專利名稱：骨科外固定模擬矯形分析儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種模擬分析儀器，特別是一種用于肢體外科矯形的計算機模擬分析儀器。
背景技術(shù)：
隨著骨外固定技術(shù)的不斷發(fā)展和器械的完善，應(yīng)用骨外固定器對截骨端進行固定和調(diào) 控，已成為現(xiàn)代骨科領(lǐng)域的一項新技術(shù)。近些年來，經(jīng)過很多專家的刻苦研究，我國的骨外 固定技術(shù)在某些方面已處于國際領(lǐng)先水平。然而，由于患者畸形的情況存在明顯的個體差異 性，截骨點的選取、矯形方案的選擇，以及手術(shù)的操作，以致手術(shù)的成功與否，在很大程度 上取決于外科醫(yī)師的臨床經(jīng)驗，為給外科醫(yī)師提供大量的術(shù)前術(shù)后信息，對骨科肢體外固定 矯形提供輔助參考，急需一種模擬分析儀器。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足臨床外科醫(yī)師的手術(shù)需求，本發(fā)明提供一種骨科外固定模擬矯形分析儀，其操 作簡單，僅需提供患者矯形部位正位和側(cè)位的X光片輸入到本系統(tǒng)，就能豐富而精確地術(shù)前 診斷信息、可進行手術(shù)模擬和術(shù)后調(diào)整模擬等功能，能為外科醫(yī)師提供大量的術(shù)前、術(shù)后信 息，可作為外科矯形的術(shù)前模擬系統(tǒng)和術(shù)后評價系統(tǒng)。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是
一種骨科外固定模擬矯形分析儀，包括患病部位信息采集設(shè)備、中央處理器和輸出設(shè) 備，其特征在于
中央處理器包括一個可對病骨進行模擬矯形數(shù)據(jù)處理的算術(shù)邏輯單元、累加器和通用寄 存器組、程序計數(shù)器、時序和控制邏輯部件、數(shù)據(jù)與地址鎖存器、緩沖器、1/0接口電路和 內(nèi)部總線；中央處理器的一個I/0電路接口與用于將采集的患病都位模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信 號的采集卡連接；中央處理器的一個I/0電路接口與一個將患者信息、診治醫(yī)師信息和模擬 矯形數(shù)據(jù)打印機連接；中央處理器的一個I/0電路接口與一個將患者信息、診治醫(yī)師信息和 模擬矯形數(shù)據(jù)的顯示屏連接；中央處理器的一個I/0電路接口與用于隨時査詢、讀取所存信 息的存儲單元連接；
存儲單元中包括下列模塊圖片輸入模塊；用于測量患病部位相關(guān)角度和長度的測量模 塊；可勾畫進行手術(shù)模擬的骨頭外部輪廓線的骨外形勾畫模塊；可依據(jù)正位片和側(cè)位片記載 的外形輪廓信息得到骨三維信息的三維骨模型生成模塊；可將繪制好的三維器械模型導(dǎo)入到本系統(tǒng)的三維器械導(dǎo)入模塊；可對三維骨模型生成模塊和三維器械導(dǎo)入模塊進行前后、左 右、上下平移和繞前后、左右、上下三根坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的三維模擬分析模塊；矯形數(shù)據(jù)模擬處 理模塊；可連續(xù)和單幀播放矯形模擬過程的動畫生成模塊；與模擬矯形信息相關(guān)的數(shù)據(jù)庫模 塊。
所述患病部位信息采集設(shè)備包括可輸入患者患病部位正位X光片和側(cè)位X光片的X光片掃 描儀、CT透視儀、螺旋CT儀和核磁共振儀。
所述圖片輸入模塊是可同時在一個視窗內(nèi)加載兩幅圖片，對輸入的圖片可以替換；圖片 的下方顯示患病部位和位置信息，滾動鼠標(biāo)滾輪可對圖片進行縮放操作的模塊。
所述測量模塊的測量數(shù)據(jù)包括患病部位正位和側(cè)位的關(guān)節(jié)走行方向角、骨長骨寬的信息。
所述骨外形勾勒模塊是通過勾勒患病骨頭正位和側(cè)位的外形輪廓線獲取骨頭正位和側(cè)位 輪廓信息的模塊。
所述三維骨模型生成模塊是采用斷層層疊重建的方法根據(jù)骨頭正位和側(cè)位的輪廓數(shù)據(jù)生 成骨立體模型的模塊。
所述三維器械導(dǎo)入模塊是采用CAD或3DMax三維建模軟件建立的模型。
所述三維模擬分析模塊是可在三維視窗環(huán)境中對生成的模型和導(dǎo)入的器械進行上下、左 右、前后移動操作和繞上下、左右、前后3根坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)操作、對模型進行縮放操作、以及 確定模型的正視圖面和左視圖面操作的模塊。
所述矯形數(shù)據(jù)模擬處理模塊是可以定義關(guān)節(jié)走行方向線、骨頭的機械軸、骨頭或骨段的 解剖軸；可以確定患病骨頭的畸形點，可以模擬開放楔形截骨、中性楔形截骨、閉合楔形截 骨、圓形截骨等4種截骨手術(shù)方式，可以將器械固定在骨頭上，模擬矯形的過程，并能得出 外固定器6根連桿的初始長度和矯形結(jié)束后的長度，并能按照設(shè)定的矯形時間得出外固定器 6根連桿每天的變化長度的模塊。
所述與模擬矯形信息相關(guān)的數(shù)據(jù)庫模塊是記載患者病歷號、患者姓名、性別、年齡、患 病部位、術(shù)前診斷信息、模擬矯形數(shù)據(jù)、會診醫(yī)師姓名、會診日期和會診醫(yī)院信息的模塊。
本發(fā)明的有益效果如下
本發(fā)明是為了彌補國際、國內(nèi)外科矯形市場在外科矯形模擬方面的不足，實現(xiàn)計算機自 動模擬矯形手術(shù)的目的。設(shè)計開發(fā)的骨科外固定模擬矯形分析儀，通過術(shù)前診斷可以給外科 矯形醫(yī)師提供初步的患者病況信息，術(shù)前模擬矯形，能夠為矯形醫(yī)師選擇矯形方法和矯形器 具提供參考，能極大地增加矯形手術(shù)的成功率，減少患者的病痛。術(shù)后的矯形模擬重現(xiàn)手術(shù)結(jié)束后患者的矯形位置、器具安裝等真實情況，既可以預(yù)測矯形結(jié)果、也可以實時對矯形進 行微調(diào)，提高矯形效果，甚而可以評價最終的矯形效果。能廣泛用于各類外科矯形手術(shù)。
本發(fā)明是在Windows XP Professional操作系統(tǒng)和Visual Studio 2005開發(fā)平臺上采 用。++語言開發(fā)完成的，具有功能擴展性、可移植性和代碼健壯性好等優(yōu)點，系統(tǒng)占用計算 機的資源少，對計算機的性能要求低，安裝簡便，具有普遍使用性。本發(fā)明可以以正位和 側(cè)位兩張X光片為輸入信息、也可以螺旋CT的掃描數(shù)據(jù)為輸入信息，或是以其他三維模型生 成軟件建立的模型為輸入信息，輸入方式多樣化，可以滿足不同層次外科矯形醫(yī)院的需求。 對于矯形外科手術(shù)，確定最佳的截骨點和截骨方式，對矯形的效果起著決定性的作用。本系 統(tǒng)依照矯形外科原則，通過測量骨段的解剖軸確定截骨位置，并自動計算出截斷后骨的最佳 旋轉(zhuǎn)中心，以矯形是否能恢復(fù)骨段的生理承重線為標(biāo)準(zhǔn)評判矯形的效果。本系統(tǒng)的界面極具 人性化，需要輸入的信息量很少，操作簡單方便，對電腦操作不太熟悉的使用者也能很快掌 握本系統(tǒng)的操作過程。本系統(tǒng)的大部分操作在三維視窗中完成，操作效果以三維顯示，符合 人體的視覺思維，其操作效果能一眼識別，使用者可以通過觀察三維模型感性的判別操作的 結(jié)果是好是壞，符合臨床醫(yī)師的思維習(xí)慣。本系統(tǒng)基本上涵蓋了所有的截骨類型，最大程度 上與真實矯形情況相吻合。所添加的器械選擇性大，直徑、位置都可以隨意變換，可真實模 擬手術(shù)情況。矯形結(jié)果可以動畫形式重復(fù)播放，如對矯形結(jié)果不太滿意，可以隨時調(diào)整器具 的位置和方向，并可即時觀看矯形過程和矯形結(jié)果。所有數(shù)據(jù)都可以保存在數(shù)據(jù)庫中，以便 以后的隨時調(diào)用和査看。矯形數(shù)據(jù)以及患者信息、診治醫(yī)師信息可以文字、圖形的方式打印 輸出，既能作為病歷保存，也可作為手術(shù)時的參考，更可以作為患者的預(yù)期結(jié)果，向患者展 示整個矯形的過程和結(jié)果，提高患者治愈病患的信心，增強患者與醫(yī)師的配合。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖l是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的詳細結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是存儲單元的組成架構(gòu)示意圖。
圖4是數(shù)據(jù)庫模塊存儲內(nèi)容的示意圖。
圖5是本發(fā)明操作程序示意圖。
圖6是輸入基本信息的示意圖。
圖7是進行術(shù)前診斷的示意圖。
圖8是勾勒額狀面和矢狀面骨外輪廓線的示意圖。圖9是生成3D骨膜型的示意圖。
圖10是在正位面上添加解剖軸的示意圖。
圖ll是導(dǎo)入外固定器的示意圖。
圖12是模擬矯形結(jié)果的示意圖。
具體實施例方式
實施例參見圖l-5所示，這種骨科外固定模擬矯形分析儀，包括患病部位信息采集設(shè) 備、中央處理器和輸出設(shè)備，中央處理器包括一個可對病骨進行模擬矯形數(shù)據(jù)處理的算術(shù)邏 輯單元、累加器和通用寄存器組、程序計數(shù)器、時序和控制邏輯部件、數(shù)據(jù)與地址鎖存器、 緩沖器、1/0接口電路和內(nèi)部總線；中央處理器的一個I/0電路接口與用于將采集的患病部位 模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的采集卡連接；中央處理器的一個I/0電路接口與一個將患者信息 、診治醫(yī)師信息和模擬矯形數(shù)據(jù)打印機連接；中央處理器的一個I/0電路接口與一個將患者 信息、診治醫(yī)師信息和模擬矯形數(shù)據(jù)的顯示屏連接；中央處理器的一個I/0電路接口與用于 隨時査詢、讀取所存信息的存儲單元連接；
參見圖2，存儲單元中包括下列模塊圖片輸入模塊；用于測量患病部位相關(guān)角度和長 度的測量模塊；可勾畫進行手術(shù)模擬的骨頭外部輪廓線的骨外形勾畫模塊；可依據(jù)正位片和 側(cè)位片記載的外形輪廓信息得到骨三維信息的三維骨模型生成模塊；可將繪制好的三維器械 模型導(dǎo)入到本系統(tǒng)的三維器械導(dǎo)入模塊；可對三維骨模型生成模塊和三維器械導(dǎo)入模塊進行 前后、左右、上下平移和繞前后、左右、上下三根坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的三維模擬分析模塊；矯形數(shù) 據(jù)模擬處理模塊；可連續(xù)和單幀播放矯形模擬過程的動畫生成模塊；與模擬矯形信息相關(guān)的 數(shù)據(jù)庫模塊。
參見圖l、圖2，所述患病部位信息采集設(shè)備包括可輸入患者患病部位正位X光片和側(cè)位 X光片的X光片掃描儀、CT透視儀、螺旋CT儀和核磁共振儀。
所述圖片輸入模塊是可同時在一個視窗內(nèi)加載兩幅圖片，對輸入的圖片可以替換；圖片 的下方顯示患病部位和位置信息，滾動鼠標(biāo)滾輪可對圖片進行縮放操作的模塊。
所述測量模塊的測量數(shù)據(jù)包括患病部位正位和側(cè)位的關(guān)節(jié)走行方向角、骨長骨寬的信息。
所述骨外形勾勒模塊是通過勾勒患病骨頭正位和側(cè)位的外形輪廓線獲取骨頭正位和側(cè)位 輪廓信息的模塊。
所述三維骨模型生成模塊是采用斷層層疊重建的方法根據(jù)骨頭正位和側(cè)位的輪廓數(shù)據(jù)生 成骨立體模型的模塊。所述三維器械導(dǎo)入模塊是采用CAD或3DMax三維建模軟件建立的模型。
所述三維模擬分析模塊是可在三維視窗環(huán)境中對生成的模型和導(dǎo)入的器械進行上下、左 右、前后移動操作和繞上下、左右、前后3根坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)操作、對模型進行縮放操作、以及 確定模型的正視圖面和左視圖面操作的模塊。
所述矯形數(shù)據(jù)模擬處理模塊是可以定義關(guān)節(jié)走行方向線、骨頭的機械軸、骨頭或骨段的 解剖軸；可以確定患病骨頭的畸形點，可以模擬開放楔形截骨、中性楔形截骨、閉合楔形截 骨、圓形截骨等4種截骨手術(shù)方式，可以將器械固定在骨頭上，模擬矯形的過程，并能得出 外固定器6根連桿的初始長度和矯形結(jié)束后的長度，并能按照設(shè)定的矯形時間得出外固定器 6根連桿每天的變化長度的模塊。
所述與模擬矯形信息相關(guān)的數(shù)據(jù)庫模塊是記載患者病歷號、患者姓名、性別、年齡、患 病部位、術(shù)前診斷信息、模擬矯形數(shù)據(jù)、會診醫(yī)師姓名、會診日期和會診醫(yī)院信息的模塊。
參見圖6-12，使用X光片掃描儀、CT透視儀、螺旋CT儀和核磁共振儀等設(shè)備掃描患者患 病部位的正位和側(cè)位X光片，并以圖片形式保存到電腦硬盤中。
啟動軟件系統(tǒng)，顯示軟件系統(tǒng)的主界面，如圖6。在患者信息模塊中輸入患者的ID、姓 名、性別、年齡。選擇患者的患病部位。在醫(yī)生信息模塊中輸入醫(yī)生姓名、會診日期以及會 診醫(yī)院名稱。單擊確定按鈕，將這些信息保存到數(shù)據(jù)庫模塊中。
點擊打開正位片右側(cè)的瀏覽按鈕，導(dǎo)入患者患病部位的正位片，類似地導(dǎo)入患者患病 部位的側(cè)位片。圖片導(dǎo)入后，在圖片的左上角將顯示圖片所示的部位，以及是正位還是側(cè) 位。
對X光片進行術(shù)前診斷操作。標(biāo)定比例尺后可以測量骨長、骨寬等尺寸；可定義關(guān)節(jié)走 行方向線和方向角，可定義骨的機械軸和解剖軸。術(shù)前診斷完成后，點擊保存診斷圖片菜單 項可將診斷結(jié)果以圖片方式保存下來。
單擊導(dǎo)入圖片模塊下方的確定按鈕，進入骨外形勾勒界面。點擊勾勒正位片外形按 鈕，鼠標(biāo)指針變成畫筆圖案，并可在圖片視窗內(nèi)描畫所需模擬矯形的骨頭的外形輪廓線。如 對勾畫的輪廓線不滿意可以刪除重新勾畫，也可以調(diào)整輪廓線的大小，使輪廓線顯示更加清 晰明亮。
點擊左下視圖的生成三維按鈕，系統(tǒng)將根據(jù)正位片和側(cè)位片的外輪廓線數(shù)據(jù)，采用B樣 條曲線生成骨的一個橫斷面，采用層疊延伸算法將每個橫斷面插值成一個高度為兩個橫斷面 之間的距離的立體骨段，將這些骨段連接成一個整體，生成三維立體骨模型。
視窗中的三維立體骨模型可通過OPENGL的旋轉(zhuǎn)、平移和縮放函數(shù)進行旋轉(zhuǎn)、平移和縮放操作。
將三維立體骨定位到正面視圖(正位片)，添加解剖軸，如果骨頭存在畸形，則需要添 加多個解剖軸，解剖軸的交點正是畸形點和矯形時的旋轉(zhuǎn)中心。根據(jù)畸形的特點選擇直線截 骨、楔形截骨和圓形截骨中的一種或幾種的組合，對畸形骨進行截骨模擬操作。
通過導(dǎo)入器械操作，可導(dǎo)入一種外固定器對畸形骨段進行固定。以導(dǎo)入六連桿外固定 器為例，導(dǎo)入上、下環(huán)后，上、下環(huán)的六根桿自動連接。確定矯形的基準(zhǔn)環(huán)之后，點擊矯形 菜單即可對畸形骨進行模擬矯形操作。六根桿的初始長度數(shù)據(jù)和矯形后的終止長度數(shù)據(jù)自動 保存到數(shù)據(jù)庫模塊。
在結(jié)果顯示對話框中輸入骨長、得出六根桿相對應(yīng)的實際長度。并可動畫演示矯形結(jié) 果。輸入矯形時間，可進行單步矯形，得出每一天六根桿的長度變化，指導(dǎo)實際的矯形手術(shù) 操作。單步矯形后的六根桿的變化量自動保存到數(shù)據(jù)庫中。
點擊報表輸出菜單就可以將患者信息、術(shù)前診斷信息(如果進行了診斷操作)和矯形信 息打印出來。
權(quán)利要求
1.一種骨科外固定模擬矯形分析儀，包括患病部位信息采集設(shè)備、中央處理器和輸出設(shè)備，其特征在于中央處理器包括一個可對病骨進行模擬矯形數(shù)據(jù)處理的算術(shù)邏輯單元、累加器和通用寄存器組、程序計數(shù)器、時序和控制邏輯部件、數(shù)據(jù)與地址鎖存器、緩沖器、I/O接口電路和內(nèi)部總線；中央處理器的一個I/O電路接口與用于將采集的患病部位模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的采集卡連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫(yī)師信息和模擬矯形數(shù)據(jù)打印機連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫(yī)師信息和模擬矯形數(shù)據(jù)的顯示屏連接；中央處理器的一個I/O電路接口與用于隨時查詢、讀取所存信息的存儲單元連接；存儲單元中包括下列模塊圖片輸入模塊；用于測量患病部位相關(guān)角度和長度的測量模塊；可勾畫進行手術(shù)模擬的骨頭外部輪廓線的骨外形勾畫模塊；可依據(jù)正位片和側(cè)位片記載的外形輪廓信息得到骨三維信息的三維骨模型生成模塊；可將繪制好的三維器械模型導(dǎo)入到本系統(tǒng)的三維器械導(dǎo)入模塊；可對三維骨模型生成模塊和三維器械導(dǎo)入模塊進行前后、左右、上下平移和繞前后、左右、上下三根坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的三維模擬分析模塊；矯形數(shù)據(jù)模擬處理模塊；可連續(xù)和單幀播放矯形模擬過程的動畫生成模塊；與模擬矯形信息相關(guān)的數(shù)據(jù)庫模塊。
2 根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述患病部位信息采集設(shè)備包括可輸入患者患病部位正位x光片和側(cè)位x光片的x光片掃描儀、CT透視儀、螺旋CT儀和核磁共振儀。
3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述圖片輸入模塊是可同時在一個視窗內(nèi)加載兩幅圖片，對輸入的圖片可以替換；圖片的下方顯示患病部位和位置信息，滾動鼠標(biāo)滾輪可對圖片進行縮放操作的模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述測量模塊的測量數(shù)據(jù)包括患病部位正位和側(cè)位的關(guān)節(jié)走行方向角、骨長骨寬的信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述骨外形勾勒模塊是通過勾勒患病骨頭正位和側(cè)位的外形輪廓線獲取骨頭正位和側(cè)位輪廓信息的模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述三維骨模型生成模塊是采用斷層層疊重建的方法根據(jù)骨頭正位和側(cè)位的輪廓數(shù)據(jù)生成骨立體模型的模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述三維器械導(dǎo)入模塊是采用CAD或3DMax三維建模軟件建立的模型。
8.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述三維模擬分析模塊是可在三維視窗環(huán)境中對生成的模型和導(dǎo)入的器械進行上下、左右、前后移動操作和繞上下、左右、前后3根坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)操作、對模型進行縮放操作、以及確定模型的正視圖面和左視圖面操作的模塊。
9.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于所述矯形數(shù)據(jù)模擬處理模塊是可以定義關(guān)節(jié)走行方向線、骨頭的機械軸、骨頭或骨段的解剖軸；可以確定患病骨頭的畸形點，可以模擬開放楔形截骨、中性楔形截骨、閉合楔形截骨、圓形截骨等4種截骨手術(shù)方式，可以將器械固定在骨頭上，模擬矯形的過程，并能得出外固定器6根連桿的初始長度和矯形結(jié)束后的長度，并能按照設(shè)定的矯形時間得出外固定器6根連桿每天的變化長度的模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求l所述的骨科外固定模擬矯形分析儀，其特征在于:所述與模擬矯形信息相關(guān)的數(shù)據(jù)庫模塊是記載患者病歷號、患者姓名、性別、年齡、患病部位、術(shù)前診斷信息、模擬矯形數(shù)據(jù)、會診醫(yī)師姓名、會診日期和會診醫(yī)院信息的模塊。
全文摘要
一種骨科外固定模擬矯形分析儀，其中央處理器的一個I/O電路接口與用于將采集的患病部位模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號的采集卡連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫(yī)師信息和模擬矯形數(shù)據(jù)打印機連接；中央處理器的一個I/O電路接口與一個將患者信息、診治醫(yī)師信息和模擬矯形數(shù)據(jù)的顯示屏連接；中央處理器的一個I/O電路接口與用于隨時查詢、讀取所存信息的存儲單元連接。其能實現(xiàn)對矯形外科手術(shù)的術(shù)前模擬診斷、術(shù)后模擬評價的功能，可做為外科醫(yī)師手術(shù)方案選擇和術(shù)后調(diào)整方案的參考，給外科醫(yī)師大量的術(shù)前術(shù)后信息，能明顯降低手術(shù)風(fēng)險，提高手術(shù)成功率，適用于骨科肢體外固定矯形的輔助參考。
文檔編號G06F19/00GK101655890SQ20091030785
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者唐佩福, 夏和桃, 夏洪菁, 剛 李, 王坤正 申請人:北京骨外固定技術(shù)研究所