CN106236260B - 骶髂关节置入螺钉固定s1椎体的通道定位方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法及系统，该方法包括以下步骤：S1：接收至少包含骶髂关节的骨盆CT扫描数据；S2：根据所述骨盆CT扫描数据进行骨盆的三维重建，得到三维骨盆；S3：透明化显示三维骨盆，形成透明三维骨盆；S4：以三维骨盆处于人体站立时的姿态为准，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行投影方向垂直于竖直方向的投影，旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。

Description

骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法及系统
技术领域
本发明涉及数字化分析技术领域，特别涉及的是一种骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法及系统。
背景技术
骨盆后环(特别是骶髂关节)的损伤，有较高的死亡率和致残率，需要通过确切的固定以保持骶髂关节的稳定性，透视引导的经皮骶髂螺钉固定不稳定的骨盆骨折是目前常用的术式，手术多采用S1螺钉固定，S1螺钉的固定有2种固定方式：一是斜形固定，即沿S1椎弓根方向固定；二是严格按照S1椎体入口与出口的横径固定，但此类技术要求极高，需要大量的经验知识并熟知解剖以能够找到适当的入钉点。Gardner等的研究发现，骶髂关节螺钉置入方向前后4°偏差就能进入S1椎孔或穿出骶骨前方皮质，穿出的螺钉可致潜在的血管、骶神经损伤，术中出现血管、腰骶干及马尾神经损伤的几率高达2％～15％，而骶髂关节螺钉置入位置错误的发生率为2.05～13.0％。甚至有报道螺钉位置不可接受率达25％，螺钉置入位置不佳可能导致医源性血管损伤。为寻找精确的螺钉置入位置，众多学者对螺钉置入S1椎体安全区的骨性结构及边界进行研究。
骶髂关节螺钉内固定是治疗骶骨骨折的优选术式，但由于骨盆结构复杂、位置深在，因此对螺钉置入的位置和精度要求极高。骶骨纵形骨折为骶骨骨折中常见的类型，临床针对此类骨折，多采用经皮骶髂关节螺钉固定，目前已有多篇报道探讨经皮横向骶髂关节螺钉固定S1椎体治疗骶骨纵形骨折的可行性，但多采用术中导航或机械臂辅助完成该手术，采用透视控制下徒手螺钉定位技术难度较大，因为缺乏直接的可视化和有限的触觉控制复杂精密螺丝插入，此外，由于骶骨形态的变异加剧了图像的判读错误，这种情况不可避免地导致术中透视次数的增加而加重了医生和患者的辐射量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法及系统，通过三维数字化分析确定钉道，实现方式简单，减少辐射伤害。
为解决上述问题，本发明提出一种骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法，包括以下步骤：
S1：接收至少包含骶髂关节的骨盆CT扫描数据；
S2：根据所述骨盆CT扫描数据进行骨盆的三维重建，得到三维骨盆；
S3：透明化显示三维骨盆，形成透明三维骨盆；
S4：以三维骨盆处于人体站立时的姿态为准，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行投影方向垂直于竖直方向的投影，旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S4中，根据初始面中两侧骶髂关节的原长度LO和旋转面时的两侧骶髂关节的斜透视长度L，确定从初始面到旋转面的旋转角度，所述旋转面为旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合的面，所述旋转角度α的计算公式如下：
α＝arcsin(L/LO)×(180/π)。
根据本发明的一个实施例，输出初始面、围绕旋转的轴线及旋转角度，并输入到透视系统的控制器中，用以控制透视系统的透视部分的旋转。
根据本发明的一个实施例，还包括：
S5：以一定间距对三维骨盆进行矢状位多层剖分，获得三维骨盆从一侧至另一侧的多层剖分面；
S6：确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，根据全部几何边界优化定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，所述步骤S6包括：
S61：确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，提取各几何边界上的相关点的图像坐标；
S62：根据各几何边界的图像坐标拟合出相应几何边界的最大内切圆，计算获得各最大内切圆的圆心坐标；
S63：利用最小二乘法根据全部圆心坐标拟合出一条距离各圆心点最近的空间直线段，将所述空间直线段作为螺钉固定通道中轴线，用于优化定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，在所述步骤S63之后还包括S64，根据所述空间直线段确定螺钉固定通道的深度。
根据本发明的一个实施例，确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界后，在透明三维骨盆中，对至少最外两侧的S1椎体安全区的几何边界进行标记；
以透明三维骨盆的正面为初始面，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行相对显示界面的正投影，旋转至各几何边界的投影面最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，确定重合部分的位置后，在重合部分的投影面上作出长短轴，获得长短轴连接交点，作为螺钉固定通道的螺钉置入点位置。
根据本发明的一个实施例，根据确定的螺钉固定通道，在三维盆骨上模拟置入螺钉，按照螺钉固定通道将螺钉置入到三维盆骨中，输出模拟结果。
本发明还提出一种骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位系统，包括：
数据接收模块，用以接收至少包含骶髂关节的骨盆CT扫描数据；
三维重建模块，用以根据所述骨盆CT扫描数据进行骨盆的三维重建，得到三维骨盆；
透明化处理模块，用以透明化显示三维骨盆，形成透明三维骨盆；
重合调整模块，用以：以三维骨盆处于人体站立时的姿态为准，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行投影方向垂直于竖直方向的投影，旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，还包括：
数据输出模块，用以输出初始面、围绕旋转的轴线及旋转角度，并输入到透视系统的控制器中，用以控制透视系统的透视部分的旋转；
其中，所述重合调整模块还用以根据初始面中两侧骶髂关节的原长度LO和旋转面时的两侧骶髂关节的斜透视长度L，确定从初始面到旋转面的旋转角度，所述旋转面为旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合的面，所述旋转角度α的计算公式如下：
α＝arcsin(L/LO)×(180/π)。
根据本发明的一个实施例，还包括：
矢状位剖分模块，用以：以一定间距对三维骨盆进行矢状位多层剖分，获得三维骨盆从一侧至另一侧的多层剖分面；
通道优化模块，用以确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，根据全部几何边界优化定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，所述通道优化模块包括：
几何边界确定模块，用以确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，提取各几何边界上的相关点的图像坐标；
圆心坐标确定模块，用以根据各几何边界的图像坐标拟合出相应几何边界的最大内切圆，计算获得各最大内切圆的圆心坐标；
拟合模块，用以利用最小二乘法根据全部圆心坐标拟合出一条距离各圆心点最近的空间直线段，将所述空间直线段作为螺钉固定通道中轴线，用于优化定位螺钉固定通道。
采用上述技术方案后，本发明相比现有技术具有以下有益效果：采用数字化分析方法，首先接收到骨盆CT扫描数据，该数据能够用来还原扫描对象的骨盆，并且骨盆中包含了骶髂关节，接着将骨盆CT扫描数据用三维重建方式进行三维重建，得到一个三维骨盆，该三维骨盆可以以图像或数据的形式存在，接着将三维骨盆进行透明化处理，呈现为图像，将透明三维骨盆摆正后旋转寻找两侧骶髂关节的S1椎体安全区的重影区，作为螺钉固定通道，实现定位。本发明可以快速定位螺钉固定通道，操作方式简单，精度高，减少辐射危害。当确定螺钉固定通道的数据用于医疗器械中指导动作时，可以实现自动化定位螺钉固定通道，使得手术变得简单。
附图说明
图1是本发明一实施例的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法的流程示意图；
图2是本发明另一实施例的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法的流程示意图；
图3是图2的步骤S6进一步的流程示意图；
图4是本发明一实施例的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位的示意图；
图5是本发明一实施例的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的示意图；
图6是本发明一实施例的通道定位后应用于术中的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
本发明中，用于获得骨盆CT扫描数据的扫描对象可以是骨骼发育健全，且无肿瘤、无严重骨性畸形的人体骨盆，至少在骶髂关节内还具有置入螺钉的S1椎体安全区。S1椎体安全区是指骶髂关节的S1椎体中能够用来容置螺钉且不会造成伤害的区域。
参看图1，本实施例的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法，包括以下步骤：
S1：接收至少包含骶髂关节的骨盆CT扫描数据；
S2：根据所述骨盆CT扫描数据进行骨盆的三维重建，得到三维骨盆；
S3：透明化显示三维骨盆，形成透明三维骨盆；
S4：以三维骨盆处于人体站立时的姿态为准，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行投影方向垂直于竖直方向的投影，旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。
下面对结合图1对骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法进行具体的描述，但不作为限制。
在步骤S1中，接收骨盆CT(电子计算机X射线断层扫描技术)扫描数据，该骨盆至少包含骶髂关节。每一份骨盆CT扫描数据为关于一骨盆扫描对象所获得的扫描数据，能够用来三维重现骨盆，后期针对该份骨盆CT扫描数据进行数字化分析处理。
在一个实施例中，可以在人体腹部部位连续螺旋CT扫描，扫描设备的电压为120kV。将扫描获得的原数据以.dicom格式，导入Simpleware 6.0软件，作为骨盆CT扫描数据接收，当然还可以通过其他方式获得骨盆CT扫描数据。
在步骤S2中，根据接收的骨盆CT扫描数据进行骨盆的三维重建，得到三维骨盆。三维重建的方式可以采用现有的三维重建方式实现。例如在步骤S1中，数据导入到Simpleware 6.0软件中后，通过Simpleware 6.0软件进行三维重建骨盆，三维骨盆以.stl文件格式存储。
在步骤S3中，透明化显示三维骨盆，形成透明三维骨盆。可以采用现有的医学图象三维透明可视化处理技术实现透明化显示三维骨盆。透明性是三维可视化的最高要求，该技术最先进的算法是三维体素渲染(3DVR)算法，其主要技术为：体素的数据管理、参数渲染、和图像显示。
在步骤S4中，三维骨盆呈现为图像，以三维骨盆处于人体站立时的姿态为准，设置三维骨盆的姿态，也就是说，人体站立的方向为竖直方向，三维骨盆在该竖直方向上以相同于位于人体内时的姿态呈现。选择一个面作为初始面，例如可以选择三维骨盆的正面作为初始面，将三维骨盆绕竖直方向旋转，具体的旋转轴线不作为限制，当然可以选取三维骨盆中的一个点所处于的竖直方向线为旋转轴线。在旋转过程中进行投影方向垂直于竖直方向的投影，例如当三维骨盆正放于显示界面时投影为正投影。投影是在旋转过程中进行的，由于骶髂关节的S1椎体安全区的投影面与其他部位的投影面深浅不一，因而在旋转过程中，可以显示S1椎体安全区的投影面慢慢变化。当旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合，说明两者重叠的S1椎体安全区面积最大，能够保障螺钉最安全地置入，确定该重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。
在一个实施例中，在步骤S4中还包括旋转角度的确定步骤，参看图4，三维骨盘从初始面旋转到旋转面之后，根据初始面中两侧骶髂关节的原长度LO和旋转面时的两侧骶髂关节的斜透视长度L，确定从初始面到旋转面的旋转角度，旋转面为旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影最大程度地重合的面。具体的，原长度LO可以为初始面中两侧骶髂关节最外端的连线长度，斜透度L可以为旋转面中两侧骶髂关节最外端的连线长度。旋转角度α的计算公式如下：
α＝arcsin(L/LO)×(180/π)。
确定关联初始面、旋转轴线、旋转角度这些数据之后，可以用来控制自动化医疗器械的动作，从而可以针对该骨盆CT扫描数据来源的人体进行螺钉固定通道的自动化定位，简化手术。人体在盆骨扫描到最后螺钉固定通道的自动化定位的过程中，相对姿态不发生变化。
可选的，输出初始面、围绕旋转的轴线及旋转角度，并将这些数据输入到透视系统的控制器中，这些数据用来控制透视系统的透视部分的旋转。从而实现了透视系统的自动化旋转及定位螺钉固定通道，当然这些数据的使用不限于透视部分的旋转，例如还可以用于控制持钉部分的旋转进钉。
较佳的，参看图2，骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法还可以包括：
S5：以一定间距对三维骨盆进行矢状位多层剖分，获得三维骨盆从一侧至另一侧的多层剖分面；
S6：确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，根据全部几何边界优化定位螺钉固定通道。
具体来说，步骤S4完成定位的螺钉固定通道包含了一个相对较大的S1椎体安全区域，因而可以对此进行优化。
在步骤S5中，参看图5，以一定间距对三维骨盆进行矢状位多层剖分，获得三维骨盆从一侧至另一侧的多层剖分面，更具体可以是仅对骶骨进行矢状位多层剖分，图中的a为重建的骶骨，图中的b即为矢状位多层剖分后的骶骨。矢状面是将人体平分为左右对称的两半的平面、及与该平面平行的平面，关于矢状位多层剖分，是指对三维骨盆沿多个矢状面进行剖分。可选的，将以.stl文件格式存储的三维骨盆导入Imageware 12.0软件，以1.0mm为间距对骶骨进行矢状位多层剖分。
在步骤S6中，确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，参看图5的c，即为几何边界的投影(骶髂关节该角度的投影可以根据前述的步骤S1至S4获得，但是在本实施例中是对前述步骤的优化，因而可以无需投影，而通过剖分获得几何边界)，在获得了几何边界之后便可确定螺钉置入时具体的限制范围，根据全部几何边界优化定位螺钉固定通道。
进一步的，参看图3，步骤S6包括：
S61：确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，提取各几何边界上的相关点的图像坐标；
S62：根据各几何边界的图像坐标拟合出相应几何边界的最大内切圆，计算获得各最大内切圆的圆心坐标；
S63：利用最小二乘法根据全部圆心坐标拟合出一条距离各圆心点最近的空间直线段，将所述空间直线段作为螺钉固定通道中轴线，用于优化定位螺钉固定通道。
具体来说，在步骤S61中，确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，提取各几何边界上的相关点的图像坐标。三维骨盆处于三维坐标系中，几何边界根据三维坐标系中的位置而得相关点的图像坐标，由于几何边界上具有无限个点，因而可以选取多个能够还原该几何边界的相关点即可。
在步骤S62中，参看图5的d，根据各几何边界的图像坐标拟合出相应几何边界的最大内切圆，获得各几何边界的最大内切圆后，计算获得各最大内切圆的圆心坐标。确定的圆心坐标，用来拟合生成最优的螺钉固定通道。
在S63中，利用最小二乘法根据全部圆心坐标拟合出一条距离各圆心点最近的空间直线段，将空间直线段作为螺钉固定通道中轴线，将该中轴线用于优化定位螺钉固定通道。
可选的，在步骤S63之后还包括S64，在确定空间直线段后便可确定钉道的深度，因而根据空间直线段确定螺钉固定通道的深度。深度数据同样可以输出到相应自动化医疗器械中进行螺钉置入的控制。
在一个实施例中，确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界后，在透明三维骨盆中，对至少最外两侧的S1椎体安全区的几何边界进行标记；以透明三维骨盆的正面为初始面，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行相对显示界面的正投影，旋转至各几何边界的投影最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。
确定重合部分的位置后，在重合部分的投影面上作出长短轴，获得长短轴连接交点，作为螺钉固定通道的螺钉置入点位置。在优化的实施例中，参看图5的e和f，在确定的最大内切圆上进行长短轴的连接(当然长短轴相等)，最后获得的长短轴连接交点即可作为螺钉固定通道的螺钉置入点位置。
在一个实施例中，根据确定的螺钉固定通道，在三维盆骨上模拟置入螺钉，按照螺钉固定通道将螺钉置入到三维盆骨中，输出模拟结果。通过虚拟置入螺钉至三维骨盆的骶髂关节中以固定S1椎体，可以校验该螺钉固定通道的定位是否正确，以防在自动化操作过程中出现差错。
参看图5的g-j，图g中显示三维骨盆虚拟置入7.3mm直径拉力螺钉，图h中将三维骨盆摆放为前后位显示螺钉位置，图i中将三维骨盆摆放为入口位显示螺钉位置，图j中将三维骨盆摆放为出口位显示螺钉位置。
参看图6，图中的a为术前骨盆的平片，图中的b为根据本发明实施例的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法确定置入通道后术后前后位的螺钉位置，图中的c为入口位螺钉位置，图中的d为出口位螺钉位置，图中的e为矢状位螺钉位置，验证了本发明实施例的定位精准效果。
本发明还提出一种骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位系统，包括：
数据接收模块，用以接收至少包含骶髂关节的骨盆CT扫描数据；
三维重建模块，用以根据所述骨盆CT扫描数据进行骨盆的三维重建，得到三维骨盆；
透明化处理模块，用以透明化显示三维骨盆，形成透明三维骨盆；
重合调整模块，用以：以三维骨盆处于人体站立时的姿态为准，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行投影方向垂直于竖直方向的投影，旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，还包括：
数据输出模块，用以输出初始面、围绕旋转的轴线及旋转角度，并输入到透视系统的控制器中，用以控制透视系统的透视部分的旋转；
其中，所述重合调整模块还用以根据初始面中两侧骶髂关节的原长度LO和旋转面时的两侧骶髂关节的斜透视长度L，确定从初始面到旋转面的旋转角度，所述旋转面为旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合的面，所述旋转角度α的计算公式如下：
α＝arcsin(L/LO)×(180/π)。
根据本发明的一个实施例，还包括：
矢状位剖分模块，用以：以一定间距对三维骨盆进行矢状位多层剖分，获得三维骨盆从一侧至另一侧的多层剖分面；
通道优化模块，用以确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，根据全部几何边界优化定位螺钉固定通道。
根据本发明的一个实施例，所述通道优化模块包括：
几何边界确定模块，用以确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，提取各几何边界上的相关点的图像坐标；
圆心坐标确定模块，用以根据各几何边界的图像坐标拟合出相应几何边界的最大内切圆，计算获得各最大内切圆的圆心坐标；
拟合模块，用以利用最小二乘法根据全部圆心坐标拟合出一条距离各圆心点最近的空间直线段，将所述空间直线段作为螺钉固定通道中轴线，用于优化定位螺钉固定通道。
本发明关于骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位系统的具体内容可以参看前述的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位方法的详细描述，相同之处在此不再赘述。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定权利要求，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位系统，其特征在于，包括：
数据接收模块，用以接收至少包含骶髂关节的骨盆CT扫描数据；
三维重建模块，用以根据所述骨盆CT扫描数据进行骨盆的三维重建，得到三维骨盆；
透明化处理模块，用以透明化显示三维骨盆，形成透明三维骨盆；
重合调整模块，用以：以三维骨盆处于人体站立时的姿态为准，将三维骨盆绕竖直方向旋转，并在旋转过程中进行投影方向垂直于竖直方向的投影，旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合，确定重合部分的位置，从而定位螺钉固定通道；其中，所述重合调整模块还用以根据初始面中两侧骶髂关节的原长度LO和旋转面时的两侧骶髂关节的斜透视长度L，确定从初始面到旋转面的旋转角度，所述旋转面为旋转至两侧骶髂关节的S1椎体安全区的投影面最大程度地重合的面，所述旋转角度的计算公式如下：
α＝arcsin(L/LO)×(180/π)，其中，α为旋转角度；
矢状位剖分模块，用以：以一定间距对三维骨盆进行矢状位多层剖分，获得三维骨盆从一侧至另一侧的多层剖分面；
通道优化模块，用以确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，根据全部几何边界优化定位螺钉固定通道。
2.如权利要求1所述的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位系统，其特征在于，还包括：
数据输出模块，用以输出初始面、围绕旋转的轴线及旋转角度，并输入到透视系统的控制器中，用以控制透视系统的透视部分的旋转。
3.如权利要求1所述的骶髂关节置入螺钉固定S1椎体的通道定位系统，其特征在于，所述通道优化模块包括：
几何边界确定模块，用以确定每一层剖分面上的骶髂关节S1椎体安全区的几何边界，提取各几何边界上的相关点的图像坐标；
圆心坐标确定模块，用以根据各几何边界的图像坐标拟合出相应几何边界的最大内切圆，计算获得各最大内切圆的圆心坐标；
拟合模块，用以利用最小二乘法根据全部圆心坐标拟合出一条距离各圆心点最近的空间直线段，将所述空间直线段作为螺钉固定通道中轴线，用于优化定位螺钉固定通道。
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