WO2019000270A1

WO2019000270A1 - 三维模拟手术置钉的规划方法和外科手术模拟器

Info

Publication number: WO2019000270A1
Application number: PCT/CN2017/090537
Authority: WO
Inventors: 孙东辉; 黄伟; 梁锡杰; 沈涛
Original assignee: Shenzhen Xinjunte Smart Medical Equipment Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Xinjunte Smart Medical Equipment Co Ltd
Priority date: 2017-06-28
Filing date: 2017-06-28
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2019-12-28

Abstract

一种三维模拟手术置钉的规划方法和外科手术模拟器，适用于医疗器械领域。规划方法包括：根据接收的脊柱的CT图像进行三维建模，生成三维模型（S101）；根据三维模型生成三个剖切面图（S102）；显示三维模型和三维模型的三个剖切面图（S103）；对剖切面的位置及剖切方向进行调整，以直观地观察脊柱的切面状况（S104）；通过两个方向的剖切面的交线确定螺钉的钉道（S105）；在确定的钉道上添加螺钉（S106）；在钉道的方向上移动螺钉，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划（S107）。规划方法简洁方便，可以更精确地规划钉道，使置钉更安全、可靠。

Description

说明书发明名称：三维模拟手术置钉的规划方法和外科手术模拟器技术领域

[0001] 本发明属于医疗器械领域，尤其涉及一种三维模拟手术置钉的规划方法和外科手术模拟器。

背景技术

[0002] 脊柱是人体的中轴，主要起支撑、保护、平衡、运动的作用。脊柱由椎骨、椎间盘、脊髓、脊神经、自主神经系统组成。脊柱内有椎管，容纳脊髓并保护脊髓。而且连于脊髓的 31对脊神经都经过椎间孔出椎管并受到脊柱的保护。同吋，脊柱周围还分布人体主动静脉和颈部动静脉。

[0003] 由于椎弓根临近较多的血管及神经结构，一旦螺钉置入不当穿透椎板，误入的螺钉会造成严重的神经血管损伤。因此，在进行脊柱置钉吋，必须精确地进行手术规划并准确地实施手术操作。

[0004] 正常人脊柱有 32~34个脊柱骨：颈椎 7个，胸椎 12个，腰椎 5个，骶椎 5个和尾椎 3~5个。有椎间盘 23个和关节 134个。脊柱的侧面呈 "S"型，正面呈一直线。

[0005] 由于各个椎体的解剖形态不同及个体的差异和畸形，螺钉的入钉点、置钉方向和置钉深度均需要进行规划。在进行规划吋，应保证螺钉不能穿破椎弓根外壁，否则会损伤邻近的神经和血管。进钉的角度应随椎弓角度的变化而变化，避免穿透椎体前面的皮质骨。同吋，为保证螺钉的抗拔出强度，应选择合适的螺钉的大小和长度。进钉点不是一个点，而是一个区域，而且要配合进钉角度才行。进钉点的选择要使螺钉进钉的可靠，不易滑动。进钉方向则应使螺钉准确通过椎弓根最窄处而不会穿破外壁。置钉深度应使螺钉不能穿出椎体。

[0006] 现有的三维模拟手术的规划方法，是在三维模型中添加一个器械，然后在三维视图中把器械移动到合适的位置中去。

[0007] 国内的 BOHOLO外科手术模拟器，首先导入 CT图像后，进行三维建模，然后进行三维规划。在进行三维规划吋，首先在器械库中找到需添加的器械，然后把器械添加到三维模型的右下角，然后移动器械到合适的位置。 [0008] 这种方式，针对的是通用手术，没有对脊柱手术置钉的特点进行优化。存在规划精度差，器械移动困难的问题。由于一个器械在空间中存在六个自由度（螺钉为 5个自由度），而在 PC界面中移动器械，只能进行二维的移动和一个角度的旋转，所以需要在移动器械的同吋不停地变换三维模型的角度，才能正确地把器械移动到合适的位置。由于移动复杂，所以规划精度较差，只能作为参考。

[0009] 以色列的 MAZOR公司针对脊柱置钉手术规划作了一定的优化。导入 CT图像进行三维建模后，根据人体脊柱的结构进行切割成单节脊柱。然后对单节脊柱的三维模型固定三个方向的视觉图。然后添加脊柱螺钉，分别在三个视图中调整螺钉方向。然而，这种方式只是把一个三维视图分成三个方向的三维视图，虽然比 BOHOLO外科手术模拟器调整器械方便，但依然不能清楚地知道规划中钉道剖面的情况，所以规划精度依然不高。

技术问题

[0010] 本发明的目的在于提供一种三维模拟手术置钉的规划方法和外科手术模拟器，旨在解决只是把一个三维视图分成三个方向的三维视图，规划精度依然不高的问题。

问题的解决方案

技术解决方案

[0011] 第一方面，本发明提供了一种三维模拟手术置钉的规划方法，所述方法包括：

[0012] 根据接收的脊柱的 CT图像进行三维建模，生成三维模型；

[0013] 根据三维模型生成三个剖切面图；

[0014] 显示三维模型和三维模型的三个剖切面图；

[0015] 对剖切面的位置及剖切方向进行调整，以直观地观察脊柱的切面状况；

[0016] 通过两个方向的剖切面的交线确定螺钉的钉道；

[0017] 在确定的钉道上添加螺钉；

[0018] 在钉道的方向上移动螺钉，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划。

[0019] 第二方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行吋实现如上述的三维模拟手术置钉的规划方法的步骤。 [0020] 第三方面，本发明提供了一种外科手术模拟器，包括：

[0021] 一个或多个处理器；

[0022] 存储器；以及

[0023] 一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述处理器执行所述计算机程序吋实现如上述的三维模拟手术置钉的规划方法的步骤。

发明的有益效果

有益效果

[0024] 在本发明中，由于根据三维模型生成三个剖切面图，对剖切面的位置及剖切方向进行调整，以直观地观察脊柱的切面状况，通过两个方向的剖切面的交线确定螺钉的钉道，规划简洁方便，可以更精确地规划钉道，使置钉更安全、可靠对附图的简要说明

附图说明

[0025] 图 1是本发明实施例一提供的三维模拟手术置钉的规划方法的流程图。

[0026] 图 2是本发明实施例一提供的三维模拟手术置钉的规划方法中，三维模型和三维模型的矢状面、冠状面和水平面的示意图。

[0027] 图 3是初始剖切关系图。

[0028] 图 4是经过调整的剖切面图。

[0029] 图 5是在确定的钉道上添加螺钉的示意图。

[0030] 图 6是螺钉调整到位的示意图。

[0031] 图 7是本发明实施例三提供的外科手术模拟器示意图。

本发明的实施方式

[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0033] 为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

[0034] 脊柱置钉的参数包括置钉点、置钉方向及置钉深度。置钉准确的关键是保证椎弓根钉在通过椎弓峡部吋不能突破椎弓根骨壁。所以选择合适的置点钉和精确的置钉方向是规划的重点。

[0035] 实施例一：

[0036] 请参阅图 1，本发明实施例一提供的三维模拟手术置钉的规划方法包括以下步骤：

[0037] S101、根据接收的脊柱的 CT (Computed Tomography, 计算机层析成像）图像进行三维建模，生成三维模型。

[0038] CT图像是通过对物体进行不同角度的射线投影测量而获取物体模截面信息的技术，得到的是一组切片的 DICOM格式二维医学图像。

[0039] 在本发明实施例一中， S101具体可以包括以下步骤：

[0040] 把 CT的 DICOM图像转化为 BMP位图文件；

[0041] 对 BMP位图文件进行图像平滑来滤除噪声；

[0042] 对滤除噪声后的图像进行尖锐化增强处理，使骨质部分的图像得到增强； [0043] 对增强后的图像进行分割，将物体截面灰度值和属于背影的灰度值用一个阀值分离出来；

[0044] 提取分割后图像的矢量轮廓；

[0045] 进行面绘制或者体绘制，生成三维模型。

[0046] S102、根据三维模型生成三个剖切面图。

[0047] 在本发明实施例一中，三个剖切面图包括矢状面、冠状面和水平面。

[0048] S103、显示三维模型和三维模型的三个剖切面图（如图 2所示）。

[0049] 在本发明实施例一中，矢状面、冠状面和水平面均通过原始图像的中心位置，如图 3所示。

[0050] S104、对剖切面的位置及剖切方向进行调整，以直观地观察脊柱的切面状况。

[0051] 在本发明实施例一中，在三个剖切面图中，每个剖切面图均有另外两个剖切面图的剖切线。剖切面可以平移和旋转。

[0052] S 104具体可以为： [0053] 当鼠标在剖切面的图像范围内选择剖切线后进行上下或左右移动吋，平移三维模型的剖切面；

[0054] 当鼠标在剖切面的图像范围外选择剖切线后进行上下或左右移动吋，剖切线的交点位置不变，剖切线的被选择点坐标随鼠标的移动而移动，使剖切线围绕交点而旋转；

[0055] 当改变一个剖切面图的剖切线后，另两个剖切面图也依此而进行相应的改变。

[0056] S105、通过两个方向的剖切面的交线确定螺钉的钉道。

[0057] 在添加螺钉吋，螺钉的钉道就是横向切面（初始为水平面）和前后切面（初始为矢状面）的交线。这样，通过调整剖切面，可以观察钉道的情况详细情况，使得置钉的规划更加精确。

[0058] 通过调整剖切面的方式，可以更精确地规划钉道，使置钉更安全、可靠。经过调整的剖切面图如图 4所示。

[0059] S106、在确定的钉道上添加螺钉。

[0060] 调整好剖切面，也就规划好了螺钉的入钉点和进钉方向。入钉点就是螺钉沿钉道从外部向三维模型的骨组织进钉吋刚接触骨组织吋的交点，进钉方向就是从入钉点沿着钉道的方向。这样，就可以直接添加螺钉。

[0061] 选择好螺钉的规格（直径和长度）后，即可添加螺钉。添加螺钉如图 5所示。

[0062] S107、在钉道的方向上移动螺钉，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划。

[0063] 在本发明实施例一中， S107具体为：在钉道的方向上移动螺钉，把螺钉的螺杆根部移动到入钉点位置，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划，如图 6 所示。

[0064] 由于一次手术会置多颗螺钉，所以完成一颗螺钉后还需要对下一颗螺钉进行规划。因此，在本发明实施例一中， S107之后还可以包括以下步骤：

[0065] 规划好的螺钉与三维模型进行叠加，作为一个整体三维模型参与下一螺钉的规划。从而能更好地对每个螺钉进行规划，避免出现互相干涉。

[0066] 在本发明实施例一中， S107之后还可以包括以下步骤：

[0067] 当某颗螺钉需要重新规划吋，刪除该颗螺钉后，返回 S104。 [0068] 实施例二：

[0069] 本发明实施例二提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行吋实现如本发明实施例一提供的三维模拟手术置钉的规划方法的步骤。

[0070] 实施例三：

[0071] 图 7示出了本发明实施例三提供的外科手术模拟器的具体结构框图，一种外科手术模拟器，包括：

[0072] 一个或多个处理器 101 ;

[0073] 存储器 102; 以及

[0074] 一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述处理器执行所述计算机程序吋实现如本发明实施例一提供的三维模拟手术置钉的规划方法的步骤。

[0075] 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

权利要求书

[权利要求 1] 一种三维模拟手术置钉的规划方法，其特征在于，所述方法包括：根据接收的脊柱的 CT图像进行三维建模，生成三维模型；根据三维模型生成三个剖切面图；

显示三维模型和三维模型的三个剖切面图；

对剖切面的位置及剖切方向进行调整，以直观地观察脊柱的切面状况通过两个方向的剖切面的交线确定螺钉的钉道；在确定的钉道上添加螺钉；

在钉道的方向上移动螺钉，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划。

[权利要求 2] 如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述三个剖切面图包括矢状面、冠状面和水平面。

[权利要求 3] 如权利要求 2所述的方法，其特征在于，所述矢状面、冠状面和水平面均通过原始图像的中心位置。

[权利要求 4] 如权利要求 1所述的方法，其特征在于，在三个剖切面图中，每个剖切面图均有另外两个剖切面图的剖切线，剖切面可以平移和旋转。

[权利要求 5] 如权利要求 4所述的方法，其特征在于，所述对剖切面的位置及剖切方向进行调整具体为：

当鼠标在剖切面的图像范围内选择剖切线后进行上下或左右移动吋，平移三维模型的剖切面；

当鼠标在剖切面的图像范围外选择剖切线后进行上下或左右移动吋，剖切线的交点位置不变，剖切线的被选择点坐标随鼠标的移动而移动，使剖切线围绕交点而旋转；

当改变一个剖切面图的剖切线后，另两个剖切面图也依此而进行相应的改变。

[权利要求 6] 如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述在钉道的方向上移动螺钉，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划具体为：在钉道的方向上移动螺钉，把螺钉的螺杆根部移动到入钉点位置，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划。

[权利要求 7] 如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述在钉道的方向上移动螺钉，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划之后，所述方法还包括：

规划好的螺钉与三维模型进行叠加，作为一个整体三维模型参与下一螺钉的规划。

[权利要求 8] 如权利要求 1所述的方法，其特征在于，所述在钉道的方向上移动螺钉，使螺钉处于实际手术的位置，完成螺钉的规划之后，所述方法还包括：

当螺钉需要重新规划吋，刪除该颗螺钉后，返回所述对剖切面的位置及剖切方向进行调整的步骤。

[权利要求 9] 一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行吋实现如权利要求 1 至 8任一项所述的三维模拟手术置钉的规划方法的步骤。

[权利要求 10] 一种外科手术模拟器，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个计算机程序，其中所述一个或多个计算机程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序吋实现如权利要求 1至 8任一项所述的三维模拟手术置钉的规划方法的步骤。