用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法技术

一种用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法，包括：获得旨在接纳椎弓根骨螺钉的目标骨区域的CT图像，基于CT图像建立目标骨区域的个性化三维几何模型，访问包括三维骨区域模型的数据库；其中所述骨区域模型包括用于每个椎弓根的骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法


[0001]本专利技术涉及一种用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法，一种包括用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的装置的数据处理系统，以及一种包括指令的计算机程序产品，当该程序由计算机执行时，该指令使计算机规划椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹。

技术介绍

[0002]CN 110946652 A公开了一种骨螺钉的螺钉轨迹确定方法，包括以下步骤：建立目标骨的个性化三维几何模型和包含骨密度的空间分布信息的三维骨密度模型，设置骨螺钉参数，并计算骨螺钉轨迹的空间矢量，计算骨螺纹的空间螺旋线作为骨螺钉螺纹曲线；将骨螺钉螺纹曲线放置于目标骨的个性化三维几何模型中，提取在目标骨的个性化三维几何模型中在与骨螺钉螺纹接触点处的骨密度，并计算接触位置处骨密度的平均值；根据骨螺钉参数、骨密度和骨密度分布确定骨螺钉轨迹。根据该方法，通过获得骨和骨螺钉接触位置在三维尺度上的坐标，精确地确定了螺钉螺纹周围的骨密度，并且允许根据骨螺钉的固定性能确定骨螺钉的螺钉轨迹。
[0003]US 2017/112575A1公开了一种体现可由机器执行的指令程序的非暂时性计算机可读介质，以执行用于椎弓根螺钉定位的操作，该操作包括：接收脊柱的至少一部分的图像数据；分割图像数据中的至少一个感兴趣的椎骨；确定感兴趣的分割椎骨内的两个椎弓根区域；确定感兴趣的分割椎骨内的一个或多个安全区域；在所述一个或多个安全区域内生成两个最佳插入路径，其中所述两个最佳插入路径穿过椎弓根区域的相应中心；以及显示用于椎弓根螺钉定位的两个最佳插入路径。该方法使用体素和感兴趣的分割椎骨内的体素与最近的椎骨边缘的距离来确定要植入的螺钉的安全区域，如果到这种边缘的距离大于阈值距离，则将体素分配给安全区域。
[0004]US 2004/240715A1公开了一种用于确定椎弓根螺钉的放置的方法，包括从一组2D图像中确定在患者体内放置这种椎弓根螺钉的轨迹，其中确定轨迹的步骤包括：通过确定包含被研究椎骨的所有2D图像切片的最小横向椎弓根宽度来计算椎弓根螺钉的最佳植入轨迹，并针对被研究椎骨确定所有2D图像切片的最小横向椎弓根的总最小横向椎弓根宽度。
[0005]CN 109199604 A公开了一种椎弓根螺钉最佳进入点定位方法，该方法基于三维网格模型的特征向量作为决策树分类模型的输入。

技术实现思路

[0006]基于该现有技术，本专利技术的一个目的是提供一种替代方法，以基于患者特定的骨特性，尤其是被替换螺钉体积的骨密度，优化螺钉参数，该螺钉参数包括尺寸和定向。
[0007]根据本专利技术，该目的通过独立权利要求1的特征来解决。此外，从从属权利要求和说明书中得出进一步的有利实施例。
[0008]特别地，该目的通过一种用于确定椎弓根骨螺钉的螺钉轨迹的方法来实现，该方
法包括以下步骤：
[0009]‑
获得旨在接纳椎弓根骨螺钉的目标骨区域的CT图像，
[0010]‑
基于包括骨密度信息的CT图像建立目标骨区域的个性化三维几何模型，
[0011]‑
访问包括三维骨区域模型的数据库；其中所述骨区域模型包括骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面，
[0012]‑
将骨区域模型变形为目标骨区域的几何模型，生成具有骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面的变形椎骨模型，
[0013]‑
当骨材料被目标骨区域的变形椎骨模型中的椎弓根骨螺钉替换时，计算使骨密度最大化的椎弓根骨螺钉的最佳螺钉轨迹，以及
[0014]‑
输出目标骨的变形椎骨模型中的用于椎弓根骨螺钉的最佳螺钉轨迹以及骨螺钉的长度和直径。
[0015]要访问的数据库包括与具有预定骨螺钉插入表面和预定椎弓根横向表面的三维骨密度模型相关的数据。根据所公开的实施例，三维骨密度模型基于检查的骨样本并在其上训练。然后，变形步骤允许将这些骨螺钉插入表面和椎弓根横向表面自动转移到感兴趣椎骨的3D骨图像模型上。
[0016]根据公开的实施例，骨区域模型的变形包括在目标骨的几何模型内提供3D椎弓根横向表面。这用于识别可能的骨螺钉轨迹。根据公开的实施例，用于椎弓根横向表面的2D椎弓根横向表面基于3D椎弓根横向表面，并被确定为椎弓根中最小横向椎弓根宽度的平面。最小横向椎弓根宽度的平面对应于3d椎弓根横向表面的平面(横向面)，其中椎弓根在横向方向上具有最小宽度。
[0017]3D横向表面和2D横向表面在数据库内的目标骨区域的几何模型中建模，并且与目标骨区域上的几何模型的其他元素一起变形。这允许在没有对感兴趣的椎骨区域进行直接评估的情况下开始计算。
[0018]骨区域模型的变形步骤可以以替代方式包括在几何变形椎骨模型内提供矢状平面，以确定椎弓根横向表面。根据另一实施例，骨区域模型的变形可以包括确定几何变形椎骨模型内的椎孔，以将椎弓根横向表面确定为椎孔侧面上的最小骨材料直径。
[0019]根据所公开的实施例，在确定椎弓根横向表面的2D椎弓根横向表面的过程中，提供作为轮廓安全距离的第一阈值。这种安全距离可以是例如1或2.5mm，并且作为椎弓根外边缘内的3D曲线生成，并且划界在该方法中使用的3D和随后的2D椎弓根横向表面中使用的体素。此外，作为长度安全距离的第二阈值可以在基于骨区域的主体的主体侧表面确定螺钉长度过程中提供，以便不计算将超出椎骨的主体区域的另一侧的解(即，螺钉轨迹和椎弓根骨螺钉的长度和直径)。
[0020]此外，预定骨区域的主体的矢状平面为螺钉的轮廓和尖端提供了第三阈值，限定了用于螺钉的禁止区域，所述螺钉不必通过所述该禁止区域，以便将任何一个骨螺钉引入到椎弓根的同一主体中，或者仅将两个骨螺钉中的一个以两个骨螺钉不占据同一位置的方式引入到同一主体中。
[0021]计算步骤的起始条件可以包括起始螺钉的值，其中在一侧，该起始螺钉的中心轴线穿过2D椎弓根横向表面的中心点，而在另一侧，起始螺钉的包络圆柱体的骨螺钉插入表面在相应的插入表面内。
[0022]在替代方案中，可以选择插入点旁边的椎弓根场表面中的起始点，以包括3D横向表面内的螺钉轨迹的最中心部分，例如，使用连接螺钉圆柱体的选定插入点/表面和由此限定的3D椎弓根横向表面的中心的最小二乘法。根据公开的实施例，在目标骨的几何模型中，计算步骤被提供有螺钉长度、具有预定最大长度的边界条件的螺钉直径和预定最大直径的起始参数。
[0023]本专利技术的步骤可以在包括用于执行方法权利要求的步骤的装置的数据处理系统上执行。数据处理系统包括用于具有统计形状模型(SSM)的数据库的计算机存储系统和用于输入CT图像的数据存储器。这些图像可以提前或及时制作，用于计算螺钉轨迹。数据处理系统通常还包括输入单元，如键盘、鼠标或触摸屏/平板，以例如选择感兴趣的椎骨，并且还包括输出装置，如对螺钉的计算数据的显示和对这种计算数据的存储。
[0024]本文进一步公开了一种计算机程序产品，其包括指令，当该程序由计算机执行时，该指令使得计算机执行根据本文公开的任一实施例的方法的步骤。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)的方法，包括以下步骤：
‑
获得旨在接纳椎弓根骨螺钉(60)的目标骨区域(43)的CT图像(41，42)，
‑
基于包括骨密度信息的CT图像(41，42)建立目标骨区域(43)的个性化三维几何模型(45)，
‑
访问包括三维骨区域模型的数据库；其中所述骨区域模型包括骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20
′
)，
‑
将骨区域模型变形为目标骨区域(43)的几何模型(45)，生成变形的椎骨模型(47)，其包括骨区域模型的骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20
′
)以及几何模型(45)的骨密度信息，
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当骨材料被目标骨区域(43)的变形椎骨模型(47)中的椎弓根骨螺钉(60)替换时计算使骨密度最大化的椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)，以及
‑
输出目标骨区域(43)的变形椎骨模型(47)中的用于椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)。2.根据权利要求1所述的方法，还包括输出椎弓根骨螺钉(60)的长度和直径。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，将骨区域模型变形为几何模型(45)包括：
‑
将骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20
′
)转移到三维几何模型(45)上；和
‑
在目标骨(43)的变形椎骨模型(47)内提供3D椎弓根横向表面(20
′
)，该3D椎弓根横向表面(20
′
)在数据库内的三维骨区域模型中被建模，并且用三维几何模型(45)变形。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述骨区域模型的变形还包括提供2D椎弓根横向表面(20)，其中作为椎弓根横向表面(20)的2D椎弓根横向表面(20)基于3D椎弓根横向表面(20
′
)并且对应于椎弓根(52)中的最小横向椎弓根宽度的平面。5.根据权利要求4所述的方法，其中在确定2D椎弓根横向表面(20)的过程中提供作为轮廓安全距离的第一阈值(21)，所述第一阈值(21)作为椎弓根(52)的外边缘内的3D曲线生成，划界在3D椎弓根横向表面(20
′
)和随后的2D椎弓根横向表面(20)中使用的体素。6.根据权利要求3至5中任一项所述的方法，其中计算最佳螺钉轨迹(61)的步骤的起始条件包括起始螺钉的值，其中所述起始螺钉的中心轴被选择为所述3D椎弓根横向表面(20
′
)内的轴的最中心部分，可选地应用连接所选择的插入点和由此限定的穿过所述3D横向表面(20
′
)的轴的最小二乘法。7.根据权利要求4至6中任一项所述的方法，其中，计算所述椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)的步骤的起始条件包括起始螺钉的值，其中，所述起始螺钉的中心轴穿过所述2D椎弓根横向表面(20)的中心点，其中，所述起始螺钉的包络圆柱体的所述骨螺钉插入表面在所述骨螺钉插入表面(10)之内。8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中计算最佳螺钉轨迹(61)的步骤包括以下步骤：
‑
创建近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体，并沿着基于骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20，20
′
)计算的初始螺钉轴将其放置在变形的椎骨模型(47)中；
‑
计算在变形的椎骨模型(47)中近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体内的骨材料密度。9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括以下步骤：
‑
排除穿孔变形的椎骨模型(47)的近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体；和
‑
使用在近似椎弓根骨螺钉(60)的圆柱体内的骨材料特性，该骨材料特性从变形的椎骨模型(47)中的图像体素提取。10.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中计算椎弓根骨螺钉(60)的最佳螺钉轨迹(61)的步骤包括：
‑
使用骨螺钉插入表面(10)和椎弓根横向表面(20)识别变形的椎骨模型(47)的可能投影平面的空间；
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扫描可能投影平面的空间，以便确定一组交叉区域密度投影(Idp1
‑
n)；
‑
扫描该组交叉区域密度投影(Idp1
‑
n)并计算相应的投影骨密度得分(Pbds1.1.1....

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：二五段股份公司，
类型：发明
国别省市：