CN108158651B - 虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择方法及系统，方法包括：获取患者股骨颈骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像并三维建模；计算出骨折侧需要调整正位的实际值；遵循股骨凹内部网状血管分布结构，将灌注出来的股骨头内血管模型通过股骨凹处的标示性网状结构进行嵌套入正位后的骨折侧股骨颈模型；查看经过嵌套血管后的模型的血运破坏程度，确定联合钽钉的包括进钉方向和进钉角度在内的路径，同时根据进钉方向和进钉角度确定联合钽钉的选型；根据联合钽钉的进钉方向和进钉角度，确定切口大小与方向，并进一步确定手术器材。本发明更精准的设计方案有助于帮助医生在术前精准的选取合适的手术耗材和相应的器材。

Description

虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择方法
技术领域
本发明涉及虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择方法。
背景技术
股骨颈骨折是指由于骨质疏松、髋周肌肉群退变、反应迟钝或遭受严重外伤所致的股骨颈断裂。该部位血运较差，若骨折处理不及时、不适当，都会导致骨折不愈合或并发股骨头缺血性坏死，创伤性关节炎，严重地影响生活。
股骨颈骨折部的形态分为嵌入型和错位型骨折。这两型股骨颈骨折的骨折线可表现为致密线和/或透亮线。致密骨折线表示两骨折端的骨小梁有重叠嵌插，而透亮骨折线则意味着两骨折端有分离。（1）嵌入型股骨颈骨折无明显错位，通常股骨颈可见模糊的致密骨折线，局部骨小梁中断，局部骨皮质出现小的成角或凹陷，股骨干的外旋畸形小明显。此型骨折属较稳定性骨折。由于骨折发生时外力作用的不同，股骨头可发生不同程度的内收、外旋。前倾或后倾的成角畸形。如出现嵌入端成角畸形较明显，或骨折线的斜度较大、骨折端部分有分离，或股骨干外旋明显时，提示骨折不稳定。（2）错位型股骨颈骨折较常见，亦称为内收型股骨颈骨折。两折端出现旋转和错位。股骨头向后倾骨折端向前成角，股骨干外旋向上错位，骨折线分离明显。
以往的手术过程中往往需要准备很多个型号的耗材，并且可能在植入人体后发现型号不合适进行换型，造成不必要的损伤和耗材浪费。所以更精准的设计方案有助于帮助医生在术前精准的选取合适的手术耗材和相应的器材。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择方法，包括以下步骤：
S1：获取患者股骨颈骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像；
S2：分别对骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像进行三维建模；
S3：分别虚拟成像步骤得到的骨折侧和健康侧的股骨三维建模图像执行如下操作：
S31：在三维重建的模型上分别寻找两个骨性标志点，所述的两个骨性标志点为大粗隆顶点P1、股骨头中心点P2；
S32：将大粗隆顶点P1和股骨头中心点P2连接，得到A线，并计算A线长度α；
S33：延长A线，在所有的垂直于A线在股骨头上的切面中，找到其中一个a切面，所述的a切面包含股骨头凹点P3，所述的股骨头凹点P3为股骨头上部的小凹处骨性标志点；
S34：将大粗隆顶点P1和股骨头凹点P3进行连接，得到B线；
S35：计算B线在a切面的投影与B线的夹角角度β；
S4：根据步骤S3获得的正常侧的α值α-0/β值β-0、以及创伤侧的α值α-1和β值β-1，计算出骨折侧需要调整正位的实际值；
S5：遵循股骨凹内部网状血管分布结构，将灌注出来的股骨头内血管模型通过股骨凹处的标示性网状结构进行嵌套入步骤S4正位后的骨折侧股骨颈模型；
S6：查看经过嵌套血管后的模型的血运破坏程度，确定联合钽钉的包括进钉方向和进钉角度在内的路径，同时根据进钉方向和进钉角度确定联合钽钉的选型；
S7：根据联合钽钉的进钉方向和进钉角度，确定切口大小与方向，并进一步确定手术器材。
进一步地，步骤S6中确定进钉方向和进钉角度的原则包括：在股骨颈矢状面的中轴线，并尽量保持在骺线以下；所述的骺线是骺动脉网定位标志。
进一步地，所述的股骨头中心点P2的寻找方式为：在股骨头中填充球体，当在股骨头外侧与所述球体边界进行重合对比，嵌套面积能达到N%，则为拟合成功，此时将所述球体球心作为股骨头中心点P2。
进一步地，所述的嵌套面积需达到95%。
进一步地，所述的原始CT图像以.dicom格式存储。
进一步地，所述的三维建模采用Mimics软件进行构建。
本发明还提供虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择系统，包括：
原始CT图像采集模块：用于获取患者股骨颈骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像；
三维重建模块：用于分别对骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像进行三维建模；
三维建模图像处理模块：用于分别虚拟成像步骤得到的骨折侧和健康侧的股骨三维建模图像进行处理，包括：
骨性标志点寻找单元：用于在三维重建的模型上分别寻找两个骨性标志点，所述的两个骨性标志点为大粗隆顶点P1、股骨头中心点P2；
A线长度计算单元：用于将大粗隆顶点P1和股骨头中心点P2连接，得到A线，并计算A线长度α；
a切面寻找单元：用于在所有的垂直于A线在股骨头上的切面中，找到其中一个a切面，所述的a切面包含股骨头凹点P3，所述的股骨头凹点P3为股骨头上部的小凹处骨性标志点；
B线获取单元：用于将大粗隆顶点P1和股骨头凹点P3进行连接，得到B线；
夹角角度β计算单元：用于计算B线在a切面的投影与B线的夹角角度β；
正位计算模块：用于根据三维建模图像处理模块获得的正常侧的α值α-0/β值β-0、以及创伤侧的α值α-1和β值β-1，计算出骨折侧需要调整正位的实际值；
血管嵌套模块：用于遵循股骨凹内部网状血管分布结构，将灌注出来的股骨头内血管模型通过股骨凹处的标示性网状结构进行嵌套入正位计算模块正位后的骨折侧股骨颈模型；
联合钽钉确定模块：用于查看经过嵌套血管后的模型的血运破坏程度，确定联合钽钉的包括进钉方向和进钉角度在内的路径，同时根据进钉方向和进钉角度确定联合钽钉的选型；
手术器材确定模块：用于根据联合钽钉的进钉方向和进钉角度，确定切口大小与方向，并进一步确定手术器材。
进一步地，联合钽钉确定模块中确定进钉方向和进钉角度的原则包括：在股骨颈矢状面的中轴线，并尽量保持在骺线以下；所述的骺线是骺动脉网定位标志。
进一步地，所述的股骨头中心点P2的寻找方式为：在股骨头中填充球体，当在股骨头外侧与所述球体边界进行重合对比，嵌套面积能达到N%，则为拟合成功，此时将所述球体球心作为股骨头中心点P2。
进一步地，所述的嵌套面积需达到95%。
进一步地，所述的原始CT图像以.dicom格式存储，所述的三维建模采用Mimics软件进行构建。
本发明的有益效果是：本发明采用术前设计的方式，根据骨折侧与健康侧股骨颈区域进行比较，判断患者股骨颈骨折区域的骨折类型及旋转程度，主要包括嵌插/分离的长度、以及骨折旋转的角度；同时根据情况，确定血运破坏状态，确定联合钽钉的进钉方向和进钉角度；最后根据联合钽钉的进钉方向和进钉角度，确定切口大小与方向，并进一步确定手术器材。更精准的设计方案有助于帮助医生在术前精准的选取合适的手术耗材和相应的器材。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
本实施例适用于其中一侧股骨颈骨折而另外一侧股骨颈健康的患者。虽然在正常情况下，两侧健康的股骨并不是完全相同，但是在其中一侧股骨颈骨折后，健康侧的股骨颈可以作为标准参照物，便于后期手术正位的长度/角度、以及进钉位置/方向的确定。
虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：获取患者股骨颈骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像；在本实施例中，可以通过直接获得以.dicom格式保存的原始CT图像的方式进行采集；
S2：分别对骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像进行三维建模；在本实施例中，三维重建的软件为Mimics；
S3：分别虚拟成像步骤得到的骨折侧和健康侧的股骨三维建模图像执行如下操作：
S31：在三维重建的模型上分别寻找两个骨性标志点，所述的两个骨性标志点为大粗隆顶点P1、股骨头中心点P2；
S32：将大粗隆顶点P1和股骨头中心点P2连接，得到A线，并计算A线长度α；
其中，由于大粗隆顶点很显而易见，因此其寻找方式不在此进行赘述；而由于股骨头不是一个标准的球形，也难以界定股骨头和股骨颈的界限，因此在本实施例中，股骨头中心点P2采用填充与拟合的方式进行寻找：具体地，在股骨头中填充球体，当在股骨头外侧与所述球体边界进行重合对比，嵌套面积能达到95%，则认为拟合成功，此时将所述球体球心作为股骨头中心点P2。
S33：延长A线，在所有的垂直于A线在股骨头上的切面中，找到其中一个a切面，所述的a切面包含股骨头凹点P3，所述的股骨头凹点P3为股骨头上部的小凹处骨性标志点；；其中正常侧的α值为α-0，创伤侧的α值为α-1；
S34：将大粗隆顶点P1和股骨头凹点P3进行连接，得到B线；
S35：计算B线在a切面的投影与B线的夹角角度β；其中正常侧的β值为β-0，创伤侧的β值为β-1；
S4：根据步骤S3获得的正常侧的α值α-0/β值β-0、以及创伤侧的α值α-1和β值β-1，计算出骨折侧需要调整正位的实际值；即需要将α-1和β-1的正位目标值设置为α-0，β-0，计算其需要调整的角度与长度。通常情况下，包括的是横断值、冠状值和矢状值。
S5：遵循股骨凹内部网状血管分布结构，将灌注出来的股骨头内血管模型通过股骨凹处的标示性网状结构进行嵌套入步骤S4正位后的骨折侧股骨颈模型；
S6：查看经过嵌套血管后的模型的血运破坏程度，确定联合钽钉的包括进钉方向和进钉角度在内的路径，同时根据进钉方向和进钉角度确定联合钽钉的选型；其中，联合钽钉用于诱导及代替骨组织的目的（可采用申请号为CN201510712216.5的螺钉实现）；
其中，股骨颈骨折针道和钉道设计规划原则：自旋股内侧动脉发出的上、下支持带动脉恒定、变异少，是股骨头供血的可靠来源。支持带动脉系统（上、下、前支持带动脉）在骺线（板）上方形成骺上血管网系统，连接了股骨头主要的血供来源（支持带系统，头凹动脉系统），是股骨头血供的主要来源。骨内血管网一体结构的存在，股骨颈骨折后，如果支持带有存留，则意味着机体可通过“存留支持带动脉—骺网”通路继续向整个股骨头进行代偿供血。 骺板（线）是骺动脉网定位标志。因此为减少对骺上动脉网以及股骨头内骺动脉主干损伤的损伤，固定时应尽量使内固定物靠近中心，钻孔及置钉穿过骺线要慎重，尽量保持在骺线以下。
因此，更优地，在本实施例中，步骤S6中确定进钉方向和进钉角度的原则包括：在股骨颈矢状面的中轴线，并尽量保持在骺线以下；所述的骺线是骺动脉网定位标志。
S7：根据联合钽钉的进钉方向和进钉角度，确定切口大小与方向，并进一步确定手术器材。
本发明还提供虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择系统，包括：
原始CT图像采集模块：用于获取患者股骨颈骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像；
三维重建模块：用于分别对骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像进行三维建模；
三维建模图像处理模块：用于分别虚拟成像步骤得到的骨折侧和健康侧的股骨三维建模图像进行处理，包括：
骨性标志点寻找单元：用于在三维重建的模型上分别寻找两个骨性标志点，所述的两个骨性标志点为大粗隆顶点P1、股骨头中心点P2；
A线长度计算单元：用于将大粗隆顶点P1和股骨头中心点P2连接，得到A线，并计算A线长度α；
a切面寻找单元：用于在所有的垂直于A线在股骨头上的切面中，找到其中一个a切面，所述的a切面包含股骨头凹点P3，所述的股骨头凹点P3为股骨头上部的小凹处骨性标志点；
B线获取单元：用于将大粗隆顶点P1和股骨头凹点P3进行连接，得到B线；
夹角角度β计算单元：用于计算B线在a切面的投影与B线的夹角角度β；
正位计算模块：用于根据三维建模图像处理模块获得的正常侧的α值α-0/β值β-0、以及创伤侧的α值α-1和β值β-1，计算出骨折侧需要调整正位的实际值；
血管嵌套模块：用于遵循股骨凹内部网状血管分布结构，将灌注出来的股骨头内血管模型通过股骨凹处的标示性网状结构进行嵌套入正位计算模块正位后的骨折侧股骨颈模型；
联合钽钉确定模块：用于查看经过嵌套血管后的模型的血运破坏程度，确定联合钽钉的包括进钉方向和进钉角度在内的路径，同时根据进钉方向和进钉角度确定联合钽钉的选型；
手术器材确定模块：用于根据联合钽钉的进钉方向和进钉角度，确定切口大小与方向，并进一步确定手术器材。
更优地，在本实施例中，联合钽钉确定模块中确定进钉方向和进钉角度的原则包括：在股骨颈矢状面的中轴线，并尽量保持在骺线以下；所述的骺线是骺动脉网定位标志。
更优地，在本实施例中，所述的股骨头中心点P2的寻找方式为：在股骨头中填充球体，当在股骨头外侧与所述球体边界进行重合对比，嵌套面积能达到N%，则为拟合成功，此时将所述球体球心作为股骨头中心点P2。
更优地，在本实施例中，所述的嵌套面积需达到95%。
更优地，在本实施例中，所述的原始CT图像以.dicom格式存储，所述的三维建模采用Mimics软件进行构建。
本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。

Claims (5)

1.虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择系统，其特征在于：包括：
原始CT图像采集模块：用于获取患者股骨颈骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像；
三维重建模块：用于分别对骨折侧的原始CT图像和健康侧的原始CT图像进行三维建模；
三维建模图像处理模块：用于分别虚拟成像步骤得到的骨折侧和健康侧的股骨三维建模图像进行处理，包括：
骨性标志点寻找单元：用于在三维重建的模型上分别寻找两个骨性标志点，所述的两个骨性标志点为大粗隆顶点P1、股骨头中心点P2；
A线长度计算单元：用于将大粗隆顶点P1和股骨头中心点P2连接，得到A线，并计算A线长度α；
a切面寻找单元：用于在所有的垂直于A线在股骨头上的切面中，找到其中一个a切面，所述的a切面包含股骨头凹点P3，所述的股骨头凹点P3为股骨头上部的小凹处骨性标志点；
B线获取单元：用于将大粗隆顶点P1和股骨头凹点P3进行连接，得到B线；
夹角角度β计算单元：用于计算B线在a切面的投影与B线的夹角角度β；
正位计算模块：用于根据三维建模图像处理模块获得的正常侧的α值α-0/β值β-0、以及创伤侧的α值α-1和β值β-1，计算出骨折侧需要调整正位的实际值；
血管嵌套模块：用于遵循股骨凹内部网状血管分布结构，将灌注出来的股骨头内血管模型通过股骨凹处的标示性网状结构进行嵌套入正位计算模块正位后的骨折侧股骨颈模型；
联合钽钉确定模块：用于查看经过嵌套血管后的模型的血运破坏程度，确定联合钽钉的包括进钉方向和进钉角度在内的路径，同时根据进钉方向和进钉角度确定联合钽钉的选型；
手术器材确定模块：用于根据联合钽钉的进钉方向和进钉角度，确定切口大小与方向，并进一步确定手术器材。
2.根据权利要求1所述的虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择系统，其特征在于：联合钽钉确定模块中确定进钉方向和进钉角度的原则包括：在股骨颈矢状面的中轴线，并尽量保持在骺线以下；所述的骺线是骺动脉网定位标志。
3.根据权利要求1所述的虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择系统，其特征在于：所述的股骨头中心点P2的寻找方式为：在股骨头中填充球体，当在股骨头外侧与所述球体边界进行重合对比，嵌套面积能达到N％，则为拟合成功，此时将所述球体球心作为股骨头中心点P2。
4.根据权利要求3所述的虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择系统，其特征在于：所述的嵌套面积需达到95％。
5.根据权利要求1所述的虚拟空间内手术器材、耗材选型和路径选择系统，其特征在于：所述的原始CT图像以.dicom格式存储，所述的三维建模采用Mimics软件进行构建。
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