一种髌骨损伤急救机器人护具贴合区分割方法与流程

本发明涉及医疗机器人，具体为一种髌骨损伤急救机器人护具贴合区分割方法。

背景技术：

1、医疗机器人技术是机器人技术、医学技术、计算机技术、自动控制技术、传感技术及人工智能技术等交叉融合形成的技术领域，主要通过机械执行机构、感知系统、控制系统和人机交互系统，对医疗器械或患者相关操作进行辅助控制，可应用于手术辅助、康复训练、医学影像处理、护理设备和医疗器械操作等场景。在涉及高精度定位、姿态跟踪和重复调节的医疗设备中，医疗机器人通常结合图像信息、位置姿态信息以及力学或生理信号，计算执行机构的目标位置，从而完成医疗设备的定位、调节或辅助操作。

2、在髌骨损伤急救固定中，护具需要在膝部非损伤区域形成稳定贴合，同时避开髌骨损伤部位及其周围可能受压的区域，由于膝关节姿态变化以及疼痛、应激引起的肌肉激活，髌骨附近软组织会产生法向隆起和切向迁移，使膝部表面形态发生变化。依据单一姿态或单一时刻建立的护具模型，在后续使用过程中容易出现局部压迫、悬空或贴合不足。现有三维支具塑形技术通常依据单一表面模型设置受力支点，腿部护具控制技术则主要调节整体高度和开口尺寸，难以将不同姿态下的损伤保护范围进行融合，也难以实现局部边界连续划分以及肌肉激活形变与持续性形态变化的区分。因此，现有技术难以满足髌骨损伤急救固定中对多姿态适应性、局部贴合性和安全避让性的综合要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种髌骨损伤急救机器人护具贴合区分割方法。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种髌骨损伤急救机器人护具贴合区分割方法，包括以下步骤：

4、s1、获取患者在多个不同膝关节姿态的膝部三维点云数据，从多个不同膝关节姿态中选取一个作为基准姿态，将其余膝关节姿态作为非基准姿态，然后依据基准姿态的膝部三维点云数据构建基准膝部三维表面模型；

5、s2、获取髌骨损伤信息，分别划定各膝关节姿态的损伤保护区域，然后获取各膝关节姿态的膝部三维点云数据中各三维点与损伤保护区域的表面空间关系参数及局部表面形态参数，依据表面空间关系参数和局部表面形态参数对各三维点进行区域分类，得到各膝关节姿态的功能分区及各三维点的区域标签，所述功能分区包括贴合固定区、过渡调节区和避让保护区；

6、s3、建立各非基准姿态的膝部三维点云数据与所述基准膝部三维表面模型的表面映射关系，依据表面映射关系将各非基准姿态的区域标签映射至基准膝部三维表面模型，得到不同膝关节姿态的区域标签；

7、s4、随后设定避让保护区、过渡调节区和贴合固定区的保护优先级，根据所述基准膝部三维表面模型中同一表面点的基准姿态区域标签及映射后的各非基准姿态区域标签，将保护优先级最高的区域标签记为该表面点的融合区域标签，得到融合功能分区；

8、s5、将所述融合区域标签与所述基准膝部三维表面模型中的各表面点进行关联，得到目标膝部三维分割模型，并输出目标膝部三维分割模型中各表面点的三维位置和融合区域标签。

9、进一步地，所述依据表面空间关系参数和局部表面形态参数对各三维点进行区域分类，包括：

10、获取各三维点至损伤保护区域边界的测地距离，设定第一距离阈值和第二距离阈值，所述第二距离阈值大于第一距离阈值；

11、将损伤保护区域内的三维点划分为避让保护区，对于损伤保护区域外的三维点，将测地距离不大于第一距离阈值的三维点划分为避让保护区，将测地距离大于第一距离阈值且不大于第二距离阈值的三维点划分为过渡调节区，将测地距离大于第二距离阈值的三维点划分为贴合固定区，得到各三维点的初始区域标签；

12、获取各三维点的局部曲率和法向突出量，设定曲率阈值和法向突出量阈值，当三维点的局部曲率超过曲率阈值且法向突出量超过法向突出量阈值时，将贴合固定区的初始区域标签调整为过渡调节区或者将过渡调节区的初始区域标签调整为避让保护区，得到各三维点的区域标签。

13、进一步地，所述建立各非基准姿态的膝部三维点云数据与所述基准膝部三维表面模型的表面映射关系，包括：

14、从基准姿态和各非基准姿态的膝部三维点云数据中提取髌骨中心、髌骨轮廓特征点以及膝关节两侧表面几何特征点，然后依据髌骨中心和髌骨轮廓特征点，对各非基准姿态的膝部三维点云数据与基准膝部三维表面模型进行初始配准，获取初始配准结果，随后依据膝关节两侧表面几何特征点的匹配关系对初始配准结果进行非刚性修正，获得表面映射关系。

15、进一步地，所述根据基准膝部三维表面模型中同一表面点的基准姿态区域标签及映射后的各非基准姿态区域标签，将保护优先级最高的区域标签记为该表面点的融合区域标签，包括：

16、设定避让保护区的保护优先级高于过渡调节区，过渡调节区的保护优先级高于贴合固定区；

17、当同一表面点在任一膝关节姿态的区域标签为避让保护区时，将避让保护区作为该表面点的融合区域标签；

18、当同一表面点在各膝关节姿态的区域标签均不为避让保护区且至少一个区域标签为过渡调节区时，将过渡调节区作为该表面点的融合区域标签；

19、当同一表面点在各膝关节姿态的区域标签均为贴合固定区时，将贴合固定区作为该表面点的融合区域标签。

20、进一步地，将所述融合区域标签与所述基准膝部三维表面模型中的各表面点进行关联之前，还包括对所述融合功能分区进行连通性分析和边界连续性修正，具体包括：

21、设定孤立区域面积阈值，对存在相同融合区域标签的相邻表面点进行连通区域划分，将面积小于孤立区域面积阈值的连通区域判定为孤立区域，并将孤立区域内各表面点的融合区域标签调整为与其相邻区域中保护优先级最高的区域标签；

22、基于不同功能分区边界两侧表面点的测地距离、局部曲率及表面法向量对区域边界进行连续性修正，并使修正后的融合区域标签的保护优先级不低于修正前的融合区域标签的保护优先级。

23、进一步地，还包括以下步骤：

24、设定姿态变化阈值，在膝关节姿态变化量不大于姿态变化阈值时，同步获取多个采集时刻的膝部三维点云数据和表面肌电信号，依据表面肌电信号得到各采集时刻的肌肉激活指数，然后在构建基准膝部三维表面模型时同步获取表面肌电信号，并根据表面肌电信号得到基准肌肉激活指数；

25、将各采集时刻的膝部三维点云数据与所述基准膝部三维表面模型进行表面配准，获取各表面点沿局部表面法向的法向变化量及沿局部表面切向的切向变化量，然后依据肌肉激活指数与法向变化量及切向变化量分别建立肌肉激活—法向形变关系及肌肉激活—切向形变关系。

26、进一步地，获取当前肌肉激活指数，依据当前肌肉激活指数、基准肌肉激活指数及肌肉激活—法向形变关系得到各表面点的法向形态补偿量，并且根据当前肌肉激活指数、基准肌肉激活指数及肌肉激活—切向形变关系得到各表面点的切向形变补偿参数，并在依据法向形态补偿量和切向形变补偿参数进行形态补偿时保持各表面点的融合区域标签不变。

27、进一步地，根据所述基准膝部三维表面模型中各表面点的三维位置生成对应的护具目标位置，各护具目标位置构成护具目标表面，然后设定避让保护区的最小安全间隙，根据融合区域标签对所述法向形态补偿量进行区域约束，其中，对于贴合固定区，按照所述法向形态补偿量对相应的护具目标位置进行补偿；

28、对于过渡调节区，分别获取表面点至贴合固定区边界和避让保护区边界的测地距离，将避让保护区边界的测地距离与两个测地距离之和的比值作为补偿系数，将所述法向形态补偿量与补偿系数的乘积作为实际补偿量，并按照所述实际补偿量对相应的护具目标位置进行补偿；

29、对于避让保护区，根据所述法向形态补偿量对相应的护具目标位置进行补偿，并使补偿后的护具目标表面与患者膝部表面沿局部表面法向的距离不小于所述最小安全间隙。

30、进一步地，还包括以下步骤：

31、获取多个检测时刻的膝部三维点云数据和肌肉激活指数；其中，各检测时刻的膝关节姿态变化量均不大于所述姿态变化阈值；

32、然后将各检测时刻的膝部三维点云数据与所述基准膝部三维表面模型进行表面配准，得到各表面点的实际法向变化量，并依据所述肌肉激活指数及肌肉激活—法向形变关系得到预测法向变化量，随后计算实际法向变化量与预测法向变化量的差值，将二者的差值作为残余形变量；

33、根据同一表面点在多个检测时刻的残余形变量，判定持续性形态变化区域，然后依据所述持续性形态变化区域更新基准膝部三维表面模型，基于更新后的基准膝部三维表面模型更新融合区域标签。

34、进一步地，所述根据同一表面点在多个检测时刻的残余形变量，判定持续性形态变化区域，包括：

35、设定残余形变量阈值、连续检测次数阈值、连续区域面积阈值和单次更新量上限；

36、当同一表面点在连续检测时刻的残余形变量绝对值均大于或等于残余形变量阈值且连续检测时刻的数量不小于连续检测次数阈值，并且残余形变量的符号保持一致时，将该表面点判定为持续性形态变化点；

37、根据所述基准膝部三维表面模型中表面点的邻接关系对持续性形态变化点进行聚类，将面积不小于连续区域面积阈值的聚类区域判定为持续性形态变化区域；

38、根据所述持续性形态变化区域内各表面点的残余形变量沿局部表面法向更新所述基准膝部三维表面模型，并使各表面点的单次位置更新量不大于所述单次更新量上限且更新前融合区域标签为避让保护区的表面点在更新后保持避让保护区的融合区域标签。

39、相比现有技术，本发明的有益效果为：

40、本发明通过将多个膝关节姿态的区域标签映射至同一基准膝部三维表面模型，并按保护优先级进行融合，使不同姿态需要避让的表面位置保持避让属性，只有在多个姿态均满足贴合条件的位置才被划为贴合固定区，同时结合测地距离、局部曲率和法向突出量进行区域分类，利用解剖特征配准、连通性分析和边界连续性修正，减少标签错配、曲面误连接和边界突变，从而为护具提供局部贴合、连续过渡和损伤避让约束，降低单一姿态建模造成局部压迫的风险。

41、通过同步采集膝部三维点云和表面肌电信号，建立患者自身的肌肉激活—法向形变关系和肌肉激活—切向形变关系，并按照功能分区分别进行法向补偿、渐变补偿和最小安全间隙约束，能够在肌肉激活变化时调整护具目标位置而不改变损伤保护属性；通过残余形变量检测和受限更新机制，能够适应膝部持续性形态变化并维持损伤保护约束，提高护具在多姿态和动态使用条件下的适应性和安全性。