本發(fā)明屬于三維醫(yī)學圖像處理領域，具體涉及一種計算機輔助骨折整復程度度量方法。

背景技術：

骨折傳統(tǒng)治療手段是進行開刀手術并植入鋼板，但其創(chuàng)口大，骨膜剝離范圍廣，出血多，愈合速度慢。此外，術后仍需輔助以石膏固定，容易發(fā)生關節(jié)僵硬。

隨著科學技術的發(fā)展進步,骨折微創(chuàng)手術應運而生。骨折微創(chuàng)手術相對于傳統(tǒng)骨折手術具有創(chuàng)口小、疼痛輕、恢復快、住院時間短、出血少等優(yōu)點。骨折微創(chuàng)手術通常需要圖像引導設備，即c型臂。但是由于c型臂產生的是二維透視圖像，當需要準確確定骨折的位置、大小和幾何形狀等，醫(yī)生僅通過觀察圖像是很難做出準確判斷，手術操作嚴重依賴醫(yī)生的經驗，并且x光對醫(yī)生和患者都具有潛在的輻射危險。

隨著計算機圖形圖像處理技術的發(fā)展，計算機輔助的三維圖像導航成為了可能。斷骨經過三維掃描建模，通過圖像配準技術實現斷面的精確對齊。其中，骨折整復過程中，斷面精確對齊是骨折準確整復的關鍵，為此，世界上很多學者對這一問題提出了解決方案。韓巍等人提出了一種在光學導航系統(tǒng)下，將斷骨、手術器械和成像設備疊加顯示在預先獲取的圖像上，進而引導骨折整復的方法，但只是介紹了這種方法，并沒有實施；gdagnino提出了一種將斷骨和手術器械疊加顯示在計算機屏幕上，并規(guī)劃出最優(yōu)接骨路徑，聯動機器人進行接骨的方法，并做了模型試驗。雖然這些方法給出了骨折整復的最佳位置，然而在實際臨床中往往無法準確地將斷骨復位到該位置，造成醫(yī)生對骨折整復程度沒有準確地把握。另一方面，如果醫(yī)生在進行骨折整復過程中得到一個百分比進度，便能有效評價骨折整復的程度，方便判斷整復效果。

為度量骨折整復的精確程度，本發(fā)明提出了一種新的方法。首先對兩塊斷骨進行三維重建，假定其中一塊斷骨固定，其斷面點云為目標點云，另一塊斷骨斷面點云為源點云；其次在兩塊斷骨上分別選出幾組一一對應的特征點，利用iterativeclosestpoint(以下簡稱icp)算法計算出幾組對應特征點之間的旋轉平移矩陣，利用旋轉平移矩陣將這幾組一一對應的目標點空間坐標與源點進行轉換后的整復位置作為最佳整復位置，此時特征點對空間坐標的差值均值作為最佳接骨距離；通過空間定位儀計算出斷骨的實時空間位置，取目標特征點與源點特征點實時距離的均值作為兩塊斷骨的實時距離；記錄整復開始時兩塊斷骨的距離，記為初始距離，此時將初始距離與實時距離差值做分子，初始距離與最佳接骨距離的差值做分母，再乘以百分數后得到的值作為骨折整復進度的定量估量，此值的變化范圍為-100％至100％，當達到100％時，我們認為整復位置達到最佳位置。實際過程中醫(yī)生可根據臨床要求從0到100％中設定一個有效區(qū)間，骨折整復進度達到此有效區(qū)間時即可認為整復完成。使用此方法能夠對骨折整復程度進行一個定量化的預判，方便控制手術過程和時間，減少病人的痛苦和減輕患者家庭經濟負擔等優(yōu)點。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是為了解決計算機輔助骨折整復過程中對整復進度無法度量的問題，提出了一種計算機輔助骨折整復程度度量方法。

本發(fā)明的目的是這樣實現的：

包括以下步驟：

步驟1、使用醫(yī)學成像設備對骨折部位進行掃描，獲取醫(yī)學圖像，并對骨折部位進行三維重建，獲得斷骨的表面模型；在重建模型的骨折斷面上手動選取特征點：將其中一塊斷骨作為目標骨，假設為固定不動，在目標骨斷面上手動選取n個特征明顯的點，作為目標特征點集，同樣在另一塊斷骨(即為源骨)斷面選取與目標特征點集一一對應的n個特征點，作為源特征點集。

步驟2、使用icp算法計算出兩塊斷骨表面模型之間的平移矩陣和轉換矩陣，將源骨進行旋轉平移后與目標骨對接，獲得圖像空間中最佳整復位置。

步驟3、計算出這n組一一對應的目標點空間坐標與源點進行轉換后的空間坐標的差值均值，作為最佳接骨距離。

步驟4、計算機輔助整復是通過空間定位儀定位真實斷骨的空間坐標。為實現真實斷骨與三維重建的斷骨模型一一聯動，即移動斷骨，屏幕上顯示的斷骨圖像也跟著做出相應移動，需要在整復前進行圖像空間坐標系與定位傳感器坐標系間的注冊。完成注冊后計算移動中的n組特征點對之間的距離，取均值作為實時距離。

步驟5、記錄整復開始時兩塊斷骨的距離，記為初始距離，此時將初始距離與實時距離差值做分子，初始距離與最佳接骨距離的差值做分母，再乘以百分數后得到的值作為骨折整復進度的定量估量，此值的變化范圍為-100％至100％，當達到100％時，斷骨到達最佳整復位置。

本發(fā)明具有以下效果：

本發(fā)明實現了術前最佳接骨位置的估計，并計算出最佳接骨距離；實現了骨折整復手術中兩塊斷骨間距離的實時計算及顯示；精準監(jiān)測整復手術進程，數字化整復進度讓醫(yī)生對手術過程一目了然。相比于其他計算機輔助骨折導航方法，本發(fā)明不僅能夠直觀明了地觀察兩塊斷骨之間的相對位置，而且能夠將斷骨整復過程定量化，計算出斷骨之間的實時距離，精準監(jiān)測整復手術的進程，從而縮短骨折整復手術的時間，并提高整復的準確性。

附圖說明

圖1是斷骨三維重建；

圖2是在斷骨圖像上手動選取特征點；

圖3是預接骨結果；

圖4是最佳接骨距離；

圖5是對被動剛體1完成注冊；

圖6是導航開始時斷骨圖像的初始距離；

圖7是進度為83％時；斷骨圖像的相對距離；

圖8是進度為99％時；斷骨圖像的相對距離。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。

實施例1：

一種計算機輔助骨折整復進度度量方法，包括以下步驟：

步驟1、使用醫(yī)學成像設備對骨折部位進行掃描，獲取醫(yī)學圖像，并對骨折部位進行三維重建，獲得斷骨的表面模型(如圖1所示)；在重建模型的骨折斷面上手動選取特征點：將其中一塊斷骨作為目標骨，假設為固定不動，在目標骨斷面上手動選取n個特征明顯的點，作為目標特征點集，如圖2所示；同樣在另一塊斷骨(即為源骨)斷面選取與目標特征點集一一對應的n個特征點，作為源特征點集。

步驟2、使用icp算法計算出兩塊斷骨之間的平移矩陣和轉換矩陣，將源骨進行旋轉平移后與目標骨對接，獲得圖像空間中最佳整復位置，如圖3所示。

步驟3、計算出這n組一一對應的目標點空間坐標與源點進行轉換后的空間坐標的差值均值，作為最佳接骨距離。

步驟4、計算機輔助整復是通過空間定位儀定位真實斷骨的空間坐標。為實現真實斷骨與三維重建的斷骨模型一一聯動，即移動斷骨，屏幕上顯示的斷骨圖像也跟著做出相應移動，需要在整復前進行圖像空間坐標系與定位傳感器坐標系間的注冊。完成注冊后計算移動中的n組特征點對之間的距離，取均值作為實時距離。

步驟5、記錄整復開始時兩塊斷骨的距離，記為初始距離，此時將初始距離與實時距離差值做分子，初始距離與最佳接骨距離的差值做分母，再乘以百分數后得到的值作為骨折整復進度的定量估量，此值的變化范圍為-100％至100％，當達到100％時，斷骨到達最佳整復位置。

實施例2：

本實施方式步驟1中手動選取特征點集的具體步驟如下：

步驟1.1、源特征點集的手動選?。?/p>

將源骨三維模型選取適當角度，在斷面上選擇特征明顯的邊或角上的點，用鼠標選取該點，并將該點存入源點集中，得到sourcepoint(xi,yi,zi)，i＝1…n。

步驟1.2、目標特征點集的手動選取：

在目標骨三維模型的斷面上選擇與源骨上特征點對應位置的點，存入目標點集，得到與之相對應的目標點集targetpoint(xi,yi,zi)，i＝1…n。

實施例3：

本實施方式步驟2利用icp算法計算出目標骨與源骨(此時的目標骨與源骨都是指的是斷骨的三維模型)之間的平移矩陣k和旋轉矩陣l，并將源骨進行旋轉平移后與目標骨對接，實現預接骨，獲得最佳整復位置。

實施例4：

本實施方式步驟3求取最佳接骨距離的具體步驟如下：

實現預接骨后，計算出這n組一一對應的目標點空間坐標與源點進行轉換后的空間坐標的差值均值，作為最佳接骨距離。

實施例5：

本實施方式求取實時距離的具體步驟如下：

步驟4.1、定位傳感器的注冊：

空間定位儀通常包含多個可定位的傳感器，這些傳感器可以被定位儀追蹤并記錄其實時空間位置。兩個定位傳感器分別通過鋼針固定在兩塊斷骨上，保證傳感器和斷骨間相對位置保持不變。首先完成對固定在目標骨(實際斷骨)上的定位傳感器1的注冊。在目標骨和目標骨圖像上手動選取三組以上一一對應的特征點對。目標骨上的特征點通過空間定位儀提供的可定位探針獲取，目標骨圖像上的特征點通過鼠標選取獲得。利用icp算法計算出這些特征點對間的平移旋轉矩陣，即斷骨與斷骨圖像之間的空間變換關系，完成定位傳感器1的注冊。平移旋轉矩陣可以將斷骨圖像坐標系轉換到定位傳感器1坐標系下，使斷骨圖像與定位傳感器1圖像之間符合實際空間位置關系，從而將斷骨圖像與斷骨聯系起來，實現一一聯動。

在源骨和源骨圖像上選取三組以上一一對應的特征點對，對這幾組特征點對利用icp算法計算出定位傳感器2坐標系與源斷骨圖像坐標系之間的平移矩陣和旋轉矩陣，進而完成對定位傳感器2的注冊。

步驟4.2、計算實時距離：

在上一步驟中完成了斷骨與斷骨圖像的一一聯動，即移動斷骨，屏幕上的斷骨圖像也會做出相應移動，兩塊斷骨圖像之間的距離表征的就是實際斷骨之間的距離。

繼續(xù)使用步驟1中在目標骨和源骨(斷骨圖像)上手動選取的目標點集targetpoint(xi,yi,zi)和源點集sourcepoint(xi,yi,zi)，計算出這n組對應點之間實時距離的均值作為實時距離distance。

其中

v＝tr1*registration(3)

v'＝tr2*registration'(4)

registration和registration'分別是定位傳感器1和定位傳感器2的注冊矩陣。

tr1為定位傳感器1在空間定位儀坐標系下的平移旋轉矩陣，tr2為定位傳感器2在空間定位儀坐標系下的平移旋轉矩陣。

具體實施方式六：

本實施方式監(jiān)測骨折整復進度的具體步驟如下：

記錄整復開始時兩塊斷骨的距離，記為初始距離s，此時將初始距離與實時距離差值做分子，初始距離與最佳接骨距離的差值做分母，再乘以百分數后得到的值作為骨折整復進度的定量估量。

本發(fā)明針對骨折整復手術進度進行監(jiān)測與定量評估，以人工股骨模型為例。具體硬件由遠紅外光學定位儀、計算機和手術器械組成。遠紅外光學定位儀為臨床上常用的光學導航設備，配有若干套被動剛體，每個被動剛體上包含4個位置分布不同反光小球，定位儀可實時捕獲定位小球的空間位置并傳送到計算機；計算機作為硬件支持，并通過vc、matlab等編制軟件，實現斷骨的三維重建及其可視化的；將被動剛體固定在鋼針上，鋼針打入斷骨，同時定位小球的空間位置可以被光學定位儀捕獲，通過注冊過程斷骨的位置可以進一步計算出。

將評價骨折整復進度作為目標，具體過程如下：

步驟1、

對股骨骨折部位進行ct掃描，并使用函數dicomdir讀入ct圖像。

a二值化處理：

設定灰度閾值，本例中使用ct值2000為閾值，灰度值小于2000的像素點，標志為0；灰度值大于2000的像素點標志為1。

b重建繪制：

使用isosurface函數提取三維圖像的等值面。三維重建和面繪制結果如圖1所示。

c.在上端斷骨上，使用鼠標，選取一特征點，確定此點作為源點，點擊“源點”按鈕，該點由紅變藍，如圖2所示，并將該點存入源點集中，得到sourcepoint(xi,yi,zi)。

d.同理可在下斷骨得到與之相對應的目標點集targetpoint。

步驟2、對在上一步驟獲取的目標點集和源點集使用icp算法計算出平移矩陣l和旋轉矩陣k：

將源骨進行相應旋轉平移后與目標骨進行對接，實現預接骨。

步驟3、實現預接骨后，求取最佳接骨距離，即這幾組一一對應的目標點空間坐標與源點進行轉換后的空間坐標的差值均值。

將sourcepoint(xi,yi,zi)、targetpoint(xi,yi,zi)、k、l代入公式(1)，求得最佳接骨距離為0.71mm，如圖5示。

步驟4、

a.對被動剛體實現注冊與追蹤：

在目標骨圖像和目標骨上選取一一對應的五組特征點對，分別存入到變量p和q中。

利用icp算法計算出定位小球坐標系與斷骨圖像坐標系之間的旋轉矩陣r和平移矩陣t：

通過矩陣變換，將目標骨圖像轉換到被動剛體1坐標系下，實現斷骨與斷骨圖像一一聯動，至此，被動剛體1完成注冊，如圖5所示。重復以上步驟對固定在源骨上的被動剛體2進行注冊。

b.求取斷骨之間的實時距離：

該步驟結果由計算機根據公式(2)自動求取實時距離。

步驟5、記錄導航開始時兩塊斷骨的距離，記為初始距離s，如圖6所示。

進度由計算機根據公式(5)自動求取并顯示。

在三維圖像導航下，完成對斷骨的準確對接。(提取對接過程中的兩個典型片段作為展示，分別如圖7、8所示)。