(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210565677.4 (22)申请日 2022.05.22 (71)申请人 北京航空航天大 学 地址 100191 北京市海淀区学院路37号 (72)发明人 刘文勇　段薇　谭保森　王云宁　 (51)Int.Cl. G16H 20/40(2018.01) G16H 50/50(2018.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06V 10/26(2022.01) G06V 10/40(2022.01) G06V 10/766(2022.01) G06V 10/82(2022.01) G06N 3/04(2006.01) G06N 3/08(2006.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种融合解剖及力学特性的脊柱手术直线 型路径自动规划方法 (57)摘要 本发明涉及医学、 生物力学领域， 尤其涉及 一种融合解剖及力学特性的脊柱手术直线型路 径自动规划方法。 该方法包含两个阶段， 第一阶 段采用力学分布生成子网络， 完成脊柱力学分布 信息的回归 预测； 第二阶段采用形状 分割子网络 和路径点定位子网络以及一个入点重定位计算 模块， 完成手术路径点的自动预测和重定位计 算。 该方法利用有限元法获得椎弓根钉植入手术 中的腰椎受力信息， 并利用三线性插值设计了一 种脊柱力学信息离散化方法； 采用平均绝对误差 (MAE)和归一化平均绝对 误差(NMA E)作为网络评 价指标， 对力学分布自动生成网络进行了定量； 采用均方误差(MSE)评估了手术路径关键点回归 网络的误差。 该方法可实现融合解剖及力学特性 的脊柱手术 直线型手术路径的自动规划。 权利要求书1页 说明书3页 附图2页 CN 114944216 A 2022.08.26 CN 114944216 A 1.一种融合解剖及力学特性的脊柱手术直线型路径自动规划方法， 其特征在于， 该方 法包括四个步骤： 步骤一： 设计融合解剖及力学特性的脊柱手术直线型路径自动规划方案， 包括两个阶 段： 第一阶段获得脊柱力学分布数据和第二阶段获得手术路径点数据。 步骤二： 建立 脊柱椎块在经皮椎弓根螺钉 手术中的有限元模型， 获得 椎块的应力数据。 步骤三： 设计力学模型参数化方法， 将脊柱椎块有限元模型离散化， 构建符合神经网络 训练要求的力学训练数据集。 步骤四： 完成第 一阶段力学分布自动 生成网络和第 二阶段手术路径关键点 回归网络的 训练和测试， 并对网络的性能进行定量评价。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于步骤一中， 提出了一种融合解剖及力学特性 的脊柱手术直线型路径的两阶段式自动规划方法， 第一阶段采用力学分布生成子网络， 完 成脊柱力学分布信息的回归预测； 第二阶段采用形状分割子网络和路径点定位子网络以及 一个入点重 定位计算模块， 完成手术路径点的自动预测 和入点重 定位计算。 3.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于步骤二中， 采用有限元建模方法建立适用于 椎弓根螺钉植入手术的脊柱椎块节段 受力模型， 建模的步骤是： 首先， 利用逆向工程软件生 成实体模型； 然后， 利用机械三维设计软件绘制椎间盘结构并添加螺钉模型； 最后， 利用有 限元处理软件赋予材 料属性并定义载荷 及边界条件， 来得到椎块的应力 信息。 4.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于步骤三中， 设计了一种基于三线性插值的力 学模型离散化方法， 可得到力学信息的规则化数据场。 离散化过程为： 用一个应力单元的质 心坐标来表示该应力单元 的位置， 以脊柱形状标签为边界约束条件， 对椎块质心的数据进 行三线性插值， 计算出CT图像中每个脊椎标签体素的应力值。 最 终， 使得每个应力分析单元 与原始CT数据的体素 单元相对应。 5.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于步骤四中， 设计了一种基于深度学习的力学 分布生成网络， 该网络基于 改进的3D ‑Unet网络结构， 包含编码器和解码器两部分， 添加不 同特征尺度间的跨层连接， 采用六层下采样和残差模块来增加网络的特征提取能力。 采用 平均绝对误差(MAE)和归一化平均绝对误差(NMAE)作为网络评价指标。 网络的输入是三维 脊柱CT图像， 输出 是力学分布图。 6.根据权利要求1所述的方法， 其特征在于步骤四中， 设计了一种基于深度学习的路径 点定位网络， 该网络采用卷积层与全连接层结合的方式构建， 使用Bottleneck残差模块增 加网络的深度， 采用均方误差(MS E)来评估 该路径点预测值误差。 网络的输入包括脊柱 三维 CT图像和力学分布图两部分， 手术路径点定位网络包含特征提取和路径点回归两部分， 网 络输出6个值， 拟合手术路径入点和方向点的三维坐标值。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114944216 A 2一种融合解剖及力学 特性的脊柱手术直线型路径自动规划 方法 技术领域 [0001]本发明涉及医学、 生物力学领域， 尤其涉及一种融合解剖及力学特性的脊柱手术 直线型路径自动规划方法。 背景技术 [0002]图像引导下的机器人辅助手术已成为骨科领域的研发及应用热点， 正在加速骨科 治疗的精准化、 微创化和智能化发展。 基于图像的手术路径规划方法直接影响机器人辅助 脊柱手术的人机交 互性能。 [0003]直线型手术路径在脊柱临床上应用非常普遍， 常见于椎弓根螺钉植入等手术过 程。 早期的手术路径 规划方法主要是由医生在软件交互界面上进 行手动或半自动的交互式 操作。 其中的操作方法和交互界面带有明显的工程特征， 难以很好地兼容医生既有的操作 习惯， 操作效率较低， 是影响机器人辅助脊柱手术大 范围推广应用的一个瓶颈 。 [0004]统计形状模型方法和深度学习方法为探索机器人辅助脊柱手术路径的自动规划 和智能规划技术提供了可能的解决方案。 既有的基于术前三 维CT图像和深度神经网络的脊 柱手术路径自动规划研究， 已初步表明了智能技术在机器人辅助脊柱手术路径的自动规划 领域的潜在优势和应用可 行性。 [0005]我们注意到： 在机器人辅助脊柱椎弓根螺钉植入过程中， 医生进行手动或半自动 的手术路径 规划操作时， 会综合考虑患者的解剖结构特征和病理特征  (如： 应力集中位置、 骨质疏松分布等)， 主观上已经内含了一定的生物力学特性考量。 如果将生物力学模型参数 化， 融入深度学习过程， 有望进一 步提升手术路径自动规划方法的合理性和临床精准度。 [0006]本发明针对机器人辅助脊柱椎弓根螺钉植入手术的直线型手术路径的自动规划 需求， 综合脊柱解剖学特征和力学分布特性， 提供了一种融合解剖及力学特性的两阶段式 直线型手术路径自动规划方法。 发明内容 [0007]本发明提出一种融合解剖及力学特性的脊柱手术直线型路径的自动规划方法， 将 深度学习技术和生物力学技术用于脊柱椎弓根螺钉植入手术的路径规划过程。 在自动规划 过程中， 该方法包括两个阶段： 第一阶段获得力学分布， 第二阶段获得手术路径。 在提升了 手术路径规划自动化程度的同时引入脊柱生物力学 因素的考量， 增加了手术路径规划的合 理性。 [0008]本发明的具体实现方案如下 所述(整体方案流 程图如图1)： [0009]步骤一： 设计融合解剖及力学特性的手术路径规划方案， 包括第一阶段的力学分 布自动生成网络(图2)和第二阶段的手术路径关键点回归网络(图3)。 [0010]步骤二： 建立脊柱椎块在经皮椎弓根螺钉手术中的有限元模型， 包括椎块  L1和 L2、 椎间盘以及椎块周边主 要韧带， 并提取 出应力数据用于构建网络训练数据集。说　明　书 1/3 页 3 CN 114944216 A 3