基于股骨颈轴位安全靶区边界配准的空心钉首准置钉方法与流程

本发明属骨科治疗，涉及一种股骨颈骨折治疗中股骨颈空心钉的置钉方法，具体涉及一种基于股骨颈螺钉通道轴位安全靶区边界配准的空心钉首准置钉方法。

背景技术：

1、在股骨颈骨折保髋治疗中，多枚空心钉内固定术仍然是首选方案，而空心钉导针的置入是其核心技术和操作难点，目前的共识是将三枚空心钉(螺钉)呈倒三角排列、平行于股骨颈中轴线、弥散分布并靠近皮质的骨内包容。为了保证空心钉轨迹的安全性，手术中需要准确判断空心钉导针的方向和位置，尤其是其轴位位置(坐标)及其与相邻皮质边界的关系，用以调整空心钉导针的方向和距离，确保股骨颈空心钉置钉的准确性。

2、由于x射线无法直接获得股骨颈的轴位图像和空心钉导针的轴位位置坐标，需要在术中通过多次透视获得的二维图像来推断空心钉导针的轴位位置(坐标)，将获得的坐标配对、并标记到假定的安全靶区中(目前的主流观点假设“安全靶区为圆形”)，通过将该导针坐标点的位置与安全靶区边界进行比较并由此粗略判断其大致的轴位位置及是否穿出皮质。但越来越多的研究表明，这种通过术中透视确定位于股骨颈骨骼内的空心钉，经术后解剖和ct证实，54-70％穿出骨皮质，即in-out-in螺钉。造成in-out-in螺钉的根本原因包括两个方面：一是毫无依据地把轴位安全区误认为圆形并以此作为安全边界比对的参照背景，二是由于肢体体位和术中透视方向的不确定性而出现对螺钉轴位位置(坐标)的误判。其后果是“in-out-in”螺钉(当然也包括术中多次置钉和反复地调整)，存在巨大的医源性损伤股骨头颈血供和破坏骨质的潜在风险，并增加后期内固定失败、医源性骨折和股骨头坏死的发生率。

3、为降低in-out-in螺钉的发生率，国内外学者采取了多角度翻转透视等改进方法，但仍无法避免，尤其对于螺钉位置的量化和组合螺钉空间构型的判断，目前仍没有可行的研究思路。

4、一次性成功地置入空心钉导针(首次尝试即可成功实现准确置钉，简称“首准置钉”)，一直是骨科医生的研究热点和不懈追求，是避免股骨头颈血运和骨质医源性损伤的唯一手段。术中透视是目前在临床手术中判断螺钉位置的最重要也是唯一手段，如何通过术中透视准确确定股骨颈螺钉的轴位位置(坐标)，是避免术中发生in-out-in螺钉的关键，也是首准置钉技术的前提。目前的置钉手术中，存在以下亟待解决的技术瓶颈：1缺乏关于“定向定量的股骨颈螺钉通道的个体化股骨颈轴位安全靶区(asta)”的研究思路、方法和明确研究结论；2没有构建出基于恒定骨性解剖标志的股骨颈规范空间直角坐标系；3尚不能实现基于恒定骨性解剖标志而获得可重复性的透视图像；4还没有实现术中透视的x线图像与轴位ct的图像配准及相关研究证实；5术中通过x线透视图像计算的螺钉轴位位置(坐标)与其真实轴位坐标之间存在很大的偏差，因而不能通过术中透视定向定量地确定空心钉导针和螺钉的真实轴位坐标并准确判断其与安全靶区边界的关系。故无法从根源上避免in-out-in螺钉的发生，更不能实施首准置钉。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于股骨颈轴位安全靶区边界配准的空心钉首准置钉方法，在获取定向定量的股骨颈螺钉通道的个体化股骨颈轴位安全靶区(asta)的基础上，以恒定平坦的骨性解剖标志---股骨颈基底部前皮质(对应于asta的前底边)，作为构建空间直角坐标系o-xyz的参考地标和置钉手术中的解剖标志。平行或垂直于该平面能够获得可重复性的正侧位x片图像，据此计算出导针在正侧位x片中稳定的位置(坐标)，基于正侧位x线透视边界与股骨颈轴位安全靶区边界的配准、通过空间正交坐标系的坐标转换(即正位x片、侧位x片与轴位ct之间导针坐标的转换)，即可在以中轴线为原点的轴位安全靶区坐标系yoz中计算出所有导针的稳定轴位坐标，用于术中定量化地定位导针。此外，还可帮助外科医生建立新的轴位安全靶区几何模型、在术前设计组合螺钉的空间构型、实现中轴线导针组的置入、实现术中x-ct的图像配准和坐标转换，在术中可视化地评价空心钉导针的位置和空间构型，从根源上避免in-out-in螺钉的发生，从而实现股骨颈空心钉的首准置入。

2、需要说明的是，股骨颈外科中轴线(sca)具有如下特征：1、为冠状面股骨颈上下径峡部两切线的中线。2、在矢状面，sca平行于股骨颈前皮质(ac-fn)；3、sca经过asta的前后径(d-si)和上下径(d-ap)的中点；4、sca可术中确定。此外，基于股骨颈外科中轴线的理念和手术需求，利用术中置入的中轴线导针组还可以同时确定股骨颈基底部前皮质(即asta的前底边)的平行平面。

3、本技术中，所述股骨颈轴位安全靶区包括“个体化股骨颈轴位安全靶区(asta)”和“安全靶区几何模型”两种情况。

4、本技术中，所述规范化正交股骨颈正位x片是指垂直于股骨颈基底部前皮质进行透视获得的x片。所述规范化正交股骨颈侧位x片是指平行于股骨颈基底部前皮质进行透视获得的x片。

5、本发明所采用的技术方案：

6、一种基于股骨颈轴位安全靶区边界配准的空心钉首准置钉方法，包括如下步骤：

7、步骤s1：获取股骨颈轴位安全靶区，并获取股骨颈轴位安全靶区的上下径和前后径，即规范化正交股骨颈正位x片峡部的上下径、规范化正交股骨颈侧位x片峡部的前后径。

8、步骤s2：以股骨颈轴位安全靶区的前底边(股骨颈基底部的前皮质)为参照基准，画出股骨颈轴位安全靶区的外切矩形，以矩形中心为原点o，以平行股骨颈轴位安全靶区前底边的平行线为y轴，以垂直于股骨颈轴位安全靶区前底边的垂直线为z轴，建立一个平面直角坐标系yoz；将股骨颈轴位安全靶区设置为置钉手术计算的参照背景，在股骨颈轴位安全靶区范围内，在平面直角坐标系yoz上预先设定3枚空心钉导针的坐标。

9、步骤s3：在平面直角坐标系yoz的基础上，以股骨颈外科中轴线为x轴，建立空间直角坐标系o-xyz。

10、步骤s4：在术中将中轴线导针组置入股骨颈，并使中轴线导针组处于同一个平面且平行于股骨颈基底部前皮质的平面(轴位ct上)和股骨颈前皮质平面(矢状面ct和规范化正交股骨颈侧位x片上)，同时平行于股骨颈上下径峡部的切线(在冠状面ct和规范化正交股骨颈正位x片上)；中轴线导针组包括1枚中轴线导针、2枚方向维持钢针，其中，中轴线导针位于中间，2枚方向维持钢针位于中轴线导针的两侧。

11、步骤s5：在o-xyz空间直角坐标系下，以股骨颈基底部前皮质为基准，采用规范化正交透视获得规范化正交股骨颈正位x片、规范化正交股骨颈侧位x片，即沿z轴的方向(垂直于xoy平面直角坐标系)进行透视(以中轴线导针组所在平面为基准参照面，与基准参照面垂直进行透视)，获得规范化正交股骨颈正位x片(即xoy平面直角坐标系)；沿y轴的方向(垂直于xoz平面直角坐标系)进行透视(以中轴线导针组所在平面为基准参照面，与基准参照面平行进行透视)，获得规范化正交股骨颈侧位x片(即xoz平面直角坐标系)。

12、在规范化正交股骨颈正位x片上，作出中轴线导针的中心线，在股骨颈峡部的上边界、下边界分别作上边界线、下边界线，上边界线、下边界线分别与股骨颈峡部相切且与中轴线导针中心线平行，分别测量上边界线与下边界线之间、上边界线与中轴线导针中心线之间、下边界线与中轴线导针中心线之间的距离，然后计算中轴线导针中心线的y轴坐标(实际置入点坐标)，计算公式如下：y0＝(d5-d4)×d1/(2×d3)，式中：y0为xoy平面直角坐标系中中轴线导针中心线的y轴坐标，d1为股骨颈峡部的上下径(由ct测量或几何模型赋值)，d3为上边界线与下边界线之间的距离，d4为上边界线与中轴线导针中心线之间的距离，d5为下边界线与中轴线导针中心线之间的距离，单位为毫米(mm)，公式中d3＝d4+d5，d3、d4、d5均在规范化正交股骨颈正位x片上测量；

13、在规范化正交股骨颈侧位x片上，作出中轴线导针的中心线(此时2枚方向维持钢针与中轴线导针重合，该中心线与股骨颈正位x片图像上作出的中心线一致)，在股骨颈峡部的前边界、后边界分别作前边界线、后边界线，前边界线、后边界线分别与股骨颈峡部相切且与中轴线导针中心线平行，分别测量前边界线与后边界线之间、前边界线与中轴线导针中心线之间、后边界线与中轴线导针中心线之间的距离，然后计算中轴线导针中心线的z轴坐标(实际置入点坐标)，计算公式如下：z0＝(d7-d8)×d2/(2×d6)，式中：z0为xoz平面直角坐标系中中轴线导针中心线(中轴线导针)的z轴坐标，d2为股骨颈峡部的前后径(由ct测量或几何模型赋值)，d6为前边界线与后边界线之间的距离，d7为后边界线与中轴线导针中心线之间的距离，d8为前边界线与中轴线导针中心线之间的距离，单位为毫米(mm)，公式中d6＝d7+d8，d6、d7、d8均在规范化正交股骨颈侧位x片上测量。

14、步骤s6：基于规范化正交股骨颈正位x片、规范化正交股骨颈侧位x片边界峡部与股骨颈轴位安全靶区的边界配准，将步骤5计算得到的中轴线导针坐标(即实际置入点坐标(y0，z0))在平面直角坐标系yoz中标记出来，以该中轴线导针的坐标(y0，z0)为原点v，以平行于y轴的平行线为u轴，以平行于z轴的平行线(垂直于u轴)为w轴，建立一个新的平面直角坐标系uvw。将平面直角坐标系yoz中术前所设定的3枚空心钉导针的坐标，经过转换计算得到3枚空心钉导针在平面直角坐标系uvw中的坐标，也就是将预设的空心钉导针理论坐标转换至平面直角坐标系uvw中的坐标，实现空心钉导针坐标基于中轴线导针组为参照基准的量化，并且消除因中轴线导针的理论置入点与在术中实际置入点之间的偏差而造成的手术误差。

15、步骤s7：术中依据术前预设的3枚空心钉导针在平面直角坐标系uvw中的坐标，以先期置入股骨颈的中轴线导针为坐标原点、以置入股骨颈的中轴线导针组为参照基准，标定3枚空心钉导针的置入位置，然后分别置入3枚空心钉导针；再次采用规范化正交透视获得规范化正交股骨颈正位x片、规范化正交股骨颈侧位x片，在x片上，采用与上述计算中轴线导针中心线坐标相同的方法，计算3枚空心钉导针的y轴坐标和z轴坐标，等量赋值(转换)为股骨颈轴位安全靶区中yoz坐标系的y轴坐标和z轴坐标，标记到坐标系中，并与股骨颈轴位安全靶区的边界进行比较，确定不会穿出骨皮质、且达到术前设计的要求，否则须进行微调。

16、步骤s8：按照常规操作，沿空心钉导针，用空心钻扩大骨隧道、并置入空心钉(螺钉)；置入空心钉成功后，再次采用规范化正交透视获得规范化正交股骨颈正位x片、规范化正交股骨颈侧位x片，并按上述同样方法计算y轴坐标和z轴坐标，等量赋值(转换)为平面直角坐标系yoz上的y轴坐标和z轴坐标，标记到平面直角坐标系yoz中，与股骨颈轴位安全靶区边界进行比较，以验证并确保空心钉方向、位置和空间构型的准确实现。从而在术中实现参照基准(中轴线导针)的确定，规范化正交透视和坐标转换，实现依据术前设定的位置和空间构型准确置入空心钉导针和空心钉，以最大程度地消除由于钢针的弹性形变、透视不稳定和人为操作等因素造成的预设置钉位置与实际置钉位置之间的误差而造成的手术误差，确保首准置钉。

17、进一步地，所述步骤s1中，获取股骨颈轴位安全靶区的方式：利用ct扫描、经三维重建后获取股骨颈轴位ct图像，将所有轴位ct图像进行原位叠加，全部图像重合(交集)的部位即为股骨颈轴位安全靶区(个体化股骨颈轴位安全靶区(asta))。相应地，获取股骨颈轴位安全靶区的上下径和前后径的方式：将包括股骨颈轴位安全靶区在内的ct图像放大至图像比例为1:1，以股骨颈轴位安全靶区前底边(即股骨颈基底部前皮质)为参照基准，画出其外切矩形，然后测量外切矩形的长和宽即为轴位安全靶区的上下径和前后径。本方式主要用于股骨颈骨折无移位的情况，也可以是科研用的正常模型骨情况。

18、进一步地，所述步骤s1中，获取股骨颈轴位安全靶区的方式：以股骨颈基底部的轴位ct图像为参照背景，构建圆角三角形几何模型(适用于股骨颈骨折患者的临床手术)或圆角四边形几何模型(适用于模型骨模拟股骨颈骨折的实验研究)作为股骨颈轴位安全靶区(安全靶区几何模型)，且几何模型的前底边与股骨颈基底部的轴位ct图像前底边(股骨颈基底部的前皮质)重合。本方式主要用于股骨颈骨折有移位、不能直接用轴位ct图像获取个体化股骨颈轴位安全靶区的情况。相应地，在构建的股骨颈轴位安全靶区(安全靶区几何模型)中，采用估算法获取股骨颈轴位安全靶区的上下径和前后径的方式：1、获取股骨颈颈中部上下径峡部的轴位ct图像，在图像上测量上下径作为股骨颈轴位安全靶区的上下径，或者，获取股骨颈基底部的轴位ct图像，在图像上测量前后径作为股骨颈轴位安全靶区的前后径；依据测量得到的上下径或前后径，利用回归方程计算出另一个参数；回归方程如下：d2＝0.71×d1+1.35；式中：d1为股骨颈轴位安全靶区的上下径，d2为股骨颈轴位安全靶区的前后径，单位为毫米(mm)。本方式主要用于可以测量上下径和前后径二者之一的情况。2、以构建的股骨颈轴位安全靶区(安全靶区几何模型)为参照背景，将正常成年人髋关节的上下径和前后径赋值给股骨颈轴位安全靶区的上下径和前后径，优选地，所述上下径为26-38mm，所述前后径为17-29mm。本方式主要用于上下径和前后径均不能从ct图像上测量的情况。需要说明的是，使用构建安全靶区几何模型的情形，可能存在较大的误差，本发明通过以下方法进行修正：在置入中轴线导针组后的规范化正交正位透视x片中，两侧的方向维持钢针之间的距离为30mm，可以以此为比例尺、准确计算出上下径的数值，再通过回归方程计算出前后径的估算数值；将上述经过正交透视校正后的数值重新赋值给上下径和前后径，以减小误差。类似地，在置入空心钉导针后，也可以进行再次参数校正。多次的术中参数校正，可最大程度地减小手术误差。

19、进一步地，所述中轴线导针的置入方法为双平面定点错距法：1)、在o-xyz空间直角坐标系下，以股骨颈基底部前皮质为基准，沿z轴的方向进行透视获得规范化正交股骨颈正位x片，沿y轴的方向进行透视获得规范化正交股骨颈侧位x片，在规范化正交股骨颈正位x片上确定峡部上下径的中点，在规范化正交股骨颈侧位x片上确定峡部前后径的中点；2)、同时以上下径峡部的中点、前后径峡部的中点为置入点置入中轴线导针，并且使其平行于股骨颈前皮质，最后在中轴线导针的两侧分别置入1枚方向维持钢针，使中轴线导针组处于同一个平面且该平面平行于股骨颈基底部前皮质的平面(轴位ct)和股骨颈前皮质平面(矢状面ct和规范化正交股骨颈侧位x片)，同时平行于股骨颈上下径峡部的切线(在冠状面ct和规范化正交股骨颈正位x片上)。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果：

21、1、使用交集法获得了股骨颈通道螺钉的个体化股骨颈轴位安全靶区，并基于大量正常髋关节和模型股骨的数据，设置股骨颈轴位安全靶区的几何模型。以个体化股骨颈轴位安全靶区(asta)的前底边(即股骨颈基底部的前皮质)作为构建空间直角坐标系的参考地标，以股骨颈外科中轴线为x轴、平行于股骨颈基底部前皮质平面为y轴、垂直于股骨颈基底部前皮质平面为z轴建立规范的空间直角坐标系，同样利用股骨颈基底部前皮质这一恒定平坦的骨性解剖结构为定位标志置入中轴线导针组和实施术中规范化正交透视，并利用获得的可重复性的x片图像计算出以中轴线导针为原点的坐标系下所有空心钉导针的稳定轴位坐标，用于术中定位，可帮助外科医生在术前设计组合螺钉的空间构型、实现术中中轴线导针组的置入、实现术中规范化正交透视及术中x-ct图像配准和坐标转换，在术中可视化地评价空心钉导针的位置和空间构型，从根源上避免in-out-in螺钉的发生，还可以快速、可视化地定向定量确定螺钉的空间构型及其与安全边界的关系，从而实现股骨颈空心钉的首准置入。

22、2、以中轴线导针组为x线透视的参照基准，术中规范化正交正、侧位透视，获得可重复的术中股骨颈正、侧位x片图像，基于o-xyz空间直角坐标系，可保证x片边界峡部与股骨颈轴位安全靶区的边界实现配准(包括方向配准和边界配准)，以确保利用正、侧位x片图像计算的坐标与股骨颈轴位安全靶区坐标的对应，实现术中x-ct坐标转换。

23、3、在规范的o-xyz空间直角坐标系下，通过可重复性的术中股骨颈正、侧位x片图像计算出螺钉的轴位坐标，并标记到以中轴线导针为原点的平面直角坐标系uvw坐标系中，将预设的空心钉导针理论坐标转换为平面直角坐标系uvw中的坐标，实现预设的空心钉导针坐标、基于中轴线导针组为参照基准的量化。

24、4、在术中实现参照基准(中轴线导针)的确定，实现依据术前设定的位置和空间构型准确置入空心钉导针，以最大程度地消除由于钢针的弹性形变、透视不稳定和人为操作等因素造成的预设置钉位置与实际置钉位置之间的误差而造成的手术误差，确保首准置钉。