CN107647914A - 一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法 - Google Patents
一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107647914A CN107647914A CN201710713346.XA CN201710713346A CN107647914A CN 107647914 A CN107647914 A CN 107647914A CN 201710713346 A CN201710713346 A CN 201710713346A CN 107647914 A CN107647914 A CN 107647914A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optimal
- vertebra
- mrow
- pedicle
- dimensional
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 43
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 claims 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 claims 1
- 238000004215 lattice model Methods 0.000 claims 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 9
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 5
- 210000000278 spinal cord Anatomy 0.000 description 5
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 5
- 210000001367 artery Anatomy 0.000 description 3
- 210000003484 anatomy Anatomy 0.000 description 2
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 2
- 238000002594 fluoroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 206010003173 Arterial rupture Diseases 0.000 description 1
- 206010033799 Paralysis Diseases 0.000 description 1
- 206010041549 Spinal cord compression Diseases 0.000 description 1
- 208000007103 Spondylolisthesis Diseases 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000740 bleeding effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000002684 laminectomy Methods 0.000 description 1
- 210000005036 nerve Anatomy 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
- A61B17/56—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
- A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws or setting implements
- A61B17/68—Internal fixation devices, including fasteners and spinal fixators, even if a part thereof projects from the skin
- A61B17/70—Spinal positioners or stabilisers, e.g. stabilisers comprising fluid filler in an implant
- A61B17/7074—Tools specially adapted for spinal fixation operations other than for bone removal or filler handling
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
- A61B17/56—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
- A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws or setting implements
- A61B17/88—Osteosynthesis instruments; Methods or means for implanting or extracting internal or external fixation devices
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
- A61B2034/101—Computer-aided simulation of surgical operations
- A61B2034/105—Modelling of the patient, e.g. for ligaments or bones
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
- A61B2034/107—Visualisation of planned trajectories or target regions
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
- A61B34/10—Computer-aided planning, simulation or modelling of surgical operations
- A61B2034/108—Computer aided selection or customisation of medical implants or cutting guides
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Surgery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Neurology (AREA)
- Robotics (AREA)
- Surgical Instruments (AREA)
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
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710713346.XA CN107647914B (zh) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | 一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201710713346.XA CN107647914B (zh) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | 一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107647914A true CN107647914A (zh) | 2018-02-02 |
| CN107647914B CN107647914B (zh) | 2018-08-24 |
Family
ID=61127714
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201710713346.XA Active CN107647914B (zh) | 2017-08-18 | 2017-08-18 | 一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107647914B (zh) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108852511A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-11-23 | 北京罗森博特科技有限公司 | 骨内植入物最优位置的自动规划方法及装置 |
| CN109199603A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-15 | 浙江大学宁波理工学院 | 一种椎弓根螺钉最优置钉点的智能定位方法 |
| CN113940752A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-01-18 | 首都医科大学 | 一种基于多角度投影的椎弓根螺钉最优路径规划方法 |
| US11576727B2 (en) | 2016-03-02 | 2023-02-14 | Nuvasive, Inc. | Systems and methods for spinal correction surgical planning |
| US11998242B2 (en) | 2015-02-13 | 2024-06-04 | Nuvasive, Inc. | Systems and methods for planning, performing, and assessing spinal correction during surgery |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101856264B (zh) * | 2010-05-20 | 2012-01-25 | 南方医科大学 | 一种基于三维建模的骨科手术导航模板 |
| CN104287815B (zh) * | 2014-06-16 | 2017-01-11 | 南通舟可信息科技有限公司 | 3d打印经皮椎弓根导板及其制备方法和使用方法 |
| CN104224306B (zh) * | 2014-09-30 | 2017-08-01 | 华蓥市人民医院 | 用于寻找置入椎弓根螺钉最佳入点的三维模型 |
-
2017
- 2017-08-18 CN CN201710713346.XA patent/CN107647914B/zh active Active
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11998242B2 (en) | 2015-02-13 | 2024-06-04 | Nuvasive, Inc. | Systems and methods for planning, performing, and assessing spinal correction during surgery |
| US11576727B2 (en) | 2016-03-02 | 2023-02-14 | Nuvasive, Inc. | Systems and methods for spinal correction surgical planning |
| US11903655B2 (en) | 2016-03-02 | 2024-02-20 | Nuvasive Inc. | Systems and methods for spinal correction surgical planning |
| CN108852511A (zh) * | 2018-04-26 | 2018-11-23 | 北京罗森博特科技有限公司 | 骨内植入物最优位置的自动规划方法及装置 |
| CN108852511B (zh) * | 2018-04-26 | 2019-06-07 | 北京罗森博特科技有限公司 | 骨内植入物最优位置的自动规划方法及装置 |
| CN109199603A (zh) * | 2018-08-31 | 2019-01-15 | 浙江大学宁波理工学院 | 一种椎弓根螺钉最优置钉点的智能定位方法 |
| CN113940752A (zh) * | 2021-11-11 | 2022-01-18 | 首都医科大学 | 一种基于多角度投影的椎弓根螺钉最优路径规划方法 |
| CN113940752B (zh) * | 2021-11-11 | 2023-07-25 | 首都医科大学 | 一种基于多角度投影的椎弓根螺钉最优路径规划方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107647914B (zh) | 2018-08-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107647914A (zh) | 一种椎弓根手术导板最优置钉钉道智能生成方法 | |
| US20240341773A1 (en) | Patient-specific surgical methods and instrumentation | |
| Roser et al. | The accuracy of virtual surgical planning in free fibula mandibular reconstruction: comparison of planned and final results | |
| JP6702635B2 (ja) | オンコプラスティック手術のための埋込型デバイスおよび技術 | |
| US20220338934A1 (en) | Patient-specific osteotomy instrumentation | |
| CN104287815B (zh) | 3d打印经皮椎弓根导板及其制备方法和使用方法 | |
| EP3041415A1 (en) | System and method for lung visualization using ultrasound | |
| CN107157580A (zh) | 一种数字化定位脊柱微创手术3d打印导向板及制备方法 | |
| US20180199998A1 (en) | Simulated Method and System for Navigating Surgical Instrument Based on Tomography | |
| JP5323885B2 (ja) | 骨矯正のための方法、部材、システムおよびプログラム | |
| CN104905869A (zh) | 用于椎弓根定位及实时监测钉道的导航模板及其制作方法 | |
| Benayoun et al. | 3D planning and patient-specific surgical guides in forearm osteotomy in children: radiographic accuracy and clinical morbidity | |
| CN203915053U (zh) | 3d打印经皮椎弓根导板 | |
| CN110946652A (zh) | 一种骨螺钉的钉道规划方法和装置 | |
| Wang et al. | Preoperative three-dimensional reconstruction in vascularized fibular flap transfer | |
| CN110251193A (zh) | 一种个体化闭合截骨导板及其制造方法 | |
| CN109199604B (zh) | 一种基于多特征的椎弓根螺钉最佳入点定位方法 | |
| CN207708144U (zh) | 一种3d打印脊柱手术俯卧位体位架 | |
| Kyriakou et al. | Dynamic modeling of lung tumor motion during respiration | |
| WO2018166124A1 (zh) | 一种用于生成手术定位导向器的描述信息的方法 | |
| Moro et al. | Virtual surgical planning for reconstruction of giant ameloblastoma of the mandible | |
| CN111956318A (zh) | 定位导板及其制作方法、定位导板模型生成方法及系统 | |
| Khallaghi et al. | Biomechanically constrained groupwise statistical shape model to ultrasound registration of the lumbar spine | |
| CN117122401B (zh) | 九宫格划分法3d打印经皮椎弓根穿刺导向板及制备方法 | |
| CN106580354A (zh) | 一种基于骨盆平片的骨盆移位测量方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |