CN107647914A - 一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，所述方法包括步骤：S1、获取获取脊椎椎骨的二维CT扫描图像；S2、根据所述二维CT扫描图像，三维重建脊椎椎骨的封闭三维网络模型，形成封闭曲面；S3、建立以长度最优为目标的脊椎椎骨置钉通道集合最优化模型；S4、利用拉格朗日乘子法求解所述集合最优化模型，获取最优置钉通道。上述方法提出的椎弓根置钉通道生成方法，解决了最优置钉通道的自动生成问题，对于给定的椎骨三维数字几何模型，能够根据用户需求，在保证手术安全的前提条件下，自动生成长度最长的置钉通道。

Description

一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法
技术领域
本发明涉及医学领域，尤其涉及一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法。
背景技术
在治疗脊柱滑脱复位、脊柱加固等手术中，一般都会采用椎弓根螺钉内固定手术，但由于椎弓根的固有解剖结构较为狭窄，且其周围毗邻血管、神经及脊髓等重要的解剖结构，准确地植入一根长度合适的椎弓根螺钉非常关键，若植入的椎弓根螺钉长短以及位置出现较大偏差，则会损伤毗邻重要组织结构，将造成严重的并发症。所以椎弓根螺钉置钉钉道的生成方法是各类脊柱手术的关键。
然而目前，椎弓根手术导板置钉钉道生成方法主要有：解剖标志点法、椎板开法、X线透视法、计算机导航法、导航模板法等。解剖标志点法，该传统的生成方法需要耗费较长的时间以及较多的精力，并且进钉角度主要通过术者的经验来判断，准确说是靠术者的手感和椎弓根探针对置钉通道的探摸来保证椎弓根螺钉的准确置入，对医生的临床经验要求较高，精度难以保证。X线透视辅助法，操作时间较长也容易加重病人的病情，大量的X射线也会对病人造成二次伤害，错过最佳治疗时间。
因此，提供一种能够高效率获取最优置钉通道的方法，成为目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，以实现高效率的获取最优置钉通道。
本发明的技术方案是：一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，所述方法包括步骤：
S1、获取获取脊椎椎骨的二维CT扫描图像；
S2、根据所述二维CT扫描图像，三维重建脊椎椎骨的封闭三维网格模型，形成封闭曲面；
S3、建立以长度最优为目标的脊椎椎骨置钉通道最优化模型；
S4、利用拉格朗日乘子法求解所述最优化模型，获取最优置钉通道。
较佳的，在步骤S3中，所述最优化模型为：
其中，l表示三维网格模型中的任意一条直线，dinner(l)表示直线l位于脊椎椎骨内的长度减去douter(l)，douter(l)表示直线l位于脊髓腔内和动脉血管腔内的长度之和。
较佳的，满足所述最优化模型的所述三维网格模型中的直线l为所述最优置钉通道的中心轴线。
较佳的，提供一半径r，获取所述中心轴线与所述脊椎椎骨表面所在的所述封闭曲面的两个交点p1和p2，线段为所述中心轴线，根据所述半径r构建圆柱体圆柱体与所述封闭曲面的布尔交集生成所述最优置钉通道。
较佳的，在步骤S4中，利用Matlab软件所提供的fmincon函数获取满足所述最优化模型的所述三维网格模型中的直线l的方程。
上述技术方案具有如下优点或有益效果：上述方法提出的椎弓根置钉通道生成方法，解决了最优置钉通道的自动生成问题，对于给定的椎骨三维数字几何模型，能够根据用户需求，在保证手术安全的前提条件下，自动生成长度最长的置钉通道。
附图说明
参考所附附图，以更加充分的描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为本发明一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法进行详细说明。
如图1所示，一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，该方法包括步骤：
S1、获取脊椎椎骨的二维CT扫描图像；
S2、根据上述二维CT扫描图像，三维重建脊椎椎骨的封闭三维网格模型，形成封闭曲面；
S3、建立以长度最优为目标的脊椎椎骨置钉通道最优化模型；
S4、利用拉格朗日乘子法求解最优化模型，获取最优置钉通道。
在一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，只有当置入脊椎椎骨的手术钉越长，则效果越佳。所以在该方法中，首先要获取脊椎椎骨的二维CT扫描图像，然后再三维重建脊椎椎骨的封闭三维网格模型，以形成封闭的分片网格曲面。在建立了三维网格模型后，建立以最优化模型，最终利用拉格朗日乘子法获取该最优化模型中长度最优的脊椎椎骨置钉通道。
近一步来讲，在步骤S3中，该最优化模型为：
其中l表示三维网格模型中的任意一条直线，dinner(l)表示直线l位于脊椎椎骨内的长度减去douter(l)，douter(l)表示直线l位于脊髓腔内的长度。即在选择最优置钉通道时，该置钉通道不能穿过脊髓腔，所以位于脊髓腔内的长度必须为0，在此基础上，dinner(l)最大的一条直线对应的就是最优置钉通道。
近一步来讲，在步骤S4中，利用Matlab软件所提供的fmincon函数获取满足最优化模型的上述三维网格模型中的直线l的方程，该直线l为最优置钉通道的中心轴线所在位置。
近一步来讲，提供一半径r，获取中心轴线与脊椎椎骨表面所在的封闭曲面的两个交点p1和p2，取线段作为中心轴线，根据r构建圆柱体令脊椎椎骨形成的三维模型的封闭曲面S内部的体为V，则圆柱体与体V的布尔交集生成人体脊椎骨置钉手术最优置钉通道。
上述方法提出的椎弓根置钉通道生成方法，解决了最优置钉通道的自动生成问题，对于给定的椎骨三维数字几何模型，能够根据用户需求，在保证手术安全的前提条件下，自动生成长度最长的置钉通道。该方法还具有两方面的优点：
1.可以从理论上保证生成的置顶通道在所有可能的置钉通道中长度最长，从而使得骨科医生根据由此制作得到的手术导板进行置钉手术时，允许医生使用最长的螺钉，因此产生比短螺钉更好的手术固定效果。
2.从理论上保证了置钉通道只位于椎体内部，而不会通过动脉血管和脊髓所在的区域空间，从而保证在置钉手术过程中螺钉不会接触到动脉血管和脊髓等重要器官，避免动脉血管破裂导致大出血、以及脊髓受压迫导致瘫痪等严重并发症的发生，对于提高椎弓根置钉手术的安全性、可靠性都具有重要意义。
对于本领域的技术人员而言，阅读上述说明后，各种变化和修正无疑将显而易见。因此，所附的权利要求书应看作是涵盖本发明的真实意图和范围的全部变化和修正。在权利要求书范围内任何和所有等价的范围与内容，都应认为仍属本发明的意图和范围内。

Claims (5)

1.一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S1、获取脊椎椎骨的二维CT扫描图像；
S2、根据所述二维CT扫描图像，三维重建脊椎椎骨的封闭三维网格模型，形成封闭曲面；
S3、建立以长度最优为目标的脊椎椎骨置钉通道最优化模型；
S4、利用拉格朗日乘子法求解所述最优化模型，获取最优置钉通道。
2.根据权利要求1所述的椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，其特征在于，在步骤S3中，所述最优化模型为：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <munder> <mi>max</mi> <mi>l</mi> </munder> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>n</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mo>.</mo> <mi>t</mi> <mo>.</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>u</mi> <mi>t</mi> <mi>e</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>l</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中，l表示穿过三维网格模型的任意一条直线，dinner(l)表示直线l位于脊椎椎骨内的长度减去douter(l)，douter(l)表示直线l位于脊髓腔以及动脉血管腔内的长度之和。
3.根据权利要求2所述的椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，其特征在于，满足所述最优化模型的所述三维网格模型中的直线l为所述最优置钉通道的中心轴线。
4.根据权利要求3所述的椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，其特征在于，提供一半径r，获取所述中心轴线与所述脊椎椎骨表面所在的所述封闭曲面的两个交点p1和p2，线段为所述中心轴线，根据所述半径r构建圆柱体圆柱体与所述封闭曲面的布尔交集生成所述最优置钉通道。
5.根据权利要求1所述的椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法，其特征在于，在步骤S4中，利用Matlab软件所提供的fmincon函数获取满足所述最优化模型的所述三维网格模型中的直线l的方程。
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