CN108451656B - 脊柱三维定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种脊柱三维定位方法，涉及微创外科手术技术领域。一种脊柱三维定位方法，通过X光照片获取脊柱正位图和侧位图图像；导入X光照片图像，根据给定比例尺在正位图和侧位图中均确定标记点C和D两点空间位置；分别在正位图和侧位图的图像中标记原点及坐标系；在图像中标记相关点，系统计算生成各点的坐标值；根据两点确定一条空间直线，计算出相关点的空间坐标，以及C、D两点确定的直线与水平面和垂直平面的夹角，通过反三角函数，确定穿刺针的穿刺位置、角度和距离；根据的输出参数，设定脊柱穿刺定位仪穿刺针的位置和角度。这种计算方法使得复杂的计算过程非常简便，加上直观的穿刺线提示，基本避免了因为计算出现的误差。

Description

脊柱三维定位方法
技术领域
本发明公开了一种脊柱三维定位方法，涉及微创外科手术技术领域，尤其是涉及脊柱微创定位系统及其在脊柱微创定位中的应用。
背景技术
微创外科手术是应用先进的工具(如计算机、特殊的穿刺导针、特殊的拉钩和影像设备)，通过特殊的手术入路完成传统的手术，以达到对患者产生最少的组织损伤、最轻的心理影响、最快的康复和最好的手术效果。
脊柱微创手术是近年来兴起的治疗各种脊柱疾病(如骨质疏松性压缩性骨折、脊柱创伤性骨折、腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症等)的手术方法，它具有切口小、创伤小、手术时间短、术后效果佳等多个优点。微创经椎间孔腰椎椎体间融合手术、脊柱内窥镜手术、经皮椎体成形术等脊柱微创手术越来越多的应用于脊柱相关疾病的治疗。
脊柱微创手术关键的步骤就是第一步的穿刺定位，穿刺定位的成功与否往往是决定手术成败的关键。但是，即使具备丰富临床穿刺经验的脊柱外科医师常常遇到穿刺困难的问题。既往的各种体表标志定位、金属标记定位等方法定位不够准确、手术过程中需要多次透视；既增加了手术时间，又使医护人员及患者多次暴露在X线辐射下，遭受较常规手术数倍甚至数十倍剂量的X射线照射。
20世纪90年代，计算机科技和医学影像技术的不断进步使得导航技术和机器人技术开始应用到脊柱外科领域。导航和机器人的应用提高了螺钉植入通道的安全性和精确性，减少了患者和医护人员的X线辐射，减少了患者的失血量和并发症的发生，无论给医生还是患者都带来了很大的益处。但是导航及机器人系统也会带来定位误差，造价昂贵，并且操作复杂，暂时难以推广。
有一些研究致力设计造价便宜、简易实用的定位仪，用于脊柱手术穿刺及定位，有的定位仪已经进行了临床试验，并取得了较好的效果。但是这些定位仪也存在着一些缺点，比如：有些定位仪过于庞大，安装后对手术及术中C型臂透视应用造成干扰；有些定位仪对于患者体位要求较高，患者稍有体位变化就会造成较大定位误差；有些定位仪过度依靠术前的CT，实际手术与制定计划之间有较大误差等。因为这些缺点，这些定位仪在实际工作中应用比较困难，目前还没有一种定位仪在临床工作中普遍应用。
为解决穿刺问题，专利号ZL 201520325717.3公开了以中国脊柱微创定位系统，目的是提高穿刺成功率、缩短手术时间、减少医师与患者X线的接触量，提高手术效率。并通过试验来验证其准确性与安全性。该脊柱微创定位仪在脊柱微创定位中的应用，包括以下主要步骤：固定脊柱定位仪；沿x轴方向拍摄第一张脊柱正位X光图片，记录位于椎骨表面上的第一穿刺点和位于椎骨深部的第二穿刺点在y-z平面内的第一位置信息；沿y轴方向拍摄第二脊柱侧位X光图片，记录位于椎骨表面上的第一穿刺点和位于椎骨内部的第二穿刺点在x-z平面内的第二位置信息；根据第一位置信息和第二位置信息确定穿刺点的方向和角度；调整脊柱微创定位仪使得穿刺针与定位的方向和角度一致，进行穿刺。
然而确定穿刺点的方向和角度是极为困难的，一旦出现错误，将导致穿刺失败。现有技术中，只能依靠医生的经验和操作手法进行大致的定位。因此在实际工作中，有时会因为定位不准确而对患者进行多次穿刺，造成患者的负担和痛苦。因此，在整个定位过程中，对X光图片的参数进行测量、计算，然后根据参数确定穿刺的方向和角度是非常重要的。但目前缺少一种简单、准确获得穿刺的距离、方向和角度的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种简单、准确的获得脊柱三维定位系统的数据的方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的数学原理基础：根据立体几何基本理论，我们知道三维空间中确定的两点能够确定空间中的一条直线，穿刺过程中穿刺针的行程可以看成空间中的一条直线，当我们能够确定这个行程中，也就是这条直线上的任意两个点位置(即，他们的空间坐标)，我们就可以根据需要选定的其他点的三维坐标中的任意一个值计算出其他两个值，从而确定所需点的准确坐标位置。
如图3，其中C(Cx，Cy，Cz)、D(Dx，Dy，Dz)点是三维空间已知两点，A(Ax，Ay，Az)点是这条直线上的另外一点，如果我们根据条件能够再给定A点坐标中Ax，Ay，Az中的任意一个值，则我们根据下面的数学理论计算出A点的其他坐标，也就确定A点在空间中的准确位置。
数学理论根据：空间两点确定一条直线；空间直线的点坐标值为线性关系。则，我们可以得到：
(Ax-Cx)/(Cx-Dx)＝(Ay-Cy)/(Cy-Dy)＝(Az-Cz)/(Cz-Dz)
其中，C(Cx，Cy，Cz)、D(Dx，Dy，Dz)为已知值，如果我们能够确定A点的Az值，则我们可以得到A点的Ax和Ay：
Ax＝(Az-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ax＝(Az-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
注：此时C点和D点z坐标不相同。如果C、D点的z坐标相同，则：Az＝Cz＝Dz此时须通过给定A点x或y坐标来确定A坐标，公式为(以Ay已知求Ax为例)：
Az＝Cz＝Dz
Ax＝(Ay-Cy)*(Cx-Dx)/(Cy-Dy)+Cx
注：此时Cy，Dy不相同，如果相同则因为C、D点z坐标相同，C、D点重合，不符合已知两点条件。
总结，根据以上论证，可以确定：已知三维空间两点，则两点确定一条直线，并且能够根据给定该直线上另一点的任意一个维度的坐标，计算出该点的准确空间坐标。
基于上述理论，本发明提供了一种基于三维空间定位算法的脊柱穿刺的定位方法，包括以下步骤：
步骤1、通过X光照片获取脊柱正位图和侧位图图像，拍照时设定正位图和侧位图的目标位参考比例尺；
步骤2、导入X光照片图像，根据给定比例尺在正位图和侧位图中均确定标记点C和D两点空间位置；
步骤3、分别在正位图和侧位图的图像中标记原点及坐标系，设定比例尺；
步骤4、在图像中标记相关点：穿刺起始位点A、皮肤进入点B和穿刺终止点E的纵向坐标，系统计算生成各点的坐标值；
步骤5、正位图和侧位图的参考比例尺，分别计算出垂直方向和水平方向的X光缩放比例P1和P2；
步骤6、根据两点确定一条空间直线，计算出相关点的空间坐标并通过缩放比例进行纠正，以及C、D两点确定的直线与水平面和垂直平面的夹角，通过反三角函数，从而确定穿刺针的穿刺位置、角度和距离；
步骤7、根据步骤6的输出参数，设定脊柱穿刺定位仪穿刺针的位置和角度。
所述步骤1中，获取脊柱图像方法为通过X光照片获取脊柱正位图和侧位图图像。
所述步骤3中，标记坐标系可根据图像偏转角度自由设定，系统可以自动进行旋转矫正。由于拍摄的图像可能存在一定的偏转，因此坐标轴不一定平行于图像的边缘，因此系统具有矫正功能，即当人为设定了一条坐标线后，其他坐标线就可以自动矫正，会自动根据坐标系计算距离，而不是根据图像的水平和垂直的数值计算。这种功能通过现有技术实现。
所述步骤4中系统计算生成各点的坐标值的方法是：
(1)将已知的Az坐标带入方程，得到Ax和Ay值，
Ax＝(Az-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ay＝(Az-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(2)将已知的Bz坐标带入方程，得到Bx和By值，
Bx＝(Bz-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
By＝(Bz-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(3)将已知的Ez坐标带入方程，得到Ex和Ey值，
Ex＝(Ez-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ey＝(Ez-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy。
所述步骤4中，通过在正位图中标记相关点，在侧位图中根据正位图的坐标自动画出相关点的位置辅助线。现有技术中软件会自动生成根据标记点在正位图中的坐标，在侧位图中做出相应辅助线，帮助术者做出准确的侧位图中的标记。即在确定标记点以后，软件在做出的虚拟坐标系中会自动生成穿刺线，可以帮助术者判断穿刺方向是否正确。比如正位图中标记确定的C点，已经确定了它的X，Y坐标，在侧位图中标记C点时，由于侧位图坐标系是(Y，Z)，所以人们可以在侧位图中给出C点的Y值辅助线，标记时只能在这个辅助线上标记C点才是准确的。
所述步骤5中，通过正位图和侧位图的参考比例尺，来分别计算出垂直方向和水平方向的X光缩放比例P1和P2。在测量的椎体平行位置放一把可读出刻度的尺子，这把尺子的测量结果作为标准值，放大(或缩小)率(P1或P2)＝坐标系中椎体高度测量值(或者长、宽)/椎体高度的标准值(或者长、宽)，再利用放大率对坐标数值进行修订。例如：标准尺测量的椎体高度为25.5mm，而在X光片中读出的椎体高度为28.5，那么放大率(缩放比例P)就为28.5/25.5＝1.12，将坐标数值/1.12就得出了修订后的标准坐标数值。
所述步骤6中，根据两点确定一条空间直线，计算出相关点的空间坐标并通过缩放比例P1和P2进行纠正，从而确定穿刺针的穿刺位置和距离。
所述距离的计算方法为：
(1)A点到C点的距离：
AC_Dist＝sqrt(pow(Cx-Ax，2)+pow(Cy-Ay，2)+pow(Cz-Az，2))；
(2)A点到D点的距离：
AD_Dist＝sqrt(pow(Ax-Dx，2)+pow(Ay-Dy，2)+pow(Az-Dz，2))；
(3)A点到E点的距离：
AE_Dist＝sqrt(pow(Ax-Ex，2)+pow(Ay-Ey，2)+pow(Az-Ez，2))；
其中sqrt是开平方根函数，pow是幂函数。
所述步骤6中，通过反三角函数确定直线与水平面和垂直平面的夹角。
所述直线与水平面和垂直平面的夹角的计算方法是：
(1)直线在yz平面上的投影与xz平面的夹角：
Angle_xz＝atan((Cy-Dy)/(Cz-Dz))
(2)直线在xz平面上的投影与yz平面的夹角：
Angle_yz＝atan((Cx-Dx)/(Cz-Dz))
(3)直线与xy平面的夹角：
Angle_xy＝atan((Dz-Cz)/(sqrt(pow(Cx-Dx，2)+pow(Cy-Dy，2))))
其中，sqrt是开平方根函数，pow是幂函数，atan是反正切三角函数。
本发明的方法可用于开发脊柱三位定位系统。
本发明的第二个方面，提供了一种脊柱三维定位系统(以下简称：定位软件)，该软件配合图1的脊柱三维定位仪使用，能够实现医疗穿刺过程中对穿刺针的三维立体空间穿刺起始位置、穿刺针角度以及穿刺路径的确定。软件采用OpenGL技术实现三维空间模型展示，运行于WinXP、Win7以上系统。
一种基于三维空间定位算法的脊柱穿刺的定位系统，包括：图像输入模块，用于导入X光照片；图像分析模块，用于设定图像的坐标系、设定图像的比例尺、标记图像上的相关点；数据检查模块，用于检查数据的完整性；数据计算和显示模块，用于计算并输出穿刺位置、角度的计算结果。
所述图像输入模块输入的图像为X光照片，包括脊柱正位图图像和脊柱侧位图图像；所述图像分析模块，具有图像角度校准功能。
所述相关点为穿刺起始位点A、皮肤进入点B、穿刺终止点E的纵向坐标、脊柱正位图和脊柱侧位图中的标记点C和D。
所述数据计算和显示模块计算并输出以下数据：
生成各点的坐标值：
(1)将已知的Az坐标带入方程，得到Ax和Ay值，
Ax＝(Az-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ay＝(Az-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(2)将已知的Bz坐标带入方程，得到Bx和By值，
Bx＝(Bz-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
By＝(Bz-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(3)将已知的Ez坐标带入方程，得到Ex和Ey值，
Ex＝(Ez-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ey＝(Ez-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
距离的值：
(1)A点到C点的距离：
AC_Dist＝sqrt(pow(Cx-Ax，2)+pow(Cy-Ay，2)+pow(Cz-Az，2))；
(2)A点到D点的距离：
AD_Dist＝sqrt(pow(Ax-Dx，2)+pow(Ay-Dy，2)+pow(Az-Dz，2))；
(3)A点到E点的距离：
AE_Dist＝sqrt(pow(Ax-Ex，2)+pow(Ay-Ey，2)+pow(Az-Ez，2))；
其中sqrt是开平方根函数，pow是幂函数；
直线与水平面和垂直平面的夹角：
(1)直线在yz平面上的投影与xz平面的夹角：
Angle_xz＝atan((Cy-Dy)/(Cz-Dz))
(2)直线在xz平面上的投影与yz平面的夹角：
Angle_yz＝atan((Cx-Dx)/(Cz-Dz))
(3)直线与xy平面的夹角：
Angle_xy＝atan((Dz-Cz)/(sqrt(pow(Cx-Dx，2)+pow(Cy-Dy，2))))
其中，sqrt是开平方根函数，pow是幂函数，atan是反正切三角函数。
软件界面及功能介绍
通过给定标记点C、D的x、y、z坐标，以及穿刺起始位点A、皮肤进入点B和穿刺终止点E的z坐标，计算出A、B和E点的空间坐标位置以及标记点C、D所确定的直线(穿刺行程线)在yz平面投影和xz平面以及xz平面投影和yz平面的夹角。这样我们就可以确定出穿刺针的起始位置和两个方向的倾斜角度，以及穿刺行程的距离。
使用步骤如下：
1.通过X光对穿刺对象的正位图(图4)和侧位图(图5)确定标记点C、D坐标，将数值填入空间坐标计算区相应位置：
透视X线正位，找出穿刺的标志点C、D，C的坐标为(x1，y1，z1)，D的坐标为(x2，y2，z2)，其中x、y可知，z不可知。
透视X线侧位，找出穿刺的标志点C、D，C的坐标为(x1，y1，z1)，D的坐标为(x2，y2，z2)，其中z、y可知，x不可知。
2.确定穿刺起始位点A、皮肤进入点B和穿刺终止点E的z坐标，将数值填入空间坐标计算区相应位置(单位mm)；
3.点击功能按钮“计算结果”，则得到所有A、B、C、D、E点的坐标以及穿刺针在两个方向的倾斜角度，和穿刺针在穿刺过程中的行程距离。(图6)
4.将计算出的数值输入到脊柱三维定位仪中即进行穿刺。
本发明的方法是通过一种三维空间定位的算法，根据通过俯视图和侧视图采集到的X光影像数据，计算出准确的穿刺针进入点、进入角度和距离，这样极大的增加了穿刺的成功率，减少了给患者因穿刺不准确带来痛苦。所以，我们研制了一种脊柱三维定位系统的数据计算方法，使得计算非常简便，加上直观的穿刺线提示，基本避免了因为计算出现的误差。
本发明的优点是：本方法和系统专门为脊柱穿刺仪(图1)订制，具有独特性，极大提高了穿刺的准确性和成功率，减少了患者的痛苦；减少了穿刺过程所花费的时间，提高医疗效率。
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图说明
图1为脊柱定位仪的结构示意图
图2为脊柱定位仪的实物图
图3为立体坐标中两点决定一条直线
图4为脊柱的正位X光片，可以根据标尺读出标记点的正位坐标
图5为脊柱的侧位X光片，可以根据标尺读出标记点的侧位坐标
图6为脊柱三维定位系统的计算界面
图7为脊柱三维定位系统的执行流程图
具体实施方式
实施例1.基于三维空间定位算法的脊柱穿刺的定位方法
步骤1、通过X光照片获取脊柱正位图(图4)和侧位图(图5)图像，拍照时设定正位图和侧位图的目标位参考比例尺；
步骤2、导入X光照片图像，根据给定比例尺在正位图和侧位图中均确定标记点C和D两点空间位置；
步骤3、分别在正位图和侧位图的图像中标记原点及坐标系，设定比例尺；
步骤4、在图像中标记相关点：穿刺起始位点A、皮肤进入点B和穿刺终止点E的纵向坐标，系统计算生成各点的坐标值；
(1)将已知的Az坐标带入方程，得到Ax和Ay值，
Ax＝(Az-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ay＝(Az-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(2)将已知的Bz坐标带入方程，得到Bx和By值，
Bx＝(Bz-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
By＝(Bz-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(3)将已知的Ez坐标带入方程，得到Ex和Ey值，
Ex＝(Ez-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ey＝(Ez-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
步骤5、正位图和侧位图的参考比例尺，分别计算出垂直方向和水平方向的X光缩放比例P1和P2；
步骤6、根据两点确定一条空间直线，计算出相关点的空间坐标并通过缩放比例P1和P2进行纠正，以及C、D两点确定的直线与水平面和垂直平面的夹角，通过反三角函数，从而确定穿刺针的穿刺位置、角度和距离；
所述距离的计算方法为：
(1)A点到C点的距离：
AC_Dist＝sqrt(pow(Cx-Ax，2)+pow(Cy-Ay，2)+pow(Cz-Az，2))；
(2)A点到D点的距离：
AD_Dist＝sqrt(pow(Ax-Dx，2)+pow(Ay-Dy，2)+pow(Az-Dz，2))；
(3)A点到E点的距离：
AE_Dist＝sqrt(pow(Ax-Ex，2)+pow(Ay-Ey，2)+pow(Az-Ez，2))；
其中sqrt是开平方根函数，pow是幂函数。
所述步骤6中，通过反三角函数确定直线与水平面和垂直平面的夹角。
所述直线与水平面和垂直平面的夹角的计算方法是：
(1)直线在yz平面上的投影与xz平面的夹角：
AngleXZ＝atan((Cy-Dy)/(Cz-Dz))
(2)直线在xz平面上的投影与yz平面的夹角：
Angle_yz＝atan((Cx-Dx)/(Cz-Dz))
(3)直线与xy平面的夹角：
Angle_xy＝atan((Dz-Cz)/(sqrt(pow(Cx-Dx，2)+pow(Cy-Dy，2))))
其中，sqrt是开平方根函数，pow是幂函数，atan是反正切三角函数。
步骤7、根据步骤6的输出参数，设定脊柱穿刺定位仪穿刺针的位置和角度。
实际操作中，根据计算显示的结果，调整图1或图2所示脊柱定位仪的穿刺针的位置和两个角度表盘的度数。A点为穿刺针起始位置点，根据计算得到的A点的X和Y坐标，移动穿刺定位仪，使X轴和Y轴的值与输出的A点X轴坐标和Y轴坐标相吻合，根据计算得到的“直线在yz平面上的投影与xz平面的夹角”的数值设定刻度盘1的角度值，根据计算得到的“直线在xz平面上的投影与yz平面的夹角”的数值设定刻度盘2的角度值。
实施例2.以本发明方法开发计算系统
一、系统构成及运算方法
参阅图7所示，系统包括以下模块：图像输入模块(B1)，用于导入X光照片；图像分析模块(B2)，用于设定图像的坐标系、设定图像的比例尺、标记图像上的相关点；数据检查模块(B3)，用于检查数据的完整性；数据计算和显示模块(B4)，用于计算并输出穿刺位置、角度的计算结果。
所述图像输入模块输入的图像为X光照片，包括脊柱正位图图像和脊柱侧位图图像；所述图像分析模块，具有图像角度校准功能。
所述相关点为穿刺起始位点A、皮肤进入点B、穿刺终止点E的纵向坐标、脊柱正位图和脊柱侧位图中的标记点C和D。
所述数据计算和显示模块计算并输出以下数据：
生成各点的坐标值：
(1)将已知的Az坐标带入方程，得到Ax和Ay值，
Ax＝(Az-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ay＝(Az-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(2)将已知的Bz坐标带入方程，得到Bx和By值，
Bx＝(Bz-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
By＝(Bz-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(3)将已知的Ez坐标带入方程，得到Ex和Ey值，
Ex＝(Ez-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ey＝(Ez-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
距离的值：
(1)A点到C点的距离：
AC_Dist＝sqrt(pow(Cx-Ax，2)+pow(Cy-Ay，2)+pow(Cz-Az，2))；
(2)A点到D点的距离：
AD_Dist＝sqrt(pow(Ax-Dx，2)+pow(Ay-Dy，2)+pow(Az-Dz，2))；
(3)A点到E点的距离：
AE_Dist＝sqrt(pow(Ax-Ex，2)+pow(Ay-Ey，2)+pow(Az-Ez，2))；
其中sqrt是开平方根函数，pow是幂函数；
直线与水平面和垂直平面的夹角：
(1)直线在yz平面上的投影与xz平面的夹角：
Angle_xz＝atan((Cy-Dy)/(Cz-Dz))
(2)直线在xz平面上的投影与yz平面的夹角：
Angle_yz＝atan((Cx-Dx)/(Cz-Dz))
(3)直线与xy平面的夹角：
Angle_xy＝atan((Dz-Cz)/(sqrt(pow(Cx-Dx，2)+pow(Cy-Dy，2))))
其中，sqrt是开平方根函数，pow是幂函数，atan是反正切三角函数。
二、系统环境
1.系统开发环境，在Window环境下，使用VC++语言开发。使用Visua]Studio2010集成开发环境。
2.使用ImageMagic图像库，处理图像输入，显示及格式转换等功能。
3.使用0penGL库支持3D空间模拟显示。
4.系统流程图(见图7)
三、系统使用步骤
1.通过X光对穿刺对象的正视图和侧视图确定标记点C、D坐标(图4、图5)，将数值填入空间坐标计算区相应位置。
透视X线正位图，找出穿刺的标志点C、D，A的坐标为(x1，y1，z1)，B的坐标为(x2，y2，z2)，其中x、y可知，z不可知。
透视X线侧位图，找出穿刺的标志点C、D，C的坐标为(x1，y1，z1)，D的坐标为(x2，y2，z2)，其中z、y可知，x不可知。
2.确定穿刺起始位点A、皮肤进入点B和穿刺终止点E的z坐标，将数值填入空间坐标计算区相应位置(单位mm)；
3.点击功能按钮“计算结果”，则得到所有A、B、C、D、E点的坐标以及穿刺针在两个方向的倾斜角度，和穿刺针在穿刺过程中的行程距离。结果如图6所示。
实施例3.方法验证实验
一.材料和方法
1.材料：
选择4具T2-S1背部结构(皮肤软组织)完整的成人脊柱尸体标本，对穿刺仪及计算方法进行验证。每具标本可提供双侧L1-S1共12个椎弓根穿刺定位，一共进行穿刺48次。
穿刺前标本行脊柱电子计算机断层扫描(Computed Tomography，CT)及X线检查。
2.方法：
穿刺过程与定位仪(图1和图2)、计算软件(实施例2)使用方法同前描述。将修订后的标准坐标数值输入到计算软件中，得出穿刺起始点坐标、穿刺方向，调整定位仪参数，开始穿刺。本实验选用的穿刺针为克氏针。穿刺针穿刺到达几个穿刺关键点时，进针的距离应该和预先计算出的数值相吻合，可以对穿刺的准确性进行验证。
3.观察指标：穿刺偏差数值：在X光正、侧位片上标出椎弓根外缘、内缘理想的穿刺点，测量实际穿刺点与理想穿刺点的偏差距离，正侧位X光片上最大偏差数值为最终偏差数值(图3)。穿刺优良率：采用改良Richter分类标准。对于螺钉植入的评判，Richter分类标准4将其分为3类，因为在本实验中并未实际植入螺钉，所以采用改良方法。根据腰椎螺钉的直径(选用5mm)及椎弓根直径(选用椎弓根长径14-16mm，短径8-15mm的标准5)，将Richter分类进行改良，根据椎弓根穿刺点的偏差，将穿刺效果其分为三类：(1)优：偏差小于3mm；(2)良：偏差大于或等于3mm、小于5mm；(3)差：偏差大于或等于5mm。
4.统计学方法：应用SPSS17.0软件(SPSS software，version 17.0；SPSS，Inc.，Chicago，Illinois)计算椎弓根实际穿刺点与理想穿刺点的距离偏差的均数，并计算穿刺优良率的百分比。
二.结果：
椎弓根外缘穿刺点与理想穿刺点的偏差距离在正位片上为：0-6.0mm，平均1.8±1.5mm；侧位片上为：0-7.0mm，平均1.6±1.5mm。椎弓根内缘穿刺点与理想穿刺点的偏差距离为在正位片上为：0-6.4mm，平均2.0±1.6mm；侧位片上为：0-7.3mm，平均1.9±1.6mm。穿刺点在椎弓根上的最大偏差距离为：0-7.3mm，平均2.4±1.6mm。穿刺点误差位置见图4。根据最大偏差距离得出穿刺结果，优：34例(70.8％)；良：10例(20.8％)；差：4例(8.3％)，优良率为91.7％。
通过此实验可以看出：新型脊柱定位仪和计算方法相结合在椎弓根穿刺试验中提高了穿刺的准确性。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (2)

1.一种基于三维空间定位算法的脊柱穿刺的定位方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、通过X光照片获取脊柱正位图和侧位图图像，拍照时设定正位图和侧位图的目标位参考比例尺；
步骤2、导入X光照片图像，根据给定比例尺在正位图和侧位图中均确定标记点C和D两点空间位置；
步骤3、分别在正位图和侧位图的图像中标记原点及坐标系，设定比例尺；
步骤4、在图像中标记相关点：穿刺起始位点A、皮肤进入点B和穿刺终止点E的纵向坐标，系统计算生成各点的坐标值；
步骤5、根据正位图和侧位图的参考比例尺，分别计算出垂直方向和水平方向的X光缩放比例P1和P2；
步骤6、根据两点确定一条空间直线，计算出相关点的空间坐标并通过缩放比例P1和P2进行纠正，以及C、D两点确定的直线与水平面和垂直平面的夹角，通过反三角函数，从而确定穿刺针的穿刺位置、角度和距离；
步骤7、根据步骤6的输出参数，设定脊柱穿刺定位仪穿刺针的位置和角度；
所述步骤3中，标记坐标系可根据图像偏转角度自由设定，系统可以自动进行旋转矫正；
所述步骤4中系统计算生成各点的坐标值的方法是：
(1)将已知的Az坐标带入方程，得到Ax和Ay值，
Ax＝(Az-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ay＝(Az-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(2)将已知的Bz坐标带入方程，得到Bx和By值，
Bx＝(Bz-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
By＝(Bz-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(3)将已知的Ez坐标带入方程，得到Ex和Ey值，
Ex＝(Ez-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ey＝(Ez-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy；
所述步骤4中，通过在正位图中标记相关点，在侧位图中根据正位图的坐标自动画出相关点的位置辅助线；
所述步骤6中距离的计算方法为：
(1)A点到C点的距离：
AC_Dist＝sqrt(pow(Cx-Ax,2)+pow(Cy-Ay,2)+pow(Cz-Az,2))；
(2)A点到D点的距离：
AD_Dist＝sqrt(pow(Ax-Dx,2)+pow(Ay-Dy,2)+pow(Az-Dz,2))；
(3)A点到E点的距离：
AE_Dist＝sqrt(pow(Ax-Ex,2)+pow(Ay-Ey,2)+pow(Az-Ez,2))；
其中sqrt是开平方根函数，pow是幂函数；
所述步骤6中，通过反三角函数确定直线与水平面和垂直平面的夹角，计算方法是：
(1)直线在yz平面上的投影与xz平面的夹角：
Angle_xz＝atan((Cy-Dy)/(Cz-Dz))
(2)直线在xz平面上的投影与yz平面的夹角：
Angle_yz＝atan((Cx-Dx)/(Cz-Dz))
(3)直线与xy平面的夹角：
Angle_xy＝atan((Dz-Cz)/(sqrt(pow(Cx-Dx,2)+pow(Cy-Dy,2))))
其中，sqrt是开平方根函数，pow是幂函数，atan是反正切三角函数。
2.一种基于权利要求1所述的三维空间定位算法的脊柱穿刺的定位系统，其特征在于包括:图像输入模块，用于导入X光照片；图像分析模块，用于设定图像的坐标系、设定图像的比例尺、标记图像上的相关点；数据检查模块，用于检查数据的完整性；数据计算和显示模块，用于计算并输出穿刺位置、角度的计算结果；
所述图像输入模块输入的图像为X光照片，包括脊柱正位图图像和脊柱侧位图图像；所述图像分析模块，具有图像角度校准功能；
所述相关点为穿刺起始位点A、皮肤进入点B、穿刺终止点E的纵向坐标、脊柱正位图和脊柱侧位图中的标记点C和D；
所述数据计算和显示模块计算并输出以下数据：
生成各点的坐标值：
(1)将已知的Az坐标带入方程，得到Ax和Ay值，
Ax＝(Az-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ay＝(Az-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(2)将已知的Bz坐标带入方程，得到Bx和By值，
Bx＝(Bz-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
By＝(Bz-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
(3)将已知的Ez坐标带入方程，得到Ex和Ey值，
Ex＝(Ez-Cz)*(Cx-Dx)/(Cz-Dz)+Cx
Ey＝(Ez-Cz)*(Cy-Dy)/(Cz-Dz)+Cy
距离的值：
(1)A点到C点的距离：
AC_Dist＝sqrt(pow(Cx-Ax,2)+pow(Cy-Ay,2)+pow(Cz-Az,2))；
(2)A点到D点的距离：
AD_Dist＝sqrt(pow(Ax-Dx,2)+pow(Ay-Dy,2)+pow(Az-Dz,2))；
(3)A点到E点的距离：
AE_Dist＝sqrt(pow(Ax-Ex,2)+pow(Ay-Ey,2)+pow(Az-Ez,2))；
其中sqrt是开平方根函数，pow是幂函数；
直线与水平面和垂直平面的夹角：
(1)直线在yz平面上的投影与xz平面的夹角：
Angle_xz＝atan((Cy-Dy)/(Cz-Dz))
(2)直线在xz平面上的投影与yz平面的夹角：
Angle_yz＝atan((Cx-Dx)/(Cz-Dz))
(3)直线与xy平面的夹角：
Angle_xy＝atan((Dz-Cz)/(sqrt(pow(Cx-Dx,2)+pow(Cy-Dy,2))))
其中，sqrt是开平方根函数，pow是幂函数，atan是反正切三角函数。
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