脊柱椎弓根螺钉自动规划方法、系统、设备和存储介质与流程

1.本技术涉及医学技术领域，特别是涉及一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法、系统、设备和存储介质。


背景技术：

2.脊柱椎弓根螺钉置入已成为稳定脊柱的常用外科手术，广泛的应用于治疗椎体骨折、侧弯、椎间盘突出等多种疾病。该手术一般在多个椎体的椎弓根内置入螺钉，再将螺钉头固定在融合硬件上，以形成良好的生物力学结构，从而稳定脊柱。由于椎体的形态复杂多样，椎弓根周围有脊髓、神经根以及血管等重要组织和器官，导致传统的手动置钉需要耗费大量的时间和精力。因此，椎弓根螺钉自动规划方法的应用，能够很大程度上提高手术的效率。
3.由于椎体形态复杂，生物力学结构通常很难量化，导致脊柱椎弓根螺钉规划无法形成统一的量化标准。因此，现有的方法通常通过量化置钉效果，比如骨量大小、紧固强度以及各种角度约束等进行螺钉自动规划，比如基于腰椎的椎骨的形状特性分割出椎弓根，再利用优化算法最大化螺钉通过的骨量，进行了腰椎的置钉规划，但是这些量化指标都比较单一，不足以覆盖临床中的实际情况，导致最终规划结果可靠性差，难以达到临床要求。
4.针对相关技术中存在量化指标单一，导致最终规划结果可靠性差，难以达到临床要求的问题，目前还没有提出有效的解决方案。


技术实现要素：

5.在本实施例中提供了一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法、系统、设备和存储介质，以解决相关技术中量化指标单一，导致最终规划结果可靠性差，难以达到临床要求的问题。
6.第一个方面，在本实施例中提供了一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，包括：
7.基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型；
8.根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果；
9.基于所述粗规划结果，对螺钉和所述目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果。
10.在其中的一些实施例中，所述基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型，包括：
11.基于对象脊柱单椎体的三维模型得到三维点云数据，并对目标结构进行标注；
12.通过训练得到点云分割模型，根据标注对所述三维点云数据进行分割，得到所述目标结构模型。
13.在其中的一些实施例中，所述根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果，包括：
14.基于所述目标结果模型中椎弓根的三维模型进行圆柱拟合，计算出拟合圆柱的中
轴线和截面圆直径，并作为螺钉置入的初始路径方向和螺钉直径，以得到初始规划结果；
15.通过限制所述目标结果模型中上终板和螺钉初始路径方向间的夹角，对螺钉的所述初始路径方向进行粗规划，得到所述粗规划结果。
16.在其中的一些实施例中，所述根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果，包括：
17.基于所述目标结果模型中上终板和螺钉初始路径方向间的夹角的限制条件，对所述椎弓根三维模型进行圆柱拟合；
18.计算出拟合圆柱的中轴线和截面圆直径，并作为螺钉置入的路径方向和螺钉直径，以得到所述粗规划结果。
19.在其中的一些实施例中，所述基于所述粗规划结果，对螺钉和所述目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果，包括：
20.根据所述粗规划结果获取所述螺钉的调整范围；
21.将所述螺钉与所述目标结构模型中上终板间的距离以及所述调整范围作为优化约束条件，至少以螺钉和所述目标结构模型之间的内聚程度作为所述预设优化目标，建立精规划优化模型；
22.基于所述精规划优化模型，得到精规划结果。
23.在其中的一些实施例中，所述基于所述粗规划结果获取所述螺钉的调整范围，包括：
24.根据所述粗规划结果中的螺钉方向得到螺钉的入钉点和钉尾点；
25.根据所述入钉点建立与所述目标结构模型中椎体主干外表面后方的第一相交区域，将所述第一相交区域作为螺钉路径的起始点坐标集合；
26.根据所述钉尾点建立与所述椎体主干外表面前方的第二相交区域，将所述第二相交区域作为螺钉路径的终止点坐标集合；
27.基于所述起始点坐标集合和所述终止点坐标集合，得到螺钉路径方向的调整范围。
28.在其中的一些实施例中，所述以螺钉和所述目标结构模型之间的内聚程度作为所述预设优化目标，包括：
29.将螺钉路径方向、螺钉半径以及螺钉长度共同指示所述内聚程度；
30.所述螺钉路径方向为起始点坐标和终止点坐标所构成的向量；
31.所述螺钉半径为所述椎弓根外表面到所述螺钉路径方向的最小距离；
32.所述螺钉长度为起始点坐标和终止点坐标的欧氏距离。
33.第二个方面，在本实施例中提供了一种脊柱椎弓根螺钉自动规划系统，包括：分割模块、粗规划模块以及精规划模块；
34.所述分割模块，用于基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型；
35.所述粗规划模块，用于根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果；
36.所述精规划模块，用于基于所述粗规划结果，对螺钉和所述目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果。
37.第三个方面，在本实施例中提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储
在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述第一个方面所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法。
38.第四个方面，在本实施例中提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述第一个方面所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法。
39.与相关技术相比，在本实施例中提供的一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法、系统、设备和存储介质，通过基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型；通过限制所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果；基于所述粗规划结果，对螺钉和所述目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果，解决了相关技术中量化指标单一，导致最终规划结果可靠性差，难以达到临床要求的问题，实现了递进式多元条件的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，使螺钉规划结果更加符合临床标准。
40.本技术的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本技术的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
41.此处所说明的附图用来提供对本技术的进一步理解，构成本技术的一部分，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
42.图1为本实施例中脊柱椎弓根螺钉自动规划方法的终端的硬件结构框图；
43.图2为本实施例中脊柱椎弓根螺钉自动规划方法的流程图；
44.图3为本实施例中椎弓根、上终板以及下终板的分割效果示意图；
45.图4为本实施例中左椎弓根和右椎弓根质心连线与螺钉初始路径方向之间的角度的示意图；
46.图5为本实施例中上终板与螺钉初始路径方向间夹角的示意图；
47.图6为本实施例中粗规划结果的示意图；
48.图7-图9分别为颈椎、胸椎和腰椎的精规划结果示意图；
49.图10为一个优选实施例中脊柱椎弓根螺钉自动规划方法的流程图；
50.图11为一个实施例中脊柱椎弓根螺钉自动规划系统的结构框图。
51.图中：102、处理器；104、存储器；106、传输设备；108、输入输出设备；10、分割模块；20、粗规划模块；30、精规划模块。
具体实施方式
52.为更清楚地理解本技术的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本技术进行了描述和说明。
53.除另作定义外，本技术所涉及的技术术语或者科学术语应具有本技术所属技术领域具备一般技能的人所理解的一般含义。在本技术中的“一”、“一个”、“一种”、“该”、“这些”等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本技术中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块(单元)的过程、方法和系统、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块(单元)，而可包括未列出的步骤或模块(单元)，或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤
或模块(单元)。在本技术中所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并不限定于物理的或机械连接，而可以包括电气连接，无论是直接连接还是间接连接。在本技术中所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“a和/或b”可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。通常情况下，字符“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系。在本技术中所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等，只是对相似对象进行区分，并不代表针对对象的特定排序。
54.在本实施例中提供的方法实施例可以在终端、计算机或者类似的运算装置中执行。比如在终端上运行，图1是本实施例的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法的终端的硬件结构框图。如图1所示，终端可以包括一个或多个(图1中仅示出一个)处理器102和用于存储数据的存储器104，其中，处理器102可以包括但不限于微处理器mcu或可编程逻辑器件fpga等的处理装置。上述终端还可以包括用于通信功能的传输设备106以及输入输出设备108。本领域普通技术人员可以理解，图1所示的结构仅为示意，其并不对上述终端的结构造成限制。例如，终端还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示出的不同配置。
55.存储器104可用于存储计算机程序，例如，应用软件的软件程序以及模块，如在本实施例中的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法对应的计算机程序，处理器102通过运行存储在存储器104内的计算机程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的方法。存储器104可包括高速随机存储器，还可包括非易失性存储器，如一个或者多个磁性存储装置、闪存、或者其他非易失性固态存储器。在一些实例中，存储器104可进一步包括相对于处理器102远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
56.传输设备106用于经由一个网络接收或者发送数据。上述的网络包括终端的通信供应商提供的无线网络。在一个实例中，传输设备106包括一个网络适配器(network interface controller，简称为nic)，其可通过基站与其他网络设备相连从而可与互联网进行通讯。在一个实例中，传输设备106可以为射频(radio frequency，简称为rf)模块，其用于通过无线方式与互联网进行通讯。
57.脊柱椎弓根螺钉置入已成为稳定脊柱的常用外科手术，广泛的应用于治疗椎体骨折、侧弯、椎间盘突出等多种疾病。该手术一般在多个椎体的椎弓根内置入螺钉，再将螺钉头固定在融合硬件上，以形成良好的生物力学结构，从而稳定脊柱。由于椎体的形态复杂多样，椎弓根周围有脊髓、神经根以及血管等重要组织和器官，导致传统的手动置钉需要耗费大量的时间和精力。因此，椎弓根螺钉自动规划方法的应用，能够很大程度上提高手术的效率。
58.现有的椎弓根螺钉的自动规划方法大致可以分为两种：一种是利用椎弓根的分割结果，确立螺钉规划的量化指标，优化参数使其达到最优；另一种是基于医生标注的螺钉规划数据，利用机器学习的方法去学习规律，直接输出规划结果。最佳的椎弓根螺钉置入规划应该是使得置入螺钉后的脊柱椎弓根形成最佳的生物力学结构，但是这种最佳生物力学结构通常很难通过单一量化指标进行量化，并且由于医生规划偏好，导致脊柱椎弓根螺钉规划无法形成统一的量化标准。为了解决以上问题，在以下实施例中提供了递进式多元量化条件的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，使螺钉规划结果更加符合临床标准。
59.在本实施例中提供了一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，图2是本实施例的方法
的流程图，如图2所示，该方法包括以下步骤：
60.步骤s210，基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型。
61.具体地，通常将对象的脊柱单椎体转换为三维点云数据，再基于卷积神经网络训练得到点云分割模型。通过对目标结构进行标注，再使用点云分割模型对脊柱单椎体的三维点云数据进行分割，得到目标结构模型，其中，目标结构包括但不限于左椎弓根、右椎弓根、上终板以及下终板等。
62.步骤s220，根据目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果。
63.具体地，粗规划目的是在利用临床上一些较为抽象的规则去快速的得到一个粗规划结果，为下一步的精细规划缩小范围，使得精规划的实现更加稳定和快速。
64.在本步骤中，可以通过椎弓根区域的圆柱拟合，建立圆柱方程，以获取螺钉的初始路径方向，再限制目标结构模型与螺钉的位置关系对螺钉路径方向进行粗规划。其中，目标结构模型与螺钉的位置关系可以是上终板与螺钉初始路径方向之间的角度，或是左椎弓根和右椎弓根质心连线与螺钉初始路径方向之间的角度，进一步还可以是将螺钉的初始路径方向向某一个方向平移一个角度等实施者偏好，以得到更佳的粗规划结果。
65.步骤s230，基于粗规划结果，对螺钉和目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果。
66.具体地，临床上一般会要求螺钉在靠近上终板的同时，还要与椎骨外表面保持最小安全距离，并且在约束条件下螺钉直径和螺钉长度都尽可能大，以尽可能的形成内聚，即螺钉尖端往椎体中心靠拢。由于椎骨的形态特性，螺钉满足其他临床条件时，螺钉的长度和内聚程度是正相关的。上述预设优化目标至少包括螺钉和目标结构模型之间的内聚程度，以螺钉和目标结构模型之间的内聚程度作为预设优化目标时，其中包含螺钉直径、螺钉长度以及螺钉路径方向等优化参数。这三个优化参数往往是相互制约的，螺钉的最大直径和最大长度也受到螺钉路径方向的限制，其中，螺钉路径方向可以由起始点和终止点确定，螺钉长度和螺钉直径也可以通过起始点、终止点以及分割得到的目标结构模型计算得到。
67.在粗规划结果的基础上，获取螺钉路径方向起始点和终止点的调整范围，再结合至少以螺钉和目标结构模型之间的内聚程度作为预设优化目标，能够将临床上的一些要求，转换成多个量化指标和约束条件，同时优化螺钉路径方向、螺钉直径以及螺钉长度，得到更佳的精规划结果。
68.上述步骤通过从脊柱单椎体的三维模型中分割得到目标结构，再基于目标结构与螺钉路径方向进行一些粗规则的矫正，得到粗规划结果，最后基于粗规划结果，在螺钉和椎骨外表面之间的安全距离、螺钉的内聚程度等精规划条件下进一步的优化，得到精规划结果。本实施例提供了一种采用递进规则的优化策略，定义了更加多元化和有效的螺钉置入的量化指标，使得螺钉规划结果更加的符合临床标准，从而解决现有技术中量化指标单一，导致最终规划结果可靠性差，难以达到临床要求的问题。
69.进一步地，上述这种由粗规划到细规划的递进优化规则具有较强的通用性，不仅适用于以上实施例中的脊柱单椎体的椎弓根，通过根据具体椎体结构相适应地调整上述粗规则和精规则，同样能够适用于颈椎、胸椎以及腰椎等椎体的椎弓根螺钉的自动规划。
70.在其中的一些实施例中，上述基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结
构模型，包括：
71.基于对象脊柱单椎体的三维模型得到三维点云数据，并对目标结构进行标注；通过训练得到点云分割模型，根据标注对三维点云数据进行分割，得到目标结构模型。
72.具体地，将对象脊柱单椎体模型转化为三维点云数据，再标注目标结构，采用部件分割的方式，基于卷积神经网络训练得到点云分割模型，将三维点云数据输入训练好的卷积神经网络模型，相应地得到分割后的目标结构。其中，目标结构可以是上终板、下终板以及椎弓根等。图3是本实施例中椎弓根、上终板以及下终板的分割效果示意图，如图3所示，图3中分别提供了脊椎单椎体三维模型的两种视图(左图和右图)，以及两种视图中分割得到上终板、下终板以及椎弓根的示意图。
73.优选地，可以采用pointnet++神经网络训练得到点云分割模型，pointnet++是一种分层的神经网络，通过在输入点集的嵌套分区上迭代使用pointnet，再利用度量空间的距离，利用上下文尺度的增长学习局部特征，并且由于不同位置采集的点云数据的密度不一样，能够自适应地结合多尺度特征。
74.在其中的一些实施例中，上述根据目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果的过程包括：
75.基于目标结果模型中椎弓根的三维模型进行圆柱拟合，计算出拟合圆柱的中轴线和截面圆直径，并作为螺钉置入的初始路径方向和螺钉直径，以得到初始规划结果；
76.通过限制目标结果模型中上终板和螺钉初始路径方向间的夹角，对螺钉的初始路径方向进行粗规划，得到粗规划结果。
77.具体地，首先对椎弓根区域的进行圆柱拟合，建立圆柱方程，具体是基于以上实施例中分割得到的椎弓根结构，通过ransac方法找到椎弓根截面的最大内接圆柱体，再根据建立的圆柱方程计算出圆柱体的中轴线和截面圆直径。在本实施例中将螺钉近似等效为一个圆柱体，螺钉的直径就是这个圆柱体的截面直径，螺钉置入的初始路径方向就是圆柱体的中轴线所在的方向，得到初始规划结果。
78.由于脊柱椎体形态的复杂多样，如果仅根据初始规划结果中沿着椎弓根的中轴线置钉，有时候会较差的规划结果，特别是当椎弓根中轴线与椎体上终板的夹角过大时，沿着椎弓根的中轴线置入的螺钉可能会突破上终板骨皮质，因此需要基于一些粗规则进行粗矫正，其中，粗规则包括上终板与螺钉初始路径方向之间的角度，或是如图4中左椎弓根和右椎弓根质心连线与螺钉初始路径方向之间的角度θ的示意图，进一步还可以是将螺钉的初始路径方向向着某一个方向平移一个角度等实施者偏好，因此不会过度依赖规则和参数。
79.在本实施例中，图5是本实施例中上终板与螺钉初始路径方向间夹角β的示意图，如图5所示，通过限制上终板和螺钉初始路径方向间的夹角对初始路径方向进行粗矫正，具体可以通过计算上终板拟合平面和初始路径方向计算得到上述夹角。其中，根据上终板的分割结果得到上终板形成的点集，根据这些点集去拟合一个平面，使得点集分布在平面左右，使用最小二乘拟合方法使得点集到平面的距离总和最小，或者通过ransac方法确定一个小的阈值，比如1mm和0.5mm等，找到一个平面使得上终板点集到这个平面距离不超过设定阈值的点的数量最多，以得到上终板拟合平面。
80.进一步地，上述夹角的角度β范围在0度至5度之间，具体可以取1度、2度、3度或4度等，优选为3度。
81.在另一个实施例中，提供了另一种对螺钉路径方向进行粗规划的过程，包括：
82.基于目标结果模型中上终板和螺钉初始路径方向间的夹角的限制条件，对椎弓根三维模型进行圆柱拟合；计算出拟合圆柱的中轴线和截面圆直径，并作为螺钉置入的路径方向和螺钉直径，以得到粗规划结果。
83.具体地，将粗规则的矫正条件加入椎弓根三维模型的圆柱拟合过程，使圆柱拟合须在螺钉通过椎弓根，并且不突破粗规则的条件下进行。因此，基于上终板和螺钉初始路径方向间的夹角的限制条件，其中该夹角的示意图如图5所示，限制条件为以上实施例中给出的夹角范围。
84.得到拟合圆柱后，计算得到拟合圆柱的中轴线和截面圆直径，分别作为螺钉置入的路径方向和螺钉直径，也即粗规划结果。
85.通过上述两个实施例中基于一些粗规则中的角度限制对螺钉路径方向进行粗规划，其中包括先通过圆柱拟合得到初始路径方向，再进行粗规划，或是直接在圆柱拟合时加入粗规划的限制条件，从而直接或间接得到经过粗规划后的螺钉置入的路径方向。进一步地，根据临床上一些较为抽象的规则去快速的得到一个粗规划结果，能够为下一步的精细规划缩小范围，并使得精规划更加稳定和更加快速。
86.图6为本实施例中粗规划结果的示意图，如图6所示，经过上述两个实施例中进行粗规划后，基于单椎体的三维模型，重建椎骨表面，得到粗规划结果，其中，螺钉的路径方向与椎骨表面的交点为螺钉的初始入钉点和钉尾点，由入钉点和钉尾点构成粗规划结果中的螺钉路径方向。
87.在其中的一些实施例中，上述基于粗规划结果，对螺钉和目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果，包括以下步骤：
88.步骤s310，根据粗规划结果获取螺钉的调整范围。
89.具体地，精规划是在粗规划的结果下确定出椎弓根螺钉可以调整的范围，并且再进一步在精细的规则下优化螺钉的路径方向和直径。其中具体由以下步骤确定螺钉的调整范围：
90.步骤s311，根据粗规划结果中的螺钉方向得到螺钉的入钉点和钉尾点。
91.如图6中所示的入钉点和钉尾点，粗规划结果中的入钉点和钉尾点可以视作螺钉路径方向的起始点和终止点，由此确定螺钉路径方向。
92.步骤s312，根据入钉点建立与目标结构模型中椎体主干外表面后方的第一相交区域，将第一相交区域作为螺钉路径的起始点坐标集合。
93.步骤s313，根据钉尾点建立与椎体主干外表面前方的第二相交区域，将第二相交区域作为螺钉路径的终止点坐标集合。
94.上述步骤s312和s313中，首先在粗规划结果的基础上确定螺钉路径方向的起始点集合和终止点集合，具体是将粗规划结果中入钉点作为中心，以第一半径a建立球体，该球体与椎体主干外表面后方的第一相交区域作为起始点坐标集合，另外将粗规划结果中钉尾点作为中心，以第二半径b建立球体，该球体与椎体主干外表面前方的第二相交区域作为终止点坐标集合。其中，第一半径a和第二半径b控制的是精规划调整的范围，若a和b越大，则调整范围越大。并且，调整范围越大，则优化的搜索空间越大，获得最佳规划结果的可能性越大，同时也会增加优化的搜索时间，由于椎体的大小是有一定限制的，无需过大的调整范
围，a和b取值范围为0mm-5mm，优选为3mm。
95.步骤s314，基于起始点坐标集合和终止点坐标集合，得到螺钉路径方向的调整范围。
96.根据上述步骤确定的起始点坐标集合和终止点坐标集合，相应得到起始点和终止点在优化中的调整范围，由于螺钉路径方向是由起始点和终止点确定，由此得到螺钉路径方向的调整范围。
97.通过上述步骤s311-s314，由粗规划结果得到螺钉路径方向的起始点和终止点的调整范围，并将该调整范围作为精规划优化中的约束条件，以在调整范围中搜索最佳规划结果。
98.步骤s320，将螺钉与目标结构模型中上终板间的距离以及调整范围作为优化约束条件，至少以螺钉和目标结构模型之间的内聚程度作为预设优化目标，建立精规划优化模型。
99.具体地，将步骤s310中得到的调整范围作为优化约束条件，另外，由于临床上一般会要求螺钉在满足靠近上终板的同时保持最小安全距离，上终板的骨密度大，螺钉靠近上终板能够获得最大的把持力，以提高规划结果的力学结构，因此在精规划优化模型中加入约束条件限制螺钉与上终板的距离，并且还需留有相应的安全距离，以免螺钉突破椎体表面。
100.进一步地，上述预设优化目标还包括螺钉长度和螺钉半径，在以螺钉和目标结构模型之间的内聚程度、螺钉长度以及螺钉半径作为预设优化目标时，在约束条件下螺钉直径和螺钉长度都尽可能大，以尽可能的形成内聚，即螺钉尖端往椎体中心靠拢。其中包含螺钉直径、螺钉长度以及螺钉路径方向等优化参数。这三个优化参数往往是相互制约的，螺钉的最大直径和最大长度也受到螺钉路径方向的限制，其中，螺钉长度可以通过起始点和终止点计算得到，螺钉直径由起始点和终止点得到螺钉轴线的直线方程，并通过椎弓根分割的目标结构模型，计算椎弓根所形成的点集到螺钉轴线的最小距离得到。
101.具体地，将螺钉路径方向、螺钉半径以及螺钉长度共同指示内聚程度；螺钉路径方向为起始点坐标和终止点坐标所构成的向量；螺钉半径为椎弓根外表面到螺钉路径方向的最小距离；螺钉长度为起始点坐标和终止点坐标的欧氏距离。
102.根据以上优化约束条件和优化目标，得到精规划优化模型如下：
[0103][0104]
s.t.t1≤d(x)-r(x)≤t2。
[0105]
其中，x为螺钉路径方向起始点坐标和终止点坐标所构成的向量，即优化对象；l(x)为螺钉长度，即起始点坐标和终止点坐标的欧氏距离；r(x)为螺钉半径，即椎弓根外表面到螺钉中轴线的最小距离；r0为粗规划得到的螺钉半径；
ɑ
和β为常数，α≥2(
ɑ
优选取3，但不限于3)用来控制螺钉内聚程度的权重，α取值越大表示对螺钉的内聚要求越高，β≥1(β优选取2，但不限于2)用来控制螺钉半径的权重，取值越大表示对螺钉的半径要求越高。
[0106]
上述优化模型中还包括两个优化约束条件，其中，ω表示螺钉路径方向起始点和终止点的调整范围，具体通过以上实施例中步骤s310获得，并且还需加入约束条件限制螺钉与上终板的距离和留有相应的安全距离，以免螺钉突破椎体表面，d(x)为螺钉中轴线到上终板的最短距离，t1和t2分别为限制的安全距离的上界和下界。
[0107]
通过本步骤中根据约束条件和优化目标建立精规划优化模型，能够在粗规划结果的基础上，进一步在精规则下根据多元和有效的螺钉置入的量化指标，使得经过精规划的螺钉规划结果更加符合临床标准。
[0108]
步骤s330，基于精规划优化模型，得到精规划结果。
[0109]
具体地，可以采用但是不限于基于演化算法的优化算法进行优化。螺钉有效直径和长度根据实际螺钉的规格限制进行调整，这些规格限制中，螺钉的直径一般为0.5mm的整数倍，螺钉的长度为5mm的整数倍。图7至图9中分别为颈椎、胸椎和腰椎的精规划结果示意图。
[0110]
通过本实施例中建立的精规划优化模型，能够在粗规划结果的基础上，将临床上的各种要求定义为多元且有效的量化指标，以构建递进的优化策略，使得螺钉规划结果更加符合临床标准的同时，也无需依赖大量有经验的医生标注规划数据，和避免了相关不确定的风险。
[0111]
下面通过优选实施例对本实施例进行描述和说明。
[0112]
图10是本优选实施例的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法的流程图，如图10所示，该方法包括以下步骤：
[0113]
步骤s100，基于对象脊柱单椎体的三维模型得到三维点云数据，并对目标结构进行标注；通过训练得到点云分割模型，根据标注对三维点云数据进行分割，得到目标结构模型。
[0114]
其中，上述目标结构模型可以是左椎弓根、右椎弓根、上终板以及下终板等。
[0115]
步骤s101，基于上终板和螺钉初始路径方向间的夹角的限制条件，对椎弓根三维模型进行圆柱拟合。
[0116]
步骤s102，计算出拟合圆柱的中轴线和截面圆直径，并作为螺钉置入的路径方向和螺钉直径，以得到粗规划结果。
[0117]
步骤s103，根据粗规划结果中的螺钉方向得到螺钉的入钉点和钉尾点。
[0118]
步骤s104，根据入钉点建立与目标结构模型中椎体主干外表面后方的第一相交区域，将第一相交区域作为螺钉路径的起始点坐标集合；根据钉尾点建立与椎体主干外表面前方的第二相交区域，将第二相交区域作为螺钉路径的终止点坐标集合。
[0119]
步骤s105，基于起始点坐标集合和终止点坐标集合，得到螺钉路径方向的调整范围。
[0120]
步骤s106，将螺钉路径方向、螺钉半径以及螺钉长度共同指示内聚程度，将螺钉与目标结构模型中上终板间的距离以及调整范围作为优化约束条件，以螺钉和目标结构模型之间的内聚程度、螺钉长度以及螺钉半径作为优化目标，建立精规划优化模型。
[0121]
步骤s107，基于精规划优化模型，得到精规划结果。
[0122]
需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0123]
在本实施例中还提供了一种脊柱椎弓根螺钉自动规划系统，该系统用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。以下所使用的术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管在以下实施例中所描述的系
统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
[0124]
图11是本实施例的脊柱椎弓根螺钉自动规划系统的结构框图，如图11所示，该系统包括：分割模块10、粗规划模块20以及精规划模块30；
[0125]
分割模块10，用于基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型。
[0126]
粗规划模块20，用于根据目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果。
[0127]
精规划模块30，用于基于粗规划结果，对螺钉和目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果。
[0128]
通过本实施例中提供的系统，提供了一种采用递进规则的优化策略，定义了更加多元化和有效的螺钉置入的量化指标，使得螺钉规划结果更加的符合临床标准，从而解决现有技术中量化指标单一，导致最终规划结果可靠性差，难以达到临床要求的问题。
[0129]
进一步地，上述这种由粗规划到细规划的递进优化规则具有较强的通用性，不仅适用于以上实施例中的脊柱单椎体的椎弓根，通过根据具体椎体结构相适应地调整上述粗规则和精规则，同样能够适用于颈椎、胸椎以及腰椎等椎体的椎弓根螺钉的自动规划。
[0130]
需要说明的是，上述各个模块可以是功能模块也可以是程序模块，既可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
[0131]
在本实施例中还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器中存储有计算机程序，该处理器被设置为运行计算机程序以执行上述任一项方法实施例中的步骤。
[0132]
可选地，上述计算机设备还可以包括传输设备以及输入输出设备，其中，该传输设备和上述处理器连接，该输入输出设备和上述处理器连接。
[0133]
需要说明的是，在本实施例中的具体示例可以参考上述实施例及可选实施方式中所描述的示例，在本实施例中不再赘述。
[0134]
此外，结合上述实施例中提供的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，在本实施例中还可以提供一种存储介质来实现。该存储介质上存储有计算机程序；该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法。
[0135]
应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本技术提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本技术保护范围。
[0136]
显然，附图只是本技术的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本技术适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本技术披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本技术公开的内容不足。
[0137]“实施例”一词在本技术中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本技术的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技
术人员能够清楚或隐含地理解的是，本技术中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。
[0138]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：
1.一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，其特征在于，包括：基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型；根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果；基于所述粗规划结果，对螺钉和所述目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果。2.根据权利要求1所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，其特征在于，所述基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型，包括：基于对象脊柱单椎体的三维模型得到三维点云数据，并对目标结构进行标注；通过训练得到点云分割模型，根据标注对所述三维点云数据进行分割，得到所述目标结构模型。3.根据权利要求1所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，其特征在于，所述根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果，包括：基于所述目标结果模型中椎弓根的三维模型进行圆柱拟合，计算出拟合圆柱的中轴线和截面圆直径，并作为螺钉置入的初始路径方向和螺钉直径，以得到初始规划结果；通过限制所述目标结果模型中上终板和螺钉初始路径方向间的夹角，对螺钉的所述初始路径方向进行粗规划，得到所述粗规划结果。4.根据权利要求1所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，其特征在于，所述根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果，包括：基于所述目标结果模型中上终板和螺钉初始路径方向间的夹角的限制条件，对所述椎弓根三维模型进行圆柱拟合；计算出拟合圆柱的中轴线和截面圆直径，并作为螺钉置入的路径方向和螺钉直径，以得到所述粗规划结果。5.根据权利要求1所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，其特征在于，所述基于所述粗规划结果，对螺钉和所述目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果，包括：根据所述粗规划结果获取所述螺钉的调整范围；将所述螺钉与所述目标结构模型中上终板间的距离以及所述调整范围作为优化约束条件，至少以螺钉和所述目标结构模型之间的内聚程度作为所述预设优化目标，建立精规划优化模型；基于所述精规划优化模型，得到精规划结果。6.根据权利要求5所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，其特征在于，所述基于所述粗规划结果获取所述螺钉的调整范围，包括：根据所述粗规划结果中的螺钉方向得到螺钉的入钉点和钉尾点；根据所述入钉点建立与所述目标结构模型中椎体主干外表面后方的第一相交区域，将所述第一相交区域作为螺钉路径的起始点坐标集合；根据所述钉尾点建立与所述椎体主干外表面前方的第二相交区域，将所述第二相交区域作为螺钉路径的终止点坐标集合；基于所述起始点坐标集合和所述终止点坐标集合，得到螺钉路径方向的调整范围。
7.根据权利要求6所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，其特征在于，所述以螺钉和所述目标结构模型之间的内聚程度作为所述预设优化目标，包括：将螺钉路径方向、螺钉半径以及螺钉长度共同指示所述内聚程度；所述螺钉路径方向为起始点坐标和终止点坐标所构成的向量；所述螺钉半径为所述椎弓根外表面到所述螺钉路径方向的最小距离；所述螺钉长度为起始点坐标和终止点坐标的欧氏距离。8.一种脊柱椎弓根螺钉自动规划系统，其特征在于，包括：分割模块、粗规划模块以及精规划模块；所述分割模块，用于基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型；所述粗规划模块，用于根据所述目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果；所述精规划模块，用于基于所述粗规划结果，对螺钉和所述目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果。9.一种计算机设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行权利要求1至7中任一项所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法。10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法的步骤。

技术总结
本申请涉及一种脊柱椎弓根螺钉自动规划方法、系统、设备和存储介质，其中，该方法包括：基于对象脊柱单椎体的三维模型，分割得到目标结构模型；根据目标结构模型与螺钉间的位置关系，对螺钉路径方向进行粗规划，得到粗规划结果；基于粗规划结果，对螺钉和目标结构模型之间的预设优化目标进行优化，得到精规划结果。通过本申请中递进式多元条件的脊柱椎弓根螺钉自动规划方法，使螺钉规划结果更加符合临床标准，解决了相关技术中量化指标单一，导致最终规划结果可靠性差，难以达到临床要求的问题。题。题。


技术研发人员：朱悦 丛琳 杨云洪 张旭 付春萌
受保护的技术使用者：武汉联影智融医疗科技有限公司
技术研发日：2022.08.19
技术公布日：2023/7/26