本发明涉及数字化建模，尤其是涉及一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法、装置、设备及介质。
背景技术：
1、关节表面缺损是最常见的关节疾病，以膝关节为例，膝关节是人体最复杂，也是最容易产生损伤的关节。膝关节软骨一旦磨损，就不可再生。磨损后，常常出现内翻畸形，膝关节内侧局部应力负荷集中，加重软骨及软骨下骨磨损，从而内翻畸形加重，形成恶性循环，疼痛逐渐加重，甚至无法行走。
2、对于中重度骨关节缺损患者，由于局部炎症反应及力学负荷明显改变，现有的治疗方式主要是假体置换手术。但是，由于每个患者因不同的种族、性别，膝关节解剖结构必定存在差异，所以从个体解剖方面来说，现有的产品不能完全适配患者人群。由于标准垫片形态匹配不佳，填充位置不良，以及力线恢复不准确，会导致假体不稳定的风险增加，最终造成手术效果不理想、失败率高。
3、对于轻中度骨关节缺损患者，由于每个患者的关节损伤情况不同，目前治疗方法除了口服止痛片缓解疼痛，物理康复治疗手段缓解相应症状，还可以关节腔内注射激素和其他组织成分进行治疗。除此以外，目前也有研究团队尝试在关节镜的微创技术下，使用组织工程产品进行原位修复局部缺损进行治疗。
4、利用膝关节镜直接对患者损伤部位进行观察，可以得到最为直观、准确的判断。但膝关节镜会对患者产生较大的创伤。对于一些年纪较大或身体较差的患者，膝关节镜检查可能会使得患者被检查部位出现疼痛等症状，难以被所有患者接受。
5、目前通常采用ct和mri图像对膝关节进行三维建模，辅助医生对患者损伤部位进行准确、直观的判断。在部分较复杂的手术中，医生可以将三维建模的图像利用3d打印技术进行打印。但实际上，影像无法直观呈现患者的具体情况。在打印出的模型上进行规划和模拟手术，提高了手术的成功率，降低了手术的难度。
6、但是，目前的手术规划方法，主要聚焦于患者已有的关节骨-软骨三维形态的影像重建，以及个性化假体的术前定制化设计，例如授权公告号为cn106073870b的专利，提供了一种骨关节面重建3d打印修复植入体的方法，对于关节表面骨软骨缺损部位，进行三维修复体的个性化数字化建模，可以用于组织工程等新材料或者手术机器人辅助原位打印等新方法进行修复，但是该方法所需采集的数据点多，难以适应术中对建模快速性和采集数据稀疏性的要求。因此，目前缺少有效的一种适用于术中的关节表面缺损修复体计算方法。
技术实现思路
1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法、装置、设备及介质。
2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
3、根据本发明的第一方面，提供了一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，该方法包括以下步骤：
4、s1，采集关节缺损周围健康表面预设数量的样本点；
5、s2，计算样本点的3d坐标集合的凸包；
6、s3，以样本点的3d坐标和3d表面法向为输入，使用薄板样条模型生成数据插值，按照建模精度的要求以给定的分辨率覆盖3d坐标集的凸包，计算得到最小弯曲能量表面；
7、s4，将最小弯曲能量表面与原始3d模型表面进行合并，生成表面并集；
8、s5，对缺损区域进行磋磨，并记录磋磨3d范围；
9、s6，计算磋磨3d范围与表面并集的交集，得出所需3d打印的植入体外形，并根据实际情况进行人工调整，用于关节表面缺损修复。
10、作为优选的技术方案，所述的步骤s1中，采集的样本点的数量范围为20-30。
11、作为优选的技术方案，所述的步骤s2具体为：采用在三维空间中的graham scan算法，以任意三点生成平面，并计算样本点集中的点距离生成的平面的有向距离，所有样本点距离平面的有向距离都为正的平面即为凸包表面的一部分，以此原则，有序地逐点穷举，求出全部凸包表面。
12、作为优选的技术方案，所述的步骤s3具体为：设x为3d空间中的点，y为在3d空间中代表形变能量的标量函数，在样本点位置上的y函数值为0，求取其他所需插值位置上y函数的值，并且在所述y函数值中寻找能量最小的位置x的集合，作为所需要的薄板的形状，得到最小弯曲能量表面。
13、作为优选的技术方案，所述的标量函数y定义为预设的径向基函数作用于每个样本点的累积和，其中，所述径向基函数与空间中的点与样本点之间的距离呈单调关系；则y表达为一个以样本点坐标和样本点函数值为参数、以3d空间坐标x为自变量的线性方程，且每个样本点对应一个线性方程，在每个所需插值的位置上求解对应的线性方程，并通过反向求解每个线性方程y＝0的表面点坐标x的集合，得到最小弯曲能量表面。
14、作为优选的技术方案，所述的径向基函数为：
15、y＝r*r*ln(r)
16、其中，r为空间中的点x到样本点sn的欧式距离，即r＝|x-sn|。
17、作为进一步优选的技术方案，所述的径向基函数为：
18、y＝r*r*ln(r)
19、r＝power(r,alpha)
20、其中，r为空间中的点x到样本点sn的欧式距离，即r＝|x-sn|，alpha为表面曲率。
21、根据本发明的第二方面，提供了一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模装置，包括：
22、样本点采集模块：采集关节缺损周围健康表面预设数量的样本点；
23、凸包计算模块：计算样本点的3d坐标集合的凸包；
24、最小弯曲能量表面计算模块：以样本点的3d坐标和3d表面法向为输入，使用薄板样条模型生成数据插值，按照建模精度的要求以给定的分辨率覆盖3d坐标集的凸包，计算得到最小弯曲能量表面；
25、表面并集计算模块：将最小弯曲能量表面与原始3d模型表面进行合并，生成表面并集；
26、磋磨范围记录模块：对缺损区域进行磋磨，并记录磋磨3d范围；
27、修复体计算模块：计算磋磨3d范围与表面并集的交集，得出所需3d打印的植入体外形，并根据实际情况进行人工调整，用于关节表面缺损修复。
28、根据本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的方法。
29、根据本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现所述的方法。
30、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
31、(1)本发明采用的径向基函数，能够使得计算的关节表面修复体的形状任意阶连续(高阶可微)，在理论上保障了关节平面的解剖形态连续光滑，并且能够连接任意复杂的解剖形态，实现针对不同患者的个性化定制，适应性强。
32、(2)本发明所需的样本点集合可以是稀疏的，数据量少，支持使用简单工具采集，无需密集扫描(dense data)，适合在临床手术包括微创条件下进行术中建模。
33、(3)本发明的计算过程无需人工调整任何参数，效果可重复，结果可靠。
1.一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，其特征在于，所述的步骤s1中，采集的样本点的数量范围为20-30。
3.根据权利要求1所述的一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，其特征在于，所述的步骤s2具体为：采用在三维空间中的graham scan算法，以任意三点生成平面，并计算样本点集中的点距离生成的平面的有向距离，所有样本点距离平面的有向距离都为正的平面即为凸包表面的一部分，以此原则，有序地逐点穷举，求出全部凸包表面。
4.根据权利要求1所述的一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，其特征在于，所述的步骤s3具体为：设x为3d空间中的点，y为在3d空间中代表形变能量的标量函数，在样本点位置上的y函数值为0，求取其他所需插值位置上y函数的值，并且在所述y函数值中寻找能量最小的位置x的集合，作为所需要的薄板的形状，得到最小弯曲能量表面。
5.根据权利要求4所述的一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，其特征在于，所述的标量函数y定义为预设的径向基函数作用于每个样本点的累积和，其中，所述径向基函数与空间中的点与样本点之间的距离呈单调关系；则y表达为一个以样本点坐标和样本点函数值为参数、以3d空间坐标x为自变量的线性方程，且每个样本点对应一个线性方程，在每个所需插值的位置上求解对应的线性方程，并通过反向求解每个线性方程y＝0的表面点坐标x的集合，得到最小弯曲能量表面。
6.根据权利要求5所述的一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，其特征在于，所述的径向基函数为：
7.根据权利要求5所述的一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模方法，其特征在于，所述的径向基函数为：
8.一种适合临床及微创手术条件下的关节表面缺损修复的术中数字化建模装置，其特征在于，包括：
9.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。
