一种全髋关节置换假体自动选型与复位规划方法及系统与流程

本技术涉及骨科手术规划的，尤其是涉及一种全髋关节置换假体自动选型与复位规划方法及系统。

背景技术：

1、全髋关节置换术（total hip arthroplasty, tha）术前规划的精确性直接决定了假体安放准确性、术后关节稳定性和远期生存率。目前临床常用方法仍以二维x光模板测量为主，存在骨骼三维形态信息丢失、依赖医生经验、无法模拟三维压配状态等固有缺陷；而现有基于ct三维重建的规划软件虽提供了三维可视化环境，但仍存在坐标系不统一导致规划参数难以标准化、关键解剖点依赖人工点选导致误差大、股骨柄选型评价指标单一未区分远端与近端不同力学需求、以及髋臼侧与股骨侧规划割裂无法联动优化下肢长度差和股骨偏心距等技术瓶颈。

2、现有技术中，例如cn121445532a提供了一种基于强化学习的三维全髋关节置换术假体选型方法，其通过获取髓腔形态和假体三维数据，经形状匹配筛选、假体结构划分与限位计算、几何简化生成多面体数据，最后在unity平台利用强化学习训练选型模型以输出匹配度最高的假体型号。但是该方式存在以下缺陷：训练过程依赖大量标注数据和算力资源，模型泛化能力受限于训练数据分布，难以适应髓腔形态变异性较大的患者；几何简化操作降低了假体模型精度，导致选型结果可能偏离临床实际。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种全髋关节置换假体自动选型与复位规划方法及系统，部分地解决或缓解现有技术中的上述不足，能够实现全自动、高精度的tha术前规划，有效避免了术中骨折风险，保证了术后关节稳定性。

2、为了解决上述所提到的技术问题，本发明具体采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面，在于提供一种全髋关节置换假体自动选型与复位规划方法，包括以下步骤：

4、s1：获取患者影像数据并重建生成三维表面模型，所述三维表面模型包括骨盆、股骨及髓腔模型；获取假体cad模型库，所述假体cad模型库包括髋臼杯、股骨柄、球头和内衬模型；利用所述骨盆模型建立骨盆前平面右手直角坐标系作为统一空间基准；

5、s2：提取骨盆模型髋臼区域点云，计算开口尺寸匹配髋臼杯模型，并按预设外展角和前倾角将所述髋臼杯模型安放至规划位置；

6、s3：从所述髓腔模型提取髓腔点云，经分层截面处理获得初始髓腔长轴，并以所述股骨模型中的小转子点为锚点截取感兴趣区域后再次拟合得到拟合髓腔长轴；将所述股骨模型的点云投影至所述拟合髓腔长轴，选取径向极小值点作为转子窝；同时提取假体cad模型库中各股骨柄模型的柄长轴、肩点、颈轴及基准球头中心；

7、s4：对各股骨柄模型，将柄长轴与所述拟合髓腔长轴对齐，以所述转子窝约束插入深度并设定初始前倾角，在有限自由度内采用模式搜索求取最优安放位姿；

8、s5：在所述最优安放位姿下进行远端安全区与近端压配区分区评价，并按非补偿式多级安全排序输出最优的股骨柄模型；

9、s6：根据匹配的髋臼杯模型进行球头模型和内衬模型匹配，根据输出的股骨柄模型获取支持的各个颈长偏距，计算复位后下肢长度差和股骨偏心距，选取最优偏距完成复位；

10、s7：根据所述最优安放位姿及步骤s6的复位结果确定截骨平面，对所述股骨模型裁剪后进行假体模型装配。

11、进一步的，在步骤s1中，利用所述骨盆模型建立骨盆前平面右手直角坐标系作为统一空间基准包括：

12、在所述骨盆模型上识别双侧髂前上棘和耻骨结节；

13、以双侧髂前上棘连线的中点为原点；

14、以从原点指向双侧髂前上棘中的右侧髂前上棘的方向为x轴正方向；

15、以经过双侧髂前上棘和耻骨结节三个点的平面确定为骨盆前平面；

16、以位于骨盆前平面内且与x轴垂直并指向前方的方向为y轴正方向，且所述y轴正方向通过从原点指向所述耻骨结节的临时向量减去该临时向量在x轴方向上的投影分量后单位化获得；

17、以x轴与y轴叉积方向为z轴正方向，且所述z轴正方向垂直于骨盆前平面并指向患者头侧；

18、建立骨盆前平面右手直角坐标系，并将所述三维表面模型及假体cad模型库中的各模型通过刚体变换转换至所述骨盆前平面右手直角坐标系下。

19、进一步的，步骤s2包括：

20、从所述骨盆模型中提取髋臼窝区域的三角面片点云，采用最小二乘球面拟合方法计算髋臼窝的球心位置和球体半径，以所述球体半径的两倍作为髋臼开口尺寸，与假体cad模型库中各髋臼杯模型的标称外径进行比对，选取标称外径与所述开口尺寸偏差最小的髋臼杯模型作为匹配结果；

21、以匹配出的髋臼杯模型的几何中心与所述球心位置对齐作为髋臼杯旋转中心，以髋臼杯开口平面的单位法向量方向为开口方向，按照预设外展角和预设前倾角确定开口平面的目标方向，根据所述旋转中心和目标方向构造刚体变换矩阵，并将所述髋臼杯模型变换至规划位置。

22、进一步的，步骤s3中，从所述髓腔模型提取髓腔点云，经分层截面处理获得初始髓腔长轴，并以所述股骨模型中的小转子点为锚点截取感兴趣区域后再次拟合得到拟合髓腔长轴包括：

23、从所述髓腔模型提取髓腔点云，沿纵向等间距分层，计算每层截面几何中心，连接各截面中心构建初始髓腔中心线并获得初始髓腔长轴；

24、以所述股骨模型中的小转子点为锚点，沿所述初始髓腔长轴方向在小转子远端第一预设距离内截取感兴趣区域；

25、对所述感兴趣区域内的髓腔点云再次分层提取截面中心，筛选中心变化平稳且残差最小的连续直线段进行主轴拟合，得到候选髓腔长轴；

26、计算髓腔点云中各点到所述候选髓腔长轴的径向距离，剔除径向距离大于第一预设阈值的离群点，对剩余点再次拟合，得到拟合髓腔长轴。

27、进一步的，步骤s3中，将所述股骨模型的点云投影至所述拟合髓腔长轴，选取径向极小值点作为转子窝包括：

28、将所述股骨模型的点云投影至所述拟合髓腔长轴，计算各点的轴向高度参数和径向距离；

29、以小转子点为近端约束，选取轴向高度大于小转子高度且处于股骨头中心邻近高度范围内的候选点；

30、根据股骨头中心及半径剔除位于股骨头球体内的点；

31、在剩余候选点中选取径向距离最小的点作为所述转子窝。

32、进一步的，所述小转子点的定位方式为：

33、基于所述股骨模型的点云及所述拟合髓腔长轴建立股骨局部坐标系；

34、根据局部曲率、表面法向及轴向高度筛选位于股骨近端内后侧的骨性隆起候选点；

35、在骨性隆起候选点中选取沿内侧外突方向投影最大的连续点簇，将该点簇的几何中心投影至股骨表面，将所得点定义为小转子点。

36、进一步的，步骤s4包括：

37、将各股骨柄模型的柄长轴与所述拟合髓腔长轴对齐，并以所述转子窝约束插入深度并设定初始前倾角后的位姿作为初始位姿；

38、设定轴向旋转、横向平移和内外翻倾斜为有限自由度，并为各自由度设置搜索范围；

39、采用hooke-jeeves模式搜索算法，以柄-髓腔匹配程度为目标函数，通过交替执行探测移动和模式移动迭代更新位姿；

40、当各自由度步长均小于第二预设阈值或达到预设最大评估次数时终止迭代，输出使所述目标函数最优的位姿作为所述最优安放位姿；

41、和/或，

42、所述目标函数包括：

43、穿透惩罚项，当股骨柄表面点与髓腔内壁点云的径向距离小于零或超出预设安全阈值时，判定为穿透状态，统计最大穿透深度并施加惩罚；

44、间隙惩罚项，统计股骨柄表面与髓腔内壁之间的平均间隙，对间隙过大的区域施加惩罚；

45、倾斜惩罚项，当内外翻倾斜角度超出预设范围时，施加二次惩罚以约束假体位姿。

46、进一步的，在步骤s5中：

47、所述远端安全区评价包括：以股骨柄模型远端起始向上第二预设距离的区域作为远端安全区，计算该区域内髓腔内壁点云到股骨柄模型表面的径向距离，统计最大外悬距离和外悬层数；

48、所述近端压配区评价包括：以股骨柄模型近端预设比例长度的区域作为近端压配区，统计该区域内的接触率，并分别计算内侧、外侧、前侧、后侧四个象限的填充率；

49、所述非补偿式多级安全排序按以下三级字典序执行：

50、第一级要求远端最大外悬距离小于第三预设阈值且外悬层数为零，近端接触率大于第四预设阈值且四个象限填充率均大于第五预设阈值；

51、第二级要求远端最大外悬距离小于第六预设阈值且外悬层数不超过预设层数，近端接触率大于第七预设阈值；

52、第三级选取最大外悬距离最小且近端接触率最高的股骨柄模型。

53、进一步的，步骤s6包括：

54、根据所选的髋臼杯模型的尺寸从所述假体cad模型库中匹配对应的球头模型和内衬模型，所述内衬模型的内径与所述球头模型的直径适配，所述内衬模型的外径与所选髋臼杯模型的内径适配；

55、根据所选股骨柄模型从所述假体cad模型库中获取该股骨柄模型支持的各个颈长偏距，遍历各颈长偏距并分别计算对应的球头中心位置；

56、将球头中心位置至髋臼杯旋转中心的空间平移向量作用于股骨模型、股骨柄模型及球头模型完成复位，分别计算各颈长偏距对应的下肢长度差和股骨偏心距；而内衬模型保持与髋臼杯模型的相对位姿不变；

57、以下肢长度差作为评价术后双下肢等长性的指标，以股骨偏心距作为评价术后髋关节稳定性的指标，选取使股骨偏心距落入预设安全范围且最接近健侧值的颈长偏距作为最优偏距；

58、若所有颈长偏距均不满足股骨偏心距的预设安全范围，则基于下肢长度差以及股骨偏心距与健侧值偏差构建综合目标函数，并选择使所述综合目标函数值最小的颈长偏距作为最优偏距，同时生成提示信息。

59、第二方面，本技术还公开了一种全髋关节置换假体自动选型与复位规划系统，所述系统包括：

60、统一坐标系构建模块，配置用于获取患者影像数据并重建生成三维表面模型，所述三维表面模型包括骨盆、股骨及髓腔模型；获取假体cad模型库，所述假体cad模型库包括髋臼杯、股骨柄、球头和内衬模型；利用所述骨盆模型建立骨盆前平面右手直角坐标系作为统一空间基准；

61、髋臼杯匹配模块，配置用于提取骨盆模型髋臼区域点云，计算开口尺寸匹配髋臼杯模型，并按预设外展角和前倾角将所述髋臼杯模型安放至规划位置；

62、股骨侧解剖特征提取模块，配置用于从所述髓腔模型提取髓腔点云，经分层截面处理获得初始髓腔长轴，并以所述股骨模型中的小转子点为锚点截取感兴趣区域后再次拟合得到拟合髓腔长轴；将所述股骨模型的点云投影至所述拟合髓腔长轴，选取径向极小值点作为转子窝；同时提取假体cad模型库中各股骨柄模型的柄长轴、肩点、颈轴及基准球头中心；

63、位姿搜索模块，配置用于对各股骨柄模型，将柄长轴与所述拟合髓腔长轴对齐，以所述转子窝约束插入深度并设定初始前倾角，在有限自由度内采用模式搜索求取最优安放位姿；

64、股骨柄筛选模块，配置用于在所述最优安放位姿下进行远端安全区与近端压配区分区评价，并按非补偿式多级安全排序输出最优的股骨柄模型；

65、复位模块，配置用于根据匹配的髋臼杯模型进行球头模型和内衬模型匹配，根据输出的股骨柄模型获取支持的各个颈长偏距，计算复位后下肢长度差和股骨偏心距，选取最优偏距完成复位；

66、假体模型装配模块，配置用于根据所述最优安放位姿及复位模块的复位结果确定截骨平面，对所述股骨模型裁剪后进行假体模型装配。

67、有益技术效果：

68、1、本技术通过建立统一的骨盆前平面右手直角坐标系作为空间基准，将患者骨骼模型及假体模型全部转换至该坐标系下，彻底消除了患者扫描姿态差异及不同时段扫描带来的坐标不一致问题，使跨病例、跨时间的规划结果具有可比性和可复现性，为后续各步骤的精确计算提供了标准化的空间参考框架。

69、2、本技术采用基于几何点云处理的全自动解剖特征提取方法，通过沿髓腔长轴投影并计算轴向高度与径向距离的几何计算，结合小转子近端限位与股骨头球面剔除等多重约束筛选策略实现转子窝的自动精确定位，同时通过分层截面中心拟合与离群点剔除实现髓腔长轴的自动拟合，全程无需人工交互，消除了操作者主观误差，单侧规划可在数秒内完成。

70、3、本技术针对干骺端压配型股骨柄的临床生物力学需求，首创“远端防穿透、近端求压配”的分区评价模型，将柄-髓腔配合评价区域解耦为远端安全区与近端压配区并分别独立评价：远端安全区严格防止假体穿透髓腔皮质骨，近端压配区追求高接触率与四象限均衡填充，精准匹配干骺端压配型假体的设计理念，有效避免因过度追求全局填充率而导致的术中劈裂骨折风险及术后大腿疼痛。

71、4、本技术采用非补偿式多级安全排序策略，按三级字典序对所有候选股骨柄型号进行排序：第一级要求远端无任何穿透且近端压配达到最优标准；第二级允许轻微穿透但严格控制其范围；第三级则在确保穿透最小的前提下择优。该策略在算法层面严格禁止以近端高填充率补偿远端穿透风险，确保没有任何安全隐患可以被掩盖，显著提升了选型决策的安全性和鲁棒性。

72、5、本技术实现髋臼杯、股骨柄、球头、内衬在同一个优化框架下的联动匹配，将球头颈长偏距的选取与复位后的下肢长度差和股骨偏心距纳入同一优化闭环：对每个候选颈长偏距分别计算复位后的下肢长度差和股骨偏心距，优先选择使股骨偏心距落入预设安全范围且最接近健侧值的方案，若所有方案均无法满足则生成提示信息，彻底避免了传统分步规划中因各环节独立决策而导致的局部最优陷阱，保证了术后双下肢等长性和髋关节稳定性。