CN106963489A - 一种个体化股骨骨折复位模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种个性化股骨骨折复位模型构建方法。其步骤包括：基于参数化股骨曲面模型构建技术，创建平均化股骨变形模板，定义股骨解剖特征点和解剖参考点，创建患者骨折简化模型，构建个体化近似模型；将骨折简化模型中各解剖点集配准对其至近似股骨模型中对应解剖点集，求解变形矩阵，实现骨折模型中对应骨折段自动复位；提取骨折简化模型中各骨折段骨折轮廓，投影并截取近似股骨模型中对应曲面，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化骨折复位模型。本发明通过患者股骨骨折段复位和粉碎性部分曲面重构，直观快捷地构建个体化骨折模型，对指导医生进行股骨骨折手术治疗和骨科手术中患者接骨板个性化设计具有重要指导意义。

Description

一种个体化股骨骨折复位模型构建方法

技术领域

本发明涉及一种数字股骨建模技术，具体涉及一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，属于计算机辅助设计领域。

背景技术

随着全球人口老龄化和道路交通事故伤害的增加，人体股骨骨折呈逐年上升趋势，且多为复杂粉碎性骨折。手术治疗已成为当下股骨粉碎性骨折治疗的最有效方法，计算机辅助骨科手术为骨折治疗提供了有效技术保障，成为当前发展最为迅速的研究领域。有效复位患者偏移后骨折块至正常解剖位，构建个体化骨骼骨折复位模型，是计算机辅助骨科手术中最为重要的问题之一。参考文件(CN104622559A)发明公开了一种参数化股骨模板的构建方法，现有方法主要分为两类：手工拼接和统计重构。手工拼接是医生对骨折块逐一手工复位，其主要缺点包括：复位模型的精度很大程度上依赖于医生经验；同时模型构建效率低下。统计重构是利用近似骨骼模型代替患者个体模型，其主要不足包括：难以有效表示患者个体股骨外形差异特征；近似骨骼模型难以表示骨折痕迹信息，难以指导医生对患者个体的针对性手术治疗。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种个体化股骨骨折复位模型的构建方法，基于患者骨折模型和参数变形模板，实现骨折段的解剖复位与患者个体骨折痕迹的直观表示。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，包括如下步骤：

步骤1：创建平均化股骨变形模板，定义股骨解剖特征点和解剖参考点，基于患者骨折CT，创建患者骨折简化模型；测量骨折简化模型中正常解剖部位的有效参数，编辑修改平均化股骨变形模板，构建个体化近似模型。

步骤2：提取患者骨折简化模型和近似股骨模型中解剖特征点和解剖参考点，依据所属位置，将解剖特征点和参考点分类至对应模型的各骨折段解剖点集，将骨折简化模型中各解剖点集配准对其至近似股骨模型中对应解剖点集，依据所求解变形矩阵，对骨折模型中对应骨折段进行复位。

步骤3：提取骨折简化模型中各骨折段骨折轮廓，投影至近似股骨模型中，截取近似股骨模型中对应曲面，使用过渡曲面，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化骨折复位模型。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1a：导入特定人群正常股骨的平均化曲面模型，创建平均化股骨解剖特征点和解剖参考点，定义股骨解剖参数，基于参数化股骨模板构建技术，创建股骨曲面变形模板。

步骤1b：提取患者骨折股骨CT外侧轮廓，创建个体骨折三维曲面模型，移除粉碎性骨折部分，创建患者骨折简化模型；

步骤1c：测量患者骨折简化模型中正常解剖位的有效参数，编辑修改平均化股骨变形曲面模板，创建个体化近似模型；

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2a：创建患者骨折简化模型和个体化近似模型中解剖特征点和解剖参考点，依据各点所属位置，分类骨折简化模型解剖特征点和解剖参考点至对应解剖点集，分类近似模型解剖特征点和解剖参考点至对应解剖点集；

步骤2b：将患者骨折简化模型中各解剖点集配准对齐至个体化近似模型中对应解剖点集，求解各点集对应变形矩阵，对骨折简化模型中主要骨折段进行自动复位。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3a：提取复位后骨折简化模型中主要骨折段边界轮廓曲线，投影至所个体化近似模型中，截取相应部分曲面，表示所移除粉碎性部分外形；

步骤3b：使用过渡曲面技术，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化股骨骨折复位模型。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤1的步骤1a中，所述解剖特征点位于股骨表面，具有显著医学意义和显著几何特征(曲率最大)，包括大转子最高点(Pa1)、大转子外侧点(Pa2)、小转子上部点(Pa3)、小转子顶点(Pa4)、小转子下部点(Pa5)、髁部外侧点(Pa6)、髁部前外侧点(Pa7)、髁部外侧底部点(Pa8)、两髁底部最高点(Pa9)、髁前滑车点(Pa10)、髁部内侧底部点(Pa11)、髁部前内侧点(Pa12)、髁部内侧点(Pa13)、髁部后内侧点(Pa14)、髁部后外侧点(Pa15)，所述解剖参考点位于股骨内部，通过拟合求解股骨各部分外形获得，具有解剖参考意义，包括头球心(Pr1)、颈峡部点(Pr2)、颈干交点(Pr3)、干峡部点(Pr7)、近端轴四等分点(Pr4-Pr6)、远端轴底部点(Pr10)、远端轴三等分点(Pr8、Pr9)。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤1的步骤1b中，所述CT外侧轮廓，是指股骨外侧皮质骨轮廓，粉碎性骨折部分是指手术治疗中难以固定的细小骨折块。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤1的步骤1c中，所述正常解剖位的有效参数包括：球头半径(P1)、颈峡部半径(P2)、头球心高(P3)、近端长(P4)、小粗隆高(P5)髁横径(P6)。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤2的步骤2a中，所述解剖点集为骨折段表面解剖参考点及其内部解剖参考点的集合。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤2的步骤2b中，所述配准对其为刚性配准，平移和旋转各骨折段，保持其形状不变，两两配准点集中解剖点一一对应。

前述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，所述步骤3的步骤3a中，所述骨折边界轮廓曲线是指骨折位边界闭合曲线，投影是指参考股骨远端解剖轴，将复位后骨折简化模型边界轮廓曲线，投影至个体化近似模型中，创建对应轮廓曲线，用以截取粉碎部分所对应曲面；所述步骤3的步骤3b中，所述相邻曲面是指个体化近似模型中所截取曲面和复位后骨折简化模型中曲面。

本发明的有益之处在于：本发明的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，系统运行效率高，通过患者股骨骨折段复位和粉碎性部分曲面重构，直观快捷地构建具有患者股骨解剖和骨折特性信息的个体化骨折模型。本发明应用于医学骨科手术与医疗器材制造领域，能够直观、准确地表示个体化股骨外形和骨折信息，对指导医生进行股骨骨折手术治疗具有重要指导意义。

附图说明

图1是本发明中一种个性化股骨骨折复位模型构建方法流程图；

图2是本发明中股骨平均化模板解剖点示意图；

图3是本发明中个体股骨近似模型创建示意图；

图4是本发明中股骨模型解剖点集分类示意图；

图5是本发明中骨折简化模型复位示意图；

图6是本发明中个体化股骨骨折复位模型构建示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做具体的介绍。

参照图1所示，本发明一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，包括如下步骤：

步骤一：创建平均化股骨变形模板，定义股骨解剖特征点和解剖参考点，基于患者骨折CT，创建患者骨折简化模型；测量骨折简化模型中正常解剖部位的有效参数，编辑修改平均化股骨变形模板，构建个体化近似模型。

步骤二：提取患者骨折简化模型和近似股骨模型中解剖特征点和解剖参考点，依据所属位置，将解剖特征点和参考点分类至对应模型的各骨折段解剖点集，将骨折简化模型中各解剖点集配准对其至近似股骨模型中对应解剖点集，依据所求解变形矩阵，对骨折模型中对应骨折段进行复位。

步骤三：提取骨折简化模型中各骨折段骨折轮廓，投影至近似股骨模型中，截取近似股骨模型中对应曲面，使用过渡曲面，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化骨折复位模型。

首先，创建平均化股骨变形模板，定义股骨解剖特征点和解剖参考点，创建患者骨折简化模型和个体化近似模型，包括以下步骤：

步骤1a：导入特定人群正常股骨的平均化曲面模型，创建平均化股骨解剖特征点和解剖参考点，定义股骨解剖参数，基于参数化股骨模板构建技术，创建股骨曲面变形模板。

步骤1b：提取患者骨折股骨CT外侧轮廓，创建个体骨折三维曲面模型，移除粉碎性骨折部分，创建患者骨折简化模型；

步骤1c：测量患者骨折简化模型中正常解剖位的有效参数，编辑修改平均化股骨变形曲面模板，创建个体化近似模型。

然后，提取患者骨折简化模型和近似股骨模型中解剖特征点和解剖参考点，配准对其骨折简化模型中各解剖点集至近似股骨模型中对应解剖点集，对骨折模型中对应骨折段进行复位。包括以下步骤：

步骤2a：创建患者骨折简化模型和个体化近似模型中解剖特征点和解剖参考点，依据各点所属位置，分类骨折简化模型解剖特征点和解剖参考点至对应解剖点集，分类近似模型解剖特征点和解剖参考点至对应解剖点集；

步骤2b：将患者骨折简化模型中各解剖点集配准对齐至个体化近似模型中对应解剖点集，求解各点集对应变形矩阵，对骨折简化模型中主要骨折段进行自动复位。

最后，截取近似股骨模型中对应曲面，表示粉碎性部分骨骼外形，使用过渡曲面光滑连接相邻曲面，构建患者个体化骨折复位模型，包括以下步骤：

步骤3a：提取复位后骨折简化模型中主要骨折段边界轮廓曲线，投影至所个体化近似模型中，截取相应部分曲面，表示所移除粉碎性部分外形；

步骤3b：使用过渡曲面技术，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化股骨骨折复位模型。

如图2所示，导入股骨平均化曲面模型，结合医学语义和几何特征，创建股骨解剖特征点(曲率最大)，包括大转子最高点(Pa1)、大转子外侧点(Pa2)、小转子上部点(Pa3)、小转子顶点(Pa4)、小转子下部点(Pa5)、髁部外侧点(Pa6)、髁部前外侧点(Pa7)、髁部外侧底部点(Pa8)、两髁底部最高点(Pa9)、髁前滑车点(Pa10)、髁部内侧底部点(Pa11)、髁部前内侧点(Pa12)、髁部内侧点(Pa13)、髁部后内侧点(Pa14)、髁部后外侧点(Pa15)；通过拟合求解股骨各部分外形，创建解剖参考点，包括头球心(Pr1)、颈峡部点(Pr2)、颈干交点(Pr3)、干峡部点(Pr7)，创建股骨颈部轴(L1)、近端骨干轴(L2)和远端骨干轴(L3)，创建L3底部点(Pr10，远L3与Pa6、Pa7和Pa13三点所在面的交点)，创建近端轴四等分点(Pr4-Pr6)、远端轴三等分点(Pr8、Pr9)；基于参数化股骨模板构建技术，创建平均化股骨变形模板。

如图3所示，创建患者骨折模型，提取正常解剖位的有效参数，编辑修改平均化股骨变形模板，生成个体化近似模型。首先，基于患者CT数据中所提取股骨外侧皮质骨轮廓，创建股骨骨折模型，如图中(a)所示；然后，移除粉碎性骨折部分是指手术治疗中难以固定的细小骨折块，生成患者骨折简化模型，如图中(b)所示，测量近端和远端正常部位的有效参数，包括：球头半径(P1)、颈峡部半径(P2)、头球心高(P3)、近端长(P4)、小粗隆高(P5)髁横径(P6)；通过参数约束求解，编辑修改平均化股骨变形模板，生成个体化近似模型，如图中(c)所示。

如图4所示，提取个体化骨折简化模型中解剖特征点和解剖参考点，并将其分类至近端点集(PP’)和远端点集(PD’),PP’＝{Pa1’,Pa2’,Pa3’,Pa4’,Pa5’,Pr1’,Pr2’,Pr3’,Pr4’,Pr5’,Pr6’,Pr7’,Pr8’,Pr9’},PD’＝{Pa6’,Pa7’,Pa8’,Pa9’,Pa10’,Pa11’,Pa12’,Pa13’,Pa14’,Pa15’,Pr10’}，如图中(a)所示；同时创建个体化近似模型中近端点集(PP)和远端点集(PD),PP＝{Pa1,Pa2,Pa3,Pa4,Pa5,Pr1,Pr2,Pr3,Pr4,Pr5,Pr6,Pr7,Pr8,Pr9},PD＝{Pa6,Pa7,Pa8,Pa9,Pa10,Pa11,Pa12,Pa13,Pa14,Pa15,Pr10}，如图中(b所示)。

如图5所示，首先，将PP’和PD’使用ICP算法分别配准至将PP和PD点集，求解近端和远端变形矩阵；然后，依据变形矩阵，对近端和远端骨折段进行自动复位，创建复位后骨折简化模型。

如图6所示，首先，提取复位后骨折简化模型中主要骨折边界轮廓曲线；然后，参考远端轴线(L3)，将骨折边界轮廓投影至个体化近似模型表面，创建骨折边界轮廓投影曲线；接着，接入投影轮廓内曲面，表示粉碎性骨折部分骨骼外形；最后，通过过渡曲面，光滑连接复位后骨折曲面和截取曲面，生成个体化股骨骨折复位模型。

本方法未进一步说明的均为现有技术。

本发明给出了一种个性化股骨骨折复位模型构建方法。首先，基于参数化股骨曲面模型构建技术，创建平均化股骨变形模板，定义股骨解剖特征点和解剖参考点，创建患者骨折简化模型，构建个体化近似模型；然后，将骨折简化模型中各解剖点集配准对其至近似股骨模型中对应解剖点集，求解变形矩阵，实现骨折模型中对应骨折段自动复位；最后，提取骨折简化模型中各骨折段骨折轮廓，投影并截取近似股骨模型中对应曲面，使用过渡曲面，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化骨折复位模型。

本发明能够通过参数直观、准确地表示股骨曲面形态，能够基于参数的修改生成一系列多样化股骨模型，对骨科手术中患者接骨板个性化设计有重要意义。

本发明直观快捷地构建具有患者股骨解剖和骨折特性信息的个体化骨折模型，能够直观、准确地表示个体化股骨外形和骨折信息，对指导医生进行股骨骨折手术治疗具有重要指导意义。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：创建平均化股骨变形模板，定义股骨解剖特征点和解剖参考点，基于患者骨折CT，创建患者骨折简化模型；测量骨折简化模型中正常解剖部位的有效参数，编辑修改平均化股骨变形模板，构建个体化近似模型；

步骤2：提取患者骨折简化模型和近似股骨模型中解剖特征点和解剖参考点，依据所属位置，将解剖特征点和参考点分类至对应模型的各骨折段解剖点集，将骨折简化模型中各解剖点集配准对其至近似股骨模型中对应解剖点集，依据所求解变形矩阵，对骨折模型中对应骨折段进行复位；

步骤3：提取骨折简化模型中各骨折段骨折轮廓，投影至近似股骨模型中，截取近似股骨模型中对应曲面，使用过渡曲面，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化骨折复位模型。

2.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤1a：导入特定人群正常股骨的平均化曲面模型，创建平均化股骨解剖特征点和解剖参考点，定义股骨解剖参数，基于参数化股骨模板构建技术，创建股骨曲面变形模板；

步骤1b：提取患者骨折股骨CT外侧轮廓，创建个体骨折三维曲面模型，移除粉碎性骨折部分，创建患者骨折简化模型；

步骤1c：测量患者骨折简化模型中正常解剖位的有效参数，编辑修改平均化股骨变形曲面模板，创建个体化近似模型。

3.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤2a：创建患者骨折简化模型和个体化近似模型中解剖特征点和解剖参考点，依据各点所属位置，分类骨折简化模型解剖特征点和解剖参考点至对应解剖点集，分类近似模型解剖特征点和解剖参考点至对应解剖点集；

步骤2b：将患者骨折简化模型中各解剖点集配准对齐至个体化近似模型中对应解剖点集，求解各点集对应变形矩阵，对骨折简化模型中主要骨折段进行自动复位。

4.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3a：提取复位后骨折简化模型中主要骨折段边界轮廓曲线，投影至所个体化近似模型中，截取相应部分曲面，表示所移除粉碎性部分外形；

步骤3b：使用过渡曲面技术，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化股骨骨折复位模型。

5.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤1的步骤1a中，所述解剖特征点位于股骨表面，包括大转子最高点(Pa1)、大转子外侧点(Pa2)、小转子上部点(Pa3)、小转子顶点(Pa4)、小转子下部点(Pa5)、髁部外侧点(Pa6)、髁部前外侧点(Pa7)、髁部外侧底部点(Pa8)、两髁底部最高点(Pa9)、髁前滑车点(Pa10)、髁部内侧底部点(Pa11)、髁部前内侧点(Pa12)、髁部内侧点(Pa13)、髁部后内侧点(Pa14)、髁部后外侧点(Pa15)，所述解剖参考点位于股骨内部，通过拟合求解股骨各部分外形获得，包括头球心(Pr1)、颈峡部点(Pr2)、颈干交点(Pr3)、干峡部点(Pr7)、近端轴四等分点(Pr4-Pr6)、远端轴底部点(Pr10)、远端轴三等分点(Pr8、Pr9)。

6.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤1的步骤1b中，所述CT外侧轮廓，是指股骨外侧皮质骨轮廓，粉碎性骨折部分是指手术治疗中难以固定的细小骨折块。

7.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤1的步骤1c中，所述正常解剖位的有效参数包括：球头半径(P1)、颈峡部半径(P2)、头球心高(P3)、近端长(P4)、小粗隆高(P5)髁横径(P6)。

8.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2a中，所述解剖点集为骨折段表面解剖参考点及其内部解剖参考点的集合。

9.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤2的步骤2b中，所述配准对其为刚性配准，平移和旋转各骨折段，保持其形状不变，两两配准点集中解剖点一一对应。

10.根据将权利要求1所述的一种个性化股骨骨折复位模型构建方法，其特征在于，所述步骤3的步骤3a中，所述骨折边界轮廓曲线是指骨折位边界闭合曲线，投影是指参考股骨远端解剖轴，将复位后骨折简化模型边界轮廓曲线，投影至个体化近似模型中，创建对应轮廓曲线，用以截取粉碎部分所对应曲面；所述步骤3的步骤3b中，所述相邻曲面是指个体化近似模型中所截取曲面和复位后骨折简化模型中曲面。