一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质与流程

1.本发明涉及人工智能技术领域，具体涉及一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质。


背景技术：

2.人体的膝关节由股骨、胫骨及髌骨之间的关节面组成，它是连接股骨与胫骨的关节，也是全身受力最重的关节之一。当出现诸如严重的骨性关节炎、类风湿性关节炎、创伤性关节炎等膝关节的病变时，膝关节无法行使正常功能，就需要进行膝关节置换，将病变的部分(包含股骨部分、胫骨部分和半月板等等)用人工假体取代，以缓解关节疼痛、矫正畸形、恢复和改善关节的运动功能，提高患者生活质量。
3.人的膝关节表面由软骨覆盖，随着年龄的增加，软骨逐渐磨损，同时膝关节周围的骨骼、韧带也发生退变，最后造成膝关节疼痛、畸形、活动障碍。很多人都存在一种误区，觉得膝关节置换术是将整个膝盖都换掉，但并非如此，膝关节置换术主要是把膝关节表面的已经磨损成坑坑洼洼的软骨替换成金属的假体和高分子聚乙烯的耐磨垫片。
4.人工膝关节置换的类型包括全膝关节置换术(tka)和单髁关节置换术(uka)。
5.以全膝关节置换术(tka)为例，其是指用人工材料置换因膝关节骨关节炎或类风湿关节炎而变形的膝关节的手术(如附图1所示)，是治疗各种原因导致终末期膝关节骨性关节炎的有效手术方式。
6.膝关节置换术(tka)的步骤通常包括患者摆位、切开皮肤、显露膝关节、胫骨向前拉出脱位、软组织松解、清除周围骨赘、股骨五个平面(前髁、前斜、远端、后斜、后髁)截骨、胫骨平面截骨、安装股骨假体、植入胫骨假体、安装胫骨垫片、调整及缝合等等。上述步骤中，股骨、胫骨平面截骨这两个步骤对医生的技术要求相对较高，需要医生较为精确的按照既定的位置、姿态进行截骨操作，以保证切削出的关节截面符合手术规划、具有良好的屈伸间隙平衡并恢复精确的下肢力线。完美的截骨操作不但能够缓解患者术后疼痛程度、改善患者的膝关节功能，也能防止安放的关节假体脱位、减少notching(股骨前皮质切迹，是一种常见的tka术后并发症，是指tka术中前髁截骨不良导致股骨前方皮质骨缺损，股骨前皮质最远端切线和股骨假体与股骨接触切线的垂直距离》1mm)现象，并延长假体的使用寿命。因此，股骨、胫骨平面截骨这两个重要环节直接关系到整个手术的成败。
7.传统的膝关节置换术中，股骨、胫骨平面截骨是由医生手持截骨摆锯人工完成。一方面，人工手持操作降低了截骨的平面精度，可能损伤到患者的软组织与韧带，降低了整个手术的治疗效果；另一方面，较大的切削反作用力也给医生带来了较大的负担。
8.还有一些保证平面截骨精度与边界约束的做法是使用截骨导板或四合一引导器，在膝关节显露后，将截骨导板或引导器用克氏针固定在股骨或胫骨上，使用手持式截骨摆锯完成截骨操作。这种方式需要对患者骨骼额外的打钉操作，使得手术流程更加繁琐，另外，由医生手动控制的截骨摆锯也无法完全保证不伤及患者的软组织与韧带。
9.采用机器人辅助的膝关节置换术，可以由机械臂辅助医生进行交互式的股骨、胫
骨平面截骨，由机械臂带动截骨摆锯、通过医生触发工具动力，受控地完成截骨流程。不但能够提高平面截骨的精度，在改善手术效果的同时，也大大减少了医生的体力消耗。但是，在应用机器人辅助进行膝关节置换手术的股骨、胫骨平面截骨过程中，截骨摆锯在截骨平面内的位置需要受到一定的边界限制，防止产生因运动范围过大导致的软组织及韧带损伤、手术精度降低。现有技术中，由于无法将机器人的截骨摆锯限定在截骨平面内，时常因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质，以解决相关技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
11.为达到上述技术目的，本发明采取了以下技术方案：
12.根据本发明的第一方面，提供了一种截骨平面边界控制方法，包括：
13.步骤s1、通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；
14.步骤s2、每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；
15.步骤s3、判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，则返回步骤s1重新计算搜索方向，进行步进式搜索。
16.优选地，所述步骤s1包括：
17.步骤s11、获取截骨摆锯中心点的规划坐标，截骨摆锯的规划方向向量，截骨平面的边界点集，由边界点集构成的边界连线集，单次步进量；
18.步骤s12、遍历所述边界连线集中的每条边界连线，计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；
19.步骤s13、遍历截骨摆锯中心点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号；
20.步骤s14、判断所述截骨摆锯中心点是否位于所述边界连线集内，若是，则初始化搜索坐标点等于所述截骨摆锯中心点的规划坐标，否则，初始化搜索坐标点等于距离最短的边界连线上的最近点坐标；
21.步骤s15、计算搜索方向，所述搜索方向为距离最短的两条边界连线的方向向量的加权求和，每条边界连线的方向向量的权重值为另一条边界连线与截骨摆锯中心点的距离值。
22.优选地，所述步骤s2包括：
23.步骤s21、沿所述搜索方向执行步进搜索，并在每次步进搜索完成后，将所述搜索坐标点更新为原搜索坐标点与所述搜索方向上的步进量之和；
24.步骤s22、根据更新后的搜索坐标点、所述截骨摆锯的规划方向向量，计算截骨摆锯处于左极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的左极限点坐标，及，截骨摆锯处于右极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的右极限点坐标。
25.优选地，所述步骤s3包括：
26.步骤s31、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，若不相交，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若相交，继续下一步；
27.步骤s32、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算当前搜索坐标点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；
28.步骤s33、遍历当前搜索坐标点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号，返回步骤s15。
29.优选地，所述步骤s12中计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标，包括：
30.对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系；
31.若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的左侧延长线上，将该条边界连线的左侧端点的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与左侧端点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；
32.若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上，将该条边界连线的右侧端点的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与右侧端点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；
33.若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线上，将投影点确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与投影点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离。
34.优选地，所述对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系，包括：
35.将该条边界连线的左侧端点确定为向量起点，该条边界连线的向量方向为左侧端点指向右侧端点；
36.计算左侧端点与截骨摆锯中心点之间的连线向量，在该条边界连线的向量方向上的投影；
37.若所述投影的长度小于等于0，判定截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上；
38.若所述投影的长度大于0，小于等于该条边界连线的向量长度，判定截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线上；
39.若所述投影的长度大于该条边界连线的向量长度，判定截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上。
40.优选地，所述步骤s14中判断所述截骨摆锯中心点是否位于所述边界连线集内，包括：
41.步骤s141、以截骨摆锯中心点为起点，沿任意方向，向无穷远处生成一条射线；
42.步骤s142、遍历边界点集中的每个边界点，判断所述射线是否经过边界点，若是，返回步骤s141，否则，进行下一步；
43.步骤s143、遍历边界连线集中的每条边界连线，判断所述射线是否与边界连线重合，若是，返回步骤s141，否则，进行下一步；
44.步骤s144、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算所述射线与边界连线相交的交点个数；
45.步骤s145、若所述交点个数为奇数，则判定截骨摆锯中心点位于所述边界连线集内；若所述交点个数为偶数，则判定截骨摆锯中心点位于所述边界连线集外。
46.优选地，所述步骤s31中遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，包括：
47.对任一条边界连线，计算该条边界连线的右侧端点与左极限点之间的连线向量，与，右侧端点与左侧端点的连线向量之间的第一旋转方向；
48.计算该条边界连线的右侧端点与右极限点之间的连线向量，与，右侧端点与左侧端点的连线向量之间的第二旋转方向；
49.若第一旋转方向和第二旋转方向的乘积大于0，则判定左极限点和右极限点之间的连线与该条边界连线不相交。
50.优选地，所述步骤s31中遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，包括：
51.对任一条边界连线，计算右极限点与该条边界连线的左侧端点之间的连线向量，与，右极限点与左极限点的连线向量之间的第三旋转方向；
52.计算该条边界连线的右极限点与右侧端点之间的连线向量，与，右极限点与左极限点的连线向量之间的第四旋转方向；
53.若第三旋转方向和第四旋转方向的乘积大于0，则判定左极限点和右极限点之间的连线与该条边界连线不相交。
54.根据本发明的第二方面，提供了一种截骨平面边界控制装置，包括：
55.搜索模块，用于计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；
56.确定模块，用于每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；
57.判断模块，用于判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，则返回搜索模块重新计算搜索方向，进行步进式搜索。
58.根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括：
59.处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；
60.存储器，用于存放计算机程序；
61.处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1～9任一项所述的方法。
62.根据本发明的第四方面，提供了一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使计算机执行上述的方法。
63.本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
64.通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近
(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
65.当本实施例提供的技术方案应用于膝关节置换手术机器人中时，能够精准、易操控地辅助医生进行膝关节置换术中的截骨操作，同时保证摆锯的边界安全性，提高膝关节置换术的准确率、成功率，减轻医生的负担。
66.应用本实施例提供的技术方案，在医生对患者的股骨或胫骨进行平面截骨操作时，当医生需要在平面内动态调整截骨摆锯的位置时，机械臂能够限定医生动态调整的安全区域，保护患者后交叉韧带与内外侧副韧带不受到伤害，保证了平面截骨操作的安全性。
67.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
68.图1是根据背景技术示出的全膝关节置换术(tka)的流程图；
69.图2是根据一示例性实施例示出的一种截骨平面边界控制方法的流程图；
70.图3是根据一示例性实施例示出的膝关节置换手术机器人的部分系统结构示意图；
71.图4是根据一示例性实施例示出的截骨摆锯末端控制模型示意图；
72.图5是根据一示例性实施例示出的截骨平面边界示意图；
73.图6是根据一示例性实施例示出的截骨平面边界控制示意图；
74.图7是根据另一示例性实施例示出的截图平面边界控制方法中搜索过程示意图；
75.图8是根据一示例性实施例示出的截骨摆锯中心点到任一条边界连线的距离，及，最近点坐标的计算示意图；
76.图9是根据一示例性实施例示出的判断截骨摆锯中心点是否位于边界连线集内的计算示意图；
77.图10是根据一示例性实施例示出的向量旋转方向计算算法示意图；
78.图11是根据一示例性实施例示出的一种截骨平面边界控制装置的示意框图；
79.图12是根据一示例性实施例示出的一种电子设备的示意框图。
具体实施方式
80.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
81.如前面背景技术所述，相关技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
82.为了有效解决相关技术中的问题，本发明提供了一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质，下面进行具体阐述。
83.需要说明的是，以下各实施例提及的“连线”(如边界连线、左极限点和右极限点之
间的连线)包括但不限于：线段、折线、曲线等。
84.实施例一
85.图2是根据一示例性实施例示出的一种截骨平面边界控制方法的流程图，参见图2，该方法包括：
86.步骤s1、通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；
87.步骤s2、每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；
88.步骤s3、判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，则返回步骤s1重新计算搜索方向，进行步进式搜索。
89.需要说明的是，本实施例提供的技术方案，在具体实践中，运行在医疗器械的控制器中运行，或者，加载在与所述控制器相连的电子设备中运行，医疗器械的控制器通过调用该电子设备中存储的程序执行相应的方法。
90.该医疗器械具体而言，可以为骨科手术机器人，该骨科手术机器人可以适用于包括但不限于膝关节置换手术中。该方法可以适用于全膝关节置换术(tka)中的截骨平面边界控制，也可用于单髁关节置换术(uka)中的截骨平面边界控制，或推广到任意术式的平面位置的边界控制。
91.可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
92.当本实施例提供的技术方案应用于膝关节置换手术机器人中时，能够精准、易操控地辅助医生进行膝关节置换术中的截骨操作，同时保证摆锯的边界安全性，提高膝关节置换术的准确率、成功率，减轻医生的负担。
93.参见图3，膝关节置换手术机器人可以包括：运动控制pc、机械臂、六维力传感器、工具(截骨摆锯)和光学定位传感器。
94.参见图3，机械臂末端安装六维力传感器，传感器感力端固连截骨摆锯。医生在术中直接与截骨摆锯进行交互式操作，而后运动控制pc即可根据六维力传感器感知医生交互力，通过交互力的具体大小控制机械臂进行动力控制，使得截骨摆锯在截骨平面中受控地交互运动。光学定位传感器则负责实时感知患者与工具的相对位置关系，以便运动控制pc实时计算更新平面位姿信息。
95.可以理解的是，应用本实施例提供的技术方案，在医生对患者的股骨或胫骨进行平面截骨操作时，当医生需要在平面内动态调整截骨摆锯的位置时，机械臂能够限定医生动态调整的安全区域，保护患者后交叉韧带与内外侧副韧带不受到伤害，保证了平面截骨操作的安全性。
96.图4为截骨摆锯末端控制模型示意图，参见图4，v
saw
为摆锯的方向向量，p
center
为摆
锯处于中立位时的末端点坐标，p
left
为摆锯处于左极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的左极限点坐标，p
right
为对应的右极限点坐标。当摆锯末端点坐标、方向向量确定时，左右极限位坐标可根据摆锯的机械结构设计唯一确定。
97.图5为截骨平面边界示意图，参见图5，在截骨平面中，p
boundarys
为边界点，s
boundarys
为边界点之间的折线段。起始、末尾两边界点沿着起始、末尾两折线段向后无限延伸，在无限远处相连，构成平面位置边界。边界折线段所组成的多边形可为任意凹凸形状，本实施例提出的方法不对边界的凹凸性做任何限制。
98.图6为截骨平面边界控制示意图，参见图6，在截骨平面中，p
center_plan
为由医生操作力规划出的截骨摆锯的位置(可能超出边界)，p
center_safe
为截骨摆锯的安全位置(保证处于边界内)。该安全位置能够控制摆锯末端在截骨平面中的平面位置边界内运动，可保证在完成截骨任务的同时不伤及患者后交叉韧带及内外侧副韧带，提高手术的安全性与患者术后恢复效果。
99.在具体实践中，参见图7，所述步骤s1包括：
100.步骤s11、获取截骨摆锯中心点的规划坐标p
center_plan
(x,y)，截骨摆锯的规划方向向量v
saw
(x,y)，截骨平面的边界点集p
boundarys
，由边界点集构成的边界连线集s
boundarys
，单次步进量inch
dist
；
101.步骤s12、遍历所述边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，取计算截骨摆锯中心点p
center_plan
到每条边界连线的距离disti，及，最近点坐标p_closesti；
102.步骤s13、计算截骨摆锯中心点p
center_plan
到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号
103.步骤s14、判断所述截骨摆锯中心点p
center_plan
是否位于所述边界连线集s
boundarys
内，若是，则初始化搜索坐标点等于所述截骨摆锯中心点的规划坐标p
iter
＝p
center_plan
，否则，初始化搜索坐标点等于距离最短的边界连线上的最近点坐标
104.步骤s15、计算搜索方向步骤s15、计算搜索方向其中代表由边界连线集构成的指向边界内的方向向量(单位向量)；对inch
dir
进行单位化操作，使其归一为单位向量。
105.在具体实践中，所述步骤s2包括：
106.步骤s21、沿所述搜索方向执行步进搜索，并在每次步进搜索完成后，将所述搜索坐标点更新为原搜索坐标点与所述搜索方向上的步进量之和p
iter
＝p
iter
+inch
dir
*inch
dist
；
107.步骤s22、根据更新后的搜索坐标点p
iter
、所述截骨摆锯的规划方向向量v
saw
，计算截骨摆锯处于左极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的左极限点坐标p
left
，及，截骨摆锯处于右极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的右极限点坐标p
right
。
108.在具体实践中，所述步骤s3包括：
109.步骤s31、遍历边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，取计算左极限点p
left
和右极限点p
right
之间的连线与每条边界连线是否相交，若不相交，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标p
center_safe
＝p
iter
；否相交，继续下一步；
110.步骤s32、遍历边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，取计算当前搜索坐标点p
iter
到每条边界连线的距离disti，及，最近点坐标p_closesti；
111.步骤s33、遍历当前搜索坐标点p
iter
到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号返回步骤s15。
112.在具体实践中，可以通过调整步进量(通常将步进量控制在截骨摆锯左右极限间宽度的1/20以上、1/10以下)，进而控制最大步进搜索次数，以约束搜索时间，保证算法的执行耗时。
113.通过上述的位置边界控制方法，能保证当由医生操作力规划出的手术工具位置超出边界时，将该位置修正在边界范围内，并且符合期望方向的位置，以控制机械臂运动，适应医生的操作。
114.在具体实践中，参见图8，所述步骤s12中计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标，包括：
115.对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系；
116.若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的左侧延长线上(此种情况下，截骨摆锯中心点位置如图8中点p1)，将该条边界连线的左侧端点pa的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点p1与左侧端点pa之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；
117.若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上(此种情况下，截骨摆锯中心点位置如图8中点p3)，将该条边界连线的右侧端点pb的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点p3与右侧端点pb之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；
118.若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线上(此种情况下，截骨摆锯中心点位置如图8中点p2)，将投影点确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点p2与投影点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离。
119.参见图8，所述对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系，包括：
120.将该条边界连线的左侧端点pa确定为向量起点，该条边界连线的向量方向为左侧端点pa指向右侧端点pb；
121.计算左侧端点pa与截骨摆锯中心点p(p可能为p1、p2、p3中的一个点)之间的连线向量，在该条边界连线的向量方向上的投影；
122.若所述投影的长度小于等于0，判定截骨摆锯中心点p在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上；
123.若所述投影的长度大于0，小于等于该条边界连线的向量长度d，判定截骨摆锯中心点p在该条边界连线上的投影落在该条边界连线上；
124.若所述投影的长度大于该条边界连线的向量长度d，判定截骨摆锯中心点p在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上。
125.以上，用数据公式表达为：假设截骨摆锯中心点为p(p1、p2、p3)，边界连线为由点pa、pb组成的线段，距离点p最近的点p
min
，采用如下公式计算：
[0126][0127]
其中，
[0128][0129][0130]
d＝‖p
b-pa‖
[0131]
则点p到由点pa、pb组成的线段的最短距离采用如下公式计算：
[0132]dmin
＝‖p-p
min
‖
[0133]
在具体实践中，参见图9，所述步骤s14中判断所述截骨摆锯中心点是否位于所述边界连线集内，包括：
[0134]
步骤s141、以截骨摆锯中心点p为起点，沿任意方向，向无穷远处生成一条射线half_line；
[0135]
步骤s142、遍历边界点集p
boundarys
中的每个边界点，，取判断所述射线half_line是否经过边界点若是，返回步骤s141，否则，进行下一步；
[0136]
步骤s143、遍历边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，取判断所述射线half_line是否与边界连线重合，若是，返回步骤s141，否则，进行下一步；
[0137]
步骤s144、遍历边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，计算所述射线half_line与边界连线相交的交点个数n；
[0138]
步骤s145、若所述交点个数n为奇数，则判定截骨摆锯中心点p位于所述边界连线集内flag＝true；若所述交点个数n为偶数，则判定截骨摆锯中心点p位于所述边界连线集外flag＝false。
[0139]
需要说明的是，实际应用中，射线可等效为射线起点与射线方向上无穷远处一点间的线段，则s14中的射线与线段相交计算可转化为线段的相交检测。
[0140]
在具体实践中，所述步骤s31中遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，包括：
[0141]
对任一条边界连线，计算该条边界连线的右侧端点与左极限点之间的连线向量，
与，右侧端点与左侧端点的连线向量之间的第一旋转方向；
[0142]
计算该条边界连线的右侧端点与右极限点之间的连线向量，与，右侧端点与左侧端点的连线向量之间的第二旋转方向；
[0143]
若第一旋转方向和第二旋转方向的乘积大于0，则判定左极限点和右极限点之间的连线与该条边界连线不相交。
[0144]
对任一条边界连线，计算右极限点与该条边界连线的左侧端点之间的连线向量，与，右极限点与左极限点的连线向量之间的第三旋转方向；
[0145]
计算该条边界连线的右极限点与右侧端点之间的连线向量，与，右极限点与左极限点的连线向量之间的第四旋转方向；
[0146]
若第三旋转方向和第四旋转方向的乘积大于0，则判定左极限点和右极限点之间的连线与该条边界连线不相交。
[0147]
为了便于理解所述步骤s31中遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与任一条边界连线是否相交的计算过程，现在以左极限点为pc和右极限点pd，任一条边界连线的左侧端点为pa，右侧端点为pb为例，参见图9，进行解释说明如下：
[0148]
设kross(v1,v2)为表征向量旋转方向的函数，点pa、pb组成线段，点pc、pd组成线段，则可采用如下算法快速判断两线段是否相交：
[0149][0150]
其中，
[0151]vda
＝p
a-pd[0152]vdb
＝p
b-pd[0153]vdc
＝p
c-pd[0154]vba
＝p
a-pb[0155]vbc
＝p
c-pb[0156]
参见图10，所述kross(v1,v2)函数定义为：
[0157]
两个向量v1(x1,y1)、v2(x2,y2)间的旋转方向采用如下计算方法：
[0158][0159]
其中，
[0160]
kross(v1,v2)＝x1*y
2-x2*y1[0161]
eps为浮点数极小数，一般可取0.000001。
[0162]
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过截骨平面的边界控制，能保证当由医生操作力规划出的手术工具位置超出边界时，将该位置修正为指定边界范围内，并且符合期望方向的位置，提高了手术成功率。
[0163]
另外，本实施例提供的这种截骨平面的边界控制方法，不对边界的凹凸性做任何限制，支持根据患者解剖结构自定义边界类型，能保护患者的后交叉韧带与内外侧副韧带不受到伤害，避免对软组织与韧带不必要的过度切削。
[0164]
再者，本实施例提供的技术方案，根据由医生操作力规划出的手术工具位置、手术安全区域边界，计算手术工具安全位置，下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地实现对股骨、胫骨的截骨操作。而且仅需截骨摆锯的期望位置、期望方向与安全边界，无需获取截骨摆锯当前位置、当前方向，减少了系统时滞对控制带来的影响，且能保证给出的截骨摆锯安全方向符合期望方向。
[0165]
实施例二
[0166]
根据另一示例性实施例示出的一种截骨平面边界控制方法，该方法包括：
[0167]
步骤s11、获取截骨摆锯中心点的规划坐标p
center_plan
(x,y)，截骨摆锯的规划方向向量v
saw
(x,y)，截骨平面的边界点集p
boundarys
，由边界点集构成的边界连线集s
boundarys
，单次步进量inch
dist
；
[0168]
步骤s12、遍历所述边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，取计算截骨摆锯中心点p
center_plan
到每条边界连线的距离disti，及，最近点坐标p_closesti；
[0169]
步骤s13、计算截骨摆锯中心点p
center_plan
到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号
[0170]
步骤s14、判断所述截骨摆锯中心点p
center_plan
是否位于所述边界连线集s
boundarys
内，若是，则初始化搜索坐标点等于所述截骨摆锯中心点的规划坐标p
iter
＝p
center_plan
，否则，初始化搜索坐标点等于距离最短的边界连线上的最近点坐标
[0171]
步骤s15、计算搜索方向步骤s15、计算搜索方向其中代表由边界连线集构成的指向边界内的方向向量(单位向量)；对inch
dir
进行单位化操作，使其归一为单位向量；
[0172]
步骤s21、沿所述搜索方向执行步进搜索，并在每次步进搜索完成后，将所述搜索坐标点更新为原搜索坐标点与所述搜索方向上的步进量之和p
iter
＝p
iter
+inch
dir
*inch
dist
；
[0173]
步骤s22、根据更新后的搜索坐标点p
iter
、所述截骨摆锯的规划方向向量v
saw
，计算截骨摆锯处于左极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的左极限点坐标p
left
，及，截骨摆锯处于右极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的右极限点坐标p
right
；
[0174]
步骤s31、遍历边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，取计算左极限点p
left
和右极限点p
right
之间的连线与每条边界连线是否相交，若不相交，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标p
center_safe
＝p
iter
；否相交，继续下一步；
[0175]
步骤s32、遍历边界连线集s
boundarys
中的每条边界连线，取计算当前搜索坐标点p
iter
到每条边界连线的距离disti，及，最近点坐标p_closesti；
[0176]
步骤s33、遍历当前搜索坐标点p
iter
到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号返回步骤s15。
[0177]
需要说明的是，本实施例提供的技术方案，在具体实践中，运行在医疗器械的控制器中运行，或者，加载在与所述控制器相连的电子设备中运行，医疗器械的控制器通过调用该电子设备中存储的程序执行相应的方法。
[0178]
该医疗器械具体而言，可以为骨科手术机器人，该骨科手术机器人可以适用于包括但不限于膝关节置换手术中。该方法可以适用于全膝关节置换术(tka)中的截骨平面边界控制，也可用于单髁关节置换术(uka)中的截骨平面边界控制，或推广到任意术式的平面位置的边界控制。
[0179]
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
[0180]
当本实施例提供的技术方案应用于膝关节置换手术机器人中时，能够精准、易操控地辅助医生进行膝关节置换术中的截骨操作，同时保证摆锯的边界安全性，提高膝关节置换术的准确率、成功率，减轻医生的负担。
[0181]
另外，本实施例提供的这种截骨平面的边界控制方法，不对边界的凹凸性做任何限制，支持根据患者解剖结构自定义边界类型，能保护患者的后交叉韧带与内外侧副韧带不受到伤害，避免对软组织与韧带不必要的过度切削。
[0182]
再者，本实施例提供的技术方案，根据由医生操作力规划出的手术工具位置、手术安全区域边界，计算手术工具安全位置，下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地实现对股骨、胫骨的截骨操作。而且仅需截骨摆锯的期望位置、期望方向与安全边界，无需获取截骨摆锯当前位置、当前方向，减少了系统时滞对控制带来的影响，且能保证给出的截骨摆锯安全方向符合期望方向。
[0183]
实施例三
[0184]
基于同一构思，参见图11，根据一示例性实施例示出的一种截骨平面边界控制装置100，包括：
[0185]
搜索模块101，用于计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；
[0186]
确定模块102，用于每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；
[0187]
判断模块103，用于判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，
则返回搜索模块重新计算搜索方向，进行步进式搜索。
[0188]
需要说明的是，上述各模块的实现方式及有益效果可以参见上述实施例相关步骤的介绍，本实施例不再赘述。
[0189]
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
[0190]
实施例四
[0191]
参见图12，根据一示例性实施例示出的一种电子设备，包括：
[0192]
处理器701、通信接口702、存储器703和通信总线704，其中，处理器701、通信接口702、存储器703通过通信总线704完成相互间的通信；
[0193]
存储器703，用于存放计算机程序；
[0194]
处理器701，用于执行存储器上所存放的程序时，实现上述的方法。
[0195]
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
[0196]
实施例五
[0197]
根据一示例性实施例示出的一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，所述计算机指令用于使计算机执行上述的方法。
[0198]
可以理解的是，本实施例提供的技术方案，通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。
[0199]
当然，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件(如处理器，控制器等)来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程。其中所述的存储介质可为存储器、磁碟、光盘等。
[0200]
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

技术特征：
1.一种截骨平面边界控制方法，其特征在于，包括：步骤s1、计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；步骤s2、每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；步骤s3、判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，则返回步骤s1重新计算搜索方向，进行步进式搜索。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s1包括：步骤s11、获取截骨摆锯中心点的规划坐标，截骨摆锯的规划方向向量，截骨平面的边界点集，由边界点集构成的边界连线集，单次步进量；步骤s12、遍历所述边界连线集中的每条边界连线，计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；步骤s13、遍历截骨摆锯中心点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号；步骤s14、判断所述截骨摆锯中心点是否位于所述边界连线集内，若是，则初始化搜索坐标点等于所述截骨摆锯中心点的规划坐标，否则，初始化搜索坐标点等于距离最短的边界连线上的最近点坐标；步骤s15、计算搜索方向，所述搜索方向为距离最短的两条边界连线的方向向量的加权求和，每条边界连线的方向向量的权重值为另一条边界连线与截骨摆锯中心点的距离值。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s2包括：步骤s21、沿所述搜索方向执行步进搜索，并在每次步进搜索完成后，将所述搜索坐标点更新为原搜索坐标点与所述搜索方向上的步进量之和；步骤s22、根据更新后的搜索坐标点、所述截骨摆锯的规划方向向量，计算截骨摆锯处于左极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的左极限点坐标，及，截骨摆锯处于右极限位时，横向位移投影到摆锯刃面对应的右极限点坐标。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤s3包括：步骤s31、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，若不相交，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若相交，继续下一步；步骤s32、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算当前搜索坐标点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标；步骤s33、遍历当前搜索坐标点到边界连线的距离，查找距离最短的两条边界连线的索引号，返回步骤s15。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s12中计算截骨摆锯中心点到每条边界连线的距离，及，最近点坐标，包括：对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系；若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的左侧延长线上，将该条边界连线的左侧端点的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与左侧端点之间的距离
为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上，将该条边界连线的右侧端点的坐标确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与右侧端点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离；若截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线上，将投影点确定为最近点坐标，截骨摆锯中心点与投影点之间的距离为截骨摆锯中心点到该条边界连线的距离。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对任一条边界连线，判断截骨摆锯中心点与该条边界连线的位置关系，包括：将该条边界连线的左侧端点确定为向量起点，该条边界连线的向量方向为左侧端点指向右侧端点；计算左侧端点与截骨摆锯中心点之间的连线向量，在该条边界连线的向量方向上的投影；若所述投影的长度小于等于0，判定截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上；若所述投影的长度大于0，小于等于该条边界连线的向量长度，判定截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线上；若所述投影的长度大于该条边界连线的向量长度，判定截骨摆锯中心点在该条边界连线上的投影落在该条边界连线的右侧延长线上。7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s14中判断所述截骨摆锯中心点是否位于所述边界连线集内，包括：步骤s141、以截骨摆锯中心点为起点，沿任意方向，向无穷远处生成一条射线；步骤s142、遍历边界点集中的每个边界点，判断所述射线是否经过边界点，若是，返回步骤s141，否则，进行下一步；步骤s143、遍历边界连线集中的每条边界连线，判断所述射线是否与边界连线重合，若是，返回步骤s141，否则，进行下一步；步骤s144、遍历边界连线集中的每条边界连线，计算所述射线与边界连线相交的交点个数；步骤s145、若所述交点个数为奇数，则判定截骨摆锯中心点位于所述边界连线集内；若所述交点个数为偶数，则判定截骨摆锯中心点位于所述边界连线集外。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤s31中遍历边界连线集中的每条边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，包括：对任一条边界连线，计算该条边界连线的右侧端点与左极限点之间的连线向量，与，右侧端点与左侧端点的连线向量之间的第一旋转方向；计算该条边界连线的右侧端点与右极限点之间的连线向量，与，右侧端点与左侧端点的连线向量之间的第二旋转方向；若第一旋转方向和第二旋转方向的乘积大于0，则判定左极限点和右极限点之间的连线与该条边界连线不相交。9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤s31中遍历边界连线集中的每条
边界连线，计算左极限点和右极限点之间的连线与每条边界连线是否相交，包括：对任一条边界连线，计算右极限点与该条边界连线的左侧端点之间的连线向量，与，右极限点与左极限点的连线向量之间的第三旋转方向；计算该条边界连线的右极限点与右侧端点之间的连线向量，与，右极限点与左极限点的连线向量之间的第四旋转方向；若第三旋转方向和第四旋转方向的乘积大于0，则判定左极限点和右极限点之间的连线与该条边界连线不相交。10.一种截骨平面边界控制装置，其特征在于，包括：搜索模块，用于计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索；确定模块，用于每次步进搜索完成后，更新搜索点坐标，并根据更新后的搜索坐标点，确定截骨摆锯刃面对应的左极限点坐标和右极限点坐标；判断模块，用于判断左极限点和右极限点之间的连线与截骨平面的边界连线是否相交，若否，则完成搜索，将当前搜索坐标点输出为截骨摆锯中心点的安全坐标；若是，则返回搜索模块重新计算搜索方向，进行步进式搜索。11.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器，用于存放计算机程序；处理器，用于执行存储器上所存放的程序时，实现权利要求1～9任一项所述的方法。12.一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1-9中任一项所述的方法。

技术总结
本发明公开了一种截骨平面边界控制方法、电子设备及存储介质，该方法通过计算截骨摆锯中心点到截骨平面的边界连线的距离，选取距离最短的两条边的朝内向量加权求和，作为搜索方向，进行步进式搜索，以快速寻找距离平面位置边界最近(即符合期望的运动方向和姿态)并处于平面边界内的安全位置，后续将该安全位置下发给机械臂，带动手术工具进行运动，进而精准、安全地帮助医生实现对股骨、胫骨的截骨操作。解决了现有技术中因截骨摆锯运动范围过大导致软组织及韧带损伤、手术精度降低的技术问题。题。题。


技术研发人员：刘重续 刘铁昌 胡天明 朱长海
受保护的技术使用者：北京天智航医疗科技股份有限公司
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/20