CN113681895B - 一种导针定位导向板定制及模拟验证系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种导针定位导向板定制及模拟验证系统及其方法，包括数据接收输入模块、数据处理模块、三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块、数据输出模块、导向板制作系统和交互查询模块，交互查询模块分别与三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块连接；导向板模型验证模块包括导针插入验证模块和模拟验证模块。本发明对CT数据进行处理并重构出骨骼三维模型，然后依照骨骼三维数据在骨骼三维模型拟合匹配得到导向板模型，并且还能实现导针插入手术模拟验证、模拟活动验证等各类验证，能够在系统中进行手术模拟、纠错、演练、验证等操作，同时还能精准地打印制作出定制化、个性化的导向板，有助于手术实现。

Description

一种导针定位导向板定制及模拟验证系统及其方法

技术领域

本发明涉及骨折医疗系统，尤其涉及一种导针定位导向板定制及模拟验证系统及其方法。

背景技术

骨折是老年人中比较常见的一种损伤，由于老年人骨密度下降，骨质疏松，跌倒后骨折的几率更大。大部分骨折患者需要接受手术治疗，而其中最常用的一种手术方式为在骨骼中置入内固定物来进行固定。在手术中是通过将内固定物插入骨架(主要为骨骼)上，并实现骨折部位与整个骨架连接。内固定物的位置和角度是由最初插入的导针所决定的，因此插入导针时，对导针插入角度、插入点位要求很高。在插入导针时，导针也容易偏离设计路径，甚至偏离最佳手术点位，如果没有按照最佳设计路径插入导针，容易导致固定效果不佳，病人需要较长时间术后休养，容易出现第二次手术的风险，甚至出现内固定物松脱，骨折移位的可能。传统骨折手术操作往往需要具有丰富经验的主治医生来实施手术治疗，一般来说，骨折手术治疗主要步骤为麻醉、切口、插入导针、扩髓、置入主钉、拔出导针、置入螺旋刀片与远端锁钉、缝合；在骨折手术操作过程中，尤其是插入导针过程，随时需要进行透视确认(手术难度主要是导针的插入角度、插入点位，影像透视也是为了随时观测导针是否存在偏离)，导致手术时间过长、辐射较大，尤其是对于老年人来说，长时间的手术过程容易带来更多的负面影响、并发症，甚至导致死亡。由此，骨折手术治疗在插入导针这一步，对导针的点位和角度都要求很高，主治医生的临床经验对手术的时间和效果均会带来非常大的影响，现有技术也没有辅助导针插入的器械和模拟研究，使用的工具简单，导针不能准确定位，全依赖于医生手术经验。

发明内容

针对现有技术存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种导针定位导向板定制及模拟验证系统及其方法，可根据病人术前拍摄的CT图像对其骨骼头进行三维重构，并在此基础上拟合生成一个完全贴合骨头表面的定位导向板，并定位导向板上具有导向导针插入的导向筒，以便于精确的插入导针，减少了医生调整导针位置所用时间的同时还减少了透视辐射，使得手术更加方便、快捷、安全。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种导针定位导向板定制及模拟验证系统，包括数据接收输入模块、数据处理模块、三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块、数据输出模块、导向板制作系统和交互查询模块，所述数据接收输入模块、数据处理模块、三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块、数据输出模块、导向板制作系统依次连接，所述交互查询模块分别与三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块连接；所述数据接收输入模块用于接收及输入DICOM格式的CT数据，所述数据处理模块根据CT数据提取并得到骨骼三维数据，所述三维重构模块根据骨骼三维数据进行三维模型重构并得到骨骼三维模型，所述导向板模型匹配模块根据骨骼三维数据在骨骼三维模型上生成相匹配的导向板模型；所述导向板模型验证模块包括导针插入验证模块和模拟验证模块，导针插入验证模块根据骨骼三维模型、导向板模型进行导针插入手术模拟验证，模拟验证模块用于对导针插入模拟手术后的骨骼模拟活动进行验证；所述交互查询模块用于定点查询并进行包括放大、缩小、旋转在内的查看作业；所述数据输出模块用于进行数据输出，输出数据包括经验证后的导向板模型数据；所述导向板制作系统用于按照导向板模型数据进行导向板实体制作。

为了更好地实现本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统，所述导向板制作系统包括壳体、数据存储器和3D打印制作装置，数据存储器与3D打印制作装置置于壳体内部，所述数据存储器分别与3D打印制作装置、数据输出模块连接，3D打印制作装置具有打印制作腔；所述壳体顶部为斜向顶板，所述壳体的斜向顶板上设有与3D打印制作装置连接的电源开关按钮，所述壳体的前侧板铰接设有取件门，所述取件门与打印制作腔相对应，所述打印制作腔的腔壁上设有恒温加热面板。

本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统优选的技术方案是：所述三维重构模块还包括骨折区域标记模块，所述骨折区域标记模块用于三维模型重构时在骨骼三维模型上匹配标记骨折区域。

本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统优选的技术方案是：所述交互查询模块包括立体可视化模块，所述立体可视化模块用于对数据进行立体渲染可视化显示。

本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统优选的技术方案是：所述打印制作腔中设有温度传感器，所述壳体的斜向顶板上设有触控显示器，所述触控显示器分别与温度传感器、恒温加热面板、3D打印制作装置、数据存储器连接。

本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统优选的技术方案是：所述壳体的斜向顶板还设有与触控显示器、加热面板、3D打印制作装置连接的状态指示灯组。

本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统优选的技术方案是：所述数据输出模块还连接有无线通信模块。

一种导针定位导向板定制及模拟验证方法，其方法如下：

A、通过数据接收输入模块接收和/或输入DICOM格式的若干张CT数据并传输至数据处理模块，数据处理模块根据CT数据进行数据提取并得到骨骼三维数据并传输三维重构模块，三维重构模块根据骨骼三维数据进行三维模型重构并得到骨骼三维模型，三维重构模块包括骨折区域标记模块，骨折区域标记模块在骨骼三维模型上匹配标记骨折区域；

B、导向板模型匹配模块根据骨骼三维数据在骨骼三维模型上生成相匹配的导向板模型，导向板模型为紧贴导针进针点骨骼周围表面所匹配生成；

C、导向板模型验证模块包括导针插入验证模块和模拟验证模块，导针插入验证模块根据骨骼三维模型、导向板模型进行导针插入手术模拟验证，导针插入手术模拟验证包括导针插入数量、插入点位、插入角度在内的手术模拟验证；模拟验证模块对导针插入模拟手术后的骨骼模拟活动进行验证，骨骼模拟活动包括人体骨骼生理活动在内的各项验证；

D、数据输出模块向导向板制作系统输出经验证后的导向板模型数据，导向板制作系统按照导向板模型数据进行导向板实体制作。

本发明导针定位导向板定制及模拟验证方法还包括：

E、交互查询模块分别与三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块连接，交互查询模块定点查询并进行包括放大、缩小、旋转在内的查看作业；交互查询模块包括立体可视化模块，立体可视化模块对数据进行立体渲染可视化显示。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明对CT数据进行处理并重构出骨骼三维模型，然后依照骨骼三维数据在骨骼三维模型拟合匹配得到导向板模型，并且还能实现导针插入手术模拟验证、模拟活动验证等各类验证，能够在系统中进行手术模拟、纠错、演练、验证等操作，同时还能快速、精准地打印制作出定制化、个性化的导向板，对骨折手术有较大帮助，提高了医生手术成功率和手术质量。

(2)本发明可根据病人术前拍摄的CT图像对其骨骼头进行三维重构，并在此基础上拟合生成一个完全贴合骨头表面的定位导向板，并在此基础上拟合生成一个完全贴合骨头表面的定位导向板，以便于精确的插入导针，减少了医生调整导针位置所用时间的同时还减少了透视辐射，使得手术更加方便、快捷、安全。

(3)本发明所制作的导向板在实际手术应用中，医生能够非常轻松地实现将导向板与规划区域的骨头表面的良好匹配，并一次性的将导针顺利、精确的导入，后经过拍摄X光透视验证，导针位置位于髓腔正中，达到了本发明预期效果。

(4)本发明在打印制作腔中设有恒温加热面板，在导针定位导向板打印时进行恒温加热，提高了导针定位导向板制作质量和效率，制作完毕后可通过取样门便捷取出，操作非常便捷；本发明设有触控显示器及状态指示灯组，可以实时显示工作状态、进度、故障预警等信息。

(5)本发明可以降低手术难度，缩短手术时间，降低术后的感染几率和创伤，符合ERAS(enhanced recovery aftersurgery)快速康复理念；对病人远期的功能恢复也有很好的帮助；对于年轻医生来说，可以降低手术难度，从而降低学习成本、减少学习时间和减少医疗事故。

附图说明

图1为本发明系统的原理结构框图；

图2为本发明导向板制作系统的立体结构示意图；

图3为本发明导向板制作系统的的内部结构图；

图4为本发明举例第一种导向板、导针实施的案例示意图；

图5为本发明举例第二种导向板、导针实施的案例示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－骨骼,2－导向板，21－导向筒,3－导针,4－壳体,5－数据存储器,6－3D打印制作装置,61－打印制作腔,7－触控显示器,8－取件门。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明：

实施例

如图1～图5所示，一种导针定位导向板定制及模拟验证系统，包括数据接收输入模块、数据处理模块、三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块、数据输出模块、导向板制作系统和交互查询模块，数据接收输入模块、数据处理模块、三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块、数据输出模块、导向板制作系统依次连接，交互查询模块分别与三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块连接。数据接收输入模块用于接收及输入DICOM格式的CT数据，数据处理模块根据CT数据提取并得到骨骼三维数据，三维重构模块根据骨骼三维数据进行三维模型重构并得到骨骼三维模型，本发明优选的三维重构模块还包括骨折区域标记模块，骨折区域标记模块用于三维模型重构时在骨骼三维模型上匹配标记骨折区域。导向板模型匹配模块根据骨骼三维数据在骨骼三维模型上生成相匹配的导向板模型(参见图4、图5，一般导向板模型包括导向板底座与导向筒21，当然导向板模型也可以仅为导向板底座)。导向板模型验证模块包括导针插入验证模块和模拟验证模块，导针插入验证模块根据骨骼三维模型、导向板模型进行导针插入手术模拟验证，模拟验证模块用于对导针插入模拟手术后的骨骼模拟活动进行验证。如图1所示，交互查询模块用于定点查询并进行包括放大、缩小、旋转在内的查看作业；本发明优选的交互查询模块包括立体可视化模块，立体可视化模块用于对数据进行立体渲染可视化显示。数据输出模块用于进行数据输出，本发明优选数据输出模块还连接有无线通信模块(其可以进行无线通信传输)，输出数据包括经验证后的导向板模型数据。导向板制作系统用于按照导向板模型数据进行导向板实体制作。

如图2、图3所示，导向板制作系统包括壳体4、数据存储器5和3D打印制作装置6，数据存储器5与3D打印制作装置6置于壳体4内部，数据存储器5分别与3D打印制作装置6、数据输出模块连接，3D打印制作装置6具有打印制作腔61。壳体4顶部为斜向顶板，壳体4的斜向顶板上设有与3D打印制作装置6连接的电源开关按钮，壳体4的前侧板铰接设有取件门8，取件门8与打印制作腔61相对应，打印制作腔61的腔壁上设有恒温加热面板。通过电源开关按钮可以对恒温加热面板、3D打印制作装置6进行开关作业。

如图2所示，打印制作腔61中设有温度传感器，壳体4的斜向顶板上设有触控显示器7，触控显示器7分别与温度传感器、恒温加热面板、3D打印制作装置6、数据存储器5连接。本实施例触控显示器7为交互式触摸控制显示屏，可以在触控显示器7实现定位板选取、定位板模型展示、3D打印制作、恒温加热设定与控制作业，当然也可以实现其他操控作业，比如工作状态、工作进度、温度实时显示、故障提示等。本实施例触控显示器7上的显示屏可以实时显示温度，也可以设定恒温加热面板升温或降温控制，本实施例可以设置温控芯片，可以在温控芯片设置温度阈值范围，该温控芯片分别与温度传感器、恒温加热面板连接，以便于控制打印制作腔61的恒温加热温度在所设定的温度阈值范围内。本实施例恒温加热面板能在打印制作腔61中进行恒温加热以让打印制作腔61保持在一个恒温状态，以便于导针定位导向板(简称导向板)更好、更快捷、更精准的打印制作。

如图2所示，壳体4的斜向顶板还设有与触控显示器7、加热面板、3D打印制作装置6连接的状态指示灯组，状态指示灯组可以包括打印指示灯、保温加热指示灯、故障指示灯，当然还可以包括其他状态指示灯，通过各种状态指示灯进行工作状态的指示，本实施例可以通过状态指示灯组进行各种工作状态的指示。本实施例壳体4的后侧板设有检修门，通过打开该检修门，以便对壳体4内部的元器件进行检修作业，同时便于对3D打印制作装置6进行加料作业。本实施例触控显示器7可以是一个交互界面，既可以显示所有操作的效果，也可以供使用人员进行触控操作：包括放大、参数选择、透明度调整、打印设置等操作。本实施例状态指示灯组可以采用红、黄、绿三种颜色，指示灯常亮与闪烁对应导向板制作系统不同的工作状态。取件门8在导向板制作过程中闭合，防止外物入侵或外力干扰，等待导向板制作完成后会自动打开，方便操作人员拿出导向板。

本发明将患者的CT数据通过数据接收输入模块导入到本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统后，本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统可以实现DICOM格式文件转化，骨骼三维重构，通过交互界面，医生可以选择患者需要手术的区域，进行放大查看，也可以调整模型透明度，查看骨骼内髓腔形状走势，医生选择在需进行导针定位的区域作为导向板模型与骨骼的接触面，然后本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统生成一个导向板底座及导管(即导向板模型，一般导向板模型包括导向板底座与导向筒21，当然导向板模型也可以仅为导向板底座)。导向板模型生成后，经过简单调参即可点击确认，进入导向板制作环节，本发明导针定位导向板定制及模拟验证系统将导向板模型的数据传输到导向板制作系统，在导向板制作系统的触控显示器7上确认后点击开始，即可完成导向板的制作。手术时通过导向板与骨头表面完全贴合，实现导针的精确定位和导向，可使导针按照既定路线顺利插入髓腔，缩减了手术时间与透视辐射。图4提供了第一种骨头骨折的导向板2、导针3安装实例(图4以人体的股骨为例，当然本发明可应用于人体所有骨骼；该导向板2具有导向筒21，是带有导向筒的导向板模型定制出来的)，在该手术策略方案中(根据骨折位置有所不同)，导向板2位于骨骼1侧面进行对应匹配，其导针3在导向板2定位与导向作业下横向插入。图5提供了第二种骨头骨折的导向板2、导针3安装实例(图5以人体的股骨为示例，当然本发明可应用于人体所有骨骼)，在该手术策略方案中(根据骨折位置有所不同)，导向板2位于骨骼1顶部(非关节活动部位)进行对应匹配，其导针3在导向板2定位与导向作业下竖向插入。

如图1所示，一种导针定位导向板定制及模拟验证方法，其方法如下：

A、通过数据接收输入模块接收和/或输入DICOM格式的若干张CT数据并传输至数据处理模块，CT数据为骨折患者的多方位CT数据，数据处理模块根据CT数据进行数据提取并得到骨骼三维数据并传输三维重构模块，三维重构模块根据骨骼三维数据进行三维模型重构并得到骨骼三维模型，三维重构模块包括骨折区域标记模块，骨折区域标记模块在骨骼三维模型上匹配标记骨折区域(骨骼三维模型上标记了骨折区域，便于后续进行验证等工作，也便于查询、查看的可视化作业)。

B、导向板模型匹配模块根据骨骼三维数据在骨骼三维模型上生成相匹配的导向板模型，导向板模型为紧贴导针进针点骨骼周围表面所匹配生成。

C、导向板模型验证模块包括导针插入验证模块和模拟验证模块，导针插入验证模块根据骨骼三维模型、导向板模型进行导针插入手术模拟验证，导针插入手术模拟验证包括导针插入数量、插入点位、插入角度等在内的手术模拟验证。模拟验证模块对导针插入模拟手术后的骨骼模拟活动进行验证，骨骼模拟活动包括人体骨骼生理活动等(比如关节活动)在内的各项验证。在上述验证过程中，医生可以在系统进行及时的参数调整、导向板模型数据更改等操作，便于得到最好的导向板模型数据。

D、数据输出模块向导向板制作系统输出经验证后的导向板模型数据，导向板制作系统按照导向板模型数据进行导向板实体制作。

E、交互查询模块分别与三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块连接，交互查询模块定点查询并进行包括放大、缩小、旋转在内的查看作业。交互查询模块包括立体可视化模块，立体可视化模块对数据进行立体渲染可视化显示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种导针定位导向板定制及模拟验证系统，其特征在于：包括数据接收输入模块、数据处理模块、三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块、数据输出模块、导向板制作系统和交互查询模块，所述数据接收输入模块、数据处理模块、三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块、数据输出模块、导向板制作系统依次连接，所述交互查询模块分别与三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块连接；所述数据接收输入模块用于接收及输入DICOM格式的CT数据，所述数据处理模块根据CT数据提取并得到骨骼三维数据，所述三维重构模块根据骨骼三维数据进行三维模型重构并得到骨骼三维模型，所述三维重构模块还包括骨折区域标记模块，所述骨折区域标记模块用于三维模型重构时在骨骼三维模型上匹配标记骨折区域；所述导向板模型匹配模块根据骨骼三维数据在骨骼三维模型上生成相匹配的导向板模型；所述导向板模型验证模块包括导针插入验证模块和模拟验证模块，导针插入验证模块根据骨骼三维模型、导向板模型进行导针插入手术模拟验证，模拟验证模块用于对导针插入模拟手术后的骨骼模拟活动进行验证；所述交互查询模块用于定点查询并进行包括放大、缩小、旋转在内的查看作业，所述交互查询模块包括立体可视化模块，所述立体可视化模块用于对数据进行立体渲染可视化显示；所述数据输出模块用于进行数据输出，输出数据包括经验证后的导向板模型数据；所述导向板制作系统用于按照导向板模型数据进行导向板实体制作。

2.按照权利要求1所述的一种导针定位导向板定制及模拟验证系统，其特征在于：所述导向板制作系统包括壳体(4)、数据存储器(5)和3D打印制作装置(6)，数据存储器(5)与3D打印制作装置(6)置于壳体(4)内部，所述数据存储器(5)分别与3D打印制作装置(6)、数据输出模块连接，3D打印制作装置(6)具有打印制作腔(61)；所述壳体(4)顶部为斜向顶板，所述壳体(4)的斜向顶板上设有与3D打印制作装置(6)连接的电源开关按钮，所述壳体(4)的前侧板铰接设有取件门(8)，所述取件门(8)与打印制作腔(61)相对应，所述打印制作腔(61)的腔壁上设有恒温加热面板。

3.按照权利要求2所述的一种导针定位导向板定制及模拟验证系统，其特征在于：所述打印制作腔(61)中设有温度传感器，所述壳体(4)的斜向顶板上设有触控显示器(7)，所述触控显示器(7)分别与温度传感器、恒温加热面板、3D打印制作装置(6)、数据存储器(5)连接。

4.按照权利要求3所述的一种导针定位导向板定制及模拟验证系统，其特征在于：所述壳体(4)的斜向顶板还设有与触控显示器(7)、加热面板、3D打印制作装置(6)连接的状态指示灯组。

5.按照权利要求1所述的一种导针定位导向板定制及模拟验证系统，其特征在于：所述数据输出模块还连接有无线通信模块。

6.一种导针定位导向板定制及模拟验证方法，其特征在于：其方法如下：

A、通过数据接收输入模块接收和/或输入DICOM格式的若干张CT数据并传输至数据处理模块，数据处理模块根据CT数据进行数据提取并得到骨骼三维数据并传输至三维重构模块，三维重构模块根据骨骼三维数据进行三维模型重构并得到骨骼三维模型，三维重构模块包括骨折区域标记模块，骨折区域标记模块在骨骼三维模型上匹配标记骨折区域；

B、导向板模型匹配模块根据骨骼三维数据在骨骼三维模型上生成相匹配的导向板模型，导向板模型为紧贴导针进针点骨骼周围表面所匹配生成；

C、导向板模型验证模块包括导针插入验证模块和模拟验证模块，导针插入验证模块根据骨骼三维模型、导向板模型进行导针插入手术模拟验证，导针插入手术模拟验证包括导针插入数量、插入点位、插入角度在内的手术模拟验证；模拟验证模块对导针插入模拟手术后的骨骼模拟活动进行验证，骨骼模拟活动包括人体骨骼生理活动在内的各项验证；

D、数据输出模块向导向板制作系统输出经验证后的导向板模型数据，导向板制作系统按照导向板模型数据进行导向板实体制作。

7.按照权利要求6所述的一种导针定位导向板定制及模拟验证方法，其特征在于：其方法还包括：

E、交互查询模块分别与三维重构模块、导向板模型匹配模块、导向板模型验证模块连接，交互查询模块定点查询并进行包括放大、缩小、旋转在内的查看作业；交互查询模块包括立体可视化模块，立体可视化模块对数据进行立体渲染可视化显示。

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