CN115294264A - 一种骨科手术导板设计方法 - Google Patents

一种骨科手术导板设计方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种骨科手术导板设计方法。其具体步骤包括：获取患者的医学影像数据、通过对影像数据二维分割得到骨骼掩模、对骨骼掩模进行三维重建，得到三维骨模型、对三维骨模型采用保留特征的平滑算法进行平滑处理、在骨骼贴合面上进行增厚得到导板模型。本申请提供的导板设计方法，由于其中包括保留特征的平滑算法，因此建模精度更高。根据设计得到的导板模型加工导板后，与实际骨骼的贴合度显著提升，是骨科个性化治疗方案中必不可少的组成部分。

Description

一种骨科手术导板设计方法
技术领域
本申请涉及外科手术辅助软件领域，尤其涉及一种骨科手术导板设计方法。
背景技术
近年来，3D打印技术被越来越多地应用在医学领域，尤其在外科手术领域。从3D打印模型到应用于临床手术操作的3D打印导板、3D打印假体，基于医学数字影像技术(CT、核磁共振成像MRI)的3D打印技术越来越多地受到骨科手术医生的关注。3D打印技术在临床手术中的应用能够优化手术方案，使得复杂的手术简单化，减少对人体的损伤，提高手术质量。同时，3D打印技术在人造假体、人造骨、手术辅助器具等方面得到广泛的应用，成为了满足个性化需求的重要技术手段。
截骨导板是截骨手术中常用的辅助器具之一。利用3D打印技术获得的截骨导板具有精度高、贴合好的特点。通常而言，制备3D打印个性化截骨导板首先需要获取患者的医学影像数据，例如CT或MRI的图像，将这些图像导入到软件中进行三维模型重建。然后通过镜像技术将健康骨模型与畸形骨模型进行叠加，明确畸形位置以及畸形成都。随后在畸形愈合区域设置虚拟切割面，对切割下的骨块进行旋转以及移动，使其与健康骨模型相匹配，最后得到与骨模型匹配的截骨导板模型，用于输入3D打印机。
在基于医学影像数据进行三维模型重建的过程中，由于CT或MRI图像的不清晰或骨模型分割精度的限制，会不可避免地在重建得到的三维骨模型表面上产生噪声点。这些噪声点在视觉上表现为突兀的凸起或凹陷，使得模型表面看上去粗糙不光滑。在骨模型上存在的噪声点会导致截骨导板的数字模型上同样存在相匹配的噪声点，基于这样的数字模型，当截骨导板通过3D打印机加工成形后，与实际骨骼表面贴合精度不高，难以满足个性化需求。
在现有技术中，为了解决截骨导板与实际骨骼表面贴合精度的问题，通常在三维骨模型重建时加入平滑算法。平滑算法的基本逻辑是对构成三维骨模型的三角网格模型上的顶点进行插值坐标移动，使得每个顶点距离其他顶点的距离差值变小，起到平滑作用。
然而，人体的骨骼表面原本就存在一些生理性的凸起或凹陷的特征。现有的平滑算法无法分辨哪些点是生理性的特征、哪些是模型重建过程中产生的噪声点。因此经过现有技术中存在的平滑算法的处理，尽管噪声点得到了一定程度的平滑，但同时骨骼表面原本的特征也被平滑处理，使得骨模型丢了一部分生理性的特征，反而降低了模型重建的精度。最终导致导板的贴合精度仍然不高。
因此本领域技术人员致力于开发一种骨科手术导板设计方法，该方法采用一种保留特征的平滑算法，以提高手术导板与人体骨骼贴合的精度。
发明内容
为实现上述目的，本申请提供了一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、获取患者的医学影像数据；
步骤2、对所述医学影像数据中与手术相关的部分进行二维分割，得到骨骼掩模；
步骤3、对所述骨骼掩模进行三维重建，得到第一三维骨模型；
步骤4、对所述第一三维骨模型，采用保留特征的平滑算法进行模型平滑，得到第二三维骨模型。
步骤5、对所述第二三维骨模型上的手术相关部位的骨骼贴合面进行增厚，得到导板模型；
其中，所述保留特征的平滑算法被配置为保留骨模型上的生理特征。
进一步地，所述第一三维骨模型为三角网格模型，由若干个共边或共点邻接的三角形闭合围绕构成。
进一步地，所述保留特征的平滑算法具体包括：
步骤4.1、对于所述第一三维骨模型上的每一个三角形，计算三角形法向量：基于与所述三角形的边邻接三角形以及点邻接三角形的面积和方向向量，计算得到所述三角形的三角形法向量；
步骤4.2、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算顶点法向量：基于所述顶点所属的所述三角形的面积以及步骤4.1中得到的所述三角形法向量，计算得到所述顶点的顶点法向量；
步骤4.3、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算坐标偏移向量：基于所述顶点以及与其邻接的顶点的坐标和法向量，计算得到所述顶点的坐标偏移向量；
步骤4.4、基于所述顶点偏移向量对所述顶点进行坐标移动，以完成对所述第一三维骨模型的平滑，得到所述第二三维骨模型。
进一步地，步骤4.1中，所述三角形法向量计算公式为
Figure BDA0003717202910000021
其中，M(T)表示三角形t的所述三角形法向量，Ne(t)表示三角形t的边邻接三角形集合，Nv(t)表示三角形t的点邻接三角形集合，A(S)表示三角形的面积，N(S)表示三角形的方向向量。
进一步地，步骤4.2中，所述顶点法向量的计算公式为
Figure BDA0003717202910000031
其中，M(v)表示顶点v的所述顶点法向量，N(v)表示与顶点v邻接的三角形集合，A(T)表示三角形的面积，M(T)表示三角形的法向量。
进一步地，步骤4.3中，所述坐标偏移向量的计算公式为
Figure BDA0003717202910000032
其中，d(vi)表示顶点vi的坐标偏移向量，λ表示调节系数，为0～1之间的一个数；
此外，
Figure BDA0003717202910000033
其中lj表示顶点vi和其邻接的顶点vj之间的距离；
此外，
Figure BDA0003717202910000034
其中aj表示顶点vi的法向量和其邻接的顶点vj的法向量之间的夹角。
进一步地，λ设置值为0.2-0.4。
进一步地，步骤4.3中，所述坐标移动满足如下公式：
vi′＝vi+λid(vi)
其中，vi′表示顶点vi进行坐标移动后的坐标，d(vi)表示顶点vi的坐标偏移向量；
此外，
Figure BDA0003717202910000035
其中aj表示顶点vi的法向量和其邻接的顶点vj的法向量之间的夹角。
进一步地，步骤2中，采用阈值分割算法进行所述二维分割，并采用区域增长算法得到所述骨骼掩模。
进一步地，步骤3中，对所述骨骼掩模进行三维重建采用marching cube算法。
与现有技术相比，本申请的技术方案至少具备以下技术效果：
本申请提供的技术方案，由于采用了保留特征的平滑算法，能够识别三维骨骼模型上的噪声点和特征点，对于噪声点做平滑处理，同时保留骨骼原有的特征。因此基于本方法设计的导板，精度更高，与原骨骼表面的贴合效果更好，是骨科个性化治疗方案中必不可少的组成部分。
以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本申请的一个实施例的流程示意图；
图2是本申请的一个实施例中待处理的三维骨模型；
图3是邻接三角形定义示意图；
图4是一个待处理立方体示意图；
图5是采用现有技术处理得到的结果示意图；
图6是本申请的一个实施例采用的保留特征的平滑算法流程示意图；
图7是本申请的一个实施例对三维骨模型处理结果示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本申请的多个优选实施方式，使其技术内容更加清楚和便于理解。本申请可以通过许多不同形式的实施方式来得以体现，本申请的保护范围并非仅限于文中提到的实施方式。
实施例
如图1所示，本实施例提供一种骨科手术导板设计方法，具体包括以下步骤：
步骤1、获取患者的医学影像数据。在本实施例中，优选地可以获取CT或磁共振图像作为医学影像数据。
步骤2、对医学影像数据中与手术相关的部分进行二维分割，得到骨骼掩模。在本实施例中，优选地用阈值分割算法进行二维分割，并采用区域增长算法得到骨骼掩模。
步骤3、对骨骼掩模进行三维重建，得到第一三维骨模型。在本实施例中优选地，对骨骼掩模进行三维重建采用marching cube算法。
步骤4、对第一三维骨模型，采用保留特征的平滑算法进行模型平滑，得到第二三维骨模型。其中，保留特征的平滑算法能够自动识别第一三维骨模型上的凹凸为噪声点还是特征点，对噪声点进行坐标移动以完成平滑操作，而对特征点不进行坐标移动，或仅进行极小的坐标移动，以此保留第一三维骨模型上的生理特征。
步骤5、对第二三维骨模型上的手术相关部位的骨骼贴合面进行增厚，得到导板模型。
如图2所示为本实施例中经过步骤3得到的三维骨模型。该三维骨模型为一个胫骨模型。本申请提供的方法并不限于胫骨，对其他需要外科手术导板的部位均适用。从图2中可以看出，由于三维骨模型是三角网格模型，即是由数个互相邻接的三角形包围成的闭合模型。三角形由边和顶点组成。对于每一个三角形而言，在与其邻接的三角形中，或是公用一个边，形成边邻接三角形(如3中的“2”所示)；或是共用顶点，则形成点邻接三角形(如图3中的“1”所示)。在该三维骨模型上，由于原始采集的CT或MRI图像数据本身的问题，或是在对图像进行三维重建的过程中的数据处理过程中造成的问题，不可避免地产生一些噪声点。在这些噪声点位置，视觉效果为不合理的、突兀的凹凸不平或毛糙。这些凹凸不平实际是不存在于真实的骨骼表面的，而是在数据处理过程中产生。如果基于如图1这样的带噪声的三维骨模型去设计导板模型，则最终通过3D打印加工得到的导板与真实的骨骼贴合效果不好。因此需要引入平滑算法，对这个三维骨模型进行平滑，去除这些噪声点。
现有技术中存在的平滑算法，其基本原理是遍历三角网格模型中的所有三角形的顶点，当某个顶点与周围的其他顶点构成的平面距离过大时，对该顶点进行坐标移动，使得该顶点靠近由周围其他顶点构成的平面，从而减小模型表面凹凸不平的程度，达到表面平整的效果。
但实际上，人体骨骼表面原本就存在一些生理特征，包括表面的凸起、沟壑等等。这些特征在平滑算法看来，与噪声点无异，均属于超过一定阈值的凹凸不平。因此，在现有的平滑算法的处理下，这些生理特征造成的凹凸不平同样会被处理。即现有技术中的平滑算法无法分辨由噪声产生的表面凹凸不平，或是由生理特征产生的凹凸不平，均会进行平滑处理，结果导致三维骨模型表面的生理特征丢失。以如图4所示的立方体为例。如果采用现有技术中的平滑算法对图4中的立方体进行处理，则处理结果大致如图5所示。可以看到，尽管立方体的每个平面的表面平滑度得到了提升，但是立方体的两个互相垂直的平面相交所形成的棱边，以及三个相互垂直的平面相交所形成的顶点，同样被平滑算法进行了坐标移动。最终将平面平滑处理成了曲面，得到的模型甚至不像一个立方体。在这种情况下，平滑算法产生的误差甚至比噪声产生的误差更大。
而本实施例采用的保留特征的平滑算法，能够识别由数字噪声引起的表面凹凸不平，或者由生理特征形成的表面不平整。对噪声点和特征点进行不同程度的坐标移动，在处理噪声点的同时，保留模型原有的生理特征。如本实施例提供的保留特征的平滑算法具体包括以下步骤：
步骤4.1、对于第一三维骨模型上的每一个三角形，计算三角形法向量：基于与三角形的边邻接三角形以及点邻接三角形的面积和方向向量，计算得到三角形的三角形法向量。
优选地，三角形法向量计算公式为
Figure BDA0003717202910000051
其中，M(t)表示三角形t的三角形法向量，Ne(t)表示三角形t的边邻接三角形集合，Nv(t)表示三角形t的点邻接三角形集合，A(S)表示三角形的面积，N(S)表示三角形的方向向量。
步骤4.2、对于第一三维骨模型上的每一个顶点，计算顶点法向量：基于顶点所属的三角形的面积以及步骤4.1中得到的三角形法向量，计算得到顶点的顶点法向量。
优选地，顶点法向量的计算公式为
Figure BDA0003717202910000061
其中，M(v)表示顶点v的顶点法向量，N(v)表示与顶点v邻接的三角形集合，A(T)表示三角形的面积，M(T)表示三角形的法向量。
步骤4.3、对于第一三维骨模型上的每一个顶点，计算坐标偏移向量：基于顶点以及与其邻接的顶点的坐标和法向量，计算得到顶点的坐标偏移向量。
优选地，坐标偏移向量的计算公式为
Figure BDA0003717202910000062
其中，d(vi)表示顶点vi的坐标偏移向量，λ表示调节系数，为0～1之间的一个数；λ的较佳设置范围为0.2-0.4。在本实施例中优选地，λ设置为0.3。
此外，
Figure BDA0003717202910000063
其中lj表示顶点vi和其邻接的顶点vj之间的距离；
此外，
Figure BDA0003717202910000064
其中aj表示顶点vi的法向量和其邻接的顶点vj的法向量之间的夹角。
步骤4.4、基于顶点偏移向量对顶点进行坐标移动，以完成对第一三维骨模型的平滑，得到第二三维骨模型。
优选地，坐标移动满足如下公式：
vi′＝vi+λid(vi)
其中，vi′表示顶点vi进行坐标移动后的坐标，d(vi)表示顶点vi的坐标偏移向量；
此外，
Figure BDA0003717202910000065
其中aj表示顶点vi的法向量和其邻接的顶点vj的法向量之间的夹角。
经过保留特征的平滑算法处理后，效果如图7所示。可以看出，经过保留特征的平滑算法处理后，三维骨模型的表面光滑程度提升，但同时又保留了骨模型原有的生理特征。
本申请提供的方法中采用的保留特征的平滑算法能够识别噪声点和特征点，并对噪声点和特征点进行不同程度的坐标移动的详细原理如下：
特征点是基于医学影像数据生成，其特点是有效信息一般符合正态分布。即在凹凸区域与平整区域相比，顶点的数量较多，顶点与其邻接顶点之间的距离分布较离散，形成的三角形数量较多，面积较小，顶点的法向量与其邻接顶点之间的法向量的夹角分布较离散。因此特征点在经过本申请采用的保留特征的平滑算法处理后，其坐标移动量很少，基本保留原位置不变。因此本申请的方法得以保留骨模型原有的生理特征。
而噪声点是在对图像进行数学处理时随机生成，其有效信息一般符合平均分布。即在凹凸区域与平整区域相比，顶点的数量差异不大，因此顶点的数量较小，顶点与其邻接顶点之间的距离分布较集中，形成的三角形数量较少，面积较大，顶点与其邻接顶点之间的法向量的夹角分布较集中。因此噪声点在经本申请采用的保留特征的平滑算法处理后，其坐标移动量较大，起到更好的被平滑的效果。
采用本申请提供的导板设计方法，由于其中包括保留特征的平滑算法，因此建模精度更高。根据设计得到的导板模型加工导板后，与实际骨骼的贴合度显著提升。
以上详细描述了本申请的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本申请的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本申请的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、获取患者的医学影像数据；
步骤2、对所述医学影像数据中与手术相关的部分进行二维分割，得到骨骼掩模；
步骤3、对所述骨骼掩模进行三维重建，得到第一三维骨模型；
步骤4、对所述第一三维骨模型，采用保留特征的平滑算法进行模型平滑，得到第二三维骨模型。
步骤5、对所述第二三维骨模型上的手术相关部位的骨骼贴合面进行增厚，得到导板模型；
其中，所述保留特征的平滑算法被配置为保留骨模型上的生理特征。
2.如权利要求1所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，所述第一三维骨模型为三角网格模型，由若干个共边或共点邻接的三角形闭合围绕构成。
3.如权利要求2所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，所述保留特征的平滑算法具体包括：
步骤4.1、对于所述第一三维骨模型上的每一个三角形，计算三角形法向量：基于与所述三角形的边邻接三角形以及点邻接三角形的面积和方向向量，计算得到所述三角形的三角形法向量；
步骤4.2、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算顶点法向量：基于所述顶点所属的所述三角形的面积以及步骤4.1中得到的所述三角形法向量，计算得到所述顶点的顶点法向量；
步骤4.3、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算坐标偏移向量：基于所述顶点以及与其邻接的顶点的坐标和法向量，计算得到所述顶点的坐标偏移向量；
步骤4.4、基于所述顶点偏移向量对所述顶点进行坐标移动，以完成对所述第一三维骨模型的平滑，得到所述第二三维骨模型。
4.如权利要求3所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤4.1中，所述三角形法向量计算公式为
Figure FDA0003717202900000011
其中，M(T)表示三角形t的所述三角形法向量，Ne(t)表示三角形t的边邻接三角形集合，Nv(t)表示三角形t的点邻接三角形集合，A(S)表示三角形的面积，N(S)表示三角形的方向向量。
5.如权利要求3所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤4.2中，所述顶点法向量的计算公式为
Figure FDA0003717202900000021
其中，M(v)表示顶点v的所述顶点法向量，N(v)表示与顶点v邻接的三角形集合，A(T)表示三角形的面积，M(T)表示三角形的法向量。
6.如权利要求3所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤4.3中，所述坐标偏移向量的计算公式为
Figure FDA0003717202900000022
其中，d(vi)表示顶点vi的坐标偏移向量，λ表示调节系数，为0～1之间的一个数；
此外，
Figure FDA0003717202900000023
其中lj表示顶点vi和其邻接的顶点vj之间的距离；
此外，
Figure FDA0003717202900000024
其中aj表示顶点vi的法向量和其邻接的顶点vj的法向量之间的夹角。
7.如权利要求6所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，λ设置值为0.2-0.4。
8.如权利要求3所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤4.3中，所述坐标移动满足如下公式：
vi′＝vi+λid(vi)
其中，vi′表示顶点vi进行坐标移动后的坐标，d(vi)表示顶点vi的坐标偏移向量；
此外，
Figure FDA0003717202900000025
其中aj表示顶点vi的法向量和其邻接的顶点vj的法向量之间的夹角。
9.如权利要求1所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤2中，采用阈值分割算法进行所述二维分割，并采用区域增长算法得到所述骨骼掩模。
10.如权利要求1所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤3中，对所述骨骼掩模进行三维重建采用marching cube算法。
CN202210739501.6A 2022-06-28 2022-06-28 一种骨科手术导板设计方法 Pending CN115294264A (zh)

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