一种前臂混合畸形智能规划方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种前臂混合畸形智能规划方法及系统，包括通过患者畸形骨及对侧健康骨的三维模型，实现畸形骨的截骨及复位矫形。本发明专利技术的有益效果是：使用基于关节解剖区域的配准方法计算畸形前臂与健康对侧的差异量，构建畸形骨的重建模板，计算畸形骨的畸形区域；以畸形区域为截骨范围约束，计算使临床目标最优的截骨位置及面内平移量，自动生成临床目标所需的解决方案，提高前臂成角与旋转混合畸形的截骨矫形术前规划效果及精度，并大幅减少术前规划所需时间，实现术前规划的智能化。实现术前规划的智能化。实现术前规划的智能化。

【技术实现步骤摘要】
一种前臂混合畸形智能规划方法及系统


[0001]本专利技术涉及一种前臂混合畸形规划方法，具体为一种前臂混合畸形智能规划方法及系统，属于智能诊疗系统


技术介绍

[0002]前臂是人体实现上肢旋前、旋后功能的部位，由桡骨和尺骨组成。前臂骨非解剖位置的创伤后愈合(畸形愈合)或先天性骨骼变形，会导致患者手臂活动范围受限、握力降低及远端桡尺关节不稳定等功能障碍，并产生疼痛。如果治疗不当，会导致严重的骨关节炎等退行性病理。
[0003]成角旋转混合畸形是前臂骨畸形种的一种常见畸形类型，目前外科治疗前臂骨成角畸形的金标准是通过截骨矫正术恢复正常的解剖结构，临床医生将病理性骨切成两个或更多的骨碎片，重新排列到合理的生理位置，并通过接骨板或内植物稳固，这种矫形手术实施复杂，需要临床医生制定精密的术前规划方案。
[0004]现有技术中：1)术前规划是临床医生根据自己的临床经验，基于X光片及CT等影像学资料，遵循截骨矫形的基本原则，人工计算截骨位置和矫形角度，以达到肢体矫形的目的，但这种截骨矫形方式由于需要临床医生手工绘图计算，因此存在术前无法科学预测手术效果、手术精准性不够、不同医生手术均质性较差等问题，进而影响最优化手术方案的制定；
[0005]2)随着计算机辅助设计在医学上的应用发展，许多计算机辅助术前截骨矫形软件系统被开发，其中，基于二维的计算机辅助截骨解决了部分简单畸形的截骨矫形术前规划工作，能自动计算出截骨角度，复位截骨后的骨段，但这些系统目前仍存在一些不足之处：针对多平面畸形及复杂混合畸形，二维医学影像由于不能反映骨畸形的三维固有特性，仍然需要临床医生依据经验进行操作，耗费临床医生大量的时间和精力，并且获得的数据也不够精准；
[0006]3)基于三维计算机辅助截骨的术前手工规划虽然可以直观分析多平面复杂混合畸形，并进行截骨矫正，却需要临床医生反复试验、手动计算验证，且涉及在三维空间多次手动调整，产生不必要的临床成本。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的就在于为了解决上述至少一个技术问题而提供一种前臂混合畸形智能规划方法及系统，通过患者畸形骨及对侧健康骨的三维模型，实现畸形骨的截骨及复位矫形。
[0008]本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种前臂混合畸形智能规划方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一：建立畸形前臂骨的对侧健康骨镜像模型，使其成为矫形复位的重建模板；
[0010]步骤二：对前臂骨的桡、尺骨设置关节解剖区域，分别对桡、尺骨的远、近端进行基
于解剖区域的权重配准，得到远、近端分别配准的矩阵；
[0011]步骤三：根据远、近端综合配准矩阵计算变换矩阵中沿骨长轴的位移量；
[0012]步骤四：将位移量作为畸形前臂骨中畸形骨的两侧差异量，补偿重建模板差异，构建新的重建模板；
[0013]步骤五：将前臂畸形骨的远、近端解剖区域分别与新的重建模板配准，设定畸形阈值，计算前臂畸形骨的畸形区域；
[0014]步骤六：根据前臂畸形骨与新的重建模板的配准变换矩阵，计算复位旋转轴方向及复位旋转角；
[0015]步骤七：以截骨位置和截骨面内平移量为控制变量约束，以前臂畸形骨的关节解剖区域对齐为优化目标之一，以单刀斜切截骨处两个骨段的骨接触重叠面积为另一优化目标，使用非支配排序遗传算法进行多目标优化，优化迭代计算出最优的截骨位置及面内平移量。
[0016]作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤一中，畸形前臂骨的对侧健康骨镜像模型的生成是通过以空间中任意一个二维坐标面为参考面，求取每一坐标点关于参考面的对称点，根据点云数据生成镜像模型。
[0017]作为本专利技术再进一步的方案：所述前臂骨中的尺骨远、近端关节解剖区域定义为尺骨沿其骨长轴的远、近端20％部分，权重为设为1；桡骨近端关节解剖区域定义为沿其骨长轴的近端20％部分，权重设为1；桡骨远端关节解剖区域由于与腕部相连，其解剖区域使用7个解剖点搜索其邻域内50个点进行定义，这7个解剖点为乙状切口背侧远端边缘、掌侧乙状结肠切迹远端边缘、桡骨远端茎突中心、月骨小关节中心、李斯特的结节和桡骨中心的分水岭线，7个解剖点所定义的解剖区域的对齐权重分别为：0.18、0.18、0.18、0.18、0.18、0.05和0.05；配准方法使用基于解剖区域权重的迭代最近点算法。
[0018]作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤四中，前臂骨两侧差异量的关系为：两侧桡骨长度差等于0.98倍的两侧尺骨长度差，通过健康骨(桡骨或尺骨)位移量差值，计算畸形骨的重建模板应具有的长度，并将畸形骨的对侧骨镜像模型沿其骨长轴进行缩放。
[0019]作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤五中，将畸形前臂中的畸形骨与其重建模板在近端基于关节解剖区域权重配准后，沿骨长轴以0.1mm为步长对骨模型进行离散，对每个步长内的畸形骨与重建模板计算均方根误差，畸形骨与其重建模板在远端进行相同的操作；配准后，设定畸形阈值为其均方根误差超过最小均方根误差的15％，以此阈值确定骨畸形范围。
[0020]作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤六中，畸形骨近端配准矩阵为M
p
，畸形骨远端配准矩阵为M
d
，以M
p
‑
1*M
d
为综合配准矩阵，使用罗格里格斯公式计算复位旋转轴方向及复位旋转角度。
[0021]作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤七中，空间中定义一个平面需要位置及法向6个参数，在单刀斜切截骨中，截骨平面法向与畸形骨复位旋转轴同向，且将截骨平面位置沿畸形骨的重建模板骨长轴进行移动，因此只需通过骨长轴上某一点位置即可确定截骨平面方位，确定截骨面后，远端被截骨段通过在截骨面内平移进行矫形复位，因此多目标优化算法的控制变量为截骨位置，截骨面内沿二维坐标系移动的位移量。
[0022]作为本专利技术再进一步的方案：所述步骤七中，截骨面二维坐标系使用主成分分析
方法进行确定。
[0023]一种前臂混合畸形智能规划系统，该系统包括：
[0024]模型空间变换模块：用于在智能规划前对骨骼模型的空间位置进行调整；
[0025]模型配准模块：通过手动选取解剖位置或自动计算解剖位置，根据不同解剖区域的不同权重，使用基于解剖区域不同权重的迭代最近点算法对骨骼模型进行配准；
[0026]骨畸形自动诊断模块：基于解剖区域配准，并根据设定的畸形阈值，自动计算畸形前臂中畸形骨的骨畸形区域
[0027]骨模型切割模块：可以自定义截骨面对骨模型进行切割；
[0028]成角与旋转混合畸形单刀截骨矫形优化模块：以截骨位置和截骨面内平移量为控制变量约束，以畸形骨远端关节解剖区域关节对齐误差最小和骨接触面积重叠率最大为目标，使用非支配排序遗传算法进行优化，形成矫正前臂成角与旋转混合畸形的单刀截骨术前自动规划方案。
[0029]本专利技术的有益效果是：使用基于关节解剖区域的配准方法计算畸形前臂与健康对侧的差异量，构建本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种前臂混合畸形智能规划方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立畸形前臂骨的对侧健康骨镜像模型，使其成为矫形复位的重建模板；步骤二：对前臂骨的桡、尺骨设置关节解剖区域，并进行配准，根据远、近端综合配准矩阵计算变换矩阵中沿骨长轴的位移量；步骤三：将位移量作为畸形前臂中畸形骨的两侧差异量，补偿重建模板差异，构建新的重建模板；步骤四：计算前臂畸形骨的畸形区域；步骤五：计算畸形骨复位旋转轴及旋转角度；步骤六：使用非支配排序遗传算法对前臂成角与旋转混合畸形进行优化计算，自动生成最优的单刀斜切截骨术前规划方案。2.根据权利要求1所述的一种前臂混合畸形智能规划方法，其特征在于：所述步骤二中，前臂骨中桡骨远端关节解剖区域，是由临床上7个解剖特征点定义的7个解剖区域共同组成。3.根据权利要求1所述的一种前臂混合畸形智能规划方法，其特征在于：所述步骤三中，补偿重建模板差异的方法包括：(1)计算畸形前臂的桡骨远端关节配准矩阵、桡骨近端关节配准矩阵、尺骨远端配准矩阵及尺骨近端配准矩阵；(2)计算桡骨配准过程中沿其重建模板骨长轴的位移，计算尺骨配准过程中沿其重建模板骨长轴的位移；(3)依据双侧前臂桡骨差异与尺骨差异的关系式，对畸形桡骨或畸形尺骨沿骨长轴缩放，补偿重建模板差异。4.根据权利要求1所述的一种前臂混合畸形智能规划方法，其特征在于：所述步骤四中，所述的畸形区域的自动诊断方法包括：(1)沿着畸形骨模型的骨长轴将配准的畸形骨模型和重建目标模型的点集，以一定的步长进行空间离散处理；(2)每一个步长内包含有畸形骨模型和重建目标模型的点集，计算并搜寻畸形骨模型点集中每一点与重建目标模型点集中欧氏距离最小的点，并计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：石志良，甘梓博，祝少博，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：