一种基于CT三维重建技术的骨折复位路径模拟方法

技术领域

本发明涉及骨折复位，具体涉及一种基于CT三维重建技术的骨折复位路径模拟方法。

背景技术

跟骨骨折在跗骨骨折中最为常见，约占全部跗骨骨折的60％。跟骨骨折以足跟部剧烈疼痛、肿胀、淤斑明显，足跟不能着地行走，跟骨压痛等为主要表现。跟骨骨折在成年人中较多发生，多由高处跌下、足部着地，足跟遭受垂直撞击所致。

多数跟骨骨折患者需要行骨折复位手术治疗。手术过程中，骨科医师依赖X线束透视明确骨折端位置、复位情况和内固定物的置入位置等，需要结合临床经验判断骨折复位路径，手术操作难度较大。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术所存在的上述缺点，本发明提供了一种基于CT三维重建技术的骨折复位路径模拟方法，能够有效克服现有技术所存在的无法准确对跟骨骨折复位路径进行模拟的缺陷。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种基于CT三维重建技术的骨折复位路径模拟方法，包括以下步骤：

S1、对骨折部位进行电子计算机断层扫描，得到连续薄层二维图像，基于二维图像采用基于面绘制的MC算法构建骨折部位的三维模型，并获取对应的三维图像；

S2、对三维图像进行增强处理，并将增强后的三维图像传输至三维图像坐标建立模型中，生成骨折三维坐标系；

S3、移动三维图像，使得骨折三维坐标系与标准三维坐标系互相平行，实现骨折部位的复位，并生成第一骨折复位模拟路径；

S4、选择三维模型中一部分骨折体为基准骨折体，另一部分骨折体为复位骨折体；

S5、在基准骨折体中选择第一基准点，并基于第一基准点生成基准定位面；

S6、根据基准定位面采用配准算法生成复位骨折体对应的第二基准点，并基于第二基准点确定复位定位面；

S7、根据基准定位面与复位定位面之间的相对位置关系生成第二骨折复位模拟路径，并结合第一骨折复位模拟路径得到综合骨折复位模拟路径；

S8、基于复位评价参数对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径。

优选地，S2中对三维图像进行增强处理，包括：

基于像素亮度值将三维图像分成若干图层，且各图层中的图像边界均由闭合曲线构成，并按照像素亮度值由高到低对各图层进行排列；

对于亮度最低、最高的图层，先单独进行直方图均衡化处理，再去除背景噪声，最后去除噪点；

对处理后的三维图像进行小波变换，并对小波系数进行收缩和增强处理，通过小波逆变换获取处理后的图像块；

对亮度最低、中间的图层进行直方图均衡化处理，并对所有图层进行合并，得到增强后的三维图像。

优选地，S2中将增强后的三维图像传输至三维图像坐标建立模型中，生成骨折三维坐标系，包括：

在增强后的三维图像中选取原点和中间点，并求取中间点的空间坐标(X，Y，Z)，基于中间点的空间坐标(X，Y，Z)得到骨折三维坐标系。

优选地，所述求取中间点的空间坐标(X，Y，Z)，基于中间点的空间坐标(X，Y，Z)得到骨折三维坐标系，包括：

获取OpenGL模型坐标系中的锚点坐标，基于锚点坐标获取锚点在OpenGL模型坐标系中的X、Y坐标值；

根据锚点坐标和二维方向上X、Y二维坐标的位置坐标确定以锚点为原点的模型二维坐标，对模型二维坐标和Z坐标值进行组合，得到骨折三维坐标系。

优选地，所述中间点的空间坐标(X，Y，Z)的Z坐标值采用下式计算：

Z＝ω·H

其中，ω为标定系数，H为中间点所在扫描位置与原点所在扫描位置之间沿图像纵向的像素差。

优选地，S5中在基准骨折体中选择第一基准点，并基于第一基准点生成基准定位面，包括：

在基准骨折体的骨折面轮廓线上，选取距离较远且不共线的三个第一基准点；

基于第一基准点生成基准定位面，用于绑定表征基准骨折体。

优选地，S6中根据基准定位面采用配准算法生成复位骨折体对应的第二基准点，并基于第二基准点确定复位定位面，包括：

对基准骨折体的骨折面轮廓线的点云集合与复位骨折体的骨折面轮廓线的点云集合进行最近点距离的最小二乘法迭代计算，得到配准位移矩阵；

根据基准定位面上的三个第一基准点和配准位移矩阵生成复位骨折体对应的第二基准点，并基于第二基准点确定复位定位面。

优选地，S8中基于复位评价参数对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，包括：

基于直线待复位距离和轴向待复位角度对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径；

其中，直线待复位距离为基准定位面与复位定位面之间的中心点连线距离；

轴向待复位角度为基准定位面与复位定位面之间的法线夹角。

优选地，所述基于直线待复位距离对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，包括：

连接基准定位面与复位定位面的中心点向量，使复位骨折体沿中心点向量进行移动，直至直线待复位距离满足第一预设阈值。

优选地，所述基于轴向待复位角度对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，包括：

基于基准定位面和复位定位面的法线向量，采用叉乘法计算共同的垂向量；

经过复位定位面的中心点作平行于垂向量的平行线，以该平行线作为复位骨折体的旋转轴，并对复位骨折体进行转动，直至轴向待复位角度满足第二预设阈值。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种基于CT三维重建技术的骨折复位路径模拟方法，具有以下有益效果：

1)对骨折部位进行电子计算机断层扫描，得到连续薄层二维图像，基于二维图像采用基于面绘制的MC算法构建骨折部位的三维模型，并获取对应的三维图像，对三维图像进行增强处理，并将增强后的三维图像传输至三维图像坐标建立模型中，生成骨折三维坐标系，移动三维图像，使得骨折三维坐标系与标准三维坐标系互相平行，实现骨折部位的复位，并生成第一骨折复位模拟路径，从而能够根据三维图像生成骨折三维坐标系，并根据骨折三维坐标系与标准三维坐标系之间的相对位置关系生成第一骨折复位模拟路径；

2)选择三维模型中一部分骨折体为基准骨折体，另一部分骨折体为复位骨折体，在基准骨折体中选择第一基准点，并基于第一基准点生成基准定位面，根据基准定位面采用配准算法生成复位骨折体对应的第二基准点，并基于第二基准点确定复位定位面，根据基准定位面与复位定位面之间的相对位置关系生成第二骨折复位模拟路径，从而能够根据基准骨折体中的第一基准点确定复位骨折体的复位定位面，并根据基准定位面与复位定位面之间的相对位置关系生成第二骨折复位模拟路径；

3)结合第一骨折复位模拟路径、第二骨折复位模拟路径得到综合骨折复位模拟路径，基于复位评价参数对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，从而能够实现对跟骨骨折复位路径的准确模拟。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明中生成第一骨折复位模拟路径的流程示意图；

图3为本发明中对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种基于CT三维重建技术的骨折复位路径模拟方法，如图1和图2所示，①对骨折部位进行电子计算机断层扫描，得到连续薄层二维图像，基于二维图像采用基于面绘制的MC算法构建骨折部位的三维模型，并获取对应的三维图像。

②对三维图像进行增强处理，并将增强后的三维图像传输至三维图像坐标建立模型中，生成骨折三维坐标系。

1)对三维图像进行增强处理，包括：

基于像素亮度值将三维图像分成若干图层，且各图层中的图像边界均由闭合曲线构成，并按照像素亮度值由高到低对各图层进行排列；

对于亮度最低、最高的图层，先单独进行直方图均衡化处理，再去除背景噪声，最后去除噪点；

对处理后的三维图像进行小波变换，并对小波系数进行收缩和增强处理，通过小波逆变换获取处理后的图像块；

对亮度最低、中间的图层进行直方图均衡化处理，并对所有图层进行合并，得到增强后的三维图像。

2)将增强后的三维图像传输至三维图像坐标建立模型中，生成骨折三维坐标系，包括：

在增强后的三维图像中选取原点和中间点，并求取中间点的空间坐标(X，Y，Z)，基于中间点的空间坐标(X，Y，Z)得到骨折三维坐标系。

具体地，求取中间点的空间坐标(X，Y，Z)，基于中间点的空间坐标(X，Y，Z)得到骨折三维坐标系，包括：

获取OpenGL模型坐标系中的锚点坐标，基于锚点坐标获取锚点在OpenGL模型坐标系中的X、Y坐标值；

根据锚点坐标和二维方向上X、Y二维坐标的位置坐标确定以锚点为原点的模型二维坐标，对模型二维坐标和Z坐标值进行组合，得到骨折三维坐标系。

具体地，中间点的空间坐标(X，Y，Z)的Z坐标值采用下式计算：

Z＝ω·H

其中，ω为标定系数，H为中间点所在扫描位置与原点所在扫描位置之间沿图像纵向的像素差。

③移动三维图像，使得骨折三维坐标系与标准三维坐标系互相平行，实现骨折部位的复位，并生成第一骨折复位模拟路径。

上述技术方案，对骨折部位进行电子计算机断层扫描，得到连续薄层二维图像，基于二维图像采用基于面绘制的MC算法构建骨折部位的三维模型，并获取对应的三维图像，对三维图像进行增强处理，并将增强后的三维图像传输至三维图像坐标建立模型中，生成骨折三维坐标系，移动三维图像，使得骨折三维坐标系与标准三维坐标系互相平行，实现骨折部位的复位，并生成第一骨折复位模拟路径，从而能够根据三维图像生成骨折三维坐标系，并根据骨折三维坐标系与标准三维坐标系之间的相对位置关系生成第一骨折复位模拟路径。

如图1和图3所示，④选择三维模型中一部分骨折体为基准骨折体，另一部分骨折体为复位骨折体。

⑤在基准骨折体中选择第一基准点，并基于第一基准点生成基准定位面，具体包括：

在基准骨折体的骨折面轮廓线上，选取距离较远且不共线的三个第一基准点；

基于第一基准点生成基准定位面，用于绑定表征基准骨折体。

⑥根据基准定位面采用配准算法生成复位骨折体对应的第二基准点，并基于第二基准点确定复位定位面，具体包括：

对基准骨折体的骨折面轮廓线的点云集合与复位骨折体的骨折面轮廓线的点云集合进行最近点距离的最小二乘法迭代计算，得到配准位移矩阵；

根据基准定位面上的三个第一基准点和配准位移矩阵生成复位骨折体对应的第二基准点，并基于第二基准点确定复位定位面。

⑦根据基准定位面与复位定位面之间的相对位置关系生成第二骨折复位模拟路径，并结合第一骨折复位模拟路径得到综合骨折复位模拟路径。

⑧基于复位评价参数对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，具体包括：

基于直线待复位距离和轴向待复位角度对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径；

其中，直线待复位距离为基准定位面与复位定位面之间的中心点连线距离；

轴向待复位角度为基准定位面与复位定位面之间的法线夹角。

1)基于直线待复位距离对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，包括：

连接基准定位面与复位定位面的中心点向量，使复位骨折体沿中心点向量进行移动，直至直线待复位距离满足第一预设阈值。

2)基于轴向待复位角度对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，包括：

基于基准定位面和复位定位面的法线向量，采用叉乘法计算共同的垂向量；

经过复位定位面的中心点作平行于垂向量的平行线，以该平行线作为复位骨折体的旋转轴，并对复位骨折体进行转动，直至轴向待复位角度满足第二预设阈值。

上述技术方案，选择三维模型中一部分骨折体为基准骨折体，另一部分骨折体为复位骨折体，在基准骨折体中选择第一基准点，并基于第一基准点生成基准定位面，根据基准定位面采用配准算法生成复位骨折体对应的第二基准点，并基于第二基准点确定复位定位面，根据基准定位面与复位定位面之间的相对位置关系生成第二骨折复位模拟路径，从而能够根据基准骨折体中的第一基准点确定复位骨折体的复位定位面，并根据基准定位面与复位定位面之间的相对位置关系生成第二骨折复位模拟路径。

上述技术方案，结合第一骨折复位模拟路径、第二骨折复位模拟路径得到综合骨折复位模拟路径，基于复位评价参数对综合骨折复位模拟路径进行优化，得到优化骨折复位模拟路径，从而能够实现对跟骨骨折复位路径的准确模拟。

值得注意的是，在得到优化骨折复位模拟路径后，可以将优化骨折复位模拟路径转换为自动化设备的运动路径，使用多轴运动机构牵拉固定于患者跟骨骨折块上的克氏针，能够实现跟骨骨折块微米级的复位。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。