髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的导航方法及系统
技术领域
本发明涉及关节重建
技术领域
，特别涉及一种髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的导航方法、系统、电子装置以及计算机可读存储介质。背景技术
全髋关节置换术是一种用人工髋臼和人工股骨头替换原来损坏的髋关节的手术，它已被证明是治疗终末期髋关节疾病的有效方法。
这种手术的主要挑战是如何将髋臼杯以正确的位置和角度植入患者的髋部。在全髋关节置换术中获得良好长期的结果取决于精准的定位技术和准确的髋臼杯植入角度，这对于避免人工关节假体的松动和脱位至关重要。在传统的全髋关节置换手术中，外科医生根据患者术前的CT/MRI图的引导来完成髋臼杯的定位。由于手术过程中复杂性高以及时间长，这种手术会增加医生的术中疲劳度，从而影响手术的准确性。此外，当患者体位发生严重变化时，还需要术中X线重新检查来确认术前定位的准确性，这不仅对医生和患者造成大量辐射，而且会延长手术时间，增加患者痛苦；手术的第二个挑战是如何解决髋臼与髋臼杯不吻合的问题。在现实手术中，病人髋臼部位都存在着严重磨损现象。在真实手术过程中，为了准确安放髋臼杯，以及避免因患者髋臼较浅导致磨挫过程中逐渐偏离髋臼中心，通常先用小号的髋臼磨挫加深髋臼，然后以此为中心再换大号的髋臼磨挫进行磨削。
然而，在传统手术中，当遇到髋臼严重塌陷的情形时，医生无法准确地将术前规划的方案准确实施到真实手术场景中，极易造成磨挫研磨过程中偏离理想的规划路径及深度，从而对手术后续的髋臼杯安放以及术后修复都有很大的阻碍影响。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的导航方法，用于至少解决背景技术中的一个技术问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的导航方法，包括：
对髋臼部位的CT/MRI图进行分割后对所述髋臼部位建模，得到髋臼模型；
对所述髋臼杯的手术位置进行定位，利用所述髋臼杯与所述髋臼模型进行初步接触，获得所述髋臼杯的深度以及髋臼杯与所述髋臼模型的触点数量；
根据所述髋臼杯的深度以及髋臼杯与所述髋臼模型的触点数量确定病人所述髋臼部位的待磨挫部分；
构建磨挫工具的数学表达式，确定所述磨挫工具模型；
对所述磨挫工具模型与所述髋臼模型进行赋值，得到赋值后的磨挫工具模型和赋值后的髋臼模型；
利用赋值后的所述磨挫工具模型对所述赋值后的髋臼模型进行仿真导航，并对所述髋臼部位磨挫后的效果进行分析。
所述“对髋臼部位的CT/MRI图进行分割后对所述髋臼部位建模”，包括：
获得病人的骨盆模型的CT/MRI数据；
对所述CT/MRI数据进行图像自动分割，得到分割后CT/MRI图像；
对所述分割后CT/MRI图像进行三维建模。
在“对所述髋臼杯的手术位置进行定位”之前，包括：
利用如下公式对所述髋臼杯进行建模：
并根据平均曲率G和高斯曲率K的数学表达式与椭球面参数得到所述髋臼杯表面的弯曲程度：
其中，R＝r+l，H＝h+l；髋臼杯的杯口内圆半径为r，髋臼杯厚度为l，髋臼杯内表面最低点离杯口的高度为h；θ表示所求曲率的点与杯口中心点连线后跟杯口所形成的角度。
对所述髋臼杯的手术位置进行定位，利用所述髋臼杯与所述髋臼模型进行初步接触，获得所述髋臼杯的深度以及髋臼杯与所述髋臼模型的触点数量”，包括：
在病人的髋臼端部设置辅助水平线，根据所述辅助水平线获得所述髋臼杯的入口点位置；
将所述髋臼杯在所述入口点位置与病人的髋臼进行初步接触；
根据所述髋臼杯在病人髋臼处向病人体内靠近的深度获得所述髋臼杯与病人髋臼的接触点数量；
所述“根据所述髋臼杯的深度以及髋臼杯与所述髋臼模型的触点数量确定病人所述髋臼部位的待磨挫部分”，包括：
获取所述髋臼杯在病人髋臼处完全接触时的最大接触点数量；
将所述髋臼杯在所述入口点位置与病人的髋臼进行接触，获取所述髋臼杯与病人的髋臼在最大深度时的第一接触点数量；
在所述第一接触点数量小于所述最大接触点数量时，记录对应的接触位置，确定为待磨挫部分。
所述“根据髋臼杯在病人髋臼处向病人体内靠近的深度获得所述髋臼杯与病人髋臼的接触点数量”，包括：
通过下式获取所述髋臼杯与病人髋臼的接触点数量W：
其中，σ为测量深度范围内接触点的方差，为测量深度范围内接触点的均值；B为所述髋臼杯在病人髋臼处向病人体内靠近的深度。
所述“构建磨挫工具的数学表达式，确定所述磨挫工具模型”，包括：
所述磨挫工具的数学式为：
其中，R＝r+l，H＝h+l；髋臼杯的杯口内圆半径为r，髋臼杯厚度为l，髋臼杯内表面最低点离杯口的高度为h；2＜α＜3；2＜β＜3。
所述“利用赋值后的所述磨挫工具模型对所述赋值后的髋臼模型进行仿真导航，并对所述髋臼部位磨挫后的效果进行分析”，包括：
对所述髋臼进行弹性极限与强度极限的仿真过程；和/或，
单位体积磨挫时间的获得步骤；和/或，
确定磨挫所述髋臼时所施加的力的大小、施加的方向以及所施加的时间。
一种髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的导航系统，包括：
图形分割模块，与外界图像采集装置连接，用于对采集的髋臼部位的CT/MRI图进行分割；
处理单元，与所述图形分割模块连接，用于根据分割后的图像后对所述髋臼部位建模以得到髋臼模型；
存储模块，与所述处理单元连接，用于存储髋臼杯模型和磨挫工具模型；
所述处理单元与所述存储模块进行通信，用于调用髋臼杯模型与髋臼模型，进行初步接触后，确定髋臼模型中的待磨挫部分；
所述处理单元与所述存储模块进行通信，用于调用磨挫工具模型与所述髋臼杯模型，进行磨挫仿真。
一种髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的电子装置，包括：
存储介质，用于存储计算机程序；
处理单元，与所述存储介质进行数据交换，用于在进行髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如上所述的髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入方法的步骤。
一种计算机可读存储介质中：
所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；
所述计算机程序在运行时，执行如上所述的髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入方法的步骤。
本发明的有益效果是：
本发明所述的方法，通过对髋臼部位的CT/MRI图进行分割后对所述髋臼部位建模，得到髋臼模型；然后对所述髋臼杯的手术位置进行定位，获得所述髋臼杯的定位数据，包括：髋臼杯的深度以及髋臼杯与所述髋臼模型的触点数量；再根据所述髋臼杯模型与所述髋臼杯的定位数据确定病人所述髋臼部位的待磨挫部分；并且构建磨挫工具的数学表达式，确定所述磨挫工具模型；最后，将赋值后的所述磨挫工具模型进行仿真导航，并对所述髋臼部位磨挫后的效果进行分析；本发明所述的方法能够根据髋臼杯形状对严重磨损的髋臼进行手术规划和建模，通过对手术中磨搓步骤的仿真模拟来确定手术中需要施加的力，达到手术规划的效果；并且，能够将仿真得到的数据传给6个自由度的机械装置，进行自动磨搓，从而达到理想的术前规划的效果。
本发明所述的系统，利用处理单元与存储模块之间进行数据交换，将髋臼杯模型与髋臼模型进行接触，确定待磨挫部分，然后通过调用存储模块内的磨挫工具模型进行磨挫仿真，达到为植入髋臼杯进行导航的目的。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为正常状态的髋臼的点云形式图。
图3为存在髋臼塌陷区域的点云形式图。
图4为髋臼杯结构图。
图5为图4的剖视图。
图6为接触点数量关于深度的变化曲线图。
图7为髋臼的应变与应力函数关系图。
图8为髋臼上凸起部位的变形程度随压力的变化图。
图9为需要磨掉的点数量为y0时，需要的时间与施加的力大小关系图。
图10为本发明所述系统的框图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请进行进一步的说明。
本发明提供一种实施例：
为解决现有技术中的问题，如图1，本实施例所述的髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的导航方法，具体包括以下步骤：
S1髋臼部位的分割与建模：
在传统分割中，使用软件调节阈值在CT/MRI图像上进行预图像分割和手动修补，需花费很长时间。
本实施例通过对病人髋关节位置的CT/MRI图进行分割后建模，具体过程如下：
S101、CT/MRI图像获取：使用扫描仪来获得病人骨盆模型的CT/MRI数据，并且将CT/MRI数据保存为.mha格式；
S102、CT/MRI图像分割：使用医学图像处理软件包，如ITK，Insight Toolkit，对CT/MRI数据进行预处理；可以使用ITK库中区域生长模块的连接门图像滤波算法对CT/MRI图进行图像自动分割；其中，关键参数包括：上门限阈值(upperThreshold)、下门限阈值(lowerThreshold)以及种子点选取的位置；其中，上下阈值设定得太接近会降低区域生长的机动性，而设定得相差太大会将整个图像都卷入区域中；
S103、CT/MRI图像建模：使用视觉化工具函式库，如VTK，Visualization Toolkit，对预处理后的CT/MRI数据进行处理；可以使用VTK库中的移动立方体算法(MarchingCubes)对CT/MRI图像进行三维建模，关键参数包括：设置单位像素点的长度和等值面的阈值，如：将CT/MRI图像的灰度值与等值面的阈值进行对比，当灰度值小于等值面的阈值就会呈现；
S104、数据导出与格式转换：如图2～3，在上述的VTK中将建好的模型导出为stl(STereolithograph)格式；然后用Gmsh软件通过Geometry->Elementary entity->Add->Volume将stl表面网格转换为体积，再通过Mesh->3D转换为体积网格，以.*msh(Gmsh mesh)格式进行导出；最后通过XML语言或者Python语言将.*msh格式文件在SOFA(SimulationOpen Framework Architecture)中呈现出来最后的建模效果；并且将图像重构的网格模型转换为点云形式，可以更好地自动定位各个基准点的精确位置；在本过程中，本实施例使用了连接门图像滤波算法，在CT/MRI图像上进行自动式的分割，该算法计算速度快，建模效果好，效率远高于传统分割。
S2髋臼杯的数学表达式：
如图4～5，髋臼位于髋骨外侧面中央，呈半椭球形深凹状，直径约30-50mm；髋臼杯相对于实体结构髋臼而言，应力分布范围更大，应力分布更均匀，从而可以减轻髋关节假体之间的磨损，降低髋关节假体发生无菌性松动的风险；所以，髋臼杯的形状近似为同心半椭球体；
假设髋臼杯的杯口内圆半径为r，髋臼杯厚度为l，髋臼杯内表面最低点离杯口的高度为h，如图5所示，令R＝r+l，H＝h+l；髋臼杯的杯口可以看作正圆形，因此本实施例可以直接得到髋臼杯表面表达式为记为表面S；
可以通过曲率来表示髋臼杯表面的弯曲程度，曲率越大，其弯曲程度越大；若椭球面的参数表示为则可以根据平均曲率G和高斯曲率K的数学表达式得到：
在本步骤中，在得到髋臼杯的数学表达式后，进行了曲率分析，提高了髋臼杯表面S与病人磨挫后的髋臼的吻合度。
S3髋臼杯的手术定位：
髋臼杯的精确安置对产生成功的临床结果至关重要，如果髋臼杯的位置异常,会导致术后人工假体的脱落，以及引发严重的并发症。
为了方便髋臼杯的定位：在髋臼12点方向臼上缘2cm处设定一个辅助点p，在点p下方2cm处作一条水平辅助线L；当表面S位于水平线L下方且与水平线L相切时，水平线L相切的点q处于点p的正下方，此刻的位置即髋臼杯的入口点，并将当前位置记为M。
S4髋臼杯植入角度及深度的确定：
可以选择的，髋臼杯的植入角度为外展角40°±10°，前倾角15°±10°，此时人工髋关节的脱位率最低。
优选的，本实施例设定表面S以外展45°、前倾15°的方向，在位置M与病人的髋臼进行初步接触；表面S在病人髋臼处向病人体内靠近的深度设为B，表面S与病人髋臼的接触点数量设为W，二者关系近似为：
其中,σ为测量深度范围内接触点的方差，x为测量深度范围内接触点的均值。通过上述公式，做出接触点数量关于深度的变化曲线图，如图6所示；同时计算出在完全接触的单位面积上的点数量大致为Δy。
需要明确的是：髋臼杯安放的位置和角度对于髋臼置换手术的成功率、手术后续的脱位情况与增生情况都具有重要的影响，在本实施例中所确定的位置与角度是髋臼置换手术中的优胜方案。
S5髋臼待磨挫部分的确定：
根据如图6的曲线图分析，选出接触点数量达到最大值时的深度，记为x0，此时接触点数量为y0；当深度为x0时，表面S与病人髋臼接触面最大；因病人髋臼与表面S仍有不吻合的凸起部位，在安装髋臼杯步骤之前，需要进行磨挫处理。此时，记录与表面S与髋臼模型底部相接触的位置的位置数据，记为数据集J。
S6磨挫工具的数学表达式确定以及建模：
磨挫加深髋臼过程中，磨挫工具一般比所测量的髋臼杯尺寸小2-3mm，且形状与髋臼杯基本保持一致。
本实施例中磨挫工具半径比髋臼杯少α，2＜α＜3；高度比髋臼杯少β，2＜β＜3；
磨挫工具的数学式为：
优选的，将该公式在MATLAB上进行算法建模。
S7材料属性的选取：
众所周知的，不同的材料，具有不同的弹性极限。为获得髋臼的弹性极限，本实施例采用一般标准下髋臼与磨挫工具的材料属性；优选的，人体髋臼的材料属性基本为：弹性模量20Gpa，泊松比为0.3，密度为1.7g/cm3；磨挫工具的材料属性，如钛合金，为：弹性模量117.6Gpa，泊松比为0.34，密度为4.5g/cm3。
S8材料赋值：
为了准确模拟手术过程中的力和触觉反馈效果，本实施例利用SOFA，将材料属性的特定数值赋予到髋臼模型及磨挫工具模型上；在建模中对模型进行材料赋值，可以在实际实验前判断出髋臼上应力σ与应变ε的关系。
S9弹性极限与强度极限的仿真：
当髋臼受到作用力后发生形状变化，若除去外力，其变形会消失并且恢复原状。如图7，当这个力达到一个极限后，如果继续增大力，则会使髋臼产生塑性变形，直至断裂。在SOFA上对已具备材料属性的髋臼进行受力分析，拟合出髋臼上应力σ与应变ε函数关系表达式近似为：
其中,E表示为弹性模量。其关系图如图6，其中σE表示为弹性极限，σB表示为强度极限；
基于人体髋臼处的马蹄窝由纤维结缔组织填充，术中通常先使用电刀将其下缘离断，然后通过咬骨钳或其他器械，将马蹄窝上面的纤维结缔组织取出，从而可以减少出血。
在对臼底，即骨头位置进行直接的磨挫时，通过搭建实际的力传递实验平台，进行髋臼与磨挫工具实际力传递测试，可以得到髋臼上凸起部位的变形程度随着压力的增大而变化的图，如图8。
通过图8就可以确定人体髋臼与磨挫工具相互作用时的弹性极限与强度极限，分别记为σ0与σ1。设髋臼上凸起部位的变形程度为β，压力为α，那么其表达式近似为：
其中E表示为弹性模量。
S10单位体积磨挫时间的获得：
单位体积等于单位面积与单位深度的乘积；根据步骤9，在髋臼待磨削区域施加σ0～σ1的力，将磨削掉单位体积死骨的持续的时间记为数据集Q；设所需时间为T，力大小为N，则其表达式近似为：
其中k为常数，其关系图如图8所示。
S11磨挫时施加力的三个因素：
关于磨挫髋臼时所施加的力，本实施例考虑的因素有三个，包括力的大小、施加的方向以及所施加的时间。
力的大小取f，σ0＜f＜σ1；根据图9，可以找到磨掉单位体积所需的时间，记为Δt。根据S5，接触点数量最大值为y0。假设从磨挫工具刚接触到髋臼，到理想深度x0，都需磨挫掉最大值y0。磨搓髋臼的单位深度所需时间为磨挫到理想深度x0所需总时间为
由磨挫工具与髋臼形状的基本一致性可知，方向与安放髋臼杯的角度与位置一致，即以外展45°、前倾15°的角度，在位置M对病人的髋臼进行磨挫。
S12髋臼磨挫后的效果分析：
确认磨挫工具所施加力的三因素后，将结果返回给自动化控制的磨挫工具。待磨挫完毕后，根据S5得到的数据集J，可以得到磨挫效果的初步确认；本实施例对于磨挫工具施加的力考虑了三个因素：力的大小、施加的方向以及所施加的时间，充分模拟了手术过程中力和触觉反馈的效果。
本发明还公开一种实施例：
如图10，一种髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的导航系统，包括：图形分割模块100、处理单元200以及存储模块300；图形分割模块100与外界图像采集装置连接，用于对采集的髋臼部位的CT/MRI图进行分割；处理单元200与所述图形分割模块连接，用于根据分割后的图像后对所述髋臼部位建模以得到髋臼模型；存储模块300与所述处理单元连接，用于存储髋臼杯模型、磨挫工具模型以及髋臼模型；所述处理单元200与所述存储模块300进行通信，用于调用髋臼杯模型与髋臼模型，进行初步接触后，确定髋臼模型中的待磨挫部分；所述处理单元200与所述存储模块300进行通信，用于调用磨挫工具模型与所述髋臼杯模型，进行磨挫仿真。
本发明还公开一种实施例：
一种髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入的电子装置，包括：存储介质和处理单元；优选的，存储介质为移动硬盘或硬盘或U盘等存储设备；处理单元，优选为CPU；处理单元与所述存储介质进行数据交换，用于在进行髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入时，通过所述处理单元执行所述计算机程序，进行如上所述的髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入方法的步骤。
上述CPU可以根据存储在存储介质中的程序执行各种适当的动作和处理。所述电子设备还包括以下外设，包括键盘、鼠标等的输入部分，也可以包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分；特别地，根据本发明公开的实施例，如图1～9中任一描述的过程可以被实现为计算机软件程序。
本发明还提供一种实施例：
一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行如图1所述流程图所示的方法的程序代码。该计算机程序可以从网络上被下载和安装。在该计算机程序被CPU执行时，执行本发明的系统中限定的上述功能。
本发明还提供一种实施例：
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质内存储有计算机程序；所述计算机程序在运行时，执行如上所述的髋臼塌陷重建技术辅助髋臼杯植入导航方法的步骤。
在本发明中，计算机可读的存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本发明中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。
