一种基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法

本发明涉及的是医疗器械的螺钉植入方法，特别是一种利用患者ct图像灰度值的基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法。

背景技术：

1、螺钉植入是骨科手术中常见的手术需求之一，在骨盆骨折复位手术、肩关节与膝关节置换手术、脊柱内固定手术等多种手术场景中均有重要应用。其过程一般为在人体骨组织上植入金属螺钉，起到固定、连接或塑形等作用。但由于骨组织周围通常存在重要的神经血管等软组织，因此手术中对螺钉植入路径的要求较为严苛，一般不得出现在植入路径上螺钉穿出骨头边界的情况。且对于存在假体固定等需求的手术，如肩关节、膝关节置换手术等，螺钉长度一般为定值，若植入路径选择不当，也将可能造成二次骨折等并发症，且人工假体会出现松动、脱落等情况，影响其安装寿命。因此，临床上为保证手术效果，医生通常在术前先规划好螺钉的植入路径，术中再依据术前规划的结果植入螺钉。但传统手动规划高度依赖医生经验，缺少客观量化植入路径上螺钉固位效果的指标，可重复性差。而现有自动规划方法以统计学模型或者深度学习方法为代表，其得到的通常的概率结果，不能保证螺钉规划路径植入效果最稳固，同时仍然缺乏具备物理可解释性的客观量化植入路径上螺钉固位效果的指标。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的不足，提出一种于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，不但可以解决以往方法中存在的规划路径效果不佳、可重复性差、可解释性差等问题，而且可有效规避螺钉穿出骨骼伤害周围软组织的情况。

2、本发明包括以下步骤：步骤s1、计算植入路径参考方向；步骤s2，生成螺钉锥形可达空间；步骤s3，沿径向产生密集备选方向；步骤s4，沿周向产生密集备选方向；步骤s5，图像灰度积分得到最佳路径。

3、进一步地，在本发明中，步骤s1包括以下步骤：步骤s1.1，利用随机采样一致性拟合参考点附近点云数据的二维平面，得到预估法向量；步骤s1.2，从参考点出发沿法向量正反方向形成两条射线，沿射线方向进行图像灰度路径积分，取积分值大者对应的方向为参考方向。

4、更进一步地，在本发明中，步骤s2包括以下步骤：步骤s2.1，从参考点出发沿参考方向前进螺钉长度的距离，所在点作为圆心，螺钉长度乘以张角正切值作为半径，得到参考圆；步骤s2.2，以参考点作为顶点，参考圆为底面，参考方向为中轴线方向，得到螺钉可达圆锥空间。

5、更进一步地，在本发明中，步骤s3包括以下步骤：步骤3.1，生成垂直于参考方向的径向向量，从底面圆心出发，基于预设径向分辨率沿径向向量取该半径的所有等分点；步骤3.2，将所有等分点作为终点，圆锥顶点作为起点，得到生成该方向向量上的径向备选方向。

6、更进一步地，在本发明中，步骤s4包括以下步骤：步骤s4.1，基于预设周向分辨率和参考方向计算得到旋转矩阵；步骤s4.2，将旋转矩阵作用于径向向量，得到新径向向量；步骤s4.3，依据s3得到镜像备选方向，重复s4，直至径向向量旋转一周,得到锥形空间内密集的备选方向。

7、更进一步地，在本发明中，步骤s5包括以下步骤：步骤s5.1，遍历备选方向，舍去可能穿出骨骼边界的备选方向，剩下有效备选方向；步骤s5.2，对所有有效备选方向，依据预设积分分辨率从三维空间转换回图像空间，读取三维图像灰度值，代表该点骨密度进行骨密度路径积分，取最大这作为最致密的螺钉植入方向。

8、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果为：第一，本发明提出了一种利用骨密度图像路径积分的方式评估螺钉植入稳固性能的客观量化指标，解决了以往方法中存在的规划路径效果不佳、可重复性差、可解释性差等问题。第二，本发明提出了利用患者ct图像灰度值判断植入路径上螺钉是否穿出骨骼边界的问题，可有效规避螺钉穿出骨骼伤害周围软组织的情况。第三，与传统手动规划方法相比，本发明耗时为秒级，效率高，依据不同手术稍有差别，均大幅领先于传统手动规划。

技术特征：

1.一种基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，其特征在于包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，其特征在于所述步骤s1包括以下步骤：

3.根据权利要求1所述的一种基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，其特征在于所述步骤s2包括以下步骤：

4.根据权利要求1所述的一种基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，其特征在于所述步骤s3包括以下步骤：

5.根据权利要求1所述的一种基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，其特征在于所述步骤s4包括以下步骤：

6.根据权利要求1所述的一种基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，其特征在于所述步骤s5包括以下步骤：

技术总结
一种医疗器械技术领域的基于骨密度积分的骨科手术螺钉植入路径规划方法，包括以下步骤：计算植入路径参考方向；生成螺钉锥形可达空间；沿径向产生密集备选方向；沿周向产生密集备选方向；图像灰度积分得到最佳路径。本发明输入数据为患者术前CT，螺钉入针参考点坐标，螺钉的参数，最终任务为计算得到最佳植入路径的起始点坐标。本发明提出了一种利用骨密度图像路径积分的方式评估螺钉植入稳固性能的客观量化指标，解决了以往方法中存在的规划路径效果不佳、可重复性差、可解释性差等问题；本发明提出了利用患者CT图像灰度值判断植入路径上螺钉是否穿出骨骼边界的问题，可有效规避螺钉穿出骨骼伤害周围软组织的情况。

技术研发人员：陈晓军,李海涛,王喆隆,黄达
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14