一种髋臼打磨的动态上色方法及存储介质与流程

本发明涉及到医学图像处理，具体涉及到一种髋臼打磨的动态上色方法及存储介质。

背景技术：

1、在导航式髋臼置换手术中，髋臼磨削是至关重要的一步，它直接关系到手术的成功与否和患者的康复效果。传统的髋臼磨削方法主要依赖于医生的经验和手术技巧，难以精确控制磨削的量和位置，容易导致磨削不足或过度磨削的问题。为了解决这些问题，近年来，基于计算机视觉和医学影像处理技术的导航式髋臼磨削方法得到了广泛关注和应用。

2、然而，现有的导航式髋臼磨削可视化方法仍存在一些显著的技术缺陷。一类常用的方法是，将表面网格数据转换为由体素构成的三维影像，通过对三维影像进行加减运算来实现磨削的可视化。这种方法虽然能够在一定程度上模拟磨削过程，但其缺点在于：

3、（1）模型精度下降：表面网格数据与三维影像相互转换时，受限于影像的体素尺寸，不可避免地导致模型精度下降，从而使得最终的可视化结果存在颗粒化（不平滑）的现象。这种颗粒化现象不仅影响了视觉效果，还可能误导医生的判断和操作；

4、（2）运算效率低下：每进行一次切割运算，都需要将经过运算的三维影像转换回表面网格数据，这一数据格式转换过程耗时较长，导致可视化运算效率较低。在实时性要求较高的手术过程中，这种低效率可能导致画面卡顿，影响手术的顺利进行。

5、为了克服上述缺陷，一些研究人员尝试对三维影像进行预处理，如滤波操作，以改善可视化结果的平滑度。例如，cn116636902a提出了一种基于三维影像体绘直接进行可视化的方法，虽然省去了每次切割后重建表面的步骤，提高了计算效率，但可视化结果依然存在明显的颗粒化现象。cn116824100a在cn116636902a的基础上进行了改良，通过三维影像初始化时的额外滤波操作和特定的颜色映射表，使得体绘显示自带平滑效果。然而，这种方法依然无法彻底解决每次切割新形成的切面颗粒感明显的问题。

6、虽然采用基于vtk（visualization toolkit）的表面布尔运算方案，通过直接对髋臼表面模型与磨削工具模型进行差集运算进行可视化，显著提高了显示效果。但在具体实施中，由于分色需要，每次打磨更新都需要对不同颜色区域的表面数据分别进行布尔运算，计算量大、耗时长，且vtkbool库本身稳定性较差，多次调用增加了计算失败的概率。因此，有必要开发一种更加高效、稳定且精度更高的髋臼打磨动态上色方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种髋臼打磨的动态上色方法及存储介质，优化了上色方法，降低了对vtkbool库的依赖度，减少了计算量，提高了计算效率。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种髋臼打磨的动态上色方法，包括以下步骤：

4、s1、根据臼杯模型cup生成两个半球壳表面网格模型，分别记为hemisphere_0和hemisphere_1，其中，hemisphere_0的半径与cup的最外层相同，而hemisphere_1的半径则比hemisphere_0大一个指定的缓冲距离n；

5、s2、将臼杯模型cup移动至髋臼模型bone的预定位置，获得其变换矩阵t，并应用变换矩阵t于hemisphere_0和hemisphere_1；

6、s3、通过vtkbool模组，计算并生成髋臼模型bone中的待打磨区域green、警示区域red；

7、s4、在导航式髋臼打磨过程中，使用磨削头模型reamer对髋臼模型bone进行磨削，通过实时差集运算更新髋臼模型bone，并利用vtk库函数根据预设的模板区域动态设置模型表面颜色，实现精准磨削与可视化警示。

8、步骤s1具体包括：

9、s1.1、在图像坐标中导入臼杯模型，记该模型为cup，cup的最外层呈半球状，确定该半球的球心为臼杯的旋转中心o，以及半球的半径为已知值r；

10、s1.2、以球心o为圆心，以半球的半径r为半径，生成一个半球壳表面网格模型，该模型记为hemisphere_0，其底面与cup的底面平齐，确保两者在空间位置上的对应性；

11、s1.3、同样以球心o为圆心，以r+n为半径生成另一个半球壳表面网格模型，其中n为指定的缓冲区域的厚度。

12、步骤s2具体包括：

13、s2.1、在图像坐标中导入髋臼模型，记该模型为bone，通过平移和/或旋转的方式，将之前导入的臼杯模型cup移动至髋臼分色模型bone上的预定位置，在移动过程中，记录并获取在图像坐标系下，cup从初始位置至规划位置所经历的刚体变换矩阵t；

14、s2.2、将刚体变换矩阵t应用于hemisphere_0和hemisphere_1，通过应用该变换矩阵，使hemisphere_0和hemisphere_1也移动至与cup相同的规划位置。

15、步骤s3中，通过vtkbool模组，计算并生成髋臼模型bone中的待打磨区域green、警示区域red，包括：

16、s3.1、使用vtkbool模组对bone与hemisphere_0进行交集运算，所得的表面网格数据记为green，表示待打磨区域；

17、s3.2、使用vtkbool模组对bone与hemisphere_1进行差集运算，所得表面网格数据记为red，表示警示区域。

18、步骤s4中，所述在导航式髋臼打磨过程中，使用磨削头模型reamer对髋臼模型bone进行磨削，包括：

19、s4.1、在磨削器械与患者髋臼上分别刚性固连光学追踪阵列；

20、s4.2、通过定位相机实时回传定位相机坐标系fcamera至器械追踪阵列坐标系ftoolrf的转换矩阵tcameratotoolrf，以及fcamera至骨追踪阵列坐标系fbonerf的转换矩阵tcameratobonerf；

21、s4.3、进行图像配准操作，将上述两个转换矩阵用于图像导航定位，以确保真实世界中患者髋臼与磨削器械的相对位置关系在图像空间中与髋臼模型与磨削器械模型的相对位置关系保持一致；

22、s4.4、对真实世界中的磨削器械进行移动，利用建立的图像导航定位关系，实时更新图像中髋臼模型与磨削器械模型的位置，使得两者在图像空间中的相对位置关系与真实世界中的相对位置关系保持同步。

23、步骤s4中，所述通过实时差集运算更新髋臼模型bone，包括

24、s4.5、监测reamer位置的变化，使用vtkbool模组对bone与reamer进行差集运算，生成新的髋臼模型表面网格数据；

25、s4.6、将新生成的表面网格数据重新赋值给髋臼模型bone，完成模型更新。

26、步骤s4中，所述利用vtk库函数根据预设的模板区域动态设置模型表面颜色，包括：

27、s4.7、调用vtk库的vtkselectenclosedpoints函数，遍历更新后的髋臼模型bone的每一个网格顶点；

28、s4.8、对于髋臼模型bone的每一个网格顶点，根据其与待打磨区域green、警示区域red的空间位置关系，设置相应的颜色标量。

29、步骤s4.8具体包括：

30、s4.8.1、若bone的某一个网格顶点位于待打磨区域green表面或内部，将该点的rgb标量设为绿色[0,1,0]；

31、s4.8.2、若bone的某一个网格顶点位于警示区域red内，将该点的rgb标量设为红色[1,0,0]；

32、s4.8.3、若bone的某一个网格顶点不位于上述两个区域，将该点的rgb标量设为白色[1,1,1]，从而实现动态上色。

33、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的方法步骤。

34、一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的方法步骤。

35、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

36、本技术采用vtk库和vtkbool模组进行表面布尔运算，且优化了上色方法，降低了对vtkbool库的依赖度，每次磨削更新只需调用一次vtkbool模组，随后利用vtk库的原生函数进行着色判断，从而减少了计算量，提高了计算效率；

37、由于减少了vtkbool模组的调用次数，降低了因多次调用导致的计算失败概率，提高了系统的稳定性和可靠性，此外，使用vtk库的vtkselectenclosedpoints函数进行着色判断，增加了着色过程的鲁棒性；

38、直接对表面网格数据进行差集运算，避免了传统方法中表面网格数据与三维影像相互转换时因体素尺寸限制导致的模型精度下降问题，保持了较高的几何精度和表面平滑度；

39、在打磨过程中，仅对髋臼模型数据进行表面布尔运算，便于后台对数据的管理和恢复，在程序异常崩溃时，仅需保存髋臼模型数据，下次进入程序时即可恢复之前的打磨进度；

40、通过动态上色技术，能够实时显示打磨过程中的髋臼模型状态，包括待打磨区域、缓冲区域和警示区域，当磨削超过规划磨削区域时，尤其是超过指定的缓冲距离时，髋臼模型会显示红色以警示操作人员，有助于操作人员准确判断打磨进度，避免过度打磨或打磨不足，从而提高打磨精度。