一种髌骨截骨三维测量方法及系统

摘要

本发明提供了一种髌骨截骨三维测量方法及系统，其中方法包括以下步骤：S1.基于患者膝关节的医学影像数据建立髌骨三维数字化模型；S2.通过逆向工程软件导入所述髌骨三维数字化模型，并基于髌骨特征调整坐标系位置形成新坐标系，以该新坐标系为基础测量髌骨的三维参数；S3.采用计算机辅助虚拟技术，模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨；S4.测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数。本发明能够对髌骨三维形态进行定量分析，并通过虚拟手术准确分析术后髌骨三维形态，使手术医师能在术前全面了解患者的髌骨特征，实施“个性化”截骨；此外，本发明测得的髌骨三维参数还可用于制作髌骨假体。

说明书

技术领域

本发明涉及基于医学影像的三维测量及术前规划技术，更具体地说，涉及一种髌骨截骨三维测量方法及系统。

背景技术

髌骨为人体中最大的籽骨，全膝关节置换术中需要对髌骨从关节面处进行截骨处理，保留前皮质部分，该处理直接关系到术后临床功能的好坏，影响患者的满意度。精确的手术操作可在一定程度上减少并发症的发生。由于每个人的髌骨形状并不相同，如果手术医师能在术前全面了解患者的髌骨形态，获得准确的相关解剖学指标，例如测量出术前髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数，并提前掌握截骨后剩余髌骨的厚度，截骨面的宽度及长度等三维参数，将为术中髌骨截骨的量化提供可靠的参考指标；同时，也可为髌骨假体设计提供理论依据。

然而，髌骨形状并不规则，缺乏可靠的测量参考解剖标志。目前国内外研究中，大多采用在二维X线片或尸体解剖标本进行实体测量，其测量准确性受到多种因素的影响。尽管，少部分学者对髌骨三维形态测量进行了尝试，但都未能提供一套可靠的测量方法供临床医师使用。因此，亟待开发一种能够在术前对髌骨的三维参数进行准确测量的方法。

随着计算机技术的不断发展，计算机辅助手术规划已应用于多个学科。该技术可以通过术前获得的医学影像图像建立患者的三维立体模型，实现医学图像的“可视化”。但是，如果使用三维立体模型来实现髌骨参数的测量，仍然存在两个问题需要解决。第一，目前还缺乏有效的方法来模拟髌骨截骨手术，也就无法提前测量出截骨后剩余髌骨的三维参数。第二，由于髌骨的形状不规则，在测量髌骨的三维立体模型的尺寸参数时，不同操作人员选择的坐标系位置可能不同，也就导致对同一模型测量的结果存在差异性。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有方法不能在髌骨截骨手术前对髌骨的三维参数进行准确测量的缺陷，提供一种髌骨截骨三维测量方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种髌骨截骨三维测量方法，包括以下步骤：

S1、基于患者膝关节的医学影像数据建立髌骨三维数字化模型；

S2、通过逆向工程软件导入所述髌骨三维数字化模型，并基于髌骨特征调整坐标系位置形成新坐标系，以该新坐标系为基础测量髌骨的三维参数；

S3、采用计算机辅助虚拟技术，模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨；

S4、测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量方法中，所述步骤S1具体为：通过医学影像软件导入以DICOM格式保存的患者膝关节CT/MRI断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得髌骨三维数字化模型，并保存为PLY格式。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量方法中，所述步骤S2具体包括：

S21、通过逆向工程软件导入所述髌骨三维数字化模型，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，根据最小二乘法原理拟合第一平面，并在髌骨中央嵴处选择两点创建第一直线；

S22、基于髌骨特征调整坐标系位置，使XY平面与所述第一平面对齐，Y轴与所述第一直线对齐，以形成新坐标系；

S23、以该新坐标系为基础通过约束框工具测量髌骨的三维参数。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量方法中，所述步骤S3具体包括：通过逆向工程软件的剪裁工具，选择根据特征平面剪裁，将生成的平行于所述第一平面的虚拟截骨平面沿Z轴平行移动至髌骨的外侧关节面最低点处，以模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨后封闭截骨面。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量方法中，所述步骤S4具体包括：通过逆向工程软件的约束框工具测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数，包括剩余髌骨厚度，截骨面的宽度及长度。

本发明还相应提供了一种髌骨截骨三维测量系统，包括：

模型建立模块，用于基于患者膝关节的医学影像数据建立髌骨三维数字化模型；

坐标修正模块，用于通过逆向工程软件导入所述髌骨三维数字化模型，并基于髌骨特征调整坐标系位置形成新坐标系，以该新坐标系为基础测量髌骨的三维参数；

虚拟截骨模块，用于采用计算机辅助虚拟技术，模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨；

截骨参数测量模块，用于测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量系统中，所述模型建立模块通过以下方式基于患者膝关节的医学影像数据建立髌骨三维数字化模型：通过医学影像软件导入以DICOM格式保存的患者膝关节CT/MRI断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得髌骨三维数字化模型，并保存为PLY格式。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量系统中，所述坐标修正模块具体包括：

特征选择单元，用于通过逆向工程软件导入所述髌骨三维数字化模型，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，根据最小二乘法原理拟合第一平面，并在髌骨中央嵴处选择两点创建第一直线；

坐标调整单元，用于基于髌骨特征调整坐标系位置，使XY平面与所述第一平面对齐，Y轴与所述第一直线对齐，以形成新坐标系；

髌骨参数测量单元，用于以该新坐标系为基础通过约束框工具测量髌骨的三维参数。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量系统中，所述虚拟截骨模块通过以下方式对髌骨进行虚拟截骨：通过逆向工程软件的剪裁工具，选择根据特征平面剪裁，将生成的平行于所述第一平面的虚拟截骨平面沿Z轴平行移动至髌骨的外侧关节面最低点处，以模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨后封闭截骨面。

在根据本发明所述的髌骨截骨三维测量系统中，所述截骨参数测量模块通过逆向工程软件的约束框工具测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数，包括剩余髌骨厚度，截骨面的宽度及长度。

实施本发明的髌骨截骨三维测量方法和系统，具有以下有益效果：

1、本发明利用计算机虚拟技术提供了一种测量髌骨三维参数及进行虚拟截骨的技术方案，能够对髌骨三维形态进行定量分析，并能够通过虚拟手术准确分析术后髌骨三维形态，使得手术医师能在术前全面了解该名患者的髌骨形态，实施“个性化”截骨，有助于提高术后临床效果；

2、本发明获得的髌骨虚拟截骨手术前后的三维数据还可以用来制作髌骨假体，尤其可根据当前患者的髌骨参数来定制假体参数，提高手术中假体的匹配度；

3、针对髌骨的不规则特性，本发明基于髌骨的特征对坐标系位置进行了调整，使测量出的数据更为准确，将过程中主观性操作对结果的影响降到最小，保障了测量结果的一致性，通过统计学检验证明该测量方法不同观察者间(ICC值0.80～0.99)及同一观察者间(ICC值0.86～0.98)的测量一致性较高，可推广使用。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为根据本发明优选实施例的髌骨截骨三维测量方法的流程图；

图2为通过逆向工程软件导入的髌骨三维数字化模型示意图；

图3为通过逆向工程软件模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术的示意图；

图4为根据本发明的髌骨截骨三维测量系统的模块示意图。

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。

本发明的髌骨截骨三维测量方法是指通过计算机手段，测量出术前髌骨的三维参数，例如髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数，同时通过计算机虚拟手段模拟髌骨截骨手术，确定截骨面位置，并对剩余髌骨的厚度，截骨面的宽度及长度等三维参数进行测量。

请参阅图1，为根据本发明优选实施例的髌骨截骨三维测量方法的流程图。如图1所示，该实施例提供的髌骨截骨三维测量方法包括以下步骤：

1、在步骤S1中，基于患者膝关节的医学影像数据建立髌骨三维数字化模型。

具体地，本发明需要预先获取患者膝关节CT/MRI断层扫描图像。随后，通过医学影像软件导入该CT/MRI断层扫描图像，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得髌骨三维数字化模型，并存储备用。本发明中所采用的医学影像软件可以为Mimics 17.0或者其它同类型软件。在本发明的一个优选实施例中，基于医学影像软件Mimics 17.0实现该步骤，因此预先将获取的患者膝关节CT/MRI断层扫描图像以DICOM格式保存，随后将其导入医学影像软件Mimics 17.0中，进行三维重建后获得髌骨三维数字化模型，以PLY格式存储备用。

2、在步骤S2中，通过逆向工程软件导入髌骨三维数字化模型，并基于髌骨特征调整坐标系位置，建立新坐标系，以该新坐标系为基础测量髌骨的三维参数。

本发明中所采用的逆向工程软件可以为Geomagic Studio 2014或者其它同类型软件。如图2所示为通过逆向工程软件Geomagic Studio 2014导入的髌骨三维数字化模型示意图。在本发明的一个优选实施例中，基于Geomagic Studio2014来实现该步骤，基于髌骨特征来调整坐标系位置，使测得的三维参数更符合髌骨的形态特征。该髌骨的三维参数包括髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数。

3、在步骤S3中，采用计算机辅助虚拟技术，模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨。图3为通过逆向工程软件模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术的示意图。具体地，可以通过逆向工程软件的剪裁工具，选择根据特征平面剪裁，以生成的该特征平面代表虚拟截骨平面，移动至髌骨截骨手术中需要截取的位置，即髌骨关节面的位置，在剪裁完毕后封闭截骨面，以实现虚拟截骨。图3中阴影表示的上部为从髌骨关节面处截掉的髌骨部分，下部为剩余的髌骨部分。

4、在步骤S4中，测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数。以逆向工程软件Geomagic Studio 2014为例，可以通过逆向工程软件的约束框工具(bondingbox)测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数，包括剩余髌骨厚度，截骨面的宽度及长度。

本发明的髌骨截骨三维测量方法，利用计算机虚拟技术提供了一种测量髌骨三维参数及进行虚拟截骨的技术方案，能够通过术前获得的医学影像图像建立患者的三维立体模型，通过逆向工程软件在三维模型上进行形态测量和虚拟髌骨截骨，从而可以测量出术前髌骨的三维参数，同时利用逆向工程软件的剪裁工具根据特征平面剪裁，实现虚拟截骨，并测量出截骨后剩余髌骨的三维参数。因此，手术医师能在术前全面了解该名患者的髌骨形态，通过虚拟术中截骨操作，实施“个性化”截骨，得到截骨后剩余髌骨的形态学指标，将有助于提高术后临床效果。此外，还可以利用本发明获得的髌骨虚拟截骨手术前后的三维数据来制作髌骨假体，尤其可根据当前患者的髌骨参数来定制假体参数，提高手术中假体的匹配度。

本发明的另一个独创之处在于基于髌骨的特征对坐标系位置进行了调整，使其测量出的数据更为准确，并且保障了测量结果的一致性。相应地，在本发明的另一个优选实施例中，步骤S2可以进一步包括以下步骤：

(1)首先，在步骤S21中，通过逆向工程软件导入髌骨三维数字化模型，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，根据最小二乘法原理拟合第一平面2，并在髌骨中央嵴处选择两点创建第一直线1。

具体地，可以将以PLY格式保存的髌骨三维数字化模型导入逆向工程软件Geomagic Studio 2014，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，如图2的不规则髌骨模型中关节面以下光滑过渡的弧面区域。本发明中可以通过计算机与用户的交互由用户手动选择髌骨前皮质表面所在的区域，也可以由计算机通过自带的算法确定髌骨前皮质表面所在的区域。随后，根据最小二乘法原理，如通过逆向工程软件自带的最小二乘法平面拟合工具拟合出第一平面2。通过最小二乘法拟合之后，可以使得该髌骨前皮质表面到该第一平面2的距离平方和为最小。在该步骤中，还需要在髌骨中央嵴处选择两点创建第一直线1。

(2)随后，在步骤S22中，基于髌骨特征调整坐标系位置，使XY平面与第一平面2对齐，Y轴与第一直线1对齐，以形成新坐标系。如图2中，将坐标系的位置调整为XY平面与第一平面2平行，Y轴与第一直线1平行。

(3)最后，在步骤S23中，以该新坐标系为基础通过约束框工具(bondingbox)测量髌骨的三维参数，包括髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数。

目前，在使用计算机虚拟技术来测量物体模型的三维尺寸时，尤其是针对不规则物体时，通常由操作人员根据经验主观地选择坐标系，而坐标系位置不同将使得测量的长度、宽度和高度等数据有所不同。对于髌骨模型而言，如果由操作人员主观选择坐标系，也会使得最终的髌骨三维参数测量结果存在较大的随意性。本发明中虽然在通过选择工具选择髌骨前皮质表面环节存在主观性，即不同人员选取的髌骨前皮质表面可能存在差别，但是本发明可以通过后续坐标系的调整方法克服该问题，并将最后测量结果的差异降到最小。

本发明通过随机抽取数字化骨库中20例髌骨，由两名独立医师进行三维测量，分别获得所建髌骨模型的宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置及虚拟截骨后剩余髌骨的厚度，截骨面宽度、长度等参数；另外，由其中一名医师在间隔一个月后重复测量20例髌骨的上述参数，统计学方法测得不同观察者间ICC(组内相关系数)值为0.80～0.99，同一观察者间ICC值为0.86～0.98，由此证明本发明的测量方法测量的一致性较高，可推广使用。

相应地，本发明中确定虚拟截骨平面的方法也提高了虚拟截骨手术的准确性。在本发明的一个优选实施例中，步骤S3中可以通过逆向工程软件的剪裁工具，选择根据特征平面剪裁，并将生成的平行于第一平面2的虚拟截骨平面沿Z轴平行移动至髌骨的外侧关节面最低点处，即图3中虚拟截骨平面3。基于新坐标系所确定的虚拟截骨平面3，基本上位于髌骨的关节面位置，保证了虚拟截骨手术的精准度。

本发明还相应提供了一种髌骨截骨三维测量系统。请参阅图4，为根据本发明的髌骨截骨三维测量系统的模块示意图。如图4所示，该髌骨截骨三维测量系统100包括：模型建立模块10、坐标修正模块20、虚拟截骨模块30和截骨参数测量模块40。

其中，模型建立模块10用于基于患者膝关节的医学影像数据建立髌骨三维数字化模型。该模型建立模块10可以基于医学影像软件实现，包括但不限于Mimics 17.0。具体地，预先将获取的患者膝关节CT/MRI断层扫描图像以DICOM格式保存，随后由基于医学影像软件Mimics 17.0的模型建立模块10获取并导入该DICOM格式文件，根据骨与软组织具有不同灰度值的特征，进行图像分割和修补，计算获得髌骨三维数字化模型，并以PLY格式存储备用。

坐标修正模块20用于通过逆向工程软件导入髌骨三维数字化模型，并基于髌骨特征调整坐标系位置形成新坐标系，以该新坐标系为基础测量髌骨的三维参数，如图2所示。该坐标修正模块20可以基于逆向工程软件实现，包括但不限于Geomagic Studio 2014。在该步骤中测量的髌骨的三维参数包括髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数。

虚拟截骨模块30用于采用计算机辅助虚拟技术，模拟全膝关节置换术中髌骨截骨手术，对髌骨进行虚拟截骨。该虚拟截骨模块30也可以基于逆向工程软件实现，包括但不限于Geomagic Studio 2014。具体地，虚拟截骨模块30可以通过逆向工程软件的剪裁工具，选择根据特征平面剪裁，以生成的该特征平面代表虚拟截骨平面，移动至髌骨截骨手术中需要截取的位置，即髌骨关节面的位置，在剪裁完毕后封闭截骨面，以实现虚拟截骨，具体如图3所示。

截骨参数测量模块40用于测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数。该截骨参数测量模块40也可以基于逆向工程软件实现，包括但不限于GeomagicStudio 2014。截骨参数测量模块40可以通过逆向工程软件的约束框工具(bonding box)测量虚拟截骨后剩余髌骨的三维参数，包括剩余髌骨厚度，截骨面的宽度及长度。

在本发明的另一个优选实施例中，坐标修正模块10具体包括：特征选择单元、坐标调整单元和髌骨参数测量单元。

其中特征选择单元用于通过逆向工程软件导入髌骨三维数字化模型，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，根据最小二乘法原理拟合第一平面2，并在髌骨中央嵴处选择两点创建第一直线1。具体地，可以将以PLY格式保存的髌骨三维数字化模型导入逆向工程软件Geomagic Studio 2014，采用选择工具选择髌骨前皮质表面，如图2的不规则髌骨模型中关节面以下光滑过渡的弧面区域。该坐标调整单元可以通过计算机与用户的交互接收由用户手动选择的髌骨前皮质表面数据，也可以由计算机通过自带的算法确定髌骨前皮质表面。随后，根据最小二乘法原理，如通过逆向工程软件自带的最小二乘法平面拟合工具拟合出第一平面2。通过最小二乘法拟合之后，可以使得该髌骨前皮质表面到该第一平面2的距离平方和为最小。特征选择单元还可以根据用户的输入或者自带的算法在髌骨中央嵴处选择两点创建第一直线1。

坐标调整单元用于基于髌骨特征调整坐标系位置，使XY平面与第一平面2对齐，Y轴与第一直线1对齐，以形成新坐标系。如图2中，将坐标系的位置调整为XY平面与第一平面2平行，Y轴与第一直线1平行。

髌骨参数测量单元用于以该新坐标系为基础通过约束框工具(bondingbox)测量髌骨的三维参数，包括髌骨宽度、长度、厚度，髌骨关节面宽度、长度及中央嵴位置等三维参数。

相应地，本发明中确定虚拟截骨平面的方法也提高了虚拟截骨手术的准确性。在本发明的一个优选实施例中，虚拟截骨模块30可以通过逆向工程软件的剪裁工具，选择根据特征平面剪裁，并将生成的平行于第一平面2的虚拟截骨平面沿Z轴平行移动至髌骨的外侧关节面最低点处，即图3中虚拟截骨平面3。基于新坐标系所确定的虚拟截骨平面3，基本上位于髌骨的关节面位置，保证了虚拟截骨手术的精准度。

因此，本发明的髌骨截骨三维测量系统100可以通过软、硬件结合来实现。该系统可以通过永久性计算机可读媒介和/或存储媒介，和/或永久性机器可读媒介和/或存储媒介实现，他们存储的机器代码和/或计算机程序包括至少一个代码段，所述至少一个代码段由机器和/或计算机执行，从而使该机器和/或计算机执行上述髌骨截骨三维测量的步骤。本发明还可以通过计算机系统实现。本发明可以以集中方式在至少一个计算机系统中实现，或者以分散方式由分布在几个互连的计算机系统中的不同部分实现。任何可以实现所述方法的计算机系统或其它设备都是可适用的。常用软硬件的结合可以是安装有计算机程序的通用计算机系统。本发明还可以嵌入到计算机程序产品进行实施，程序包含能够实现本发明所述的方法的全部特征，当其安装到计算机系统中时，可以实现本发明的这些方法。

应该理解地是，本发明的髌骨截骨三维测量方法和系统的原理和实现方式相同，因此本发明中对髌骨截骨三维测量方法实施例的具体描述也适应于本发明的髌骨截骨三维测量系统。

本发明是根据特定实施例进行描述的，但本领域的技术人员应明白在不脱离本发明范围时，可进行各种变化和等同替换。此外，为适应本发明技术的特定场合或材料，可对本发明进行诸多修改而不脱离其保护范围。因此，本发明并不限于在此公开的特定实施例，而包括所有落入到权利要求保护范围的实施例。