骨科外固定模擬矯形分析儀的製作方法
2023-09-13 22:47:20 1
專利名稱：骨科外固定模擬矯形分析儀的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於一種模擬分析儀器，特別是一種用於肢體外科矯形的計算機模擬 分析儀器。
背景技術：
隨著骨外固定技術的不斷發展和器械的完善，應用骨外固定器對截骨端進行固定 和調控，已成為現代骨科領域的一項新技術。近些年來，經過很多專家的刻苦研究，我國的 骨外固定技術在某些方面已處於國際領先水平。然而，由於患者畸形的情況存在明顯的個 體差異性，截骨點的選取、矯形方案的選擇，以及手術的操作，以致手術的成功與否，在很大 程度上取決於外科醫師的臨床經驗，為給外科醫師提供大量的術前術後信息，對骨科肢體 外固定矯形提供輔助參考，急需一種模擬分析儀器。
實用新型內容為了滿足臨床外科醫師的手術需求，本實用新型提供一種骨科外固定模擬矯形分 析儀，其操作簡單，僅需提供患者矯形部位正位和側位的X光片輸入到本系統，就能豐富而 精確地術前診斷信息、可進行手術模擬和術後調整模擬等功能，能為外科醫師提供大量的 術前、術後信息，可作為外科矯形的術前模擬系統和術後評價系統。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種骨科外固定模擬矯形分析儀，包括患病部位信息採集設備、中央處理器和輸 出設備，其特徵在於中央處理器包括一個可對病骨進行模擬矯形數據處理的算術邏輯單元、累加器和 通用寄存器組、程序計數器、時序和控制邏輯部件、數據與地址鎖存器、緩衝器、I/O接口電 路和內部總線；中央處理器的一個I/O電路接口與用於將採集的患病部位模擬信號轉變為 數位訊號的採集卡連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫師信 息和模擬矯形數據列印出來的印表機連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者 信息、診治醫師信息和模擬矯形數據顯示出來的顯示屏連接；中央處理器的一個I/O電路 接口與用於隨時查詢、讀取所存信息的存儲單元連接；存儲單元中包括下列模塊圖片輸入模塊；用於測量患病部位相關角度和長度的 測量模塊；可勾畫進行手術模擬的骨頭外部輪廓線的骨外形勾畫模塊；可依據正位片和側 位片記載的外形輪廓信息得到骨三維信息的三維骨模型生成模塊；可將繪製好的三維器械 模型導入到本系統的三維器械導入模塊；可對三維骨模型生成模塊和三維器械導入模塊進 行前後、左右、上下平移和繞前後、左右、上下三根坐標軸旋轉的三維模擬分析模塊；矯形數 據模擬處理模塊；可連續和單幀播放矯形模擬過程的動畫生成模塊；與模擬矯形信息相關 的資料庫模塊。所述患病部位信息採集設備包括可輸入患者患病部位正位X光片和側位X光片的 X光片掃描儀、CT透視儀、螺旋CT儀和核磁共振儀。[0009]所述圖片輸入模塊是可同時在一個視窗內加載兩幅圖片，對輸入的圖片可以替換；圖片的下方顯示患病部位和位置信息，滾動滑鼠滾輪可對圖片進行縮放操作的模塊。所述測量模塊的測量數據包括患病部位正位和側位的關節走行方向角、骨長骨寬 的信息。所述骨外形勾勒模塊是通過勾勒患病骨頭正位和側位的外形輪廓線獲取骨頭正 位和側位輪廓信息的模塊。所述三維骨模型生成模塊是採用斷層層疊重建的方法根據骨頭正位和側位的輪 廓數據生成骨立體模型的模塊。所述三維器械導入模塊是採用CAD或3DMax三維建模軟體建立的模型。所述三維模擬分析模塊是可在三維視窗環境中對生成的模型和導入的器械進行 上下、左右、前後移動操作和繞上下、左右、前後3根坐標軸旋轉操作、對模型進行縮放操 作、以及確定模型的正視圖面和左視圖面操作的模塊。所述矯形數據模擬處理模塊是可以定義關節走行方向線、骨頭的機械軸、骨頭或 骨段的解剖軸；可以確定患病骨頭的畸形點，可以模擬開放楔形截骨、中性楔形截骨、閉合 楔形截骨、圓形截骨等4種截骨手術方式，可以將器械固定在骨頭上，模擬矯形的過程，並 能得出外固定器6根連杆的初始長度和矯形結束後的長度，並能按照設定的矯形時間得出 外固定器6根連杆每天的變化長度的模塊。所述與模擬矯形信息相關的資料庫模塊是記載患者病歷號、患者姓名、性別、年 齡、患病部位、術前診斷信息、模擬矯形數據、會診醫師姓名、會診日期和會診醫院信息的模 塊。本實用新型的有益效果如下本實用新型是為了彌補國際、國內外科矯形市場在外科矯形模擬方面的不足，實 現計算機自動模擬矯形手術的目的。設計開發的骨科外固定模擬矯形分析儀，通過術前診 斷可以給外科矯形醫師提供初步的患者病況信息，術前模擬矯形，能夠為矯形醫師選擇矯 形方法和矯形器具提供參考，能極大地增加矯形手術的成功率，減少患者的病痛。術後的矯 形模擬重現手術結束後患者的矯形位置、器具安裝等真實情況，既可以預測矯形結果、也可 以實時對矯形進行微調，提高矯形效果，甚而可以評價最終的矯形效果。能廣泛用於各類外 科矯形手術。本實用新型是在WindowsXPProfessional作業系統和VisualStudio2005開發平 臺上採用C++語言開發完成的，具有功能擴展性、可移植性和代碼健壯性好等優點，系統佔 用計算機的資源少，對計算機的性能要求低，安裝簡便，具有普遍使用性。本實用新型可以 以正位和側位兩張X光片為輸入信息、也可以螺旋CT的掃描數據為輸入信息，或是以其他 三維模型生成軟體建立的模型為輸入信息，輸入方式多樣化，可以滿足不同層次外科矯形 醫院的需求。對於矯形外科手術，確定最佳的截骨點和截骨方式，對矯形的效果起著決定性 的作用。本系統依照矯形外科原則，通過測量骨段的解剖軸確定截骨位置，並自動計算出截 斷後骨的最佳旋轉中心，以矯形是否能恢復骨段的生理承重線為標準評判矯形的效果。本 系統的界面極具人性化，需要輸入的信息量很少，操作簡單方便，對電腦操作不太熟悉的使 用者也能很快掌握本系統的操作過程。本系統的大部分操作在三維視窗中完成，操作效果 以三維顯示，符合人體的視覺思維，其操作效果能一眼識別，使用者可以通過觀察三維模型感性的判別操作的結果是好是壞，符合臨床醫師的思維習慣。本系統基本上涵蓋了所有的 截骨類型，最大程度上與真實矯形情況相吻合。所添加的器械選擇性大，直徑、位置都可以 隨意變換，可真實模擬手術情況。矯形結果可以動畫形式重複播放，如對矯形結果不太滿 意，可以隨時調整器具的位置和方向，並可即時觀看矯形過程和矯形結果。所有數據都可以 保存在資料庫中，以便以後的隨時調用和查看。矯形數據以及患者信息、診治醫師信息可以 文字、圖形的方式列印輸出，既能作為病歷保存，也可作為手術時的參考，更可以作為患者 的預期結果，向患者展示整個矯形的過程和結果，提高患者治癒病患的信心，增強患者與醫 師的配合。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
圖1是本實用新型的結構示意圖。圖2是本實用新型的詳細結構示意圖。圖3是存儲單元的組成架構示意圖。圖4是資料庫模塊存儲內容的示意圖。圖5是本實用新型操作程序示意圖。圖6是輸入基本信息的示意圖。圖7是進行術前診斷的示意圖。圖8是勾勒額狀面和矢狀面骨外輪廓線的示意圖。圖9是生成3D骨膜型的示意圖。圖10是在正位面上添加解剖軸的示意圖。圖11是導入外固定器的示意圖。圖12是模擬矯形結果的示意圖。
具體實施方式
實施例參見圖1-5所示，這種骨科外固定模擬矯形分析儀，包括患病部位信息採 集設備、中央處理器和輸出設備，中央處理器包括一個可對病骨進行模擬矯形數據處理的 算術邏輯單元、累加器和通用寄存器組、程序計數器、時序和控制邏輯部件、數據與地址鎖 存器、緩衝器、I/O接口電路和內部總線；中央處理器的一個I/O電路接口與用於將採集的 患病部位模擬信號轉變為數位訊號的採集卡連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個 將患者信息、診治醫師信息和模擬矯形數據列印出來的印表機連接；中央處理器的一個I/ 0電路接口與一個將患者信息、診治醫師信息和模擬矯形數據顯示出來的顯示屏連接；中 央處理器的一個I/O電路接口與用於隨時查詢、讀取所存信息的存儲單元連接；參見圖2，存儲單元中包括下列模塊圖片輸入模塊；用於測量患病部位相關角度 和長度的測量模塊；可勾畫進行手術模擬的骨頭外部輪廓線的骨外形勾畫模塊；可依據正 位片和側位片記載的外形輪廓信息得到骨三維信息的三維骨模型生成模塊；可將繪製好的 三維器械模型導入到本系統的三維器械導入模塊；可對三維骨模型生成模塊和三維器械導 入模塊進行前後、左右、上下平移和繞前後、左右、上下三根坐標軸旋轉的三維模擬分析模 塊；矯形數據模擬處理模塊；可連續和單幀播放矯形模擬過程的動畫生成模塊；與模擬矯 形信息相關的資料庫模塊。[0036]參見圖1、圖2，所述患病部位信息採集設備包括可輸入患者患病部位正位X光片 和側位X光片的X光片掃描儀、CT透視儀、螺旋CT儀和核磁共振儀。所述圖片輸入模塊是可同時在一個視窗內加載兩幅圖片，對輸入的圖片可以替 換；圖片的下方顯示患病部位和位置信息，滾動滑鼠滾輪可對圖片進行縮放操作的模塊。所述測量模塊的測量數據包括患病部位正位和側位的關節走行方向角、骨長骨寬 的信息。所述骨外形勾勒模塊是通過勾勒 患病骨頭正位和側位的外形輪廓線獲取骨頭正 位和側位輪廓信息的模塊。所述三維骨模型生成模塊是採用斷層層疊重建的方法根據骨頭正位和側位的輪 廓數據生成骨立體模型的模塊。所述三維器械導入模塊是採用CAD或3DMax三維建模軟體建立的模型。所述三維模擬分析模塊是可在三維視窗環境中對生成的模型和導入的器械進行 上下、左右、前後移動操作和繞上下、左右、前後3根坐標軸旋轉操作、對模型進行縮放操 作、以及確定模型的正視圖面和左視圖面操作的模塊。所述矯形數據模擬處理模塊是可以定義關節走行方向線、骨頭的機械軸、骨頭或 骨段的解剖軸；可以確定患病骨頭的畸形點，可以模擬開放楔形截骨、中性楔形截骨、閉合 楔形截骨、圓形截骨等4種截骨手術方式，可以將器械固定在骨頭上，模擬矯形的過程，並 能得出外固定器6根連杆的初始長度和矯形結束後的長度，並能按照設定的矯形時間得出 外固定器6根連杆每天的變化長度的模塊。所述與模擬矯形信息相關的資料庫模塊是記載患者病歷號、患者姓名、性別、年 齡、患病部位、術前診斷信息、模擬矯形數據、會診醫師姓名、會診日期和會診醫院信息的模 塊。參見圖6-12，使用X光片掃描儀、CT透視儀、螺旋CT儀和核磁共振儀等設備掃描 患者患病部位的正位和側位X光片，並以圖片形式保存到電腦硬碟中。啟動軟體系統，顯示軟體系統的主界面，如圖6。在患者信息模塊中輸入患者的 ID、姓名、性別、年齡。選擇患者的患病部位。在醫生信息模塊中輸入醫生姓名、會診日期以 及會診醫院名稱。單擊確定按鈕，將這些信息保存到資料庫模塊中。點擊打開正位片右側的瀏覽按鈕，導入患者患病部位的正位片，類似地導入患 者患病部位的側位片。圖片導入後，在圖片的左上角將顯示圖片所示的部位，以及是正位還 是側位。對X光片進行術前診斷操作。標定比例尺後可以測量骨長、骨寬等尺寸；可定義 關節走行方向線和方向角，可定義骨的機械軸和解剖軸。術前診斷完成後，點擊保存診斷圖 片菜單項可將診斷結果以圖片方式保存下來。單擊導入圖片模塊下方的確定按鈕，進入骨外形勾勒界面。點擊勾勒正位片外 形按鈕，滑鼠指針變成畫筆圖案，並可在圖片視窗內描畫所需模擬矯形的骨頭的外形輪廓 線。如對勾畫的輪廓線不滿意可以刪除重新勾畫，也可以調整輪廓線的大小，使輪廓線顯示 更加清晰明亮。點擊左下視圖的生成三維按鈕，系統將根據正位片和側位片的外輪廓線數據， 採用B樣條曲線生成骨的一個橫斷面，採用層疊延伸算法將每個橫斷面插值成一個高度為兩個橫斷面之間的距離的立體骨段，將這些骨段連接成一個整體，生成三維立體骨模型。視窗中的三維立體骨模型可通過OPENGL的旋轉、平移和縮放函數進行旋轉、平 移和縮放操作。將三維立體骨定位到正面視圖(正位片)，添加解剖軸，如果骨頭存在畸形，則需要添加多個解剖軸，解剖軸的交點正是畸形點和矯形時的旋轉中心。根據畸形的特點選 擇直線截骨、楔形截骨和圓形截骨中的一種或幾種的組合，對畸形骨進行截骨模擬操作。通過導入器械操作，可導入一種外固定器對畸形骨段進行固定。以導入六連杆 外固定器為例，導入上、下環後，上、下環的六根杆自動連接。確定矯形的基準環之後，點擊 矯形菜單即可對畸形骨進行模擬矯形操作。六根杆的初始長度數據和矯形後的終止長度數 據自動保存到資料庫模塊。在結果顯示對話框中輸入骨長、得出六根杆相對應的實際長度。並可動畫演示 矯形結果。輸入矯形時間，可進行單步矯形，得出每一天六根杆的長度變化，指導實際的矯 形手術操作。單步矯形後的六根杆的變化量自動保存到資料庫中。點擊報表輸出菜單就可以將患者信息、術前診斷信息(如果進行了診斷操作)和矯 形信息列印出來。
權利要求一種骨科外固定模擬矯形分析儀，包括患病部位信息採集設備、中央處理器和輸出設備，其特徵在於中央處理器包括一個可對病骨進行模擬矯形數據處理的算術邏輯單元、累加器和通用寄存器組、程序計數器、時序和控制邏輯部件、數據與地址鎖存器、緩衝器、I/O接口電路和內部總線；中央處理器的一個I/O電路接口與用於將採集的患病部位模擬信號轉變為數位訊號的採集卡連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫師信息和模擬矯形數據列印出來的印表機連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫師信息和模擬矯形數據顯示出來的顯示屏連接；中央處理器的一個I/O電路接口與用於隨時查詢、讀取所存信息的存儲單元連接；存儲單元中包括下列模塊圖片輸入模塊；用於測量患病部位相關角度和長度的測量模塊；可勾畫進行手術模擬的骨頭外部輪廓線的骨外形勾畫模塊；可依據正位片和側位片記載的外形輪廓信息得到骨三維信息的三維骨模型生成模塊；可將繪製好的三維器械模型導入到本系統的三維器械導入模塊；可對三維骨模型生成模塊和三維器械導入模塊進行前後、左右、上下平移和繞前後、左右、上下三根坐標軸旋轉的三維模擬分析模塊；矯形數據模擬處理模塊；可連續和單幀播放矯形模擬過程的動畫生成模塊；與模擬矯形信息相關的資料庫模塊。
2.根據權利要求1所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特徵在於所述患病部位信 息採集設備包括可輸入患者患病部位正位X光片和側位X光片的X光片掃描儀、CT透視儀、 螺旋CT儀和核磁共振儀。
專利摘要一種骨科外固定模擬矯形分析儀，其中央處理器的一個I/O電路接口與用於將採集的患病部位模擬信號轉變為數位訊號的採集卡連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫師信息和模擬矯形數據印表機連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫師信息和模擬矯形數據的顯示屏連接；中央處理器的一個I/O電路接口與用於隨時查詢、讀取所存信息的存儲單元連接。其能實現對矯形外科手術的術前模擬診斷、術後模擬評價的功能，可做為外科醫師手術方案選擇和術後調整方案的參考，給外科醫師大量的術前術後信息，能明顯降低手術風險，提高手術成功率，適用於骨科肢體外固定矯形的輔助參考。
文檔編號G06F19/00GK201611487SQ20092031165
公開日2010年10月20日 申請日期2009年9月28日 優先權日2009年9月28日
發明者唐佩福, 夏和桃, 夏洪菁, 李剛, 王坤正 申請人:北京骨外固定技術研究所