一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法技术

本发明专利技术公开一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法，包括以下步骤：S1、术前拍摄CT影像，建立胫骨平台法相量和胫骨轴线方向向量；S2、术中安装胫骨参考阵列；S3、利用定位相机分别对参考阵列进行定位；S4、拍摄术中CBCT影像，在虚拟空间坐标系与相机空间坐标系中，利用胫骨参考阵列进行空间变换矩阵的转换；S5、得到在相同坐标系下的胫骨平台法相量与胫骨轴线向量的表达；S6、术中通过光学相机实时获取参考阵列定位，获取胫骨PTS；本发明专利技术利用光学导航数据实现了PTS的术中实时监测，减少术中X光与CBCT拍摄次数，减少了患者与医生的辐射暴露量。生的辐射暴露量。生的辐射暴露量。

【技术实现步骤摘要】
一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法


[0001]本专利技术涉及到胫骨平台后倾角测量
，具体涉及到一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法。

技术介绍

[0002]胫骨平台后倾角(posterior tibial slope，PTS)是胫骨高位截骨手术(high tibial osteotomy，HTO)中需要重点关注的一个指标。HTO的间隙撑开操作会改变PTS的数值，适当的PTS可以帮助增加膝关节的稳定性，反之则有增加患者韧带撕裂的风险：对于前十字韧带功能不全的患者，PTS应当减小；对于后十字韧带功能不全的患者，PTS应该增加。
[0003]PTS在广义上定义为胫骨轴线的垂线与胫骨平台的夹角，但是就量测方法而言，学术上并没有一个统一的规定：
[0004]一类PTS测量在二维X光图上进行，如图9所示，为患者腿部的侧位X光图，直线1是胫骨前部骨皮质的切线，将其作为胫骨轴线；直线2是直线1的垂线；直线3是胫骨平台的切线；直线2、3的夹角即为PTS；同样是在二维X光图上量测PTS，胫骨轴线的定义还存在其他方式，如图10所示，将胫骨后部骨皮质(PTC)的切线或胫骨近端解剖轴(TPAA)作为胫骨轴线。
[0005]由于二维X光图在拍摄时，难以确保胫骨对正(不同角度拍摄会得到不同的轴线投影)，且胫骨平台因为其他组织的遮挡可能显影不清，通过上述方法测量得到的PTS准确性存在问题。另一方面，使用胫骨的三维数据，如CT和MRI，通过计算胫骨三维影像特征点的几何关系或将三维影像的截面调整至合适位置的方式取得PTS，PTS量测的准确性可以显著提高。
[0006]对于HTO的实际应用场景，现有的二维和三维PTS量测手段都无法支持对PTS的准确术中实时监测。HTO手术中，若医生需要了解某一时刻患者的PTS数值，则必须在手术台上拍摄X光影像或进行CBCT扫描，不但操作繁琐，而且增加了医生与患者的辐射暴露量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法；利用光学导航数据实现了PTS的术中实时监测，减少术中X光与CBCT拍摄次数，减少了患者与医生的辐射暴露量。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：
[0009]一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法，包括以下步骤：
[0010]S1、术前拍摄并截取胫骨部分的CT影像，重建胫骨表面网格数据，建立内侧胫骨平台法相量外侧胫骨平台法相量和胫骨轴线方向向量
[0011]S2、术中在胫骨的近端位置安装胫骨近端参考阵列，在胫骨的骨柄位置安装胫骨柄参考阵列，所述胫骨近端参考阵列包括若干个反光球和若干个金属球，所述胫骨柄参考阵列包括若干个反光球；
[0012]S3、利用定位相机分别对上述的两个参考阵列的所述反光球进行定位，得到胫骨
近端参考阵列坐标系F
rf1
和胫骨柄参考阵列坐标系F
rf2
，以及相机坐标系F
camera
分别至F
rf1
与F
rf2
的转换矩阵，计算转换得到F
rf1
与F
rf2
之间的空间变换矩阵T
rf1torf2
；
[0013]S4、拍摄带有胫骨近端与胫骨近端参考阵列的术中CBCT影像，在虚拟空间坐标系F
imagespace
下，使术前CBCT影像与术中CBCT影像的胫骨近端重合；通过胫骨近端参考阵列中的金属球分别在坐标系F
imagespace
和在F
rf1
下的点集，建立F
imagespace
至F
rf1
的空间变换矩阵T
imagespacetorf1
，再结合变换矩阵T
rf1torf2
，得到F
imagespace
至F
rf2
的空间变换矩阵T
imagespacetorf2
；
[0014]S5、通过空间变换矩阵的转换，计算得到内侧胫骨平台法向量在F
rf1
下表达为外侧胫骨平台法向量在F
rf1
下表达为胫骨轴线方向向量在F
rf2
下表达为
[0015]S6、术中从定位相机实时获取F
camera
至F
rf1
与F
rf2
的转换矩阵，计算得到F
rf1
至F
rf2
的实时转换矩阵T
rf1torf2_tmp
，再结合胫骨轴线方向向量在F
rf2
下的表达得到胫骨轴线方向向量在F
rf1
下的表达同一坐标轴F
rf1
下根据内、外侧胫骨平台法相量与胫骨轴线方向向量之间的角度，求得内、外侧胫骨PTS。
[0016]步骤S1具体包括：
[0017]在内侧胫骨平台上拟合一空间平面，并获得其从胫骨近端指向远端的法向量，即为内侧胫骨平台法向量在外侧胫骨平台上拟合一空间平面，并获得其从胫骨近端指向远端的法向量，即为内侧胫骨平台法向量
[0018]对胫骨网格表面所有顶点进行PCA主成分分析，记最大特征值对应的从胫骨近端指向远端的特征向量为记内侧胫骨平台与外侧胫骨平台所有点的几何中心为C，从C点出发，以为法线方向，建立若干个平面，计算上述各平面与胫骨相交所得封闭包围圈的几何中心，使用最小二乘法对若干个几何中心拟合一直线，记直线的从胫骨近端指向远端的方向向量为胫骨轴线方向向量
[0019]步骤S3具体包括：
[0020]定位系统预设各参考阵列内部的反光球的排布方式，通过定位相机实时捕获各反光球的球心坐标，即可计算得到定位相机坐标系F
camera
分别至坐标系F
rf1
与F
rf2
的空间变换矩阵T
cameratorf1
与T
cameratorf2
，从而获悉各参考阵列的空间位姿，并通过转换得到F
rf1
与F
rf2
之间的空间变换矩阵
[0021]T
rf1torf2
＝(T
cameratorf1
)
‑1·
T
cameratorf2
；
[0022]步骤S4具体包括：
[0023]建立术前CBCT影像与术中CBCT影像的空间变换矩阵T1，将T1用于术中CBCT影像，使术中CBCT影像的胫骨近端移动至与术前CBCT影像的胫骨近端的接近重叠位置，再使用ITK影像配准框架使两者匹配度达到最佳；
[0024]金属球球心点集在F
imagespace
下描述为点集一，金属球球心点集在F
rf1
下描述为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、术前拍摄并截取胫骨部分的CT影像，重建胫骨表面网格数据，建立内侧胫骨平台法相量外侧胫骨平台法相量和胫骨轴线方向向量S2、术中在胫骨的近端位置安装胫骨近端参考阵列，在胫骨的骨柄位置安装胫骨柄参考阵列，所述胫骨近端参考阵列包括若干个反光球和若干个金属球，所述胫骨柄参考阵列包括若干个反光球；S3、利用定位相机分别对上述两个参考阵列的所述反光球进行定位，得到胫骨近端参考阵列坐标系F
rf1
和胫骨柄参考阵列坐标系F
rf2
，计算相机坐标系F
camera
分别至F
rf1
与F
rf2
的转换矩阵，转换得到F
rf1
与F
rf2
之间的空间变换矩阵T
rf1torf2
；S4、拍摄带有胫骨近端与所述胫骨近端参考阵列的术中CBCT影像，在虚拟空间坐标系F
imagespace
下，使术前CBCT影像与术中CBCT影像的胫骨近端重合；通过所述胫骨近端参考阵列中的所述金属球分别在坐标系F
imagespace
和在F
rf1
下的点集，建立F
imagespace
至F
rf1
的空间变换矩阵T
imagespacetorf1
，再结合变换矩阵T
rf1torf2
，得到F
imagespace
至F
rf2
的空间变换矩阵T
imagespacetorf2
；S5、通过空间变换矩阵的转换，计算得到所述内侧胫骨平台法向量在F
rf1
下表达为所述外侧胫骨平台法向量在F
rf1
下表达为所述胫骨轴线方向向量在F
rf2
下表达为S6、术中从定位相机实时获取F
camera
至F
rf1
与F
rf2
的转换矩阵，计算得到F
rf1
至F
rf2
的实时转换矩阵T
rf1torf2_tmp
，再结合胫骨轴线方向向量在F
rf2
下的表达得到胫骨轴线方向向量在F
rf1
下的表达再根据同一坐标轴F
rf1
下内、外侧胫骨平台法相量与胫骨轴线方向向量之间的角度，求得内、外侧胫骨PTS。2.根据权利要求1所述的一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：在内侧胫骨平台上拟合一空间平面，并获得其从胫骨近端指向远端的法向量，即为内侧胫骨平台法向量在外侧胫骨平台上拟合一空间平面，并获得其从胫骨近端指向远端的法向量，即为内侧胫骨平台法向量对胫骨网格表面所有顶点进行PCA主成分分析，记最大特征值对应的从胫骨近端指向远端的特征向量为记内侧胫骨平台与外侧胫骨平台所有点的几何中心为C，从C点出发，以为法线方向，建立若干个平面，计算上述各平面与胫骨相交所得封闭包围圈的几何中心，使用最小二乘法对若干个几何中心拟合一直线，记直线的从胫骨近端指向远端的方向向量为胫骨轴线方向向量3.根据权利要求1所述的一种实时监测胫骨高位截骨手术中胫骨平台后倾角的方法，其特征在于，步...

【专利技术属性】
技术研发人员：周再望，黄志俊，刘金勇，钱坤，
申请(专利权)人：杭州柳叶刀机器人有限公司，
类型：发明
国别省市：