CN106963487A - 一种膝关节盘状半月板模拟手术方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种膝关节盘状半月板模拟手术方法，包括：对确诊为盘状半月板的患者的膝关节分别进行CT和MRI扫描；将CT和MRI数据进行处理，获取骨骼三维模型和软骨、韧带、半月板三维模型；将骨骼三维模型和软骨、韧带、半月板三维模型进行配准，生成骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置；将骨骼三维模型和软骨、韧带、半月板三维模型进行曲面重建，获取骨骼、软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型；将骨骼、软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型按照解剖结构进行组装，生成膝关节实体模型；在膝关节实体模型上切除盘状半月板中的病变部位，以模拟修整手术。本发明提供的技术方案能够有针对性地展示患者膝关节病变部位，模拟手术过程，加强医患沟通。
Description
技术领域
本发明涉及计算机三维仿真技术领域，尤其涉及一种膝关节盘状半月板模拟手术方法。
背景技术
医学上经常采用正常人体膝关节进行三维建模，对所建立起的膝关节三维模型进行各种研究。盘状半月板是一种少见的半月板畸形，外侧盘状半月板多于内侧盘状半月板。据报告外侧盘状半月板的发生率在日本和韩国患者中为26％，而在其它国家的患者中不到1％，内侧盘状半月板的发生率为0％～0.3％。
目前在临床上对于盘状半月板手术的最佳手术方式还没有达成共识，对术后效果很难做出预评价，而且目前在医学上还没有一种简便直观的方法来模拟盘状半月板的手术过程，医生通过口头讲述给患者解释手术过程，患者听起来模棱两可，不利于医患沟通。
发明内容
本发明旨在提供一种膝关节盘状半月板模拟手术方法，能够有针对性地展示患者膝关节病变部位，模拟手术过程，评价手术效果，实现个体化和精准化的手术操作，加强医患沟通。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种膝关节盘状半月板模拟手术方法，包括：
对确诊为盘状半月板且半月板形态完整的患者的膝关节分别进行CT和MRI扫描，以获取CT数据和MRI数据；
将所述CT数据进行处理，获取膝关节骨骼三维模型；将所述MRI数据进行处理，获取膝关节软骨、韧带、半月板三维模型；
将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行配准，生成膝关节三维模型，并生成所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置；
将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行曲面重建，获取膝关节骨骼NURBS曲面模型和膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型；
将所述膝关节骨骼NURBS曲面模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型按照解剖结构和所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置进行组装，生成膝关节实体模型；
在所述膝关节实体模型上切除盘状半月板中的病变部位，以模拟修整手术。
进一步的，还包括：在所述膝关节实体模型上进行可解剖测量和/或生物力学测量，以评估手术效果。
优选的，进行CT扫描的扫描参数为：采用Siemenz 64排螺旋CT机，电压120kV，电流35mA，准直器宽度0.6mm，螺距0.7，层厚1mm，重叠50％，每层扫描时间500ms。
优选的，进行MRI扫描的扫描参数为：采用Siemenz 3.0T超导磁共振扫描仪，矢状位3D(three-dimensional，三维)质子密度加权成像序列，TR(重复时间)1300ms，TE(回波时间)30ms,层厚0.6mm，矩阵320*224。
优选的，将所述CT数据和所述MRI数据进行处理的方法为：将获取的CT数据导入医学图像处理软件，确定CT数据图像冠状面、矢状面、额状面的方位，调整CT数据图像的阈值，获得股骨、胫骨及腓骨图像范围；分别建立股骨、胫骨、腓骨的Mask层，去除无关的图像数据；分别调整股骨、胫骨、腓骨图像的阈值，建立膝关节骨骼三维模型；将获取的MRI数据导入医学图像处理软件，确定MRI数据图像冠状面、矢状面、额状面的方位，调整MRI数据图像的阈值，获得前后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨及内外侧半月板图像范围；分别建立前后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板的Mask层，建立膝关节软骨、韧带、半月板三维模型。
优选的，将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行曲面重建的方法为：将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型导入逆向建模软件，消除骨骼、软骨、韧带、半月板三维模型的噪点，并利用所述逆向建模软件中的曲面重建功能建立膝关节骨骼NURBS曲面模型和膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型。
优选的，将所述膝关节骨骼NURBS曲面模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型按照解剖结构和所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置进行组装所使用的软件为三维机械制图软件NX8.5。
优选的，在所述膝关节实体模型上切除盘状半月板中的指定部分，以模拟修整手术的方法为：在所述三维机械制图软件NX8.5中，根据临床经验，调整盘状半月板的修整范围；在所述修整范围内，采用草图中的曲线和实体建模中的拉伸功能，并采用去除材料命令切除盘状半月板中的病变部位，获得盘状半月板修整后手术模型。
本发明实施例提供的膝关节盘状半月板模拟手术方法，通过对患者的膝关节进行三维实体建模，再在该三维实体模型上进行模拟切除手术，通过生物力学测量对手术效果进行预评价，从而找到最适合的手术方式，实现个体化和精准化的手术操作。同时，使每一个盘状半月板患者不仅能清楚地看到自己的膝关节病变状况，还能直观地感受到整个手术过程。由于对每个患者的膝关节都建立三维模型，使得整个建模过程更加有针对性，从而加强了医患沟通。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图；
图2为CT图像导入Mimics中建立的膝关节骨骼Mask层；
图3为MRI图像导入Mimics中建立的膝关节软骨及韧带Mask层；
图4为股骨及股骨软骨的NURBS曲面模型；
图5为本发明实施例步骤105中生成的膝关节实体模型。
具体实施方式
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，对本发明进行进一步详细说明。
图1为本发明膝关节盘状半月板模拟手术方法流程图。
步骤101，对确诊为盘状半月板且半月板形态完整的患者的膝关节分别进行CT和MRI扫描，以获取CT数据和MRI数据；
在本发明实施例中，进行上述CT和MRI扫描的方法为：患者处于仰卧位，膝关节固定于伸直0度位，在膝关节间隙上下10cm范围内分别进行CT和MRI扫描。进行CT扫描的扫描参数为：采用Siemenz 64排螺旋CT机，电压120kV，电流35mA，准直器宽度0.6mm，螺距0.7，层厚1mm，重叠50％，每层扫描时间500ms。进行MRI扫描的扫描参数为：采用Siemenz 3.0T超导磁共振扫描仪，矢状位3D(three-dimensional，三维)质子密度加权成像序列，TR(重复时间)1300ms，TE(回波时间)30ms,层厚0.6mm，矩阵320*224。将获取的CT数据和MRI数据以DICOM格式进行保存。CT数据用来进行膝关节骨骼的重建，MRI数据用来进行膝关节韧带、软骨和半月板的重建。
步骤102，将所述CT数据进行处理，获取膝关节骨骼三维模型；将所述MRI数据进行处理，获取膝关节软骨、韧带、半月板三维模型；
在本发明实施例中，将CT数据进行处理的方法为：将获取的二维CT数据导入医学图像处理软件Mimics17中，确定CT数据图像冠状面、矢状面、额状面的方位，调整CT数据图像的阈值，手动调整直至完全覆盖目标组织的所有层面，获得股骨、胫骨及腓骨图像范围；分别建立股骨、胫骨、腓骨的Mask层，利用Edit Masks中的Erase命令擦去无关的图像数据，从而获得所需的股骨、胫骨、腓骨的区域；分别调整股骨、胫骨、腓骨图像的阈值，获得骨松质的图像范围，运用Calculate 3D命令建立膝关节骨骼三维模型。上述骨骼三维模型包括骨皮质和骨松质的三维模型。将建立好的膝关节骨骼三维模型以stl格式进行保存。图2为CT图像导入Mimics中建立的膝关节骨骼Mask层。
将MRI数据进行处理的方法为：将获取的二维MRI数据导入医学图像处理软件Mimics17中，确定MRI数据图像冠状面、矢状面、额状面的方位，调整MRI数据图像的阈值，手动调整直至完全覆盖目标组织的所有层面，获得前后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨及内外侧半月板图像范围；分别建立前后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板的Mask层，运用Calculate 3D命令建立前后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨和内外侧半月板的三维模型，即建立起膝关节软骨、韧带、半月板三维模型。将建立好的膝关节软骨、韧带、半月板三维模型以stl格式进行保存。图3为MRI图像导入Mimics中建立的膝关节软骨及韧带Mask层。
步骤103，将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行配准，生成膝关节三维模型，并生成所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置；
在本发明实施例中，使用Mimics17的导入功能，把stl格式的膝关节软骨、韧带、半月板三维模型导入到stl格式的膝关节骨骼三维模型中，利用Mimics17中部件的移动、旋转功能，调整软骨、韧带、半月板三维模型在骨骼三维模型中的位置，使其符合膝关节的解剖结构关系，完成骨骼和软骨、韧带、半月板的配准。
步骤104，将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行曲面重建，获取膝关节骨骼NURBS曲面模型和膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型；
在本发明实施例中，进行曲面重建的目的是将上述建立起的三维模型进行优化，使模型有利于后期的进一步处理。将步骤102中生成的stl格式的膝关节骨骼三维模型和stl格式的膝关节软骨、韧带、半月板三维模型导入逆向建模软件Geomagic Studio 2013中，消除骨骼、软骨、韧带、半月板三维模型的噪点，检查各模型的交错面和细小通道，消除尖锐边，光顺各个模型的表面，并利用Geomagic Studio 2013中的曲面重建功能建立膝关节骨骼NURBS曲面模型和膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型，所得的上述NURBS曲面模型以.iges文件格式保存。图4为股骨及股骨软骨的NURBS曲面模型。
步骤105，将所述膝关节骨骼NURBS曲面模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型按照解剖结构和所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置进行组装，生成膝关节实体模型；
在本发明实施例中，使用三维机械制图专用软件NX8.5，Siemens将股骨、胫骨和软骨、韧带、半月板按照人体解剖结构，并参照步骤103中生成的各部分坐标位置进行组装，成为可以进行布尔运算的装配体。然后利用布尔命令使各部分形成面面接触的位置关系，完成膝关节实体模型构建，如图5所示。
步骤106，在所述膝关节实体模型上切除盘状半月板中的病变部位，以模拟修整手术。
在本发明实施例中，根据临床经验在NX8.5中，调整盘状半月板的修整范围；在所述修整范围内，采用草图中的曲线和实体建模中的拉伸功能，并采用去除材料命令切除盘状半月板中的病变部位，获得盘状半月板修整后手术模型。同时，还可以在生成的膝关节实体模型上进行可解剖测量和/或生物力学测量，以评估手术效果，使手术过程更加精细化、准确化。
本发明实施例提供的膝关节盘状半月板模拟手术方法，通过直接收集盘状半月板的影像资料，并且结合CT与MRI对不同组织显影的优势建立了膝关节盘状半月板的三维模型，能更好地体现出盘状半月板真实的解剖结构，以便于观察和测量。通过在三维模型上进行模拟手术，可让患者在术前更好地了解自身的病情及手术计划，提高患者的依从性，从而加强了医患沟通。尤其是，生成的膝关节实体模型由于可进行解剖测量和生物力学测量，能够评估手术效果，并使手术过程更加精细化、准确化。同时对于一些科学研究，可以避免在人体身上测试，降低科研成本，规避了伦理问题。在教学中，更形象的画面方便学生理解内容，提高教学质量。本技术可推广到其他部位组织，通过模拟手术，为临床、科研、教学带来更多的便利。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，包括：
对确诊为盘状半月板且半月板形态完整的患者的膝关节分别进行CT和MRI扫描，以获取CT数据和MRI数据；
将所述CT数据进行处理，获取膝关节骨骼三维模型；将所述MRI数据进行处理，获取膝关节软骨、韧带、半月板三维模型；
将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行配准，生成膝关节三维模型，并生成所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置；
将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行曲面重建，获取膝关节骨骼NURBS曲面模型和膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型；
将所述膝关节骨骼NURBS曲面模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型按照解剖结构和所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置进行组装，生成膝关节实体模型；
在所述膝关节实体模型上切除盘状半月板中的病变部位，以模拟修整手术。
2.根据权利要求1所述的膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，还包括：在所述膝关节实体模型上进行可解剖测量和/或生物力学测量，以评估手术效果。
3.根据权利要求1所述的膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，进行CT扫描的扫描参数为：
采用Siemenz 64排螺旋CT机，电压120kV，电流35mA，准直器宽度0.6mm，螺距0.7，层厚1mm，重叠50％，每层扫描时间500ms。
4.根据权利要求1所述的膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，进行MRI扫描的扫描参数为：
采用Siemenz 3.0T超导磁共振扫描仪，矢状位3D(three-dimensional，三维)质子密度加权成像序列，TR(重复时间)1300ms，TE(回波时间)30ms,层厚0.6mm，矩阵320*224。
5.根据权利要求1所述的膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，将所述CT数据和所述MRI数据进行处理的方法为：
将获取的CT数据导入医学图像处理软件，确定CT数据图像冠状面、矢状面、额状面的方位，调整CT数据图像的阈值，获得股骨、胫骨及腓骨图像范围；分别建立股骨、胫骨、腓骨的Mask层，去除无关的图像数据；分别调整股骨、胫骨、腓骨图像的阈值，建立膝关节骨骼三维模型；
将获取的MRI数据导入医学图像处理软件，确定MRI数据图像冠状面、矢状面、额状面的方位，调整MRI数据图像的阈值，获得前后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨及内外侧半月板图像范围；分别建立前后交叉韧带、内外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨、内外侧半月板的Mask层，建立膝关节软骨、韧带、半月板三维模型。
6.根据权利要求5所述的膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型进行曲面重建的方法为：
将所述膝关节骨骼三维模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板三维模型导入逆向建模软件，消除骨骼、软骨、韧带、半月板三维模型的噪点，并利用所述逆向建模软件中的曲面重建功能建立膝关节骨骼NURBS曲面模型和膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型。
7.根据权利要求6所述的膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，将所述膝关节骨骼NURBS曲面模型和所述膝关节软骨、韧带、半月板NURBS曲面模型按照解剖结构和所述膝关节三维模型中骨骼、软骨、韧带、半月板的坐标位置进行组装所使用的软件为三维机械制图软件NX8.5。
8.根据权利要求7所述的膝关节盘状半月板模拟手术方法，其特征在于，在所述膝关节实体模型上切除盘状半月板中的病变部位，以模拟修整手术的方法为：
在所述三维机械制图软件NX8.5中，根据临床经验，调整盘状半月板的修整范围；在所述修整范围内，采用草图中的曲线和实体建模中的拉伸功能，并采用去除材料命令切除盘状半月板中的病变部位，获得盘状半月板修整后手术模型。
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