CN107714078B - 一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法及系统。所述的方法为对人体骨与关节组织的影像资料进行前期处理，藉由成像系统的投影特征、内植物结构特征点和骨或关节解剖特征点建立二维投影模板，求取和建立三维模型与二维投影模板间的数学映射关系，计算测量得出内植物空间位置。透过长期随访，追踪两者相互运动的特征及长期生物力学相互作用。所述的系统包含实现上述方法各项功能的模块。本发明可为手术内植物的定位提供精确的6自由度数据，也提高了国内外临床二维影像随访资料的临床价值。

Description

一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法及 系统

技术领域

本发明涉及医疗技术领域，具体地说，是一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法及系统。

背景技术

骨与关节疾病因创伤、退变、肿瘤、炎症等病因需进行外科手术干预治疗，其中钉板复位内固定术、关节置换术、关节镜修补术、脊柱融合术、椎间盘置换术等是骨科疾病手术治疗的重要方式，能缓解疼痛、重建关节功能、提高病人生活质量，已成为常规的治疗手段。骨科手术尽管在短期内解决了病患的痛苦，但在远期范围内也出现了因内植物导致的各种并发症，如钉板断裂、关节假体磨损、人工椎间盘自发融合、邻近节段退变等，引发并发症众多重要原因中，内植物摆放位置的影响不容忽视。目前，传统骨科临床使用的二维X光影像随访资料，无法用来精确定量骨本身与内植物的三维相对位置。众多学者不遗余力地推进生物力学、运动学、影像学等基础研究，但依然无法通过传统二维X光影像资料，有效便捷地在临床诊治和手术前后随访中对内植物进行直观评估，因此阻碍了临床手术技术和器械研发的理论发展。

目前有较多的专利集中在手术术中导航，如：专利文献CN201510060247.7公开了一种能够准确定位的截骨导航装置及其制作方法和使用方法，首先，术前将患者CT扫描数据进行三维重建，直观了解病理解剖异常，并精确到具体数值；其次，针对不同的病理解剖的改变，进行术前手术模拟，制定最佳的个体化手术治疗方案；然后，根据术前规划应用逆向工程技术提取术野骨盆解剖形态特征和截骨面，设计导航模板并用3D打印技术制作成实物；最后，术中将消毒后的导航模板直接与暴露后的骨盆及截骨面贴合，完成精确截骨及髋臼骨块的旋转移位；该方法可用于精确指导Ganz髋臼周围截骨术，有利于减少手术并发症，提高手术安全性。专利文献CN201410214341.9公开了一种脊柱后路手术术中实时评估与校正的方法，通过X光片对脊柱的每一节段进行分割，与CT构建的3D模型的相应每一节段进行匹配，并估计刚体变换，从而得到配准结果；在此基础上，对脊柱整体进行拼合，重建出病人在手术台上的实时三维脊柱形态，对手术效果进行实时评估，及时校正置钉方位，对术中错误置钉进行补救，该方法有利于减小手术风险，提高手术成功率。专利文献CN201510639289.6公开了一种智能脊柱数字化手术装置，包括手术前应用系统、实物加工系统、手术中应用系统，所述手术前应用系统包括脊柱手术仿真系统，所述手术中应用系统包括脊柱手术导航系统、脊柱手术监测系统、脊柱手术机器人系统，所述脊柱手术监测系统包括神经电生理监测系统、超声监测系统，该发明解决了手术创伤面大，神经容易受损，恢复机体功能慢的问题。

此外，也有专利集中于模拟人体骨骼和植入物的受力分析，如专利文献CN201210431187.1，公开了一种用于检验人体腰椎骨骼和植入物双重安全有效性的方法，其通过三维重建技术，获得腰椎椎体骨骼、腰椎间盘、棘间韧带的3D渲染模型；将其进行立体网格划分，并对其赋予非均质材料属性；对植入物进行三维建模；将椎体骨骼、腰椎间盘、棘间韧带与植入物进行装配，通过有限元分析方法，采用均布节点载荷对其进行应力、应变分析；在植入物被植入人体之前，进行计算机模拟可视化有限元分析，以满足骨骼和植入物双重安全有效性的验证要求，防止植入物对人体原有腰椎骨的伤害，确保了骨骼和植入物的双重安全有效性。然而，该专利文献仅将模型进行有限元分析模拟，并未真实反应人体内部情况。

综上，目前还未见基于传统骨科临床惯常使用的二维X光影像随访资料，精确计算测量内植物与人体骨关节界面的相对位置，并结合长期随访，以获得内植物与人体骨关节界面相互运动的特征及长期作用关系的相关报道。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法。

本发明的再一的目的是，提供一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统。

为实现上述第一个目的，本发明采取的技术方案是：

一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法，包括以下步骤：

步骤一：对人体骨与关节组织的影像资料进行前期处理，前期处理包括图形的矫正分析和投影系统的几何参数定义，为随后病人接受治疗的不同时期随访时提供参数；

步骤二：确定内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点；

步骤三：藉由内植物结构特征点和骨或关节解剖特征点建立二维投影模板；

步骤四：利用内植物已知的结构特征点和骨或关节组织解剖特征点，求取和建立三维模型与二维投影模板间的数学映射关系；

步骤五：根据三维模型与二维投影模板间的数学映射关系，计算测量得出内植物在空间中的位置和方位；

步骤六：基于临床随访数据，整合影响内植物手术效果的各类影响因子，并结合随访数据评价内植物植入手术的效果，计算出各类影响因子与内植物植入手术效果之间的相关性，以反馈手术方式与内植物位置对终末期随访结果的影响；

步骤七：基于临床随访数据，结合患者族群信息生成内植物植入位置机率热力图；

步骤八：根据影响因子相关性系数和机率热力图，获得内植物和骨或关节组织相互运动的特征及长期生物力学相互作用，计算内植物手术植入的安全范围。

所述的影像资料为数字化X射线摄影的影像资料。

所述的图形的矫正分析包括校正图形的扭曲和歪斜。

步骤四中，应用最佳化求取和建立三维模型与二维投影模板间的数学映射关系。

步骤五中，所述的内植物在空间中的位置和方位包括三维位置和三维指向空间位置数据。

所述的内植物为椎间融合器，其2D位测量方法为：获取椎间融合器的中心点，获取棘突顶点的连线以作为整个脊柱的垂直中心线，以棘突顶点的连线与椎间融合器的中心点的垂直距离表示椎间融合器偏离整个脊柱的垂直中心线的距离；获取椎间隙四个边缘点，获取椎间隙的中心点，进一步测量椎间隙的中心点和椎间融合器的中心点之间的前后距离和上下距离；进一步计算冠状位相对距离和矢状位相对距离。

所述的内植物为椎弓根螺钉，椎弓根螺钉矢状位角度的测量方位为：获取椎体的四个边缘点和椎体的中心点，获取双侧椎弓根螺钉角平分线，椎弓根螺钉角平分线与同一椎体上终板夹角即为椎弓根螺钉矢状位角度。

为实现上述第二个目的，本发明采取的技术方案是：

一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统，包括：

影像资料前期处理模块：用于对人体骨与关节组织的影像资料进行前期处理，其包含图形矫正分析单元和投影系统几何参数定义单元，所述的图形矫正分析单元用于对图形矫正分析，所述的投影系统几何参数定义单元用于定义投影系统的几何参数；

特征点采集模块：用于采集影像资料中内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点；

二维投影模板建立模块：用于藉由内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点建立二维投影模板；

三维与二维数学映射关系建立模块：用于利用内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点，应用最佳化求取和建立三维模型与二维投影模板间的数学映射关系；

内植物空间位置计算模块：用于根据三维模型与二维投影模板间的数学映射关系，计算测量得出内植物空间位置，包括三维位置和三维指向空间位置数据；

影响因子相关性系数计算模块：用于整合影响内植物手术效果的各类影响因子，并结合随访数据评价内植物植入手术的效果，计算出各类影响因子与内植物植入手术效果之间的相关性系数，以反馈手术方式与内植物位置对终末期随访结果的影响；

机率热力图生成模块：用于通过对不同族群患者的分析，生成内植物植入位置的机率热力图；

内植物安全范围统计模块：用于根据影响因子相关性系数计算模块和机率热力图生成模块，计算内植物手术植入的安全范围；

临床随访系统接口：用于对接临床随访系统。

所述的影像资料为数字化X射线摄影的影像资料。

所述的临床随访系统接口对接临床随访系统，以整合临床随访的信息，构建基于患者随访病历的大规模数据信息库，以获得内植物和骨或关节组织相互运动的特征及长期生物力学相互作用。

本发明优点在于：

1、本发明提供了一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法，其整合骨科解剖学、现代影像学、图形数字识别及编程系统，利用了数字化影像与特征点识别的计算辅助手段，从而精确测量内植物相对人体骨或关节组织的空间位置，透过长期随访，追踪两者相互运动的特征及长期生物力学相互作用，一方面可为手术内植物的定位提供最精确的6自由度数据，另一方面可提高国内外临床二维影像随访资料的临床价值，挖掘出内植物三维位置资讯。

2、本发明提供了一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统：(1)该系统可协助临床人员在随访工作中利用简单的X线图形特征点定义出内植物与人体骨或关节组织的相对位置关系，即对病患的内植物位置进行直观快速地评价，以数字量化手术术式及植入物位置的精准度，作为临床影像学评估的新技术手段。(2)该系统的结果报告可提供内植物相对于骨骼的高精度三维位置、三维指向、与各影响因子相关性系数，以反馈手术方式与内植物位置对终末期随访结果的影响。(3)该系统可通过对不同族群患者的分析，提供植入位置的机率热力图，从而制定手术植入物安全范围和经验性调整。

3、本发明实施例中，利用DR(数字化X射线摄影)进行2D测量脊柱及其融合器、椎弓根螺钉角度的方法，具有很高的精确性和可重复性，且相比于使用CT进行3D测量获得数据过程而言，具有辐射暴露时间短、剂量小、简单经济的优势。

附图说明

附图1.本发明的利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统组成示意图。

附图2.椎间融合器影像资料的特征点捕获。

附图3.椎弓根螺钉影像资料的特征点捕获。

附图4.整合患者常规随访资料X线进行数字化三维模型建模。

附图5.后期随访资料的背景图形与前期模型的映射关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的具体实施方式作详细说明。

附图中涉及的附图标记和组成部分如下所示：

1.影像资料前期处理模块

11.图形矫正分析单元

12.投影系统几何参数定义单元

2.特征点采集模块

3.二维投影模板建立模块

4.三维与二维数学映射关系建立模块

5.内植物空间位置计算模块

6.影响因子相关性系数计算模块

7.机率热力图生成模块

8.内植物安全范围统计模块

9.临床随访系统接口

实施例1本发明的利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统

请参见图1，图1是本发明的利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统组成示意图。所述的利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统包括：

影像资料前期处理模块1：用于对人体骨与关节组织的影像资料进行前期处理，所述的影像资料具体为DR(数字化X射线摄影)影像资料。前期处理包括对图形的矫正分析和投影系统的几何参数定义，即所述的影像资料前期处理模块包含图形矫正分析单元11和投影系统几何参数定义单元12。所述的图形矫正分析单元11用于对图形矫正分析。所述的投影系统几何参数定义单元12用于定义投影系统的几何参数，为随后病人接受治疗的不同时期随访时提供参数。

特征点采集模块2：用于采集影像资料中内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点。所述的内植物结构特征点可结合内植物三维几何特征确定，例如，对于椎间融合器，选择其中心点作为内植物结构特征点；对于椎弓根螺钉，选择椎弓根螺钉角平分线作为内植物结构特征点。所述的骨或关节组织解剖特征点可结合骨或关节组织解剖特征确定，例如，选择棘突顶点、椎间隙四个边缘点、椎间隙中心点、椎体的四个边缘点、椎体的中心点作为脊柱的骨或关节组织解剖特征点。

二维投影模板建立模块3：用于藉由内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点建立二维投影模板。

三维与二维数学映射关系建立模块4：用于利用内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点，应用最佳化求取和建立三维模型与二维投影模板间的数学映射关系。

内植物空间位置计算模块5：用于根据三维模型与二维投影模板间的数学映射关系，计算测量得出内植物在空间中的位置和方位，包括三维位置和三维指向等空间位置数据。

影响因子相关性系数计算模块6：用于整合影响内植物手术效果的各类影响因子，并结合随访数据评价内植物植入手术的效果，计算出各类影响因子与内植物植入手术效果之间的相关性系数，以反馈手术方式与内植物位置对终末期随访结果的影响。

机率热力图生成模块7：用于通过对不同族群患者的分析，生成内植物植入位置的机率热力图。

内植物安全范围统计模块8：用于根据影响因子相关性系数计算模块6和机率热力图生成模块7，计算内植物手术植入的安全范围，为医生提供经验，提供术前参考。

临床随访系统接口9：用于对接临床随访系统，以整合临床随访的信息，构建基于患者随访病历的大规模数据信息库，以获得内植物和骨或关节组织相互运动的特征及长期生物力学相互作用，为机率热力图的生成、影响因子相关性系数的计算、内植物安全范围的统计等提供支持。

实施例2本发明的利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法

本发明的利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法包括以下步骤：

步骤一：获取人体骨与关节组织的影像资料，特别是DR(数字化X射线摄影)影像资料后，对人体骨与关节组织的影像资料进行前期处理，前期处理包括图形的矫正分析，如校正图形的扭曲和歪斜，还包括投影系统的几何参数定义，为随后病人接受治疗的不同时期随访时提供参数。

步骤二：确定内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点。

步骤三：藉由内植物结构特征点和骨或关节解剖特征点建立二维投影模板。

步骤四：利用内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点，应用最佳化求取和建立三维模型与二维投影模板间的数学映射关系。

步骤五：根据三维模型与二维投影模板间的数学映射关系，计算测量得出内植物在空间中的位置和方位，包括三维位置和三维指向等空间位置数据。

步骤六：基于临床随访数据，整合影响内植物手术效果的各类影响因子，并结合随访数据评价内植物植入手术的效果，计算出各类影响因子与内植物植入手术效果之间的相关性系数，以反馈手术方式与内植物位置对终末期随访结果的影响。

步骤七：基于临床随访数据，结合患者族群信息生成内植物植入位置的机率热力图。

步骤八：根据影响因子相关性系数和机率热力图等，获得内植物和骨或关节组织相互运动的特征及长期生物力学相互作用，计算内植物手术植入的安全范围，为医生提供经验，提供术前参考。

下面给出图形校正及精准度分析的实例：

1、椎间融合器(cage)2D位测量方法：

图2的左图中CC点为cage中心点，y1y2为棘突顶点的连线，代表整个脊柱的垂直中心线；y1y2连线与CC的垂直距离代表了cage偏离中线的距离。图2的右图中X1、X2、X3、X4为椎间隙四个边缘点，IC点为椎间隙中心点，CC与IC点之间的前后距离、上下距离可以被测量。冠状位相对距离：冠状位距离/椎间隙下位终板的横径(椎体的宽度)；矢状位相对距离：矢状位距离/椎间隙下位终板纵径(椎体的深度)。

2、椎弓根螺钉SSA(Screw Sagittal Angle)测量：

椎弓根螺钉矢状位角度(Screw Sagittal Angle，SSA)：图3的左图为X线片测量过程，其中绿色叉形标记(实线的两端均为绿色叉形标记)为每个椎体的四个边缘点，黄色圆圈为每个椎体中心点，黄色叉形标记(虚线的两端均为黄色叉形标记)虚线连线为双侧椎弓根螺钉角平分线，黄色虚线与同一椎体上终板夹角即为相应SSA(图3的右图)。

3、验证过程：

(1)校正盒设计：所述的利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统包含图形矫正分析单元，通过图形矫正分析单元矫正图像的扭曲和歪斜，并建立图像位置与物理映射关系。

(2)配准：由术后3D体数据中融合器的标志点(每个椎体6个小钢珠)和一帧2D图像中融合器标志点进行配准，从而确定2D图像中融合器在椎间隙坐标系中的坐标，进而算出融合器的空间歪斜情况。该精度理论上可以达到0.2～0.1mm(平板探测器像素物理尺寸)。

(3)方法验证部分：在多角度2D投影上，重复如上实验，可以评估该算法在各角度的一致性。采用Radiostereometric Analysis(RSA)尸体测量方式作为金标准，评估如上方法的测量偏差性。

(4)立体影像测量分析(RSA)：使用人的新鲜冷冻尸体腰椎标本，植入椎间融合器，另在椎间盘植入融合器，每个椎体内植入2.5mm小不锈钢钢珠5-6颗，用石蜡封存并固定，进行最薄层厚CT扫查，直接测得融合器在椎盘坐标中融合器的空间位置。另执行步骤(1)至(3)，得到方法算出的空间位置，算出的位置与金标量测的位置进行对比，得到该方法的偏差。

(5)结果：利用DR(数字化X射线摄影)进行2D测量脊柱及其融合器、椎弓根螺钉角度的方法，具有较高的可重复性、精确性，可以代替3D测量作为一种可靠、精确性高的常规应用的测量方法之一，与3D测量获得数据过程相比较而言，故而具有辐射暴露时间短、剂量小、简单经济的优势。

后期整合患者常规随访资料X线进行数字化三维模型建模可参考图4。后期随访资料的背景图形与前期模型的映射可参考图5。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：对人体骨与关节组织的DR影像资料进行前期处理，前期处理包括图形的矫正分析和投影系统的几何参数定义，为随后病人接受治疗的不同时期随访时提供参数；

步骤二：确定内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点；

步骤三：藉由内植物结构特征点和骨或关节解剖特征点建立二维投影模板；

步骤四：利用内植物已知的结构特征点和骨或关节组织解剖特征点，求取和建立骨与关节内植物的三维模型与二维投影模板间的数学映射关系；

步骤五：根据所述三维模型与二维投影模板间的数学映射关系，计算测量得出内植物在空间中的位置和方位；

步骤六：基于临床随访数据，整合影响内植物手术效果的各类影响因子，并结合所述临床随访数据评价内植物植入手术的效果，计算出各类影响因子与内植物植入手术效果之间的相关性，得到影响因子相关性系数，以反馈手术方式与内植物位置对终末期随访结果的影响；

步骤七：基于所述临床随访数据，结合患者族群信息生成内植物植入位置的机率热力图；

步骤八：根据所述影响因子相关性系数和所述机率热力图，获得内植物和骨或关节组织相互运动的特征及长期生物力学相互作用的结果，计算内植物手术植入的安全范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的图形的矫正分析包括校正图形的扭曲和歪斜。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤五中，所述的内植物在空间中的位置和方位包括三维位置和三维指向等空间位置数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的内植物为椎间融合器，其2D位置测量方法为：获取椎间融合器的中心点，获取棘突顶点的连线以作为整个脊柱的垂直中心线，以棘突顶点的连线与椎间融合器的中心点的垂直距离表示椎间融合器偏离整个脊柱的垂直中心线的距离；获取椎间隙四个边缘点，获取椎间隙的中心点，进一步测量椎间隙的中心点和椎间融合器的中心点之间的前后距离和上下距离；进一步计算冠状位相对距离和矢状位相对距离。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的内植物为椎弓根螺钉，椎弓根螺钉矢状位角度的测量方位为：获取椎体的四个边缘点和椎体的中心点，获取双侧椎弓根螺钉角平分线，椎弓根螺钉角平分线与同一椎体上终板夹角即为椎弓根螺钉矢状位角度。

6.一种利用结构特征定位骨与关节内植物三维位置的系统，其特征在于，包括：

影像资料前期处理模块：用于对人体骨与关节组织的DR影像资料进行前期处理，其包含图形矫正分析单元和投影系统几何参数定义单元，所述的图形矫正分析单元用于对图形矫正分析，所述的投影系统几何参数定义单元用于定义投影系统的几何参数；

特征点采集模块：用于采集影像资料中内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点；

二维投影模板建立模块：用于藉由内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点建立二维投影模板；

三维与二维数学映射关系建立模块：用于利用内植物结构特征点和骨或关节组织解剖特征点，求取和建立骨与关节内植物的三维模型与二维投影模板间的数学映射关系；

内植物空间位置计算模块：用于根据所述三维模型与二维投影模板间的数学映射关系，计算测量得出内植物空间位置，包括三维位置和三维指向等空间位置数据；

影响因子相关性系数计算模块：用于整合影响内植物手术效果的各类影响因子，并结合随访数据评价内植物植入手术的效果，计算出各类影响因子与内植物植入手术效果之间的影响因子相关性系数，以反馈手术方式与内植物位置对终末期随访结果的影响；

机率热力图生成模块：用于通过对不同族群患者的分析，生成内植物植入位置的机率热力图；

内植物安全范围统计模块：用于根据所述影响因子相关性系数计算模块和所述机率热力图生成模块，计算内植物手术植入的安全范围；

临床随访系统接口：用于对接临床随访系统。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述的临床随访系统接口对接临床随访系统，以整合临床随访的信息，构建基于患者随访病历的大规模数据信息库，以获得内植物和骨或关节组织相互运动的特征及长期生物力学相互作用的结果。

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