專利名稱：一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算機輔助醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及前交叉韌帶重建時的術(shù)前規(guī)劃虛擬技術(shù)，具體涉及一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法。
背景技術(shù)：
前交叉韌帶(Anterior Cruciate Ligament, ACL)損傷是膝關(guān)節(jié)常見損傷。近年來，隨著交通事故增多及我國競技體育水平的提高和群眾性體育運動的廣泛開展，ACL損傷的發(fā)病率更是日益增加。ACL損傷難以自愈，治療不當會導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，引起膝關(guān)節(jié)繼發(fā)半月板、軟骨損傷和關(guān)節(jié)過早退變，嚴重影響關(guān)節(jié)功能及患者的生活和工作質(zhì)量。對損傷的ACL必須及時進行修復(fù)，ACL重建手術(shù)為骨科及運動醫(yī)學(xué)最常見的手術(shù)之一，盡管關(guān)節(jié)鏡下ACL重建手術(shù)已日趨成熟，但文獻報道中仍有10%-15%的失敗率和高達 10%-20%的翻修率。而前交叉韌帶重建時不正確的隧道位置是重建手術(shù)失敗的主要原因,將直接導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)失穩(wěn)，膝關(guān)節(jié)活動范圍改變，膝關(guān)節(jié)滑膜炎，創(chuàng)傷性膝關(guān)節(jié)炎，交叉韌帶撞擊等嚴重后果。因此，如何對前交叉韌帶重建術(shù)中的骨隧道位置進行精確定位是ACL重建的研究熱點和難題之一。目前，關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)是最為廣泛開展的ACL重建術(shù)，該手術(shù)雖可以縮小切口，減少軟組織創(chuàng)傷，但也給術(shù)者帶來了失去組織結(jié)構(gòu)形態(tài)全面觀的危險，容易導(dǎo)致ACL在脛骨和股骨錯誤的定位從而引起移植物骨隧道位置的偏移，使得前交叉移植物與股骨髁間窩撞擊，并伴隨移植物粘連、膝關(guān)節(jié)持續(xù)性屈曲攣縮及繼發(fā)功能障礙。而隨著計算機輔助外科技術(shù)的興起，其相關(guān)技術(shù)手段有望為解決以上問題提供有效解決辦法，其工作原理是利用數(shù)字化影像信息如CT、MRI等，通過媒介體輸入計算機工作站，經(jīng)運算處理后重建三維模型影像，手術(shù)醫(yī)生通過相關(guān)軟件，在此影像基礎(chǔ)上進行術(shù)前計劃并模擬手術(shù)進程，制定合理的手術(shù)方案，完成術(shù)前規(guī)劃并輔助完成微創(chuàng)或無創(chuàng)手術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有前交叉韌帶重建技術(shù)的不足，提供一種精確、便捷、費用低廉的，虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法，為ACL損傷的臨床術(shù)前計劃、遠程醫(yī)療和教學(xué)培訓(xùn)提供技術(shù)支持。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案主要基于以下認識前交叉韌帶(ACL)重建手術(shù)要取得良好效果，必須要使重建的前交叉韌帶與原來的前交叉韌帶的解剖結(jié)構(gòu)等長，即達到解剖重建，只有這樣才能保證功能的完全恢復(fù)。而成功進行解剖重建的關(guān)鍵點在于重建后的ACL兩端必須位于前交叉韌帶損傷前的脛骨和股骨附著點。這就能保證重建后的ACL在膝關(guān)節(jié)伸屈活動過程中，長度和張力基本不變，既可在任何屈伸位置限制脛骨前移，又不會限制膝關(guān)節(jié)的活動范圍，也不致因活動過程中張力變化太大使重建的前交叉韌帶過早松弛或斷裂而失敗。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，先在膝關(guān)節(jié)三維模型上精確定位并進行虛擬ACL解剖重建，再應(yīng)用到實際操作過程中，就能夠使ACL重建手術(shù)更加安全和準確。一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法，具體包括以下步驟第一步,對前交叉韌帶損傷患者的雙膝關(guān)節(jié)進行伸直位核磁共振成像(MagneticResonance Imaging, MRI)掃描，成像掃描參數(shù)為TR 11000ms ,TE 25ms ;層厚 I. O mm;層間距0mm;回波鏈14;激勵2次；矩陣192/320 ;F0V 18 ;每個實體掃描分別獲得50層冠狀位、50層矢狀位、50層額狀位圖像，在工作站上將圖像以DICOM格式存儲得到MRI資料；第二步，對該患者的雙膝關(guān)節(jié)進行屈曲位電子計算機X射線斷層掃描(Computerized Tomography, CT)掃描，CT 設(shè)備為 128 排螺旋 CT (SIEMENS 公司，德國)，對膝關(guān)節(jié)進行連續(xù)掃描，掃描范圍為從髕骨上極上方15cm至脛骨結(jié)節(jié)下方10cm，掃描條件電壓120kv，電流150mA，層厚O. 625mm、矩陣512 X 512，CT圖像在工作站上以DICOM格式存儲得到CT資料；第三步，將雙膝關(guān)節(jié)的MRI資料和CT資料導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像重建軟件MimicslO. 01(Materialise公司，比利時)中，對雙膝關(guān)節(jié)的中的胚骨、股骨、館骨、腓骨、前交叉韌帶、后交叉韌帶、半月板進行三維重建，并進行修整，加工處理；第四步，將膝關(guān)節(jié)三維模型以STLs格式存儲，導(dǎo)入逆向工程軟件GeomagicStudio 2012、對膝關(guān)節(jié)三維模型中的各種解剖結(jié)構(gòu)進行進一步地修整，美化，均以O(shè)BJ格式儲存；第五步，應(yīng)用計算機對股骨，脛骨和前交叉韌帶ACL的OBJ格式文件進行以下操作(I)計算ACL相交面積在三維空間中，計算ACL模型與股骨和脛骨模型的相交面，從而確定ACL起止點在股骨和脛骨模型的初始范圍，計算公式如下C=A Π B= {x/x e Aandx e B}(i)式中A代表ACL模型的三角面片集合，B代表股骨或脛骨模型三角面片集合，C是A與B的交集，形成一個封閉的三維面片；(2) ACL起止點聚類分析使用EM聚類分析算法，對步驟(I)中計算得到ACL相交面進行聚類分析，具體步驟如下①對相交面進行采樣，取η個樣例間獨立的三維坐標數(shù)據(jù)點Ix⑴，…，X (η)}；②對選定的訓(xùn)練樣本Ix (I)，…，X (η)}，每個樣例隱含的類別為C，能使得P (x，c)最大；p(x, C)的最大似然估計如下
權(quán)利要求
1.一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法，具體包括以下步驟 第一步，對前交叉韌帶損傷患者的雙膝關(guān)節(jié)進行伸直位核磁共振成像MRI掃描，成像掃描參數(shù)為TR IlOOOms，TE 25ms ;層厚I. O mm ;層間距Omm ;回波鏈14 ;激勵2次；矩陣192/320 ;FOV 18 ;每個實體掃描分別獲得50層冠狀位、50層矢狀位、50層額狀位圖像，在工作站上將圖像以DICOM格式存儲得到MRI資料； 第二步，對該患者的雙膝關(guān)節(jié)進行屈曲位電子計算機X射線斷層掃描CT掃描，CT設(shè)備為128排螺旋CT，對膝關(guān)節(jié)進行連續(xù)掃描，掃描范圍為從髕骨上極上方15cm至脛骨結(jié)節(jié)下方10cm，掃描條件電壓120kv，電流150mA，層厚O. 625_、矩陣512 X 512，CT圖像在工作站上以DICOM格式存儲得到CT資料； 第三步，將雙膝關(guān)節(jié)的MRI資料和CT資料導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像重建軟件MimicslO. 01中，對雙膝關(guān)節(jié)的中的脛骨、股骨、髕骨、腓骨、前交叉韌帶、后交叉韌帶、半月板進行三維重建，并進行修整,加工處理；第四步，將膝關(guān)節(jié)三維模型以STLs格式存儲，導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio2012、對膝關(guān)節(jié)三維模型中的各種解剖結(jié)構(gòu)進行進一步地修整，美化，均以O(shè)BJ格式儲存；第五步，應(yīng)用計算機對股骨，脛骨和前交叉韌帶ACL的OBJ格式文件進行以下操作 (1)計算ACL相交面積 在三維空間中，計算ACL模型與股骨和脛骨模型的相交面，從而確定ACL起止點在股骨和脛骨模型的初始范圍，計算公式如下 C=A n B={x/x e Aandx e B}(i) 式中A代表ACL模型的三角面片集合，B代表股骨或脛骨模型三角面片集合，C是A與B的交集，形成一個封閉的三維面片； (2)ACL起止點聚類分析 使用EM聚類分析算法，對步驟(I)中計算得到ACL相交面進行聚類分析，具體步驟如下 ①對相交面進行采樣，取η個樣例間獨立的三維坐標數(shù)據(jù)點|x(l)，…，χ(η)}； ②對選定的訓(xùn)練樣本{1(1)，一^(11)}，每個樣例隱含的類別為(3，能使得？(1，(3)最大；p(x, C)的最大似然估計如下
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法。首先對前交叉韌帶損傷患者的雙膝關(guān)節(jié)進行伸直位核磁共振掃描和屈曲位CT掃描,然后將雙膝關(guān)節(jié)的掃描資料導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像重建軟件中進行三維重建，之后再將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件進一步地修整，美化，最后再應(yīng)用計算機對股骨，脛骨和前交叉韌帶的各種數(shù)據(jù)進行整理計算，虛擬出前交叉韌帶在脛骨、股骨上的出口和入口，以及在脛骨及股骨表面的標記點。本發(fā)明有助于實現(xiàn)適合于個體化的ACL準確定位植入，是提高ACL修復(fù)重建療效的一條卓有成效的新途徑?？梢宰尦跫壍耐饪漆t(yī)生借助虛擬環(huán)境中的信息進行術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬演練、手術(shù)教學(xué)、指導(dǎo)手術(shù)實際操作和術(shù)后康復(fù)等工作。
文檔編號A61B19/00GK102940530SQ20121046416
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者李彥林, 邢琪, 何川, 陳錦雄, 王國梁, 王福科 申請人:昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院