專利名稱：一種腰椎三維測量方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種腰椎的三維測量方法，具體涉及，基于CT掃描技術(shù)和三維重建技術(shù)對椎骨進行測量的方法。
背景技術(shù)：
生物力學實驗證明，只有螺釘沿椎弓根唯一的解剖長軸通道準確置入并達理想深度，才能保證釘棒系統(tǒng)的穩(wěn)定性和理想的臨床療效，這個唯一性導致使手術(shù)的操作難度增大。為提高椎弓根螺釘置入的準確度，國內(nèi)外學者對進釘位置、角度、深度進行了很多相關(guān)研究。Panjabi等通過對椎弓根三維空間形態(tài)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)椎弓根在外部形態(tài)、長軸方向、內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面均有很大的變異性。不同種族，不同個體，不同節(jié)段，甚至同一節(jié)段的不同側(cè)別，均存在具有統(tǒng)計學意義的差異。其他研究人員的研究結(jié)果也顯示椎弓根自身形態(tài)存在較大的變異性是置釘失誤率大的最重要原因之一。因此，椎弓根螺釘置入手術(shù)前獲取椎弓根三維解剖數(shù)據(jù)，即椎管前后徑、椎弓根橫徑、長度、水平夾角，對提高椎弓根螺釘置入的準確性，減少椎弓根內(nèi)固定手術(shù)并發(fā)癥的發(fā)生率具有重要意義。精密測量腰椎椎體及椎弓根峽部相關(guān)解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)對于提高脊柱手術(shù)技術(shù)極為重要[ROY-CAMILLE R, SAILLANT G, MAZEL C.1nternal fixation of the lumbarspine with pedicle screw plating.Clinical Orthopaedics and Related Research，1986(203):7-17]。從解剖學上講，腰椎椎弓根呈類橢圓形且低位腰椎的椎弓根與矢狀面有明顯的傾斜角度[SUGISAKI K, AN H-s, ESPINOZA O A, et al.1n vivo three-dimensionalmorphometric analysis of the lumbar pedicle isthmus.Spine,2009,34 (24):2599-2604]。
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然而，實體解剖測量的方法繁多，結(jié)果相對準確，它的缺點是比較繁瑣，而且需要尸體標本，成本較高，不方便臨床工作[ISLAM C，GtiZEL M B, SAKUL B.Clinicalimportance of the minimal cancellous diameter of lower thoracic and lumbarvertebral pedicles.Clinical Anatomy (New York, N.Y.), 1996,9 (3): 151-154]。父線測量存在較大的放大率，測量結(jié)果往往大于實際數(shù)值，加大了椎管狹窄癥的診斷范圍[ZINDRICKM R, WILTSE L L, D00RNIK A, et al.Analysis of the morphometric characteristicsof the thoracic and lumbar pedicles.Spine, 1987,12 (2):160-166] XT測量操作簡單、圖像直觀、便于測量和診斷而且CT放大率極小，所以能夠得出腰椎椎管相對準確的數(shù)值[N0JIRIK, MATSUM0T0M, CHIBAK,et al.Comparative assessment of pedicle morphologyof the lumbar spine in various degenerative diseases.Surgical and RadiologicAnatomy:SRA, 2005, 27 (4):317-321]。不過，CT斷層圖像上的測量實質(zhì)上還是屬于二維平面測量，往往我們在研究過程中需要測量的長度或角度并不在同一水平面上，因而此種測量方法受到很多局限和制約。三維重建的脊椎模型中，根據(jù)立體幾何相關(guān)原理，可以通過兩個空間平面定義一條線，再通過兩條相交線定義一個點，或者用鼠標直接拾取三維坐標點等方法來定義解剖特征點，并測量空間兩點間的直線距離及其在另一基準平面上的投影長度，此外，還可以很方便的測量空間線線成角和線面成角等，由此可見，三維重建測量與其他測量工具相比在精度方面有明顯的優(yōu)勢。但由于人體脊椎骨骼是一個復雜而多變的特殊結(jié)構(gòu)，三維重建模型同樣很難確切的依據(jù)某些解剖特征點來量化和制定測量規(guī)范，因此，對于復雜且目前無法用數(shù)學函數(shù)度量的人體骨骼三維圖像的測量，仍然是三維測量中的一個熱點和難點。通過對脊椎三維重建模型的測量，可以為脊柱和脊椎的相關(guān)外科醫(yī)學研究和手術(shù)模擬提供科學依據(jù)和參考數(shù)據(jù)，從而為脊柱和脊椎的定量描述奠定基礎。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，更加準確的測量椎體的三維解剖結(jié)構(gòu)，本發(fā)明公開了一種腰椎三維測量方法，所述方法是通過利用CT三維重建技術(shù)，在數(shù)字化虛擬環(huán)境下還原腰椎的解剖學結(jié)構(gòu)特征，從而得到椎管前后徑、椎弓根橫徑、長度的準確參數(shù)，同時還可以應用數(shù)字化平臺在三維重建可視化模型上建立模擬進釘通道，從而把進釘部位、方向、深度和進釘通道從整體上進行三維定位、定量化分析。本發(fā)明根據(jù)實際測量需要，在相關(guān)軟件中合理設置模型重建相關(guān)的計算參數(shù)，并依此建立科學可靠的定量化測量腰椎椎體及椎弓根峽部相關(guān)的解剖結(jié)構(gòu)參數(shù)的三維分析模型，該模型可真實的反映腰椎骨骼的解剖結(jié)構(gòu)特征。本發(fā)明公開了一種腰 椎三維數(shù)字化測量方法，具體包括以下步驟:I)將離體腰椎骨標本進行螺旋CT掃描，掃描參數(shù):層厚2mm，層距2mm，球管電壓120kV,電流 225mAs，分辨率 512*512pxl。2)腰椎三維模型的建立:將CT掃描儀獲取的腰椎骨的原始數(shù)據(jù)，并導入三維重建軟件Mimicsl0.01中，提取并選擇灰度在226-1469 (CT影像中骨骼的灰度閾值)之間的像素點，按照解剖結(jié)構(gòu)在原始橫斷面、矢狀重建面、冠狀重建面上分別選擇合適的興趣區(qū)域，對椎體進行分離和提取。運用靜噪、濾波等圖像優(yōu)化處理技術(shù)去除干擾點及偽影等。在三維重建軟件Mimicsl0.01中三維重建計算的相關(guān)參數(shù)設定和方法選擇十分重要，它往往與模型的精確度、可信度有著直接關(guān)系，本發(fā)明采用如下參數(shù)設置:(I)插值方法(Interpolation method):由于基于體素(Gray value)的方法更接近真實的像素點及模型的原始位置，故為了提高測量精度，選擇此方法；(2)光順(Smoothing):迭代次數(shù)(Iterations)選擇 15 次，光順因子(Smoothfactor)設置為 0.5 ；(3)矩陣壓縮(Matrix reduction):XY平面分辨率選擇2倍像素值，Z軸分辨率選擇I倍層距；(4)矩陣壓縮選項(Prefer):選擇Accuracy算法,可使模型精度保持較高；(5)三角面片縮減(Triangle reduction):縮減模式(Reducing mode)選擇Advanced edge模式，可接受誤差(Tolerance)選擇像素值的1/8大小，共邊角度(Edgeangle)選擇15° ,迭代次數(shù)(Iterations)選擇15次。按照上述參數(shù)進行三維重建計算，得到椎體的三維模型。將計算出的模型再進行包裹等二次優(yōu)化處理，最終導出格式為ASC II STL格式的3D模型文件，為進一步運用工程軟件Pro/E Wildfire4.0進行模型優(yōu)化處理、分析、測量、確定釘?shù)揽臻g位置等提供原始圖形資料。3)腰椎三維模型的優(yōu)化:將第2)步得到的腰椎三維模型，用工程軟件Pro/Effildfire4.0對模型進行優(yōu)化處理，包括生成集管、精整、松弛等，其中精整選擇4X分艙，松弛選擇15次迭代次數(shù)，得到優(yōu)化的腰椎三維模型。4)三維空間平面的確定:根據(jù)椎體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以椎體為基準，使其上下終板表面輪廓線盡可能重合時垂直于屏幕方向為z軸方向，并在此方向上定義矢狀基準中線平面、冠狀基準中線平面，再根據(jù)上述兩平面做出另一與其二者均垂直的基準平面定義為水平面，以上確定為椎體模型的三維空間正交基準平面(如圖1)。并根據(jù)面面關(guān)系定義上面觀(Top View)、后面觀(Back View)、左面觀(Left View)三個視覺方向，方便此后的分析測量。5)將模型沿矢狀中線基準平面進行剖切，在左視角下選擇該剖面線最左邊的點即椎體前皮質(zhì)外緣，定義為A點,據(jù)此再在此剖面上定義椎體后皮質(zhì)外緣為B點,椎板前皮質(zhì)外緣為C點(如圖2)。將模型沿冠狀中線基·準平面進行剖切，在后視角下可找到左右椎弓根內(nèi)側(cè)皮質(zhì)外緣，分別定義為D點，E點。其中A與B的連線在橫斷面上投影線段的長度定義為椎體矢狀徑(CSD)，B與C的連線在水平面上的投影線段長度定義為椎孔矢狀徑(SCSD)(如圖3)。D點和E點的連線在水平面投影線段長度即為椎弓根間距(DMBP)(如圖4)。6)采用第3)步建立的優(yōu)化的腰椎三維模型，選取腰椎兩側(cè)椎弓根峽部區(qū)域的三角面片模型為興趣區(qū)，將其他多余的三角面片去掉，分別對左右兩側(cè)椎弓根峽部模型進行分析和測量，下面以一側(cè)為例進行說明，將椎弓根前后緣輪廓線調(diào)整至盡可能重合的方向，并定義此時垂直屏幕的方向為釘?shù)垒S線方向，平行于屏幕做一投影平面，將模型投影至此平面上，并提取最內(nèi)側(cè)的輪廓線，而后在此投影平面上做該輪廓線最大內(nèi)接圓，確定其圓心和圓周線的位置，將此內(nèi)接圓沿釘?shù)垒S線方向進行拉伸，得到一個圓柱形結(jié)構(gòu)，即為理論椎弓根釘?shù)?。沿垂直于釘?shù)垒S線方向選取椎弓根上下皮質(zhì)外緣和內(nèi)外皮質(zhì)外緣，其中上下緣皮質(zhì)外緣點在上述投影平面上的投影點之間的連線在矢狀中線基準平面上的投影線段長度定義為椎弓根高度(PH)，內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)外緣點在投影平面上的投影點之間的連線在水平面上的投影線段長度定義為椎弓根寬度(PW)。7)對上述定義的椎孔矢狀徑、椎體矢狀徑、椎弓根間距、椎弓根寬度、椎弓根高度分別其進行測量，即得到腰椎三維的重要參數(shù)值。本發(fā)明還通過上述方法和實體接觸式精密測量法分別對5例腰椎各項解剖參數(shù)的進行測量，結(jié)果顯示所述兩種測量方法之間均無顯著性差異，說明本發(fā)明基于CT 二維斷層圖像建立的腰椎骨三維數(shù)字化分析模型的三維測量法具有很高的準確性及可靠性。


圖1腰椎三維空間正交基準平面上面觀圖；圖2腰椎三維空間正交基準平面左面觀圖，A點為椎體前皮質(zhì)外緣，B點為椎體后皮質(zhì)外緣，C點為椎板前皮質(zhì)外緣；圖3椎體矢狀徑(CSD)和椎孔矢狀徑(SCSD)左面觀圖；圖4椎弓根間距(DMBP)后面觀圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，以下實施例只是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，不是對本發(fā)明的限定。 實施例1腰椎三維數(shù)字化測量方法及實例一、材料和方法:1、材料1.1)標本選擇取經(jīng)過10%福爾馬林處理的正常成人離體腰椎干燥骨標本I例，解剖分離并清除其附屬的軟組織結(jié)構(gòu)，標本均由北京協(xié)和醫(yī)學院解剖教研室提供。1.2)儀器設備

SIEMENS/Sensation64 層 CT 機。2、方法2.1測量參數(shù)指標椎孔矢狀徑(spinal canal sagittal diameter, SCSD):椎體后皮質(zhì)與椎板前皮質(zhì)外緣之間的距離；椎體矢狀徑(centrum sagittal diameter, CSD):椎體前后皮質(zhì)外緣之間的距離；椎弓根間距(thedistance between medical borders of pedicles, DMBP):兩側(cè)椎弓根內(nèi)側(cè)皮質(zhì)外緣之間的距離；椎弓根寬度(pedicle width, Pff):椎弓根內(nèi)外皮質(zhì)外緣之間最短距離；椎弓根高度(pedicle height, PH):椎弓根上下皮質(zhì)外緣之間最短距離。2.2測量方法:I)將離體腰椎骨標本進行螺旋CT掃描，掃描參數(shù):層厚2mm，層距2mm，球管電壓120kY,電流 225mAs，分辨率 512*512pxl。2)腰椎三維模型的建立:將CT掃描儀獲取的腰椎骨的原始數(shù)據(jù)，并導入三維重建軟件Mimicsl0.01中，提取并選擇灰度在226-1469 (CT影像中骨骼的灰度閾值)之間的像素點，按照解剖結(jié)構(gòu)在原始橫斷面、矢狀重建面、冠狀重建面上分別選擇合適的興趣區(qū)域，對椎體進行分離和提取。運用靜噪、濾波等圖像優(yōu)化處理技術(shù)去除干擾點及偽影等。在三維重建計算中，相關(guān)參數(shù)設定和方法選擇十分重要，它往往與模型的精確度、可信度有著直接關(guān)系，本發(fā)明采用如下參數(shù)設置:(I)插值方法(Interpolation method):由于基于體素(Gray value)的方法更接近真實的像素點及模型的原始位置，故為了提高測量精度，選擇此方法；(2)光順(Smoothing):迭代次數(shù)(Iterations)選擇 15 次，光順因子(Smoothfactor)設置為 0.5 ；(3)矩陣壓縮(Matrix reduction):XY平面分辨率選擇2倍像素值，Z軸分辨率選擇I倍層距；(4)矩陣壓縮選項(Prefer):選擇Accuracy算法,可使模型精度保持較高；(5)三角面片縮減(Triangle reduction):縮減模式(Reducing mode)選擇Advanced edge模式，可接受誤差(Tolerance)選擇像素值的1/8大小，共邊角度(Edgeangle)選擇15° ,迭代次數(shù)(Iterations)選擇15次。按照上述參數(shù)進行三維重建計算，得到椎體的三維模型。將計算出的椎體三維模型再進行包裹等二次優(yōu)化處理，最終導出格式為ASC II STL格式的3D模型文件，為進一步運用工程軟件Pro/E Wildfire4.0進行模型優(yōu)化處理、分析、測量、確定釘?shù)揽臻g位置等提供原始圖形資料。3)腰椎三維模型的優(yōu)化:將第2)步得到的腰椎三維模型，用工程軟件Pro/Effildfire4.0對模型進行優(yōu)化處理，包括生成集管、精整、松弛等，其中精整選擇4X分艙，松弛選擇15次迭代次數(shù)，得到優(yōu)化的腰椎三維模型。4)三維空間平面的確定:根據(jù)椎體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以椎體為基準，使其上下終板表面輪廓線盡可能重合時垂直于屏幕方向為z軸方向，并在此方向上定義矢狀基準中線平面、冠狀基準中線平面，再根據(jù)上述兩平面做出另一與其二者均垂直的基準平面定義為水平面，以上確定為椎體模型的三維空間正交基準平面(如圖1)。并根據(jù)面面關(guān)系定義上面觀(Top View)、后面觀(Back View)、左面觀(Left View)三個視覺方向，方便此后的分析測量。5)將模型沿矢狀中線基準平面進行剖切，在左視角下選擇該剖面線最左邊的點即椎體前皮質(zhì)外緣，定義為A點,據(jù)此再在此剖面上定義椎體后皮質(zhì)外緣為B點,椎板前皮質(zhì)外緣為C點(如圖2)。將模型沿冠狀中線基準平面進行剖切，在后視角下可找到左右椎弓根內(nèi)側(cè)皮質(zhì)外緣，分別定義為D點，E點。而后進行測量，其中A與B的連線在橫斷面上投影線段的長度定義為椎體矢狀徑(CSD)，B與C的連線在水平面上的投影線段長度定義為椎孔矢狀徑(SCSD)(如圖3)，D點和E點的連線在水平面投影線段長度定義為椎弓根間距(DMBP)(如圖 4)。6)采用第3)步優(yōu)化得到的腰椎三維模型，選取腰椎兩側(cè)椎弓根峽部區(qū)域的三角面片模型為興趣區(qū)，將其 他多余的三角面片去掉，分別對左右兩側(cè)椎弓根峽部模型進行分析和測量，下面以一側(cè)為例進行說明，將椎弓根前后緣輪廓線調(diào)整至盡可能重合的方向，并定義此時垂直屏幕的方向為釘?shù)垒S線方向，平行于屏幕做一投影平面，將模型投影至此平面上，并提取最內(nèi)側(cè)的輪廓線，而后在此投影平面上做該輪廓線最大內(nèi)接圓，確定其圓心和圓周線的位置，將此內(nèi)接圓沿釘?shù)垒S線方向進行拉伸，得到一個圓柱形結(jié)構(gòu)，即為理論椎弓根釘?shù)馈Ｑ卮怪庇卺數(shù)垒S線方向選取椎弓根上下皮質(zhì)外緣和內(nèi)外皮質(zhì)外緣，其中上下緣皮質(zhì)外緣點在上述投影平面上的投影點之間的連線在矢狀中線基準平面上的投影線段長度定義為椎弓根高度(PH)，內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)外緣點在投影平面上的投影點之間的連線在水平面上的投影線段長度定義為椎弓根寬度(PW)。7)對上述定義的椎孔矢狀徑、椎體矢狀徑、椎弓根間距、椎弓根寬度、椎弓根高度分別其進行測量，即得到腰椎三維的重要參數(shù)值。二、結(jié)果基于CT 二維斷層圖像下建立腰椎骨三維數(shù)字化模型，可從不同角度、不同方向觀察腰椎結(jié)構(gòu)和特征，能清晰顯示椎弓根的形態(tài)和空間位置關(guān)系，并可對其解剖數(shù)據(jù)進行三維測量，測量結(jié)果如表I所示:表I腰椎骨標本的各項解剖數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種腰椎三維測量方法，具體包括以下步驟: 1)將離體腰椎骨標本進行螺旋CT掃描； 2)腰椎三維模型的建立:將CT掃描儀獲取的腰椎骨的原始數(shù)據(jù)，并導入三維重建軟件進行三維重建計算，得到椎體的三維模型； 3)腰椎三維模型的優(yōu)化:將第2)步得到的腰椎三維模型，用工程軟件Pro/Effildfire4.0對模型進行優(yōu)化處理； 4)三維空間平面的確定:根據(jù)椎體的形態(tài)結(jié)構(gòu)，以椎體為基準，使其上下終板表面輪廓線盡可能重合時垂直于屏幕方向為z軸方向，并在此方向上定義矢狀基準中線平面、冠狀基準中線平面，再根據(jù)上述兩平面做出另一與其二者均垂直的基準平面定義為水平面，以上確定為椎體模型的三維空間正交基準平面，并根據(jù)面面關(guān)系定義上面觀、后面觀、左面觀三個視覺方向，方便此后的分析測量； 5)將模型沿矢狀中線基準平面進行剖切，在左視角下選擇該剖面線最左邊的點即椎體前皮質(zhì)外緣，定義為A點,據(jù)此再在此剖面上定義椎體后皮質(zhì)外緣為B點,椎板前皮質(zhì)外緣為C點；將模型沿冠狀中線基準平面進行剖切，在后視角下可找到左右椎弓根內(nèi)側(cè)皮質(zhì)外緣，分別定義為D點，E點；其中A與B的連線在橫斷面上投影線段的長度定義為椎體矢狀徑(CSD)，B與C的連線在水平面上的投影線段長度定義為椎孔矢狀徑(SCSD) ；D點和E點的連線在水平面投影線段長度即為椎弓根間距(DMBP)； 6)采用第3)步建立的優(yōu)化的腰椎三維模型，選取腰椎兩側(cè)椎弓根峽部區(qū)域的三角面片模型為興趣區(qū)，將其他多余的三角面片去掉，分別對左右兩側(cè)椎弓根峽部模型進行分析和測量，下面以一側(cè)為例進行說明，將椎弓根前后緣輪廓線調(diào)整至盡可能重合的方向，并定義此時垂直屏幕的方向為釘?shù)垒S線方向，平行于屏幕做一投影平面，將模型投影至此平面上，并提取最內(nèi)側(cè)的輪廓線，而后在此投影平面上做該輪廓線最大內(nèi)接圓，確定其圓心和圓周線的位置，將此內(nèi)接圓沿釘?shù)垒S線方向進行拉伸，得到一個圓柱形結(jié)構(gòu)，即為理論椎弓根釘?shù)?。沿垂直于釘?shù)垒S線方向選取椎弓根上下皮質(zhì)外緣和內(nèi)外皮質(zhì)外緣，其中上下緣皮質(zhì)外緣點在上述投影平面上的投影點之間的連線在矢狀中線基準平面上的投影線段長度定義為椎弓根高度，內(nèi)外側(cè)皮質(zhì)外緣點在投影平面上的投影點之間的連線在水平面上的投影線段長度定義為椎弓根寬度。
7)對上述定義的椎孔矢狀徑、椎體矢狀徑、椎弓根間距、椎弓根寬度、椎弓根高度分別其進行測量，即得到腰椎三維的重要參數(shù)值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腰椎三維測量方法，其特征在于，第1)步所述的螺旋CT掃描，其掃描參數(shù)為:層厚2mm，層距2mm，球管電壓120kV，電流225mAs，分辨率512*512pxl。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腰椎三維測量方法，其特征在于，第2)步所述的三維重建軟件為Mimicsl0.01，在三維重建時，其相關(guān)參數(shù)設定和方法選擇如下: (1)插值方法:為體素； (2)光順:迭代次數(shù)選擇15次，光順因子設置為0.5 ； (3)矩陣壓縮:XY平面分辨率選擇2倍像素值，Z軸分辨率選擇I倍層距； (4)矩陣壓縮選項:選擇Accuracy算法,可使模型精度保持較高； (5)三角面片縮減:縮減模式選擇Advancededge模式，可接受誤差選擇像素值的1/8大小，共邊角度選擇15°，迭代次數(shù)選擇15次。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的腰椎三維測量方法，其特征在于，第3)步所述的優(yōu)化處理包括生成集管、精整、松弛，其中精整選擇4X分艙，松弛選擇15次迭代次數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種腰椎三維測量方法，所述方法將椎體進行CT掃描，將CT連續(xù)斷層圖像數(shù)據(jù)進行三維模型重建，在三維模型中根據(jù)椎體的形態(tài)結(jié)構(gòu)確定三維空間平面坐標，并根據(jù)坐標平面確定椎體各項參數(shù)的測量方法，包括測量腰椎的椎孔矢狀徑、椎體矢狀徑、椎弓根間距、椎弓根寬度、椎弓根高度。本發(fā)明還通過上述方法和實體接觸式精密測量法分別對5例腰椎各項解剖參數(shù)進行測量，本發(fā)明基于CT二維斷層圖像建立的腰椎骨三維數(shù)字化分析模型的三維測量法具有很高的準確性及可靠性。
文檔編號A61B6/03GK103156632SQ20131007401
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月8日
發(fā)明者吳志宏, 王以朋, 孫小虎, 邱貴興 申請人:吳志宏