骨折并联外固定支架空间位姿的自动识别方法技术

本发明专利技术公开了并联外固定支架空间位姿自动识别方法，主要包括以下步骤：向临床安装于患者骨折部位的并联外固定支架两端的两个固定环上，分别安装三个标记物；经过一般的三维医学影像系统扫描重建后，得到六个标记球体；使用球面拟合的方法识别六个标记球体的球心坐标；结合标记物在两个固定环上的实际安装情况，分别建立固结于两个固定环的坐标系、确定外固定支架的空间位置和姿态；此外，操作三维医学影像系统扫描得到的骨折骨块三维影像、模拟复位骨折的运动，可以计算外固定支架复位骨折的调节量。本发明专利技术的方法使用精确的三维医学影像作为信息来源且不需要手工测量，可以有效提高现有各类并联外固定支架的临床使用效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
骨折并联外固定支架空间位姿的自动识别方法
本专利技术涉及骨科外固定领域，特别是涉及一种基于医学三维影像，自动识别并联式骨折外固定支架空间位置和姿态的方法。
技术介绍
并联式外固定支架一般由一对与骨折骨块固定相连的固定环和六根连接固定环的支链构成。使用并联外固定支架不仅可以稳定地固定骨折断端，且可以通过调节支架固定环的空间相对位置和姿态，调整骨折断端、实现更精确的骨折复位。此外，并联外固定支架还可用于肢体截骨矫形术后的骨块调整、实现骨畸形矫正。因为患者的骨折情况具有个体性，临床安装并联外固定支架的方式存在不确定性，所以使用外固定支架复位骨折/矫正骨畸形前需要确定并联外固定支架的空间位置和姿态，并依据实际位姿制定外固定支架的调整方案。并联外固定支架的空间位置和姿态包括外固定支架机构的空间位姿和骨折骨块相对外固定支架的空间位姿。如何通过临床的信息求解外固定支架的空间位姿，是使用并联外固定支架的一大难点。专利US9204937和EP2767252提出了一类确定并联外固定支架空间位姿的方法，主要包括：首先，拍摄含有完整外固定支架的骨折部位的X射线正位片和侧位片；其次，在X射线影像上手工测量骨折断端间的位姿参数、骨块与外固定支架间的安装参数，读取外固定支架各个支链的长度，并测量肢体相对外固定支架轴线的旋转角度；进而，使用上述参数逆向求解并联外固定支架及骨折骨块的空间位置和空间姿态，确定外固定支架的形态。上述专利提出的方法需要进行大量的人工测量操作，操作繁琐，存在多种主、客观误差，且所使用的X射线影像不能反映骨块与外固定支架之间的轴向成角量，导致并联外固定支架临床使用的效率低、调整精度与支架机械结构的性能不符。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可以真实、完全地反映并联外固定支架及骨折部位的空间结构和状态的骨折并联外固定支架空间位姿的自动识别方法。本专利技术采用的技术方案是：并联外固定支架空间位姿自动识别方法，包括以下步骤：(1)安装标记物，步骤为：将连接患者骨折部位的并联外固定支架的两个固定环分别称为近端固定环和远端固定环，在所述的近端固定环和远端固定环上分别安装三个标记物，六个标记物具有相同的结构，每个标记物包括标记球体和连接销轴；近端固定环上的三个标记物的球心与近端固定环上表面的距离为已知定值hM；远端固定环上的三个标记物的球心与远端固定环上表面的距离同样为hM；所述的标记球体与连接销轴分别采用不同的材料加工，使得标记球体可以被一般的三维医学影像系统识别，而连接销轴不会被识别；(2)获取三维影像，步骤为：对患者骨折部位和安装好所述的标记物的并联外固定支架进行三维医学影像扫描，经过阈值划分和三维重建，得到骨折近端骨块、骨折远端骨块和第一至第六标记球体的三维影像，将各三维影像数据使用三维点云的格式存储于计算机系统中；所述的三维点云的格式采用多个数据点组成的点云描述三维影像的表面形状；(3)拟合标记球体，步骤为：(a)针对六个标记球体的三维点云数据，结合已知的标记球体直径，采用球面拟合的方式，将第一标记球体至第六标记球体的点云分别拟合为六个球面；(b)操作人员借助骨折近端骨块三维影像和骨折远端骨块三维影像作为参考，指定三维影像中第一至第六标记球体与外固定支架上第一至第六标记物的对应关系，并存储于计算机系统中；(4)指定标记物安装信息，步骤为：(a)建立固结于所述的近端固定环的近端坐标系p-uvw和固结于远端固定环的远端坐标系P-UVW；(b)根据近端固定环上的第一标记物、第二标记物和第三标记物与近端固定环的实际连接情况，由已知的近端固定环的结构数据，计算出第一标记球体的第一标记球心、第二标记球体的第二标记球心和第三标球体的第三标记球心在近端坐标系p-uvw下的坐标值，分别为M1(u1v1w1)，M2(u2v2w2)和M3(u3v3w3)；由已知的远端固定环的结构数据，计算远端固定环上的第四标记球体的第四标记球心、第五标记球体的第五标记球心以及第六标记球体的第六标记球心在远端坐标系P-UVW下的坐标值M4(U4V4W4)，M5(U5V5W5)和M6(U6V6W6)；六个标记球体的球心的坐标值组成外固定支架的标记物安装信息；(c)将所述的标记物安装信息输入计算机系统；(5)识别坐标系空间信息，步骤为：(a)依据第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心共面，且所共平面与所述的近端固定环的上表面平行，按下式求解近端固定环上表面的法向量对应近端坐标系p-uvw的轴：式中，表示点云参考坐标系O-xyz下第一标记球心指向第二标记球心的向量，表示点云参考坐标系O-xyz下第二标记球心指向第三标记球心的向量，(b)设所述的近端坐标系p-uvw的原点p在点云参考坐标系O-xyz下的坐标为pO-xyz＝(xpOypOzpO)，由步骤(4b)计算得到的第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心在近端坐标系p-uvw下的坐标值M1(u1v1w1)、M2(u2v2w2)和M3(u3v3w3)，由以下距离方程联立求解得到原点p在点云参考坐标系O-xyz下的坐标：(c)在点云参考坐标系O-xyz下，设近端坐标系p-uvw的单位矢量值为同样在点云参考坐标系O-xyz下，第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心的矢量和分别与的矢量积等效于所述的第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心在近端坐标系P-uvw下沿轴的分量u1、u2和u3，表示为：其中和分别由和计算，求解上式方程组得到近端坐标系p-uvw的坐标轴单位矢量；(d)按照右手法则计算所述的近端坐标系p-uvw的坐标轴单位矢量：(e)重复所述的步骤(a)-(d)，依据所述的第四标记球心、第五标记球心和第六标记球心在远端坐标系P-UVW下的坐标值M4(U4V4W4)、M5(U5V5W5)和M6(U6V6W6)，确定远端坐标系P-UVW的原点P在点云参考坐标系O-xyz下的坐标PO-xyz＝(xPOyPOzPO)，和远端坐标系P-UVW的三个坐标轴在点云参考坐标系O-xyz下的单位矢量和(f)使用所述的近端坐标系p-uvw的原点坐标值pO-xyz、坐标轴单位矢量和确定近端坐标系p-uvw在点云参考坐标系O-xyz下的位置和姿态；使用所述的远端坐标系P-UVW的原点坐标值PO-xyz、坐标轴单位矢量和确定远端坐标系P-UVW在点云参考坐标系O-xyz下的位置和姿态；然后将近端坐标系p-uvw的位置和姿态、远端坐标系P-UVW的位置和姿态输入计算机系统分别进行存储；(6)确定外固定支架空间位姿，步骤为：(a)基于所述的近端坐标系p-uvw和远端坐标系P-UVW的位置，计算近端坐标系原点p相对远端坐标系原点P的位置，确定近端固定环与远端固定环的相对位置，按如下的矢量形式表示：(b)计算近端标系p-uvw相对远端坐标系P-UVW的姿态，确定近端固定环与远端固定环的相对姿态，按如下的矩阵形式表示：(c)根据所述的近端固定环与远端固定环的相对位置矢量和相对姿态矩阵确定外固定支架机构的空间位姿；(7)确定外固定支架复位骨折的调节量，步骤为：在计算机系统的屏幕上显示所述的近端骨块三维影像和远端骨块三维影像，通过计算机的操作系统操作近端骨块三维影像和远端骨块三维影像进行平移和旋转、模拟复位骨折畸本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.并联外固定支架空间位姿自动识别方法，其特征在于包括以下步骤：(1)安装标记物，步骤为：将连接患者骨折部位的并联外固定支架的两个固定环分别称为近端固定环(210)和远端固定环(211)，在所述的近端固定环和远端固定环上分别安装三个标记物，六个标记物具有相同的结构，每个标记物包括标记球体和连接销轴；近端固定环上的三个标记物的球心与近端固定环上表面的距离为已知定值hM；远端固定环上的三个标记物的球心与远端固定环上表面的距离同样为hM；所述的标记球体与连接销轴分别采用不同的材料加工，使得标记球体可以被一般的三维医学影像系统识别，而连接销轴不会被识别；(2)获取三维影像，步骤为：对患者骨折部位和安装好所述的标记物的并联外固定支架进行三维医学影像扫描，经过阈值划分和三维重建，得到骨折近端骨块(310)、骨折远端骨块(311)和第一至第六标记球体的三维影像，将各三维影像数据使用三维点云的格式存储于计算机系统中；所述的三维点云的格式采用多个数据点组成的点云描述三维影像的表面形状；(3)拟合标记球体，步骤为：(a)针对六个标记球体的三维点云数据，结合已知的标记球体直径，采用球面拟合的方式，将第一标记球体至第六标记球体的点云分别拟合为六个球面；(b)操作人员借助骨折近端骨块三维影像和骨折远端骨块三维影像作为参考，指定三维影像中第一至第六标记球体与外固定支架上第一至第六标记物的对应关系，并存储于计算机系统中；(4)指定标记物安装信息，步骤为：(a)建立固结于所述的近端固定环的近端坐标系p‑uvw和固结于远端固定环的远端坐标系P‑UVW；(b)根据近端固定环(210)上的第一标记物(201)、第二标记物(202)和第三标记物(203)与近端固定环的实际连接情况，由已知的近端固定环的结构数据，计算出第一标记球体的第一标记球心、第二标记球体的第二标记球心和第三标球体的第三标记球心在近端坐标系p‑uvw下的坐标值，分别为M1(u1 v1 w1)，M2(u2 v2 w2)和M3(u3 v3 w3)；由已知的远端固定环(211)的结构数据，计算远端固定环上的第四标记球体的第四标记球心、第五标记球体的第五标记球心以及第六标记球体的第六标记球心在远端坐标系P‑UVW下的坐标值M4(U4 V4 W4)，M5(U5 V5 W5)和M6(U6 V6 W6)；六个标记球体的球心的坐标值组成外固定支架的标记物安装信息；(c)将所述的标记物安装信息输入计算机系统；(5)识别坐标系空间信息，步骤为：(a)依据第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心共面，且所共平面与所述的近端固定环的上表面平行，按下式求解近端固定环上表面的法向量...

【技术特征摘要】
1.并联外固定支架空间位姿自动识别方法，其特征在于包括以下步骤：(1)安装标记物，步骤为：将连接患者骨折部位的并联外固定支架的两个固定环分别称为近端固定环(210)和远端固定环(211)，在所述的近端固定环和远端固定环上分别安装三个标记物，六个标记物具有相同的结构，每个标记物包括标记球体和连接销轴；近端固定环上的三个标记物的球心与近端固定环上表面的距离为已知定值hM；远端固定环上的三个标记物的球心与远端固定环上表面的距离同样为hM；所述的标记球体与连接销轴分别采用不同的材料加工，使得标记球体可以被一般的三维医学影像系统识别，而连接销轴不会被识别；(2)获取三维影像，步骤为：对患者骨折部位和安装好所述的标记物的并联外固定支架进行三维医学影像扫描，经过阈值划分和三维重建，得到骨折近端骨块(310)、骨折远端骨块(311)和第一至第六标记球体的三维影像，将各三维影像数据使用三维点云的格式存储于计算机系统中；所述的三维点云的格式采用多个数据点组成的点云描述三维影像的表面形状；(3)拟合标记球体，步骤为：(a)针对六个标记球体的三维点云数据，结合已知的标记球体直径，采用球面拟合的方式，将第一标记球体至第六标记球体的点云分别拟合为六个球面；(b)操作人员借助骨折近端骨块三维影像和骨折远端骨块三维影像作为参考，指定三维影像中第一至第六标记球体与外固定支架上第一至第六标记物的对应关系，并存储于计算机系统中；(4)指定标记物安装信息，步骤为：(a)建立固结于所述的近端固定环的近端坐标系p-uvw和固结于远端固定环的远端坐标系P-UVW；(b)根据近端固定环(210)上的第一标记物(201)、第二标记物(202)和第三标记物(203)与近端固定环的实际连接情况，由已知的近端固定环的结构数据，计算出第一标记球体的第一标记球心、第二标记球体的第二标记球心和第三标球体的第三标记球心在近端坐标系p-uvw下的坐标值，分别为M1(u1v1w1)，M2(u2v2w2)和M3(u3v3w3)；由已知的远端固定环(211)的结构数据，计算远端固定环上的第四标记球体的第四标记球心、第五标记球体的第五标记球心以及第六标记球体的第六标记球心在远端坐标系P-UVW下的坐标值M4(U4V4W4)，M5(U5V5W5)和M6(U6V6W6)；六个标记球体的球心的坐标值组成外固定支架的标记物安装信息；(c)将所述的标记物安装信息输入计算机系统；(5)识别坐标系空间信息，步骤为：(a)依据第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心共面，且所共平面与所述的近端固定环的上表面平行，按下式求解近端固定环上表面的法向量对应近端坐标系p-uvw的轴：式中，表示点云参考坐标系O-xyz下第一标记球心指向第二标记球心的向量，表示点云参考坐标系O-xyz下第二标记球心指向第三标记球心的向量，(b)设所述的近端坐标系p-uvw的原点p在点云参考坐标系O-xyz下的坐标为pO-xyz＝(xpOypOzpO)，由步骤(4b)计算得到的第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心在近端坐标系p-uvw下的坐标值M1(u1v1w1)、M2(u2v2w2)和M3(u3v3w3)，由以下距离方程联立求解得到原点p在点云参考坐标系O-xyz下的坐标：(c)在点云参考坐标系O-xyz下，设近端坐标系p-uvw的单位矢量值为同样在点云参考坐标系O-xyz下，第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心的矢量和分别与的矢量积等效于所述的第一标记球心、第二标记球心和第三标记球心在近端坐标系p-uvw下沿轴的分量u1、u2和u3，表示为：其中和分别由和计算，求解上式方程组得到近端坐标系p-uvw的坐标轴单位矢量；(d)按照右手法则计算所述的近端坐标系p-uvw的坐标轴单位矢量：(e)重复所述的步骤(a)-(d)，依据所述的第四标记球心、第五标记球心和第六...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙涛，刘思达，闫巍，宋轶民，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12