CN107174342A - 一种计算机辅助骨折整复程度度量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于三维医学图像处理领域，具体涉及一种计算机辅助骨折整复程度度量方法。本发明包括：使用医学成像设备对骨折部位进行扫描，获取医学图像，并对骨折部位进行三维重建，获得断骨的表面模型；在重建模型的骨折断面上手动选取特征点：将其中一块断骨作为目标骨，设为固定不动，在目标骨断面上手动选取n个特征明显的点，作为目标特征点集，同样在另一块断骨断面选取与目标特征点集一一对应的n个特征点，作为源特征点集。本发明实现了术前最佳接骨位置的估计，并计算出最佳接骨距离；实现了骨折整复手术中两块断骨间距离的实时计算及显示；精准监测整复手术进程，数字化整复进度让医生对手术过程一目了然。

Description

一种计算机辅助骨折整复程度度量方法

技术领域

本发明属于三维医学图像处理领域，具体涉及一种计算机辅助骨折整复程度度量方法。

背景技术

骨折传统治疗手段是进行开刀手术并植入钢板，但其创口大，骨膜剥离范围广，出血多，愈合速度慢。此外，术后仍需辅助以石膏固定，容易发生关节僵硬。

随着科学技术的发展进步,骨折微创手术应运而生。骨折微创手术相对于传统骨折手术具有创口小、疼痛轻、恢复快、住院时间短、出血少等优点。骨折微创手术通常需要图像引导设备，即C型臂。但是由于C型臂产生的是二维透视图像，当需要准确确定骨折的位置、大小和几何形状等，医生仅通过观察图像是很难做出准确判断，手术操作严重依赖医生的经验，并且X光对医生和患者都具有潜在的辐射危险。

随着计算机图形图像处理技术的发展，计算机辅助的三维图像导航成为了可能。断骨经过三维扫描建模，通过图像配准技术实现断面的精确对齐。其中，骨折整复过程中，断面精确对齐是骨折准确整复的关键，为此，世界上很多学者对这一问题提出了解决方案。韩巍等人提出了一种在光学导航系统下，将断骨、手术器械和成像设备叠加显示在预先获取的图像上，进而引导骨折整复的方法，但只是介绍了这种方法，并没有实施；G Dagnino提出了一种将断骨和手术器械叠加显示在计算机屏幕上，并规划出最优接骨路径，联动机器人进行接骨的方法，并做了模型试验。虽然这些方法给出了骨折整复的最佳位置，然而在实际临床中往往无法准确地将断骨复位到该位置，造成医生对骨折整复程度没有准确地把握。另一方面，如果医生在进行骨折整复过程中得到一个百分比进度，便能有效评价骨折整复的程度，方便判断整复效果。

为度量骨折整复的精确程度，本发明提出了一种新的方法。首先对两块断骨进行三维重建，假定其中一块断骨固定，其断面点云为目标点云，另一块断骨断面点云为源点云；其次在两块断骨上分别选出几组一一对应的特征点，利用Iterative Closest Point(以下简称ICP) 算法计算出几组对应特征点之间的旋转平移矩阵，利用旋转平移矩阵将这几组一一对应的目标点空间坐标与源点进行转换后的整复位置作为最佳整复位置，此时特征点对空间坐标的差值均值作为最佳接骨距离；通过空间定位仪计算出断骨的实时空间位置，取目标特征点与源点特征点实时距离的均值作为两块断骨的实时距离；记录整复开始时两块断骨的距离，记为初始距离，此时将初始距离与实时距离差值做分子，初始距离与最佳接骨距离的差值做分母，再乘以百分数后得到的值作为骨折整复进度的定量估量，此值的变化范围为-100％至100％，当达到100％时，我们认为整复位置达到最佳位置。实际过程中医生可根据临床要求从0到100％中设定一个有效区间，骨折整复进度达到此有效区间时即可认为整复完成。使用此方法能够对骨折整复程度进行一个定量化的预判，方便控制手术过程和时间，减少病人的痛苦和减轻患者家庭经济负担等优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决计算机辅助骨折整复过程中对整复进度无法度量的问题，提出了一种计算机辅助骨折整复程度度量方法。

本发明的目的是这样实现的：

包括以下步骤：

步骤1、使用医学成像设备对骨折部位进行扫描，获取医学图像，并对骨折部位进行三维重建，获得断骨的表面模型；在重建模型的骨折断面上手动选取特征点：将其中一块断骨作为目标骨，假设为固定不动，在目标骨断面上手动选取n个特征明显的点，作为目标特征点集，同样在另一块断骨(即为源骨)断面选取与目标特征点集一一对应的n个特征点，作为源特征点集。

步骤2、使用ICP算法计算出两块断骨表面模型之间的平移矩阵和转换矩阵，将源骨进行旋转平移后与目标骨对接，获得图像空间中最佳整复位置。

步骤3、计算出这n组一一对应的目标点空间坐标与源点进行转换后的空间坐标的差值均值，作为最佳接骨距离。

步骤4、计算机辅助整复是通过空间定位仪定位真实断骨的空间坐标。为实现真实断骨与三维重建的断骨模型一一联动，即移动断骨，屏幕上显示的断骨图像也跟着做出相应移动，需要在整复前进行图像空间坐标系与定位传感器坐标系间的注册。完成注册后计算移动中的 n组特征点对之间的距离，取均值作为实时距离。

步骤5、记录整复开始时两块断骨的距离，记为初始距离，此时将初始距离与实时距离差值做分子，初始距离与最佳接骨距离的差值做分母，再乘以百分数后得到的值作为骨折整复进度的定量估量，此值的变化范围为-100％至100％，当达到100％时，断骨到达最佳整复位置。

本发明具有以下效果：

本发明实现了术前最佳接骨位置的估计，并计算出最佳接骨距离；实现了骨折整复手术中两块断骨间距离的实时计算及显示；精准监测整复手术进程，数字化整复进度让医生对手术过程一目了然。相比于其他计算机辅助骨折导航方法，本发明不仅能够直观明了地观察两块断骨之间的相对位置，而且能够将断骨整复过程定量化，计算出断骨之间的实时距离，精准监测整复手术的进程，从而缩短骨折整复手术的时间，并提高整复的准确性。

附图说明

图1是断骨三维重建；

图2是在断骨图像上手动选取特征点；

图3是预接骨结果；

图4是最佳接骨距离；

图5是对被动刚体1完成注册；

图6是导航开始时断骨图像的初始距离；

图7是进度为83％时；断骨图像的相对距离；

图8是进度为99％时；断骨图像的相对距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

一种计算机辅助骨折整复进度度量方法，包括以下步骤：

步骤1、使用医学成像设备对骨折部位进行扫描，获取医学图像，并对骨折部位进行三维重建，获得断骨的表面模型(如图1所示)；在重建模型的骨折断面上手动选取特征点：将其中一块断骨作为目标骨，假设为固定不动，在目标骨断面上手动选取n个特征明显的点，作为目标特征点集，如图2所示；同样在另一块断骨(即为源骨)断面选取与目标特征点集一一对应的n个特征点，作为源特征点集。

步骤2、使用ICP算法计算出两块断骨之间的平移矩阵和转换矩阵，将源骨进行旋转平移后与目标骨对接，获得图像空间中最佳整复位置，如图3所示。

步骤3、计算出这n组一一对应的目标点空间坐标与源点进行转换后的空间坐标的差值均值，作为最佳接骨距离。

步骤4、计算机辅助整复是通过空间定位仪定位真实断骨的空间坐标。为实现真实断骨与三维重建的断骨模型一一联动，即移动断骨，屏幕上显示的断骨图像也跟着做出相应移动，需要在整复前进行图像空间坐标系与定位传感器坐标系间的注册。完成注册后计算移动中的 n组特征点对之间的距离，取均值作为实时距离。

步骤5、记录整复开始时两块断骨的距离，记为初始距离，此时将初始距离与实时距离差值做分子，初始距离与最佳接骨距离的差值做分母，再乘以百分数后得到的值作为骨折整复进度的定量估量，此值的变化范围为-100％至100％，当达到100％时，断骨到达最佳整复位置。

实施例2：

本实施方式步骤1中手动选取特征点集的具体步骤如下：

步骤1.1、源特征点集的手动选取：

将源骨三维模型选取适当角度，在断面上选择特征明显的边或角上的点，用鼠标选取该点，并将该点存入源点集中，得到SourcePoint(x_i,y_i,z_i)，i＝1…n。

步骤1.2、目标特征点集的手动选取：

在目标骨三维模型的断面上选择与源骨上特征点对应位置的点，存入目标点集，得到与之相对应的目标点集TargetPoint(x_i,y_i,z_i)，i＝1…n。

实施例3：

本实施方式步骤2利用ICP算法计算出目标骨与源骨(此时的目标骨与源骨都是指的是断骨的三维模型)之间的平移矩阵K和旋转矩阵L，并将源骨进行旋转平移后与目标骨对接，实现预接骨，获得最佳整复位置。

实施例4：

本实施方式步骤3求取最佳接骨距离的具体步骤如下：

实现预接骨后，计算出这n组一一对应的目标点空间坐标与源点进行转换后的空间坐标的差值均值，作为最佳接骨距离。

实施例5：

本实施方式求取实时距离的具体步骤如下：

步骤4.1、定位传感器的注册：

空间定位仪通常包含多个可定位的传感器，这些传感器可以被定位仪追踪并记录其实时空间位置。两个定位传感器分别通过钢针固定在两块断骨上，保证传感器和断骨间相对位置保持不变。首先完成对固定在目标骨(实际断骨)上的定位传感器1的注册。在目标骨和目标骨图像上手动选取三组以上一一对应的特征点对。目标骨上的特征点通过空间定位仪提供的可定位探针获取，目标骨图像上的特征点通过鼠标选取获得。利用ICP算法计算出这些特征点对间的平移旋转矩阵，即断骨与断骨图像之间的空间变换关系，完成定位传感器1的注册。平移旋转矩阵可以将断骨图像坐标系转换到定位传感器1坐标系下，使断骨图像与定位传感器1图像之间符合实际空间位置关系，从而将断骨图像与断骨联系起来，实现一一联动。

在源骨和源骨图像上选取三组以上一一对应的特征点对，对这几组特征点对利用ICP算法计算出定位传感器2坐标系与源断骨图像坐标系之间的平移矩阵和旋转矩阵，进而完成对定位传感器2的注册。

步骤4.2、计算实时距离：

在上一步骤中完成了断骨与断骨图像的一一联动，即移动断骨，屏幕上的断骨图像也会做出相应移动，两块断骨图像之间的距离表征的就是实际断骨之间的距离。

继续使用步骤1中在目标骨和源骨(断骨图像)上手动选取的目标点集TargetPoint(x_i,y_i,z_i)和源点集SourcePoint(x_i,y_i,z_i)，计算出这n组对应点之间实时距离的均值作为实时距离Distance。

其中

V＝TR₁*Registration (3)

V'＝TR₂*Registration' (4)

Registration和Registration'分别是定位传感器1和定位传感器2的注册矩阵。

TR₁为定位传感器1在空间定位仪坐标系下的平移旋转矩阵，TR₂为定位传感器2在空间定位仪坐标系下的平移旋转矩阵。

具体实施方式六：

本实施方式监测骨折整复进度的具体步骤如下：

记录整复开始时两块断骨的距离，记为初始距离S，此时将初始距离与实时距离差值做分子，初始距离与最佳接骨距离的差值做分母，再乘以百分数后得到的值作为骨折整复进度的定量估量。

本发明针对骨折整复手术进度进行监测与定量评估，以人工股骨模型为例。具体硬件由远红外光学定位仪、计算机和手术器械组成。远红外光学定位仪为临床上常用的光学导航设备，配有若干套被动刚体，每个被动刚体上包含4个位置分布不同反光小球，定位仪可实时捕获定位小球的空间位置并传送到计算机；计算机作为硬件支持，并通过VC、MATLAB等编制软件，实现断骨的三维重建及其可视化的；将被动刚体固定在钢针上，钢针打入断骨，同时定位小球的空间位置可以被光学定位仪捕获，通过注册过程断骨的位置可以进一步计算出。

将评价骨折整复进度作为目标，具体过程如下：

步骤1、

对股骨骨折部位进行CT扫描，并使用函数dicomdir读入CT图像。

a二值化处理：

设定灰度阈值，本例中使用CT值2000为阈值，灰度值小于2000的像素点，标志为0；灰度值大于2000的像素点标志为1。

b重建绘制：

使用isosurface函数提取三维图像的等值面。三维重建和面绘制结果如图1所示。

c.在上端断骨上，使用鼠标，选取一特征点，确定此点作为源点，点击“源点”按钮，该点由红变蓝，如图2所示，并将该点存入源点集中，得到SourcePoint(x_i,y_i,z_i)。

d.同理可在下断骨得到与之相对应的目标点集TargetPoint。

步骤2、对在上一步骤获取的目标点集和源点集使用ICP算法计算出平移矩阵L和旋转矩阵K：

将源骨进行相应旋转平移后与目标骨进行对接，实现预接骨。

步骤3、实现预接骨后，求取最佳接骨距离，即这几组一一对应的目标点空间坐标与源点进行转换后的空间坐标的差值均值。

将SourcePoint(x_i,y_i,z_i)、TargetPoint(x_i,y_i,z_i)、K、L代入公式(1)，求得最佳接骨距离为0.71mm，如图5示。

步骤4、

a.对被动刚体实现注册与追踪：

在目标骨图像和目标骨上选取一一对应的五组特征点对，分别存入到变量P和Q中。

利用ICP算法计算出定位小球坐标系与断骨图像坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T：

通过矩阵变换，将目标骨图像转换到被动刚体1坐标系下，实现断骨与断骨图像一一联动，至此，被动刚体1完成注册，如图5所示。重复以上步骤对固定在源骨上的被动刚体2进行注册。

b.求取断骨之间的实时距离：

该步骤结果由计算机根据公式(2)自动求取实时距离。

步骤5、记录导航开始时两块断骨的距离，记为初始距离S，如图6所示。

进度由计算机根据公式(5)自动求取并显示。

在三维图像导航下，完成对断骨的准确对接。(提取对接过程中的两个典型片段作为展示，分别如图7、8所示) 。

Claims (1)

1.一种计算机辅助骨折整复程度度量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)使用医学成像设备对骨折部位进行扫描，获取医学图像，并对骨折部位进行三维重建，获得断骨的表面模型；在重建模型的骨折断面上手动选取特征点：将其中一块断骨作为目标骨，设为固定不动，在目标骨断面上手动选取n个特征明显的点，作为目标特征点集，同样在另一块断骨断面选取与目标特征点集一一对应的n个特征点，作为源特征点集；

(2)使用ICP算法计算出两块断骨表面模型之间的平移矩阵和转换矩阵，将源骨进行旋转平移后与目标骨对接，获得图像空间中最佳整复位置；

(3)计算出这n组一一对应的目标点空间坐标与源点进行转换后的空间坐标的差值均值，作为最佳接骨距离；

(4)计算机辅助整复是通过空间定位仪定位真实断骨的空间坐标；为实现真实断骨与三维重建的断骨模型一一联动，即移动断骨，屏幕上显示的断骨图像也跟着做出相应移动，需要在整复前进行图像空间坐标系与定位传感器坐标系间的注册；完成注册后计算移动中的n组特征点对之间的距离，取均值作为实时距离；

(5)记录整复开始时两块断骨的距离，记为初始距离，此时将初始距离与实时距离差值做分子，初始距离与最佳接骨距离的差值做分母，再乘以百分数后得到的值作为骨折整复进度的定量估量，此值的变化范围为-100％至100％，当达到100％时，断骨到达最佳整复位置。