CN116616876A - Pvp手术中穿刺路径智能规划方法、装置、设备及介质 - Google Patents

Pvp手术中穿刺路径智能规划方法、装置、设备及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法、装置、设备及介质，涉及医疗图像处理领域，包括：从图像中截取脊柱椎体的局部CT图像；通过训练好的神经网络模型，从脊柱椎体的局部CT图像中识别出椎弓根最窄处的中点和理论穿刺注入止点；计算理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离、到椎体左右方向中间平面的距离、以及到椎体皮质骨表面的最近距离，取上述距离中的最小值作为以理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；将任意一个椎弓根最窄处的中点与同侧的理论穿刺注入止点为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为椎弓根的可选穿刺路径。本发明能实现椎体穿刺路径的智能引导规划，避免骨水泥的渗漏发生。

Description

PVP手术中穿刺路径智能规划方法、装置、设备及介质
技术领域
本发明涉及医疗图像处理技术领域，特别涉及一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法、装置、设备及介质。
背景技术
PVP手术全名叫做经皮椎体成形术（Percutaneous Vertebroplasty，PVP），是治疗脊柱压缩性骨折常用的方法。这种方法主要通过经皮穿刺的方法，通过特定的仪器往病变椎体中注入骨水泥，以此增加椎体强度和稳定性。如果骨水泥注射得好，患者压缩性骨折的发生时间短，甚至能够恢复之前椎体的高度。在手术的过程中，需要保证针位正确，以免穿透椎弓根内壁， 增加神经损伤的风险，除了神经损伤的风险之外，若是注射技术不好，导致骨水泥外渗，可能会引起肺栓塞或者其他并发症。因此，对椎弓根穿刺路径进行准确的引导规划，就成为PVP手术前最重要的事情。目前手动穿刺的路径判断是通过术中X线透视实现的，椎弓根手动穿刺路径的术前规划是依靠医生经验，但是这种方式的主观经验性强，缺少客观性。
若是采用计算机辅助引导规划，由于临床中关于骨水泥渗漏的相关数据获取难度很高，因而无法在短时间内建立关于骨水泥渗漏的判断模型，进而无法通过渗漏判断模型建立关于骨水泥注入止点（即穿刺针的头端）的约束策略。随着人工智能算法越来越多的用于医疗空间图像的智能处理，空间关键点位置的预测已经得到很好的解决，例如中国专利文献CN115568943A公开了一种椎板减压手术的路径规划方法，其将SPU-Net网络模型用于预测椎板切削手术中的空间关键点的位置，根据预测出的空间关键点的位置信息建立最优的手术规划路径。椎弓根穿刺路径同样也可以在人工智能算法的辅助下实现准确的关键点预测和引导规划。然而，椎弓根穿刺和椎板减压切削手术属于完全不同的手术对象和手术方法，二者的空间路径规划的约束条件和规划目标也完全不同，技术人员无法直接照搬上述专利文献中的方法。此外，中国专利文献CN107157579A公开了一种脊柱椎弓根螺钉植入路径规划方法，该方法披露了如何将术前规划的穿刺路径和术中的成像结合，以获取术中实际的椎弓根植入点，然而，该专利文献中的术前规划的穿刺路径完全根据传统经验确定，即关键点位于椎弓根中心点和终点位于椎体的中前1/3处是脊椎螺钉植入的传统经验，但是上述脊椎螺钉植入的经验性的穿刺路径并不适用于PVP手术中对椎体的经皮穿刺，难以保证骨水泥不发生渗漏。因此，如何实现PVP手术中椎弓根穿刺路径的引导规划，以最大限度的防止骨水泥发生渗漏，就成为迫切需要解决的技术问题。
此外，手术中脊柱椎体图像的获取往往通过C臂机来实现。C臂机，全称为C型臂X射线机，是集光、机、图像处理技术为一体的可移动式X光机，是骨科手术最常用的手术辅助工具之一。拍摄时，将C臂机的影像增强器及球管置于目标区域的两侧，调整合适的角度，拍片获取影像。C臂机获取的原始脊柱椎体图像的清晰度、准确度等决定了PVP手术中穿刺路径智能规划方法的可靠性。然而，由于C臂机末端的X射线源和X射线检测器均需要通过线缆连接到基座中的控制中心，线缆的一端与机体连接，另一端安装于C形臂内，并且延伸至与C形臂上的X射线源和X射线检测器，为了便于C形臂的运动，因此，需要将线缆位于C形臂外和机体外的部分预留有一定的长度，以避免线缆对于C形臂运动的影响。此外，由于X射线源和X射线检测器在检测时处于运动状态，因此，容易出现线缆在X射线源和X射线检测器运动过程中侵入无菌操作区域，对检测造成干扰，需要医护人员及时进行调整，不仅影响检测的进行，严重时甚至影响原始脊柱椎体图像的准确性，进而影响PVP手术中穿刺路径智能规划方法的准确性。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明提供了一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法、装置、设备及介质，能够在人工智能算法的辅助下，实现椎弓根穿刺路径的准确的引导规划，防止骨水泥渗漏的发生。
本发明的一个方面，提供了一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法，包括：
从原始脊柱造影图像中截取完整脊柱椎体的局部造影图像；
通过训练好的神经网络模型，从所述完整脊柱椎体的局部CT图像中识别出该脊柱椎体的左、右两个椎弓根最窄处的中点和该脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点；所述理论穿刺注入止点是不考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点；
计算所述完整脊柱椎体的局部CT像中任意一个理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离D1、该理论穿刺注入止点到椎体左右方向中间平面的距离D2、以及该理论穿刺注入止点到椎体皮质骨表面的最近距离D3，取距离D1、距离D2、距离D3中的最小值作为以该理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；基于相同的方式，确定以另一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；
将任意一个椎弓根最窄处的中点与同侧的理论穿刺注入止点为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体的可选穿刺路径。
进一步的，还包括：
按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样，获得多个候选穿刺注入止点；
计算每个候选穿刺注入止点对应的综合距离D的值：
其中，D1表示理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离；D4表示候选穿刺注入止点与骨折面之间的最小距离，D5表示候选穿刺注入止点与骨折线之间的最小距离，D6表示候选穿刺注入止点与理论穿刺注入止点之间的最小距离；
将综合距离D最大的候选穿刺注入止点作为考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点，将该考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点和同侧的椎弓根最窄处的中点的连线作为最优穿刺路径。
进一步的，还包括：
在多个完整脊柱椎体的局部CT图像样本中标注出左、右两个椎弓根最窄处的中点和脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点；
用标注后的局部CT图像样本对所述神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型。
进一步的，所述神经网络模型为SPU-Net网络模型。
本发明的另一方面，还提供了一种PVP手术中穿刺路径智能规划装置，包括：
图像截取模块，用于从原始脊柱CT图像中截取完整脊柱椎体的局部图像；
识别模块，用于通过训练好的神经网络模型，从所述完整脊柱椎体的局部CT图像中识别出该脊柱椎体的左、右两个椎弓根最窄处的中点和该脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点；所述理论穿刺注入止点是不考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点；
注入止点初步估算模块，用于计算所述完整脊柱椎体的局部CT图像中任意一个理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离D1、该理论穿刺注入止点到椎体左右方向中间平面的距离D2、以及该理论穿刺注入止点到椎体皮质骨表面的最近距离D3，取距离D1、距离D2、距离D3中的最小值作为以该理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；基于相同的方式，确定以另一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；
穿刺路径确定模块，用于将任意一个椎弓根最窄处的中点与同侧的理论穿刺注入止点为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体的可选穿刺路径。
进一步的，还包括：
采样模块，用于按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样，获得多个候选穿刺注入止点；
综合距离计算模块，用于计算每个候选穿刺注入止点对应的综合距离D的值：
其中，D1表示理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离；D4表示候选穿刺注入止点与骨折面之间的最小距离，D5表示候选穿刺注入止点与骨折线之间的最小距离，D6表示候选穿刺注入止点与理论穿刺注入止点之间的最小距离；
最优穿刺路径确定模块，用于将综合距离D最大的候选穿刺注入止点作为考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点，将该考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点和同侧的椎弓根最窄处的中点的连线作为最优穿刺路径。
进一步的，还包括：
训练模块，用于在多个完整脊柱椎体的局部CT图像样本中标注出左、右两个椎弓根最窄处的中点和脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点；用标注后的局部造影图像样本对所述神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型。
进一步的，所述神经网络模型为SPU-Net网络模型。
本发明的另一方面，还提供了一种电子设备，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法。
本发明的另一方面，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，该计算机程序被处理器执行时实现上述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法。
本发明提供的穿刺路径的规划引导方法、装置、设备及介质，具有如下有益效果：
（1）通过临床经验建立椎弓根穿刺的硬性约束条件，在硬性约束条件下，通过人工智能算法实现对脊柱左右两个椎弓根最窄处中点和脊柱椎体左右两个注入止点的理想位置的准确识别，根据智能识别出的关键点，建立可选的椎弓根穿刺路径。
（2）通过对临床数据进行统计学和相关性分析得到注入止点的柔性约束条件，通过骨水泥渗漏和注入止点与骨折面、骨折线的最小距离的关系，从上述可选的椎弓根穿刺路径中计算出最优穿刺路径。
本发明的另一方面，还提供了一种用于上述PVP手术中穿刺路径智能规划方法的C臂机，该C臂机用于术中原始脊柱X线图像的获取，所述C臂机包括机体、运动单元、C形臂以及束线单元、X射线源、X射线检测器以及线缆；所述运动单元包括依次连接的升降装置、第一转动装置和第二转动装置，所述升降装置安装于机体，所述C形臂安装于所述第二转动装置；所述升降装置用于带动所述第一转动装置、所述第二转动装置和所述C形臂升降；所述第一转动装置用于带动所述第二转动装置和所述C形臂绕第一水平轴向转动，所述第二转动装置用于带动C形臂绕第二水平轴向转动；其中，该第一水平轴向和第二水平轴向相互垂直；所述线缆一端连接于机体，另一端伸入到所述C形臂内，并且与所似乎X射线源以及X射线检测器连接；所述束线单元安装于所述第二转动装置，并用于对线缆进行固定控制，以避免线缆在运动单元带动所述C形臂运动过程中侵入到C形臂的无菌操作区域内。
进一步的，所述束线单包括连接固定装置、安装于该连接固定装置上的第一束线装置和第二束线装置；所述连接固定装置包括第一安装板、第一连接机构和第二连接机构；所述第一连接机构和第二连接机构分别滑动安装于所述第一安装板的相对两端，且两者可以相对靠近或者远离；所述第一连接机构包括相对设置的安装座、第一锁紧螺栓、第一夹臂、压紧组件和第二夹臂；所述安装座设置于所述第一安装板，所述安装座设有螺孔，所述第一锁紧螺栓安装于所述安装座的螺孔内；所述第一夹臂与所述第一锁紧螺栓背离其自身螺帽的一端相连接，并且第一锁紧螺栓能够在第一夹臂上绕自身轴向转动，以使得所述第一锁紧螺栓在螺孔内的转动能够带动所述第一夹臂移动；所述压紧组件安装于所述第一夹臂背离所述安装座的一侧，所述第二夹臂与所述第一夹臂相对设置，所述压紧组件和第二夹臂可以共同实现夹持第二转动装置。
进一步的，所述紧组件包括第一滑块、第二滑块、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一压紧块和第二压紧块；所述第一夹臂背离安装座的一侧设有第一滑槽和第二滑槽；所述第一滑块滑动安装于所述第一滑槽内，所述第二滑块滑动安装于第二滑槽内；所述第一压紧块和所述第二压紧块面向第二夹臂的一侧具有圆弧面；所述第一连杆一端与所述第一滑块铰接，另一端与所述第一压紧块铰接；所述第二连杆一端与第二滑块铰接，另一端和所述第一压紧块铰接；所述第三连杆一端与所述第二滑块铰接，另一端与所述第一夹臂铰接。
进一步的，所述第一束线装置包括第一束线座、第二束线座、第二锁紧螺栓和压紧件；所述第一束线座安装于所述第一安装板，所述第一束线座设有第一弧形槽；所述第二束线座一端铰装与所述第一束线座一端，另一端与所述第一束线座卡接配合；所述第二束线座面向第一束线座的一侧设有第二弧形槽，所述第二束线座中部设有螺孔；所述第二锁紧螺栓安装于所述第二束线座的螺孔，并且位于第二弧形槽内；第二锁紧螺栓位于第二弧形槽的一端安装有所述压紧件。
进一步的，所述第二束线装置包括滑动板、弹性件、第一束线滑轮、第二束线滑轮、第三束线滑轮、第一转轴、第一阻尼转轴和第二阻尼转轴；所述第一安装板上设置有第三滑槽，所述滑动板沿可靠近或远离所述第一束线装置的方向滑动安装于所述第三滑槽内；所述弹性件分别与第三滑槽和所述滑动板相连接；所述第一束线滑轮通过第一转轴可转动的安装于滑动板，所述第二束线滑轮通过所述第一阻尼转轴安装于所述滑动板，所述第三束线滑轮通过所述第二阻尼转轴安装于所述滑动板。所述第二束线滑轮和所述第三束线滑轮的距离可调。
上述技术方案所解决的技术问题和带来的技术效果参见具体实施方式部分的相应描述，此处不再赘述。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本申请一个实施例提供的脊柱椎体椎弓根穿刺路径规划示意图；
图2是本申请一个实施例提供的一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法获得可选穿刺路径的流程示意图；
图3是本申请一个实施例提供的从原始脊柱造影图像中截取完整脊柱椎体的局部CT图像的示意图；
图4是本申请一个实施例提供的脊柱椎体穿刺的起始点和注入止点的几何关系示意图；
图5是本申请一个实施例提供的一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法获得最优穿刺路径的流程示意图；
图6是本申请另一个实施例提供的一种PVP手术中穿刺路径智能规划装置的结构示意图；
图7是本申请另一个实施例提供的电子设备的结构示意图；
图8是本申请另一个实施例提供的C臂机的结构示意图；
图9是本申请另一个实施例提供的C臂机的束线单元的结构示意图；
图10是本申请另一个实施例提供的C臂机的第一束线装置的结构示意图；
图11是本申请另一个实施例提供的第一连接机构的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述获取模块，但这些获取模块不应限于这些术语。这些术语仅用来将获取模块彼此区分开。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测（陈述的条件或事件）”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测（陈述的条件或事件）时”或“响应于检测（陈述的条件或事件）”。
需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。
实施例
PVP手术全名叫做经皮椎体成形术(Percutaneous Vertebroplasty，PVP)，是治疗脊柱压缩性骨折常用的方法。这种方法主要通过经皮穿刺的方法，通过特定的仪器往椎体中注入骨水泥，以此增加椎体强度和稳定性。注入骨水泥，不仅可以增强稳定性和椎体强度，还能防止椎体继续塌陷，缓解疼痛，从而达到缓解骨质疏松进展的作用。如果骨水泥注射得好，患者压缩性骨折的发生时间短，甚至能够恢复之前椎体的高度。这种治疗方法很好理解，就像是家里有根柱子，因为风吹日晒出现了裂痕，这时候就需要用水泥或者钢筋来加固柱子。不同的就是，加固柱子可以把水泥放在外部，而加固椎体则要把骨水泥注射到内部。
为了避免骨水泥的外渗，需要对脊柱椎体进行合理的穿刺路径的规划，即设计合理的穿刺起始点和终止点，按照规划路径进行穿刺针的穿刺操作。本发明为了获得合理的穿刺路径，统筹考虑临床经验、临床数据、骨水泥渗漏条件、约束条件，最终获得了一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法椎体穿刺路径的规划引导方法。
参见图1，本发明的PVP手术中穿刺路径智能规划方法包括如下步骤：
步骤S101，从原始脊柱CT图像中截取完整脊柱椎体的局部CT图像。
具体的，本实施例优选脊柱图像为脊柱的CT图像。通过图像识别和分割算法对原始脊柱CT图像进行局部图的截取，获取只包含一个完整脊柱椎体的局部CT图像，具体如图3所示。上述图像识别和分割算法是本领域较为常见的算法，属于现有技术，本实施例在此不做赘述。
步骤S102，通过训练好的神经网络模型，从所述完整脊柱椎体的局部CT图像中识别出该脊柱椎体的左、右两个椎弓根最窄处的中点和该脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点，所述理论穿刺注入止点是不考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点；
具体的，发明人根据临床手术案例的数据统计分析发现，当穿刺针的注入起始点为脊柱椎体左、右两个椎弓根最窄处中点时，穿刺最为安全。当穿刺针的注入止点不位于椎体外部、两个注入止点分布于椎体左右两个部分且注入止点位于椎体前半部分内时，该注入起始点和注入止点形成的穿刺轨迹才能保证穿刺针注入骨水泥的治疗效果最佳、穿刺最为安全。
为了识别出满足上述条件的注入起始点和注入止点，本发明通过预先训练好的神经网络模型对带有完整脊柱椎体的局部造影图像进行预测。优选的，神经网络模型可以采用中国专利文献CN115568943A中提及的SPU-Net空间关键点检测模型，SPU（Spatialpyramid upsampling）结构的神经网络能够实现了多尺度特征图像的尺寸统一，以实现特征图像的特征融合。SPU-Net首先运用一个CBR模块将各个特征图的特征通道数进行压缩和统一，以减小后续计算量，在实现各个特征图像的通道数的压缩统一后，SPU-Net运用3DPatch Expanding实现shape统一，SPU-Net将各个统一尺寸的特征图像在特征维度上进行拼接，并将其输入OutLayer（3D Conv+3D BatchNorm+Softmax）进行处理，得到与目标空间关键点数目相同的热力图像，最后只需要在各个通道内查找亮度最高的点，即可实现对应的空间关键点的精确定位。在训练神经网络模型时，在多个完整脊柱椎体的局部CT图像样本中标注出左、右两个椎弓根最窄处的中点和脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点，用标注后的局部CT图像样本对所述神经网络模型进行训练，即可得到训练好的神经网络模型。本实施例不做过多赘述。
步骤S103，计算所述完整脊柱椎体的局部CT图像中任意一个理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离D1、该理论穿刺注入止点到椎体左右方向中间平面的距离D2、以及该理论穿刺注入止点到椎体皮质骨表面的最近距离D3，取距离D1、距离D2、距离D3中的最小值作为以该理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；基于相同的方式，确定以另一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径。
参见图4，在通过神经网络模型预测出脊柱椎体的左、右两个椎弓根最窄处的中点A、B和左、右两个理论穿刺注入止点E、F后，由于神经网络的预测结果只是理论上的穿刺位置，因此需要根据硬性约束条件计算出所有候选穿刺注入止点可能的覆盖区域。
具体的硬性约束条件和计算过程如下：
分别计算点E（左侧理论穿刺注入止点）到椎体前后方向中间平面（在图4中表现为MN平面）的距离D1、点E（左侧理论穿刺注入止点）到椎体左右方向中间平面（在图4中表现为CD平面）的距离D2、以及距离椎体皮质骨表面（点G示意）的最近距离D3，然后取其中较小的值作为空间球区域的半径Dis1。遍历空间区域就形成以点E为球心，Dis1为半径的球形区域，所有左侧的候选穿刺注入止点均位于该区域内。
基于相同的方式，分别计算点F（右侧理论穿刺注入止点）到椎体前后方向中间平面（在图4中表现为MN平面）的距离D1、点F（右侧理论穿刺注入止点）到椎体左右方向中间平面（在图4中表现为CD平面）的距离D2、以及距离椎体皮质骨表面（点H示意）的最近距离D3，然后取其中较小的值作为空间球区域的半径Dis2。遍历空间区域就形成以点F为球心，Dis2为半径的球形区域，所有右侧的候选穿刺注入止点均位于该区域内。
步骤S104，将任意一个椎弓根最窄处的中点与同侧的理论穿刺注入止点为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体的可选穿刺路径。
具体的，参见图4，将左侧椎弓根最窄处的中点A与左侧理论穿刺注入止点E为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体中左侧椎弓根的可选穿刺路径。同理，将右侧椎弓根最窄处的中点B与右侧理论穿刺注入止点F为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体中右侧椎弓根的可选穿刺路径。
上述步骤S101至步骤S104获得的是椎弓根的可选穿刺路径，即：任意穿刺路径均可作为后续PVP手术最低限度允许的穿刺路径。然而，在PVP手术中，往往希望不但要保证穿刺路径的安全性（不伤及血管、神经），还要保证注入的骨水泥发生渗漏的概率最低。为了实现上述技术效果，本发明还提供了进一步确定最优穿刺路径的方案，参见图5，包括如下步骤：
步骤S105，按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样，获得多个候选穿刺注入止点。
具体的，步骤S104获得了理论穿刺注入止点为球心的空间球区域，该区域是在硬性约束下的空间区域，理论上存在无数多的候选穿刺注入止点。为了获取最优注入止点，该步骤中设置了采样步长，按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样，以保证得到有限个候选穿刺注入止点。
步骤S106，计算每个候选穿刺注入止点对应的综合距离D的值：
其中，D1表示理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离；D4表示候选穿刺注入止点与骨折面之间的最小距离，D5表示候选穿刺注入止点与骨折线之间的最小距离，D6表示候选穿刺注入止点与理论穿刺注入止点之间的最小距离。
该步骤通过候选穿刺注入止点与骨折面和骨折线的最小距离之间的关系、候选穿刺注入止点与椎体前后方向中间平面（参见图4的MN平面）的距离、候选穿刺注入止点和理论穿刺注入止点的距离，来选出最优穿刺注入止点。具体的，本发明经过研究发现，注入止点距离骨折线和骨折面越远，发生骨水泥渗漏的机率就越小；候选穿刺注入止点应当尽量距离椎体前后方向中间平面较远，这样可以尽量避免骨水泥向椎体后方即椎管内渗漏；理论穿刺注入止点是在不考虑骨水泥渗漏的情况下的最优位置，故而候选穿刺注入止点应当较为靠近理论止点。因此，该步骤中设定了一个名为综合距离D的评价指标，用来评价候选穿刺注入止点与骨折线、骨折面、椎体前后方向中间平面、理论穿刺注入止点的综合距离：
其中，D1表示理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离；D4表示候选穿刺注入止点与骨折面之间的最小距离，D5表示候选穿刺注入止点与骨折线之间的最小距离，D6表示候选穿刺注入止点与理论穿刺注入止点之间的最小距离。
步骤S107，将综合距离D最大的候选穿刺注入止点作为考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点，将该考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点和同侧的椎弓根最窄处的中点的连线作为最优穿刺路径。
具体的，在进行空间球区域的空间遍历时，仅需要选取综合距离D最大的候选穿刺注入止点作为考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点即可。此时，该考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点和同侧的椎弓根最窄处的中点的连线就是最优穿刺路径。
参见图6，本发明的另一实施例还提供了一种PVP手术中穿刺路径智能规划装置200，包括图像截取模块201、识别模块202、注入止点初步估算模块203、穿刺路径确定模块204，该椎体穿刺路径的规划引导装置200能够用于执行方法实施例中的各个步骤。
具体的，PVP手术中穿刺路径智能规划装置200包括：
图像截取模块201，用于从原始脊柱CT图像中截取完整脊柱椎体的局部CT图像；
识别模块202，用于通过训练好的神经网络模型，从所述完整脊柱椎体的局部CT图像中识别出该脊柱椎体的左、右两个椎弓根最窄处的中点和该脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点，所述理论穿刺注入止点是不考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点；
注入止点初步估算模块203，用于计算所述完整脊柱椎体的局部CT图像中任意一个理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离D1、该理论穿刺注入止点到椎体左右方向中间平面的距离D2、以及该理论穿刺注入止点到椎体皮质骨表面的最近距离D3，取距离D1、距离D2、距离D3中的最小值作为以该理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；基于相同的方式，确定以另一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；
穿刺路径确定模块204，用于将任意一个椎弓根最窄处的中点与同侧的理论穿刺注入止点为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体的可选穿刺路径。
进一步的，PVP手术中穿刺路径智能规划装置200还包括：
采样模块205，用于按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样，获得多个候选穿刺注入止点；
综合距离计算模块206，用于计算每个候选穿刺注入止点对应的综合距离D的值：
其中，D1表示理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离；D4表示候选穿刺注入止点与骨折面之间的最小距离，D5表示候选穿刺注入止点与骨折线之间的最小距离，D6表示候选穿刺注入止点与理论穿刺注入止点之间的最小距离；
最优穿刺路径确定模块207，用于将综合距离D最大的候选穿刺注入止点作为考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点，将该考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点和同侧的椎弓根最窄处的中点的连线作为最优穿刺路径。
需要说明的是，本实施例提供的椎体穿刺路径的规划引导装置200对应的可用于执行各方法实施例的技术方案，其实现原理和技术效果与方法类似，此处不再赘述。
图7为本发明另一实施例提供的一种电子设备的结构示意图。本发明实施例中的电子设备400可以包括但不限于诸如笔记本电脑、PAD（平板电脑）、台式计算机、PVP手术机器人等终端设备。图7示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图7所示，电子设备400可以包括处理装置（例如中央处理器、图形处理器等）401，其可以根据存储在只读存储器（ROM）402中的程序或者从存储装置408加载到随机访问存储器（RAM）403中的程序而执行各种适当的动作和处理以实现如本发明所述的实施例的方法。在RAM 403中，还存储有电子设备400操作所需的各种程序和数据。处理装置401、ROM402以及RAM 403通过总线404彼此相连。输入/输出（I/O）接口405也连接至总线404。
通常，以下装置可以连接至I/O接口405：包括例如触摸屏、触摸板、键盘、鼠标、摄像头、麦克风、加速度计、陀螺仪等的输入装置406；包括例如液晶显示器（LCD）、扬声器、振动器等的输出装置407；包括例如磁带、硬盘等的存储装置408；以及通信装置409。通信装置409可以允许电子设备400与其他设备进行无线或有线通信以交换数据。虽然图7示出了具有各种装置的电子设备400，但是应理解的是，并不要求实施或具备所有示出的装置。可以替代地实施或具备更多或更少的装置。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在非暂态计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码，从而实现如上所述的 方法。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信装置409从网络上被下载和安装，或者从存储装置408被安装，或者从ROM402被安装。在该计算机程序被处理装置401执行时，执行本发明实施例的方法中限定的上述功能。
本发明的另一实施例中，C臂机获取的原始脊柱图像的清晰度、准确度等决定了方法实施例的PVP手术中穿刺路径智能规划方法的可靠性。但是，申请人在通过C臂机获取原始脊柱造影图像的过程中发现，由于C臂机末端的X射线源和X射线检测器均需要通过线缆连接到基座中的控制中心，线缆的一端与机体连接，另一端安装于C形臂内，并且延伸至与C形臂上的X射线源和X射线检测器，为了便于C形臂的运动，因此，需要将线缆位于C形臂外和机体外的部分预留有一定的长度，以避免线缆对于C形臂运动的影响。
而由于X射线源和X射线检测器在检测时处于运动状态，因此，容易出现线缆在X射线源和X射线检测器运动过程中侵入无菌操作区域，对检测造成干扰，需要医护人员及时进行调整，不仅影响检测的进行，严重时甚至影响原始脊柱造影图像的准确性，进而影响PVP手术中穿刺路径智能规划方法的准确性。
有鉴于此，本实施例提供了一种C臂机，通过在C臂机上增设束线单元来解决上述技术问题。
结合附图8中所示，本实施例提供的C臂机包括：机体500、运动单元600、C形臂700以及束线单元800、X射线源900以及X射线检测器1000等功能结构。
在上述功能结构中，本实施例的机体500与现有的C臂机结构相同或相近，因此，本实施例不对机体500的内部结构做出附图描述。
在上述功能结构中，本实施例的运动单元600包括依次连接的升降装置610、第一转动装置620和第二转动装置630，升降装置610安装于机体500，C形臂700安装于本实施例的第二转动装置630。本实施例的升降装置610用于带动第一转动装置620、第二转动装置630和C形臂700升降，本实施例的第一转动装置620用于带动第二转动装置630和C形臂700绕第一水平轴向转动，本实施例的第二转动装置630用于带动C形臂700绕第二水平轴向转动。其中，该第一水平轴向和第二水平轴向相互垂直。
线缆1100一端连接于机体500，另一端伸入到本实施例的C形臂700内，并且与本实施例的X射线源900以及X射线检测器1000连接。
在上述功能结构中，本实施例的束线单元800安装于本实施例的第二转动装置630，并用于对线缆1100进行固定控制，避免线缆1100在运动单元600带动本实施例的C形臂700运动过程中侵入到C形臂700的无菌操作区域内，并且不会影响到原本线缆1100跟随运动单元600的运动；另外，本实施例的束线单元800还可以适配于不同型号不同厂家生产的C臂机。
结合附图9中所示，本实施例的束线单包括连接固定装置810、安装于该连接固定装置810上的第一束线装置820和第二束线装置830等功能装置。
在上述功能装置中，本实施例的连接固定装置810包括第一安装板811、第一连接机构812和第二连接机构813；第一连接机构812和第二连接机构813分别滑动安装于本实施例的第一安装板811的相对两端，两者可以相对靠近或者远离，以适配不同尺寸的第二转动装置630，具体的滑动形式不限，可以是任意一种滑动连接。
结合附图11中所示，本实施例的第一连接机构812包括相对设置的安装座8121、第一锁紧螺栓8122、第一夹臂8123、压紧组件8124和第二夹臂8125；安装座8121设置于本实施例的第一安装板811，安装座8121设有螺孔，第一锁紧螺栓8122安装于本实施例的螺孔内。
本实施例的第一夹臂8123与第一锁紧螺栓8122背离其自身螺帽的一端相连接，并且第一锁紧螺栓8122能够在第一夹臂8123上绕自身轴向转动，以使得本实施例的第一锁紧螺栓8122在螺孔内的转动能够带动本实施例的第一夹臂8123移动。
本实施例的压紧组件8124安装于第一夹臂8123背离安装座8121的一侧，第二夹臂8125与本实施例的第一夹臂8123相对设置，压紧组件8124和第二夹臂8125可以共同实现夹持第二转动装置630，并且两者的距离可调，以适配不同尺寸的第二转动装置630，提高适配性。
可选的，本实施例将压紧组件8124设计为包括第一滑块81241、第二滑块81242、第一连杆81243、第二连杆81244、第三连杆81245、第四连杆81246、第一压紧块81247和第二压紧块81248。相应地，本实施例在第一夹臂8123背离安装座8121的一侧设有第一滑槽81231和第二滑槽81232。
本实施例的第一滑块81241安装于第一滑槽81231内，第二滑块81242安装于第二滑槽81232内，并且第一滑块81241和第二滑块81242可以在相应的滑槽内沿着第一夹臂8123的长度方向来回滑动。本实施例的第一压紧块81247和第二压紧块81248面向第二夹臂8125的一侧具有圆弧面。本实施例的第一连杆81243一端与第一滑块81241铰接，另一端与第一压紧块81247铰接，第二连杆81244一端与第二滑块81242铰接，另一端也和第一压紧块81247铰接。本实施例的第三连杆81245一端与本实施例的第二滑块81242铰接，另一端与本实施例的第一夹臂8123铰接。
通过上述连杆结构，可以使得第一压紧块81247和第二压紧块81248在压紧时可以发生一定的转动，而且由于两者具有圆弧面，因此，当遇到第二转动装置630的被夹紧面并非平面时，也可以实现压紧组件8124和第二夹臂8125之间对第二转动装置630良好的夹持固定。
同理，本实施例的第二连接机构813的结构亦可是如此，因此，对本实施例的第二连接机构813的具体结构形式本实施例不做过多描述。
当需要将束线单元800装配至运动单元600的第二转动装置630时，先将第二转动装置630的部分置于第一连接机构812的第一夹臂8123和第二夹臂8125之间，然后操作本实施例的第一锁紧螺栓8122，将第一连接机构812的压紧组件8124与第二夹臂8125压紧。同理，操作第二连接机构813，进而完成束线单元800与第二转动装置630的连接固定。
考虑到由于运动单元600的运动具有三个维度，线缆1100的运动也是多维度的，因此普通的对线缆1100固定和束缚的结构不一定能够满足线缆1100运动要求，尤其是通过现有的束线对线缆1100固定后，当线缆1100固定后的可动长度较长时，仍然无法避免线缆1100进入到无菌操作区域。而当线缆1100固定后的可动长度较短时，容易出现拉伸线缆1100，进而损坏线缆1100的现象。因此，本实施例提供一种束线长度可调的束线结构。
结合附图9和附图10所示，本实施例的第一束线装置820包括第一束线座821、第二束线座822、第二锁紧螺栓823和压紧件824。本实施例的第一束线座821安装于第一安装板811，并且第一束线座821设有第一弧形槽8211。本实施例的第二束线座822一端铰装与本实施例的第一束线座821一端，另一端与所述第一束线座821卡接配合，并且，第二束线座822面向第一束线座821的一侧设有第二弧形槽8221，而且本实施例的第二束线座822中部设有螺孔。
本实施例的第二锁紧螺栓823安装于第二束线座822的螺孔，并且位于第二弧形槽8221内。第二锁紧螺栓823位于第二弧形槽8221的一端安装有本实施例的压紧件824，压紧件824可以是弧形结构。当需要固定线缆1100时，接触第一束线座821和第二束线座822的卡接配合，将线缆1100装入，然后扣合第一束线座821和第二束线座822，两者一端卡接另一端铰接，最后旋拧第二锁紧螺栓823，使得本实施例的压紧件824将线缆1100锁紧于第一弧形槽8211和第二弧形槽8221内。
再结合附图9所示，本实施例第二束线装置830包括滑动板831、弹性件832、第一束线滑轮833、第二束线滑轮834、第三束线滑轮835、第一转轴836、第一阻尼转轴837和第二阻尼转轴838。相应地，本实施例在第一安装板811上设置有第三滑槽8111，滑动板831沿可靠近或远离本实施例的第一束线装置820的方向滑动安装于本实施例的第三滑槽8111内。本实施例的弹性件832分别与第三滑槽8111和本实施例的滑动板831相连接。
本实施例的第一束线滑轮833、第二束线滑轮834和第三束线滑轮835均设有近似于V形的线槽，本实施例的第一束线滑轮833通过第一转轴836可转动的安装于滑动板831，本实施例的第二束线滑轮834通过第一阻尼转轴837安装于本实施例的滑动板831，本实施例的第三束线滑轮835通过第二阻尼转轴838安装于本实施例的滑动板831。
当线缆1100位于第二束线滑轮834和第三束线滑轮835之间时，第二束线滑轮834和第三束线滑轮835可以压紧线缆1100，并且由于第一阻尼转轴837和第二阻尼转轴838的作用，线缆1100不受到外力作用可以实现固定。
并且，本实施例的第二束线滑轮834和第三束线滑轮835的距离设计为可调节，例如在滑动板831底部设有若干均匀间隔分部的插槽（图中未示出），第一阻尼转轴837底部设有与插槽8311配合的插接件，通过调整插接件与不同插槽8311的配合来实现第二束线滑轮834和第三束线滑轮835距离的调节，进而便于安装线缆1100。
线缆1100在束线时，先通过本实施例的第一束线装置820将其进行固定，然后将线缆1100套接于本实施例的第一束线滑轮833，并且调大第二束线滑轮834和第三束线滑轮835距离，将线缆1100置于第二束线滑轮834和第三束线滑轮835之间，再将第二束线滑轮834和第三束线滑轮835调近，进而实现对线缆1100的限位。
采用此种束线单元800，通过第一束线装置820实现线缆1100的固定，并且通过第二束线装置830和第一束线装置820的距离配合能够有效缩短线缆1100的可动长度，对线缆1100进行束线。而且当线缆1100动作过大而其可动部分较少时，在线缆1100的拉力作用下，本实施例的第二束线装置830的滑动板831向靠近第一束线装置820的方向移动，此时弹性件832被压缩。而由于第一束线滑轮833、第二束线滑轮834和第三束线滑轮835均无法实现线缆1100的完全固定，因此，线缆1100能够在三个束线滑轮间动作，此时，由于第一束线装置820和第二束线装置830的距离减小，因此，线缆1100的可动长度增大，因此可以允许线缆1100继续动作。
当线缆1100在进行上述动作复位后，线缆1100的可动部分变长，此时，不会给滑动板831拉力，因此弹性件832能够在自身弹性恢复力作用下带动滑动板831复位，进而使得第一束线装置820和第二束线装置830的距离变大，以减小线缆1100的可动部分，防止线缆1100侵入到无菌操作区内。
以上描述仅为本发明的较佳实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的公开范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述公开构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本发明中公开的（但不限于）具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法，其特征在于，包括：
从原始脊柱CT图像中截取完整脊柱椎体的局部CT图像；
通过训练好的神经网络模型，从所述完整脊柱椎体的局部CT图像中识别出左、右两个椎弓根最窄处的中点和左、右两个理论穿刺注入止点，所述理论穿刺注入止点是不考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点；
计算所述完整脊柱椎体的局部CT图像中任意一个理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离D1、该理论穿刺注入止点到椎体左右方向中间平面的距离D2、以及该理论穿刺注入止点到椎体皮质骨表面的最近距离D3，取距离D1、距离D2、距离D3中的最小值作为以该理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；基于相同的方式，确定以另一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；
将任意一个椎弓根最窄处的中点与同侧的理论穿刺注入止点为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体的可选穿刺路径。
2.根据权利要求1所述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法，其特征在于，还包括：
按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样，获得多个候选穿刺注入止点；
计算每个候选穿刺注入止点对应的综合距离D的值：
，
其中，D1表示理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离；D4表示候选穿刺注入止点与骨折面之间的最小距离，D5表示候选穿刺注入止点与骨折线之间的最小距离，D6表示候选穿刺注入止点与理论穿刺注入止点之间的最小距离；
将综合距离D最大的候选穿刺注入止点作为考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点，将该考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点和同侧的椎弓根最窄处的中点的连线作为最优穿刺路径。
3.根据权利要求1所述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法，其特征在于，还包括：
在多个完整脊柱椎体的局部CT图像样本中标注出左、右两个椎弓根最窄处的中点和脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点；
用标注后的局部CT图像样本对所述神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型。
4.根据权利要求1所述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划方法，其特征在于，所述神经网络模型为SPU-Net网络模型。
5.一种PVP手术中穿刺路径智能规划装置，其特征在于，包括：
图像截取模块，用于从原始脊柱CT图像中截取完整脊柱椎体的局部CT图像；
识别模块，用于通过训练好的神经网络模型，从所述完整脊柱椎体的局部CT图像中识别出该脊柱椎体的左、右两个椎弓根最窄处的中点和该脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点，所述理论穿刺注入止点是不考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点；
注入止点初步估算模块，用于计算所述完整脊柱椎体的局部CT图像中任意一个理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离D1、该理论穿刺注入止点到椎体左右方向中间平面的距离D2、以及该理论穿刺注入止点到椎体皮质骨表面的最近距离D3，取距离D1、距离D2、距离D3中的最小值作为以该理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；基于相同的方式，确定以另一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域的半径；
穿刺路径确定模块，用于将任意一个椎弓根最窄处的中点与同侧的理论穿刺注入止点为球心的空间球区域中的任意一点的连线，作为脊柱椎体的可选穿刺路径。
6.根据权利要求5所述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划装置，其特征在于，还包括：
采样模块，用于按照预设的采样步长对任意一个理论穿刺注入止点为球心的空间球区域内的坐标点进行采样，获得多个候选穿刺注入止点；
综合距离计算模块，用于计算每个候选穿刺注入止点对应的综合距离D的值：
，
其中，D1表示理论穿刺注入止点到椎体前后方向中间平面的距离；D4表示候选穿刺注入止点与骨折面之间的最小距离，D5表示候选穿刺注入止点与骨折线之间的最小距离，D6表示候选穿刺注入止点与理论穿刺注入止点之间的最小距离；
最优穿刺路径确定模块，用于将综合距离D最大的候选穿刺注入止点作为考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点，将该考虑骨水泥渗漏的情况下的最优穿刺注入止点和同侧的椎弓根最窄处的中点的连线作为最优穿刺路径。
7.根据权利要求5所述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划装置，其特征在于，还包括：
训练模块，用于在多个完整脊柱椎体的局部CT图像样本中标注出左、右两个椎弓根最窄处的中点和脊柱椎体的左、右两个理论穿刺注入止点；用标注后的局部CT图像样本对所述神经网络模型进行训练，得到训练好的神经网络模型。
8.根据权利要求5所述的一种PVP手术中穿刺路径智能规划装置，其特征在于，所述神经网络模型为SPU-Net网络模型。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-4任意一项所述的PVP手术中穿刺路径智能规划方法。
10.一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，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4任意一项所述的PVP手术中穿刺路径智能规划方法。
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