CN112370154A - 一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法及复位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法及复位系统，所述方法包括：获取患侧肢体和健侧肢体的医学图像，并分别进行三维重建，得到患侧肢体模型和健侧肢体模型；对健侧肢体模型进行镜像处理，得到健侧肢体镜像模型；以患侧肢体模型近端为参考，将健侧肢体镜像模型与患侧肢体模型进行配准；将配准后的健侧肢体镜像模型远端作为患侧肢体模型远端骨折块的目标位置，进行复位轨迹规划。通过对健侧肢体进行镜像，来寻求骨折远端复位所需路径，从而完成精准复位，减少后遗症的发生。本发明通过对健侧肢体进行镜像，来寻求骨折远端复位所需路径，从而完成精准复位，减少后遗症的发生。

Description

一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法及复位系统

技术领域

本发明属于计算机辅助医疗技术领域，尤其涉及一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法及复位系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

骨折复位一直是骨折治疗过程中的棘手问题，尤其是在闭合条件下，几乎无法达到理想的复位位置。粉碎性骨折创伤暴力大，骨折块数较多，手法复位效果欠佳，复位后稳定性较差，是骨科一个比较棘手的问题，术后容易遗留各种后遗症，如骨不连，旋转短缩畸形等。究其原因，主要为初期处理时难以准确判断待处理的骨骼原本长度，以及骨折后远端骨块的旋转角度，即，无法得知远端骨块的最终位置，导致只能根据医者经验复位，复位时容易破坏过多的骨折端血运。如图1所示，骨骼断裂处碎块很多，且骨骼的远端与近端已不再对齐，无法知晓骨骼的原本长度，因此判断远端需复原的准确位置和旋转角度。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法及复位系统，通过对健侧肢体进行镜像，来寻求骨折远端复位所需路径，从而完成精准复位，减少后遗症的发生。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法，包括以下步骤：

获取患侧肢体和健侧肢体的医学图像，并分别进行三维重建，得到患侧肢体模型和健侧肢体模型；

对健侧肢体模型进行镜像处理，得到健侧肢体镜像模型；

以患侧肢体模型近端为参考，将健侧肢体镜像模型与患侧肢体模型近端进行配准；

将配准后的健侧肢体镜像模型远端作为患侧肢体模型远端骨折块的目标位置，进行复位轨迹规划。

一个或多个实施例提供了一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划系统，包括：

三维重建模块，被配置为获取患侧肢体和健侧肢体的医学图像，并分别进行三维重建，得到患侧肢体模型和健侧肢体模型；

镜像处理模块，被配置为对健侧肢体模型进行镜像处理，得到健侧肢体镜像模型；

模型配准模块，被配置为以患侧肢体模型近端为参考，将健侧肢体镜像模型与患侧肢体模型近端进行配准；

轨迹规划模块，被配置为将配准后的健侧肢体镜像模型远端作为患侧肢体模型远端骨折块的目标位置，进行复位轨迹规划。

一个或多个实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述的骨折远端复位轨迹规划方法。

一个或多个实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述的骨折远端复位轨迹规划方法。

一个或多个实施例提供了一种骨折远端复位系统，包括：手术台、机械臂、触力反馈遥操作设备、处理器和显示设备；所述机械臂设于手术台边缘；机械臂末端设有断骨夹持装置，用于夹持螺纹针；所述机械臂、触力反馈遥操作设备和显示设备均与处理器连接；

进行复位操作前，所述微处理器接收患者CT图像，基于权利要求1中所述的复位轨迹规划方法或者四步复位法得到复位轨迹，并根据复位轨迹在远端骨折块的目标位置生成虚化模型，将当前断骨的近端和远端状态、以及虚化模型均发送至显示设备。

一个或多个实施例提供了一种应用于所述骨折远端复位系统的控制方法，包括：

接收患者CT图像，基于实施例一中所述的复位轨迹规划方法或者四步复位法得到复位轨迹，并根据复位轨迹在远端骨折块的目标位置生成虚化模型，将当前断骨的近端和远端状态、以及虚化模型均发送至显示设备进行显示；

复位过程中，实时接收遥操作手柄发送的指令，并生成控制指令发送至机械臂控制柜，以控制机械臂执行动作。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

针对粉碎骨折远端位置难以确定的问题，本发明通过对健侧肢体进行镜像，来寻求骨折远端复位所需路径，从而完成精准复位，能够有效减少后遗症的发生；

通过骨折的虚拟复位，在远端骨折块的目标位置处生成虚化骨块，将远近端的吻合关系转成原始骨块和虚化骨块的对合关系，从而降低了医务人员的操作难度，对经验的依赖降低，能够实现骨折的准确复位。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为粉碎性骨折CT图像示意图；

图2为本发明实施例中的基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法流程图；

图3为本发明实施例中针对健侧肢体模型进行镜像操作的示意图；

图4为本发明实施例中基于近端骨块将镜像后的健侧肢体模型进行配准的示意图；

图5为本发明实施例中根据配准结果进行远端骨块定位的示意图；

图6为本发明实施例中断骨夹持装置结构示意图；

图7为本发明实施例中万向夹持器结构示意图；

图8为本发明实施例中末端夹持器结构示意图；

图9为本发明实施例中骨骼外固定装置结构示意图。

图中，1、万向夹持器，2、固定基座，3、L形支架，4、近端骨骼夹持装置，5、远端骨骼夹持装置，101、万向转动部件，102、滑动杆，102-1、滑槽，103、凸形块，104、旋转块，105、压紧块，106、末端夹持机构，107、偏心杆，108、球头连杆，109、端盖，110、上锁紧螺钉，111、下锁紧螺钉，112、垫片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

未解决背景技术中所述粉碎性骨折远端骨折块位置难以确定的问题，本实施例公开了一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤1：获取患侧肢体和健侧肢体的医学图像，并分别进行三维重建，得到患侧肢体模型和健侧肢体模型；

具体地，所述医学图像可以为计算机断层图像(CT图像)、核磁共振图像(MRI)等，只要能够实现骨骼的三维建模即可。健侧肢体模型如图3所示。

步骤2：对健侧肢体模型进行镜像处理，使其与患侧肢体方向一致，得到健侧肢体镜像模型；

镜像后的健侧肢体模型将作为患侧肢体复原后的状态，指导患侧肢体模型远端骨折块复位。

步骤3：以患侧肢体模型近端为参考，将健侧肢体镜像模型与患侧肢体模型的近端进行配准；

具体地，固定患侧肢体模型近端，通过配准使健侧肢体镜像模型的近端与患侧肢体模型近端重合，如图4所示，此时健侧肢体镜像模型的远端即患侧肢体模型远端骨折块的目标位置。

所述配准可以采用手动选取配准点的方式，也可以基于现有的三维模型配置方法进行自动配准。

步骤4：将健侧肢体镜像模型远端作为患侧肢体模型远端骨折块的目标位置，进行复位轨迹规划。

具体地，所述复位轨迹规划包括计算患侧肢体模型远端骨折块的位移方向、大小以及旋转角度。

基于上述方法，本实施例还提供了一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划系统，包括：

三维重建模块，被配置为获取患侧肢体和健侧肢体的医学图像，并分别进行三维重建，得到患侧肢体模型和健侧肢体模型；

镜像处理模块，被配置为对健侧肢体模型进行镜像处理，得到健侧肢体镜像模型；

模型配准模块，被配置为以患侧肢体模型近端为参考，将健侧肢体镜像模型与患侧肢体模型进行配准；

轨迹规划模块，被配置为将配准后的健侧肢体镜像模型远端作为患侧肢体模型远端骨折块的目标位置，进行复位轨迹规划。

基于上述方法，本实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述方法。

基于上述方法，本实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述方法。

上述系统、电子设备和可读存储介质中涉及的各步骤与方法相对应，具体实施方式可参见方法的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

实施例二

在实施例一提供了一种粉碎性骨折远端复位轨迹规划方法的基础上，本实施例的目的是提供一种粉碎性骨折远端复位系统，包括：手术台、机械臂、骨骼外固定装置、断骨夹持装置、六维力力矩传感器、触力反馈遥操作设备、实时追踪系统、处理器和显示设备。

所述手术台边缘设有用于安装机械臂的可移动基座，以及用于安装骨骼外固定装置的托架。

所述机械臂通过可移动基座与手术台连接，能够沿手术台边缘运动。所述机械臂与机械臂控制柜连接。并且，所述机械臂上设有六维力力矩传感器，用于在复位过程中实时监测机械臂的运行状态。所述机械臂控制柜和六维力力矩传感器均与处理器连接。

所述断骨夹持装置设于机械臂末端，包括固定基座和万向夹持器。固定基座实现断骨夹持装置与机械臂末端连接，万向夹持器固定在固定基座上。可选的，固定基座可以采用圆盘形固定架，所述圆盘形固定架上设置螺纹孔，通过螺纹孔固定在机械臂的末端。通过固定基座连接机械臂可以实现夹持装置的空间位置的调整。所述固定架上设置有对称的螺钉孔，通过螺钉孔固定万向夹持器。固定基座还可以设置与万向夹持器的端盖匹配的固定座，所述固定座的形状与端盖相匹配。

本实施例中，万向夹持器包括依次连接的万向转动部件、滑动杆、以及设置在滑动杆上的末端夹持机构。可选的，万向转动部件可以采用万向节，具体的结构可包括球头连杆和设置在球头连杆两端的端盖，所述端盖内设置与球头连杆的球头匹配的凹槽。万向转动部件可以实现三维空间内的转动，作为万向夹持器的转动关节，提高了角度调节的灵活性。所述末端夹持机构用于夹持螺纹针，在医护人员对螺纹针、万向夹持器均操作完成后，锁死万向夹持器的活动关节，由机械臂带动螺纹针进行牵引复位。

所述骨骼外固定装置通过通过螺钉固定在电动手术台的边缘，包括L形支架和设于支架一侧的骨骼夹持装置。所述骨骼夹持装置与L形支架可旋转的连接，所述骨骼夹持装置包括用于远端骨骼夹持装置和近端骨骼夹持装置，用于夹持一个断骨的远端和近端，且远端骨骼夹持装置和近端骨骼夹持装置之间转动连接。远端骨骼夹持装置和近端骨骼夹持装置均包括滑动杆和设置在滑动杆上的至少两个末端夹持机构，所述末端夹持机构用于夹持螺纹针，以实现断骨的固定。其中，骨骼夹持装置的各个连接机构均能够锁定，用于夹持螺纹针后进行固定。

本实施例中，万向夹持器和骨骼夹持装置中涉及的滑动杆及末端夹持机构结构相同，所述滑动杆包括滑动杆杆体，以及设置在滑动杆杆体内设定长度和宽度的滑槽。通过滑槽固定末端夹持机构，通过滑动杆能够实现末端夹持机构的远近滑动。所述末端夹持机构包括从下到上包括下锁紧螺钉、凸形块、旋转块、压紧块和上锁紧螺钉；其中，凸形块、旋转块和压紧块中心设置贯穿的螺纹孔，上锁紧螺钉通过该螺纹孔对凸形块、旋转块和压紧块实现紧固；下锁紧螺钉用于将末端夹持机构与滑动杆连接，具体地，所述末端夹持机构与滑动杆之间相对位置可以采用螺钉和垫片方式固定，螺钉可从下部旋入凸形块的螺纹孔中，通过旋紧螺钉将垫片压紧在滑动杆上，实现将末端夹持机构固定在滑动杆的滑槽内的设定位置。所述旋转块与压紧块的接触面上设置螺纹针固定孔，螺纹针固定孔用于固定螺纹针。可选的，螺纹针固定孔可以设置为V形槽。

通过调节上锁紧螺钉，可实现凸形块和旋转块之间的旋转，凸形块上端设置圆形槽的外表面与旋转块的内壁相配合，实现旋转块的定位，使得转动过程中不会横向移动；通过调节下锁紧螺钉，可以实现末端夹持机构在滑动杆上位置的调整。末端夹持机构能够实现360度的转动，可以作为万向夹持器的旋转关节。

所述触力反馈遥操作设备包括遥操作手柄，与处理器连接。所述处理器接收到手柄的力反馈信号后进行处理，向机械臂控制柜发送控制指令，执行复位。同时，接收六维力力矩传感器反馈的机械臂运行状态，防止机械臂移动到极限位置给患者和设备造成额外损伤。

为了实现复位操作的实时追踪，所述系统还设有实时追踪系统，本实施例中为磁导航系统，具体地，上述螺纹针上均设有磁导航传感器(接收器)，接收器和发射器均通过控制盒与处理器连接，复位过程中，处理器能够实时接收螺纹针的当前位置，从而得知断骨当前的复位状态。

所述显示设备与处理器连接，在复位的不同阶段，处理器向显示设备传输最优复位轨迹、骨骼复位状态和机械臂运行状态。

其中，所述最优复位轨迹基于实施例一中所述的复位轨迹规划方法得到。

工作原理如下：

(1)根据负重情况，在骨折近端和远端各打入合适数量、长度和直径的螺纹针，螺纹针上均设有磁导航传感器；基于两个骨骼外固定装置分别通过螺纹针与近端和远端建立刚性连接，使骨折近端和远端不会发生相对移动；

(2)将患者连同骨骼外固定装置、螺纹针进行CT扫描，得到其CT图像；将CT图像导入到三维数字医疗软件中，生成骨骼外固定装置和断骨的三维模型；基于实施例一中所述的复位轨迹规划方法进行虚拟复位，得到最优复位轨迹并进行显示，同时还可以显示近端和远端的当前状态；可选地，为使医务人员明确远端骨折块的目标位置，微处理器可在目标位置生成虚化远端骨折块的模型并显示；

(3)将机械臂拖动到合适位置，拆除骨骼外固定装置对断骨远端的固定，并采用机械臂末端的断骨夹持装置夹紧刺入断骨远端的骨针，并锁死使断骨远端与机械臂末端紧固成一体；此时断骨远端和断骨近端相对位置仍与扫描CT时相同；

(4)医务人员通过观察显示器中显示的骨折近端和远端状态，结合最优复位轨迹操作遥操作手柄，以控制机械臂执行复位操作。

复位过程中，微处理器结合螺纹针的位置信息给出当前复位状态并显示。同时，力反馈模块在整个过程中实时检测机械臂的运行状态，当机械臂移动到极限位置时，显示器显示告警信息。

(5)复位完成后，拆除断骨夹持装置对远端螺纹针的夹持，重新采用骨骼外固定装置夹持螺纹针，以实现已复位远端的固定。

可以理解的，在其他一些实施方式中，也可以采用四步复位法代替镜像法寻求断骨远端的复位路径，具体的，包括以下内容：

1)将健侧肢体远端复制，分别与复位轴组合，然后将健侧肢体远端复制模型与复位轴组合体与患肢远端配准，生成患肢远端骨的模型副本，对患肢远端骨副本进行虚拟复位，得到虚拟复位模型；

其中，虚拟复位操作可以计算机自动完成，也可以借助软件由用户手动完成。

尽管虚拟复位操作能够得到当前远端骨模型匹配到当前近端骨模型的轨迹，但是，因为人体骨骼周围有皮肤肌肉覆盖，所以真正的骨折复位是在限制空间内的复位，而这个轨迹并不适合临床操作，不适合对患者的断骨执行该轨迹，因此，在下一步中，本实施例构建了复位轴，基于复位轴将复位过程划分为多个阶段，使得复位系统能够分阶段依次按照该阶段的轨迹进行复位，具有临床意义。

(2)根据虚拟复位模型，生成复位轴，所述复位轴上设有标识位，且所述复位轴长度大于两个断骨中最长的骨折段；

本实施例中，所述复位轴与虚拟复位模型平行。并且，所述复位轴为圆柱体模型，所述标识位为圆球模型，且圆球模型偏离复位轴的中心。本领域技术人员可以理解，所述复位轴和标识位也可以为其他形状的模型，在此不做限定。

(3)生成复位轴的副本，在复位轴与其模型副本重合的前提下，将复位轴与当前近端骨模型绑定，将复位轴副本与当前远端骨模型副本绑定，得到远端副本组合体；以当前远端骨模型为基准，将远端副本组合体进行配准；

配准后，较粗当前远端骨模型副本及复位轴副本被移动到当前远端骨模型处，此时，就将当前远端骨模型到当前近端骨模型的轨迹规划问题，转换为了复位轴副本到复位轴的轨迹规划问题。

(4)根据复位轴及其模型副本上的标识位，获取当前远端骨的复位轨迹。

本实施例中，采用过牵、对线、对位和回缩的四步复位法寻求当前远端骨的复位路径，具体包括：

①以复位轴为基准，计算使得复位轴副本与复位轴上标识位之间间隔一定距离(0.5-1cm)的轨迹，该轨迹用于对患肢远端骨模型进行过牵；

②计算使得复位轴副本与复位轴对线的轨迹，然后计算使得复位轴副本与复位轴上标识位对位的轨迹，两个轨迹分别用于患肢远端骨模型进行对线和对位；

③计算使得复位轴副本与复位轴上标识位完全重合的轨迹，该轨迹用于对患肢远端骨模型同时进行回缩。

实施例三

在实施例二提供了一种粉碎性骨折远端复位系统的基础上，本实施例的目的是提供微处理器在复位过程中执行的控制方法，具体包括：

复位操作前，接收患者CT图像，基于实施例一中所述的复位轨迹规划方法得到复位轨迹，并根据复位轨迹在远端骨折块的目标位置生成虚化模型，将当前断骨的近端和远端状态、以及虚化模型均发送至显示设备进行显示；

开始复位，实时接收遥操作手柄发送的指令，并生成控制指令发送至机械臂控制柜，以控制机械臂执行动作；

复位过程中，实时接收磁导航传感器的位置信息并发送至显示器进行显示；同时，实时接收力反馈模块检测的机械臂的运行状态，当机械臂移动到极限位置时，向显示器发送告警信息进行显示。

对于粉碎骨折，通过骨折的虚拟复位，在远端骨折块的目标位置处生成虚化骨块，将远近端的吻合关系转成原始骨块和虚化骨块的对合关系，从而实现骨折的准确复位。

通过引入六维力力矩传感器和实时监测系统，能够实时动态检测机械臂运行情况和当前复位状态，有助于把控复位进度，提高复位效率和安全性，实现精准复位。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取患侧肢体和健侧肢体的医学图像，并分别进行三维重建，得到患侧肢体模型和健侧肢体模型；

对健侧肢体模型进行镜像处理，得到健侧肢体镜像模型；

以患侧肢体模型近端为参考，将健侧肢体镜像模型与患侧肢体模型近端进行配准；

将配准后的健侧肢体镜像模型远端作为患侧肢体模型远端骨折块的目标位置，进行复位轨迹规划。

2.一种基于镜像法的骨折远端复位轨迹规划系统，其特征在于，包括：

三维重建模块，被配置为获取患侧肢体和健侧肢体的医学图像，并分别进行三维重建，得到患侧肢体模型和健侧肢体模型；

镜像处理模块，被配置为对健侧肢体模型进行镜像处理，得到健侧肢体镜像模型；

模型配准模块，被配置为以患侧肢体模型近端为参考，将健侧肢体镜像模型与患侧肢体模型近端进行配准；

轨迹规划模块，被配置为将配准后的健侧肢体镜像模型远端作为患侧肢体模型远端骨折块的目标位置，进行复位轨迹规划。

3.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1所述的骨折远端复位轨迹规划方法。

4.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1所述的骨折远端复位轨迹规划方法。

5.一种骨折远端复位系统，其特征在于，包括：手术台、机械臂、触力反馈遥操作设备、处理器和显示设备；所述机械臂设于手术台边缘；机械臂末端设有断骨夹持装置，用于夹持螺纹针；所述机械臂、触力反馈遥操作设备和显示设备均与处理器连接；

进行复位操作前，所述微处理器接收患者CT图像，基于权利要求1中所述的复位轨迹规划方法或四步复位法得到复位轨迹，并根据复位轨迹在远端骨折块的目标位置生成虚化模型，将当前断骨的近端和远端状态、以及虚化模型均发送至显示设备。

6.如权利要求5所述的一种骨折远端复位系统，其特征在于，所述断骨夹持装置包括相连接的固定基座和万向夹持器，通过固定基座连接在机械臂末端，万向夹持器包括依次连接的万向转动部件和滑动杆，所述滑动杆上设置在能够沿滑动杆运动的至少两个末端夹持机构，所述末端夹持机构用于夹持螺纹针。

7.如权利要求5所述的一种骨折远端复位系统，其特征在于，还包括骨骼外固定装置，设于手术台边缘，包括支架和安装于支架上的骨骼夹持装置，所述骨骼夹持装置包括滑动杆和能够沿滑动杆运动的至少两个末端夹持机构，所述末端夹持机构用于夹持螺纹针。

8.如权利要求5所述的一种骨折远端复位系统，其特征在于，还包括六维力力矩传感器，设于机械臂上，与处理器连接。

9.如权利要求5所述的一种骨折远端复位系统，其特征在于，还包括实时追踪系统，包括接收器、发射器、控制盒和电子设备；每个螺纹针上均设置接收器，接收器和发射器均通过控制盒与处理器连接。

10.一种应用于如权利要求5-9任一项所述骨折远端复位系统的控制方法，其特征在于，包括：

接收患者CT图像，权利要求1中所述的复位轨迹规划方法或四步复位法得到复位轨迹，并根据复位轨迹在远端骨折块的目标位置生成虚化模型，将当前断骨的近端和远端状态、以及虚化模型均发送至显示设备进行显示；

复位过程中，实时接收遥操作手柄发送的指令，并生成控制指令发送至机械臂控制柜，以控制机械臂执行动作。

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