一种用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法

1.本发明涉及的是医疗器械技术领域的螺钉植入方法，特别是一种规划路径稳固性能更强的用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法。


背景技术：

2.固位螺钉植入是骨盆复位手术中的一个重要环节，其作用为使复位完成的骨盆碎块相互固连，维持正确位姿直至骨折面愈合。现代骨盆复位手术多采用闭合复位形式，手术创伤小，术中皮下组织不可见，临床手术置钉失误率约为18％。为提高手术成功率，医生通常需在术前或术中对螺钉植入路径进行规划，手动设计出螺钉植入方案，然后再实际执行。
3.但传统手动规划高度依赖医生主观经验，耗时费力，可重复性低，且术中规划通低效率会导致医生、患者在强光射线下暴露时间增长，手术风险增大；而以往螺钉植入自动规划算法多基于统计学模型或深度学习进行概率性规划，在个性化病例上无法保证最佳植入路径，同时可能穿出骨骼，危害病灶周围神经血管等重要软组织。上述这些自动方法目前多用于人体其他硬组织植入规划，例如在口腔植入方面，中国专利cn115670661a公布了一种规划穿颧穿翼种植手术植入路径的方法。其以牙区牙槽嵴为起始点，颧骨和翼骨区域范围为终点，取起始点和终点两者连线的可能路径。但该方法属于深度学习领域，存在上述问题的同时仍需医生介入辅助。在骨盆复位手术螺钉植入规划领域仍存在研究空白。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术的不足，提出一种用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法，不但可以保障在个性化病例上的植入路径规划安全性与最优植入效果，而且得到的固位螺钉植入规划路径稳固性能更强；与传统手动规划方法相比，进行单枚螺钉的规划耗时仅更短。
5.本发明包括以下步骤：步骤s1，计算固位螺钉的植入数量；步骤s2，计算固位螺钉的植入位置；步骤s3，计算固位螺钉的植入方向。
6.进一步地，本发明的上述步骤s1是依据以下三点原则来确定固位螺钉植入数量：第一、不考虑"小规模"的骨折面；第二、每个"合格"的骨折面应至少植入一枚固位螺钉；第三、"大规模"骨折面的碎片应至少用两枚螺钉连接。
7.更进一步地，在本发明中，上述步骤s1包括以下步骤：步骤s1.1，对每个骨折面点云进行主成分分析,结合阈值分类得到有效点云；步骤s1.2，最终得到的每一团点云均需植入一枚固位螺钉，即有效点云数量与植入螺钉数量相同。
8.更进一步地，在本发明中，上述步骤s2包括以下步骤：步骤s2.1，对每团有效点云，沿主成分分析第一主长轴方向以固定步长连续截取某一宽度内的点云，取其质心，得到多个质心对应的坐标；步骤s2.2，计算上述坐标到点云边界的距离，距离最大者作为该点云上的固位螺钉植入点。
9.更进一步地，在本发明中，上述步骤s3包括以下步骤：步骤s3.1，利用最小二乘法
计算每团有效点云的法向量，分别作为各固位螺钉植入的参考方向；步骤s3.2，利用旋转矩阵生成呈圆锥形散射状的密集备选方向；步骤s3.3，引入可执行性、安全性约束，淘汰非法方向，剩下有效路径；步骤四，最终在相连碎骨中可植入深度最大且安全的方向即为最佳植入方向。
10.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：第一，本发明与现有常规统计学模型方法相比，可保障在个性化病例上的植入路径规划安全性与最优植入效果，30枚基于临床数据的固位螺钉规划实验表明本方法安全性临床达标率在100％，植入规划结果临床达标率86.7％。第二，本发明得到的固位螺钉植入规划路径稳固性能更强。求取得到的最优植入位置与直接求取点云质心相比，具备更大的边界余量；求取得到的最优植入方向，相比与主成分分析或平面法向量具备更大的植入深度。第三，与传统手动规划方法相比，本发明进行单枚螺钉的规划耗时仅约5s，效率提升约20倍。
附图说明
11.图1为本发明的流程图；
12.图2为本发明实施例一中骨折骨盆各碎骨三维模型与各骨折断面点云的结构示意图；
13.图3为本发明实施例一中点云在第一主长轴方向上的投影宽度图；
14.图4为本发明实施例一中有效骨折断面点云的最大内圆图；
15.图5为本发明实施例一中利用最小二乘法预估有效点云的拟合平面图；
16.图6为本发明实施例一最后的路径规划图；
17.图7为本发明实施例二的路径规划图；
18.图8为本发明实施例三的路径规划图；
19.其中，1、实施例一骨折骨盆，2、实施例一骨折面点云，3、有效点云，4、点云最大内圆，5、最大内圆圆心，6、第一滑窗，7、第二滑窗，8、局部点云质心，9、第一主长轴方向，10、拟合平面有效点云，11、拟合平面法向量，12、拟合平面第一主长轴方向，13、拟合平面，14、实施例一第一规划路径，15、实施例一第二规划路径，16、实施例一第三规划路径，17、实施例一第四规划路径，18、实施例一第五规划路径，19、实施例二第一规划路径，20、实施例二第二规划路径，21、实施例二第三规划路径，22、实施例二第四规划路径，23、实施例三第一规划路径，24、实施例三第二规划路径，25、实施例三第三规划路径。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
21.实施例一
22.本发明输入数据为由患者术前ct重建并拼接复位完成的骨折骨盆各碎骨三维模型(stl格式)与各骨折断面点云，见图2，最终任务是针对患者骨折情况自动生成手术中固位螺钉植入路径的方案，包含植入多少枚固位螺钉，在哪里植入固位螺钉，往哪个方向植入螺钉与植入多深。本方法将问题解耦为三步，分别为计算固位螺钉的植入数量，计算固位螺钉的植入位置，计算固位螺钉的植入深度，流程图见图1。
23.首先是计算固位螺钉的植入数量。固位螺钉的植入数量与骨折复杂程度高度相关，本方法依据以下三点原则来确定固位螺钉植入数量：1)不考虑"小规模"的骨折面；2)每个"合格"的骨折面应至少植入一枚固位螺钉；3)"大规模"骨折面的碎片应至少用两枚螺钉连接。首先对每份骨折断面点云进行主成分分析，得到第一主长轴方向，然后将该点云沿第一主长轴方向投影，得到该点云在第一主长轴方向上的投影宽度，见图3，最后将该宽度与预设的两个阈值(记为阈值1，阈值2，其中阈值2》阈值1)做对比，若该宽度大于阈值1，则将该点云判断为“小规模”，舍去；若该宽度大于阈值1且小于阈值2，则该点云被记为有效点云；若该宽度大于阈值2，则认为该点云为“大规模”点云，将其沿投影中心垂直于第一主长轴方向的平面切割为两份有效点云。最终每一份有效点云均应植入一枚固位螺钉，即植入固位螺钉的数目应与得到的有效点云数目一致。
24.第二步是计算固位螺钉的植入位置。由第一步已知，每一枚固位螺钉均对应着一份有效点云。为了追求固位螺钉稳固效果最优，理想情况下植入位置应为有效骨折断面点云的最大内圆圆心，见图4。但对于骨折面点云具有高度不规则性，无法得到解析解。本方法先计算每团有效点云的第一主长轴方向，设置固定步长和滑窗宽度，通过利用滑窗沿第一主长轴方向以该步长截取滑窗宽度内的局部点云，求取局部质心。然后计算该质心到点云边界的距离。最终取到边界距离最大的局部质心作为最佳植入位置。
25.最后是计算固位螺钉的植入方向。在确定螺钉植入方向问题上，本方法，依据有效点云的规模从小到大依次规划，需要考虑：1)安全性约束：规划得到的螺钉路径不得穿出骨壁，伤害骨盆周围软组织；2)可执行性约束：新规划的得到螺钉路径不得与其他已规划完成的路径发生干涉；3)稳固性原则：规划得到的螺钉路径在相连的碎骨中植入深度最大化，以确保最佳固位效果。计算过程为，首先，见图5，利用最小二乘法预估有效点云的拟合平面，得到法向量。然后以改有效点云的植入位置为起点，沿该法向量正反方向与主成分分析得到的第一主长轴方向正反方向作四条射线，在未穿出骨壁的前提下，得到四条射线的总长度，将法向量方向相关的射线长度之和与第一主长轴方向相关的射线长度之和做对比，取值更大的方向作为参考方向。接着以该参考方向为母方向，利用旋转矩阵生成密集的围绕参考方向的备选方向。最后在这些备选方向上计算在安全性约束和可执行性约束下的最大植入深度，取植入深度最大者作为最优植入路径。结果见图6。
26.实施例二
27.该患者骨盆发生了三处骨折，通过本发明所述方法计算其应植入3枚固位螺钉，每枚螺钉耗时分别为2.95、3.65和3.71s，且均满足临床手术标准，如图7所示。
28.该患者发生了一处骨折断面较大的骨折，通过本发明所述方法得到其应植入2枚固位螺钉，耗时分别为3.24s和3.29s，也满足临床手术标准，如图8所示。
29.上述实施例仅例示性说明本发明的设计原理及用途作用，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法，其特征在于包括以下步骤：步骤s1，计算固位螺钉的植入数量；步骤s2，计算固位螺钉的植入位置；步骤s3，计算固位螺钉的植入方向。2.根据权利要求1所述的用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法，其特征在于所述步骤s1依据以下三点原则来确定固位螺钉植入数量：第一、不考虑"小规模"的骨折面；第二、每个"合格"的骨折面应至少植入一枚固位螺钉；第三、"大规模"骨折面的碎片应至少用两枚螺钉连接。3.根据权利要求1所述的用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法，其特征在于所述步骤s1包括以下步骤：步骤s1.1，对每个骨折面点云进行主成分分析,结合阈值分类得到有效点云；步骤s1.2，最终得到的每一团点云均需植入一枚固位螺钉，即有效点云数量与植入螺钉数量相同。4.根据权利要求1所述的用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法，其特征在于所述步骤s2包括以下步骤：步骤s2.1，对每团有效点云，沿主成分分析第一主长轴方向以固定步长连续截取某一宽度内的点云，取其质心，得到多个质心对应的坐标；步骤s2.2，计算上述坐标到点云边界的距离，距离最大者作为该点云上的固位螺钉植入点。5.根据权利要求1所述的用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法，其特征在于所述步骤s3包括以下步骤：步骤s3.1，利用最小二乘法计算每团有效点云的法向量，分别作为各固位螺钉植入的参考方向；步骤s3.2，利用旋转矩阵生成呈圆锥形散射状的密集备选方向；步骤s3.3，引入可执行性、安全性约束，淘汰非法方向，剩下有效路径；步骤s3.4，最终在相连碎骨中可植入深度最大且安全的方向即为最佳植入方向。

技术总结
一种医疗器械技术领域的一种用于骨盆骨折复位手术螺钉植入路径的规划方法，包括以下步骤：计算固位螺钉的植入数量；计算固位螺钉的植入位置；计算固位螺钉的植入方向。本发明输入数据为由患者术前CT重建并拼接复位完成的骨折骨盆各碎骨三维模型与各骨折断面点云，最终任务是针对患者骨折情况自动生成手术中固位螺钉植入路径的方案，包含植入多少枚固位螺钉，在哪里植入固位螺钉，往哪个方向植入螺钉与植入多深。本发明与现有常规统计学模型方法相比，可保障在个性化病例上的植入路径规划安全性与最优植入效果；本发明得到的固位螺钉植入规划路径稳固性能更强；与传统手动规划方法相比，本发明进行单枚螺钉的规划耗时仅约5s，效率提升约20倍。效率提升约20倍。效率提升约20倍。


技术研发人员：陈晓军 李海涛 王喆隆 黄达
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2023.05.15
技术公布日：2023/7/27