CN115005987A - 髋关节翻修手术中骨盆配准的方法及系统 - Google Patents

髋关节翻修手术中骨盆配准的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗技术领域，具体为髋关节翻修手术中骨盆配准的方法及系统，具体方法的步骤如下：(1)获取髋关节翻修手术患者骨盆的CT断层扫描医学影像数据；(2)利用获取的CT数据构建数字三维模型；(3)低精度配准；(4)获取所有已进行翻修手术患者的低精度配准信息及高精度配准信息；(5)将此次患者的低精度配准信息逐一与每名已进行翻修手术患者的低精度配准信息进行匹配；本发明确定了髋关节翻修手术中骨性标记点和骨骼表面点的选取准则，且该方法基于骨盆数字三维模型，搜索获得相似度最高的前几位患者对应的配准信息，确定配准优选区域，使术者在髋关节翻修手术术前或术中对骨盆配准所需的骨性标记点和骨骼表面点有所预知。

Description

髋关节翻修手术中骨盆配准的方法及系统
技术领域
本发明涉及医疗技术领域，具体为髋关节翻修手术中骨盆配准的方法及系统。
背景技术
虽然现在人工关节置换术已经非常成熟，但由于假体松动(有菌性/无菌性)，假体周围骨折、假体脱位等等诸多原因，在实施初次关节置换术后的患者中仍有较大一部分需要进行翻修手术。
由于翻修手术的原因繁多，且病情复杂，执行关节翻修手术需要极高的手术技术以及丰富的手术经验。即使这样，翻修手术的满意率仍比较低。缺损部位的合理填充是关节翻修手术中的重要步骤。随着3D打印技术的发展，各种形状的补块开始发挥重要作用，病人个性化假体也开始出现，翻修手术也取得了一定进展。但是，有一个翻修手术中始终没有解决的问题是如何将补块或假体精准地安放。即使是个性化定制地假体，仍然会有很大概率出现放不进去，放错位置的问题。
有专利提出一种用于骨科翻修手术的导航系统，可以解决骨科翻修手术全流程工具、假体的导航。在进行上述手术操作中，一个重要步骤是将骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，即通过定位设备获得实际骨骼的位姿，并建立一系列变换，使其数字三维模型的位姿可以通过这些变换用实际骨骼的位姿表达，这个过程称为配准，实际效果相当于将数字三维模型与实际骨骼对齐。配准对手术的精度有较大影响。
常规的配准流程包括：低精度配准、高精度配准和配准确认。低精度配准也称为点配准，一般通过选取数字三维模型和实际骨骼上相匹配的骨性标记点来实现。高精度配准也称为面配准，实际是由定位系统连续的、采集多个实际骨骼表面点的位置，并自动的计算与其匹配的数字三维模型上点的位置，通过微调数字三维模型与实际骨骼的对齐。常规的配准流程中，对实际骨骼表面点的准确采集尤为重要。
髋关节翻修手术中骨盆配准的难点在于，此时骨盆的数字三维模型和实际骨骼可能存在差异，需要确定准确的骨性标记点和骨骼表面点来保证配准流程的顺利实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，包括如下步骤：
获取当前患者骨盆的电子计算机断层扫描影像数据；
利用获取的CT影像数据构建所述当前患者的数字三维模型；
假体与骨骼进行低精度配准；
获取已进行翻修手术患者的低精度配准信息及高精度配准信息；
将所述当前患者的低精度配准信息逐一与每名已进行翻修手术患者的低精度配准信息进行匹配，记录与每名患者的匹配程度和当前患者与已进行翻修手术患者的高精度配准信息；
对已进行翻修手术患者的匹配结果进行全局比较，获取最相似的已进行翻修手术患者及已进行翻修手术患者对应的高精度配准信息；
以所述最相似的已进行翻修手术患者为基础，对其高精度配准信息进行统计和投票表决，对所述当前患者的高精度配准信息做出预测，确定配准优选区域；
在所述配准优选区域内将骨骼的数字三维模型与实际骨骼进行高精度配准；
保存配准的结果。
可选的，所述步骤中医学影像数据为二维医学影像DICOM数据。。
可选的，所述步骤中数字三维模型通过医学影像处理软件操作将DICOM数据构建为数字三维模型。
可选的，所述步骤中骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，进而得到第一次配准结果。
可选的，所述步骤中根据步骤获取的配准信息可为选择点在CT原始坐标系下的绝对坐标，也可为选择点在骨骼解剖坐标系下的相对坐标。
可选的，所述步骤中低精度配准采用三点配准方式为例，并参照人体解剖位置定义配准选取的三点为、前点、后点、上点；
具体的匹配方法如下：
1)将此次患者的低精度配准三点中的前点-后点连线逐一与每名同侧已进行翻修手术患者治疗前的低精度配准三点中的前点与后点的连线进行比对，求出使二者等长的缩放系数，并根据系数缩放此次患者的三维模型使二者连线等长；
2)将此次患者的前点-后点连线逐一与每名已进行翻修手术患者的前点-后点连线共线且前后方向一致；
3)将此次患者的前点-后点-上点确定的平面逐一与每名已进行翻修手术患者的前点-后点-上点确定的平面共面，至此，两者数字三维模型坐标系统一；
4)提取二者的上点相关参数来表征模型；
5)使用均方误差、Camberra距离、相似度计算方法对上点进行计算，给出定量的匹配结果。
可选的，所述步骤配准优选区域内选取配准优选区域内的点，利用常规配准方式进行第二次配准，将骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，实现高精度配准。
可选的，所述保存配准的结果并形成数据库，具体为：将此次初、高精度配准选取点坐标保存以形成数据库，此数据库可为步骤已进行翻修手术患者数据提供数据来源。
可选的，还包括：
获取模块，用于获取髋关节翻修手术患者骨盆的数字三维模型；
显示模块，用于显示数字工具与数字三维模型，以实时呈现工具与实际骨骼的实际位姿；
区域生成模块，用于完成步骤至步骤的数据获取、匹配、分析，并生成配准优选区域；
数据模块，用于将配准的结果进行保存，并形成数据库。
可选的，一种髋关节翻修手术中骨盆配准的系统，其特征在于，包括用于骨科翻修手术的导航系统，所述导航系统包括：
用户标识，为红外光球阵列，二维码，或条纹序列中的至少一个；
定位模块，用于生成患者骨骼以及手术工具的定位信息；
通信模块，用于对所述定位信息进行处理将定位信息转化为传输的数据；
存储模块，用于存储底层数据，所述底层数据包括工具初始信息和需要用于术中导航实施的数据；
数据处理模块，用于对所述底层数据和处理后的定位信息进行处理，生成渲染数据，用于工具、骨骼、假体动态可视化；
显示模块，显示所述渲染数据。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明确定了髋关节翻修手术中骨性标记点和骨骼表面点的选取准则，且该方法基于骨盆数字三维模型，搜索获得相似度最高的前几位患者对应的配准信息，确定配准优选区域，使术者在髋关节翻修手术术前或术中对骨盆配准所需的骨性标记点和骨骼表面点有所预知。
附图说明
图1为本发明导航系统结构框图；
图2为本发明翻修导航流程实施图；
图3为本发明方法流程图；
图4为本发明髋臼三点配准示意图；
图5为本发明配准优选区域的方法流程图；
图6为本发明系统图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图作进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图6，本发明提供髋关节翻修手术中骨盆配准的方法的步骤如下：
(1)CT断层扫描医学影像数据，见附图2中301步骤，获取髋关节翻修手术患者骨盆的CT断层扫描医学影像数据，且医学影像数据为二维医学影像DICOM数据；
(2)利用获取的CT数据构建数字三维模型，见附图2中302步骤。由于翻修手术患者已进行过髋关节置换手术，二维医学影像DICOM数据中除骨盆信息外，还有可能存在已植入(待翻修手术取出)的假体，且数字三维模型通过医学影像处理软件操作将DICOM数据构建为数字三维模型：
A、存在已植入假体：假体产生的金属伪影会对构建数字三维模型产生一定的影响(伪影影响区域构建的数字三维模型会与实际骨骼产生较大偏差)，此处暂不做伪影去除或其他处理。
B、不存在已植入假体(如翻修手术术前已进行手术先行取出假体)：模型表面存在部分区域不连续、不光顺等；
(3)低精度配准见附图2中303步骤，选取髋臼周围未受原植入假体影响区域内的点，如图4所示，选取图中“1”“2”“3”三点，利用三点配准方式进行第一次配准，将骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，得到第一次配准结果，
确定配准优选区域，见附图2中304步骤，其中，配准优选区域的确定方法如下：(4)-(7)
(4)获取所有已进行翻修手术患者的低精度配准信息及高精度配准信息，精度配准的操作步骤可参照步骤(3)进行；高精度配准的操作步骤可参照步骤(3)(三点配准变更为面配准方式等)进行，可基于ICP算法等常规方法实现。获取的配准信息可为选择点在CT原始坐标系下的绝对坐标，也可为选择点在骨骼解剖坐标系下的相对坐标；
(5)将此次患者的低精度配准信息逐一与每名已进行翻修手术患者的低精度配准信息进行匹配，记录与每组患者的匹配程度和其高精度配准信息，以低精度配准采用三点配准方式为例，并参照人体解剖位置定义配准选取的三点为前点(靠近人体前侧)、后点(靠近人体后侧)、上点(靠近人体上侧)，具体骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配方法如下：
1)将此次患者的低精度配准三点中的前点-后点连线逐一与每名同侧(左右侧需一致)已进行翻修手术患者治疗前的低精度配准三点中的前点与后点的连线进行比对，求出使二者等长的缩放系数，并根据系数缩放此次患者的三维模型使二者连线等长；
2)将此次患者的前点-后点连线逐一与每名已进行翻修手术患者的前点-后点连线共线且前后方向一致；
3)将此次患者的前点-后点-上点确定的平面逐一与每名已进行翻修手术患者的前点-后点-上点确定的平面共面。至此，两者数字三维模型坐标系统一；
4)提取二者的上点相关参数来表征模型；
5)使用均方误差、Camberra距离等相似度计算方法对上点进行计算(如计算前点-上点矢量连线相似度，或后点-上点矢量连线相似度)，给出定量的匹配结果；
(6)对与所有已进行翻修手术患者的匹配结果进行全局比较，获取最相似的几名患者及其对应的高精度配准信息；
(7)以这几名最相似的患者为基础，对其高精度配准信息进行统计和投票表决，从而对此次患者的高精度配准信息做出预测，确定配准优选区域；
综上，对与所有已进行翻修手术患者的匹配结果进行全局比较，获取最相似的几名患者及其对应的高精度配准信息；以这几名最相似的患者为基础，对其高精度配准信息进行统计和投票表决，此时得到的高精度配准信息一般为高精度配准选取点构成的点集，
对点集进行后处理，使待选点在术中暴露可触及区域内，点集的后处理过程如下：
1)将得到的点集映射至此次患者的数字三维模型上，形成映射点集；
2)将前点、后点、上点三点拟合为一个圆(可沿圆平面法向将圆拉伸为圆柱面)，并将此圆(或圆柱面)做为点集筛选的边界；
3)判断映射点集与边界的相对位置关系，定义圆(或圆柱面)内的点作为有效点，圆外的点左右为无效点。将所有有效点最外围的点围成的区域定义为配准优选区域。
(8)配准优选区域内进行高精度配准，见附图2中305步骤，具体选取配准优选区域内的点，利用常规配准方式进行第二次配准，将骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，实现高精度配准；
(9)保存配准的结果并形成数据库，且将此次初、高精度配准选取点坐标保存以形成数据库，此数据库可为步骤(5)已进行翻修手术患者数据提供数据来源。
如图1所示，本发明系统包括：
医生端/患者端，为红外光球阵列(主动/被动)，或者二维码，或者条纹序列，以及其它具有相同技术原理的特征标记点。
定位模块，用于探测及识别阵列模式的探测装置，可将识别到的模式转换为空间三维坐标，用于患者骨骼以及手术工具的定位跟踪。
通信模块，用于对定位模块的数据进行处理，输出连接数据处理模块。
数据处理模块读取存储模块中的底层数据，包括工具模型、策划文件等所有导航需要的数据，并接受通信模块的输出，将所有数据进行处理后，生成渲染画面数据，传输到显示模块。
显示模块，将工具、骨骼、假体动态可视化，并对植入的位置、角度进行定量化显示。
术前策划使用的是病人的骨骼模型，用于骨骼逆向的图像包括CT，核磁等一种或多种模态。
翻修策划可由医生来自主进行，也可由工程师进行远程协助进行。
策划包括骨骼缺损的填充，采用通用化的补块或者针对患者本人进行个性化设计，并通过机加工或3D打印获得。
策划包括患者本身解剖结构以及力学结构的恢复，特别的，当用于髋关节翻修时，主要包括旋转中心、下肢长度以及偏置距离的恢复。
策划形成的文件包括病人骨骼模型，假体模型，工具模型，补块模型，个性化定制假体模型，假体六自由度信息，杯覆盖率，解剖关键点等所有需要用于术中导航实施的数据。
术中可使用的工具手术工具包括但不限于旋转体杆状结构。
骨骼配准的方式包括但不限于三点配准，面配准，采用的算法包括但不限于ICP算法。
骨骼配准可以在移除原有假体后进行，如果术前伪影较重，也可以在移除假体前，将原有假体与骨骼一同配准
如图6所示，本发明系统还包括：
(1)获取模块用于3D重建，详见附图2中201步骤，用于获取髋关节翻修手术患者骨盆的数字三维模型；
(2)显示模块，用于显示数字工具与数字三维模型，以实时呈现工具与实际骨骼的实际位姿，以用于定制架体，详见附图2中202步骤，同时也可以采用通用补块，详见附图2中203步骤，；
(3)区域生成模块，用于完成步骤(4)至步骤(7)的数据获取、匹配、分析，并生成配准优选区域；
定制假体与通用补块都可以完成骨骼注册，详见附图2中204步骤，；
(4)数据模块，用于将配准的结果进行保存，并形成数据库，实现骨骼注册，详见附图2中205步骤，。
骨骼准备，详见附图2中206步骤，主要进行骨面处理，将骨面按照策划，或术中的实际情况将不规则骨赘去除，将不规则空腔或缺损处理成规则弧面，以便进行后续假体或补块的植入。
骨面处理工具包括但不限于：平面锯、弯曲锯、激光、水刀、超声振动和磨钻。
骨面处理工具在术中可被实时定位跟踪，并可通过工具提前设置的加工特征进行工具精度验证。
骨面处理过程可被动态显示，当处理工具的执行端与骨面接触时，骨骼模型可实时显示切削后的状态，在过切削时，软件可进行提示或报警。
在一些实施例中，翻修最终会通过螺钉对假体或补块进行固定。
在一些实施例中，螺钉植入前通常会预打螺钉孔，即预打螺钉孔，详见附图2中207步骤。
打螺钉孔可以使用直钻或万向钻等打孔工具。
在一些实施例中，当使用万向钻时，打孔的方向由软钻导向器进行确定。
在一些实施例中，当使用万向钻时，万向钻可以提供多个不同的长度规格，使用机械限位对打孔深度进行限制。
在一些实施例中，在使用软钻进行打孔前，可将软钻导向器放于骨面，软件将在虚拟骨骼上显示虚拟孔道，以对打孔部位及打孔深度进行衡量。
补块持器通过螺纹或其它快接方式与补块进行锁定，其连接关系唯一固定。
补块的型号可以进行选择，选择的补块型号将实时在软件显示中进行更换。
在一些实施例中，补块植入，详见附图2中208步骤，如果使用到个性化定制的补块或假体，在假体设计时，应该设计与补块持器适配的唯一接口。
螺钉固定，详见附图2中209步骤，螺钉持器可以被实时定位跟踪，螺钉的位置通过螺钉持器来反映。
在一些实施例中，在植入补块或假体时，如果空腔或缺损的形状和假体不符，无法植入，医生可返回骨骼准备页面。
在一些实施例中，根据手术要求，医生可以在骨骼准备，预打螺钉孔，补块植入，螺钉固定等多步之间进行切换。
假体植入，详见附图2中210步骤，并对患者进行关节复位后，可以通过拾取病人骨骼或假体上的解剖关键点，对假体植入情况进行评估。特别的，当进行髋关节翻修时，主要评估腿长、偏置距离、旋转中心、假体或补块的位置等。
软件可根据手术实施情况对手术结果生成报告，用于术后评估。
以上内容是结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。

Claims (10)

1.一种髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)获取当前患者骨盆的电子计算机断层扫描(CT)影像数据；
(2)利用获取的CT影像数据构建所述当前患者的数字三维模型；
(3)假体与骨骼进行低精度配准；
(4)获取已进行翻修手术患者的低精度配准信息及高精度配准信息；
(5)将所述当前患者的低精度配准信息逐一与每名已进行翻修手术患者的低精度配准信息进行匹配，记录与每名患者的匹配程度和当前患者与已进行翻修手术患者的高精度配准信息；
(6)对已进行翻修手术患者的匹配结果进行全局比较，获取最相似的已进行翻修手术患者及已进行翻修手术患者对应的高精度配准信息；
(7)以所述最相似的已进行翻修手术患者为基础，对其高精度配准信息进行统计和投票表决，对所述当前患者的高精度配准信息做出预测，确定配准优选区域；以及
(8)在所述配准优选区域内将骨骼的数字三维模型与实际骨骼进行高精度配准。
2.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的方法及系统，其特征在于：所述步骤(1)中医学影像数据为二维医学影像DICOM数据。
3.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，其特征在于：所述步骤(2)中数字三维模型通过医学影像处理软件操作将DICOM数据构建为数字三维模型。
4.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，其特征在于：所述步骤(3)中骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，进而得到第一次配准结果。
5.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，其特征在于：所述步骤(4)中根据步骤(3)获取的配准信息可为选择点在CT原始坐标系下的绝对坐标，也可为选择点在骨骼解剖坐标系下的相对坐标。
6.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，其特征在于：所述步骤(5)中低精度配准采用三点配准方式为例，并参照人体解剖位置定义配准选取的三点为、前点、后点、上点；
具体的匹配方法如下：
1)将此次患者的低精度配准三点中的前点-后点连线逐一与每名同侧(左右侧需一致)已进行翻修手术患者治疗前的低精度配准三点中的前点与后点的连线进行比对，求出使二者等长的缩放系数，并根据系数缩放此次患者的三维模型使二者连线等长；
2)将此次患者的前点-后点连线逐一与每名已进行翻修手术患者的前点-后点连线共线且前后方向一致；
3)将此次患者的前点-后点-上点确定的平面逐一与每名已进行翻修手术患者的前点-后点-上点确定的平面共面，至此，两者数字三维模型坐标系统一；
4)提取二者的上点相关参数来表征模型；
5)使用均方误差、Camberra距离、相似度计算方法对上点进行计算(如计算前点-上点矢量连线相似度，或后点-上点矢量连线相似度)，给出定量的匹配结果。
7.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，其特征在于：所述步骤(8)配准优选区域内选取配准优选区域内的点，利用常规配准方式进行第二次配准，将骨骼的数字三维模型与实际骨骼匹配到一起，实现高精度配准。
8.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的方法，其特征在于：所述保存配准的结果并形成数据库，具体为：将此次初、高精度配准选取点坐标保存以形成数据库，此数据库可为步骤(5)已进行翻修手术患者数据提供数据来源。
9.根据权利要求1所述的髋关节翻修手术中骨盆配准的系统，其特征在于，还包括：
获取模块，用于获取髋关节翻修手术患者骨盆的数字三维模型；
显示模块，用于显示数字工具与数字三维模型，以实时呈现工具与实际骨骼的实际位姿；
区域生成模块，用于完成步骤(4)至步骤(7)的数据获取、匹配、分析，并生成配准优选区域；
数据模块，用于将配准的结果进行保存，并形成数据库。
10.一种髋关节翻修手术中骨盆配准的系统，其特征在于，包括用于骨科翻修手术的导航系统，所述导航系统包括：
用户标识，为红外光球阵列，二维码，或条纹序列中的至少一个；
定位模块，用于生成患者骨骼以及手术工具的定位信息；
通信模块，用于对所述定位信息进行处理将定位信息转化为传输的数据；
存储模块，用于存储底层数据，所述底层数据包括工具初始信息和需要用于术中导航实施的数据；
数据处理模块，用于对所述底层数据和处理后的定位信息进行处理，生成渲染数据，用于工具、骨骼、假体动态可视化；
显示模块，显示所述渲染数据。
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