[发明专利]一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系统

说明书

本发明公开一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系统。该系统包括医学图像处理模块，用于从下肢骨折图像中分割出近端骨和远端骨，并重建出断骨三维表面模型；手术规划模块，用于对所述断骨三维表面模型进行点云采样，获得对应的点云模型；从所述点云模型中提取骨折断面；通过对所述骨折断面进行点云配准，得到远端骨初始位置与其复位后目标位置的坐标变换矩阵；基于所述坐标变换矩阵，进行骨折复位路径规划，该骨折复位路径规划用于指引在保持近端骨固定情况下对远端骨进行平移旋转得到远端骨目标位置；导航模块，用于可视化显示基于所述骨折复位路径规划进行手术的过程。本发明能够提高复位精度、降低复位力，减少患者骨折处肌肉等软组织损伤。

技术领域

本发明涉及计算机辅助医疗技术领域，更具体地，涉及一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系统。

背景技术

基于医学图像的手术导航是指利用术前或术中获得的患者医学影像和计算机图形学以及其他的传感器设备，完成对患者虚拟图像的重建、对手术的规划、跟踪手术执行等一系列流程的技术。得益于CT和MRI等医学图像在临床的大规模使用以及现代个人计算机储存模式的进步，计算机手术规划导航系统目前已经得到了巨大的发展和应用。

麻省理工人工智能实验室Pieper等人开发的一款用于临床医学的手术导航开源软件系统整合了读写各种文件格式的医学图像、操作2D和3D图像系统等功能，使得该系统可以针对手术进行相应的二次开发就能得到自动注册、三维重建、手术图像引导等一系列功能的手术导航软件系统。

目前，下肢骨折复位在临床上通常由专业的医生凭借经验亲手完成，在没有导航系统辅助的情况下由于无法检测复位路径上的障碍物，医生通常会采用“反复尝试”的方法，费时费力。为了避免复位时发生骨间碰撞，医生会进行一定量的轴向拉伸，这会使得下肢产生相应的力，克服这些力会给已经受损的周围软组织增加更多压力，同时也需要外科医生更多的体力消耗，也会使其更加难以完成对断骨所需的移动。现有技术中，针对下肢骨折复位手术规划的导航系统很少，而能够解决以上临床问题的规划导航系统更是处于空缺状态。

针对手术规划导航系统，一部分面向骨科手术的手术规划系统已经投入临床使用，特别是在一些关节置换类手术上，通过术前医学图像分析和模拟手术进行效果来帮助医生完成手术路径规划或是置换部件的选择。但是面向骨折复位手术的规划系统仍然较少，由于下肢骨折情况的多样性以及复位操作难度较大，大部分仍然是依靠医生的经验判断完成手术。

针对于下肢骨折复位规划方面，一部分研究采用了利用对侧骨生成镜像的医学图像，并通过固定端(近端骨)配准以完成移动端(远端骨)目标位置的预测，进而完成复位规划，但这种方案存在人体左右不完全对称、对侧骨也发生了骨折等特殊情况对规划结果的影响。另外一种方案采用多组健康骨骼得到的统计学模型建立相应的模板骨骼模型，进而完成复位规划，但这种方案对健康骨骼数据的数量和质量都存在强依赖，对于特殊的个体情况，规划结果的准确性和稳定性都会受很大影响。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系统。该系统包括医学图像处理模块、手术规划模块和导航模块，其中：

所述医学图像处理模块用于从下肢骨折图像中分割出近端骨和远端骨，并重建出断骨三维表面模型，包含远端骨三维表面模型和近端骨三维表面模型；

所述手术规划模块用于：对所述断骨三维表面模型进行点云采样，获得对应的点云模型；从所述点云模型中提取骨折断面；通过对所述骨折断面进行点云配准，得到远端骨初始位置与其复位后目标位置的坐标变换矩阵；基于所述坐标变换矩阵，进行骨折复位路径规划，该骨折复位路径规划用于指引在保持近端骨固定情况下对远端骨进行平移旋转得到远端骨目标位置；

所述导航模块用于可视化显示基于所述骨折复位路径规划进行手术的过程。