一種髕骨截骨三維測量方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種髕骨截骨三維測量方法及系統(tǒng)，其中方法包括以下步驟：S1.基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型；S2.通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，并基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置形成新坐標(biāo)系，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)測量髕骨的三維參數(shù)；S3.采用計(jì)算機(jī)輔助虛擬技術(shù)，模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨；S4.測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。本發(fā)明能夠?qū)x骨三維形態(tài)進(jìn)行定量分析，并通過虛擬手術(shù)準(zhǔn)確分析術(shù)后髕骨三維形態(tài)，使手術(shù)醫(yī)師能在術(shù)前全面了解患者的髕骨特征，實(shí)施“個性化”截骨；此外，本發(fā)明測得的髕骨三維參數(shù)還可用于制作髕骨假體。
【專利說明】一種髕骨截骨三維測量方法及系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于醫(yī)學(xué)影像的三維測量及術(shù)前規(guī)劃技術(shù)，更具體地說，涉及一種髕骨截骨三維測量方法及系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]髕骨為人體中最大的籽骨，全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中需要對髕骨從關(guān)節(jié)面處進(jìn)行截骨處理，保留前皮質(zhì)部分，該處理直接關(guān)系到術(shù)后臨床功能的好壞，影響患者的滿意度。精確的手術(shù)操作可在一定程度上減少并發(fā)癥的發(fā)生。由于每個人的髕骨形狀并不相同，如果手術(shù)醫(yī)師能在術(shù)前全面了解患者的髕骨形態(tài)，獲得準(zhǔn)確的相關(guān)解剖學(xué)指標(biāo)，例如測量出術(shù)前髕骨寬度、長度、厚度，髕骨關(guān)節(jié)面寬度、長度及中央嵴位置等三維參數(shù)，并提前掌握截骨后剩余髕骨的厚度，截骨面的寬度及長度等三維參數(shù)，將為術(shù)中髕骨截骨的量化提供可靠的參考指標(biāo)；同時，也可為髕骨假體設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
[0003]然而，髕骨形狀并不規(guī)則，缺乏可靠的測量參考解剖標(biāo)志。目前國內(nèi)外研宄中，大多采用在二維X線片或尸體解剖標(biāo)本進(jìn)行實(shí)體測量，其測量準(zhǔn)確性受到多種因素的影響。盡管，少部分學(xué)者對髕骨三維形態(tài)測量進(jìn)行了嘗試，但都未能提供一套可靠的測量方法供臨床醫(yī)師使用。因此，亟待開發(fā)一種能夠在術(shù)前對髕骨的三維參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量的方法。
[0004]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃已應(yīng)用于多個學(xué)科。該技術(shù)可以通過術(shù)前獲得的醫(yī)學(xué)影像圖像建立患者的三維立體模型，實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)圖像的“可視化”。但是，如果使用三維立體模型來實(shí)現(xiàn)髕骨參數(shù)的測量，仍然存在兩個問題需要解決。第一，目前還缺乏有效的方法來模擬髕骨截骨手術(shù)，也就無法提前測量出截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。第二，由于髕骨的形狀不規(guī)則，在測量髕骨的三維立體模型的尺寸參數(shù)時，不同操作人員選擇的坐標(biāo)系位置可能不同，也就導(dǎo)致對同一模型測量的結(jié)果存在差異性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對現(xiàn)有方法不能在髕骨截骨手術(shù)前對髕骨的三維參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量的缺陷，提供一種髕骨截骨三維測量方法及系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:構(gòu)造一種髕骨截骨三維測量方法，包括以下步驟:
[0007]S1、基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型；
[0008]S2、通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，并基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置形成新坐標(biāo)系，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)測量髕骨的三維參數(shù)；
[0009]S3、采用計(jì)算機(jī)輔助虛擬技術(shù)，模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨；
[0010]S4、測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。
[0011]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量方法中，所述步驟SI具體為:通過醫(yī)學(xué)影像軟件導(dǎo)入以DICOM格式保存的患者膝關(guān)節(jié)CT/MRI斷層掃描圖像，根據(jù)骨與軟組織具有不同灰度值的特征，進(jìn)行圖像分割和修補(bǔ)，計(jì)算獲得髕骨三維數(shù)字化模型，并保存為PLY格式。
[0012]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量方法中，所述步驟S2具體包括:
[0013]S21、通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，根據(jù)最小二乘法原理擬合第一平面，并在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線；
[0014]S22、基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置，使XY平面與所述第一平面對齊，Y軸與所述第一直線對齊，以形成新坐標(biāo)系；
[0015]S23、以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)通過約束框工具測量髕骨的三維參數(shù)。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量方法中，所述步驟S3具體包括:通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，將生成的平行于所述第一平面的虛擬截骨平面沿Z軸平行移動至髕骨的外側(cè)關(guān)節(jié)面最低點(diǎn)處，以模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨后封閉截骨面。
[0017]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量方法中，所述步驟S4具體包括:通過逆向工程軟件的約束框工具測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)，包括剩余髕骨厚度，截骨面的寬度及長度。
[0018]本發(fā)明還相應(yīng)提供了一種髕骨截骨三維測量系統(tǒng)，包括:
[0019]模型建立模塊，用于基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型；
[0020]坐標(biāo)修正模塊，用于通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，并基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置形成新坐標(biāo)系，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)測量髕骨的三維參數(shù)；
[0021]虛擬截骨模塊，用于采用計(jì)算機(jī)輔助虛擬技術(shù)，模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨；
[0022]截骨參數(shù)測量模塊，用于測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。
[0023]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)中，所述模型建立模塊通過以下方式基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型:通過醫(yī)學(xué)影像軟件導(dǎo)入以DICOM格式保存的患者膝關(guān)節(jié)CT/MRI斷層掃描圖像，根據(jù)骨與軟組織具有不同灰度值的特征，進(jìn)行圖像分割和修補(bǔ)，計(jì)算獲得髕骨三維數(shù)字化模型，并保存為PLY格式。
[0024]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)中，所述坐標(biāo)修正模塊具體包括:
[0025]特征選擇單元，用于通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，根據(jù)最小二乘法原理擬合第一平面，并在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線；
[0026]坐標(biāo)調(diào)整單元，用于基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置，使XY平面與所述第一平面對齊，Y軸與所述第一直線對齊，以形成新坐標(biāo)系；
[0027]髕骨參數(shù)測量單元，用于以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)通過約束框工具測量髕骨的三維參數(shù)。
[0028]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)中，所述虛擬截骨模塊通過以下方式對髕骨進(jìn)行虛擬截骨:通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，將生成的平行于所述第一平面的虛擬截骨平面沿Z軸平行移動至髕骨的外側(cè)關(guān)節(jié)面最低點(diǎn)處，以模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨后封閉截骨面。
[0029]在根據(jù)本發(fā)明所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)中，所述截骨參數(shù)測量模塊通過逆向工程軟件的約束框工具測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)，包括剩余髕骨厚度，截骨面的寬度及長度。
[0030]實(shí)施本發(fā)明的髕骨截骨三維測量方法和系統(tǒng)，具有以下有益效果:
[0031]1、本發(fā)明利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)提供了一種測量髕骨三維參數(shù)及進(jìn)行虛擬截骨的技術(shù)方案，能夠?qū)x骨三維形態(tài)進(jìn)行定量分析，并能夠通過虛擬手術(shù)準(zhǔn)確分析術(shù)后髕骨三維形態(tài)，使得手術(shù)醫(yī)師能在術(shù)前全面了解該名患者的髕骨形態(tài)，實(shí)施“個性化”截骨，有助于提尚術(shù)后臨床效果；
[0032]2、本發(fā)明獲得的髕骨虛擬截骨手術(shù)前后的三維數(shù)據(jù)還可以用來制作髕骨假體，尤其可根據(jù)當(dāng)前患者的髕骨參數(shù)來定制假體參數(shù)，提高手術(shù)中假體的匹配度；
[0033]3、針對髕骨的不規(guī)則特性，本發(fā)明基于髕骨的特征對坐標(biāo)系位置進(jìn)行了調(diào)整，使測量出的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，將過程中主觀性操作對結(jié)果的影響降到最小，保障了測量結(jié)果的一致性，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)檢驗(yàn)證明該測量方法不同觀察者間(ICC值0.80?0.99)及同一觀察者間(ICC值0.86?0.98)的測量一致性較高，可推廣使用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0035]圖1為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的髕骨截骨三維測量方法的流程圖；
[0036]圖2為通過逆向工程軟件導(dǎo)入的髕骨三維數(shù)字化模型示意圖；
[0037]圖3為通過逆向工程軟件模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)的示意圖；
[0038]圖4為根據(jù)本發(fā)明的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)的模塊示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0039]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0040]本發(fā)明的髕骨截骨三維測量方法是指通過計(jì)算機(jī)手段，測量出術(shù)前髕骨的三維參數(shù)，例如髕骨寬度、長度、厚度，髕骨關(guān)節(jié)面寬度、長度及中央嵴位置等三維參數(shù)，同時通過計(jì)算機(jī)虛擬手段模擬髕骨截骨手術(shù)，確定截骨面位置，并對剩余髕骨的厚度，截骨面的寬度及長度等三維參數(shù)進(jìn)行測量。
[0041]請參閱圖1，為根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的髕骨截骨三維測量方法的流程圖。如圖1所示，該實(shí)施例提供的髕骨截骨三維測量方法包括以下步驟:
[0042]1、在步驟SI中，基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型。
[0043]具體地，本發(fā)明需要預(yù)先獲取患者膝關(guān)節(jié)CT/MRI斷層掃描圖像。隨后，通過醫(yī)學(xué)影像軟件導(dǎo)入該CT/MRI斷層掃描圖像，根據(jù)骨與軟組織具有不同灰度值的特征，進(jìn)行圖像分割和修補(bǔ)，計(jì)算獲得髕骨三維數(shù)字化模型，并存儲備用。本發(fā)明中所采用的醫(yī)學(xué)影像軟件可以為Mimics 17.0或者其它同類型軟件。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，基于醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics 17.0實(shí)現(xiàn)該步驟，因此預(yù)先將獲取的患者膝關(guān)節(jié)CT/MRI斷層掃描圖像以DICOM格式保存，隨后將其導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics 17.0中，進(jìn)行三維重建后獲得髕骨三維數(shù)字化模型，以PLY格式存儲備用。
[0044]2、在步驟S2中，通過逆向工程軟件導(dǎo)入髕骨三維數(shù)字化模型，并基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置，建立新坐標(biāo)系，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)測量髕骨的三維參數(shù)。
[0045]本發(fā)明中所采用的逆向工程軟件可以為Geomagic Stud1 2014或者其它同類型軟件。如圖2所示為通過逆向工程軟件Geomagic Stud1 2014導(dǎo)入的髕骨三維數(shù)字化模型示意圖。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，基于Geomagic Stud12014來實(shí)現(xiàn)該步驟，基于髕骨特征來調(diào)整坐標(biāo)系位置，使測得的三維參數(shù)更符合髕骨的形態(tài)特征。該髕骨的三維參數(shù)包括髕骨寬度、長度、厚度，髕骨關(guān)節(jié)面寬度、長度及中央嵴位置等三維參數(shù)。
[0046]3、在步驟S3中，采用計(jì)算機(jī)輔助虛擬技術(shù)，模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨。圖3為通過逆向工程軟件模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)的示意圖。具體地，可以通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，以生成的該特征平面代表虛擬截骨平面，移動至髕骨截骨手術(shù)中需要截取的位置，即髕骨關(guān)節(jié)面的位置，在剪裁完畢后封閉截骨面，以實(shí)現(xiàn)虛擬截骨。圖3中陰影表示的上部為從髕骨關(guān)節(jié)面處截掉的髕骨部分，下部為剩余的髕骨部分。
[0047]4、在步驟S4中，測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。以逆向工程軟件GeomagicStud1 2014為例，可以通過逆向工程軟件的約束框工具(bonding box)測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)，包括剩余髕骨厚度，截骨面的寬度及長度。
[0048]本發(fā)明的髕骨截骨三維測量方法，利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)提供了一種測量髕骨三維參數(shù)及進(jìn)行虛擬截骨的技術(shù)方案，能夠通過術(shù)前獲得的醫(yī)學(xué)影像圖像建立患者的三維立體模型，通過逆向工程軟件在三維模型上進(jìn)行形態(tài)測量和虛擬髕骨截骨，從而可以測量出術(shù)前髕骨的三維參數(shù)，同時利用逆向工程軟件的剪裁工具根據(jù)特征平面剪裁，實(shí)現(xiàn)虛擬截骨，并測量出截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。因此，手術(shù)醫(yī)師能在術(shù)前全面了解該名患者的髕骨形態(tài)，通過虛擬術(shù)中截骨操作，實(shí)施“個性化”截骨，得到截骨后剩余髕骨的形態(tài)學(xué)指標(biāo)，將有助于提高術(shù)后臨床效果。此外，還可以利用本發(fā)明獲得的髕骨虛擬截骨手術(shù)前后的三維數(shù)據(jù)來制作髕骨假體，尤其可根據(jù)當(dāng)前患者的髕骨參數(shù)來定制假體參數(shù)，提高手術(shù)中假體的匹配度。
[0049]本發(fā)明的另一個獨(dú)創(chuàng)之處在于基于髕骨的特征對坐標(biāo)系位置進(jìn)行了調(diào)整，使其測量出的數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，并且保障了測量結(jié)果的一致性。相應(yīng)地，在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例中，步驟S2可以進(jìn)一步包括以下步驟:
[0050](I)首先，在步驟S21中，通過逆向工程軟件導(dǎo)入髕骨三維數(shù)字化模型，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，根據(jù)最小二乘法原理擬合第一平面2，并在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線I。
[0051]具體地，可以將以PLY格式保存的髕骨三維數(shù)字化模型導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Stud1 2014，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，如圖2的不規(guī)則髕骨模型中關(guān)節(jié)面以下光滑過渡的弧面區(qū)域。本發(fā)明中可以通過計(jì)算機(jī)與用戶的交互由用戶手動選擇髕骨前皮質(zhì)表面所在的區(qū)域，也可以由計(jì)算機(jī)通過自帶的算法確定髕骨前皮質(zhì)表面所在的區(qū)域。隨后，根據(jù)最小二乘法原理，如通過逆向工程軟件自帶的最小二乘法平面擬合工具擬合出第一平面2。通過最小二乘法擬合之后，可以使得該髕骨前皮質(zhì)表面到該第一平面2的距離平方和為最小。在該步驟中，還需要在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線I。
[0052](2)隨后，在步驟S22中，基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置，使XY平面與第一平面2對齊，Y軸與第一直線I對齊，以形成新坐標(biāo)系。如圖2中，將坐標(biāo)系的位置調(diào)整為XY平面與第一平面2平行，Y軸與第一直線I平行。
[0053](3)最后，在步驟S23中，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)通過約束框工具(bonding box)測量髕骨的三維參數(shù)，包括髕骨寬度、長度、厚度，髕骨關(guān)節(jié)面寬度、長度及中央嵴位置等三維參數(shù)。
[0054]目前，在使用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)來測量物體模型的三維尺寸時，尤其是針對不規(guī)則物體時，通常由操作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)主觀地選擇坐標(biāo)系，而坐標(biāo)系位置不同將使得測量的長度、寬度和高度等數(shù)據(jù)有所不同。對于髕骨模型而言，如果由操作人員主觀選擇坐標(biāo)系，也會使得最終的髕骨三維參數(shù)測量結(jié)果存在較大的隨意性。本發(fā)明中雖然在通過選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面環(huán)節(jié)存在主觀性，即不同人員選取的髕骨前皮質(zhì)表面可能存在差別，但是本發(fā)明可以通過后續(xù)坐標(biāo)系的調(diào)整方法克服該問題，并將最后測量結(jié)果的差異降到最小。
[0055]本發(fā)明通過隨機(jī)抽取數(shù)字化骨庫中20例髕骨，由兩名獨(dú)立醫(yī)師進(jìn)行三維測量，分別獲得所建髕骨模型的寬度、長度、厚度，髕骨關(guān)節(jié)面寬度、長度及中央嵴位置及虛擬截骨后剩余髕骨的厚度，截骨面寬度、長度等參數(shù)；另外，由其中一名醫(yī)師在間隔一個月后重復(fù)測量20例髕骨的上述參數(shù)，統(tǒng)計(jì)學(xué)方法測得不同觀察者間ICC(組內(nèi)相關(guān)系數(shù))值為
0.80?0.99，同一觀察者間ICC值為0.86?0.98，由此證明本發(fā)明的測量方法測量的一致性較高，可推廣使用。
[0056]相應(yīng)地，本發(fā)明中確定虛擬截骨平面的方法也提高了虛擬截骨手術(shù)的準(zhǔn)確性。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，步驟S3中可以通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，并將生成的平行于第一平面2的虛擬截骨平面沿Z軸平行移動至髕骨的外側(cè)關(guān)節(jié)面最低點(diǎn)處，即圖3中虛擬截骨平面3?；谛伦鴺?biāo)系所確定的虛擬截骨平面3，基本上位于髕骨的關(guān)節(jié)面位置，保證了虛擬截骨手術(shù)的精準(zhǔn)度。
[0057]本發(fā)明還相應(yīng)提供了一種髕骨截骨三維測量系統(tǒng)。請參閱圖4，為根據(jù)本發(fā)明的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)的模塊示意圖。如圖4所示，該髕骨截骨三維測量系統(tǒng)100包括:模型建立模塊10、坐標(biāo)修正模塊20、虛擬截骨模塊30和截骨參數(shù)測量模塊40。
[0058]其中，模型建立模塊10用于基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型。該模型建立模塊10可以基于醫(yī)學(xué)影像軟件實(shí)現(xiàn)，包括但不限于Mimics 17.0ο具體地，預(yù)先將獲取的患者膝關(guān)節(jié)CT/MRI斷層掃描圖像以DICOM格式保存，隨后由基于醫(yī)學(xué)影像軟件Mimics 17.0的模型建立模塊10獲取并導(dǎo)入該DICOM格式文件，根據(jù)骨與軟組織具有不同灰度值的特征，進(jìn)行圖像分割和修補(bǔ)，計(jì)算獲得髕骨三維數(shù)字化模型，并以PLY格式存儲備用。
[0059]坐標(biāo)修正模塊20用于通過逆向工程軟件導(dǎo)入髕骨三維數(shù)字化模型，并基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置形成新坐標(biāo)系，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)測量髕骨的三維參數(shù)，如圖2所示。該坐標(biāo)修正模塊20可以基于逆向工程軟件實(shí)現(xiàn)，包括但不限于Geomagic Stud12014。在該步驟中測量的髕骨的三維參數(shù)包括髕骨寬度、長度、厚度，髕骨關(guān)節(jié)面寬度、長度及中央嵴位置等三維參數(shù)。
[0060]虛擬截骨模塊30用于采用計(jì)算機(jī)輔助虛擬技術(shù)，模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨。該虛擬截骨模塊30也可以基于逆向工程軟件實(shí)現(xiàn)，包括但不限于Geomagic Stud1 2014。具體地，虛擬截骨模塊30可以通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，以生成的該特征平面代表虛擬截骨平面，移動至髕骨截骨手術(shù)中需要截取的位置，即髕骨關(guān)節(jié)面的位置，在剪裁完畢后封閉截骨面，以實(shí)現(xiàn)虛擬截骨，具體如圖3所示。
[0061]截骨參數(shù)測量模塊40用于測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。該截骨參數(shù)測量模塊40也可以基于逆向工程軟件實(shí)現(xiàn)，包括但不限于Geomagic Stud1 2014。截骨參數(shù)測量模塊40可以通過逆向工程軟件的約束框工具(bonding box)測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)，包括剩余髕骨厚度，截骨面的寬度及長度。
[0062]在本發(fā)明的另一個優(yōu)選實(shí)施例中，坐標(biāo)修正模塊10具體包括:特征選擇單元、坐標(biāo)調(diào)整單元和髕骨參數(shù)測量單元。
[0063]其中特征選擇單元用于通過逆向工程軟件導(dǎo)入髕骨三維數(shù)字化模型，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，根據(jù)最小二乘法原理擬合第一平面2，并在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線I。具體地，可以將以PLY格式保存的髕骨三維數(shù)字化模型導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Stud1 2014，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，如圖2的不規(guī)則髕骨模型中關(guān)節(jié)面以下光滑過渡的弧面區(qū)域。該坐標(biāo)調(diào)整單元可以通過計(jì)算機(jī)與用戶的交互接收由用戶手動選擇的髕骨前皮質(zhì)表面數(shù)據(jù)，也可以由計(jì)算機(jī)通過自帶的算法確定髕骨前皮質(zhì)表面。隨后，根據(jù)最小二乘法原理，如通過逆向工程軟件自帶的最小二乘法平面擬合工具擬合出第一平面2。通過最小二乘法擬合之后，可以使得該髕骨前皮質(zhì)表面到該第一平面2的距離平方和為最小。特征選擇單元還可以根據(jù)用戶的輸入或者自帶的算法在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線I。
[0064]坐標(biāo)調(diào)整單元用于基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置，使XY平面與第一平面2對齊，Y軸與第一直線I對齊，以形成新坐標(biāo)系。如圖2中，將坐標(biāo)系的位置調(diào)整為XY平面與第一平面2平行，Y軸與第一直線I平行。
[0065]髕骨參數(shù)測量單元用于以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)通過約束框工具(bonding box)測量髕骨的三維參數(shù)，包括髕骨寬度、長度、厚度，髕骨關(guān)節(jié)面寬度、長度及中央嵴位置等三維參數(shù)。
[0066]相應(yīng)地，本發(fā)明中確定虛擬截骨平面的方法也提高了虛擬截骨手術(shù)的準(zhǔn)確性。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施例中，虛擬截骨模塊30可以通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，并將生成的平行于第一平面2的虛擬截骨平面沿Z軸平行移動至髕骨的外側(cè)關(guān)節(jié)面最低點(diǎn)處，即圖3中虛擬截骨平面3?；谛伦鴺?biāo)系所確定的虛擬截骨平面3，基本上位于髕骨的關(guān)節(jié)面位置，保證了虛擬截骨手術(shù)的精準(zhǔn)度。
[0067]因此，本發(fā)明的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)100可以通過軟、硬件結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)可以通過永久性計(jì)算機(jī)可讀媒介和/或存儲媒介，和/或永久性機(jī)器可讀媒介和/或存儲媒介實(shí)現(xiàn)，他們存儲的機(jī)器代碼和/或計(jì)算機(jī)程序包括至少一個代碼段，所述至少一個代碼段由機(jī)器和/或計(jì)算機(jī)執(zhí)行，從而使該機(jī)器和/或計(jì)算機(jī)執(zhí)行上述髕骨截骨三維測量的步驟。本發(fā)明還可以通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明可以以集中方式在至少一個計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，或者以分散方式由分布在幾個互連的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的不同部分實(shí)現(xiàn)。任何可以實(shí)現(xiàn)所述方法的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或其它設(shè)備都是可適用的。常用軟硬件的結(jié)合可以是安裝有計(jì)算機(jī)程序的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本發(fā)明還可以嵌入到計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)施，程序包含能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明所述的方法的全部特征，當(dāng)其安裝到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中時，可以實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些方法。
[0068]應(yīng)該理解地是，本發(fā)明的髕骨截骨三維測量方法和系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)方式相同，因此本發(fā)明中對髕骨截骨三維測量方法實(shí)施例的具體描述也適應(yīng)于本發(fā)明的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)。
[0069]本發(fā)明是根據(jù)特定實(shí)施例進(jìn)行描述的，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白在不脫離本發(fā)明范圍時，可進(jìn)行各種變化和等同替換。此外，為適應(yīng)本發(fā)明技術(shù)的特定場合或材料，可對本發(fā)明進(jìn)行諸多修改而不脫離其保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明并不限于在此公開的特定實(shí)施例，而包括所有落入到權(quán)利要求保護(hù)范圍的實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種髕骨截骨三維測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 51、基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型； 52、通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，并基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置形成新坐標(biāo)系，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)測量髕骨的三維參數(shù)； 53、采用計(jì)算機(jī)輔助虛擬技術(shù)，模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨； 54、測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的髕骨截骨三維測量方法，其特征在于，所述步驟SI具體為:通過醫(yī)學(xué)影像軟件導(dǎo)入以DICOM格式保存的患者膝關(guān)節(jié)CT/MRI斷層掃描圖像，根據(jù)骨與軟組織具有不同灰度值的特征，進(jìn)行圖像分割和修補(bǔ)，計(jì)算獲得髕骨三維數(shù)字化模型，并保存為PLY格式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的髕骨截骨三維測量方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括: 521、通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，根據(jù)最小二乘法原理擬合第一平面，并在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線； 522、基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置，使XY平面與所述第一平面對齊，Y軸與所述第一直線對齊，以形成新坐標(biāo)系； 523、以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)通過約束框工具測量髕骨的三維參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的髕骨截骨三維測量方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括:通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，將生成的平行于所述第一平面的虛擬截骨平面沿Z軸平行移動至髕骨的外側(cè)關(guān)節(jié)面最低點(diǎn)處，以模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨后封閉截骨面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的髕骨截骨三維測量方法，其特征在于，所述步驟S4具體包括:通過逆向工程軟件的約束框工具測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)，包括剩余髕骨厚度，截骨面的寬度及長度。
6.一種髕骨截骨三維測量系統(tǒng)，其特征在于，包括: 模型建立模塊，用于基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型； 坐標(biāo)修正模塊，用于通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，并基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置形成新坐標(biāo)系，以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)測量髕骨的三維參數(shù)； 虛擬截骨模塊，用于采用計(jì)算機(jī)輔助虛擬技術(shù)，模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨； 截骨參數(shù)測量模塊，用于測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)，其特征在于，所述模型建立模塊通過以下方式基于患者膝關(guān)節(jié)的醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)建立髕骨三維數(shù)字化模型:通過醫(yī)學(xué)影像軟件導(dǎo)入以DICOM格式保存的患者膝關(guān)節(jié)CT/MRI斷層掃描圖像，根據(jù)骨與軟組織具有不同灰度值的特征，進(jìn)行圖像分割和修補(bǔ)，計(jì)算獲得髕骨三維數(shù)字化模型，并保存為PLY格式。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)，其特征在于，所述坐標(biāo)修正模塊具體包括: 特征選擇單元，用于通過逆向工程軟件導(dǎo)入所述髕骨三維數(shù)字化模型，采用選擇工具選擇髕骨前皮質(zhì)表面，根據(jù)最小二乘法原理擬合第一平面，并在髕骨中央嵴處選擇兩點(diǎn)創(chuàng)建第一直線； 坐標(biāo)調(diào)整單元，用于基于髕骨特征調(diào)整坐標(biāo)系位置，使XY平面與所述第一平面對齊，Y軸與所述第一直線對齊，以形成新坐標(biāo)系； 髕骨參數(shù)測量單元，用于以該新坐標(biāo)系為基礎(chǔ)通過約束框工具測量髕骨的三維參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)，其特征在于，所述虛擬截骨模塊通過以下方式對髕骨進(jìn)行虛擬截骨:通過逆向工程軟件的剪裁工具，選擇根據(jù)特征平面剪裁，將生成的平行于所述第一平面的虛擬截骨平面沿Z軸平行移動至髕骨的外側(cè)關(guān)節(jié)面最低點(diǎn)處，以模擬全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)中髕骨截骨手術(shù)，對髕骨進(jìn)行虛擬截骨后封閉截骨面。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的髕骨截骨三維測量系統(tǒng)，其特征在于，所述截骨參數(shù)測量模塊通過逆向工程軟件的約束框工具測量虛擬截骨后剩余髕骨的三維參數(shù)，包括剩余髕骨厚度，截骨面的寬度及長度。
【文檔編號】A61B5/107GK104510474SQ201410806484
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月22日
【發(fā)明者】余家闊, 黃愛兵, 宋長輝, 羅驍, 楊永強(qiáng) 申請人:北京大學(xué)第三醫(yī)院