CN116615151A - 用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法 - Google Patents

用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法 Download PDF

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Abstract

一种用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法，包括：获得旨在接纳椎弓根骨螺钉的目标骨区域的CT图像，基于CT图像建立目标骨区域的个性化三维几何模型，访问包括三维骨区域模型的数据库；其中所述骨区域模型包括用于每个椎弓根的骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20′)，将所述骨区域模型变形为目标骨区域的几何模型，以及生成具有骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20′)的变形椎骨模型(47)，针对目标骨的变形椎骨模型(47)中的骨螺钉，当骨材料被骨螺钉替换时计算最大骨密度，并且输出在目标骨的变形椎骨模型中的骨螺钉的螺钉轨迹的空间矢量以及骨螺钉的长度和直径。

Description

用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法
技术领域
本发明涉及一种用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法，一种包括用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的装置的数据处理系统，以及一种包括指令的计算机程序产品，当该程序由计算机执行时，该指令使计算机规划椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹。
背景技术
CN 110946652 A公开了一种骨螺钉的螺钉轨迹确定方法，包括以下步骤：建立目标骨的个性化三维几何模型和包含骨密度的空间分布信息的三维骨密度模型，设置骨螺钉参数，并计算骨螺钉轨迹的空间矢量，计算骨螺纹的空间螺旋线作为骨螺钉螺纹曲线；将骨螺钉螺纹曲线放置于目标骨的个性化三维几何模型中，提取在目标骨的个性化三维几何模型中在与骨螺钉螺纹接触点处的骨密度，并计算接触位置处骨密度的平均值；根据骨螺钉参数、骨密度和骨密度分布确定骨螺钉轨迹。根据该方法，通过获得骨和骨螺钉接触位置在三维尺度上的坐标，精确地确定了螺钉螺纹周围的骨密度，并且允许根据骨螺钉的固定性能确定骨螺钉的螺钉轨迹。
US 2017/112575A1公开了一种体现可由机器执行的指令程序的非暂时性计算机可读介质，以执行用于椎弓根螺钉定位的操作，该操作包括：接收脊柱的至少一部分的图像数据；分割图像数据中的至少一个感兴趣的椎骨；确定感兴趣的分割椎骨内的两个椎弓根区域；确定感兴趣的分割椎骨内的一个或多个安全区域；在所述一个或多个安全区域内生成两个最佳插入路径，其中所述两个最佳插入路径穿过椎弓根区域的相应中心；以及显示用于椎弓根螺钉定位的两个最佳插入路径。该方法使用体素和感兴趣的分割椎骨内的体素与最近的椎骨边缘的距离来确定要植入的螺钉的安全区域，如果到这种边缘的距离大于阈值距离，则将体素分配给安全区域。
US 2004/240715A1公开了一种用于确定椎弓根螺钉的放置的方法，包括从一组2D图像中确定在患者体内放置这种椎弓根螺钉的轨迹，其中确定轨迹的步骤包括：通过确定包含被研究椎骨的所有2D图像切片的最小横向椎弓根宽度来计算椎弓根螺钉的最佳植入轨迹，并针对被研究椎骨确定所有2D图像切片的最小横向椎弓根的总最小横向椎弓根宽度。
CN 109199604 A公开了一种椎弓根螺钉最佳进入点定位方法，该方法基于三维网格模型的特征向量作为决策树分类模型的输入。
发明内容
基于该现有技术，本发明的一个目的是提供一种替代方法，以基于患者特定的骨特性，尤其是被替换螺钉体积的骨密度，优化螺钉参数，该螺钉参数包括尺寸和定向。
根据本发明，该目的通过独立权利要求1的特征来解决。此外，从从属权利要求和说明书中得出进一步的有利实施例。
特别地，该目的通过一种用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法来实现，该方法包括以下步骤：
-获得旨在接纳椎弓根骨螺钉的目标骨区域的CT图像，
-基于包括骨密度信息的CT图像建立目标骨区域的个性化三维几何模型，
-访问包括三维骨区域模型的数据库；其中所述骨区域模型包括骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面，
-将骨区域模型变形为目标骨区域的几何模型，生成具有骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面的变形椎骨模型，
-当骨材料被目标骨区域的变形椎骨模型中的椎弓根骨螺钉替换时，计算使骨密度最大化的椎弓根骨螺钉的最佳螺钉轨迹，以及
-输出目标骨的变形椎骨模型中的用于椎弓根骨螺钉的最佳螺钉轨迹以及骨螺钉的长度和直径。
要访问的数据库包括与具有预定骨螺钉插入表面和预定椎弓根横向表面的三维骨密度模型相关的数据。根据所公开的实施例，三维骨密度模型基于检查的骨样本并在其上训练。然后，变形步骤允许将这些骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面自动转移到感兴趣椎骨的3D骨图像模型上。
根据公开的实施例，骨区域模型的变形包括在目标骨的几何模型内提供3D椎弓根横向表面。这用于识别可能的骨螺钉轨迹。根据公开的实施例，用于椎弓根横向表面的2D椎弓根横向表面基于3D椎弓根横向表面，并被确定为椎弓根中最小横向椎弓根宽度的平面。最小横向椎弓根宽度的平面对应于3d椎弓根横向表面的平面(横向面)，其中椎弓根在横向方向上具有最小宽度。
3D横向表面和2D横向表面在数据库内的目标骨区域的几何模型中建模，并且与目标骨区域上的几何模型的其他元素一起变形。这允许在没有对感兴趣的椎骨区域进行直接评估的情况下开始计算。
骨区域模型的变形步骤可以以替代方式包括在几何变形椎骨模型内提供矢状平面，以确定椎弓根横向表面。根据另一实施例，骨区域模型的变形可以包括确定几何变形椎骨模型内的椎孔，以将椎弓根横向表面确定为椎孔侧面上的最小骨材料直径。
根据所公开的实施例，在确定椎弓根横向表面的2D椎弓根横向表面的过程中，提供作为轮廓安全距离的第一阈值。这种安全距离可以是例如1或2.5mm，并且作为椎弓根外边缘内的3D曲线生成，并且划界在该方法中使用的3D和随后的2D椎弓根横向表面中使用的体素。此外，作为长度安全距离的第二阈值可以在基于骨区域的主体的主体侧表面确定螺钉长度过程中提供，以便不计算将超出椎骨的主体区域的另一侧的解(即，螺钉轨迹和椎弓根骨螺钉的长度和直径)。
此外，预定骨区域的主体的矢状平面为螺钉的轮廓和尖端提供了第三阈值，限定了用于螺钉的禁止区域，所述螺钉不必通过所述该禁止区域，以便将任何一个骨螺钉引入到椎弓根的同一主体中，或者仅将两个骨螺钉中的一个以两个骨螺钉不占据同一位置的方式引入到同一主体中。
计算步骤的起始条件可以包括起始螺钉的值，其中在一侧，该起始螺钉的中心轴线穿过2D椎弓根横向表面的中心点，而在另一侧，起始螺钉的包络圆柱体的骨螺钉插入表面在相应的插入表面内。
在替代方案中，可以选择插入点旁边的椎弓根场表面中的起始点，以包括3D横向表面内的螺钉轨迹的最中心部分，例如，使用连接螺钉圆柱体的选定插入点/表面和由此限定的3D椎弓根横向表面的中心的最小二乘法。根据公开的实施例，在目标骨的几何模型中，计算步骤被提供有螺钉长度、具有预定最大长度的边界条件的螺钉直径和预定最大直径的起始参数。
本发明的步骤可以在包括用于执行方法权利要求的步骤的装置的数据处理系统上执行。数据处理系统包括用于具有统计形状模型(SSM)的数据库的计算机存储系统和用于输入CT图像的数据存储器。这些图像可以提前或及时制作，用于计算螺钉轨迹。数据处理系统通常还包括输入单元，如键盘、鼠标或触摸屏/平板，以例如选择感兴趣的椎骨，并且还包括输出装置，如对螺钉的计算数据的显示和对这种计算数据的存储。
本文进一步公开了一种计算机程序产品，其包括指令，当该程序由计算机执行时，该指令使得计算机执行根据本文公开的任一实施例的方法的步骤。
在从属权利要求中列出了本发明的进一步实施例。
本文公开的实施例的目的是提供一种有效的方法，当骨材料被目标骨区域的变形椎骨模型中的椎弓根骨螺钉替换时，该方法确定椎弓根骨螺钉的最佳螺钉轨迹以最大化骨密度。这个目的由权利要求10的特征来解决。特别地，确定最佳螺钉轨迹的特别有效的方法包括：
-使用骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面识别变形椎骨模型的可能投影平面的空间；
-扫描可能投影平面的空间，以便确定一组交叉区域密度投影；
-扫描该组交叉区域密度投影并计算相应的投影骨密度得分；
-将最佳螺钉轨迹确定为具有与投影平面垂直的方向，该投影平面对应于投影骨密度得分投影骨密度得分的最高得分。
根据特定实施例，使用目标骨区域的三维几何模型和最佳螺钉轨迹来确定骨螺钉的长度，作为在骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面之间在最佳螺钉轨迹方向上的距离。
根据特定实施例，识别变形椎骨模型的可能投影平面的空间的步骤包括：围绕目标骨区域的中心在变形的椎骨模型中限定球体；将可能的投影平面的空间限定为垂直于球体表面的一组平面；以及将可能的投影平面的空间限制为在骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面之间具有正交叉的投影平面组。
根据特定实施例，扫描可能投影平面的空间以便确定一组交叉区域密度投影的步骤包括：在可能投影平面的空间内选择多个离散分布的投影平面；为多个离散分布的投影平面中的每一个确定骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面的交叉区域；以及对在交叉区域内并垂直于投影平面的变形椎骨模型的所有体素(表示骨密度)求和，以获得相应的交叉区域密度投影。
根据特定实施例，扫描该组交叉区域密度投影并计算相应的投影骨密度得分包括对由一个或多个可能的骨螺钉直径划界的区域内的交叉区域密度投影的体素进行求和，以用于相应交叉投影内的骨螺钉的每个可能位置，其中最佳螺钉轨迹具有穿过螺钉直径中心的轴，该螺钉直径对应于投影骨密度得分投影骨密度得分的最高得分。
根据特定实施例，在准备步骤中，从变形的椎骨模型中移除/删除目标骨区域之外的体素。变形的椎骨模型的剩余体素包括与目标骨区域相关的骨密度信息。
根据更进一步的实施例，为了改进算法的性能，对可能投影平面的空间的扫描可以在第一次迭代中相对粗略地完成。在接近具有最高投影骨密度得分的可能投影平面附近，然后在可能投影平面的更窄空间中限定一组新的交叉区域密度投影，在先前迭代中发现高得分的位置处具有更精细的分辨率。该迭代过程可以重复，可选地与优化函数结合，从而产生确定最佳螺钉轨迹的非常有效的方法。
附图说明
下面参照附图描述本发明的优选实施例，这些附图是为了说明本发明的优选实施例的目的，而不是为了限制本发明的目的。在附图中，
图1示出了根据本发明实施例的方法的流程图；
图2示出了两个不同的CT视图和3D模型图像，CT视图具有掩膜的感兴趣椎骨，3D模型图像表示与模型图像中表示的实际骨相关的CT数据；
图3A示出了从感兴趣的椎骨上方观察的示意图，反映了矢状平面不同侧上的两个实施例；
图3B示出了从图3A的左侧观察的侧视图，具有根据本发明的所述实施例的插入和椎弓根表面；
图3C示出了从图3A的右侧观察的侧视图，具有根据本发明的所述实施例的插入和椎弓根表面；
图4A示出了从感兴趣的椎骨上方观察的示意性透视图，其中一个螺钉插入根据本发明提供的配置中；
图4B示出了从图4A所示的椎骨上的侧面观察的示意性透视图；
图5示出了根据特定实施例的计算椎弓根骨螺钉的最佳螺钉轨迹的流程图；
图6示出了根据特定实施例的识别可能投影平面的空间的子步骤的流程图；
图7示出了根据特定实施例的扫描可能投影平面的子步骤的流程图；
图8示出了根据特定实施例的扫描交叉区域密度投影的流程图；
图9示出了变形椎骨模型的体素的示意性透视图；
图10示出了在球体表面上限定的节点的透视图(以目标骨区域为中心)，这些节点位于球体的经线和纬线的交叉处；
图11A-11C示出了垂直于以目标骨区域为中心的球体的变形椎骨模型的可能投影平面的一系列示意性透视图；
图12A示出了变形椎骨模型的投影平面；
图12B示出了图12A的变形椎骨模型的投影平面，其中标记了骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面；
图12C示出了图12A和12B的变形椎骨模型的投影平面，标识了骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面的交叉区域；和
图12D示出了图12A、12B和12C的变形椎骨模型的投影平面，图示了在交叉区域密度投影内具有可能直径的椎弓根螺钉的可能定位的扫描。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的方法的流程图，描述了为需要脊柱融合的患者确定最佳椎弓根螺钉尺寸和定向的方法。该优化方法需要数据收集步骤1，该步骤涉及作为由离散体素组成的3D计算机断层摄影(CT)获得的医学成像数据。CT图像包括允许确定针对离散体素提取和存储的骨密度信息的信息。获得3D计算机断层摄影数据的步骤也可以通过访问其中存储预先记录的图像的数据库来实现。此外，使用3D计算机断层摄影数据的目的是双重的。一方面，如将要解释的，使用该数据来创建感兴趣的椎骨43的数据模型45，该椎骨是(一个或多个)椎弓根骨螺钉60将要插入的椎骨。另一方面，图像数据包括关于骨特性的信息，其可以与离散体素的空间相关。将数据附加到特定体素的这个步骤可以在步骤1和步骤7结束(见下文)之间的任何时间执行，即在优化计算开始之前。
椎弓根螺钉松动是一种临床并发症，通常与低骨矿物质密度有关。因此，基于患者特定骨特性的椎弓根螺钉的优化可以支持外科医生确定脊柱融合。
以下对图1的流程图的解释通过引用在椎骨、相关数据模型45和变形椎骨模型47的表示中使用的附图标记参考其他附图来补充。
在分割步骤3中，获取并分割描绘感兴趣的脊柱部分的3D患者图像41、42，以提取需要被装备的所有椎骨43的3D几何模型45。
此外，预先提供单个统计形状模型，或简称为SSM，作为步骤2，其具有骨螺钉插入表面10和椎弓根横向表面20或体素平面的预定点，作为数据输入，用于步骤3的分割椎骨图像的下一处理步骤。根据公开的实施例，使用3D椎骨模型的综合数据集为不同椎骨训练SSM。步骤2得到的统计可变形模型能够表示大范围的椎骨几何形状，并且可以在步骤3的分割患者模型45上变形。该变形步骤4是在3D几何模型45上提供预定SSM的变形，螺钉要植入感兴趣的椎骨43，创建变形的椎骨模型47。
在来自步骤2的可变形模型上，相关表面10、20和/或20′、58被标记以初始化优化过程：椎弓根骨螺钉插入表面10、3D椎弓根横向表面20′、2D椎弓根横向表面20和终板51、51′之间的椎骨体的圆周轮廓58。骨螺钉插入表面10是在SSM(统计形状模型)上限定的表面，在其中螺钉体可以进入椎骨材料。
从步骤3应用模板模型的特定变形步骤4的本方法允许自动识别椎骨结构上的解剖表面10、20、20′、58。该方法的整合减少了确定所需的人工步骤，改进了其准确性和稳健性。
变形步骤4识别来自步骤3的患者椎骨模型45上的解剖表面。这些点首先用于将SSM刚性地放置在相应的脊柱水平。此外，在配准步骤5中，执行用于图像非刚性配准的点集，其使患者的分割椎骨43上的SSM变形。
可以结合图2来解释这些步骤4和5，图2示出了两个不同的CT视图41、42和3D模型图像45，CT视图41、42具有由相应的线44划界的掩膜的感兴趣椎骨43，该3D模型图像45表示与图2的模型图像中表示的实际骨相关的CT数据，其实际上是体素的数据集。根据在此公开的实施例，该方法使用多于两个不同的CT视图41、42，其作为两个CT平面的示例示出，这两个CT平面在此从垂直主体线的角度看以直角交叉。
3D模型图像45示出了感兴趣的椎骨43，其具有上终板(superior end plate)51、下终板(inferior end plate)51′、椎弓根52、横突和肋骨关节面(transverse processand coastal facet)53、上关节面(superior articular facet)54、棘突(spinousprocess)55、椎孔56和主体57。通过图像和物理坐标系之间的坐标变换，将变形的3D模型47放置在输入CT图像模型45中。使用在与输入CT图像41、42配对的信息中限定的体素特性来限定变换。3D模型45用于掩膜CT图像41、42，保留感兴趣椎骨43内的体素强度信息，称为Hounsfield单位(HU)。体素强度值被转换成骨材料特性(杨氏模量)：
ρapp＝47+1.22*HU (1)
Emod＝757*(ρapp)1.94 (2)
在变形后，来自步骤3的标记终板51、51′的轮廓59允许自动识别患者的椎弓根区域。使用区域生长方法从终板51、51′中心沿径向创建椎弓根区域内的均匀网格。极坐标系被限定在脊椎模型的上终板51上。在一个替代方案中，下终板51′用于它。限定终板边界59的点通过在椎骨终板51或51′周围以一致的步幅增加它们的径向分量8而移动。对于每个径向增加，在椎骨43的轴向方向上生成均匀的网格，导致垂直于径向方向围绕终板51、51′增加的2D表面。在整个椎骨主体57周围生成体积网格，并且由于椎弓根52是从其侧面延伸的唯一结构，位于椎骨3D模型内的体积网格的点代表椎弓根区域内的点。此外，椎弓根52内的点必须被选择具有与椎骨边界垂直距离的阈值。这样的阈值可以被选择为至少1mm或2.5mm，作为选择的最小安全距离21，该最小安全距离21避免椎弓根骨螺钉60(见图4A)穿透椎弓根壁。在附图中，参考数字21用于显示3D椎弓根横向表面20或2D椎弓根横向表面20和椎弓根壁表面之间的距离。网格的分辨率取决于输入CT图像之一，以便在优化中包括所有的体素信息。
3D椎弓根横向表面20′和2D椎弓根横向表面20的上述确定是基于终板51、51′。在替代方法中，可以使用矢状平面35，通过棘突面55和穿过终板51、51′的中心线可以容易地识别该矢状平面35。在另一种替代中，可以识别椎孔56并用于确定椎弓根52，其中2D椎弓根横向表面20是骨材料的最小直径部分。
在描绘椎弓根区域的3D椎弓根横向表面20′的3D均匀网格内，2D椎弓根横向表面20可以在总的最小横向椎弓根宽度处确定。该2D椎弓根横向表面20上的点与骨螺钉插入表面10中的点一起限定了椎弓根螺钉60的螺钉轨迹61。围绕终板51、51′的主体57的轮廓59包括主体侧表面58。作为进一步的安全距离，考虑到距该主体侧表面58的最小安全距离22，主要限制螺钉的长度。这些安全距离确保椎弓根骨螺钉60不会穿孔椎骨壁。
此外，除了主体侧表面58之外，矢状平面35为椎弓根螺钉60提供了进一步的边界平面，当通常两个椎弓根骨螺钉60穿过两个椎弓根52放置时，因为两个椎弓根骨螺钉60不应该干扰另一个的放置。可以为一个椎弓根骨螺钉60提供不考虑该边界条件的解决方案(螺钉轨迹)，并且如果这些解决方案是兼容的，即没有被计算为占用相同的空间，则可以将其与用于另一个螺钉检查的解决方案相结合。来自步骤3的骨螺钉插入表面与SSM一起在患者椎骨43上变形。在变形模型47上，骨螺钉插入表面10以及分别位于椎弓根内的3D和2D椎弓根横向表面20′和20在图3A、3B和3C中显示为阴影线。注意，变形的3D模型的表示本身是不完整的，因为它还包括，至少在计算步骤之前，关于骨特性尤其是骨密度的信息。
根据步骤4来自变形3D模型的插入物10和椎弓根横向表面20、20′以及骨边缘，特别是侧表面58，限定了优化空间。来自网格的插入表面10和椎弓根横向表面20的点的组合限定了螺钉轨迹61。
用于优化的输入参数是骨螺钉插入表面10上的插入点、椎弓根点，即2D椎弓根横向表面20的网格区域中的螺钉中心、螺钉直径和螺钉长度，考虑到主体侧表面58，可选地从表面距离22中扣除，所有这些都被优化以避免使用来自步骤4的变形椎骨模型47的骨结构的穿孔。根据公开的实施例，插入点被选择在划界为骨螺钉插入表面10的表面的中心周围。插入点严格来说不是一个点，而是通常不平坦的椎骨表面的3D表面与螺钉体的圆柱形模型表面的截面，并且实际上是3D表面。如上所提及的，2D椎弓根横向表面20中的起始点可以被选择为2D椎弓根横向表面20的中心，从而限定螺钉轨迹61。在其他实施例中，可以选择插入点旁边的椎弓根横向表面20、20′中的起始点，以包括3D椎弓根横向表面20′内的螺钉轨迹61的最中心部分，例如，用最小二乘法连接选择的插入和由此限定的3D椎弓根横向表面20′的“中心”。
步骤8包括迭代计算，其被实现用于比较输入参数(骨螺钉插入表面10、椎弓根点，即2D椎弓根横向表面20的网格区域中的螺钉中心、螺钉直径和螺钉长度)的组合，并提取最佳解，其可以是基于参数的遗传计算方法，所述参数诸如为每次迭代中的样本大小、突变百分比、传递到下一次迭代的最佳情况百分比等，如本领域技术人员所知。考虑到外科医生的选择，也可以提供有限数量的最佳或接近最佳的解。使用输入参数的组合来创建简化(近似)椎弓根骨螺钉60的圆柱体，并沿着预定的螺钉轨迹61将其放置在3D变形椎骨47模型中。首先，该计算从步骤4中排除了穿孔变形椎骨模型47的圆柱体。如果螺钉没有穿孔，使用CT图像41、42和物理坐标系之间的坐标变换，将圆柱体放置在来自步骤5的3D图像掩模(imagemask)中。包含骨材料特性值的图像体素在螺钉体积内被提取，并用于计算骨材料在圆柱体内的分布。
为了初始化优化方法，创建了参数组合的随机群体。使用骨密度计算来测试每个组合。测试后，引入参数的随机变化和重组来为下一次迭代创建群体。最后一次迭代中的群体包含性能最佳的参数组合。
骨材料特性的分布被限定为每个参数组合的性能，从而用于优化最终的解。由优化产生的最佳螺钉轨迹和螺钉尺寸是最大化螺钉体积内基于体素的骨材料特性的一个，这是步骤9的输出。如上所提及的，输出还可以包括多个最佳或接近最佳的解，这些解在处理、不同螺钉之间的螺钉头连接等方面具有不同的优点。
现在转向图5至12，将描述计算椎弓根骨螺钉60的最佳螺钉轨迹61(步骤8)的特别有效的实施例。
图5示出了计算椎弓根骨螺钉的最佳螺钉轨迹61的步骤8.1至8.6的流程图。
在第一预备步骤8.1中，从变形的椎骨模型47中移除/删除目标骨区域43(在图9中用深灰色示出)之外的体素。变形椎骨模型47的剩余体素(在图9中用浅灰色示出)包括与目标骨区域43相关的骨密度信息。
根据进一步的实施例，变形椎骨模型47的体素网格被下采样，以便改进计算的性能。
在第二步骤8.2中，使用骨螺钉插入表面10和椎弓根横向表面20来识别变形椎骨模型47的可能投影平面的空间。将参考图6描述子步骤8.2的细节，图6示出了根据特定实施例的识别可能投影平面的空间的步骤的子步骤8.2.1至8.2.3的流程图。在子步骤8.2.1中，围绕目标骨区域43的中心在变形椎骨模型47中限定球体S(参见图10)。在子步骤8.2.2中，确定可能的投影平面的空间，可能的投影平面垂直于球体S的表面。可能的投影平面的空间(如图11A至11C所示，包括不可行的投影平面)在步骤8.2.3中以这样的方式划界，使得仅保留在骨螺钉插入表面10和椎弓根横向表面20之间具有正交叉的投影平面，投影垂直于投影平面，从而获得可能的投影平面的空间。
在第三步骤8.3中，扫描可能投影平面的空间，以便确定一组交叉区域密度投影Idp1-n。将参考图7描述子步骤8.3的细节，图7示出了扫描可能投影平面的步骤8.3的子步骤8.3.1至8.3.3的流程图。在第一子步骤8.3.1中，从可能的投影平面的空间中获得离散分布的投影平面P1-n的子集。根据特定实施例，如图10所图示，如在图11A至11C的序列图所示，在球体的经线和纬线的交叉处，在球体P的表面上限定节点。球体的经线和纬线根据限定的分辨率等距离间隔。离散分布的投影平面P1-n垂直于球体S布置在所述节点处，但是在步骤8.2.3中划界的正交叉的空间内。在随后的子步骤8.3.2中，如在图12A至12C的序列图所描绘的，在离散分布的投影平面P1-n的子集的每个投影平面P1-n上，确定骨螺钉插入表面10和椎弓根横向表面20的交叉区域I1-n，所获得的交叉区域I1-n限定了可能的螺钉轨迹的空间。此后，在子步骤8.3.3中，在交叉区域I1-n内并垂直于投影平面P1-n的变形椎骨模型47(表示骨密度)的所有体素被求和，以获得每个离散分布的投影平面P1-n的相应交叉区域密度投影Idp1-n。交叉区域密度投影Idp1-n的体素各自限定了投影在相应投影平面P1-n上的所有骨密度的总和。根据本文公开的实施例，CT图像的Hounsfield单位(HU)值被直接使用或者在根据杨氏模量被转换成骨材料特性之后被使用，以获得交叉区域密度投影Idp1-n。
在第四步骤8.4中，用交叉投影I1-n内可能的骨螺钉直径D1-n和/或可能的位置L1.1-x.y扫描每个交叉区域密度投影Idp1-n。将参考图8描述子步骤8.4的细节。在第一迭代子步骤中，对于每个交叉投影I1-n.，对由可能的骨螺钉直径D1-m划界的区域内的交叉区域密度投影Idp1-n的体素进行求和。对每个可能的骨螺钉直径D1-m和相应交叉区域I1-n内相应骨螺钉直径D1-m的每个可能位置L1.1-x.y重复这一过程，以获得相应的投影骨密度得分Pbds1.1.1.1-Pdbsn.m.x.y。交叉区域I1的扫描在图12D上图示，其中黑色块箭头图示出了相应交叉区域I1内特定螺钉直径D1-m的可能位置P1.1.x.y的扫描。
此后，在步骤8.5中，最佳螺钉轨迹被确定为具有垂直于投影平面P1-n的方向，分别是穿过螺钉直径D1-m的中心的轴，螺钉直径D1-m对应于最高投影骨密度得分PbdsMAX。
确定了最佳螺钉轨迹之后，在步骤S8.6中，使用目标骨区域43的三维几何模型45和最佳螺钉轨迹来确定骨螺钉长度，特别作为在骨螺钉插入表面10和椎弓根横向表面20之间在最佳螺钉轨迹方向上的距离。
根据进一步的实施例，如在图5中用虚线箭头所图示，扫描可能的投影平面和扫描交叉密度投影的过程(步骤8.3和8.4)是一个迭代过程。为了改进算法的性能，增量扫描投影平面(步骤3)可以在第一次迭代中相对粗略地完成。特别地，分别限定离散分布的投影平面P1-n所限定的节点的经线的分辨率较低。
在随后的迭代中，围绕具有(一个或多个)最高投影骨密度得分Pbds(在步骤4中计算)的(一个或多个)可能投影平面近邻域(在围绕目标骨区域的中心跨越的球体上的角近邻域)限定新的投影平面。具体而言，离散分布的投影平面的新子集是围绕具有(一个或多个)最高投影骨密度得分Pbds的(一个或多个)可能投影平面近邻域而确定的，其分辨率与(一个或多个)先前迭代相比有所增加。使用离散分布投影平面P1-n的新子集再次执行步骤8.3.2、8.3.3和8.4。
这个迭代过程(步骤8.3和8.4)被重复限定的迭代次数。替代地或附加地，重复迭代过程，直到当前迭代的最高投影骨密度得分PbdsMAX等于前一次迭代的最高投影骨密度得分PbdsMAX，或者超过前一次迭代的最高投影骨密度得分PbdsMAX不多于阈值改进余量。可选地，迭代过程与优化函数相结合，产生确定最佳螺钉轨迹的非常有效的方法。
最后，在完成迭代过程(步骤8.3和8.4)之后，在步骤8.5中，最佳螺钉轨迹被确定为具有垂直于投影平面P1.n的方向，分别是穿过螺钉直径D1-m的中心的轴，螺钉直径D1-m对应于任何迭代的投影骨密度得分的最高投影骨密度得分PbdsMAX。
参考符号列表
1 数据收集步骤
2 分割步骤
3 提供统计形状模型
4 变形步骤
5 掩模和配准步骤
6 从变形模型确定参数
7 边界条件的确定
8 优化计算
9 输出步骤
10 骨螺钉插入表面
20 2D椎弓根横向表面
20′ 3D椎弓根横向表面
21 最小安全距离(椎弓根)
22 最小安全距离(主体)
35 矢状平面
41 第一CT视图
42 第二CT视图
43 感兴趣的椎骨
44 划界线
45 3D几何模型，即感兴趣椎骨的数据模型表示，简称：椎骨模型
47 变形脊椎模型
51 上终板
51′ 下终板
52 椎弓根
53 横突和肋骨关节面
54 上关节面
55 棘突
56 椎孔
57 主体
58 主体侧面
59 终板轮廓
60 椎弓根骨螺钉
61 螺钉轨迹
P1-n 投影平面
N1-n 垂直投影平面P1-n
S 球体(以目标骨区域为中心)
I1-n 交叉区域
Idp1-n 交叉区域密度投影
D1-m 可能的螺钉直径
Pbds1.1.1.1-n.m.x.y 投影的骨密度得分
PbdsMAX 最高投影的骨密度得分。

Claims (22)

1.一种用于确定椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)的方法，包括以下步骤：
-获得旨在接纳椎弓根骨螺钉(60)的目标骨区域(43)的CT图像(41，42)，
-基于包括骨密度信息的CT图像(41，42)建立目标骨区域(43)的个性化三维几何模型(45)，
-访问包括三维骨区域模型的数据库；其中所述骨区域模型包括骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20′)，
-将骨区域模型变形为目标骨区域(43)的几何模型(45)，生成变形的椎骨模型(47)，其包括骨区域模型的骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20′)以及几何模型(45)的骨密度信息，
-当骨材料被目标骨区域(43)的变形椎骨模型(47)中的椎弓根骨螺钉(60)替换时计算使骨密度最大化的椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)，以及
-输出目标骨区域(43)的变形椎骨模型(47)中的用于椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括输出椎弓根骨螺钉(60)的长度和直径。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将骨区域模型变形为几何模型(45)包括：
-将骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20′)转移到三维几何模型(45)上；和
-在目标骨(43)的变形椎骨模型(47)内提供3D椎弓根横向表面(20′)，该3D椎弓根横向表面(20′)在数据库内的三维骨区域模型中被建模，并且用三维几何模型(45)变形。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述骨区域模型的变形还包括提供2D椎弓根横向表面(20)，其中作为椎弓根横向表面(20)的2D椎弓根横向表面(20)基于3D椎弓根横向表面(20′)并且对应于椎弓根(52)中的最小横向椎弓根宽度的平面。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在确定2D椎弓根横向表面(20)的过程中提供作为轮廓安全距离的第一阈值(21)，所述第一阈值(21)作为椎弓根(52)的外边缘内的3D曲线生成，划界在3D椎弓根横向表面(20′)和随后的2D椎弓根横向表面(20)中使用的体素。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中计算最佳螺钉轨迹(61)的步骤的起始条件包括起始螺钉的值，其中所述起始螺钉的中心轴被选择为所述3D椎弓根横向表面(20′)内的轴的最中心部分，可选地应用连接所选择的插入点和由此限定的穿过所述3D横向表面(20′)的轴的最小二乘法。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，计算所述椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)的步骤的起始条件包括起始螺钉的值，其中，所述起始螺钉的中心轴穿过所述2D椎弓根横向表面(20)的中心点，其中，所述起始螺钉的包络圆柱体的所述骨螺钉插入表面在所述骨螺钉插入表面(10)之内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中计算最佳螺钉轨迹(61)的步骤包括以下步骤：
-创建近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体，并沿着基于骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20′)计算的初始螺钉轴将其放置在变形的椎骨模型(47)中；
-计算在变形的椎骨模型(47)中近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体内的骨材料密度。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：
-排除穿孔变形的椎骨模型(47)的近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体；和
-使用在近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体内的骨材料特性，该骨材料特性从变形的椎骨模型(47)中的图像体素提取。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中计算椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)的步骤包括：
-使用骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20)识别变形的椎骨模型(47)的可能投影平面的空间；
-扫描可能投影平面的空间，以便确定一组交叉区域密度投影(Idp1-n)；
-扫描该组交叉区域密度投影(Idp1-n)并计算相应的投影骨密度得分(Pbds1.1.1.1-Pdbs n.m.x.y)；和
-将最佳螺钉轨迹确定为具有垂直于投影平面P1.n的方向，该投影平面对应于投影骨密度得分(Pbds1.1.1.1-Pdbs n.m.x.y)中的骨密度得分的最高得分(PbdsMAX)。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括使用目标骨区域(43)的三维几何模型(45)和最佳螺钉轨迹来确定骨螺钉的长度，作为在骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20)之间在最佳螺钉轨迹方向上的距离。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中识别变形的椎骨模型(47)的可能投影平面的空间的步骤包括：
-围绕目标骨区域(43)的中心在变形的椎骨模型(47)中限定球体(S)；
-将可能投影平面的空间限定为垂直于球体(S)表面的一组平面；和
-将可能的投影平面的空间限制为在骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20)之间具有正交叉的投影平面组。
13.根据权利要求10至13之一所述的方法，其中扫描可能投影平面的空间以便确定一组交叉区域密度投影(Idp1-n)的步骤包括：
-在可能的投影平面的空间内选择多个离散分布的投影平面(P1-n)；
-为多个离散分布的投影平面(P1-n)中的每一个确定骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20)的交叉区域(I1-n)；和
-对在交叉区域(I1-n)内并垂直于投影平面(P1-n)的变形的椎骨模型(47)的所有体素求和，以获得相应的交叉区域密度投影(Idp1-n)，所述体素表示骨密度。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，扫描该组交叉区域密度投影(Idp1-n)并计算相应的投影骨密度得分(Pbds1.1.1.1-Pdbs n.m.x.y)包括对由一个或多个可能的骨螺钉直径(D1-m)划界的区域内的交叉区域密度投影(Idp1-n)的体素进行求和，以用于相应交叉投影(I1-n)内的骨螺钉的每个可能位置，其中最佳螺钉轨迹具有穿过螺钉直径(D1-m)中心的轴，该螺钉直径对应于投影骨密度得分(Pbds1.11.1-Pdbs n.m.x.y)的投影骨密度得分的最高得分(PbdsMAX)。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的方法，其中，在所述目标骨(43)的几何模型中，为所述计算步骤提供螺钉长度、具有预定最大长度的边界条件的螺钉直径和预定最大直径的起始参数。
16.根据权利要求2至16中任一项所述的方法，其中，在基于所述目标骨区域(43)的主体的主体侧表面(58)确定螺钉长度的过程中，提供作为长度安全距离的第二阈值(22)。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的方法，其中，所述骨区域模型的变形包括在所述几何变形椎骨模型(47)内提供矢状平面(35)，以确定椎弓根横向表面(20，20′)。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中，所述骨区域模型的变形包括确定所述几何变形椎骨模型(47)内的椎孔(56)，以将所述椎弓根横向表面(20，20′)确定为所述椎孔(56)两侧的最小骨材料直径。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述目标骨区域(43)的主体的矢状平面(35)提供第三阈值，所述椎弓根骨螺钉(60)的轮廓和尖端不必通过所述第三阈值，以便将任何一个椎弓根骨螺钉(60)引入到同一主体(57)中，或者仅将两个椎弓根骨螺钉(60)中的一个以两个椎弓根骨螺钉(60)不占据同一位置的方式引入到同一主体(57)中。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的方法，其中，当骨材料被目标骨区域(43)的变形椎骨模型(47)中的椎弓根骨螺钉(60)替换时，计算椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)的步骤被迭代地重复，以最大化骨密度。
21.一种数据处理系统，包括用于执行根据权利要求1至20之一的方法步骤的装置。
22.一种计算机程序产品，包括指令，当程序由计算机执行时，使得计算机执行根据权利要求1至20之一的方法的步骤。
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