[发明专利]股骨头中心点的定位方法和系统

说明书

本发明公开了一种股骨头中心点的定位方法和系统。其中，定位方法包括：将定位工具固定在股骨头上；保持股骨头的中心点位置不变，旋转股骨头；光学定位器在股骨头的旋转过程中采集定位工具的多个位姿；对于采集到的每一位姿，光学定位器求解定位工具坐标系和光学定位器坐标系之间的坐标变换矩阵；根据坐标变换矩阵构造目标函数F，其中，求解使目标函数F最小的X，以获得中心点在定位工具坐标系中的坐标。从而本发明能够简易而快速的实现对股骨头中心进行定位。

技术领域

本发明涉及计算机辅助医疗技术领域，尤其涉及一种股骨头中心点的定位方法和系统。

背景技术

随着现代医学的不断进步以及各学科先进成果在医学上的广泛应用，外科手术在减少病人痛苦、减小手术切口等方面有了长足进步，外科手术的微创性、无痛性研究也如火如荼。髋关节、膝关节等置换手术是较为复杂的外科手术，虽然现代的关节置换手术有先进的计算机影像技术与光学定位技术作为辅助，极大地提高了手术的安全性，也在微创性方面取得一定突破，但手术过程中对股骨头中心的定位的误差仍然较大。

例如，专利CN1488321A公开了一种机器人全膝关节置换术的股骨定位方法，其将确定股骨头中心的问题抽象成已知球面上的点求解球心的几何模型，具体地，该专利通过转动股骨并直接测量出多组髁间窝中心的坐标信息，进而通过球心法求解出股骨头中心点的坐标，但是，用球心法计算得到的股骨中心位置误差比较大。

又如，专利CN1686056A公开了一种基于手眼式机器人的股骨中心定位方法，其首先对机器人进行手眼标定得到手眼位置变换关系，接着利用安装在机器人末端的相机采集髁间窝中心数据，并将髁间窝数据转化到机器人基座标系下，通过拟合球面方程计算出股骨头中心的坐标。但是在该专利中，为保证髁间窝中心点的数据采集覆盖比较大的球面范围，股骨转动的同时相机也有移动，也即，该专利忽略了相机坐标系与机器人基座坐标系之间的转化误差，无法保证很高的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中股骨头中心的定位误差较大的缺陷，提供一种股骨头中心点的定位方法和系统。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种股骨头中心点的定位方法，其特点在于，所述定位方法包括：

将定位工具固定在股骨头上；

保持所述股骨头的中心点位置不变，旋转所述股骨头；

光学定位器在所述股骨头的旋转过程中采集所述定位工具的多个位姿；

对于采集到的每一位姿，光学定位器求解定位工具坐标系和光学定位器坐标系之间的坐标变换矩阵；

根据坐标变换矩阵构造目标函数F，其中，其中，是6行1列的矩阵，P_i为位姿在所述定位工具坐标系中的坐标，Q_i为P_i在所述光学定位器坐标系中的对应坐标，P_i和Q_i是3行1列的矩阵并且满足其中，i＝1，2，…，n，n为所采集的位姿的数量；

求解使所述目标函数F最小的X，以获得所述中心点在所述定位工具坐标系中的坐标。

较佳地，坐标变换矩阵包括旋转矩阵R和平移矩阵T，在所述根据坐标变换矩阵构造目标函数F的步骤中，

较佳地，所述求解使所述目标函数F最小的X的步骤包括：利用高斯塞德尔迭代法求解X。

较佳地，在所述求解使所述目标函数F最小的X的步骤之后，所述定位方法还包括：

计算获得的所述中心点的坐标的误差e，其中，

较佳地，在所述计算获得的所述中心点的坐标的误差e的步骤之后，所述定位方法还包括：

判断所述误差e是否小于误差阈值；