一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法技术

本发明专利技术涉及一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法，实现了在不使用X光及瞄准器的情况下对髓内针钉孔的准确定位，并引导骨钻插入钉孔进行骨折整复；实现了将髓内针与其三维图像一一联动；能够将骨钻及髓内针的实时相对位置在图像工作站中呈现出来；能够准确完成骨钻轴线与髓内针钉孔中轴线间的距离判断及角度判断。相比于传统髓内针钉孔定位方法，本发明专利技术不仅能够精准地标示出钉孔的空间位置，而且能够通过三维图像、实时地在屏幕上呈现出骨钻与髓内针的相对空间位置，不仅能够对骨钻钻入点进行定位，而且还能精准给出骨钻钻入角度，直观明了地引导医生进行髓内针骨折整复，大大降低出错率，节省手术时间，减轻患者的痛苦。

A Location and Navigation Method of Intramedullary Pinhole Based on Three-dimensional Image

The invention relates to a method for locating and navigating intramedullary nail holes based on three-dimensional images, which realizes accurate locating of intramedullary nail holes without using X-ray and sighting device, and guides bone drills to insert nail holes for fracture reduction; realizes one-to-one linkage between intramedullary nails and their three-dimensional images; and presents the real-time relative positions of bone drills and intramedullary nails in the image workstation. It can accurately judge the distance and angle between the drill axis and the central axis of the intramedullary nail hole. Compared with the traditional intramedullary nail hole positioning method, the invention can not only accurately mark the spatial position of the nail hole, but also show the relative spatial position of the bone drill and the intramedullary nail on the screen in real time through three-dimensional images. It can not only locate the bone drill entry point, but also precisely give the angle of the bone drill entry, and directly and clearly guide the doctor to carry out the intramedullary nail and bone drilling. Folding reduction can greatly reduce the error rate, save the operation time and relieve the pain of patients.

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法
本专利技术涉及一种髓内针钉孔的定位和导航方法，特别是一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法，属于三维医学图像处理领域。
技术介绍
骨折是一种在临床上比较常见的疾病，由于外伤或其它原因造成骨质的断裂，严重的影响着人们的健康和生活。随着户外运动种类增加，运动型的创伤越来越多，同时交通事故发生率的升高也使骨折患者逐渐增多。越来越多的人使用髓内针内固定的方法来进行骨折治疗。传统髓内针整复手术方法是在X光的指导下将髓内针插入患者断骨中，在髓内针的外端增加导杆、瞄准器等固定器械，再使用骨钻按照瞄准器的指引钻破骨壁，直通髓内针上的钉孔，最后将钢钉打入髓内针的钉孔中并锁止固定。此过程中，X光图像的引导会造成医生和患者的辐射。导杆、瞄准器等固定器械在连接时有可能会发生形变，导致位置无法瞄准。此外，操作医生无法实时地了解髓内针、骨钻等器械插入断骨中的位置，造成操作不直观。为了解决临床上引导骨钻对准髓内针钉孔这一难题，本专利技术设计了一套基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法。本方法中使用空间定位仪追踪固定在手术器械上的定位刚体的位置信息，并实时的传送到图像工作站中。通过定位刚体注册实现实际空间中的髓内针与图像工作站中的髓内针的联动，即实际空间中髓内针发生位置变化，那么在图像工作站中的髓内针图像也发生相应的位置变化。医生可以通过观察图像工作站中髓内针的位置，找到髓内针钉孔的位置，在骨壁的对应位置钻孔，以利于准确地将钢钉打入髓内针钉孔中。定位方法首先完成髓内针注册，采用特征点配准法计算出图像坐标系和定位刚体坐标系之间的转换矩阵，从而将髓内针与髓内针图像联系起来。本专利技术在建立的髓内针三维模型的每个钉孔植入一个圆柱模型，代表钉孔的位置及方向。手术导航是对骨钻进行追踪，判断骨钻与髓内针钉孔的距离和角度，从而引导骨钻在骨壁上正确的位置钻孔。距离判断是指骨钻尖端与髓内针钉孔中轴线之间的距离小于一定的阈值。角度判断是指骨钻轴线与髓内针钉孔中轴线之间的角度小于一定的阈值，只有当距离和角度全部满足条件时，才能准确的找到髓内针钉孔的位置，在骨壁上对应位置钻孔。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术要解决的技术问题是提供一种能够实现髓内针针孔精准定位、并准确引导骨钻钻孔、操作直观的基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法。为解决上述技术问题，本专利技术一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法，包括定位部分和导航部分，定位部分包括以下步骤：步骤1：使用医学成像设备对所要使用的髓内针进行扫描，获取三维图像，并对髓内针进行三维重建，获得髓内针的三维模型；在髓内针三维图像上手动选取n个特征明显的点作为源特征点集，其中n≥3；在定位刚体坐标系中，从实际髓内针上选取与源特征点集一一对应的n个特征点，作为目标特征点集；步骤2：将定位刚体固定在髓内针设置有螺纹一侧的顶端，利用步骤1中选取的源特征点集和目标特征点集，使用迭代最近点算法计算出髓内针与髓内针三维图像之间的旋转矩阵K和平移矩阵L，计算注册矩阵L*K，将图像坐标系统一变换到定位刚体坐标系下，完成注册；空间定位仪通过追踪定位刚体上的定位小球完成对髓内针的实时空间位置的追踪，实现髓内针及髓内针三维图像的联动；步骤3：在髓内针的钉孔中添加一个与钉孔直径相同的圆柱，并将髓内针钉孔的中轴线一并显示出来，圆柱代表钉孔的位置及方向，在髓内针的钉孔中添加一个与钉孔直径相同的圆柱具体为：首先测量目标钉孔内径，在图像空间生成一个直径相同的圆柱，长度超过钉孔深度，圆柱的初始位置设置在图像坐标系的Y轴上，圆柱的中轴线的中心与原点重合；接下来求取一个旋转平移矩阵，使得髓内针钉孔中轴线移动到圆柱中轴线并重合；然后计算旋转平移矩阵的逆矩阵，使圆柱经过逆变换到达髓内针钉孔的位置；将求取的旋转平移矩阵左乘髓内针上定位刚体与空间定位仪间的实时变换矩阵，实现安插在髓内针钉孔上的圆柱以及髓内针的中轴线与髓内针的联动。导航部分包括以下步骤：步骤1：距离判断：在骨钻上安装一个定位刚体，利用空间定位仪实现追踪骨钻尖端的位置和方向，计算骨钻尖端到髓内针某一钉孔中轴线的垂直距离，当该距离小于设定的阈值时，圆柱的颜色变为颜色一，表示骨钻尖端位于钉孔中轴线上；步骤2：角度判断：当距离小于设定的阈值后进行角度判断，当髓内针钉孔的中轴线与骨钻轴线所成角度γ小于临界值时，圆柱的颜色由颜色一变为颜色二，表示骨钻轴线与圆柱轴线重合，颜色一、颜色二和圆柱的颜色为三种不同的颜色；步骤3：当圆柱保持颜色二状态下，表示骨钻与钉孔中轴线高度重合，距离和所成角度满足要求，按此时骨钻轴线打入骨钻即可。本专利技术还包括：1.定位部分步骤1所述的源特征点集的手动选取满足：读入髓内针三维模型，选择特征明显的边或角上的点，用鼠标选取该点，并将该点存入源点集中，得到SourcePoint(xi,yi,zi)，i＝1…n；定位部分步骤1所述的目标特征点集的手动选取满足：利用空间定位仪配备的可定位探针在髓内针上选择与其三维模型上特征点对应位置的点，存入目标点集，得到与源特征点集相对应的目标点集TargetPoint(xi,yi,zi)，i＝1…n。2.定位部分步骤3所述旋转平移矩阵的求取步骤包括：步骤3.1：计算钉孔中轴线：首先求取某一钉孔两侧的圆面的中点，在髓内针三维模型上该钉孔的一侧圆周上均匀地取四个点，计算四个点的算术平均值作为该侧的中点，另一侧中点按同样方法测得，两个中点确定一条直线，作为该钉孔的中轴线；步骤3.2：平移操作：假设在图像坐标系下髓内针三维模型上该钉孔中轴线P0的起点为v1＝(x1,y1,z1)，终点为v2＝(x2,y2,z2)，将髓内针钉孔的中轴线的起点平移到图像坐标系的原点O，平移矩阵为平移后髓内针钉孔的中轴线为P＝(x,y,z)，其中则OP为平移后得到的中轴线；步骤3.3：将P＝(x,y,z)绕X轴逆时针旋转角度α，使OP旋转到XOY平面上，记为OP2，P1为旋转前P在YOZ面的投影点，其坐标为(0,y,z)，P2点位于XOY平面内，P2点在Y轴的投影点为P3，P3是P1在YOZ平面内绕X轴逆时针旋转角度α后的位置，则OP1的长度等于OP3的长度，P2点的Y轴坐标是在Y轴的投影点OP1的长度，为则P2点坐标为OP1与OP3的夹角为α，且则利用反余弦函数得到α的角度值；步骤3.4：将OP2绕Z轴顺时针旋转角度β，旋转后为OP4，P2点的坐标为则利用反余弦函数得到β的角度值，到此，髓内针钉孔中轴线和圆柱中轴线已经重合；步骤3.5：将圆柱中轴线进行步骤3.4、3.3和3.2的逆变换，具体为：首先，圆柱中轴线绕Z轴逆时针旋转角度β，即中轴线与OP2重合，旋转矩阵为TZ(-β)；然后，将圆柱中轴线绕X轴顺时针旋转角度α，此时圆柱中轴线已与OP重合，旋转矩阵为TX(α)；最后，将圆柱中轴线进行平移操作，平移矩阵为T，至此，圆柱的中轴线已经和髓内针钉孔的中轴线重合，最终的旋转平移矩阵为T·TX(α)·TZ(-β)；3.导航部分步骤1所述的计算骨钻尖端到髓内针某一钉孔中轴线的垂直距离具体为：髓内针钉孔中轴线在图像坐标系下起点与终点坐标左乘定位部分步骤2中的注册矩阵L*K，得到定位刚体坐标系下的坐标，然后再左乘定位刚体与空间定位仪本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法，包括定位部分和导航部分，其特征在于，定位部分包括以下步骤：步骤1：使用医学成像设备对所要使用的髓内针进行扫描，获取三维图像，并对髓内针进行三维重建，获得髓内针的三维模型；在髓内针三维图像上手动选取n个特征明显的点作为源特征点集，其中n≥3；在定位刚体坐标系中，从实际髓内针上选取与源特征点集一一对应的n个特征点，作为目标特征点集；步骤2：将定位刚体固定在髓内针设置有螺纹一侧的顶端，利用步骤1中选取的源特征点集和目标特征点集，使用迭代最近点算法计算出髓内针与髓内针三维图像之间的旋转矩阵K和平移矩阵L，计算注册矩阵L*K，将图像坐标系统一变换到定位刚体坐标系下，完成注册；空间定位仪通过追踪定位刚体上的定位小球完成对髓内针的实时空间位置的追踪，实现髓内针及髓内针三维图像的联动；步骤3：在髓内针的钉孔中添加一个与钉孔直径相同的圆柱，并将髓内针钉孔的中轴线一并显示出来，圆柱代表钉孔的位置及方向，在髓内针的钉孔中添加一个与钉孔直径相同的圆柱具体为：首先测量目标钉孔内径，在图像空间生成一个直径相同的圆柱，长度超过钉孔深度，圆柱的初始位置设置在图像坐标系的Y轴上，圆柱的中轴线的中心与原点重合；接下来求取一个旋转平移矩阵，使得髓内针钉孔中轴线移动到圆柱中轴线并重合；然后计算旋转平移矩阵的逆矩阵，使圆柱经过逆变换到达髓内针钉孔的位置；将求取的旋转平移矩阵左乘髓内针上定位刚体与空间定位仪间的实时变换矩阵，实现安插在髓内针钉孔上的圆柱以及髓内针的中轴线与髓内针的联动；导航部分包括以下步骤：步骤1：距离判断：在骨钻上安装一个定位刚体，利用空间定位仪实现追踪骨钻尖端的位置和方向，计算骨钻尖端到髓内针某一钉孔中轴线的垂直距离，当该距离小于设定的阈值时，圆柱的颜色变为颜色一，表示骨钻尖端位于钉孔中轴线上；步骤2：角度判断：当距离小于设定的阈值后进行角度判断，当髓内针钉孔的中轴线与骨钻轴线所成角度γ小于临界值时，圆柱的颜色由颜色一变为颜色二，表示骨钻轴线与圆柱轴线重合，颜色一、颜色二和圆柱的颜色为三种不同的颜色；步骤3：当圆柱保持颜色二状态下，表示骨钻与钉孔中轴线高度重合，距离和所成角度满足要求，按此时骨钻轴线打入骨钻即可。...

【技术特征摘要】
1.一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法，包括定位部分和导航部分，其特征在于，定位部分包括以下步骤：步骤1：使用医学成像设备对所要使用的髓内针进行扫描，获取三维图像，并对髓内针进行三维重建，获得髓内针的三维模型；在髓内针三维图像上手动选取n个特征明显的点作为源特征点集，其中n≥3；在定位刚体坐标系中，从实际髓内针上选取与源特征点集一一对应的n个特征点，作为目标特征点集；步骤2：将定位刚体固定在髓内针设置有螺纹一侧的顶端，利用步骤1中选取的源特征点集和目标特征点集，使用迭代最近点算法计算出髓内针与髓内针三维图像之间的旋转矩阵K和平移矩阵L，计算注册矩阵L*K，将图像坐标系统一变换到定位刚体坐标系下，完成注册；空间定位仪通过追踪定位刚体上的定位小球完成对髓内针的实时空间位置的追踪，实现髓内针及髓内针三维图像的联动；步骤3：在髓内针的钉孔中添加一个与钉孔直径相同的圆柱，并将髓内针钉孔的中轴线一并显示出来，圆柱代表钉孔的位置及方向，在髓内针的钉孔中添加一个与钉孔直径相同的圆柱具体为：首先测量目标钉孔内径，在图像空间生成一个直径相同的圆柱，长度超过钉孔深度，圆柱的初始位置设置在图像坐标系的Y轴上，圆柱的中轴线的中心与原点重合；接下来求取一个旋转平移矩阵，使得髓内针钉孔中轴线移动到圆柱中轴线并重合；然后计算旋转平移矩阵的逆矩阵，使圆柱经过逆变换到达髓内针钉孔的位置；将求取的旋转平移矩阵左乘髓内针上定位刚体与空间定位仪间的实时变换矩阵，实现安插在髓内针钉孔上的圆柱以及髓内针的中轴线与髓内针的联动；导航部分包括以下步骤：步骤1：距离判断：在骨钻上安装一个定位刚体，利用空间定位仪实现追踪骨钻尖端的位置和方向，计算骨钻尖端到髓内针某一钉孔中轴线的垂直距离，当该距离小于设定的阈值时，圆柱的颜色变为颜色一，表示骨钻尖端位于钉孔中轴线上；步骤2：角度判断：当距离小于设定的阈值后进行角度判断，当髓内针钉孔的中轴线与骨钻轴线所成角度γ小于临界值时，圆柱的颜色由颜色一变为颜色二，表示骨钻轴线与圆柱轴线重合，颜色一、颜色二和圆柱的颜色为三种不同的颜色；步骤3：当圆柱保持颜色二状态下，表示骨钻与钉孔中轴线高度重合，距离和所成角度满足要求，按此时骨钻轴线打入骨钻即可。2.根据权利要求1所述的一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法，其特征在于：定位部分步骤1所述的源特征点集的手动选取满足：读入髓内针三维模型，选择特征明显的边或角上的点，用鼠标选取该点，并将该点存入源点集中，得到SourcePoint(xi,yi,zi)，i＝1…n；定位部分步骤1所述的目标特征点集的手动选取满足：利用空间定位仪配备的可定位探针在髓内针上选择与其三维模型上特征点对应位置的点，存入目标点集，得到与源特征点集相对应的目标点集TargetPoint(xi,yi,zi)，i＝1…n。3.根据权利要求1所述的一种基于三维图像的髓内针钉孔的定位和导航方法，其特征在于：定位部分步骤3所述旋转平移矩阵的求取步骤包括：步骤3.1：计算钉孔中轴线：首先求取某一钉孔两侧的圆面的中点，在髓内针三维模型上该钉孔的一侧圆周上均匀地取四个点，计算四个点的算术平均值作为该侧的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金，刘小龙，栾宽，王琭璐，王鹏，韩雪皓，刘波，李泽钰，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23