CN116712171A - 一种粗隆间骨折导航方法、设备及可存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种粗隆间骨折导航方法、设备及可存储介质，涉及智能医疗领域。所述方法包括：获取患者正位、侧位影像；基于所述患者正位、侧位影像确定正位、侧位TAD顶点位置；将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点；基于所述患者正位、侧位影像确定患者正位、侧位置入器械顶点位置；计算TAD距离；实时显示所述TAD距离的值。本发明提出的粗隆间骨折导航方法实时追踪患者及置入器械位置，大大降低粗隆间骨折手术的困难度，医生通过观看手术全过程的实时追踪显示屏，规避手术中的风险，提高手术的安全性和成功率。
Description
技术领域
本发明属于智能医疗领域，更具体地，涉及一种粗隆间骨折导航方法、设备、计算机可读存储介质及其应用。
背景技术
股骨粗隆间骨折是一种常见于老年人的骨折，特别是骨质疏松患者和女性。该骨折通常发生在股骨颈基底至小粗隆水平以上的位置。由于粗隆部位血运丰富，骨折通常能够愈合，但是容易发生髋内翻，而高龄患者长期卧床则容易引发并发症，病死率为15%-20%。治疗方法根据骨折的类型、位置和患者的年龄、活动水平等因素而分为保守治疗和手术治疗两大类，保守治疗适用于非移位或轻度移位的粗隆间骨折，手术治疗适用于粗隆间骨折严重移位或存在关节面不稳定的情况。其中，手术治疗方法又分为将骨折端复位到正确位置，然后使用内部固定物（如钢板、钢钉或螺钉）将骨折端固定在一起的内固定和通过外部固定器将骨折端固定在一起，以恢复稳定性和促进骨折愈合的外固定。
目前内固定是粗隆间骨折治疗的首选方法，随着计算机技术的不断发展，特别是计算机图形技术的飞速发展，出现了计算机辅助外科（computer assisted surgery, CAS）这一崭新领域，而计算机辅助外科导航系统（computer assisted navigation system,CANS）则是其中重要的组成部分。CANS利用信号传输、发送和接收发射器，通过计算机计算出各位置点的数据，得出所需的各种曲线和角度，使无形的和虚拟的人体各种参数转变成直接的动画图像，同时使置入器械的位置在手术影像上实时显示，医生可以随时了解置入器械位置与患者手术部位关系，使外科手术变得更安全、更准确、更微创。
发明内容
本申请基于患者正位、侧位影像的获取和处理，将TAD规划纳入到导航方法中，实现了在手术过程中实时显示TAD距离的值，为置入器械的运动路径提供导航，帮助医生更准确地确定置入器械与股骨头顶点间的距离，提高手术质量，减少手术创伤，降低患者痛苦。
本申请所涉及的一种粗隆间骨折导航方法、设备及可存储介质，更具体的，是在影像引导下介入粗隆间骨折并实时导航，它是使用了多种模态的医学影像来协助医生将置入器械直接植入到患者骨折部位的计算机辅助技术，是集人工智能、图像处理、三维图形学、虚拟现实和临床治疗于一体的工业产品。
本发明公开一种粗隆间骨折导航方法，所述方法包括：
获取患者正位、侧位影像；
基于所述患者正位、侧位影像确定正位、侧位TAD顶点位置，具体为：接收用户在所述患者正位、侧位影像中点选的三点，所述三点是在股骨头边缘任选三点，基于所述三点成圆并确定圆心点；将所述圆心点与股骨颈的中心点进行连线，得到一条线段；将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点；
基于所述患者正位、侧位影像确定患者正位、侧位置入器械顶点位置；
计算TAD距离，所述TAD距离是指所述正位TAD顶点与所述正位置入器械顶点之间的物理距离和所述侧位TAD顶点与所述侧位置入器械顶点之间的物理距离之和；
实时显示所述TAD距离的值，基于所述TAD距离的值规划置入器械的运动路径。
进一步，所述TAD距离的值会在显示屏中实时显示，当15mm＜TAD＜25mm时，发出TAD距离规划合理提示信号，无切出和/或翻转风险。
进一步，所述获取患者正位、侧位影像是采用影像拍摄装置对患者患侧进行X光照射，得到所述患者正位、侧位影像，所述正位、侧位影像中含有配准装置的影像。
进一步，所述确定患者正位、侧位置入器械顶点位置是基于配准装置在所述置入器械所处的空间定位坐标系与所述配准装置的正位、侧位影像坐标系之间建立空间位姿转换关系，将处于空间定位坐标系下的置入器械的空间坐标映射至患者正位、侧位影像坐标系内。
进一步，所述配准装置上具有光学追踪小球和配准小球，所述光学追踪小球在所述空间定位坐标系中具有空间坐标，所述配准小球在所述影像坐标系中具有影像坐标，所述光学追踪小球和所述配准小球具有固定的空间位置关系，基于所述空间坐标、所述影像坐标和所述空间位置关系构建所述空间定位坐标系与所述影像坐标系之间的映射关系。
进一步，所述置入器械和配准装置的空间定位坐标系是由红外光学定位系统构建，具体为：由红外相机和带有光学追踪小球的光学追踪定位装置组成红外光学定位系统，由所述红外光学定位系统构建空间定位坐标系，所述光学追踪定位装置分别安装在患者、置入器械、影像拍摄装置、配准装置上，所述红外相机通过识别所述带有光学追踪小球的光学追踪定位装置实时追踪患者、置入器械、影像拍摄装置、配准装置在所述空间定位坐标系中的空间坐标。
进一步，所述规划置入器械的运动路径包括规划克氏针和/或螺旋刀片的置入方向和置入深度；所述置入方向通过红外光学定位系统捕获克氏针和/或螺旋刀片上带有光学追踪小球的光学追踪定位装置以确定克氏针和/或螺旋刀片的空间位置，将所述空间位置投射到正位、侧位影像并显示在显示屏；所述置入深度为计算显示屏上克氏针和/或螺旋刀片前端与股骨头重合部分的刻度值，并在显示屏中显示。
一种粗隆间骨折导航设备，所述设备包括存储器和处理器；
所述存储器用于存储程序指令；
所述处理器用于调用程序指令，当程序指令被执行时，用于执行上述的粗隆间骨折导航方法。
一种粗隆间骨折导航系统，所述系统包括：
第一获取单元，用于获取患者正位、侧位影像；
TAD顶点计算单元，用于基于所述患者正位、侧位影像确定正位、侧位TAD顶点位置，具体为：接收用户在所述患者正位、侧位影像中点选的三点，所述三点是在股骨头边缘任选三点，基于所述三点成圆并确定圆心点；将所述圆心点与股骨颈的中心点进行连线，得到一条线段；将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点；
第二获取单元，用于基于所述患者正位、侧位影像确定患者正位、侧位置入器械顶点位置；
TAD距离计算单元，用于计算TAD距离，所述TAD距离是指所述正位TAD顶点与所述正位置入器械顶点之间的物理距离和所述侧位TAD顶点与所述侧位置入器械顶点之间的物理距离之和；
导航单元，用于实时显示所述TAD距离的值，基于所述TAD距离的值规划置入器械的运动路径。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的粗隆间骨折导航方法。
本发明的优点：
1.本申请考虑到粗隆间骨折治疗方案选择的临床需求，创造性的提出一种粗隆间骨折导航方法，该导航方法实时追踪患者及置入器械位置，大大降低粗隆间骨折手术的困难度，医生通过观看手术全过程的实时追踪显示屏，规避手术中的风险，提高手术的安全性和成功率。
2.本申请考虑到粗隆间骨折手术过程中TAD计算需要反复照射X光来确定TAD顶点与置入器械位置，根据获取的位置由医生的经验进行计算，进一步确定TAD距离，手术风险较高，导航方法创造性的提出一种通过1-2次X光片拍摄来计算TAD顶点和TAD距离的方法，基于该方法可以提供精准的TAD距离实时记录，减少了手术出现误差的可能性，降低了医生和患者因反复照射X光带来的放射性照射损伤风险。
3.本申请所开发的导航方法，通过获取患者正位、侧位影像并确定TAD顶点位置并计算TAD距离，为医生提供实时精准的置入器械位置姿态导航并加以显示，帮助医生准确定位置入器械和骨折部位的空间距离，当TAD距离≥25mm时，实时追踪显示屏会提示患者骨折部位存在翻转风险，当TAD距离≤15mm时，实时追踪显示屏会提示存在置入器械存在切出风险。
4.本申请所开发的导航方法，考虑到在粗隆间骨折手术中，医生并不能够直接看到手术部位，而医生需要在大脑中建立医学影像和患者实体之间的关系，因此通过该导航方法实时导航，帮助缺少手术经验的医生快速学习并掌握手术知识。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1是一种本发明实施例提供的粗隆间骨折导航方法流程示意图；
图2是一种本发明实施例提供的粗隆间骨折导航设备示意图；
图3是一种本发明实施例提供的粗隆间骨折导航系统示意图；
图4是一种本发明实施例提供的配准装置结构示意图；
图5是一种本发明实施例提供的正位、侧位显示屏影像示意图；
图6是一种本发明实施例提供的导航方法中TAD顶点计算方法示意图；
图7是一种本发明实施例提供的导航方法中克氏针开口入针点规划示意图；
图8是一种本发明实施例提供的导航方法中克氏针或螺旋刀片TAD引导示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如S101、S102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
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，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明实施例提供的一种粗隆间骨折导航方法，包括：
S101：获取患者正位、侧位影像。
在一个实施例中，所述获取患者正位、侧位影像是采用影像拍摄装置对患者患侧进行X光照射，得到所述患者正位、侧位影像，所述正位、侧位影像中含有配准装置的影像。所述获取患者正位、侧位影像是采用影像拍摄装置对患者患侧进行X光照射，得到所述患者正位、侧位影像，所述正位、侧位影像中含有配准装置的影像。
在一个具体实施例中，影像拍摄装置为C臂，C臂是一种医疗设备，用于实时成像和引导手术操作，它由一个具有X射线发射器和探测器的C形臂组成，可以在手术过程中提供高质量的X射线成像，C形臂可以360度旋转，围绕患者进行各个角度的成像。
所述确定患者正位、侧位置入器械顶点位置是基于配准装置在所述置入器械所处的空间定位坐标系与所述配准装置的正位、侧位影像坐标系之间建立空间位姿转换关系，将处于空间定位坐标系下的置入器械的空间坐标映射至患者正位、侧位影像坐标系内。所述配准装置上具有光学追踪小球和配准小球，所述光学追踪小球在所述空间定位坐标系中具有空间坐标，所述配准小球在所述影像坐标系中具有影像坐标，所述光学追踪小球和所述配准小球具有固定的空间位置关系，基于所述空间坐标、所述影像坐标和所述空间位置关系构建所述空间定位坐标系与所述影像坐标系之间的映射关系。
在手术导航过程中，通过配准可以建立患者空间定位坐标系与影像坐标系的转换关系。配准所采用的为ICP算法，是一种刚性配准算法，且是手术导航领域应用最为广泛的算法。
刚性配准算法是一种将两个或多个图像或点云进行对齐的方法，它假设变换是刚性的，即不发生形变和缩放。刚性变换包括平移、旋转和镜像。刚性配准算法的目标是找到最佳的变换参数，使得两个或多个图像或点云的特征点或特征区域能够最好地对齐。
ICP算法的本质是基于最小二乘法最小化目标函数。该算法首先假设一个初始的位姿变换矩阵，然后通过最近邻方法匹配对应点对，计算两个点云的最优刚体变换矩阵(即求得最合适的旋转参数R和平移参数T)，最后反复迭代直至满足精度误差要求。
在一个具体实施例中，配准装置命名为V-spots，V-spots的空间结构如图4所示，其上分布有4个光学追踪小球和12个配准小球。观察图5，所述12个光学追踪小球在C臂拍摄的正位、侧位影像中均具有相应的二维影像坐标。
在粗隆间骨折导航方法中，为了按照影像坐标系中的手术规划引导置入器械准确到达病灶靶点，必须将置入器械顶点的坐标信息通过一系列的坐标系转换映射到影像坐标系中，进而在影像坐标系中实时显示。导航方法中坐标转换的过程涉及三个不同的坐标系（包括两个三维空间坐标系和一个二维坐标系）：
第一空间定位坐标系，以追踪标定工具（红外光学追踪小球）的全局坐标系系统，主要用于描述置入器械、患者、C臂与追踪标定工具的相对关系，并用以获得置入器械、患者、C臂的第一空间坐标。
第二空间定位坐标系，由V-spots构建的全局坐标系统，用来对第一空间定位坐标系进行矫正，避免第一空间定位坐标系存在系统误差。
影像坐标系，以医学影像为参照的坐标系统，此坐标系的生成和定义与C臂相关，空间定位坐标系的映射及可视化实时检测置入器械位姿都是在这个坐标系统进行的。
粗隆间骨折导航方法中三个坐标系之间的坐标转换关系并实时地应用于导航过程是该导航的关键技术。具体的转换过程如下：
1.术前将置入器械固定在对应的追踪工具上，通过红外光定位系统捕获追踪工具，进一步确定置入器械在第一空间定位坐标系中的坐标。
2.所述V-spots的光学追踪小球还具有锥度，所述锥度散发的射线在空间中汇集成三点；基于所述三点构建第二空间定位坐标系；基于所述配准小球在所述第一空间定位坐标系中的第一空间坐标和其在所述第二空间定位坐标系中的第二空间坐标构建变换关系，通过所述变换关系实现所述第一空间定位坐标系与所述第二空间定位坐标系之间的数据对齐。
3.所述V-spots的光学追踪小球在所述第一空间定位坐标系中具有空间坐标，在所述影像坐标系中具有影像坐标，基于所述空间坐标与所述影像坐标构建所述第一空间定位坐标系与所述影像坐标系之间的映射关系，在手术导航过程中，通过所述映射关系将置入器械的实时空间坐标映射至影像坐标系内。
这样以红外光定位系统和追踪工具为纽带，通过上述一次坐标配准和一次坐标映射，获得任意时刻置入器械顶点在影像坐标系中的坐标信息，并通过正位、侧位两张影像加以显示，从而实现对手术的实时引导。粗隆间骨折导航方法把患者术前医学影像数据和术中手术的实际部位通过光学定位装置联系起来，能够准确地显示患者病灶与置入器械之间的位置细节。
所述置入器械和配准装置所处的空间定位坐标系是由红外光学定位系统构建，具体为：由红外相机和带有光学追踪小球的光学追踪定位装置组成红外光学定位系统，由所述红外光学定位系统构建空间定位坐标系，所述光学追踪定位装置分别安装在患者、置入器械、影像拍摄装置、配准装置上，所述红外相机通过识别所述带有光学追踪小球的光学追踪定位装置实时追踪患者、置入器械、影像拍摄装置、配准装置在所述空间定位坐标系中的空间坐标。
在一个具体实施例中，红外光定位系统采用高精度高速双目立体摄像机观察被动或主动目标，然后利用定位算法集散出目标在定位坐标系的空间位置，并由此进一步计算医疗器械的位姿信息。光学定位装置典型的设备包括Northern Digital Inc.（NDI）的Optotrak3020、Polaris、Boulder的Flashpoint5000、Ascension的3D Guidance、Vicon的Vantage、OptiTrack的Prime系列和Atracsys的FusionTrack。这些光学定位装置在医疗、生物科学研究、虚拟现实、动作捕捉等领域都有广泛的应用，并在精度、实时性、灵活性等方面具有不同的特点和优势。
光学定位是当前最为稳定和精确的定位技术,该类设备依靠可以主动发射或者被动反射红外光的小球来进行定位,为了确定目标的位置至少需要三个红外小球。这类设备的精度可以达到毫米以下,而且系统可以达到实时更新的高速帧率,此外根据小球布局不同,光学定位设备可以同时跟踪多个目标。在导航手术进行之前,必须将设备摆位进行校正,将导航视野置于红外定位仪的有效工作范围内。光学定位装置的主要弱点在于它要求摄像头和被照射物体之间不能有光线遮挡,这在手术中极大限制了操作的灵活性。
在一个具体实施例中，光学追踪小球的空间定位流程包括：
第一步，获取所述双目立体摄像机左右相机的各自参数和双目相机之间的相对位置；
第二步，基于阈值分割等图像预处理算法，提取光学追踪小球圆心的像素坐标；
第三步，基于双目相机定位原理，计算得到光学追踪小球的空间位置和姿态。
在一个具体实施例中，光学追踪小球识别是指通过一系列图像算法获取图像坐标系下的球心坐标，主要步骤分为：图像分割、提取光学追踪小球轮廓和计算圆心。具体步骤包括：
第一步，对原始图像进行图像分割，通过设定一个门限值将图像分为背景和目标区域。选用选取阈值时更加灵活的自适应分割方法。根据图像在不同区域亮度不同，计算局部灰度值的均值从而确定其局部阈值。
第二步，提取光学追踪小球轮廓，经过分割的图像中仍有部分不属于光学追踪小球的区域，对后期计算圆心干扰很大。由于光学追踪小球圆轮廓对其识别和定位精度影像很大，不适合使用拟合圆的方法。因此基于面积和圆形度两个指标，提取图片中的光学追踪小球圆形轮廓。
第三步，计算圆心，通过求取圆形区域的质心完成光学追踪小球轮廓圆心的提取。假设图像在像素点(x,y)处的灰度值为f(x,y)，将其看作在该点的“质量”。因此可将求取光学追踪小球圆心坐标视作求解图像中圆形区域的质心。
在一个具体实施例中，光学追踪小球定位是通过双目相机定位原理和奇异值分解(SVD)计算得到光学追踪小球的空间位姿。首先通过立体匹配获取该点在左右图像的视差，然后利用三维重建获取该点的空间坐标，最后基于SVD算法求解光学追踪小球的姿态。具体步骤如下。
第一步，立体匹配，通过在左右相机图像中找到对应点并计算其视差，为求取深度系信息建立基础。而匹配算法是否准确往往决定了系统定位的准确性。由于本系统左右相机是水平放置，因此每个光学追踪小球中心的y坐标基本相同，即这四点在左右图像的相对位置关系一定的。
第二步，三维重建计算点坐标，当得到光学追踪小球中心在二维图像中的像素坐标后，基于双目相机空间定位原理以及最小二乘法，可求解出该点的在三维空间中的坐标，
第三步，姿态解析，光学追踪小球的位姿是通过奇异值分解(SVD)方法完成的。由于在手术导航过程中光学追踪小球与手术器械是相对固定的，因此通过求解光学追踪小球的空间位姿即可建立手术器械坐标系与相机坐标系间的转换关系。
所述规划置入器械的运动路径包括规划克氏针和/或螺旋刀片的置入方向和置入深度；所述置入方向通过红外光学定位系统捕获克氏针和/或螺旋刀片上带有光学追踪小球的光学追踪定位装置以确定克氏针和/或螺旋刀片的空间位置，将所述空间位置投射到正位、侧位影像并显示在显示屏；所述置入深度为计算显示屏上克氏针和/或螺旋刀片前端与股骨头重合部分的刻度值，并在显示屏中显示。
S102：基于所述患者正位、侧位影像确定正位、侧位TAD顶点位置，具体为：接收用户在所述患者正位、侧位影像中点选的三点，所述三点是在股骨头边缘任选三点，基于所述三点成圆并确定圆心点；将所述圆心点与股骨颈的中心点进行连线，得到一条线段；将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点。
粗隆间骨折常采用髓内固定的方式，髓内固定方法包括伽玛钉（Gamma Nail）、股骨近端钉（Proximal Femoral Nail, PFN）、股骨近端钉抗旋（Proximal Femoral NailAntirotation, PFNA）和转子间固定钉（Trochanteric Fixation Nail, TFN）。所述方法均由一根长钉和一个横向锁定螺钉组成，长钉经过股骨髓腔穿刺后固定在骨折处，横向锁定螺钉则用于固定粗隆部位。所述横向锁定螺钉的位置是粗隆间骨折手术能否成功的关键。
针对横向锁定螺钉位置的确定，Baumgaertner于1995年提出尖顶距（Tip Apexdistance, TAD）概念，TAD的值是指正侧位X片上拉力螺钉尖至股骨头-颈中轴线与股骨头节面交点的距离之和，基于所述距离的值来预测螺钉切出的风险。Baumgaertner将TAD应用于动力髋螺钉（Dynamic Hip Screw, DHS）治疗股骨转子间骨折中，发现：当TAD＞30mm时，有27%的几率发生螺钉切出；当25mm＜TAD＜30mm时，有2%的几率切出；当TAD＜25mm时，切出率为0。因此，Baumgaertner认为TAD＜25mm才能避免拉力螺钉切出，并强调拉力螺钉在正、侧位均位于正中并打入最深才安全可靠。随后，Baumgaertner报告了外科医生在接受TAD概念后的一项前瞻性研究：实验组118例股骨转子间骨折患者TAD＜25mm，无一例患者发生螺钉切出；对照组198例中有16例患者引TAD＞25mm而螺钉切出。
在一个实施例中，参考图6，医生可以在显示正位、侧位X光片的显示屏上，于正位、侧位X光片中股骨头的边缘任选三点，基于所选三点成圆并确定圆心点，然后选择股骨颈的中心点，连接所述圆心点与所述股骨颈的中心点得到一条线段，再将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点。
S103：基于所述患者正位、侧位影像确定患者正位、侧位置入器械顶点位置。
置入器械包括以下任意一种或几种：克氏针、螺旋刀片、伽玛钉、扩髓钻；所述克氏针用于确定置入器械置入股骨开口位置、开口方向，为后续扩髓、髓内钉植入预先定位；所述螺旋刀片用于抑制骨折部位的旋转，防止骨折片的不稳定性和错位；所述伽玛钉由一根长钉和一个横向锁定螺钉组成，长钉经过股骨髓腔穿刺后固定在骨折处，横向锁定螺钉固定粗隆部位；所述扩髓钻用于扩大骨髓腔，为髓内钉和螺旋刀片的进入提供更大的空间。
在一个实施例中，参考图7，在确定克氏针的入针点时，可选择使用追踪工具大体确定入针方向和入针深度，所述追踪工具可以被红外光定位系统捕获其位姿，并在二维正位、侧位影像中显示其打入深度值与打入方向。
S104：计算TAD距离，所述TAD距离是指所述正位TAD顶点与所述正位置入器械顶点之间的物理距离和所述侧位TAD顶点与所述侧位置入器械顶点之间的物理距离之和。
TAD距离的计算公式为：
其中，Xap指正位X光片上所测的从置入器械钉尖到TAD顶点的距离；Dture指置入器械的真实直径；Dap指正位X光片上所测置入器械的直径；指正位X光片上需矫正的放大倍数；Xlat指侧位X光片上所测的从置入器械钉尖到TAD顶点的距离；Dlat指侧位X光片上所测置入器械的直径；/>指侧位X光片上需矫正的放大倍数。
在一个实施例中，参考图8，在TAD距离规划上，克氏针与螺旋刀片推进器在确定入针点与入针方向时，可以通过追踪工具大体确定入针点和入针方向，所述追踪工具可以被红外光定位系统捕获其位姿，并在二维正位、侧位影像中显示建议克氏针打入刻度值与螺旋刀片推进器刻度值。
S105：实时显示所述TAD距离的值，基于所述TAD距离的值规划置入器械的运动路径。
在获得空间定位坐标系和影像坐标系之间的坐标映射关系后，由此在手术导航过程中，则可以通过上述映射将由定位装置获取的置入器械的实时坐标信息映射至影像坐标系内，得到正位、侧位患者影像中置入器械的二维坐标，同时基于计算得到的置入器械与规划路径之间的偏差和TAD距离的值以引导粗隆间骨折置入器械的置入和/或植入。
在粗隆间骨折手术过程中，入针点，入针深度和入针角度的精确把握是手术成功的关键，而粗隆间骨折手术是在不打开患者皮肤的条件下进行的，因此医生在手术时无法观察到患者组织与置入器械的相对位置。这时医生需要通过观察导航信息了解置入器械与手术规划路径及患者组织的相互关系,将置入器械按照手术计划的手术路径放置到预定的位置处,最终完成手术的治疗。所以一个方便易用、表意明确的导航显示视图则显得非常重要。
在一个实施例中，术后导航视图包括正位患者骨折部位与置入器械相对位置的视图和侧位患者骨折部位与置入器械相对位置的视图。正位和侧位是医学影像学中常用的两种体位。正位是指患者以站立或坐姿位，面向拍片机，胸部或躯干平行于拍片机的方向；侧位是指患者侧卧或侧立，胸部或躯干垂直于拍片机的方向。
在一个实施例中，TAD距离的值会在显示屏中实时显示，包括TAD正位距离、侧位距离以及正位、侧位距离之和，当15mm＜TAD＜25mm时，距离显示值呈绿色，发出TAD距离规划合理提示信号，无切出和/或翻转风险；当TAD≤15mm时，距离显示值呈红色，发出TAD距离过小警告，存在切出风险；当TAD≥25mm时，距离显示值呈红色，发出TAD距离过大警告，存在翻转风险。
在一个实施例中，置入器械的运动路径包括克氏针和螺旋刀片的置入方向和/或置入深度；所述置入方向通过捕获套筒标定器与套筒或螺旋套筒的位置，进一步在显示屏中显示；所述置入深度通过捕获套筒和螺旋套筒与股骨头重合部分的刻度值，进一步在显示屏中显示。
在一个具体实施例中，粗隆间骨折的手术全过程如下所示：
第一步，调整患者体位：将患者仰卧于骨科牵引床上。
第二步，患者骨折复位：对患者患侧骨折处进行复位，满意后，将患肢内旋10°至15°，内收10°至15°，固定于牵引床上。
第三步，确定髓内钉长度和直径：将测量尺放在股骨正前方，所述测量尺用于测量患者股骨干的直径与长度，近端置于髓内钉入钉点处，远端位于预期位置，直接读出髓内钉长度，根据测量尺上的读数预测直径。
第四步，手术入路及确定入针点：由大粗隆顶点水平切开5~6cm，正确入点为侧位上大粗隆顶点的前方1/3和后方2/3交界处，正位上粗隆顶点。
第五步，打开髓腔及扩髓：将空心开口锥沿入针点以适当的力量打开髓腔，克氏针沿空心开口锥尾部插入，克氏针顶点到达预定深度，移除其余装置，保留克氏针，放置软组织护板；使用软扩穿过克氏针扩髓，软扩从直径9mm开始，逐渐增加，近端扩髓时，放置保护套筒，使用近端空心钻扩髓，当扩髓完毕后，移除近端空心钻和保护套筒，保留克氏针。
第六步，植入髓内钉：将准备好的髓内钉用连接螺栓固定在手把上，用连接螺栓万向扳手将其拧紧，套入球头导针，轻微摆动手把插入，如需敲击打入时，在手把上的恰槽内先安装主钉打入器，用开口扳手将其拧紧，再连接主钉打入/取出杆，滑锤轻轻敲击，植入髓内钉，移除打入装置及克氏针。
第七步，近端锁定：将近端导杆安装在手把上并固定，刀片钉组合套筒插入近端导杆刀片钉孔内直至软组织皮肤，在正下方作约1cm切口，再插入直达骨皮质，并与瞄准臂锁定，移除直径3.2定位针，钻入直径3.2导针，使用粗隆间骨折导航方法监视放置状态，用导针测深器测量直径3.2导针在骨内的实际长度，移除测深器及直径3.2导针套管，再改用近端限位空心钻钻入，用刀片钉连接锁定起子，逆时针安装PFNA刀片钉，套入直径3.2导针插入，再用打入锤轻轻敲击打入锁定起子置限深处，红外光定位系统放置状态位置正确后，顺时针旋转，打入锁定起子，如果间隙闭合，表示PFNA刀片钉已锁紧，此时移除近端非植入装置，保留手把与连接螺栓。
第八步，远端锁定：把手把上安装远端导杆240并固定，把远端锁定组合套筒插入最远端的240mm，动态锁定孔内，在正下方作0.5cm切口，再插入直达骨皮质，改用直径4.3钻头钻孔，直径4.3钻头钻透第一层骨质，到达对侧髓腔内壁时，用小L形扳手调整限位器，与远端锁定钻头距离约1cm，目的保护对侧软组织，继续钻透对侧骨质，保证远端锁定套筒紧贴骨皮质，用测深器测量骨直径，再用远端锁钉扳手安装测量的直径4.7全螺纹锁钉拧入，不用过分拧紧。最后，使用粗隆间骨折导航方法监视放置状态，远端锁定完毕。植入尾帽，移除所有非植入装置，将患者股骨内收，远端锁钉扳手安装合适的尾帽，沿主钉尾部先顺时针再逆时针拧入，不要过分拧紧。
第九步，PFNA股骨髓内钉的取出：将直径3.2导针插入PFNA刀片钉中心孔内，并沿直径3.2导针套入刀片钉，打入取出器，然后逆时针旋转，连接固定PFNA刀片钉，将其取出。用远端锁钉扳手移除尾帽，安装主钉取出杆，再用远端锁钉扳手取出远端锁钉，最后用滑锤将主钉取出。
图2是本发明实施例提供的一种粗隆间骨折导航设备，包括：存储器、处理器、输入装置和输出装置。
存储器、处理器、输入装置和输出装置可以通过总线或者其他方式连接。图2所示的是以总线连接方式为例；其中，存储器用于存储程序指令；处理器用于调用程序指令，当程序指令被执行时，用于执行上述粗隆间骨折导航方法。
图3是本发明实施例提供的一种粗隆间骨折导航系统，包括：
S301：第一获取单元，用于获取患者正位、侧位影像；
S302：TAD顶点计算单元，用于基于所述患者正位、侧位影像确定正位、侧位TAD顶点位置，具体为：接收用户在所述患者正位、侧位影像中点选的三点，所述三点是在股骨头边缘任选三点，基于所述三点成圆并确定圆心点；将所述圆心点与股骨颈的中心点进行连线，得到一条线段；将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点；
S303：第二获取单元，用于基于所述患者正位、侧位影像确定患者正位、侧位置入器械顶点位置；
S304：TAD距离计算单元，用于计算TAD距离，所述TAD距离是指所述正位TAD顶点与所述正位置入器械顶点之间的物理距离和所述侧位TAD顶点与所述侧位置入器械顶点之间的物理距离之和；
S305：导航单元，用于实时显示所述TAD距离的值，基于所述TAD距离的值规划置入器械的运动路径。
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述粗隆间骨折导航方法。
本验证实施例的验证结果表明，为适应症分配固有权重相对于默认设置来说可以适度改善本方法的性能。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器（ROM，Read Only Memory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccess Memory）、磁盘或光盘等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
以上对本发明所提供的一种计算机设备进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种粗隆间骨折导航方法，其特征在于，所述方法包括：
获取患者正位、侧位影像；
基于所述患者正位、侧位影像确定正位、侧位TAD顶点位置，具体为：接收用户在所述患者正位、侧位影像中点选的三点，所述三点是在股骨头边缘任选三点，基于所述三点成圆并确定圆心点；将所述圆心点与股骨颈的中心点进行连线，得到一条线段；将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点；
基于所述患者正位、侧位影像确定患者正位、侧位置入器械顶点位置；
计算TAD距离，所述TAD距离是指所述正位TAD顶点与所述正位置入器械顶点之间的物理距离和所述侧位TAD顶点与所述侧位置入器械顶点之间的物理距离之和；
实时显示所述TAD距离的值，基于所述TAD距离的值规划置入器械的运动路径。
2.根据权利要求1所述的粗隆间骨折导航方法，其特征在于，所述TAD距离的值会在显示屏中实时显示，当15mm＜TAD＜25mm时，发出TAD距离规划合理提示信号，无切出和/或翻转风险。
3.根据权利要求1所述的粗隆间骨折导航方法，其特征在于，所述获取患者正位、侧位影像是采用影像拍摄装置对患者患侧进行X光照射，得到所述患者正位、侧位影像，所述正位、侧位影像中含有配准装置的影像。
4.根据权利要求3所述的粗隆间骨折导航方法，其特征在于，所述确定患者正位、侧位置入器械顶点位置是基于配准装置在所述置入器械所处的空间定位坐标系与所述配准装置的正位、侧位影像坐标系之间建立空间位姿转换关系，将处于空间定位坐标系下的置入器械的空间坐标映射至患者正位、侧位影像坐标系内。
5.根据权利要求4所述的粗隆间骨折导航方法，其特征在于，所述配准装置上具有光学追踪小球和配准小球，所述光学追踪小球在所述空间定位坐标系中具有空间坐标，所述配准小球在所述影像坐标系中具有影像坐标，所述光学追踪小球和所述配准小球具有固定的空间位置关系，基于所述空间坐标、所述影像坐标和所述空间位置关系构建所述空间定位坐标系与所述影像坐标系之间的映射关系。
6.根据权利要求5所述的粗隆间骨折导航方法，其特征在于，所述置入器械和配准装置的空间定位坐标系是由红外光学定位系统构建，具体为：由红外相机和带有光学追踪小球的光学追踪定位装置组成红外光学定位系统，由所述红外光学定位系统构建空间定位坐标系，所述光学追踪定位装置分别安装在患者、置入器械、影像拍摄装置、配准装置上，所述红外相机通过识别所述带有光学追踪小球的光学追踪定位装置实时追踪患者、置入器械、影像拍摄装置、配准装置在所述空间定位坐标系中的空间坐标。
7.根据权利要求6所述的粗隆间骨折导航方法，其特征在于，所述规划置入器械的运动路径包括规划克氏针和/或螺旋刀片的置入方向和置入深度；所述置入方向通过红外光学定位系统捕获克氏针和/或螺旋刀片上带有光学追踪小球的光学追踪定位装置以确定克氏针和/或螺旋刀片的空间位置，将所述空间位置投射到正位、侧位影像并显示在显示屏；所述置入深度为计算显示屏上克氏针和/或螺旋刀片前端与股骨头重合部分的刻度值，并在显示屏中显示。
8.一种粗隆间骨折导航设备，其特征在于，所述设备包括存储器和处理器；
所述存储器用于存储程序指令；
所述处理器用于调用程序指令，当程序指令被执行时，用于执行权利要求1-7任意一项所述的粗隆间骨折导航方法。
9.一种粗隆间骨折导航系统，其特征在于，所述系统包括：
第一获取单元，用于获取患者正位、侧位影像；
TAD顶点计算单元，用于基于所述患者正位、侧位影像确定正位、侧位TAD顶点位置，具体为：接收用户在所述患者正位、侧位影像中点选的三点，所述三点是在股骨头边缘任选三点，基于所述三点成圆并确定圆心点；将所述圆心点与股骨颈的中心点进行连线，得到一条线段；将所述线段向圆心点一端延长与圆相交，得到的交点即为正位、侧位TAD顶点；
第二获取单元，用于基于所述患者正位、侧位影像确定患者正位、侧位置入器械顶点位置；
TAD距离计算单元，用于计算TAD距离，所述TAD距离是指所述正位TAD顶点与所述正位置入器械顶点之间的物理距离和所述侧位TAD顶点与所述侧位置入器械顶点之间的物理距离之和；
导航单元，用于实时显示所述TAD距离的值，基于所述TAD距离的值规划置入器械的运动路径。
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，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-7任意一项所述的粗隆间骨折导航方法。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116993791A (zh) * | 2023-09-28 | 2023-11-03 | 真健康（北京）医疗科技有限公司 | 一种基于体表定位装置的医学图像配准方法及设备 |
| CN116993791B (zh) * | 2023-09-28 | 2023-12-19 | 真健康（北京）医疗科技有限公司 | 一种基于体表定位装置的医学图像配准方法及设备 |
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|---|---|
| CN116712171B (zh) | 2023-11-03 |
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