[发明专利]基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划系统和方法

说明书

本申请涉及一种基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划系统，其包括分割规划神经网络模块和特征提取模块，其中：所述分割规划神经网络模块根据CBCT脊椎图像计算椎弓根螺钉通道的特征点热图和CBCT脊椎图像分割图；以及所述特征提取模块根据所述特征点热图和所述CBCT脊椎图像分割图计算所述椎弓根螺钉通道的特征值，其中，所述特征值包括椎弓根螺钉通道的入点、靶点、长度和直径，所述特征点热图包括中点热图和入点热图。本申请还提供一种基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划方法。根据本申请提出的基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划方案，无需人工干预就可以自动获取对椎弓根螺钉通道的规划，速度快且效果好。

技术领域

本申请涉及骨科技术领域，尤其涉及一种基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划系统和方法。

背景技术

目前，在椎体中置入螺钉是很多脊椎手术中的关键的步骤。外科医生通常在腰椎和尾椎的椎弓根内先插入导丝确定通道，然后在拓宽的通道中置入螺钉。但是，脊椎周围遍布很多重要的神经和器官，脊椎手术有精度要求高和容错率小等特点。手术中，外科手术医生对脊椎结构的了解至关重要，一旦螺钉置入不当穿透上下椎板，误入的螺钉会造成严重的神经血管损伤，也会导致固定早期失败或假关节形成。

近年来，基于计算机辅助的手术导航系统应运而生。通过固定在病人身上的定位标志物以及CBCT(cone beam computed tomography)的术中采集的影像，可以将手术导航系统的坐标系和病人的影像坐标系统一起来，医生可以先在影像上规划通道，然后结合导航系统和手术机器人精准地置入螺钉。该方法的精度较手动操作大大提高。螺钉通道规划的定义如图1所示，螺钉可以由入点坐标，靶点坐标，以及螺钉的长度和直径决定，中点坐标亦可以作为辅助信息。

然而，传统方法需要人工标注脊椎中心。椎体配准方法-主动形状模型(activeshape model)的成功依赖于一个好的初始点，因此需要医生标注每个椎体的中心。这不仅增加了医生的负担，还依赖于医生的经验。一旦初始点选择有偏差，会导致椎体配准失败，进而导致后续通道规划的失败。

另外，传统算法对于椎体变异的情况鲁棒性差。传统算法的通道规划依赖于通道的模版，而通道模版的制作往往只考虑了正常的椎体结构。而在进行脊椎手术的病人中，椎体的变异程度大，骨质增生的情况比较多见。这些突出的边缘结构会使通道模版的标准点集转换回影像空间时发生扭曲，进而导致拟合出的通道规划出现角度偏差。

所以，目前的脊椎手术的规划需要医生手动进行，很依赖于医生的经验，智能化水平低。同时，CBCT图像的质量低，医生需要在每一层的2D切片上去检查规划通道是否肯可行，工作量大，自动化水平低。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供了一种基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划系统和方法，通过采用神经网络技术，根据一组术中CBCT图像和相应的通道规划标注数据进行训练，训练完成后，对于后续的测试可以无需人工干预自动进行，且获得螺钉通道规划的速度快，效果好。

根据本申请的一方面，提供一种基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划系统，其包括分割规划神经网络模块和特征提取模块，其中：

所述分割规划神经网络模块用于根据CBCT脊椎图像计算椎弓根螺钉通道的特征点热图和CBCT脊椎图像分割图；以及

所述特征提取模块用于根据所述特征点热图和所述CBCT脊椎图像分割图计算所述椎弓根螺钉通道的特征值，其中，所述特征值包括椎弓根螺钉通道的入点、靶点、长度和直径，所述特征点热图包括中点热图和入点热图。

根据本申请的另一个方面，提供一种基于CBCT脊椎图像的椎弓根螺钉通道自动规划方法，其包括：

通过分割规划神经网络模块根据CBCT脊椎图像计算椎弓根螺钉通道的特征点热图和CBCT脊椎图像分割图；以及