CN109984843B - 骨折闭合复位导航系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种骨折闭合复位导航系统及方法，该系统包括磁定位仪模块和计算机软件模块；所述磁定位仪模块包括磁定位仪传感器、跟踪源、探针；所述计算机软件模块包括：三维重建模块、坐标统一模块和骨折复位导航模块。本发明通过磁定位仪实时获取空间位置，减少了医生和患者接受X光照射次数，降低了医患损伤；本发明通过磁定位仪实时采集断骨的空间数据并实时移动计算机软件模块中渲染出的三维骨折模型，可以实时监控断骨位置，复位导航显示更直观；本发明能充分结合医学图像信息、空间定位技术及三维可视化技术，能提高复位精度与效率。
Description
技术领域
本发明涉及医疗辅助技术领域，特别涉及一种骨折闭合复位导航系统及方法。
背景技术
骨折是指骨结构的连续性完全或部分断裂，是生活中常见创伤。骨折患者的正常解剖模型被破坏，影响了肢体功能，给生活带来极大的不便。治疗骨折通常通过骨折复位方法，医生一般以下方式进行复位：(I)仅根据解剖经验进行徒手复位；(II)在X射线透视下徒手完成骨折复位；(III)使用外科手术的方式对骨折部位进行内固定。仅根据解剖结构进行徒手复位，对医生提出了巨大挑战，极易造成复位失败等其他医源性损伤。仅根据X线透视图仅提供二维透视信息，存在三维纵向信息丢失、图像畸变等问题，无法全面反应骨折的三维空间信息及各个骨折断面的相互位置关系，也无法在复位过程中精确评估复位路径上的血管、神经和肌肉等组织的影像。同时X线的连续使用会给医生和患者带来显著的辐射损伤。通过外科手术内固定的方式，会对骨折断端血液循环造成副损伤，易术后感染,手术后的骨折愈合速度一般比外固定自然生长的骨折要慢，术后不愈合率也较高。
因此为实现减少射线透视次数，提高骨折复位精度及效率，减少医患损伤，本发明提出了一种计算机辅助导航方法，通过磁定位仪实时采集断骨的空间数据并实时移动计算机中渲染出的三维骨折模型，可以实时监控断骨位置，辅助医生进行骨折闭合复位，提高复位精度与效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种骨折闭合复位导航系统及方法。本发明能减少射线透视次数，提高骨折复位精度及效率，减少医患损伤；通过磁定位仪实时采集断骨的空间数据并实时移动计算机软件模块中渲染出的三维骨折模型，可以实时监控断骨位置，辅助医生进行骨折闭合复位，提高复位精度与效率。
本发明采用的技术方案是：一种骨折闭合复位导航系统，包括磁定位仪模块和计算机软件模块；
所述磁定位仪模块用于获取断骨空间定位数据，其包括磁定位仪传感器、跟踪源、探针，其中磁定位仪传感器与断骨上的钢钉固接；
所述计算机软件模块包括：
三维重建模块：其用于基于断骨CT图像重建骨骼的三维模型；生成骨折断端主轴线，判断远近心端；基于ICP配准，获取骨折复位所需的空间变换矩阵；
坐标统一模块：其用于实现磁定位仪传感器、跟踪源及图像坐标系坐标统一，及进行定位特征点选取与标定；
骨折复位导航模块：其用于计算骨折复位过程中虚拟骨实时空间变换矩阵，且实时渲染模拟实际骨旋转、位移，并对复位效果进行评估。
优选的是，该骨折闭合复位导航系统的导航方法包括以下步骤：
1)基于CT图像骨骼三维建模与虚拟复位：对病人进行初始骨折复位，并获取断骨处的CT图像；再根据断骨CT图像重建骨骼的三维模型，然后基于该三维模型生成骨折断端主轴线，并判断远近心端；最后基于ICP配准，获取骨折复位所需的空间变换数据；
2)基于磁定位仪的断骨位姿标定：实现磁定位仪传感器与跟踪源坐标系统一；进行定位特征点选取与标定；实现跟踪源与图像坐标系统一；
3)进行骨折复位导航：进行骨折复位手术，获取骨折复位过程中虚拟骨骼三维模型模拟实际骨复位所需的空间变换矩阵，并通过所述骨折复位导航模块实现虚拟骨骼三维模型实时模拟并显示实际断骨的旋转、移动；最后对骨折复位结果进行评估。
优选的是，所述步骤1)具体包括：
1-1)CT数据获取：医生首先对骨折病人进行初始骨折复位，并通过外固定架固定各断骨及断骨间相对位置，对病人进行CT扫描获取断骨处的CT数据；
1-2)断骨三维模型构建：将骨折病人CT图像导入所述三维重建模块，进行图像分割和边缘提取与处理，将软组织、骨骼、钢钉进行分离，得到所需的组织区域；再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层；最后分别计算断骨、健侧骨及钢钉的三维模型，实现断骨的三维模型构建；
1-3)拟合断骨长短主轴：生成断骨的三维模型后，通过所述三维重建模块生成三维模型的多义线，并基于三维模型的多义线拟合出各断骨三维模型的主轴轴线；根据主轴线判断两骨折断端的可移动度，设定近心端断骨为可移动度小的断骨；在后续操作中以近心端为参照移动远心端断骨实现骨折的最终复位；
1-4)获取配准矩阵：对健侧骨的三维模型进行镜像操作生成镜像骨，将近心端断骨与镜像骨进行ICP配准得到变换矩阵T1，将远心端断骨先进行T1空间变换，再与镜像骨进行ICP配准得到空间变换T2；T2是以近心端断骨为参照，远心端断骨需要进行的空间变换。
优选的是，所述步骤2)具体包括：
2-1)设磁定位仪传感器坐标系表示为S，跟踪源坐标系表示为C，图像坐标系表示为W，保持断骨静止；
2-2)磁定位仪传感器与跟踪源坐标系统一：将磁定位仪传感器固定于断骨远心端任意钢钉末端，保持磁定位仪传感器及断骨静止，记录磁定位仪传感器初始读数S0，根据S0计算出磁定位仪传感器坐标系S到跟踪源坐标系C的初始变换矩阵
2-3)定位特征点选取与标定：在断骨远心端表面任选n组定位特征点，其中，n≥3；通过磁定位仪探针获取定位特征点空间位置数据并保存为[3*n]维矩阵Pc 0；通过公式
推导出特征点在坐标系S中空间位置数据矩阵Ps 0；
2-4)跟踪源与图像坐标系统一：在虚拟骨骼三维模型上手动选取与Pc 0位置对应的n组定位特征点
由SVD算法求解出跟踪源坐标系和图像坐标系的转换矩阵Twc。
优选的是，所述步骤3)具体包括：
3-1)外固定架拆除：拆除外固定架，进行骨折复位手术；
3-2)获取实时变换矩阵：复位过程中断骨实时移动，Tcs也随之改变；假定t时刻磁定位仪传感器坐标系S到跟踪源坐标系C的变换矩阵为
定位特征点点集在磁定位仪传感器坐标系S中的数据矩阵为Ps t，由于磁定位仪传感器刚性连接于钢钉末端，因此Ps t＝Ps 0；由公式
推得t时刻定位特征点点集在图像坐标系下坐标
最后由公式
推得定位特征点点集在图像坐标系下空间变换
其中，
为虚拟骨折模型模拟实际骨复位所需的空间变换；
3-3)虚拟骨骼模型实时模拟：将虚拟骨骼模型旋转、位移中心设定为附着磁定位仪传感器的对应钢钉模型末端，对虚拟断骨进行
变换，实现虚拟骨骼模型实时模拟并显示实际断骨的旋转、移动；同时将镜像骨进行
空间变换，作为虚拟骨骼复位基准骨；
3-4)骨折复位结果评估：骨折复位过程中，在远心端断骨模型上任选不共线m点作为复位评估点,其中，m≥3，记为P1，P2，P3…Pm；对评估点进行T2空间变换，得到目标骨即镜像骨上对应点P1′，P2′，P3′…Pm′；当选心端断骨跟随实际骨移动时，评估点实时更新为P1″，P2″，P3″…Pm″；假定di为第i对评估点Pi′及Pi″的欧式空间距离，通过值
评估骨折复位结果，D值越小，骨折复位结果越好，当D为0时，骨折复位结果最佳。
本发明的有益效果是：
本发明通过磁定位仪实时获取空间位置，减少了医生和患者接受X光照射次数，降低了医患损伤，能加快患者痊愈速度，提高骨折复位的复位精度及复位效率；
本发明通过磁定位仪实时采集断骨的空间数据并实时移动计算机软件模块中渲染出的三维骨折模型，可以实时监控断骨位置，辅助医生进行骨折闭合复位，提高复位精度与效率；
本发明的骨折闭合复位导航系统及方法能充分结合医学图像信息、空间定位技术及三维可视化技术，使手术的引导更直观，提高了骨折复位手术的便捷性，具有很好的应用价值。
附图说明
图1为本发明的一种实施例中的骨折闭合复位导航系统的导航方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本实施例的一种骨折闭合复位导航系统，包括磁定位仪模块和计算机软件模块；
所述磁定位仪模块用于获取断骨空间定位数据，其包括磁定位仪传感器、跟踪源、探针，其中磁定位仪传感器与断骨上的钢钉固接(本实施例中通过夹具固接)；
所述计算机软件模块包括：
三维重建模块：其用于基于断骨CT图像重建骨骼的三维模型；生成骨折断端主轴线，判断远近心端；基于ICP配准，获取骨折复位所需的空间变换矩阵；
坐标统一模块：其用于实现磁定位仪传感器、跟踪源及图像坐标系坐标统一，及进行定位特征点选取与标定；
骨折复位导航模块：其用于计算骨折复位过程中虚拟骨实时空间变换矩阵，且实时渲染模拟实际骨旋转、位移，并对复位效果进行评估。
参照图1，本发明的骨折闭合复位导航系统的导航方法包括以下步骤：
1、基于CT图像骨骼三维建模与虚拟复位：对病人进行初始骨折复位，并获取断骨处的CT图像；再根据断骨CT图像重建骨骼的三维模型，然后基于该三维模型生成骨折断端主轴线，并判断远近心端；最后基于ICP配准，获取骨折复位所需的空间变换数据。
具体为：
1-1、CT数据获取：医生首先对骨折病人进行初始骨折复位，并通过外固定架固定各断骨及断骨间相对位置，对病人进行CT扫描获取断骨处的CT数据；
1-2、断骨三维模型构建：将骨折病人CT图像导入所述三维重建模块，进行图像分割和边缘提取与处理，将软组织、骨骼、钢钉进行分离，得到所需的组织区域；再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层；最后分别计算断骨、健侧骨及钢钉的三维模型，实现断骨的三维模型构建；
1-3、拟合断骨长短主轴：生成断骨的三维模型后，通过所述三维重建模块生成三维模型的多义线，并基于三维模型的多义线拟合出各断骨三维模型的主轴轴线；根据主轴线判断两骨折断端的可移动度，设定近心端断骨为可移动度小的断骨；在后续操作中以近心端为参照移动远心端断骨实现骨折的最终复位；
1-4、获取配准矩阵：对健侧骨的三维模型进行镜像操作生成镜像骨，将近心端断骨与镜像骨进行ICP配准得到变换矩阵T1，将远心端断骨先进行T1空间变换，再与镜像骨进行ICP配准得到空间变换T2；T2是以近心端断骨为参照，远心端断骨需要进行的空间变换。
2、基于磁定位仪的断骨位姿标定：实现磁定位仪传感器与跟踪源坐标系统一；进行定位特征点选取与标定；实现跟踪源与图像坐标系统一。
具体为：
2-1、设磁定位仪传感器坐标系表示为S，跟踪源坐标系表示为C，图像坐标系表示为W，保持断骨静止；
2-2、磁定位仪传感器与跟踪源坐标系统一：将磁定位仪传感器固定于断骨远心端任意钢钉末端，保持磁定位仪传感器及断骨静止，记录磁定位仪传感器初始读数S0，根据S0计算出磁定位仪传感器坐标系S到跟踪源坐标系C的初始变换矩阵
2-3、定位特征点选取与标定：在断骨远心端表面任选n组定位特征点，其中，n≥3；通过磁定位仪探针获取定位特征点空间位置数据并保存为[3*n]维矩阵Pc 0；通过公式
推导出特征点在坐标系S中空间位置数据矩阵Ps 0；
2-4、跟踪源与图像坐标系统一：在虚拟骨骼三维模型上手动选取与Pc 0位置对应的n组定位特征点
由SVD算法求解出跟踪源坐标系和图像坐标系的转换矩阵Twc。
3、进行骨折复位导航：进行骨折复位手术，获取骨折复位过程中虚拟骨骼三维模型模拟实际骨复位所需的空间变换矩阵，并通过所述骨折复位导航模块实现虚拟骨骼三维模型实时模拟并显示实际断骨的旋转、移动；最后对骨折复位结果进行评估。
具体为：
3-1、外固定架拆除：拆除外固定架，进行骨折复位手术；
3-2)获取实时变换矩阵：复位过程中断骨实时移动，Tcs也随之改变；假定t时刻磁定位仪传感器坐标系S到跟踪源坐标系C的变换矩阵为
定位特征点点集在磁定位仪传感器坐标系S中的数据矩阵为Ps t，由于磁定位仪传感器刚性连接于钢钉末端，因此Ps t＝Ps 0；由公式
推得t时刻定位特征点点集在图像坐标系下坐标
最后由公式
推得定位特征点点集在图像坐标系下空间变换
其中，
为虚拟骨折模型模拟实际骨复位所需的空间变换；
3-3、虚拟骨骼模型实时模拟：将虚拟骨骼模型旋转、位移中心设定为附着磁定位仪传感器的对应钢钉模型末端，对虚拟断骨进行
变换，实现虚拟骨骼模型实时模拟并显示实际断骨的旋转、移动；同时将镜像骨进行
空间变换，作为虚拟骨骼复位基准骨；
3-4)骨折复位结果评估：骨折复位过程中，在远心端断骨模型上任选不共线m点作为复位评估点,其中，m≥3，记为P1，P2，P3…Pm；对评估点进行T2空间变换，得到目标骨即镜像骨上对应点P1′，P2′，P3′…Pm′；当选心端断骨跟随实际骨移动时，评估点实时更新为P1″，P2″，P3″…Pm″；假定di为第i对评估点Pi′及Pi″的欧式空间距离，通过值
评估骨折复位结果，D值越小，骨折复位结果越好，当D为0时，骨折复位结果最佳。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。
Claims (3)
1.一种骨折闭合复位导航系统，其特征在于，包括磁定位仪模块和计算机软件模块；
所述磁定位仪模块用于获取断骨空间定位数据，其包括磁定位仪传感器、跟踪源、探针，其中磁定位仪传感器与断骨上的钢钉固接；
所述计算机软件模块包括：
三维重建模块：其用于基于断骨CT图像重建骨骼的三维模型；生成骨折断端主轴线，判断远近心端；基于ICP配准，获取骨折复位所需的空间变换矩阵；
坐标统一模块：其用于实现磁定位仪传感器、跟踪源及图像坐标系坐标统一，及进行定位特征点选取与标定；
骨折复位导航模块：其用于计算骨折复位过程中虚拟骨实时空间变换矩阵，且实时渲染模拟实际骨旋转、位移，并对复位效果进行评估；
该系统的导航方法包括以下步骤：
1)基于CT图像骨骼三维建模与虚拟复位：对病人进行初始骨折复位，并获取断骨处的CT图像；再根据断骨CT图像重建骨骼的三维模型，然后基于该三维模型生成骨折断端主轴线，并判断远近心端；最后基于ICP配准，获取骨折复位所需的空间变换数据；
2)基于磁定位仪的断骨位姿标定：实现磁定位仪传感器与跟踪源坐标系统一；进行定位特征点选取与标定；实现跟踪源与图像坐标系统一；
3)进行骨折复位导航：进行骨折复位手术，获取骨折复位过程中虚拟骨骼三维模型模拟实际骨复位所需的空间变换矩阵，并通过所述骨折复位导航模块实现虚拟骨骼三维模型实时模拟并显示实际断骨的旋转、移动；最后对骨折复位结果进行评估；
所述步骤1)具体包括：
1-1)CT数据获取：医生首先对骨折病人进行初始骨折复位，并通过外固定架固定各断骨及断骨间相对位置，对病人进行CT扫描获取断骨处的CT数据；
1-2)断骨三维模型构建：将骨折病人CT图像导入所述三维重建模块，进行图像分割和边缘提取与处理，将软组织、骨骼、钢钉进行分离，得到所需的组织区域；再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层；最后分别计算断骨、健侧骨及钢钉的三维模型，实现断骨的三维模型构建；
1-3)拟合断骨长短主轴：生成断骨的三维模型后，通过所述三维重建模块生成三维模型的多义线，并基于三维模型的多义线拟合出各断骨三维模型的主轴轴线；根据主轴线判断两骨折断端的可移动度，设定近心端断骨为可移动度小的断骨；在后续操作中以近心端为参照移动远心端断骨实现骨折的最终复位；
1-4)获取配准矩阵：对健侧骨的三维模型进行镜像操作生成镜像骨，将近心端断骨与镜像骨进行ICP配准得到变换矩阵T1，将远心端断骨先进行T1空间变换，再与镜像骨进行ICP配准得到空间变换T2；T2是以近心端断骨为参照，远心端断骨需要进行的空间变换。
2.根据权利要求1所述的骨折闭合复位导航系统，其特征在于，所述步骤2)具体包括：
2-1)设磁定位仪传感器坐标系表示为S，跟踪源坐标系表示为C，图像坐标系表示为W，保持断骨静止；
2-2)磁定位仪传感器与跟踪源坐标系统一：将磁定位仪传感器固定于断骨远心端任意钢钉末端，保持磁定位仪传感器及断骨静止，记录磁定位仪传感器初始读数S0，根据S0计算出磁定位仪传感器坐标系S到跟踪源坐标系C的初始变换矩阵
2-3)定位特征点选取与标定：在断骨远心端表面任选n组定位特征点，其中，n≥3；通过磁定位仪探针获取定位特征点空间位置数据并保存为[3*n]维矩阵Pc 0；通过公式
推导出特征点在坐标系S中空间位置数据矩阵Ps 0；
2-4)跟踪源与图像坐标系统一：在虚拟骨骼三维模型上手动选取与Pc 0位置对应的n组定位特征点
由SVD算法求解出跟踪源坐标系和图像坐标系的转换矩阵Twc。
3.根据权利要求2所述的骨折闭合复位导航系统，其特征在于，所述步骤3)具体包括：
3-1)外固定架拆除：拆除外固定架，进行骨折复位手术；
3-2)获取实时变换矩阵：复位过程中断骨实时移动，Tcs也随之改变；假定t时刻磁定位仪传感器坐标系S到跟踪源坐标系C的变换矩阵为
定位特征点点集在磁定位仪传感器坐标系S中的数据矩阵为
由于磁定位仪传感器刚性连接于钢钉末端，因此
由公式
推得t时刻定位特征点点集在图像坐标系下坐标
最后由公式
推得定位特征点点集在图像坐标系下空间变换
其中，
为虚拟骨折模型模拟实际骨复位所需的空间变换；
3-3)虚拟骨骼模型实时模拟：将虚拟骨骼模型旋转、位移中心设定为附着磁定位仪传感器的对应钢钉模型末端，对虚拟断骨进行
变换，实现虚拟骨骼模型实时模拟并显示实际断骨的旋转、移动；同时将镜像骨进行T1 -1空间变换，作为虚拟骨骼复位基准骨；
3-4)骨折复位结果评估：骨折复位过程中，在远心端断骨模型上任选不共线m点作为复位评估点,其中，m≥3，记为P1，P2，P3…Pm；对评估点进行T2空间变换，得到目标骨即镜像骨上对应点P′1，P′2，P′3…P′m；当选心端断骨跟随实际骨移动时，评估点实时更新为P″1，P″2，P″3…P″m；假定di为第i对评估点Pi′及Pi″的欧式空间距离，通过值
评估骨折复位结果，D值越小，骨折复位结果越好，当D为0时，骨折复位结果最佳。
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