模型根据ct扫描或mri扫描所述预定对象所得的影像建立。具体的，可于术前通过ct扫描或mri扫描得到ct扫描影像或mri扫描影像，并传输至处理器，处理器根据ct扫描影像或mri扫描影像建立第二虚拟模型。进一步的，将根据骨表面数据建立的第一虚拟模型与根据术前影像建立的第二虚拟股模型进行配准，即实现了术前影像模型与术中实际骨模型的配准。

请参考图14，步骤sb4的目的是将坐标系进行统一。具体的，深度传感器150相对于环状部110的位置关系可以预先设置或根据配准文件获得，深度传感器150相对于环状部110之间的相对位置是可以预知的，因此通过第一虚拟模型与第二虚拟模型进行配准，可以获得深度传感器坐标系25与导航影像坐标系24之间的转换关系。

步骤sb5中，在完成步骤sb3的配准，以及步骤sb4的坐标系转换后，即可通过深度传感器150所获取的实时骨表面数据反馈，对股骨的实际位置进行实时跟踪。

如此配置，利用深度传感器150获取骨表面数据，重建得到第一虚拟模型，基于第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型的配准及坐标系之间的转换，利用深度传感器150所获取的实时骨表面数据反馈，即可得到预定对象于导航影像坐标系24下的实时坐标。即实现了术前影像模型与术中实际骨模型的配准。整个配准过程中无需钻孔，无额外创伤，降低感染的可能。此外，骨建模配准系统的设置简单，简化了手术中配准注册工具的安装，简化了配准流程，降低了手术的复杂度，缩减了手术时间。

步骤sb3的配准算法，与实施例一的步骤sa3相类似，请参考实施例一，这里不再重复说明。进一步的，本实施例三的可读存储介质上的程序被执行时也可以包括误差校准的步骤，具体请参考实施例一，若当前时刻的点云配准矩阵与预定间隔时刻下的点云配准矩阵之间的点云配准矩阵的旋转和平移大于预设的第二阈值，则触发进行重新配准。

【实施例四】

请参考图15至图17，其中，图15是本发明实施例四的固定检测装置的示意图；图16是本发明实施例四的固定检测装置安装使用的示意图；图17是本发明实施例四的坐标转换示意图。

本发明实施例四提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统与实施例三提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统基本相同，对于相同部分不再叙述，以下仅针对不同点进行描述。

如图15至图17所示，实施例四提供的骨建模配准系统中，所述固定检测装置还包括：导航装置与靶标130；所述靶标130与所述环状部110连接；所述导航装置与所述处理器通信连接，所述导航装置与所述靶标130相适配(如与跟踪仪6相适配的光学靶标)，用以获取所述靶标130的实时坐标反馈，并将所述实时坐标反馈传输至所述处理器；所述处理器还被配置为，获得所述深度传感器坐标系25与靶标坐标系22之间的第二坐标转换关系；通过所述第一坐标转换关系与所述第二坐标转换关系的坐标系转换，获得所述靶标坐标系22与所述导航影像坐标系24的第三坐标转换关系；基于所述第三坐标转换关系，利用所述靶标130的实时坐标反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系24下的实时坐标。

基于本实施例四的骨建模配准系统，所述可读存储介质上的程序被执行时，还可进一步实现：

步骤sb6：基于与所述深度传感器150连接的靶标130，获得深度传感器坐标系25与靶标坐标系22之间的第二坐标转换关系；

步骤sb7：通过所述第一坐标转换关系与所述第二坐标转换关系的坐标系转换，获得所述靶标坐标系22与所述导航影像坐标系24的第三坐标转换关系；

步骤sb8：基于所述第三坐标转换关系，利用所述靶标130的实时坐标反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系24下的实时坐标。

需要说明的，这里步骤sb6～步骤sb8并不限定按顺序在步骤sb5之后执行，而是可以在步骤sb1～步骤sb5在的任一个步骤之前或之后执行。

基于上述骨建模配准系统和可读存储介质，处理器可以获取两套跟踪数据，一套是通过导航装置-靶标130的跟踪系统，另一套为利用深度传感器150的跟踪系统。进一步的，利用所述实时骨表面数据反馈得到的所述预定对象于导航影像坐标系24下的实时坐标，与利用所述靶标130的实时坐标反馈得到的所述预定对象于导航影像坐标系24下的实时坐标互为校验，当其中一者发生异常，则产生报警信息。

在一些实施例中，利用所述深度传感器150获取实时骨表面数据反馈需要占用较大的计算资源，而利用导航装置跟踪靶标130的位置和姿态则较为方便可靠，因此处理器在可以获取两套跟踪数据时，优选以导航装置所获取的靶标130的实时坐标为主要数据，来计算得到所述预定对象于导航影像坐标系24下的实时坐标。而当靶标130发生被遮挡或者无法识别的情况，处理器可通过深度传感器150获取实时骨表面数据反馈对靶标130的位置进行修正和补偿，从而可避免由于靶标130丢失跟踪造成的误差。

优选的，所述骨建模配准系统还包括：报警装置(未图示)；所述报警装置被配置为，所述报警装置被配置为，在所述深度传感器150无法获取实时骨表面数据反馈，或者所述导航装置无法获取所述靶标130的实时坐标反馈时，发出报警信息。报警装置如包括led灯或者蜂鸣器等，当深度传感器150无法获取实时骨表面数据反馈时，或者当导航装置无法获取靶标130的实时坐标反馈时，报警装置即发出报警信息，以提示操作者至少一个跟踪系统存在问题。

综上所述，在本发明提供的可读存储介质、骨建模配准系统及骨科手术系统中，一个优选实施例提供的可读存储介质上的程序被执行时实现：获取预定对象的超声图像数据，所述超声图像数据经围绕一预定对象布置的超声探头阵列获得；根据所述超声图像数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得超声探头阵列坐标系与导航影像坐标系之间的第一坐标转换关系；基于与所述超声探头阵列连接的靶标，获得所述超声探头阵列坐标系与靶标坐标系之间的第二坐标转换关系；通过所述第一坐标转换关系与所述第二坐标转换关系的坐标系转换，获得所述靶标坐标系与所述导航影像坐标系的第三坐标转换关系；基于所述第三坐标转换关系，利用所述靶标的实时坐标反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

如此配置，利用围绕一预定对象布置的超声探头阵列获取超声图像数据，重建得到第一虚拟模型，基于第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型的配准及各坐标系之间的转换，利用靶标的实时坐标反馈，即可得到预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。即实现了术前影像模型与术中实际骨模型的配准。

另一个优选实施例提供的可读存储介质上的程序被执行时实现：获取预定对象的骨表面数据，所述骨表面数据经与一预定对象连接的深度传感器获得；根据所述骨表面数据进行三维重建，得到第一虚拟模型；将所述第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型进行配准，获得深度传感器坐标系与导航影像坐标系之间的第一坐标转换关系；基于所述第一坐标转换关系，利用所述深度传感器所获取的实时骨表面数据反馈，得到所述预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。

如此配置，利用深度传感器获取骨表面数据，重建得到第一虚拟模型，基于第一虚拟模型与预置的第二虚拟模型的配准及各坐标系之间的转换，利用深度传感器所获取的实时骨表面数据反馈，即可得到预定对象于导航影像坐标系下的实时坐标。即实现了术前影像模型与术中实际骨模型的配准。整个配准过程中无需钻孔，无额外创伤，降低感染的可能。此外，骨建模配准系统的设置简单，简化了手术中配准注册工具的安装，简化了配准流程，降低了手术的复杂度，缩减了手术时间。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。