CN108158652B - 基于三维c型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法及系统 - Google Patents

基于三维c型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法及系统，方法包括手术方案设计步骤和术中坐标还原步骤；术中坐标还原步骤包括：S21：将手术台作为基准形成手术台术中坐标，其中以手术台患者平躺后头至脚的方向作为横断轴、以手术台垂直于地面的方向作为矢状轴、以垂直于横断轴和矢状轴所形成的平面的直线方向作为冠状值；S22：当患者平躺于手术台后，将手术方案设计步骤得到的实际值应用于术中坐标，得到骨折侧需要调整为正位和导针的植入角度的实际值在术中坐标中的相对坐标值。本发明将术前设计的手术方案中的实际值，与实际患者上手术台后的实际位置进行对应，使得医生更加方便的获取对应数据并进行相应操作。

Description

基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法及 系统
技术领域
本发明涉及基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法及系统。
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。
通常情况下，医生会在手术前进行手术设计，包括对患者的正位方向与角度、以及导针的植入角度进行设计；然而当患者实际上手术台时，由于角度的不同，会与手术前的设计有一定出入，使得医生无法直接获取需要调整和植入的实际方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法，包括手术方案设计步骤和术中坐标还原步骤；所述的手术方案设计步骤包括以下子步骤：
S11：分别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；
S12：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；
S13：分别对骨折侧和健康侧的股骨三维建模图像执行如下操作：
S131：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；
S132：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；
S133：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；
S134：将大粗隆顶点P1和股骨头凹点P3进行连接，得到B线；
S135：计算B线在a切面的投影与B线的夹角角度β；
S14：根据步骤S13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为正位和导针的植入角度的实际值，所述的实际值包括包横断值、冠状值和矢状值；
所述的术中坐标还原步骤包括以下子步骤：
S21：将手术台作为基准形成手术台术中坐标，其中以手术台患者平躺后头至脚的方向作为横断轴、以手术台垂直于地面的方向作为矢状轴、以垂直于横断轴和矢状轴所形成的平面的直线方向作为冠状值，并确定所述术中坐标的原点位置；
S22：当患者平躺于手术台后，将手术方案设计步骤得到的实际值应用于术中坐标，得到骨折侧需要调整为正位和导针的植入角度的实际值在术中坐标中的相对坐标值。
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。
本发明还提供基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成系统，：包括手术方案设计模块和术中坐标还原模块；所述的手术方案设计模块包括：
原始CT图像采集子模块：用于分别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；
三维重建子模块：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；
三维建模图像处理子模块：分别对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；
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；
正位和导针计算子模块：用于根据三维建模图像处理子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为正位和导针的植入角度的实际值，所述的实际值包括包横断值、冠状值和矢状值；
所述的术中坐标还原模块包括：
初始化子模块：用于将手术台作为基准形成手术台术中坐标，其中以手术台患者平躺后头至脚的方向作为横断轴、以手术台垂直于地面的方向作为矢状轴、以垂直于横断轴和矢状轴所形成的平面的直线方向作为冠状值，并确定所述术中坐标的原点位置；
坐标应用子模块：用于当患者平躺于手术台后，将手术方案设计步骤得到的实际值应用于术中坐标，得到骨折侧需要调整为正位和导针的植入角度的实际值在术中坐标中的相对坐标值。
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。
本发明的有益效果是：本发明将术前设计的手术方案中骨折侧需要调整为正位和导针的植入角度的包括包横断值、冠状值和矢状值的实际值，与实际患者上手术台后的实际位置进行对应，通过将手术台作为基准形成手术台术中坐标，并将实际值与术中坐标进行应用，得到相对坐标值，使得医生更加方便的获取对应数据并进行相应操作。
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：如图1所示，基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成方法，包括手术方案设计步骤和术中坐标还原步骤；所述的手术方案设计步骤包括以下子步骤：
S11：分别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；具体地，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。
S12：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。
S13：分别对骨折侧和健康侧的股骨三维建模图像执行如下操作：
S131：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；
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。
S132：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；此A线长度α用于计算嵌插/分离的长度；其中正常侧的α值为α-0，创伤侧的α值为α-1；
S133：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；
S134：将大粗隆顶点P1和股骨头凹点P3进行连接，得到B线；
S135：计算B线在a切面的投影与B线的夹角角度β；该夹角角度β用于计算股骨颈旋转的角度；其中正常侧的β值为β-0，创伤侧的β值为β-1；
S14：根据步骤S13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为正位和导针的植入角度的实际值，所述的实际值包括包横断值、冠状值和矢状值；
所述的术中坐标还原步骤包括以下子步骤：
S21：将手术台作为基准形成手术台术中坐标，其中以手术台患者平躺后头至脚的方向作为横断轴、以手术台垂直于地面的方向作为矢状轴、以垂直于横断轴和矢状轴所形成的平面的直线方向作为冠状值，并确定所述术中坐标的原点位置；
S22：当患者平躺于手术台后，将手术方案设计步骤得到的实际值应用于术中坐标，得到骨折侧需要调整为正位和导针的植入角度的实际值在术中坐标中的相对坐标值。
术中坐标还原步骤主要用于将术前手术方案设计的内容应用于实际的手术中，使得医生更加方便的获取对应数据并进行相应操作。
对应地，本发明还提供基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成系统，：包括手术方案设计模块和术中坐标还原模块；所述的手术方案设计模块包括：
原始CT图像采集子模块：用于分别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；
三维重建子模块：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；
三维建模图像处理子模块：分别对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；
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；
正位和导针计算子模块：用于根据三维建模图像处理子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为正位和导针的植入角度的实际值，所述的实际值包括包横断值、冠状值和矢状值；
所述的术中坐标还原模块包括：
初始化子模块：用于将手术台作为基准形成手术台术中坐标，其中以手术台患者平躺后头至脚的方向作为横断轴、以手术台垂直于地面的方向作为矢状轴、以垂直于横断轴和矢状轴所形成的平面的直线方向作为冠状值，并确定所述术中坐标的原点位置；
坐标应用子模块：用于当患者平躺于手术台后，将手术方案设计步骤得到的实际值应用于术中坐标，得到骨折侧需要调整为正位和导针的植入角度的实际值在术中坐标中的相对坐标值。
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。
更优地，在本实施例中，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.基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成系统，其特征在于：包括手术方案设计模块和术中坐标还原模块；所述的手术方案设计模块包括：
原始CT图像采集子模块：用于分别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；
三维重建子模块：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；
三维建模图像处理子模块：分别对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；
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；
正位和导针计算子模块：用于根据三维建模图像处理子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为正位和导针的植入角度的实际值，所述的实际值包括包横断值、冠状值和矢状值；
所述的术中坐标还原模块包括：
初始化子模块：用于将手术台作为基准形成手术台术中坐标，其中以手术台患者平躺后头至脚的方向作为横断轴、以手术台垂直于地面的方向作为矢状轴、以垂直于横断轴和矢状轴所形成的平面的直线方向作为冠状值，并确定所述术中坐标的原点位置；
坐标应用子模块：用于当患者平躺于手术台后，将手术方案设计步骤得到的实际值应用于术中坐标，得到骨折侧需要调整为正位和导针的植入角度的实际值在术中坐标中的相对坐标值。
2.根据权利要求1所述的基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成系统，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。
3.根据权利要求2所述的基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成系统，其特征在于：所述的嵌套面积需达到95%。
4.根据权利要求1所述的基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成系统，其特征在于：所述的原始CT图像以.dicom格式存储。
5.根据权利要求4所述的基于三维C型臂机的髋关节术中成像多维坐标生成系统，其特征在于：所述的三维建模采用Mimics软件进行构建。
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