一种脊柱手术导航定位系统设计方法及相关设备

技术领域

本申请涉及医疗器械技术领域，具体而言，涉及一种脊柱手术导航定位系统设计方法及相关设备。

背景技术

脊柱椎弓根螺钉植入物手术是现阶段临床出现的骨折、骨质疏松、脊柱椎体退行性病变的治疗方案，在脊柱椎弓根螺钉植入物手术中，植入椎弓根螺钉需要用手术导航器进行辅助植入。

现有技术中，传统脊柱手术导航器设计方法是设计为不同型号，根据患者的具体情况选取对应型号的脊柱手术导航器进行手术。但是由于不同个体的脊柱具有差异性，临近型号的脊柱手术导航器与骨面贴合性较差，导致容易发生侧向滑动，不能提高椎弓根螺钉的植入精度，降低手术效果。

因此，亟需一种脊柱手术导航器的新的设计方法，以实现脊柱手术导航器与个体的完全贴合。

发明内容

本申请解决的问题是现有设计方法设计的脊柱手术导航器无法与个体完全贴合。

为解决上述问题，本申请第一方面提供了一种脊柱手术导航器设计方法，其包括：

获取脊柱医学图像；

基于所述脊柱医学图像，生成脊柱三维模型；

基于所述脊柱三维模型，确定脊柱的置钉通道；

根据所述脊柱三维模型和所述置钉通道，生成脊柱手术导航器的拟合区数据；

根据所述拟合区数据生成所述脊柱手术导航器。

本申请第二方面提供了一种脊柱手术导航器，其由前述所述的设计方法设计得到，包括：贴合部，弯曲部和至少两个置钉孔；

所述贴合部的底面为拟合曲面，该拟合曲面与脊椎的拟合区拟合；

所述置钉孔设置在所述贴合部，且与所述拟合曲面处于相反的侧面；所述置钉孔贯穿所述贴合部；

所述弯曲部用于连接两个贴合部，并避开脊柱的棘突部分。

本申请中，通过生成脊柱的三维模型以完成拟合区数据的设计及脊柱手术导航器的生成，从而使得生成的脊柱手术导航器与个体完全适配，避免脊柱手术导航器的侧向滑动，提高椎弓根螺钉的植入精度和手术效果。

附图说明

图1为根据本申请实施例的脊柱手术导航定位系统设计方法的流程图；

图2为根据本申请实施例的脊柱手术导航定位系统设计方法三维模型生成的架构图；

图3为根据本申请实施例的脊柱手术导航定位系统设计方法自注意力结构的架构图；

图4为根据本申请实施例的脊柱手术导航定位系统设计方法自注意力块的架构图；

图5为根据本申请实施例的生成的脊柱三维模型的示意图；

图6为根据本申请实施例的脊柱手术导航定位系统设计方法中置钉通道确定过程的示意图；

图7为根据本申请实施例的脊柱手术导航器的立体图；

图8为根据本申请实施例的脊柱手术导航器与脊椎结合的前向示意图；

图9为根据本申请实施例的脊柱手术导航器与脊椎结合的侧向示意图；

图10为根据本申请实施例的脊柱手术导航定位系统设计装置的架构图；

图11为根据本申请实施例的电子设备的架构图。

附图标记：1-贴合部；2-弯曲部；3-置钉孔。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本申请的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本申请而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本申请，并且能够将本申请的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域技术人员所理解的通常意义。

本申请中，需要强调的是，脊柱手术导航器即是所述的脊柱手术导航定位系统，其为对同一物体的不同用途的命名；将其用于具体设计过程，则可以称为脊柱手术导航定位系统，将其用于具体物体，即可以称为脊柱手术导航器。

本申请实施例提供了上述所述的脊柱手术导航定位系统设计方法，该方法的具体方案由图1-图6所示，该方法可以由脊柱手术导航定位系统的设计装置来执行，该脊柱手术导航定位系统的设计装置可以集成在电脑、服务器、计算机、服务器集群、数据中心等电子设备中。结合图1所示，其中，所述脊柱手术导航定位系统设计方法，包括：

S100，获取脊柱医学图像；

本申请中，所述脊柱医学图像可以为包含脊柱的医学CT图像(电子计算机断层扫描图像，Computed Tomography，CT)，也可以为其他可分成的医学图像如MRI医学图像。

S200，基于所述脊柱医学图像，生成脊柱三维模型；

本申请中，脊柱三维模型可以为点云模型，也可以为三维实景模型。

本申请中，可以通过深度卷积模型将分割后的脊柱医学图像生成为髋关节三维模型，也可以通过numpy、mimics等常规软件将分割后的脊柱医学图像生成为三维点云模型。

S300，基于所述脊柱三维模型，确定脊柱的置钉通道；

S400，根据所述脊柱三维模型和所述置钉通道，生成脊柱手术导航器的拟合区数据；

本申请中，已知置钉通道，可以确定置钉孔在脊椎表面的具体位置，设置包围置钉孔且向中间延伸的区域，可以作为拟合区数据。

S500，根据所述拟合区数据生成所述脊柱手术导航器。

本申请中，确定了拟合区数据，确定了置钉孔，则仅需要基于预选设置的逻辑添加连接两个拟合区的弯曲部，即可生成整个脊柱手术导航器。

本申请中，通过生成脊柱的三维模型以完成拟合区数据的设计及脊柱手术导航器的生成，从而使得生成的脊柱手术导航器与个体完全适配，避免脊柱手术导航器的侧向滑动，提高椎弓根螺钉的植入精度和手术效果。

在一种实施方式中，结合图6所示，所述S300，基于所述脊柱三维模型，确定脊柱的置钉通道，包括：

选取置钉的脊柱椎体，并将该脊柱椎体的三维图像沿冠状位进行逐层切分；

从切分后的多个冠状位切分图中选取椎弓根峡部切分图；

根据所述脊柱椎体的三维图像和所述椎弓根峡部切分图，确定脊柱的置钉通道。

其中，在获取了脊柱三维模型后，可以基于脊柱椎体的编号或本身特征选取到置钉的脊柱椎体。结合图5所示，其中的深色椎体，即为选取的脊柱椎体。

其中，沿冠状位即是沿三维模型中人体的前后方向进行切分，从前之后依次切分为多个平面，每个平面即是一个冠状位切分图。

在一种实施方式中，以所述脊柱椎体三维图像前后方向相邻的两个像素点之间的距离为厚度进行切分，也即是按照所述脊柱椎体三维图像的最小分辨单位进行切分。其中的最小分辨单位，也即是相邻两个像素点之间的距离。通过最小分辨单位进行切分，达到更细致的切分，从而提高识别的精度和准确度。

本申请中，脊柱椎体具有椎弓根，椎弓根的最细部分为峡部。本申请中，设定为置钉/置钉通道的轴线穿过椎弓根峡部的中点。

在一种实施方式中，所述冠状位切分图为二值化图像。本申请中，通过设置二值化图像，从而大大降低置钉通道确定过程中需要占用的计算资源。

本申请中，所述置钉通道包括置钉的起点和终点、置钉角度、钉子直径和钉子长度；

本申请中，置钉角度可以通过手术操作规格中规定的钉子与横断面和矢状位的夹角确定。

本申请中，置钉的起点可以通过椎弓根峡部切分图确定。

本申请中，置钉的钉子直径和钉子长度可以基于选取的钉子型号确定。在已知起点与钉子长度、置钉角度的情况下，可以确定置钉的终点。

本申请中，置钉的起点的确定方法可以为：

确定所述椎弓根峡部切分图中的两个连通域；计算每个连通域的最小外接矩形的对称中心；将每个最小外接矩形的所述对称中心作为置钉的起点。

本申请中，每个连通域的最小外接矩形，可以基于连通域的数据直接确定，也即是经过连通域的边缘的最上端、最下端、最左端、最右端的边缘点的直线/线段组成的图形。

本申请中，从切分后的多个冠状位切分图中选取椎弓根峡部切分图，包括：

识别冠状位切分图中的连通域；根据所述冠状位切分图中所述连通域确定椎弓根切分图，所述椎弓根切分图为连续排列的具有两个连通域的多个冠状位切分图中的一个且该椎弓根切分图中的两个连通域的面积最小；

结合图6所示，可以看出，不同的冠状位切分图中的连通域的数量不同，且连通域的数量与脊柱椎体的三维图像对应。实际执行过程中，其连通域的数量由两个连通域转换为一个连通域，再由一个连通域转换为两个连通域，最后转换为三个连通域。图中方框圈定的冠状位切分图即为两个连通域的面积最小。上述两个连通域左右分布的图像即是椎弓根的冠状位切分图。

其中，连通域的面积最小，是指两个连通域的每个连通域的面积都最小，或者其中一个连通域的面积最小，另一个连通域的面积为次小或者两个连通域的总面积最小。

在一种实施方式中，所述脊柱手术导航定位系统的拟合区为从置钉通道向椎弓板方向延伸得到。

结合后续图8、图9所示，可以看出，脊柱手术导航定位系统的拟合区为从置钉通道处向椎弓板方向延伸。该方向为整个椎体侧面的凹陷区，对该部分进行拟合，可以形成整个脊柱手术导航定位系统的局部高点/局部低点，从而在脊柱手术导航定位系统卡合后形成固定效果。

另外，椎弓板方向的黏连物质较少，可以减少术中需要清理的黏连面积。

需要说明的是，该部分还为脊柱手术中的开口部分，向该部分延伸形成拟合区，从而可以避免二次开口或者扩大开口才能放置手术导航器的后果。

在一种实施方式中，结合图2所示，所述S200，基于所述脊柱医学图像，生成脊柱三维模型，包括：

将脊柱医学图像输入下采样结构，得到下采样后的多个下采样特征图；

将多个下采样特征图输入改进自注意力结构，得到转换特征图；

将所述转换特征图多次输入上采样结构，得到分割后的脊柱医学图像；

根据分割后的脊柱医学图像，生成分割的脊柱三维模型；

其中，所述下采样结构、所述上采样结构、所述改进自注意力结构为已训练的模型结构。

本申请中，先通过已训练的深度卷积模型，对脊柱医学图像进行图像分割，然后根据分割后的脊柱医学图像生成脊柱三维模型；由于脊柱医学图像为已分割图像，生成的脊柱三维模型也为已分割模型。

本申请中，所述深度卷积模型的训练过程，即是所述下采样结构、所述上采样结构、所述改进自注意力结构的训练过程，该训练可以为按照现有技术中的训练方式完成训练，具体训练过程本申请中不再赘述。

在一种实施方式中，结合图2所示，所述将脊柱医学图像输入下采样结构，得到下采样后的多个下采样特征图，包括：

将所述脊柱医学图像输入补丁嵌入层，得到嵌入特征图；

将所述嵌入特征图输入第一个改进自注意力块，得到第一个下采样特征图；

将第一个下采样特征图依次输入补丁合并层和第二个改进自注意力块，得到第二个下采样特征图；

将第二个下采样特征图依次输入补丁合并层和第三个改进自注意力块，得到第三个下采样特征图；

将第三个下采样特征图依次输入补丁合并层和第四个改进自注意力块，得到第四个下采样特征图。

结合图2所示，可以看到下采样结构包括补丁嵌入层、Improved TransformerBlock和补丁合并层；其中，Improved Transformer Block和补丁合并层为多个，输入的图像经过补丁嵌入层后，再依次经过Improved Transformer Block、补丁合并层、ImprovedTransformer Block、补丁合并层、Improved Transformer Block、补丁合并层、ImprovedTransformer Block；其中，每个Improved Transformer Block的输出不仅作为下一个补丁合并层的输入，还作为整个Improved Transformer结构的输入(四个输入)。其中，ImprovedTransformer Block即为改进自注意力块。

其中，补丁合并层，又称为无卷积下采样技术，也即是对特征图中的patch进行分组并按深度拼接，对输入的数据进行n倍的采样。

本申请中，补丁合并将每个nxn个相邻的patch分组，并将它们深度级联。这有效地对输入进行n倍的下采样，将输入从HxWxC的形状转换为(H/n)x(W/n)x(2nC)，其中H、W和C分别表示高度、宽度和通道深度。

本申请中，补丁嵌入层将输入图像转换为一系列token序列；具体是先将图像划分为固定大小和位置的补丁，然后将他们通过一个线性嵌入层转换为token序列。事实上，该层是一种用于捕获序列中不同位置之间依赖关系的机制。路径嵌入通过为每个位置引入一个唯一的嵌入向量，为输入序列中的不同位置引入位置信息，以便模型能够区分不同位置的重要性和关联程度。

本申请中，由于图像尺寸的变化，也可以将补丁合并层视为具有下采样功能的层。

需要说明的是，本申请中，下采样特征图并非作为补丁合并层的输出，而是作为改进自注意力块的输出，仅仅是因为随机命名，并不具有其他含义，也不会产生任何限制。

在一种实施方式中，结合图2所示，所述将所述转换特征图多次输入上采样结构，得到分割后的脊柱医学图像，包括：

将所述转换特征图输入补丁扩展层，得到第一个扩展特征图；

将第一个扩展特征图和所述转换特征图输入第一个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第二个扩展特征图；

将第二个扩展特征图和所述转换特征图输入第二个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第三个扩展特征图；

将第三个扩展特征图和所述转换特征图输入第三个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第四个扩展特征图；

将第四个扩展特征图输入线性投影层，得到分割后的脊柱医学图像。

结合图2所示，可以看出，Improved Transformer/改进自注意力结构具有四个输出，该四个输出分别作为三个Improved Transformer Block/改进自注意力块和第一个补丁扩展层的输入，三个Improved Transformer Block/改进自注意力块还同时具有前一补丁扩展层的输出作为输入，从而实现整个上采样。

需要说明的是，Improved Transformer/改进自注意力结构具有四个输出，且四个输出均为相同的输出。

本申请中，补丁扩展层指的是将输入图像划分成多个小块(补丁)，然后将每个小块进行扩展以形成更大的图像区域。其具体过程可以为：首先，将输入图像分割成多个大小相等的小块(Patches)，每个小块通常由连续的像素组成，并且可以重叠或不重叠地划分；对每个小块进行扩展，以包含附近的像素，扩展的方式通常是在每个小块的周围添加一圈像素或边框，使得每个小块的大小变大，从而形成扩展后的小块；将扩展后的小块组合成一个更大的图像区域，以便输入给改进自注意力块进行处理。

本申请中，补丁扩展层的目的是在保留图像局部信息的同时，增加每个小块的上下文信息，从而提高改进自注意力块对图像全局结构的理解能力。

本申请中，由于图像尺寸的变化，也可以将补丁扩展层视为具有上采样功能的层。

本申请中，结合图2所示，线性投影(Linear Projection)是通过线性变换将输入数据映射到另一个空间中的过程。

在一种实施方式中，结合图3所示，所述将多个下采样特征图输入改进自注意力结构，得到转换特征图，包括：

将多个下采样特征图进行拼接，并输入FC层，得到全连接特征图；

对全连接特征图进行深度可分离卷积，得到卷积特征图；

将全连接特征图和卷积特征图相加后依次输入LN层、GELU层和FC层，得到所述转换特征图。

需要说明的是，本申请中，改进自注意力结构和改进自注意力块，为类似但不相同的结构，本申请中阐述了两个结构的具体架构，不可以将其视为相同的结构。

本申请中，深度可分离卷积的处理过程可以为：深度卷积(DepthwiseConvolution)：首先，在输入特征图的每个通道上分别应用一个卷积核进行卷积操作。这一步只关注通道内的特征信息，不涉及通道之间的信息交互。深度卷积可以有效地提取特征图的空间信息。逐点卷积(Pointwise Convolution)：然后，在深度卷积的输出上应用一个逐点卷积，即使用1x1的卷积核在所有通道上进行卷积操作。这一步旨在将通道间的信息进行整合和混合，从而得到最终的输出特征图。

本申请中，通过将卷积操作分解为深度卷积和逐点卷积两个步骤，深度可分离卷积能够大大减少模型中的参数数量和计算量。与传统的卷积相比，深度可分离卷积在保持模型性能的同时，具有更高的计算效率和更小的模型体积。

在一种实施方式中，结合图4所示，所述改进自注意力块的处理过程包括：

在输入的特征图为若干个的情况下，将输入的特征图进行拼接，并输入FC层，得到连接特征图；

将连接特征图进行深度可分离卷积处理，得到深度特征图；

将深度特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到第一标准特征图；

将第一标准特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到第二标准特征图；

将第二标准特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到输出的特征图。

结合图4所示，本申请中，输入的特征图为一个的情况下，直接输入FC层进行处理；输入的特征图为多个的情况下，拼接后再输入FC层进行处理。在此需要说明的是，本申请中的输入的特征图的个数(一个或多个)，是指输入的特征图的来源(也可以认为是附图中的箭头标识)，若有多个来源，则认为特征图的个数为多个，而不是特征图的实际个数或者通道数(特征图本身具有通道数，通道数也可能被理解为个数)。

本申请中，通过多次残差处理，从而将连接特征图的整体特征与多次上采样后的特征进行关联，从而增加局部信息与整体信息的关联性以及一致性。

本申请中，现有的Transformer Block/Transformer，由于计算复杂度的问题，不适用于处理高分辨率图像；而现有的医学图像一般均为高分辨率图像，且图像分割过程中需要对局部信息进行处理，这些都是现有的Transformer Block/Transformer的缺陷。

本申请中，采用改进Transformer Block/Transformer，利用补丁合并层和补丁扩展层完成了图像的简化，从而降低计算复杂度；通过多个残差处理方式，以及改进自注意力结构的多个输入来自不同下采样程度，多个输出至不同上采样程度的方式，来构造了局部信息与整体信息的不同的特征分布和一致性，从而解决了原有结构无法处理高分辨率图像以及不擅长处理局部信息的问题。

本申请中，通过多个输入来自不同下采样程度，对其进行拼接后输入改进自注意力进行处理，以构建长城依赖性和局部信息的相关联性。

本申请提供了一种脊柱手术导航器，该脊柱手术导航器的具体方案如图7-图9所示。所述脊柱手术导航器是由上述所述的脊柱手术导航器设计方法设计得到，其包括：贴合部1，弯曲部2和至少两个置钉孔3；

所述贴合部的底面为拟合曲面，该拟合曲面与脊椎的拟合区拟合；

所述置钉孔设置在所述贴合部，且与所述拟合曲面处于相反的侧面；所述置钉孔贯穿所述贴合部；

所述弯曲部用于连接两个贴合部，并避开脊柱的棘突部分。

本申请中，在设计出脊柱手术导航器后，可以通过3D打印的方式制造出脊柱手术导航器的实体。

本申请中，如图7所示，贴合部1为具有一定厚度的弯曲元件，其朝向脊椎的一侧为拟合曲面，该拟合曲面与脊椎的拟合区完全拟合；另一侧可以为光滑的规则曲面，也可以为任何其他曲面结构。

本申请中，贴合部1与弯曲部2为非连贯的元件，弯曲部2与贴合部1的中部固定，从而在贴合部1与脊椎的椎弓板完全拟合的情况下，实现弯曲部2与脊椎的棘突及其他部分具有一定的间隙。这样，一方面具有间隙，可以方便脊柱手术导航器的装配；另一方面，具有间隙便于调节弯曲部的厚度。

其中，弯曲部2为倒U型结构，且U型开口处收窄，从而与贴合部1结合。需要说明的是，由于3D打印的材料为弹性材料，因此，在将脊柱手术导航器装配至脊椎时，为了将贴合部1与脊椎完全贴合，需要向下按压，该按压会导致弯曲部2产生形变，该形变会使得置钉孔3的朝向发生一定形变。

另外，需要说明的是，结合图8、图9所示，贴合部1的拟合部分为脊椎的附近位置的相对低位置，从而实现力学上的更加固定设置。但是由于人体不同脊椎的形状变化，以及不同个体的差别，会导致部分脊椎的附近位置并非最低位置。另外，本申请中的拟合区域是通过三维模型确定的，虽然可以在三维模型上实现完全拟合，但是由于医学图像的固有缺陷，会存在实际脊椎与三维模型的相似度下降的缺陷。

本申请中，通过将拟合区设置在脊椎的附近位置的相对低位置，可以在存在缺陷的情况下依然完成脊柱手术导航器的固定。

本申请中，若U型口未收窄，则按压弯曲部2的中部时，按压的力会随着弯曲部的元件向U型口传递；此时，由于贴合部1为侧向放置，在受到弯曲部2的直线传递的力后，会产生沿椎弓板的侧向滑动(向外侧滑动)的趋势，此时若贴合部1与脊椎的实际拟合度较低，则可能会发生实际的侧向滑动，导致整个脊柱手术导航器的形变及置钉孔的偏折。

本申请中，若U型口收窄，则按压的力会由沿棘突向椎弓板的直线传递改为向内侧弯折后传递(跟随弯曲部的弯折角度)，这样，产生沿椎弓板的侧向滑动(向外侧滑动)的趋势就会大大减小，即使贴合部1与脊椎的实际拟合度较低，也不会产生侧向滑动。从而，避免脊柱手术导航器在按压的情况下产生波及置钉孔的形变(此时可能仅弯曲部发生形变，且形变越大，产生的按压力越向垂直椎弓板的方向偏移，越稳固)。

优选地，U型口收窄，还可以在置钉时通过按压弯曲部对整个脊柱手术导航器进行稳定。

在一种实施方式中，所述弯曲部的厚度为3mm-12mm；所述贴合部的厚度为2mm-8mm。

这样，通过设置预设的厚度，从而在避免脊椎手术导航器的使用过程中产生过量形变的基础上，减少脊柱手术导航器的占用空间。

在一种实施方式中，所述弯曲部的中部的厚度大于弯曲部两侧的厚度。从而对弯曲部的中部进行加强，避免弯曲部中部的形变过量。

在一种实施方式中，所述贴合部远离脊椎的侧面的中部的厚度大于该侧面的边缘的厚度。这样，对贴合部的中部进行加强，从而避免置钉孔与弯曲部产生相对的形变，影响置钉孔的正常置钉。

本申请中，置钉孔内部中空，该中空部分形成贯穿贴合部的孔，用于置钉。

本申请中，置钉孔的孔的直径与待置钉的型号对应；所述置钉孔的外径根据预设的厚度确定。

本申请实施例提供了脊柱手术导航定位系统的设计装置，用于执行本申请上述内容所述的脊柱手术导航定位系统设计方法，以下对所述脊柱手术导航定位系统的设计装置进行详细描述。

如图10所示，所述脊柱手术导航定位系统的设计装置，包括：

图像获取模块101，其用于获取脊柱医学图像；

三维生成模块102，其用于基于所述脊柱医学图像，生成脊柱三维模型；

置钉确定模块103，其用于基于所述脊柱三维模型，确定脊柱的置钉通道；

拟合生成模块104，其用于根据所述脊柱三维模型和所述置钉通道，生成脊柱手术导航定位系统的拟合区数据；

导航器生成模块105，其用于根据所述拟合区数据生成所述脊柱手术导航定位系统。

在一种实施方式中，置钉确定模块103还用于：

选取置钉的脊柱椎体，并将该脊柱椎体的三维图像沿冠状位进行逐层切分；从切分后的多个冠状位切分图中选取椎弓根峡部切分图；根据所述脊柱椎体的三维图像和所述椎弓根峡部切分图，确定脊柱的置钉通道。

在一种实施方式中，所述脊柱手术导航定位系统的拟合区为从置钉通道向椎弓板方向延伸得到。

在一种实施方式中，三维生成模块102还用于：

将脊柱医学图像输入下采样结构，得到下采样后的多个下采样特征图；将多个下采样特征图输入改进自注意力结构，得到转换特征图；将所述转换特征图多次输入上采样结构，得到分割后的脊柱医学图像；根据分割后的脊柱医学图像，生成分割的脊柱三维模型；其中，所述下采样结构、所述上采样结构、所述改进自注意力结构为已训练的模型结构。

在一种实施方式中，三维生成模块102还用于：

将所述脊柱医学图像输入补丁嵌入层，得到嵌入特征图；将所述嵌入特征图输入第一个改进自注意力块，得到第一个下采样特征图；将第一个下采样特征图依次输入补丁合并层和第二个改进自注意力块，得到第二个下采样特征图；将第二个下采样特征图依次输入补丁合并层和第三个改进自注意力块，得到第三个下采样特征图；将第三个下采样特征图依次输入补丁合并层和第四个改进自注意力块，得到第四个下采样特征图。

在一种实施方式中，三维生成模块102还用于：

将所述转换特征图输入补丁扩展层，得到第一个扩展特征图；将第一个扩展特征图和所述转换特征图输入第一个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第二个扩展特征图；将第二个扩展特征图和所述转换特征图输入第二个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第三个扩展特征图；将第三个扩展特征图和所述转换特征图输入第三个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第四个扩展特征图；将第四个扩展特征图输入线性投影层，得到分割后的脊柱医学图像。

在一种实施方式中，三维生成模块102还用于：

将多个下采样特征图进行拼接，并输入FC层，得到全连接特征图；对全连接特征图进行深度可分离卷积，得到卷积特征图；将全连接特征图和卷积特征图相加后依次输入LN层、GELU层和FC层，得到所述转换特征图。

在一种实施方式中，三维生成模块102还用于：

在输入的特征图为若干个的情况下，将输入的特征图进行拼接，并输入FC层，得到连接特征图；将连接特征图进行深度可分离卷积处理，得到深度特征图；将深度特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到第一标准特征图；将第一标准特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到第二标准特征图；将第二标准特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到输出的特征图。

本申请的上述实施例提供的脊柱手术导航定位系统的设计装置与本申请实施例提供的脊柱手术导航定位系统设计方法具有对应关系，因此该装置中的具体内容与脊柱手术导航定位系统设计方法具有对应关系，具体内容可以参照脊柱手术导航定位系统设计方法中的记录，本申请中对此不再赘述。

本申请的上述实施例提供的脊柱手术导航定位系统的设计装置与本申请实施例提供的脊柱手术导航定位系统设计方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

以上描述了脊柱手术导航定位系统的设计装置的内部功能和结构，如图11所示，实际中，该脊柱手术导航定位系统的设计装置可实现为电子设备，包括：存储器301及处理器303。

存储器301，可被配置为存储程序。

另外，存储器301，还可被配置为存储其它各种数据以支持在电子设备上的操作。这些数据的示例包括用于在电子设备上操作的任何应用程序或方法的指令，联系人数据，电话簿数据，消息，图片，视频等。

存储器301可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

处理器303，耦合至存储器301，用于执行存储器301中的程序，以用于：

获取脊柱医学图像；

基于所述脊柱医学图像，生成脊柱三维模型；

基于所述脊柱三维模型，确定脊柱的置钉通道；

根据所述脊柱三维模型和所述置钉通道，生成脊柱手术导航定位系统的拟合区数据；

根据所述拟合区数据生成所述脊柱手术导航定位系统。

在一种实施方式中，处理器303还用于：

选取置钉的脊柱椎体，并将该脊柱椎体的三维图像沿冠状位进行逐层切分；从切分后的多个冠状位切分图中选取椎弓根峡部切分图；根据所述脊柱椎体的三维图像和所述椎弓根峡部切分图，确定脊柱的置钉通道。

在一种实施方式中，所述脊柱手术导航定位系统的拟合区为从置钉通道向椎弓板方向延伸得到。

在一种实施方式中，处理器303还用于：

将脊柱医学图像输入下采样结构，得到下采样后的多个下采样特征图；将多个下采样特征图输入改进自注意力结构，得到转换特征图；将所述转换特征图多次输入上采样结构，得到分割后的脊柱医学图像；根据分割后的脊柱医学图像，生成分割的脊柱三维模型；其中，所述下采样结构、所述上采样结构、所述改进自注意力结构为已训练的模型结构。

在一种实施方式中，处理器303还用于：

将所述脊柱医学图像输入补丁嵌入层，得到嵌入特征图；将所述嵌入特征图输入第一个改进自注意力块，得到第一个下采样特征图；将第一个下采样特征图依次输入补丁合并层和第二个改进自注意力块，得到第二个下采样特征图；将第二个下采样特征图依次输入补丁合并层和第三个改进自注意力块，得到第三个下采样特征图；将第三个下采样特征图依次输入补丁合并层和第四个改进自注意力块，得到第四个下采样特征图。

在一种实施方式中，处理器303还用于：

将所述转换特征图输入补丁扩展层，得到第一个扩展特征图；将第一个扩展特征图和所述转换特征图输入第一个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第二个扩展特征图；将第二个扩展特征图和所述转换特征图输入第二个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第三个扩展特征图；将第三个扩展特征图和所述转换特征图输入第三个改进自注意力块和补丁扩展层，得到第四个扩展特征图；将第四个扩展特征图输入线性投影层，得到分割后的脊柱医学图像。

在一种实施方式中，处理器303还用于：

将多个下采样特征图进行拼接，并输入FC层，得到全连接特征图；对全连接特征图进行深度可分离卷积，得到卷积特征图；将全连接特征图和卷积特征图相加后依次输入LN层、GELU层和FC层，得到所述转换特征图。

在一种实施方式中，处理器303还用于：

在输入的特征图为若干个的情况下，将输入的特征图进行拼接，并输入FC层，得到连接特征图；将连接特征图进行深度可分离卷积处理，得到深度特征图；将深度特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到第一标准特征图；将第一标准特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到第二标准特征图；将第二标准特征图与连接特征图相加后，输入LN层，得到输出的特征图。

本申请中，图11中仅示意性给出部分组件，并不意味着电子设备只包括图11所示组件。

本实施例提供的电子设备，与本申请实施例提供的脊柱手术导航定位系统设计方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(Flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

本申请还提供一种与前述实施方式所提供的脊柱手术导航定位系统设计方法对应的计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序(即程序产品)，所述计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施方式所提供的脊柱手术导航定位系统设计方法。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(Transitory Media)，如调制的数据信号和载波。

本申请的上述实施例提供的计算机可读存储介质与本申请实施例提供的脊柱手术导航定位系统设计方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

需要说明的是，在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。