计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法技术

本发明专利技术公开一种计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，首先将CT图像生成的碎骨三维模型作为信息输入源，提取三维网格模型的几何信息和拓扑关系；提取股骨头和股骨干的断裂面及其相关力线；最后通过对位对线相互迭代的方法确定满足临床医学要求的复位位置，实现粗隆间骨折的半自动复位。本发明专利技术遵循股骨粗隆间骨折闭合复位的基本要求，满足医学要求的碎骨拼接需求；再利用对位对线相互迭代求解的思想，通过少量的人机交互，满足了医疗人员术前规划的需求，提高了工作的效率。

【技术实现步骤摘要】
计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法
本专利技术属于数字医疗领域，具体涉及一种计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法。
技术介绍
随着计算机科学快速发展，数字化技术与骨科学的联系日益紧密，产生了数字骨科学，使得传统的骨科学及其临床研究模式发生了深刻变革，逐步从经验化、大体化、轮廓化向标准化、精准化、个性化、数字化和自动化方向发展。术前规划是骨折修复手术的关键阶段。对于简单的骨折情况，通过X射线图即可进行术前规划。但是，对于复杂的粉碎性骨折，会产生很多细小碎骨，骨骼也可能发生弯曲移位等情况，这就需要通过断层图像序列(ComputedTomography，简称CT)构建骨骼的三维模型，确定碎骨数量、大小、位置等信息，然后在进行碎骨拼接，这是一个有挑战性的工作。三维碎骨拼接用于调整碎骨位置、恢复骨长、还原三维骨骼的原始几何形态，是计算机辅助术前规划中的主要步骤之一。骨折复位标准中，好的碎骨拼接要满足对线约束与对位约束。其中，对线是指碎骨拼接后，骨骼满足正常肢体力线的成角要求；对位是指碎骨拼接后，碎骨断裂面之间重叠面积最大、碎骨之间移位较小。碎骨拼接属于碎片拼接范畴，而碎片拼接起源于智力拼图游戏，之后被用于文物复原和碎骨拼接。与文物拼接不同，除了对位约束外，医学中的碎骨拼接还有对线要求，使得碎骨拼接后满足人体正常的肢体力线。现有的三维碎骨拼接方法仅考虑了对位要求，尚未考虑对线约束。碎片拼接以自动化程度可分为半自动和自动拼接，如文献HardersM,BarlitA,GerberC,Hodler,J,SzékelyG.Anoptimizedsurgicalplanningenvironmentforcomplexproximalhumerusfractures[C].InProc.of:MICCAIWorkshoponInteractioninMedical和文献HuL,ZhangJ,LiC,etal.Afemurfracturereductionmethodbasedonanatomyofthecontralateralside[J].ComputersinBiology&Medicine,2013,43(7):840-846.讲述了半自动拼接方法；ToshiyukiO,YutaI,TsuyoshiK,etal.Computer-assistedpreoperativeplanningforreductionofproximalfemoralfractureusing3-D-CTdata[J].IEEETransactionsonBiomedicalEngineering,200956(3):749-759.讲述了自动拼接的方法；按照是否存在模板可分为有模板与无模板拼接，如文献FürnstahlP,SzékelyG,GerberC,HodlerJ,SnedekerJG,HardersM.Computerassistedreconstructionofcomplexproximalhumerusfracturesforpreoperativeplanning[J].MedicalImageAnalysis,2012,16(3):704-720是基于模板匹配；WinkelbachS,WahlFM.Pairwisematchingof3Dfragmentsusingclustertrees[J].InternationalJournalofComputerVision,2008,78(1):1-13是基于无模板匹配。现有的碎骨拼接修复自动化程度低，主要依靠医生经验。粉碎性骨折的情况复杂，碎骨模型有噪声、缺失、穿插和形变，碎骨间配准关系多样，导致骨骼三维模型分割、骨折块间对应匹配、自动拼接修复难度大。因此，需要研究一种满足医学要求的全面的碎骨拼接方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，将CT图像生成的碎骨三维模型作为信息输入源，提取三维网格模型的几何信息和拓扑关系、提取股骨头和股骨干的断裂面及其相关力线，最后通过对位对线相互迭代的方法确定满足临床医学要求的复位位置，实现粗隆间骨折的半自动复位；所述复位方法提供了一种满足对位、对线要求的三维碎骨拼接方案，全面考虑了三维碎骨拼接方案对对位、对线的要求。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，包括以下步骤：步骤1：在Mimics软件中将CT医学扫描得到的图像构建成三维股骨网格模型；步骤2：从步骤1得到的三维股骨网格模型中提取三维碎骨模型的几何信息，生成碎骨信息集BFI；步骤3：根据步骤2得到的碎骨信息集BFI，确定股骨头碎骨模型idhead和股骨干碎骨模型idshaft；步骤4：从步骤3得到的所述股骨头碎骨模型中提取股骨头的轴心线HL，从步骤3得到的所述股骨干碎骨模型中提取股骨干的轴心线SL；步骤5：根据Funstahl的方法，在步骤4的基础上分别获取股骨头断裂面点集SHS和股骨干断裂面点集SSH；步骤6：根据步骤4中得到的股骨干的轴心线SL确定股骨干的轴向面AP、冠状面CP、矢状面SP，手动调整所述冠状面和所述轴向面的位置；步骤7：根据步骤4中得到的所述股骨头的轴心线HL、所述股骨干的轴心线SL和步骤5中所述股骨头断裂面点集SHS、股骨干断裂面点集SSH，计算并调整股骨干的颈干角和前倾角到医学许可的正常范围内；通过计算平均欧式距离，搜索SHS和SSH的最小平均距离，实现粗配准过程；步骤8：通过步骤7得到的粗配准的结果，运用ICP算法实现股骨头碎骨和股骨干碎骨的精配准，如果获得的匹配程度值小于或等于设定的医学许可范围的阈值，则匹配成功，进入步骤9；否则返回步骤7，重新调整颈干角和前倾角角度；步骤9：根据步骤8中得到的匹配结果，获取股骨头的变换矩阵，调整股骨头的三维空间位置，再根据调整后股骨头的空间位置坐标，得到三维碎骨模型的信息，最后得到更新BFI，完成配准。在步骤5中，根据2012年MedicalImageAnalysis杂志上发表的Funstahl的方法，在步骤4的基础上分别获取股骨头断裂面点集SHS和股骨干断裂面点集SSH；在步骤6中，根据步骤4中得到的股骨干的轴心线SL确定轴向面AP、冠状面CP、矢状面SP，手动调整所述冠状面和所述轴向面的位置；在步骤7中，颈干角和前倾角的医学许可范围值为：颈干角正常值在110°到140°之间，男性平均为132°，女性平均为127°；前倾角正常值在12°到15°之间。在步骤8中，医学许可范围值为：颈干角正常值在110°到140°之间，男性平均为132°，女性平均为127°；前倾角正常值在12°到15°之间；碎骨间距小于4mm。在步骤9配准完成后，应用步骤9中的配准结果，在重建的骨折三维模型基础上，进行骨折复位，设计内固定钢板、螺钉置入的最佳位置并精确测量螺钉的长度、角度等数据；术后再次进行CT扫描并三维重建，对比分析显示计算机辅助的半自动复位方法与真实手术基本相符。将CT图像转化为三维网格模型，作为输入源；然后提取股骨头模型和股骨干模型，获取股骨头模型和股骨干模型的断裂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在Mimics软件中将CT医学扫描得到的图像构建成三维股骨网格模型；步骤2：从步骤1得到的三维股骨网格模型中提取三维碎骨模型的几何信息，生成碎骨信息集BFI；步骤3：根据步骤2得到的碎骨信息集BFI，确定股骨头碎骨模型idhead和股骨干碎骨模型idshaft；步骤4：从步骤3得到的所述股骨头碎骨模型中提取股骨头的轴心线HL，从步骤3得到的所述股骨干碎骨模型中提取股骨干的轴心线SL；步骤5：根据Funstahl的方法，在步骤4的基础上分别获取股骨头断裂面点集SHS和股骨干断裂面点集SSH；步骤6：根据步骤4中得到的股骨干的轴心线SL确定股骨干的轴向面AP、冠状面CP、矢状面SP，手动调整所述冠状面和所述轴向面的位置；步骤7：根据步骤4中得到的所述股骨头的轴心线HL、所述股骨干的轴心线SL和步骤5中所述股骨头断裂面点集SHS、股骨干断裂面点集SSH，计算并调整股骨干的颈干角和前倾角到医学许可的正常范围内；通过计算平均欧式距离，搜索SHS和SSH的最小平均距离，实现粗配准过程；步骤8：通过步骤7得到的粗配准的结果，运用ICP算法实现股骨头碎骨和股骨干碎骨的精配准，如果获得的匹配程度值小于或等于设定的医学许可范围的阈值，则匹配成功，进入步骤9；否则返回步骤7，重新调整颈干角和前倾角角度；步骤9：根据步骤8中得到的匹配结果，获取股骨头的变换矩阵，调整股骨头的三维空间位置，再根据调整后股骨头的空间位置坐标，得到三维碎骨模型的信息，最后得到更新BFI集合，完成配准。...

【技术特征摘要】
1.一种计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在Mimics软件中将CT医学扫描得到的图像构建成三维股骨网格模型；步骤2：从步骤1得到的三维股骨网格模型中提取三维碎骨模型的几何信息，生成碎骨信息集BFI；步骤3：根据步骤2得到的碎骨信息集BFI，确定股骨头碎骨模型idhead和股骨干碎骨模型idshaft；步骤4：从步骤3得到的所述股骨头碎骨模型中提取股骨头的轴心线HL，从步骤3得到的所述股骨干碎骨模型中提取股骨干的轴心线SL；步骤5：根据Funstahl的方法，在步骤4的基础上分别获取股骨头断裂面点集SHS和股骨干断裂面点集SSH；步骤6：根据步骤4中得到的股骨干的轴心线SL确定股骨干的轴向面AP、冠状面CP、矢状面SP，手动调整所述冠状面和所述轴向面的位置；步骤7：根据步骤4中得到的所述股骨头的轴心线HL、所述股骨干的轴心线SL和步骤5中所述股骨头断裂面点集SHS、股骨干断裂面点集SSH，计算并调整股骨干的颈干角和前倾角到医学许可的正常范围内；通过计算平均欧式距离，搜索SHS和SSH的最小平均距离，实现粗配准过程；步骤8：通过步骤7得到的粗配准的结果，运用ICP算法实现股骨头碎骨和股骨干碎骨的精配准，如果获得的匹配程度值小于或等于设定的医学许可范围的阈值，则匹配成功，进入步骤9；否则返回步骤7，重新调整颈干角和前倾角角度；步骤9：根据步骤8中得到的匹配结果，获取股骨头的变换矩阵，调整股骨头的三维空间位置，再根据调整后股骨头的空间位置坐标，得到三维碎骨模型的信息，最后得到更新BFI集合，完成配准。2.根据权利要求1所述的计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，其特征在于，所述步骤2中所述碎骨信息集BFI表示如下：其中，碎骨信息B＝{B1,B2,…,Bn}，Bi表示碎骨信息集中第i个碎骨信息；Gj表示碎骨三维模型的几何要素，包括几何形面Gf、边Ge、点Gv；Ik表示碎骨所属病人信息，包括病人姓名In、性别Is、年龄IA、左右腿骨IL。3.根据权利要求1所述的计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，其特征在于，所述步骤3中确定股骨头碎骨模型idhead和股骨干碎骨模型idshaft的具体步骤如下：S3.1获取所有碎骨的总体包围盒x，获取包围盒x下部点集遍历步骤2构建的碎骨信息集BFI，查找对应点集表示碎骨信息集中第i个碎骨的点集，Bi表示碎骨信息集中第i个碎骨信息，得到股骨干碎骨模型idshaft；S3.2获取所有碎骨的总体包围盒x，根据碎骨信息B中的左右腿股IL信息，如果IL是左腿骨，则获取包围盒x的最小值周围部分点集如果IL是右腿骨，则获取包围盒x的最大值周围部分点集遍历步骤2构建的碎骨信息集BFI，查找对应点集表示碎骨信息集中第i个碎骨的点集，Bi表示碎骨信息集中第i个碎骨信息，得到股骨头碎骨模型idhead。4.根据权利要求1所述的计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，其特征在于，所述步骤4中提取股骨头轴心线HL的具体步骤如下：S4.1.1根据股骨头碎骨模型idhead，对股骨头模型进行重新采样，采集股骨头的三维坐标点集合Ghead；S4.1.2根据S4.1.1得到的点集合Ghead，运用最小二乘法拟合球体的思想，构造如下所示的最小二乘法误差的平方和函数H(x0,y0,z0,R)，以求取拟合球体的中心坐标和球体半径，其中，xi、yi、zi是点集合Ghead中第i个点的坐标值，N是点集合Ghead中坐标点的数量，xo、yo、zo是拟合球体的球心PO的坐标，R为拟合球体的半径；S4.1.3取点集合Ghead中离拟合球体的球心PO(xo,yo,zo)较远的点组成股骨颈三维坐标点集合Gneck，根据点集合Gneck构造如下所述的函数F(x'0,y'0,z'0)从而得到股骨颈中心点PN的坐标为(x'0,y'0,z'0)，xj、yj、zj是点集合Gneck第j个点的坐标值，n为点集合Gneck中坐标点的数量；S4.1.4根据步骤4.1.2和4.1.3，连接点PN(x'0,y'0,z'0)和点PO(xo,yo,zo)得到股骨头轴心线HL。5.根据权利要求1所述的计算机辅助的股骨粗隆间骨折对位对线半自动复位方法，其特征在于，所述步骤4中提取股骨干轴心线SL的具体步骤如下：S4.2.1根据股骨干碎骨模型idshaft，对股骨干模型进行重新采样，采集股骨干三维坐标点集合Gshaft；S4.2.2根据步骤4.2.1得到的点集合Gshaft，将点集合Gshaft中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓子越，蒋俊锋，陈正鸣，黄瑞，何坤金，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏,32