CN109431583B - 一种椎弓根导航模型建立方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种椎弓根导航模型建立方法及装置。所述方法包括：获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型。使用该椎弓根导航模型进行椎弓根的穿刺定位，减少了在椎弓根穿刺过程中C型臂X光机的使用次数，减少了对人体造成的伤害，并防止了术中刺破椎弓根内侧皮质损伤脊髓或神经根的意外发生。

Description

一种椎弓根导航模型建立方法及装置

技术领域

本发明实施例涉及医疗技术领域，尤其涉及一种椎弓根导航模型建立方法及装置。

背景技术

椎弓根穿刺技术是一类重要的脊柱微创外科手术。目前，传统脊柱手术中最为常用定位及穿刺监视方法为正侧位透视法：调整C型臂X线机的球管投射方向使之与患者背部平面垂直，也就是通常说的正位透视(前后位透视)。通过正位透视能够清楚辨别脊柱的相关结构，如病变椎体、棘突和两侧的椎弓根，判断正位透视方向是否标准的正中央。在正位透视下，采用一根克氏针定位出病变的椎弓根水平，针尖定位于椎弓根的上外侧缘的皮质，在相应的皮肤投影点用油性笔作一标记点。考虑到穿刺时的进针角度，体表皮肤的穿刺点应向标记点外侧旁开约0.5cm，以此来适应椎弓根的外展角度，而穿刺针的头尾侧角度则应在侧位透视的监测下进行调整。由于这种定位方式操作简单，不需要过多调整球管的投射方向，因此国内外绝大部分手术医生采用这种穿刺定位方法。但是这种穿刺定位的方式也处在许多不足。

传统手术操作方法复杂，使用C型臂X光机次数过多，辐射照射会对人体产生一定的伤害。并且，穿刺针外展角度的大小往往由手术医生自身的经验来确定，外展角度过小会使刺穿针偏向椎体的一侧，外展角度过大会刺破椎弓根内侧皮质，损伤神经根或脊髓。而且，穿刺的过程是在侧位透视监视下进行的，穿刺针是否一直处于椎弓根内只能靠两种方法确定：一是手术医生的手感，二是当刺穿针刚好到达椎体后缘时，正位透视下观察穿刺针的尖端是否位于椎弓根内侧骨皮质的外侧。而穿刺手感是一个比较不明确的概念，与手术医生的经验和患者病变椎体的骨质量有关，不能作为一种正规的操作指南。正侧位透视观察针尖与椎弓根内侧皮质之间的关系虽能明确穿刺针的具体位置，但是对穿刺针刺破椎弓根的内侧皮质的发生毫无预防作用。因此，即使是经验丰富的手术医生，也难免有刺破椎弓根内侧皮质损伤脊髓或神经根的意外发生。

发明内容

本发明实施例提供了一种椎弓根导航模型建立方法及装置，以实现减少在椎弓根穿刺过程中C型臂X光机的使用次数，减少对人体造成的伤害，并防止术中刺破椎弓根内侧皮质损伤脊髓或神经根的意外发生。

第一方面，本发明实施例提供了一种椎弓根导航模型建立方法，包括：

获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；

基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型。

第二方面，本发明实施例还提供了一种椎弓根导航模型建立装置，包括：

基础模型建立模块，用于获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；

导航模型建立模块，用于基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型。

本发明实施例通过获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型，建立椎弓根导航模型的原理可靠，使用该椎弓根导航模型进行椎弓根的穿刺定位，操作简单，对人体的创伤小，实现了微创手术，并且无需透视找椎弓根进针点，能够在1-2分钟内定位穿刺针进针方向、位置，可以精准控制探针的位置、方向，使穿刺针插入椎体的最优位置，还减少了在椎弓根穿刺过程中C型臂X光机的使用次数，减少了对人体造成的伤害，若出现穿刺针位置插错，或没有到达指定位置的情况，也能防止刺破椎弓根内侧皮质损伤脊髓或神经根的意外发生。

附图说明

图1是本发明实施例一所提供的椎弓根导航模型建立方法的流程图；

图2是本发明实施例二所提供的椎弓根导航模型建立方法的流程图；

图3a是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法的流程图；

图3b是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中模拟穿刺针的位置示意图；

图3c是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中平板的位置示意图；

图3d是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中模拟克氏针的位置示意图；

图3e是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中第一圆柱体的位置示意图；

图3f是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中第二圆柱体的位置示意图；

图3g是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中初始椎弓根导航模型的结构示意图；

图3h是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中第三圆柱体的位置示意图；

图3i是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中椎弓根导航模型的结构示意图；

图4是本发明实施例四所提供的椎弓根导航模型建立装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图1是本发明实施例一所提供的椎弓根导航模型建立方法的流程图。该方法可以由椎弓根导航模型建立装置执行，该装置可以采用软件和/或硬件的方式实现。如图1所示，该方法具体包括：

S110、获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型。

在本实施例中，首先根据患者待导航部位的CT数据建立患者的椎体模型及皮肤模型。可选的，患者待导航部位可以为患者的颈部、胸部或腰部，待导航部位的CT数据可以为患者颈部的CT图像、胸部的CT图像或患者腰部的CT图像。

可选的，可以通过现有的三维模型重建软件重建出患者待导航部位的椎体模型及皮肤模型。示例性的，将患者待导航部位的CT图像导入三维重建软件后，建立蒙版，分别选取CT图像中的骨骼数据及皮肤数据，根据选取的骨骼数据建立待导航部位的椎体模型，根据选取的皮肤数据建立待导航部位的皮肤模型。

S120、基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型。

在本实施例中，以椎体模型及皮肤模型为基础，建立椎弓根导航模型所需的各导航结构，将各导航结构组合得到椎弓根导航模型。

可选的，导航结构可以包括模拟穿刺针、基板、模拟克氏针、围绕模拟穿刺针的第一圆柱体、围绕模拟克氏针的第二圆柱体等导航结构。其中，围绕模拟穿刺针的第一圆柱体相当于成型的椎弓根导航模型中的穿刺针导管，供穿刺针通过，并作用于预设的椎弓根部位。围绕模拟克氏针的第二圆柱体相当于成型的椎弓根导航模型中的克氏针导管，用于固定克氏针，模拟克氏针相当于成型的椎弓根导航模型中的克氏针，用于将椎弓根导航版固定在患者的锥体部位。

可选的，得到椎弓根导航模型后，可以将椎弓根导航模型文件导出，使用医用级树脂通过3D打印技术打印出来，得到实体的椎弓根导航版，将医用级克氏针插入克氏针导管后，即可使用。

需要说明的是，将使用本发明实施例所提供的椎弓根导航模型建立方法建立出的椎弓根导航模型3D打印出来，得到椎弓根导航版，对得到的椎弓根导航板进行了测试。

具体的，将椎体模型通过3D打印技术打印出来，得到待导航的椎体，取与人体皮肤组织结构相似的猪肉，将猪肉附着在通过3D打印出来的椎体上，模拟人体组织结构，进行实验。

首先把猪肉附着在病患椎体模型上，椎体模型上标记好穿刺针需要达到的指定位置。第一步，模拟病患椎体模型大致位置，通过食指在皮肤上找到其棘突最高点，使用医用级标记笔，标记出棘突最高点位置。第二步，拿起椎弓根导航版，调整正确方向，双手抓住导板两边，导板平行于模拟病患椎体模型，移动导板至病患椎体体外上方，导板中间孔对准棘突最高标记点。第三步，平行插入猪肉组织，微调，顺着棘突边缘下滑，到达位置。第四步，使用橡皮锤，往导板中间轻轻砸两下，使导板中间的针(克氏针)刺入椎体模型里，起到临时固定后，用穿刺针从两侧导板管道插入猪肉组织，检测穿刺针插入猪肉组织的深度与事先设计标准刻度线一致时，撤出椎弓根导航版。本次实验表明本发明能够准确的锁定棘突结构，通过微创椎弓根导航板，穿刺针能够准确到达病患椎体指定位置。并且，还实验过多种大小的克氏针，在确保刚度、弹性、对肌肉组织皮肤创伤小等情况下，直径1.5mm的克氏针为较合适的克氏针，能够在对肌肉组织皮肤组织创伤小的情况下，将椎弓根导航版较好的固定在椎体上。

本发明实施例通过获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型，建立椎弓根导航模型的原理可靠，使用该椎弓根导航模型进行椎弓根的穿刺定位，操作简单，对人体的创伤小，实现了微创手术，并且无需透视找椎弓根进针点，能够在1-2分钟内定位穿刺针进针方向、位置，可以精准控制探针的位置、方向，使穿刺针插入椎体的最优位置，还减少了在椎弓根穿刺过程中C型臂X光机的使用次数，减少了对人体造成的伤害，若出现穿刺针位置插错，或没有到达指定位置的情况，也能防止刺破椎弓根内侧皮质损伤脊髓或神经根的意外发生。

实施例二

图2是本发明实施例二所提供的椎弓根导航模型建立方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上进行进一步地优化。如图2所示，所述方法包括：

S210、根据CT数据确定CT数据中骨骼数据的数值范围及皮肤数据的数值范围，并根据骨骼数据的数值范围确定骨骼阈值，根据皮肤数据的数值范围确定皮肤阈值。

在本实施例中，将根据患者待导航部位的CT数据建立患者椎体模型及皮肤模型进行了具体化。首先，根据患者待导航部位的CT数据确定CT数据中骨骼数据的数值范围及皮肤数据的数值范围，并根据骨骼数据的数据范围确定骨骼阈值，使用骨骼阈值将骨骼数据从CT数据中提取出来，根据皮肤阈值将皮肤数据从CT数据中提取出来。

可选的，可以通过医学成像软件确定骨骼数据的数值范围及皮肤数据的数值范围。可选的，可以将患者的待导航部位的CT数据导入医学成像软件中，获得该软件输出的数值范围。

可选的，可以直接将骨骼数据的数值范围作为骨骼阈值，将皮肤数据的数值范围作为皮肤阈值。可选的，还可以将骨骼数据的数值范围适应性的缩小，将缩小后的数值范围作为骨骼阈值，或将皮肤数据的数值范围适应性的缩小，将缩小后的数值范围作为皮肤阈值。示例性的，若骨骼数据的数值范围为[80，100]，则骨骼阈值可以为[80，100]，骨骼阈值也可以为[75，95]。若皮肤数据的数值范围为[0，10]，则皮肤阈值可以为[0，10]，皮肤阈值也可以为[0，9]。

S220、根据骨骼阈值对CT数据进行筛选，得到CT数据中的椎体数据，根据椎体数据建立椎体模型。

S230、根据皮肤阈值对CT数据进行筛选，得到CT数据中的皮肤数据，根据皮肤数据建立皮肤模型。

在本实施例中，将CT数据中满足骨骼阈值的数据筛选出来，作为椎体数据，使用椎体数据重建出椎体模型。将CT数据中满足皮肤阈值的数据筛选出来，作为皮肤数据，使用皮肤数据重建出皮肤模型。

可选的，椎体模型是椎弓根导航模型中各导航结构的基础，需要建立出较光滑的椎体模型，以使基于椎体模型建立出的各导航结构的位置更加准确，进而使椎弓根导航模型更加精准。

可选的，所述根据所述椎体数据建立所述椎体模型，包括：

根据所述椎体数据建立初始椎体模型，并通过预设算法对所述初始椎体模型进行处理，得到光滑的椎体模型。

可选的，可以通过医学成像软件将椎体数据及皮肤数据提取出来，根据椎体数据重建椎体模型，根据皮肤数据重建皮肤模型。具体的，可以在将患者CT数据导入医学成像软件后，建立蒙版，根据骨骼数据选取骨骼阈值，根据骨骼阈值提取出椎体数据，填补所提取出的椎体数据的孔洞后，使用处理后的椎体数据进行三维重建，得到初始椎体模型，再使用预设的图像处理算法对初始椎体模型进行处理，得到光滑的椎体模型。可以在将患者CT数据导入医学成像软件后，建立蒙版，根据皮肤数据选取皮肤阈值，根据皮肤阈值提取出皮肤数据，根据提取出的皮肤数据重建得到皮肤模型。

S240、基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型。

本发明实施例的技术方案，在上述实施例的基础上，将根据CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型进行了具体化，通过根据CT数据确定骨骼数据的数值范围及皮肤数据的数值范围，并确定骨骼阈值及皮肤阈值；根据骨骼阈值得到椎体数据，根据椎体数据建立椎体模型；根据皮肤阈值得到皮肤数据，根据皮肤数据建立所述皮肤模型，使得椎体模型和皮肤模型更加精准，进而使基于椎体模型和皮肤模型建立的椎弓根导航模型更加精准。

实施例三

图3a是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法的流程图，本实施例在上述实施例的基础上进行进一步地优化。如图3a所示，所述方法包括：

S310、获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型。

S320、在所述椎体模型的两侧椎弓根位置分别建立一模拟穿刺针，所述模拟穿刺针的底部贴合至所述椎弓根表面的中心位置。

在本实施例中，基于椎体模型及皮肤模型建立各导航部位。可选的，可以在椎体模型的两侧椎弓根位置分别建立一根模拟穿刺针，且各模拟穿刺针的底部贴合至其所在的椎弓根的中心位置。图3b是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中模拟穿刺针的位置示意图。如图3b所示，椎体模型310的两侧椎弓根中心均建立了一根模拟穿刺针320。

S330、基于所述皮肤模型及各所述模拟穿刺针的位置，建立平行于所述皮肤模型的平板，所述平板与所述皮肤模型之间的距离在预设距离阈值范围内。

在本实施例中，可以根据模拟穿刺针的位置，在椎体模型上建立平行于皮肤模型的平板，作为椎弓根导航模型的基板。其中皮肤模型用于确定平板的位置和方向，模拟穿刺针的位置用于确定平板的大小。可选的，可以在皮肤模型上方建立平行于皮肤模型的预设厚度的平板，所述平板的大小只要满足平板能够与各模拟穿刺针相交即可。可选的，预设厚度可以为6mm。其中，平板与皮肤模型之间的距离在预设距离阈值范围内，将平板与皮肤模型之间设置一定的距离能够保证平板位于实际的皮肤位置上方。可选的，平板与皮肤模型之间的距离可以为10mm。

图3c是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中平板的位置示意图。图3c中仅示意出了椎体模型，未示出模拟穿刺针及皮肤模型。如图3c所示，椎体模型310的上方建立了平板330。

S340、在所述椎体模型的棘突周围建立与所述平板垂直的至少三根模拟克氏针，在所述棘突中心建立与所述平板垂直的一根模拟克氏针，各所述模拟克氏针底部贴合至所述棘突结构。

在本实施例中，可以在棘突的左右前后周围建立与平板垂直的至少三根第一预设形状的模拟克氏针，在棘突中心建立与平板垂直的第二预设形状的模拟克氏针，用于实现椎弓根导航模型的定位。可选的，棘突表面为形状不规则的多边形，在棘突左右前后周围的凹陷处建立模拟克氏针，能够使椎弓根导航模型的固定更加稳固。

可选的，可以先在棘突左右前后周围建立贴合棘突结构的第一预设形状模拟克氏针，再将建立好的模拟克氏针向上移动第一预设距离。在棘突中心位置建立贴合棘突结构的第二预设形状的模拟克氏针。其中，第一预设形状的模拟克氏针的长度大于第二预设形状的模拟克氏针的长度。可选的，第一预设形状的模拟克氏针可以为直径2mm长50mm的模拟克氏针，第一预设距离可以为15mm。第二预设形状的模拟克氏针可以为直径为2mm长30mm模拟克氏针。

图3d是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中模拟克氏针的位置示意图。如图3d所示，第一预设形状的模拟克氏针340垂直于平板330，且位于棘突结构的左右前后周围，第二预设形状的模拟克氏针350垂直于平板330，且位于棘突中心位置。

S350、分别以各所述模拟穿刺针为中心，在各所述模拟穿刺针周围建立第一圆柱体，所述各第一圆柱体的底部中心与所述平板的底部在同一水平面上。

在本实施例中，在建立模拟穿刺针后，可以以模拟穿刺针为中心建立第一圆柱体。可选的，根据模拟穿刺针的位置和方向，以模拟穿刺针为中心，在模拟穿刺针周围建立第三预设形状的第一圆柱体，第一圆柱体的底面直径大于模拟穿刺针的直径。可选的，第一圆柱体的底面直径可以为8mm，高可以为45mm。

图3e是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中第一圆柱体的位置示意图。如图3e所示，第一圆柱体360以模拟穿刺针320为中心，且第一圆柱体360的方向与位于其中心的模拟穿刺针320的方向相同，第一圆柱体360的底面中心位置与平板330的底面在同一水平面上。

S360、分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体，所述各第二圆柱体的底部在水平方向上不低于位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针的底部。

在本实施例中，在建立模拟克氏针后，可以以各模拟克氏针为中心建立各第二圆柱体。可选的，根据模拟克氏针的位置和方向，以模拟克氏针为中心，在各模拟克氏针周围建立第四预设形状的第二圆柱体，第二圆柱体的底面直径大于模拟克氏针的直径。可选的，第二圆柱体的底面直径可以为2.5mm，高可以为20mm。其中，各第二圆柱体的底部在水平方向上不低于位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针的底部，保证在第二圆柱体在靠近平板方向的一端，位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针能够延伸至第二圆柱体外。

可选的，可以以各模拟克氏针的顶部为基准，沿各模拟克氏针的方向创建各第四预设形状的第二圆柱体，再将各第二圆柱体向下移动往下移动第二预设距离。可选的，第二预设距离可以为15mm。

图3f是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中第二圆柱体的位置示意图。如图3f所示，第二圆柱体370以模拟克氏针340为中心，且第二圆柱体370的方向与位于其中心的模拟克氏针340的方向相同，第二圆柱体370的底部在水平方向上不低于位于该第二圆柱体370中心的模拟克氏针340的底部。

S370、通过预设算法对各导航结构进行运算，得到包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型。

可选的，可以通过布尔算法对各导航结构进行运算，得到一个整体，该整体为仅包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型。

图3g是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中初始椎弓根导航模型的结构示意图。如图3g所示，初始椎弓根导航模型中仅包括平板330、第一圆柱体360和第二圆柱体370，且第一圆柱体360和第二圆柱体370均为实心结构。

S380、从所述初始椎弓根导航模型的各第一圆柱体中去除位于所述第一圆柱体中心的模拟穿刺针，从所述初始椎弓根导航模型的各第二圆柱体中去除位于所述第二圆柱体中心的模拟克氏针，得到所述椎弓根导航模型。

在本实施例中，得到初始椎弓根导航模型后，需要将初始椎弓根导航模型中第一圆柱体及第二圆柱体调整为空心结构，以使得到的椎弓根导航模型能够使得克氏针及穿刺针插入。

可选的，针对每一个第一圆柱体，可以使用布尔运算从该第一圆柱体中减去位于该第一圆柱体中心的模拟穿刺针，得到穿刺针导航管，以使第一圆柱体可以允许模拟穿刺针插入。针对每二个第一圆柱体，可以使用布尔运算从该第二圆柱体中减去位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针，得到克氏针导航管，以使第二圆柱体可以允许模拟克氏针插入。可选的，在得到椎弓根导航模型后，还可以在椎弓根导航模型上标上对应的数字编号及标识，方便使用。

本发明实施例的技术方案，在上述实施例的基础上，将基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型进行了具体化，通过基于椎体模型及皮肤模型依次建立模拟穿刺针、平板、模拟克氏针、第一圆柱体及第二圆柱体，并通过预设的算法对各导航结构进行运算，得到椎弓根导航模型，原理可靠，并且使得椎弓根导航模型的定位更加精确。

在上述方案的基础上，在所述在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体之后，还包括：

分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第三圆柱体，所述第三圆柱体的底部直径小于所述模拟克氏针的直径。

在本实施例中，为了使根据椎弓根导航模型打印出的椎弓根导航板更加容易清洗，可以在克氏针导航管顶端设置通风孔。可选的，可以以各模拟克氏针为中心，在各模拟克氏针周围建立底部直径小于模拟克氏针的直径第三圆柱体。

可选的，可以以各模拟克氏针的顶部为基准，沿各模拟克氏针的方向创建各第五预设形状的第三圆柱体，再将各第三圆柱体向下移动往下移动第三预设距离。可选的，第三预设距离可以为15mm。可选的，第五预设形状的第三圆柱体可以为底面直径为1.6mm，高40mm的圆柱体。

图3h是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中第三圆柱体的位置示意图。如图3h所示，第三圆柱体380以模拟克氏针340为中心，且第三圆柱体380的方向与位于其中心的模拟克氏针340的方向相同，第三圆柱体380的底面直径小于模拟克氏针340的直径，且第三圆柱体370的顶部在水平方向上不低于位于与其同中心的第二圆柱体370的顶部。

相应的，所述基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型，包括：

通过预设算法对各结构进行运算，得到包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型；

从所述初始椎弓根导航模型的各第一圆柱体中去除位于所述第一圆柱体中心的模拟穿刺针，从所述初始椎弓根导航模型的各第二圆柱体中去除位于所述第二圆柱体中心的模拟克氏针及第三圆柱体，得到所述椎弓根导航模型。

在本实施例中，为了在克氏针导航管顶部建立通风孔，在得到初始椎弓根导航模型后，针对每二个第一圆柱体，可以使用布尔运算从该第二圆柱体中减去位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针及位于该第二圆柱体中心的第三圆柱体，得到具有通风孔的克氏针导航管。可选的，在得到椎弓根导航模型后，还可以在椎弓根导航模型上标上对应的数字编号及标识，方便使用。

图3i是本发明实施例三所提供的椎弓根导航模型建立方法中椎弓根导航模型的结构示意图。如图3i所示，椎弓根导航模型中包括平板330、穿刺针导航管390和具有通风孔的克氏针导航管391。

可选的，可以通过医学仿真软件根据椎体模型及皮肤模型建立椎弓根导航模型。

具体的，可以将椎体模型及皮肤模型导入医学仿真软件后，使用该软件在椎体模型上新建两根圆柱模拟穿刺针，模拟穿刺针插入病患椎体最优位置，得到穿刺针模型，如图3b所示。然后基于皮肤模型，在皮肤表面创建一块6mm厚且平行于皮肤表面的平板，往上移动10mm，得到平板模型，如图3c所示。然后创建5根直径2mm长50mm垂直于平板的模拟克氏针，将各模拟克氏针分别移动到棘突左右前后侧，贴合棘突骨性结构后，将模拟克氏针往上移动15mm，在棘突中间创建一根直径为2mm长30mm的模拟克氏针，得到克氏针模型，如图3d所示。然后根据模拟穿刺针的方向和位置，以模拟穿刺针为中心，新建两根直径8mm长45mm的圆柱体，得到第一圆柱体模型，如图3e所示。然后以模拟克氏针的顶部为基准，创建6根直径2.5mm长20mm的圆柱体，再往下移动15mm，得到第二圆柱体模型，如图3f所示。与第二圆柱体相同的方法，新建6根直径为1.6mm长40mm的圆柱体，如图3h所示。然后，使用布尔运算将平板模型、第一圆柱体模型、第二圆柱体模型求和成为一个整体A，得到初始椎弓根导航模型，如图3g所示，再通过布尔运算使用A减去穿刺针模型，然后再减去克氏针模型，再减去第三圆柱体模型，标上对应的数字编号，得到椎弓根导航模型，如图3i所示。

可选的，得到椎弓根导航模型后，可以将椎弓根导航模型文件导出，即从医学仿真软件中导出STL文件格式的椎弓根导航模型，然后采用医用级树脂材料，通过3D打印机切片打印，打印出椎弓根导航板，插入设定好的长度位置的医用级克氏针后，即可使用。通过克氏针将椎弓根导航板插入皮肤组织，能够实现椎弓根导航板的自适应自稳定。

实施例四

图4是本发明实施例四所提供的椎弓根导航模型建立装置的结构示意图。该椎弓根导航模型建立装置可以采用软件和/或硬件的方式实现。如图4所示，所述装置包括基础模型建立模块410和导航模型建立模块420，其中：

基础模型建立模块410，用于获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；

导航模型建立模块420，用于基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型。

本发明实施例通过基础模型建立模块获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；导航模型建立模块基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型，使用该椎弓根导航模型实现了椎弓根的穿刺定位，减少了在椎弓根穿刺过程中C型臂X光机的使用次数，减少了对人体造成的伤害，并防止了术中刺破椎弓根内侧皮质损伤脊髓或神经根的意外发生。

在上述方案的基础上，所述基础模型建立模块410包括：

阈值确定单元，用于根据所述CT数据确定所述CT数据中骨骼数据的数值范围及皮肤数据的数值范围，并根据所述骨骼数据的数值范围确定骨骼阈值，根据所述皮肤数据的数值范围确定皮肤阈值；

椎体模型建立单元，用于根据所述骨骼阈值对所述CT数据进行筛选，得到所述CT数据中的椎体数据，根据所述椎体数据建立所述椎体模型；

皮肤模型建立单元，用于根据所述皮肤阈值对所述CT数据进行筛选，得到所述CT数据中的皮肤数据，根据所述皮肤数据建立所述皮肤模型。

在上述方案的基础上，所述根据所述椎体模型建立单元具体用于：

根据所述椎体数据建立初始椎体模型，并通过预设算法对所述初始椎体模型进行处理，得到光滑的椎体模型。

在上述方案的基础上，所述导航模型建立模块420具体用于：

在所述椎体模型的两侧椎弓根位置分别建立一根模拟穿刺针，所述模拟穿刺针的底部贴合至所述椎弓根表面的中心位置；

基于所述皮肤模型及各所述模拟穿刺针的位置，建立平行于所述皮肤模型的平板，所述平板与所述皮肤模型之间的距离在预设距离阈值范围内；

在所述椎体模型的棘突周围建立与所述平板垂直的至少三根模拟克氏针，在所述棘突中心建立与所述平板垂直的一根模拟克氏针，各所述模拟克氏针底部贴合至所述棘突结构；

分别以各所述模拟穿刺针为中心，在各所述模拟穿刺针周围建立第一圆柱体，所述各第一圆柱体的底部中心与所述平板的底部在同一水平面上；

分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体，所述各第二圆柱体的底部在水平方向上不低于位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针的底部。

在上述方案的基础上，所述导航模型建立模块420具体用于：

通过预设算法对各所述导航结构进行运算，得到包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型；

从所述初始椎弓根导航模型的各第一圆柱体中去除位于所述第一圆柱体中心的模拟穿刺针，从所述初始椎弓根导航模型的各第二圆柱体中去除位于所述第二圆柱体中心的模拟克氏针，得到所述椎弓根导航模型。

在上述方案的基础上，所述导航模型建立模块420具体用于：

在所述在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体之后，分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第三圆柱体，所述第三圆柱体的底部直径小于所述模拟克氏针的直径。

在上述方案的基础上，所述导航模型建立模块420具体用于：

通过预设算法对各结构进行运算，得到包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型；

从所述初始椎弓根导航模型的各第一圆柱体中去除位于所述第一圆柱体中心的模拟穿刺针，从所述初始椎弓根导航模型的各第二圆柱体中去除位于所述第二圆柱体中心的模拟克氏针及第三圆柱体，得到所述椎弓根导航模型。

本发明实施例所提供的椎弓根导航模型建立装置可执行任意实施例所提供的椎弓根导航模型建立方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种椎弓根导航模型建立方法，其特征在于，包括：

获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；

基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型；

所述基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，包括：

在所述椎体模型的两侧椎弓根位置分别建立一根模拟穿刺针，所述模拟穿刺针的底部贴合至所述椎弓根表面的中心位置；

基于所述皮肤模型及各所述模拟穿刺针的位置，建立平行于所述皮肤模型的平板，所述平板与所述皮肤模型之间的距离在预设距离阈值范围内；

在所述椎体模型的棘突周围建立与所述平板垂直的至少三根模拟克氏针，在所述棘突中心建立与所述平板垂直的一根模拟克氏针，各所述模拟克氏针底部贴合至所述棘突结构；

分别以各所述模拟穿刺针为中心，在各所述模拟穿刺针周围建立第一圆柱体，所述各第一圆柱体的底部中心与所述平板的底部在同一水平面上；

分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体，所述各第二圆柱体的底部在水平方向上不低于位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针的底部；

在所述在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体之后，还包括：

分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第三圆柱体，所述第三圆柱体的底部直径小于所述模拟克氏针的直径，所述第三圆柱体的顶部在水平方向不低于位于与其同中心的所述第二圆柱体的顶部；

所述基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型，包括：

通过预设算法对各结构进行运算，得到包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型；

从所述初始椎弓根导航模型的各第一圆柱体中去除位于所述第一圆柱体中心的模拟穿刺针，从所述初始椎弓根导航模型的各第二圆柱体中去除位于所述第二圆柱体中心的模拟克氏针及第三圆柱体，得到所述椎弓根导航模型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述CT数据建立待定位部位的椎体模型及皮肤模型，包括：

根据所述CT数据确定所述CT数据中骨骼数据的数值范围及皮肤数据的数值范围，并根据所述骨骼数据的数值范围确定骨骼阈值，根据所述皮肤数据的数值范围确定皮肤阈值；

根据所述骨骼阈值对所述CT数据进行筛选，得到所述CT数据中的椎体数据，根据所述椎体数据建立所述椎体模型；

根据所述皮肤阈值对所述CT数据进行筛选，得到所述CT数据中的皮肤数据，根据所述皮肤数据建立所述皮肤模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述椎体数据建立所述椎体模型，包括：

根据所述椎体数据建立初始椎体模型，并通过预设算法对所述初始椎体模型进行处理，得到光滑的椎体模型。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型，包括：

通过预设算法对各所述导航结构进行运算，得到包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型；

从所述初始椎弓根导航模型的各第一圆柱体中去除位于所述第一圆柱体中心的模拟穿刺针，从所述初始椎弓根导航模型的各第二圆柱体中去除位于所述第二圆柱体中心的模拟克氏针，得到所述椎弓根导航模型。

5.一种椎弓根导航模型建立装置，其特征在于，包括：

基础模型建立模块，用于获取待导航部位的CT数据，并根据所述CT数据建立待导航部位的椎体模型及皮肤模型；

导航模型建立模块，用于基于所述椎体模型及所述皮肤模型建立各导航结构，并基于各所述导航结构建立所述椎弓根导航模型；

所述导航模型建立模块具体用于：

在所述椎体模型的两侧椎弓根位置分别建立一根模拟穿刺针，所述模拟穿刺针的底部贴合至所述椎弓根表面的中心位置；

基于所述皮肤模型及各所述模拟穿刺针的位置，建立平行于所述皮肤模型的平板，所述平板与所述皮肤模型之间的距离在预设距离阈值范围内；

在所述椎体模型的棘突周围建立与所述平板垂直的至少三根模拟克氏针，在所述棘突中心建立与所述平板垂直的一根模拟克氏针，各所述模拟克氏针底部贴合至所述棘突结构；

分别以各所述模拟穿刺针为中心，在各所述模拟穿刺针周围建立第一圆柱体，所述各第一圆柱体的底部中心与所述平板的底部在同一水平面上；

分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体，所述各第二圆柱体的底部在水平方向上不低于位于该第二圆柱体中心的模拟克氏针的底部；

在所述在各所述模拟克氏针周围建立第二圆柱体之后，分别以各所述模拟克氏针为中心，在各所述模拟克氏针周围建立第三圆柱体，所述第三圆柱体的底部直径小于所述模拟克氏针的直径，所述第三圆柱体的顶部在水平方向不低于位于与其同中心的所述第二圆柱体的顶部；

通过预设算法对各结构进行运算，得到包含有平板、第一圆柱体及第二圆柱体的初始椎弓根导航模型；

从所述初始椎弓根导航模型的各第一圆柱体中去除位于所述第一圆柱体中心的模拟穿刺针，从所述初始椎弓根导航模型的各第二圆柱体中去除位于所述第二圆柱体中心的模拟克氏针及第三圆柱体，得到所述椎弓根导航模型。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述基础模型建立模块具体用于：

根据所述CT数据确定所述CT数据中骨骼数据的数值范围及皮肤数据的数值范围，并根据所述骨骼数据的数值范围确定骨骼阈值，根据所述皮肤数据的数值范围确定皮肤阈值；

根据所述骨骼阈值对所述CT数据进行筛选，得到所述CT数据中的椎体数据，根据所述椎体数据建立所述椎体模型；

根据所述皮肤阈值对所述CT数据进行筛选，得到所述CT数据中的皮肤数据，根据所述皮肤数据建立所述皮肤模型。

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