专利名称：使用影像分析的矫形外科固定术的制作方法
使用影像分析的矫形外科固定术相关申请的交叉引用本专利申请要求2010年5月19日提交的英国专利申请序列号GB1008281. 6的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在此。
背景技术：
用于治疗骨折和/或骨畸形的技术可以包括对外部固定器(例如，固定框架)的使用，所述外部固定器在骨折部位的相对侧上被手术安装到骨段上。拍摄骨折部位处的固定器和骨段的成对放射摄影图像。通常，放射摄影图像必须相对于彼此是正交或垂直的，并与患者的解剖结构轴线对准。来自图像的数据随后使用正交投影技术进行操纵以构造固定器和骨段的三维表示，所述三维表示能够在制定治疗计划时使用，并且所述治疗计划可例如包括通过固定器的调节而使骨段重新对准。但是，获得骨折部位的正交放射摄影图像的能力会被超出外科医生的控制的因素 所限制，例如成像装置的可操纵性、骨折或畸形的解剖结构位置、和/或在定位断肢以用于正交成像时患者的疼痛。诸如这些的限制因素会向成像过程引入不准确性。这些不准确性可能具有非期望的后果，例如骨段在愈合过程期间的不当对准、在骨段之间的受侵害的联合、需要额外轮次的放射摄影成像以有利于对准校正、或者甚至需要额外的手术过程。
发明内容
根据一个实施例，一种矫形外科固定方法包括将固定装置附接到第一和第二骨段上。所述方法还包括从相对于所述固定装置的第一定向捕捉所述固定装置和骨段的第一图像。所述方法还包括从与所述第一定向不同的相对于所述固定装置的第二定向捕捉所述固定装置和骨段的第二图像。所述方法还包括计算分别用于第一和第二图像的第一和第二变换矩阵。所述方法还包括利用所述变换矩阵重构所述第一和第二骨段相对于所述固定装置的三维表示。根据可选实施例，计算机可读存储介质具有存储在其上的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由处理器执行时执行矫形外科固定影像分析方法。所述方法包括经由成像器捕捉固定装置和附接到其上的第一和第二骨段的第一和第二图像。所述第一图像从第一定向捕捉，而第二图像从与所述第一定向不同的第二定向捕捉。所述方法还包括获得多个成像场景参数。所述方法还包括基于所述多个成像场景参数重构所述第一和第二骨段相对于所述固定装置的三维表示。
前面的概述、以及下面对本申请的优选实施例的详细描述将在与附图相结合地阅读时被更好地理解。为了说明使用影像分析的矫形外科固定方法和/或技术，在附图中示出了优选实施例。但是，应当理解的是，本申请并不限于在附图中例示的确切布置和/或机构，在附图中
图I是根据实施例的定位用于成像的固定组件的透视图；图2是图I中例示的固定组件的示例成像过程的透视图；以及图3是例示了根据实施例的使用影像分析过程的示例矫形外科固定的流程图。
具体实施例方式为方便起见，在附图中例示的各种实施例中的相同或等同元件已经标记有相同的附图标记。特定术语在下面的描述中仅仅为了方便使用而非限制。词语“右”、“左”、“顶”和“底”指代对其进行参照的附图中的方向。词语“向内”、“向内地”、“向外”、“向外地”指的是分别朝向和远离设备及其指代部件的几何中心的方向。旨在非限制性的术语包括以上列出的词语、它们的衍生和类似含义的词语。首先参照图1，身体组织(例如第一骨段102和第二骨段104)可被对准和/或定向 以促进身体组织之间的联合或其他愈合。身体组织的对准和/或定向能够通过将身体组织连接到可调节固定装置(例如矫形外科固定器100)而实现。矫形外科固定器能够包括外部固定装置，该外部固定装置包括多个分离的固定器构件，这些固定器构件保持于患者身体外部，但是例如使用微创附接构件小心附接到相应的身体组织上。通过调节固定器构件相对于彼此的空间定位，附接于其上的相应身体组织能被再定向和/或以其他方式带至彼此对准，例如以在愈合过程期间促进身体组织之间的联合。外部矫形外科固定器与本文所述的影像分析和定位技术相结合的使用在下述应用中会是有利的当身体组织的直接测量和操纵为不可能时，当期望以有限创伤或微创到达身体组织时等。固定器构件能够经由调节构件彼此相连，调节构件被配置为有利于固定器构件相对于彼此的空间再定位。例如，在例示的实施例中，矫形外科固定器100包括呈上固定器环106和下固定器环108形式的一对固定器构件。固定器环106、108能被相同或不同地构造。例如，固定器环106、108能具有相同或不同的直径。类似地，固定器环106、108能被构造为具有变化的横截面直径、厚度等。应当理解的是，矫形外科固定器100的固定器构件并不限于例示的上固定器环106和下固定器环108，并且矫形外科固定器100能被替换地构造。例如，可以设有额外的固定器环并将其与固定器环106和/或108互连。还应当理解的是，固定器构件的几何形状并不限于环，并且至少一个(例如所有)固定器构件能够使用任意其他合适的几何形状替换地构造。第一骨段102和第二骨段104能够使用可安装到固定器环106、108上的附接构件分别刚性地附接到上固定器环106和下固定器环108上。例如，在例示的实施例中，附接构件被设为附接杆HO和附接线缆112的形式。杆110和线缆112在近端部与相反的远端部之间延伸，其中近端部附接到安装构件114 (其安装到固定器环106、108上)上，而远端部被插入或以其他方式固定到骨段102、104上。安装构件114能够在沿着固定器环106、108周长的预定点处可拆卸地安装至固定器环106，例如通过将它们设置到由固定器环限定的螺纹孔径内。关于每个固定器环106、108，安装构件114能被安装到环的上表面、环的下表面、或其任意组合上。应当理解的是，附接构件并不限于例示实施例的构造。例如，任意数量的安装构件(例如例示的杆110和线缆112和任意其他构件)能被用于如期望地将骨段固定到相应的固定器构件上。还应当理解的是，附接构件(例如杆110和/或线缆112)中的一个或多个能够替换地被配置为在不利用安装构件114的情况下直接安装到固定器环106、108上。上固定器环106和下固定器环108能够通过至少一个(例如多个)调节构件彼此相连。至少一个(例如所有)调节构件能被配置为使固定器环相对于彼此的空间定位能够被调节。例如，在例示的实施例中，上固定器环106和下固定器环108使用以长度可调支柱116的形式设置的多个调节构件而彼此相连。应当理解的是，矫形外科固定器100的构造并不限于例示实施例的六个支柱116，并且如期望能够使用更多或更少的支柱。长度可调支柱116中的每一个能够包括相对的上支柱臂118和下支柱臂120。上支柱臂118和下支柱臂120中的每一个具有设置在联接构件或套筒122中的近端部、以及联接到万向节124上的相对的远端部，其中所述万向节124分别安装到上固定器环106和下固定器环108上。例示实施例的万向节以围绕上固定器环106和下固定器环108周长均匀间隔开的成对方式设置，但若期望则能够替换地布置在固定器环上的任意其他位置中。每个支柱116的上支柱臂118和下支柱臂120的近端部可以具有限定在其上的螺 纹部，该螺纹部被配置为由在套筒122中限定的互补螺纹部接收，使得当支柱116的上支柱臂118和下支柱臂120的近端部被接收在相应的套筒122中时，套筒122的旋转导致上支柱臂118和下支柱臂120在套筒122内平移，由此导致取决于旋转方向的支柱116的伸长或缩短。由此，每个支柱116的长度能够相对于其余支柱独立地调节。应当理解的是，调节构件并不限于例示实施例的长度可调支柱116，并且若期望则调节构件能被替换地构造，例如使用一个或多个替换几何形状、替换的长度调节机构等等。长度可调支柱116和万向节124 (长度可调支柱116通过万向节124安装到上固定器环106和下固定器环108上)允许矫形外科固定器100功能非常类似于斯图尔特平台，并且更具体地类似牵张成骨环系统、六足器、或泰勒空间框架。即，通过对支柱116进行长度调节，上固定器环106和下固定器环108的空间定位、并且由此骨段102、104的空间定位能够更改。例如，在例示的实施例中，第一骨段102附接到上固定器环106上，而第二骨段104附接到下固定器环108上。应当理解的是，第一骨段102和第二骨段104与上固定器环106和下固定器环108的附接不限于例示实施例(例如，当第一骨段102和第二骨段104的纵向中心轴线L1、L2基本垂直于上固定器环106和下固定器环108的相应平面时)，并且外科医生在配置矫形外科固定器100时具有在使第一骨段102和第二骨段104在上固定器环106和下固定器环108内对准方面的完全灵活性。通过改变支柱116中的一个或多个的长度，上固定器环106和下固定器环108并且由此骨段102和104能够相对于彼此再定位，使得它们相应的纵向轴线LI、L2基本上彼此对准，并且使得它们相应的骨折端部103、105彼此抵接，以便在愈合过程期间促进联合。应当理解的是，支柱116的调节并不限于本文所述的长度调节，并且若期望则支柱116能够不同地调节。还应当理解的是，调节固定器构件的位置不限于调节长度可调支柱116的长度，并且固定器构件相对于彼此的定位能够被可选地调节，例如根据连接到固定装置上的调节构件的类型和/或数目。矫形外科固定装置(例如,矫形外科固定器100)的固定器构件的再定位能被用于校正身体组织内的角位移、平移、旋转、或其任意组合。固定装置(例如，矫形外科固定器100)与本文所述的技术一起利用能够单独或同时校正多个这种位移缺陷。但是，应当理解的是，固定装置并不限于例示的矫形外科固定器100，并且若期望则固定装置能被替换地构造。例如，固定装置可以包括额外的固定构件，可以包括具有替换几何形状的固定构件，可以包括更多或更少的调节构件，可以包括替换构造的调节构件，或其任意组合。现在参照图2-3，例示了使用根据实施例的影像分析过程或方法的示例矫形外科固定。图3的流程图中描绘了用于使用影像分析方法300执行示例矫形外科固定的步骤。在步骤302，身体组织(例如第一骨段102和第二骨段104)能够连接到可调节固定装置上，例如连接到上述矫形外科固定器100上。在步骤304，通过固定到骨段102、104上的矫形外科固定器100，能够拍摄固定器100和骨段102、104的至少一幅(例如多幅)图像。图像能够使用相同或不同的成像技术捕捉。例如，图像能够使用X射线成像、计算机断层扫描、核磁共振成像、超声波、红外成像、摄影、X射线透视、视觉光谱成像、或其任意组合而获得。图像能够从相对于彼此且相对于固定器100和骨段102、104的任意位置和/或定 向捕捉。换言之，没有对所捕捉图像相对于彼此正交或与患者的解剖结构轴线对准的要求，从而向外科医生提供在定位成像器130方面的接近完全的灵活性。优选地，图像126、128从不同的方向或定向捕捉，使得图像不重叠。例如，在例示的实施例中，成对图像126、128的的图像平面相对于彼此不垂直。换言之，在图像126、128的图像平面之间的角度α不等于90度，使得图像126、128相对于彼此非正交。优选地，拍摄至少两幅图像，尽管捕捉额外的图像能够提高该方法的精确度。图像126、128能够使用一个或多个成像源或成像器(例如X射线成像器130和/或对应的图像捕捉设备127、129)捕捉。图像126、128可以是由单个可再定位X射线成像器130捕捉的X射线图像，或者可由分开定位的各成像器130捕捉。优选地，图像捕捉装置127、129和/或成像器130相对于三维空间的空间原点135的位置(在下面更详细描述)是已知的。成像器130能够在外科医生的控制下手动定位和/或定向、自动定位(例如通过软件辅助成像器)、或其任意组合。在步骤306，获得与固定器100、骨段102和104、一个或多个成像器130、以及图像捕捉装置127、129相关的成像场景参数。如在下文更详细描述的，成像场景参数可以在构造骨段102、104在固定器100中的定位的三维表示中使用。成像场景参数中的一个或多个可以是已知的。未知的成像场景参数是能被获得的，例如通过在X射线图像126、128的二维空间中的固定器元件表示的位置与那些元件在固定器100的几何形状上的三维位置进行数学比较而获得。在优选实施例中，成像场景参数能够使用小孔或立体相机模型进行计算。例如，如在下文更详细描述的，成像场景参数能够使用矩阵代数而被数值地确定。成像场景参数可以包括但不限于图像像素比例因子、图像像素宽高比、图像传感器倾斜系数、图像尺寸、焦距、成像源的位置和定向、基点(被定义为位于最靠近相应成像器130的相应图像126、128的平面中的点)的位置、固定器100元件的位置和定向、以及成像源的透镜的位置和定向。在优选实施例中，至少一些(例如所有)成像场景参数能够通过特定部件或固定器100的固定器元件在图像126、128的二维空间内的表示的位置与那些相同固定器元件在实际的、三维空间中的对应位置进行比较而获得。固定器元件包括矫形外科固定器100的部件，并且优选地是在图像126、128中易于识别的部件。点、线、二次曲线等、或其任意组合能被用于描述固定器元件的相应几何形状。例如，在比较中使用的固定器元件的表示能够包括长度可调支柱116中的一个或多个的中心线、万向节124的中心点、安装构件114的中心点等。固定器元件还能够包括与 固定器100的上述部件不同的标记元件。标记元件能够在比较时使用，作为对固定器100的部件的使用的补充或替代。标记元件能够在成像之前安装到固定器100各部件的特定位置、能够嵌入固定器100的各部件内、或者其任意组合。标记元件能被配置为当与固定器100的其他部件的可视性相比时增强在图像126、128中的可视性。例如，标记元件可以由不同的材料(例如，不透射线材料)构成，或者可被构造为具有易于将其与图像126、128中的固定器100的其他部件相区分的几何形状。在示例实施例中，标记元件能够具有与它们在固定器100上的相应位置相对应的指定几何形状。在步骤306A，固定器元件能被识别以在比较时使用。固定器元件的识别和它们相应位置的确定能够由外科医生、通过软件辅助、或通过其任意组合来执行。固定器元件在图像126、128的二维空间中的位置相对于在图像126、128的成像平面中限定的局部原点确定。局部原点125作为用于确定固定器兀件在图像126、128中的位置的“零点”。固定器元件的位置能够通过它们相对于相应局部原点125的相应X和y坐标确定。局部原点125在相应图像内的位置可以是任意的，只要其位于图像平面中即可。典型地，原点位于图像的中心或图像的一角，例如左下角。应当理解的是，局部原点的位置并不限于例示的局部原点125，并且局部原点125能被替换地限定在任意其他位置。还应当理解的是，局部原点125的位置可由外科医生、通过软件辅助、或通过其任意组合来指定。在步骤306B，可以针对每幅所述图像126、128计算相应的变换矩阵P。变换矩阵能被用于将一个或多个相应固定器元件在实际三维空间中的位置坐标映射到一个或多个固定器元件在相应图像126、128的二维空间中的对应位置坐标。应当理解的是，在两幅图像126、128的比较时无需使用一个或多个相同的固定器元件。例如，在构造与图像126相关联的变换矩阵时使用的固定器元件可以与在构造与图像128相关联的变换矩阵式时使用的固定器元件相同或不同。还应当理解的是，增大在计算变换矩阵时使用的固定器元件的数目能够增大方法的精确度。以下方程表示这种操作
r π Γ^"
X
FJ =P- zU)
I
L J I符号X和y表不在图像126、128的二维空间中的固定器兀件点相对于局部原点125的位置坐标。符号X、Y和Z表示在实际三维空间中的固定器元件点相对于空间原点135的位置坐标。在例示的实施例中，与由上固定器环106的上表面限定的平面中心相对应的点已被指定为空间原点135。例示矩阵P可以是至少四元素宽和三元素高。在优选实施例中，矩阵P的元素能够通过求解以下矩阵方程而算出A · ρ=Β(2)矢量P能够包括表示矩阵P的值的11个元素。以下方程给出了元素在矢量P和矩阵P中的布置/ = [/ , ρ2 ρ3 ρ4 p5 p6 P7 ρ% p9 pi0 pnf (3)
权利要求
1.一种矫形外科固定方法，所述方法包括 将固定装置附接到第一和第二骨段上； 从相对于所述固定装置的第一定向捕捉所述固定装置和所述骨段的第一图像； 从相对于所述固定装置的第二定向捕捉所述固定装置和所述骨段的第二图像，所述第二定向与所述第一定向不同； 分别计算用于所述第一和第二图像的第一和第二变换矩阵；以及 利用所述变换矩阵重构所述第一和第二骨段相对于所述固定装置的三维表示。
2.如权利要求I所述的方法，其中，所述固定装置包括 附接到所述第一骨段上的第一固定元件； 附接到所述第二骨段上的第二固定元件；以及 多个调节构件，所述多个调节构件将所述第一固定元件连接至所述第二固定元件。
3.如权利要求I所述的方法，其中，所述第一和第二定向相对于彼此非正交。
4.如权利要求I所述的方法，其中，所述固定装置包括外部固定装置。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述外部固定装置包括牵张成骨环系统、六足器、或泰勒空间框架。
6.如权利要求I所述的方法，其中，捕捉至少一个额外图像，并且为至少一个额外图像的每一个计算相应的变换矩阵。
7.如权利要求I所述的方法，其中，所述固定装置包括至少一个固定器元件，所述第一变换矩阵是基于所述至少一个固定器元件中的第一选定固定器元件在所述第一图像中的位置与所述第一选定固定器元件在三维空间中的对应位置的比较而被计算的，而所述第二变换矩阵则是基于所述至少一个固定器元件中的第二选定固定器元件在所述第二图像中的位置与所述第二选定固定器元件在三维空间中的对应位置的比较而被计算的。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一和第二变换矩阵分解为相应的第一和第二多个成像场景参数。
9.如权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个固定器元件包括在所述第一和第二图像中识别出的所述固定装置的单个部件。
10.如权利要求7所述的方法，其中，所述第一选定固定器元件对应于所述固定装置的第一部件，而所述第二固定器元件对应于所述固定装置的第二部件，所述第二部件与所述第一部件不同。
11.如权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个固定器元件包括不透射线的标记元件。
12.如权利要求7所述的方法，其中，所述至少一个固定器元件由点、线或二次曲线表示。
13.如权利要求8所述的方法，其中，所述三维表示是使用所述相应的第一和第二多个成像场景参数、骨单元在所述第一图像中的位置、以及骨单元在所述第二图像中的位置而被重构的。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述骨单元包括所述第一或第二骨段的解剖结构特征。
15.如权利要求8所述的方法，其中，所述三维表示是使用所述相应的第一和第二多个成像场景参数、多个骨单元在所述第一图像中的相应位置、以及多个骨单元在所述第二图像中的相应位置而被重构的。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述多个骨单元中的每一个包括所述第一骨段的至少一个解剖结构特征和所述第二骨段的至少一个解剖结构特征。
17.一种计算机可读存储介质，具有存储在其上的计算机可读指令，所述计算机可读指令在由处理器执行时执行矫形外科固定影像分析方法，所述方法包括 经由成像器捕捉固定装置和附接到其上的第一和第二骨段的第一和第二图像，其中，所述第一图像从第一定向捕捉，所述第二图像从第二定向捕捉，所述第二定向与所述第一定向不同； 获得多个成像场景参数；以及 基于所述多个成像场景参数重构所述第一和第二骨段相对于所述固定装置的三维表/Jn ο
18.如权利要求17所述的计算机可读存储介质，其中，所述第一和第二图像相对于彼此不垂直。
19.如权利要求17所述的计算机可读存储介质，所述方法还包括识别多个固定器元件在所述第一和第二图像中的相应位置。
20.如权利要求19所述的计算机可读存储介质，其中，利用所述多个固定器元件的识别位置构造分别与所述第一和第二图像相对应的第一和第二变换矩阵。
21.如权利要求20所述的计算机可读存储介质，其中，所述多个成像场景参数通过分解所述第一和第二变换矩阵而获得。
22.如权利要求20所述的计算机可读存储介质，所述方法还包括识别多个骨单元在所述第一和第二图像中的相应位置，所述骨单元包括所述第一和第二骨段的解剖结构特征。
23.如权利要求22所述的计算机可读存储介质，其中，所述三维表示还基于所述多个骨单元的相应位置而被重构。
24.一种操纵物体的方法，所述方法包括 将操纵装置附接到第一和第二物体上； 从第一定向捕捉所述操纵装置和所述物体的第一图像； 从第二定向捕捉所述操纵装置和所述物体的第二图像； 识别多个操纵装置部件在所述第一和第二图像中的相应表示； 利用所述相应表示的位置分别计算针对所述第一和第二图像的第一和第二变换矩阵； 将所述第一和第二变换矩阵分解为相应的第一和第二多个成像场景参数； 重构所述第一和第二物体相对于所述操纵装置的三维表示； 计算用于所述操纵装置的几何形状变化，所述几何形状变化表示所述第一和第二物体相对于彼此的再定位；以及 实施所述几何形状变化以使所述第一和第二物体相对于彼此再定位。
25.如权利要求24所述的方法，其中，所述三维表示是使用所述相应的第一和第二多个成像场景参数、至少一个所述物体的元件在所述第一图像中的位置、以及至少一个所述物体的元件在所述第二图像中的位置而被重构的。
全文摘要
提供了矫形外科固定和影像分析的方法。捕捉附接到固定装置上的第一和第二骨段的图像。在所述图像中识别出的固定器元件能被用于获得成像场景参数。在所述图像中识别出的骨单元能够与所述成像场景参数一起使用以重构所述第一和第二骨段相对于所述固定装置的位置和/或定向的三维表示。
文档编号A61B17/66GK102883671SQ201180023213
公开日2013年1月16日 申请日期2011年5月19日 优先权日2010年5月19日
发明者A·尼昆诺瓦斯 申请人:斯恩蒂斯有限公司