一種個體化股骨骨折復位模型構建方法與流程
2023-05-19 17:31:21 1
本發明涉及一種數字股骨建模技術，具體涉及一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，屬於計算機輔助設計領域。
背景技術：
隨著全球人口老齡化和道路交通事故傷害的增加，人體股骨骨折呈逐年上升趨勢，且多為複雜粉碎性骨折。手術治療已成為當下股骨粉碎性骨折治療的最有效方法，計算機輔助骨科手術為骨折治療提供了有效技術保障，成為當前發展最為迅速的研究領域。有效復位患者偏移後骨折塊至正常解剖位，構建個體化骨骼骨折復位模型，是計算機輔助骨科手術中最為重要的問題之一。參考文件(cn104622559a)發明公開了一種參數化股骨模板的構建方法，現有方法主要分為兩類：手工拼接和統計重構。手工拼接是醫生對骨折塊逐一手工復位，其主要缺點包括：復位模型的精度很大程度上依賴於醫生經驗；同時模型構建效率低下。統計重構是利用近似骨骼模型代替患者個體模型，其主要不足包括：難以有效表示患者個體股骨外形差異特徵；近似骨骼模型難以表示骨摺痕跡信息，難以指導醫生對患者個體的針對性手術治療。
技術實現要素：
為解決現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種個體化股骨骨折復位模型的構建方法，基於患者骨折模型和參數變形模板，實現骨折段的解剖復位與患者個體骨摺痕跡的直觀表示。
為了實現上述目標，本發明採用如下的技術方案：
一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，包括如下步驟：
步驟1：創建平均化股骨變形模板，定義股骨解剖特徵點和解剖參考點，基於患者骨折ct，創建患者骨折簡化模型；測量骨折簡化模型中正常解剖部位的有效參數，編輯修改平均化股骨變形模板，構建個體化近似模型。
步驟2：提取患者骨折簡化模型和近似股骨模型中解剖特徵點和解剖參考點，依據所屬位置，將解剖特徵點和參考點分類至對應模型的各骨折段解剖點集，將骨折簡化模型中各解剖點集配準對其至近似股骨模型中對應解剖點集，依據所求解變形矩陣，對骨折模型中對應骨折段進行復位。
步驟3：提取骨折簡化模型中各骨折段骨折輪廓，投影至近似股骨模型中，截取近似股骨模型中對應曲面，使用過渡曲面，光滑連接相鄰曲面，構建患者個體化骨折復位模型。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟1包括以下步驟：
步驟1a：導入特定人群正常股骨的平均化曲面模型，創建平均化股骨解剖特徵點和解剖參考點，定義股骨解剖參數，基於參數化股骨模板構建技術，創建股骨曲面變形模板。
步驟1b：提取患者骨折股骨ct外側輪廓，創建個體骨折三維曲面模型，移除粉碎性骨折部分，創建患者骨折簡化模型；
步驟1c：測量患者骨折簡化模型中正常解剖位的有效參數，編輯修改平均化股骨變形曲面模板，創建個體化近似模型；
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟2包括以下步驟：
步驟2a：創建患者骨折簡化模型和個體化近似模型中解剖特徵點和解剖參考點，依據各點所屬位置，分類骨折簡化模型解剖特徵點和解剖參考點至對應解剖點集，分類近似模型解剖特徵點和解剖參考點至對應解剖點集；
步驟2b：將患者骨折簡化模型中各解剖點集配準對齊至個體化近似模型中對應解剖點集，求解各點集對應變形矩陣，對骨折簡化模型中主要骨折段進行自動復位。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟3包括以下步驟：
步驟3a：提取復位後骨折簡化模型中主要骨折段邊界輪廓曲線，投影至所個體化近似模型中，截取相應部分曲面，表示所移除粉碎性部分外形；
步驟3b：使用過渡曲面技術，光滑連接相鄰曲面，構建患者個體化股骨骨折復位模型。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟1的步驟1a中，所述解剖特徵點位於股骨表面，具有顯著醫學意義和顯著幾何特徵(曲率最大)，包括大轉子最高點(pa1)、大轉子外側點(pa2)、小轉子上部點(pa3)、小轉子頂點(pa4)、小轉子下部點(pa5)、髁部外側點(pa6)、髁部前外側點(pa7)、髁部外側底部點(pa8)、兩髁底部最高點(pa9)、髁前滑車點(pa10)、髁部內側底部點(pa11)、髁部前內側點(pa12)、髁部內側點(pa13)、髁部後內側點(pa14)、髁部後外側點(pa15)，所述解剖參考點位於股骨內部，通過擬合求解股骨各部分外形獲得，具有解剖參考意義，包括頭球心(pr1)、頸峽部點(pr2)、頸幹交點(pr3)、幹峽部點(pr7)、近端軸四等分點(pr4-pr6)、遠端軸底部點(pr10)、遠端軸三等分點(pr8、pr9)。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟1的步驟1b中，所述ct外側輪廓，是指股骨外側皮質骨輪廓，粉碎性骨折部分是指手術治療中難以固定的細小骨折塊。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟1的步驟1c中，所述正常解剖位的有效參數包括：球頭半徑(p1)、頸峽部半徑(p2)、頭球心高(p3)、近端長(p4)、小粗隆高(p5)髁橫徑(p6)。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟2的步驟2a中，所述解剖點集為骨折段表面解剖參考點及其內部解剖參考點的集合。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟2的步驟2b中，所述配準對其為剛性配準，平移和旋轉各骨折段，保持其形狀不變，兩兩配準點集中解剖點一一對應。
前述的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，所述步驟3的步驟3a中，所述骨折邊界輪廓曲線是指骨折位邊界閉合曲線，投影是指參考股骨遠端解剖軸，將復位後骨折簡化模型邊界輪廓曲線，投影至個體化近似模型中，創建對應輪廓曲線，用以截取粉碎部分所對應曲面；所述步驟3的步驟3b中，所述相鄰曲面是指個體化近似模型中所截取曲面和復位後骨折簡化模型中曲面。
本發明的有益之處在於：本發明的一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，系統運行效率高，通過患者股骨骨折段復位和粉碎性部分曲面重構，直觀快捷地構建具有患者股骨解剖和骨折特性信息的個體化骨折模型。本發明應用於醫學骨科手術與醫療器材製造領域，能夠直觀、準確地表示個體化股骨外形和骨折信息，對指導醫生進行股骨骨折手術治療具有重要指導意義。
附圖說明
圖1是本發明中一種個性化股骨骨折復位模型構建方法流程圖；
圖2是本發明中股骨平均化模板解剖點示意圖；
圖3是本發明中個體股骨近似模型創建示意圖；
圖4是本發明中股骨模型解剖點集分類示意圖；
圖5是本發明中骨折簡化模型復位示意圖；
圖6是本發明中個體化股骨骨折復位模型構建示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明做具體的介紹。
參照圖1所示，本發明一種個性化股骨骨折復位模型構建方法，包括如下步驟：
步驟一：創建平均化股骨變形模板，定義股骨解剖特徵點和解剖參考點，基於患者骨折ct，創建患者骨折簡化模型；測量骨折簡化模型中正常解剖部位的有效參數，編輯修改平均化股骨變形模板，構建個體化近似模型。
步驟二：提取患者骨折簡化模型和近似股骨模型中解剖特徵點和解剖參考點，依據所屬位置，將解剖特徵點和參考點分類至對應模型的各骨折段解剖點集，將骨折簡化模型中各解剖點集配準對其至近似股骨模型中對應解剖點集，依據所求解變形矩陣，對骨折模型中對應骨折段進行復位。
步驟三：提取骨折簡化模型中各骨折段骨折輪廓，投影至近似股骨模型中，截取近似股骨模型中對應曲面，使用過渡曲面，光滑連接相鄰曲面，構建患者個體化骨折復位模型。
首先，創建平均化股骨變形模板，定義股骨解剖特徵點和解剖參考點，創建患者骨折簡化模型和個體化近似模型，包括以下步驟：
步驟1a：導入特定人群正常股骨的平均化曲面模型，創建平均化股骨解剖特徵點和解剖參考點，定義股骨解剖參數，基於參數化股骨模板構建技術，創建股骨曲面變形模板。
步驟1b：提取患者骨折股骨ct外側輪廓，創建個體骨折三維曲面模型，移除粉碎性骨折部分，創建患者骨折簡化模型；
步驟1c：測量患者骨折簡化模型中正常解剖位的有效參數，編輯修改平均化股骨變形曲面模板，創建個體化近似模型。
然後，提取患者骨折簡化模型和近似股骨模型中解剖特徵點和解剖參考點，配準對其骨折簡化模型中各解剖點集至近似股骨模型中對應解剖點集，對骨折模型中對應骨折段進行復位。包括以下步驟：
步驟2a：創建患者骨折簡化模型和個體化近似模型中解剖特徵點和解剖參考點，依據各點所屬位置，分類骨折簡化模型解剖特徵點和解剖參考點至對應解剖點集，分類近似模型解剖特徵點和解剖參考點至對應解剖點集；
步驟2b：將患者骨折簡化模型中各解剖點集配準對齊至個體化近似模型中對應解剖點集，求解各點集對應變形矩陣，對骨折簡化模型中主要骨折段進行自動復位。
最後，截取近似股骨模型中對應曲面，表示粉碎性部分骨骼外形，使用過渡曲面光滑連接相鄰曲面，構建患者個體化骨折復位模型，包括以下步驟：
步驟3a：提取復位後骨折簡化模型中主要骨折段邊界輪廓曲線，投影至所個體化近似模型中，截取相應部分曲面，表示所移除粉碎性部分外形；
步驟3b：使用過渡曲面技術，光滑連接相鄰曲面，構建患者個體化股骨骨折復位模型。
如圖2所示，導入股骨平均化曲面模型，結合醫學語義和幾何特徵，創建股骨解剖特徵點(曲率最大)，包括大轉子最高點(pa1)、大轉子外側點(pa2)、小轉子上部點(pa3)、小轉子頂點(pa4)、小轉子下部點(pa5)、髁部外側點(pa6)、髁部前外側點(pa7)、髁部外側底部點(pa8)、兩髁底部最高點(pa9)、髁前滑車點(pa10)、髁部內側底部點(pa11)、髁部前內側點(pa12)、髁部內側點(pa13)、髁部後內側點(pa14)、髁部後外側點(pa15)；通過擬合求解股骨各部分外形，創建解剖參考點，包括頭球心(pr1)、頸峽部點(pr2)、頸幹交點(pr3)、幹峽部點(pr7)，創建股骨頸部軸(l1)、近端骨幹軸(l2)和遠端骨幹軸(l3)，創建l3底部點(pr10，遠l3與pa6、pa7和pa13三點所在面的交點)，創建近端軸四等分點(pr4-pr6)、遠端軸三等分點(pr8、pr9)；基於參數化股骨模板構建技術，創建平均化股骨變形模板。
如圖3所示，創建患者骨折模型，提取正常解剖位的有效參數，編輯修改平均化股骨變形模板，生成個體化近似模型。首先，基於患者ct數據中所提取股骨外側皮質骨輪廓，創建股骨骨折模型，如圖中(a)所示；然後，移除粉碎性骨折部分是指手術治療中難以固定的細小骨折塊，生成患者骨折簡化模型，如圖中(b)所示，測量近端和遠端正常部位的有效參數，包括：球頭半徑(p1)、頸峽部半徑(p2)、頭球心高(p3)、近端長(p4)、小粗隆高(p5)髁橫徑(p6)；通過參數約束求解，編輯修改平均化股骨變形模板，生成個體化近似模型，如圖中(c)所示。
如圖4所示，提取個體化骨折簡化模型中解剖特徵點和解剖參考點，並將其分類至近端點集(pp』)和遠端點集(pd』),pp』＝{pa1』,pa2』,pa3』,pa4』,pa5』,pr1』,pr2』,pr3』,pr4』,pr5』,pr6』,pr7』,pr8』,pr9』},pd』＝{pa6』,pa7』,pa8』,pa9』,pa10』,pa11』,pa12』,pa13』,pa14』,pa15』,pr10』}，如圖中(a)所示；同時創建個體化近似模型中近端點集(pp)和遠端點集(pd),pp＝{pa1,pa2,pa3,pa4,pa5,pr1,pr2,pr3,pr4,pr5,pr6,pr7,pr8,pr9},pd＝{pa6,pa7,pa8,pa9,pa10,pa11,pa12,pa13,pa14,pa15,pr10}，如圖中(b所示)。
如圖5所示，首先，將pp』和pd』使用icp算法分別配準至將pp和pd點集，求解近端和遠端變形矩陣；然後，依據變形矩陣，對近端和遠端骨折段進行自動復位，創建復位後骨折簡化模型。
如圖6所示，首先，提取復位後骨折簡化模型中主要骨折邊界輪廓曲線；然後，參考遠端軸線(l3)，將骨折邊界輪廓投影至個體化近似模型表面，創建骨折邊界輪廓投影曲線；接著，接入投影輪廓內曲面，表示粉碎性骨折部分骨骼外形；最後，通過過渡曲面，光滑連接復位後骨折曲面和截取曲面，生成個體化股骨骨折復位模型。
本方法未進一步說明的均為現有技術。
本發明給出了一種個性化股骨骨折復位模型構建方法。首先，基於參數化股骨曲面模型構建技術，創建平均化股骨變形模板，定義股骨解剖特徵點和解剖參考點，創建患者骨折簡化模型，構建個體化近似模型；然後，將骨折簡化模型中各解剖點集配準對其至近似股骨模型中對應解剖點集，求解變形矩陣，實現骨折模型中對應骨折段自動復位；最後，提取骨折簡化模型中各骨折段骨折輪廓，投影並截取近似股骨模型中對應曲面，使用過渡曲面，光滑連接相鄰曲面，構建患者個體化骨折復位模型。
本發明能夠通過參數直觀、準確地表示股骨曲面形態，能夠基於參數的修改生成一系列多樣化股骨模型，對骨科手術中患者接骨板個性化設計有重要意義。
本發明直觀快捷地構建具有患者股骨解剖和骨折特性信息的個體化骨折模型，能夠直觀、準確地表示個體化股骨外形和骨折信息，對指導醫生進行股骨骨折手術治療具有重要指導意義。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和優點。本行業的技術人員應該了解，上述實施例不以任何形式限制本發明，凡採用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術方案，均落在本發明的保護範圍內。