CN115887000A - 一种计算机模拟截骨术前计划方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种计算机模拟截骨术前计划方法，具体包括：获取三维骨模型、绘制骨力线、确定截骨面的位置、采用遮挡算法进行模拟截骨等步骤。其中，遮挡算法具体为在所述截骨面的位置生成虚拟截骨平面，以及依据所述三维骨模型上的顶点与所述虚拟截骨平面的相对位置关系，对所述三维骨模型上的顶点设置为可见或不可见。从而完成模拟截骨。本申请的技术方案由于不直接对模型进行三维布尔运算，因此需要运算的数据量大大减少，使得模拟截骨的成果展示速度显著提升。

Description

一种计算机模拟截骨术前计划方法

技术领域

本申请涉及基于计算机的手术导航系统领域，尤其涉及一种计算机模拟截骨术前计划方法。

背景技术

截骨术是一种骨科手术，其目的是将骨头切开以缩短、延长或改变其对齐方式。在截骨术中，一个典型的操作是采用薄片型的摆锯，将骨分割成两部分(或更多部分)。相应地，手术导航系统也会在其显示设备上将病患的三维骨模型分割成对应数量的部分，以实现实时跟踪手术状态。

在计算机模拟的术前计划中，三维骨模型是基于病患的医学影像学数据(如CT、MRI)进行三维模型重建得到的。考虑到数据计算和传输的效率，该三维模型通常是三角网格模型。因此，手术导航系统对于三维模型的分割，实际上是将一个三角网格模型，按某种规则分割成两个(或更多个)三角网格模型。

在现有技术中，对三角网格模型的分割的实现方法是采用一个平面作为一个特殊的三角网格模型(或一个三角网格模型的一部分)，通过三维布尔运算，求取骨模型与切割模型(或平面)的交集，并基于这个交集将骨模型分割成两个(或多个)三角网格模型。在求取交集的过程中，需要遍历两个三角网格模型中的每一个三角形片元，判定两两三角形片元是否相交，以及求取其交线。在模型较复杂的条件下(例如涉及遍历上百万个三角形片元)，该计算耗时较长，往往需要几秒甚至十几秒才能完成计算，严重影响用户体验和手术效率。另一方面，由于需要遍历每一个三角形片元，因此对两个三角网格模型的完整性有较高的要求，例如不能存在空洞、蜕化面等等。然而，三维骨模型是从二维的医学影像学数据重建得到，原始数据的采集、数据的数学处理的过程中，难免影响三维骨模型的完整性，使得其具有空洞、蜕化面等等问题。对于这样的三维骨模型，如果在进行三维布尔运算之前，必须对模型进行修补、平滑等操作。这些额外的操作也会占用了计算模拟的时间，使得模拟耗时进一步增加。

因此本领域技术人员致力于开发一种计算机模拟截骨术前计划方法，用以解决现有技术中存在的模拟截骨运算耗时较长的技术问题。

发明内容

为实现上述目的，本申请提供了一种计算机模拟截骨术前计划方法，具体包括以下步骤：

步骤1、获取三维骨模型；

步骤2、绘制骨力线；

步骤3、确定截骨面的位置；

步骤4、采用遮挡算法进行模拟截骨。

进一步地，步骤4中，所述遮挡算法具体包括以下步骤：

步骤4.1、在所述截骨面的位置生成虚拟截骨平面

步骤4.2、依据所述三维骨模型上的顶点与所述虚拟截骨平面的相对位置关系，对所述三维骨模型上的顶点设置为可见或不可见，使得可见的顶点与不可见的顶点能够拼接还原所述三维骨模型。

进一步地，步骤4.2中，以所述虚拟截骨平面为基础建立三维坐标系，形成截骨平面坐标系，具体地，所述虚拟截骨平面所在的位置定义为x-y坐标平面，垂直于所述虚拟截骨平面的方向定义为z轴。

进一步地，步骤4.2中，将所述三维骨模型上的顶点的坐标变换到所述截骨平面坐标系中，并计算顶点的z坐标数值；

将z坐标大于等于0的顶点设置为可见，z坐标小于0的顶点设置为不可见；或

将z坐标大于等于0的顶点设置为不可见，z坐标小于0的顶点设置为可见。

进一步地，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、根据所述股骨力线确定远端截骨面、后髁截骨面；

步骤3.2、导入包括五个平面的假体模型；

步骤3.3、将所述假体模型的第三平面与所述远端截骨面贴合，将所述假体模型的第一平面与所述后髁截骨面贴合；

步骤3.4、根据所述假体模型的剩余平面位置，确定剩余的所述虚拟截骨平面的位置。

进一步地，对于股骨模拟截骨，步骤2中的所述骨力线为股骨头球心和开髓点之间的连线。

进一步地，所述远端截骨面与所述骨力线垂直。

进一步地，对于模拟胫骨模拟截骨，步骤2中的所述骨力线为胫骨平台中心与踝关节中心的连线。

进一步地，所述截骨面与所述骨力线垂直。

进一步地，所述截骨面与所述胫骨平台中心的距离等于截骨量。

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：

1、本申请的技术方案在模拟截骨的过程中采用遮挡算法，不直接对模型进行三维布尔运算，因此需要运算的数据量大大减少，使得模拟截骨的成果展示速度显著提升。

2、由于不需要进行三维布尔运算，本申请的技术方案对骨模型的要求降低，即便是具有空洞或蜕化面的三维骨模型，同样可以进行模拟截骨，进一步降低模拟截骨运算耗时，提高效率。

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方法流程示意图；

图2是本申请的一个实施例所采用的的三维骨模型示意图；

图3是本申请的一个实施例中确定后髁截骨面的示意图；

图4是本申请的一个实施例中采用的假体模型结构示意图；

图5是本申请的一个实施例中假体模型位置确定示意图；

图6是本申请的一个实施例中假体模型的剩余平面位置确定示意图；

图7是本申请的一个实施例中步骤4的流程示意图；

图8是本申请的一个实施例的截骨效果示意图；

图9是本申请的一个实施例中采用的假体模型结构示意图；

图10是本申请的一个实施例的截骨效果示意图。

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1、模拟股骨截骨。

本实施例提供一种计算机模拟截骨术前计划方法应用于股骨远端截骨的实例。

如图1所示，本实施例具体包括以下步骤：

步骤1、获取三维骨模型。

在对截骨术进行术前计划之前，首先采集股骨部位的医学影像学图像，如CT、MRI等数据。通过三维模型重建技术将二维的医学图像重建成为三维模型，最终得到三角网格形式的三维骨模型。本实施中获取的股骨模型1如图2所示。

步骤2、绘制骨力线。

股骨力线，也称股骨机械轴，是指在股骨头球心至开髓点的一条假想的直线。股骨力线代表了人体下肢负重时股骨的力学传导方向。在本实施例中，如图2所示，通过人机交互来标记三维股骨模型上的股骨头球心11的位置以及开髓点13的位置，并将二者连接得到股骨力线12。

步骤3、确定截骨面的位置。

股骨远端的截骨术的目的是为安装膝关节假体提供环境和结构支持。因此其截骨量以及截骨位置需要基于所使用的膝关节假体来确定。

如图3所示，本实施例具体包括以下步骤：

步骤3.1、根据股骨力线12确定远端截骨面14、后髁截骨面16。

远端截骨面14是一个与股骨力线12垂直的平面。将股骨远端的内测、外侧的最低处连接形成股骨远端参考面，远端截骨面14与该股骨远端参考面平行。远端截骨面14与股骨远端参考面之间的距离即为截骨量，该截骨量根据采用的植入假体的尺寸进行预设。

将后髁内侧、外侧的最突出部分连接，形成后髁参考面。后髁截骨面16大致平行于后髁参考面，后髁截骨面16与后髁参考面之间的夹角设置在0～5度。后髁截骨面16与后髁参考面之间的空间为截骨量，根据采用的植入假体的尺寸进行预设。

步骤3.2、导入包括五个平面的假体模型2。

在本实施例中，采用一个假体模型代替实际手术中采用的假体植入物。如图4所示，该假体模型2的总体轮廓与股骨髁相似，在其内部设置有5个平面。为了将假体模型2与股骨远端进行固定，需要在股骨远端进行截骨，得到5个截骨面与之配合。其中，第一平面21与第三平面23大致垂直设置。第一平面21、第二平面22、第三平面23、第四平面24以及第五平面25依次连接构成一个半包围结构。

步骤3.3、将假体模型2的第三平面23与远端截骨面14贴合，将假体模型2的第一平面21与后髁截骨面16贴合。

如图4、图5所示，当假体模型2以人体直立姿势的情况放置时，第三平面23大致是与水平面平行的，第一平面21大致处于竖直方向。在本实施例中，采用计算机匹配算法，将第三平面23与远端截骨面14贴合、将第一平面21与后髁截骨面16贴合。由于远端截骨面14与后髁截骨面16是两个不平行的平面，当假体模型2的第三平面23与第一平面21的位置被唯一确定后，假体模型2的空间位置也被唯一确定。

步骤3.4、根据假体模型2的剩余平面位置，确定剩余的虚拟截骨平面的位置。

如图所示，当假体的位置被唯一确定以后，假体上的第二平面22、第四平面24以及第五平面25所处的位置，即为三维骨模型1上的剩余截骨面的位置。即，第二截骨面、第四截骨面、第五截骨面的位置被唯一确定。

步骤4、采用遮挡算法进行模拟截骨。

在本实施例中，采用遮挡算法进行模拟截骨。与传统的三角网格模型的分割方法不同的是，遮挡算法仅仅是将三角网格模型上顶点部分地设置为不可见，因此对三角网格模型本身并没有做实际的分割，其数据运算量大大减小。此外，还避免了使用三维布尔运算。三维布尔运算对三角网格模型的完整性有较高的要求，如果模型上存在空洞、蜕化面，则在运算执行之前需要对模型进行修补，因此会耗费额外的时间。而本实施例由于采用遮挡算法，在模拟速度上具有显著优势。

如图7所示，在本实施例中，步骤4具体包括：

步骤4.1、在截骨面的位置生成虚拟截骨平面。

步骤4.2、依据三维骨模型上的顶点与虚拟截骨平面的相对关系，对三维骨模型上的顶点设置为可见或不可见，使得可见的顶点与不可见的顶点能够拼接还原三维骨模型。

具体地，步骤4.2中，以虚拟截骨平面为基础建立三维坐标系，形成截骨平面坐标系，具体地，虚拟截骨平面所在的位置定义为x-y坐标平面，垂直于虚拟截骨平面的方向定义为z轴。将三维骨模型上的顶点的坐标变换到截骨平面坐标系中，并计算顶点的z坐标数值。

将z坐标大于等于0的顶点设置为可见，z坐标小于0的顶点设置为不可见；或

将z坐标大于等于0的顶点设置为不可见，z坐标小于0的顶点设置为可见。

如此设置，在虚拟截骨平面生成的时候，会将三维骨模型“分割”成两部分：可见部分和不可见部分。对于用户而言，不可见部分即在截骨过程中被去除的部分，尽管模型实际仍然是完整的，但是同样实现了对截骨过程以及结果的模拟。

如图8所示，为对本实施例中采用的股骨模型1进行模拟截骨的效果图，其中，图8a为截骨前状态示意图。图8b为虚拟截骨平面的位置被确定后的状态示意图，在图8b中，每一个虚拟截骨平面对三维骨模型进行的不可见设置采用不同深度的颜色表示。图8c为截骨后的状态示意图，经过5次“截骨”，三维骨模型看起来被“切削”了5次，从而在其表面形成5个平面，用于与假体模型2上的5个平面匹配。

实施例2、模拟胫骨截骨

本实施例采用的模拟截骨方法与实施例1类似，具体包括：

步骤1、获取三维骨模型；

步骤2、绘制骨力线；

步骤3、确定截骨面的位置；

步骤4、采用遮挡算法进行模拟截骨。

与实施例1不同的是，本实施例在步骤1中，获取调用的是胫骨的三维骨模型。在步骤2中，绘制的骨力线为胫骨解剖轴。

在步骤3中，如图9所示，由于胫骨近端安装的假体植入物4只有一个配合平面41，因此胫骨截骨面也只需要一个。胫骨截骨面设置为与胫骨力线垂直，胫骨截骨面与胫骨平台中心的距离为截骨量，根据假体植入物4的尺寸预设。

在步骤4中采用与实施例1相同的遮挡算法进行模拟截骨。胫骨模拟截骨的效果图如图10所示。其中，图10a为截骨前的状态示意图。图10b为虚拟截骨平面的位置被确定后的状态示意图。图10c为截骨完成后，胫骨的三维骨模型3被“切削”后形成一个平面，用于与平面41配合。

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作出诸多修改和变化。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)

1.一种计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、获取三维骨模型；

步骤2、绘制骨力线；

步骤3、确定截骨面的位置；

步骤4、采用遮挡算法进行模拟截骨。

2.如权利要求1所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，步骤4中，所述遮挡算法具体包括以下步骤：

步骤4.1、在所述截骨面的位置生成虚拟截骨平面

步骤4.2、依据所述三维骨模型上的顶点与所述虚拟截骨平面的相对位置关系，对所述三维骨模型上的顶点设置为可见或不可见，使得可见的顶点与不可见的顶点能够拼接还原所述三维骨模型。

3.如权利要求2所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，步骤4.2中，以所述虚拟截骨平面为基础建立三维坐标系，形成截骨平面坐标系，具体地，所述虚拟截骨平面所在的位置定义为x-y坐标平面，垂直于所述虚拟截骨平面的方向定义为z轴。

4.如权利要求3所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，步骤4.2中，将所述三维骨模型上的顶点的坐标变换到所述截骨平面坐标系中，并计算顶点的z坐标数值；

将z坐标大于等于0的顶点设置为可见，z坐标小于0的顶点设置为不可见；或

将z坐标大于等于0的顶点设置为不可见，z坐标小于0的顶点设置为可见。

5.如权利要求4所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，步骤3具体包括以下步骤：

步骤3.1、根据所述股骨力线确定远端截骨面、后髁截骨面；

步骤3.2、导入包括五个平面的假体模型；

步骤3.3、将所述假体模型的第三平面与所述远端截骨面贴合，将所述假体模型的第一平面与所述后髁截骨面贴合；

步骤3.4、根据所述假体模型的剩余平面位置，确定剩余的所述虚拟截骨平面的位置。

6.如权利要求5所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，对于股骨模拟截骨，步骤2中的所述骨力线为股骨头球心和开髓点之间的连线。

7.如权利要求6所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，所述远端截骨面与所述骨力线垂直。

8.如权利要求1所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，对于模拟胫骨模拟截骨，步骤2中的所述骨力线为胫骨平台中心与踝关节中心的连线。

9.如权利要求8所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，所述截骨面与所述骨力线垂直。

10.如权利要求9所述的计算机模拟截骨术前计划方法，其特征在于，所述截骨面与所述胫骨平台中心的距离等于截骨量。

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