一种交互式模拟骨折复位的方法与流程

本发明涉及计算机辅助医疗技术领域，更具体的说，涉及一种交互式模拟骨折复位的方法。

背景技术：

骨骼的伤病是人体常见疾病，骨科的伤病治疗包括创伤治疗和人造骨体置换。

骨科疾病治疗中经常需要进行骨折复位，每一例骨科治疗案例中，患者的具体的状况差异较大，这些状况包括受伤情况，疾病情况，基础体质，经济条件，器械选择以及年龄和性别。这些具体状况对于每个患者差异很大，因此，骨科治疗通常不存在一般意义上适用所有患者的唯一最佳复位方案，只存在针对不同患者具体状况的个体最优复位方案。

现代医疗在骨科方向有了很多进展，骨科的伤病治疗几乎百分之百需要医学影像作为治疗的先决条件。

一般而言，多数治疗大夫的主要时间用于治疗方案确定和具体诊疗过程，在医学图形图像处理技术上并非专家。治疗手段需要针对患者当前的身体图像进行虚拟骨折复位，虚拟复位能够协助医生预先准确测量骨骼空间位置关系，演练复位情况。

目前，对骨折复位并没有现成的仿真模拟方法，医学影像难以给医生直观有效的协助。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种交互式模拟骨折复位的方法，解决现有技术中医学影像难以直观有效的仿真模拟骨折复位的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种交互式模拟骨折复位的方法，包括以下步骤：

s1、扫描并构建骨折体三维模型；

s2、选择骨折体三维模型中的一部分骨折体为基准骨折体，另一部分骨折体为待复位骨折体；

s3、在基准骨折体选取不少于三个基准点生成基准定位面；

s4、根据基准定位面的基准点，通过配准算法生成待复位骨折体的对应基准点，确定对应的待复位定位面；

s5、根据基准定位面与待复位定位面的相对位置关系，形成复位评价参数，调节待复位骨折体的相对位置，直至复位评价参数满足预设阈值，实现骨折体三维模型的复位。

在一实施例中，所述步骤s3，进一步包括以下步骤：

s31、在基准骨折体的骨折面轮廓线上，选取距离较远且不共线的三个基准点；

s32、将基准点连接形成基准定位面，用于绑定表征基准骨折体。

在一实施例中，所述步骤s4的配准算法，为迭代最近点算法，进一步包括以下步骤：

将基准骨折体的骨折面的外轮廓点云集合p，与待复位骨折体的骨折面的外轮廓点云集合g进行最近点距离的最小二乘法迭代计算，得到配准位移矩阵m；

将基准骨折体的三个基准点，通过叉乘配准位移矩阵m，得到待复位骨折体的对应的三个待复位基准点。

在一实施例中，所述步骤s5的复位评价参数，包括第一复位指标，为直线待复位距离：

所述直线待复位距离，为基准定位面和待复位定位面的中心点的连线距离。

在一实施例中，所述步骤s5中，调节待复位骨折体的相对位置，直至复位评价参数满足预设阈值，进一步包括以下步骤：

通过连接基准定位面和待复位定位面的中心点的向量，使待复位骨折体沿此向量进行移动，调节第一复位指标的大小，直至第一复位指标满足预设阈值。

在一实施例中，所述步骤s5的复位评价参数，包括第一综合复位评价指标mk1，公式如下：

当id1≥tola1时，

当tola1＞id1≥tolb1时，

当tolb1＞id1时，

其中，id1为第一复位指标，tola1为第一复位指标的合格容差限值，tolb1为第一复位指标的良好容差限值。

在一实施例中，所述步骤s5的复位评价参数，包括第二复位指标，为轴向待复位角度：

所述轴向待复位角度，为基准定位面的法线与待复位定位面的法线形成的夹角。

在一实施例中，所述步骤s5中，调节待复位骨折体的相对位置，直至复位评价参数满足预设阈值，进一步包括以下步骤：

通过待复位定位面的法线的向量和基准定位面的法线的向量，用叉乘法计算共同的垂向量；

过待复位定位面的中心点做平行于垂向量的平行线；

待复位骨折体以此平行线为旋转轴，调节第二复位指标的大小，直至第二复位指标满足预设阈值。

在一实施例中，所述步骤s5的复位评价参数，包括第二综合复位评价指标mk2，公式如下：

当id2≥tola2时，

当tola2＞id2≥tolb2时，

当tolb2＞id2时，

其中，id2为第二复位指标，tola2为第二复位指标的合格容差限值，tolb2为第二复位指标的良好容差限值。

在一实施例中，所述步骤s5的复位评价参数，包括第三复位指标，为周向待复位角度：

所述周向待复位角度，为基准定位面和待复位定位面的中心点到对应顶点的连线所形成的夹角。

在一实施例中，步骤s5中，调节待复位骨折体的相对位置，直至复位评价参数满足预设阈值，进一步包括以下步骤：

通过基准定位面和待复位定位面的中心点到对应顶点的连线的向量，用叉乘法计算共同的垂向量；

过待复位定位面的中心点做平行于垂向量的平行线；

将待复位骨折体以此平行线为旋转轴，调节第三复位指标的大小，直至第三复位指标满足预设阈值。

在一实施例中，所述步骤s5的复位评价参数，包括第三综合复位评价指标mk3，公式如下：

当id3≥tola3时：

当tola3＞id3≥tolb3时：

当tolb3＞id3时：

其中，id3为第三复位指标，tola3为第三复位指标的合格容差限值，tolb3为第三复位指标的良好容差限值。

本发明提供的交互式模拟骨折复位方法，使用尽量符合医生的物理直觉和医学传统的方式，提供直观的骨科空间方位(距离和方向)表示方法，通过简便的交互操作以及合理的复位评价参数标准，协助医生更快地模拟骨折体复位。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了根据本发明一实施例的交互式模拟骨折复位方法的流程图；

图2揭示了根据本发明一实施例的第一复位指标的示意图；

图3揭示了根据本发明一实施例的第二复位指标的示意图；

图4揭示了根据本发明一实施例的第三复位指标的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，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用以解释发明，并不用于限定发明。

为了使医生可以快速便捷的进行术前准备，本发明提出了一种交互式计算机模拟骨折复位的方法，可以用于虚拟骨折复位，也可以用于植入物放置和导板配置等其他相关骨科治疗。

图1揭示了根据本发明一实施例的交互式模拟骨折复位方法的流程图，如图1所示，本发明提出的一种交互式模拟骨折复位方法，包括以下步骤：

s1、扫描并构建骨折体三维模型；

s2、选择骨折体三维模型中的一部分骨折体为基准骨折体，另一部分骨折体为待复位骨折体；

s3、在基准骨折体选取不少于三个基准点生成基准定位面；

s4、根据基准定位面的基准点，通过配准算法生成待复位骨折体的对应基准点，确定对应的待复位定位面；

s5、根据基准定位面与待复位定位面的相对位置关系，形成复位评价参数，调节待复位骨折体的相对位置，直至复位评价参数满足预设阈值，实现骨折体三维模型的复位。

下面对每一步进行详细的说明。

s1、扫描并构建骨折体三维模型。

将ct断层扫描得到的图像进行滤波和区域分割，根据灰度阈值等特征参数提取出待修复骨折体的骨骼轮廓，并进行去噪和光滑处理，构建骨折体三维模型。

s2、选择骨折体三维模型中的一部分骨折体为基准骨折体，另一部分骨折体为待复位骨折体。

较佳的，选取体积较大的骨折体为基准骨折体，选择另一较小的骨折体作为待复位骨折体。

s3、在基准骨折体选取不少于三个基准点生成基准定位面。

在基准骨折体的骨折面轮廓线上，选取距离较远且不共线的三个基准点a，b，c。

将三个基准点形成三角形abc，三角形abc作为基准定位面，用于绑定基准骨折体，并用来表征基准骨折体。

s4、根据基准定位面的基准点，通过配准算法生成待复位骨折体的对应基准点，确定对应的待复位定位面。

使用配准算法将两个骨折断面进行配准，得到待复位骨折体的骨折断面上与a，b，c对应的三点a，b，c。

将a，b，c三个基准点的坐标，乘以配准位移矩阵，分别得到待复位骨折体的对应的三个基准点a，b，c。

a，b，c三个基准点形成三角形abc，三角形abc作为待复位定位面，用于绑定待复位骨折体，并且用来表征待复位骨折体。

本实施例中，配准算法为icp(iterativeclosestpoints，迭代最近点)算法。

icp算法，是一种广泛使用的点云匹配方法，是求解两个点云集合转换关系的常用方法。icp配准的目的是将具有相似几何关系的两个点集通过对点集的整体缩放旋转平移，移动到尽可能相近或相同的位置。

icp算法本质上是基于最小二乘法的最优配准方法。该算法重复进行选择对应关系最近点对，计算最优刚体变换，直到满足正确配准的收敛精度要求。

在本实施例中，配准位移矩阵通过以下方法计算得到：

基准骨折体的骨折面的外轮廓线和待复位骨折体上骨折面的外轮廓线，进行icp算法配准，得到配准位移矩阵。

假设基准骨折体的骨折面的外轮廓线的点云数据集合p和待复位骨折体上骨折面的外轮廓线的点云数据集合g，同时假设两组点云数据集合存在局部几何特征相似的部分，集合p可以通过叉乘一个配准位移矩阵，进行旋转和平移变换到集合g。

在本实施例中，配准位移矩阵大小为4×4。配准位移矩阵为m。

对于每次旋转平移变换后，计算集合p的所有采样点到集合g对应最近点距离，用最小二乘法求方差得出最小二乘误差值；

判断最小二乘误差值是否满足设定条件；

所述设定条件为最小二乘误差值小于设定阈值，或迭代次数达到上限，或每次重新迭代后最小二乘误差总在一个很小的范围内不再发生变化，如果最小二乘误差值满足设定条件，则迭代计算结束，否则继续进行迭代。

最后，得到的4×4矩阵为配准位移矩阵m。

s5、根据基准定位面与待复位定位面的相对位置关系，形成复位评价参数，调节待复位骨折体的相对位置，直至复位评价参数满足预设阈值，实现骨折体三维模型的复位。

本实施例中，复位评价参数，根据基准定位面与待复位定位面的相对位置(距离和方向)关系形成，进一步包括第一复位指标id1、第二复位指标id2和第三复位指标id3。三个指标没有主次之分，复位顺序也没有先后之分。

计算特定坐标系下的复位评价参数，使待复位骨折体在特定坐标系下移动；

在特定坐标系下，使三个复位指标逐步减少达到预设阈值，实现所需的骨折位置复位。

在本实施例中，第一复位指标id1、第二复位指标id2或第三复位指标id3的预设阈值，进一步包括合格容差限制和良好容差限值。

更进一步的，所述步骤s5的骨折复位调节方法，进一步包括以下步骤：

定义特定的键盘或者按钮命令，使得用户的骨折复位操作分别单次独立沿着第一复位指标id1、第二复位指标id2或者第三复位指标id3增大或者缩小的方向进行移动和旋转；

在移动和旋转时，实时显示第一复位指标id1、第二复位指标id2和第三复位指标id3的数值；

调节位置使得第一复位指标id1、第二复位指标id2或第三复位指标id3逐渐减小；

当第一复位指标id1、第二复位指标id2或第三复位指标id3小于其对应的合格容差限制或者良好容差限值时，使用高亮数值或其他方式进行提醒；

骨折模型复位完成。

本实施例中，所述合格容差限值，为骨折复位状况为合格状态的容差限值。

所述良好容差限值，为骨折复位状况为良好状态的容差限值，其数值小于合格容差限值。

当复位指标小于对应的合格容差限值时，并且大于对应的良好容差限值时，骨折复位状况为合格状态。

当复位指标小于对应的良好容差限值时，骨折复位情况为良好状态。

下面通过图2-4，分别说明各个复位评价参数以及对应的调节方法。

图2-4分别揭示了根据本发明一实施例的第一复位指标、第二复位指标和第三复位指标的示意图，如图2-4所示，长圆柱代表基准骨折体，短圆柱为待复位骨折体。

a、b、c点为基准骨折体的骨折面上选取得三点，并形成了面abc代表基准骨折面，通过a，b，c三点坐标信息，计算得到基准定位面三角形abc的的第一中心点x的坐标。

更进一步的，在本实施例中，三角形abc的中心点x的坐标公式为：

ux＝(ua+ub+uc)/3；

vx＝(va+vb+vc)/3；

wx＝(wa+wb+wc)/3；

其中，(ux，vx，wx)为中心点x的坐标，(ua，va，wa)为a点坐标，(ub，vb，wb)为b点坐标，(uc，vc，wc)为c点坐标。

a、b、c点为待复位骨折体的骨折面上，与面abc配准得到的对应三点，面abc代表待复位骨折面，通过a，b，c三点坐标信息，计算得到待复位定位面三角形abc的第二中心点x的坐标。

更进一步的，在本实施例中，三角形abc的中心点x的坐标公式为：

ux＝(ua+ub+uc)/3；

vx＝(va+vb+vc)/3；

wx＝(wa+wb+wc)/3；

其中，(ux，vx，wx)为中心点x的坐标，(ua，va，wa)为a点坐标，(ub，vb，wb)为b点坐标，(uc，vc，wc)为c点坐标。

第一复位指标id1为直线待复位距离，其定义方法如图2所示。

图2揭示了根据本发明一实施例的第一复位指标的示意图，如图2所示的第一复位指标id1，为连接第一中心点x和第二中心点x得到的线段。

的长度为直线待复位距离，定义为第一复位指标id1。

根据第一复位指标id1进行调节待复位骨折体的相对位置，进一步包括以下步骤：

通过计算基准定位面和待复位定位面的中心点的向量的长度，使待复位骨折体沿此向量进行移动，调节第一复位指标id1的大小，直至第一复位指标满足合格容差限值或良好容差限值。

第二复位指标id2为轴向待复位角度，其定义方法如图3所示。

图3揭示了根据本发明一实施例的第二复位指标的示意图，如图3所示的第二复位指标id2，为基准定位面的法线f与待复位定位面法线f形成的夹角为轴向待复位角度。

根据基准定位面abc的任意两边的向量利用向量叉乘法求出基准定位面的法向量，过基准定位面的中心点x做与法向量方向平行的直线，作为基准定位面abc的法线f。线p为法线f的平行线。

根据待复位定位面abc的任意两边的向量利用向量叉乘法求出待复位定位面的法向量，过待复位定位面的中心点x做与待复位定位面法向量方向平行的直线，作为待复位定位面abc的法线f。线q为法线f的平行线。

在图3中，线p和线q的夹角角度等于法线f和法线f的夹角角度，也就是第二复位指标id2。

根据第二复位指标id2进行调节待复位骨折体的相对位置，进一步包括以下步骤：

通过待复位定位面的法线f的向量和基准定位面的法线f的向量用叉乘法计算共同的垂向量

过待复位定位面的中心点x做平行于垂向量的平行线；

待复位骨折体以此平行线为旋转轴，调节第二复位指标id2的大小，直至第二复位指标满足合格容差限值或良好容差限值。

第三复位指标id3为周向待复位角度，其定义方法如图4所示。

图4揭示了根据本发明一实施例的第三复位指标的示意图，如图4所示的第三复位指标id3，为周向待复位角度，即连线和连线的夹角。

在基准定位面abc上连接第一中心点x与对应顶点a，得到连线

在待复位定位面abc上连接第二中心点x与对应顶点a，得到连线

线k为线的平行线，线j为线的平行线。

在图4中，线k和线j的夹角角度等于线与线的夹角角度，也就是第三复位指标id3。

根据第三复位指标id3进行调节待复位骨折体的相对位置，进一步包括以下步骤：

通过基准定位面和待复位定位面的中心点到对应顶点的连线的向量和用叉乘法计算共同的垂向量

过待复位定位面的中心点x做平行于垂向量的平行线；

待复位骨折体以此平行线为旋转轴，调节第三复位指标id3的大小，直至第三复位指标满足合格容差限值或良好容差限值。

对三个复位指标分别设置对应的合格容差限值和良好容差限值：

第一复位指标id1的合格容差限值tola1，良好容差限值tolb1；

第二复位指标id2的合格容差限值tola2，良好容差限值tolb2；

第三复位指标id3的合格容差限值tola3，良好容差限值tolb3。

由于人体骨骼的大小尺寸差别极大，一般来说对于同一类型的骨骼，应该具有相近的容差限值，但是对于不同的骨骼，合格容差限值和良好容差限值可以有所调整。

可选的，合格容差限值和良好容差限值，由根据使用者经验或者统计数据标定来制定。

作为较佳实施例，对第一复位指标id1、第二复位指标id2和第三复位指标id3：

对应的合格容差限值，预设值分别为：tola1＝1mm，tola2＝1度，tola3＝1度；

对应的良好容差限值，预设值分别为：tolb1＝0.2mm，tolb2＝0.2度，tolb3＝0.2度。

上述三个复位指标作为复位评价参数，对不同位置的骨折的统一评价精度有差别。实际骨折复位时，绝大多数骨折无法达到解剖复位所要求的精度。按照手术方式分为切开复位和闭合牵引复位的复位方法和精度，需要根据患者伤病、体质和治疗情况决定。比如上肢骨折即使达不到解剖复位精度，也通常使用闭合复位。绝大部分情况下三个复位指标不可能同时为0。

更进一步的，本实施例中，复位评价参数进一步包括综合复位评价指标，综合复位评价指标根据复位指标计算得到，可以提醒使用者骨折复位的评价，从而可以对所有骨科治疗进行统一的复位精度评价。

综合复位评价指标是分别将三个复位指标进行综合计算得到的综合评价，其对应的预设阈值同样可以由根据使用者经验或者统计数据标定来制定。

第一复位指标id1对应的第一综合复位评价指标mk1，公式如下：

当id1≥tola1时，

当tola1＞id1≥tolb1时，

当tolb1＞id1时，

其中，id1为第一复位指标，tola1为第一复位指标的合格容差限值，tolb1为第一复位指标的良好容差限值。

第二复位指标id2对应的第二综合复位评价指标mk2，公式如下：

当id2≥tola2时，

当tola2＞id2≥tolb2时，

当tolb2＞id2时，

其中，id2为第二复位指标，tola2为第二复位指标的合格容差限值，tolb2为第二复位指标的良好容差限值。

第三复位指标id3对应的第三综合复位评价指标mk3，公式如下：

当id3≥tola3时，

当tola3＞id3≥tolb3时，

当tolb3＞id3时，

其中，id3为第三复位指标，tola3为第三复位指标的合格容差限值，tolb3为第三复位指标的良好容差限值。

本发明提供的交互式模拟骨折复位方法，使用尽量符合医生的物理直觉和医学传统的方式，提供直观的骨科空间方位(距离和方向)表示方法，通过简便的交互操作以及合理的复位评价参数标准，协助医生更快地模拟骨折体复位。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

上述实施例是提供给熟悉本领域内的人员来实现或使用本发明的，熟悉本领域的人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。