一种骨科手术导板设计方法技术

本申请公开了一种骨科手术导板设计方法。其具体步骤包括：获取患者的医学影像数据、通过对影像数据二维分割得到骨骼掩模、对骨骼掩模进行三维重建，得到三维骨模型、对三维骨模型采用保留特征的平滑算法进行平滑处理、在骨骼贴合面上进行增厚得到导板模型。本申请提供的导板设计方法，由于其中包括保留特征的平滑算法，因此建模精度更高。根据设计得到的导板模型加工导板后，与实际骨骼的贴合度显著提升，是骨科个性化治疗方案中必不可少的组成部分。分。分。

【技术实现步骤摘要】
一种骨科手术导板设计方法


[0001]本申请涉及外科手术辅助软件领域，尤其涉及一种骨科手术导板设计方法。

技术介绍

[0002]近年来，3D打印技术被越来越多地应用在医学领域，尤其在外科手术领域。从3D打印模型到应用于临床手术操作的3D打印导板、3D打印假体，基于医学数字影像技术(CT、核磁共振成像MRI)的3D打印技术越来越多地受到骨科手术医生的关注。3D打印技术在临床手术中的应用能够优化手术方案，使得复杂的手术简单化，减少对人体的损伤，提高手术质量。同时，3D打印技术在人造假体、人造骨、手术辅助器具等方面得到广泛的应用，成为了满足个性化需求的重要技术手段。
[0003]截骨导板是截骨手术中常用的辅助器具之一。利用3D打印技术获得的截骨导板具有精度高、贴合好的特点。通常而言，制备3D打印个性化截骨导板首先需要获取患者的医学影像数据，例如CT或MRI的图像，将这些图像导入到软件中进行三维模型重建。然后通过镜像技术将健康骨模型与畸形骨模型进行叠加，明确畸形位置以及畸形成都。随后在畸形愈合区域设置虚拟切割面，对切割下的骨块进行旋转以及移动，使其与健康骨模型相匹配，最后得到与骨模型匹配的截骨导板模型，用于输入3D打印机。
[0004]在基于医学影像数据进行三维模型重建的过程中，由于CT或MRI图像的不清晰或骨模型分割精度的限制，会不可避免地在重建得到的三维骨模型表面上产生噪声点。这些噪声点在视觉上表现为突兀的凸起或凹陷，使得模型表面看上去粗糙不光滑。在骨模型上存在的噪声点会导致截骨导板的数字模型上同样存在相匹配的噪声点，基于这样的数字模型，当截骨导板通过3D打印机加工成形后，与实际骨骼表面贴合精度不高，难以满足个性化需求。
[0005]在现有技术中，为了解决截骨导板与实际骨骼表面贴合精度的问题，通常在三维骨模型重建时加入平滑算法。平滑算法的基本逻辑是对构成三维骨模型的三角网格模型上的顶点进行插值坐标移动，使得每个顶点距离其他顶点的距离差值变小，起到平滑作用。
[0006]然而，人体的骨骼表面原本就存在一些生理性的凸起或凹陷的特征。现有的平滑算法无法分辨哪些点是生理性的特征、哪些是模型重建过程中产生的噪声点。因此经过现有技术中存在的平滑算法的处理，尽管噪声点得到了一定程度的平滑，但同时骨骼表面原本的特征也被平滑处理，使得骨模型丢了一部分生理性的特征，反而降低了模型重建的精度。最终导致导板的贴合精度仍然不高。
[0007]因此本领域技术人员致力于开发一种骨科手术导板设计方法，该方法采用一种保留特征的平滑算法，以提高手术导板与人体骨骼贴合的精度。

技术实现思路

[0008]为实现上述目的，本申请提供了一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
[0009]步骤1、获取患者的医学影像数据；
[0010]步骤2、对所述医学影像数据中与手术相关的部分进行二维分割，得到骨骼掩模；
[0011]步骤3、对所述骨骼掩模进行三维重建，得到第一三维骨模型；
[0012]步骤4、对所述第一三维骨模型，采用保留特征的平滑算法进行模型平滑，得到第二三维骨模型。
[0013]步骤5、对所述第二三维骨模型上的手术相关部位的骨骼贴合面进行增厚，得到导板模型；
[0014]其中，所述保留特征的平滑算法被配置为保留骨模型上的生理特征。
[0015]进一步地，所述第一三维骨模型为三角网格模型，由若干个共边或共点邻接的三角形闭合围绕构成。
[0016]进一步地，所述保留特征的平滑算法具体包括：
[0017]步骤4.1、对于所述第一三维骨模型上的每一个三角形，计算三角形法向量：基于与所述三角形的边邻接三角形以及点邻接三角形的面积和方向向量，计算得到所述三角形的三角形法向量；
[0018]步骤4.2、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算顶点法向量：基于所述顶点所属的所述三角形的面积以及步骤4.1中得到的所述三角形法向量，计算得到所述顶点的顶点法向量；
[0019]步骤4.3、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算坐标偏移向量：基于所述顶点以及与其邻接的顶点的坐标和法向量，计算得到所述顶点的坐标偏移向量；
[0020]步骤4.4、基于所述顶点偏移向量对所述顶点进行坐标移动，以完成对所述第一三维骨模型的平滑，得到所述第二三维骨模型。
[0021]进一步地，步骤4.1中，所述三角形法向量计算公式为
[0022][0023]其中，M(T)表示三角形t的所述三角形法向量，N
e
(t)表示三角形t的边邻接三角形集合，N
v
(t)表示三角形t的点邻接三角形集合，A(S)表示三角形的面积，N(S)表示三角形的方向向量。
[0024]进一步地，步骤4.2中，所述顶点法向量的计算公式为
[0025][0026]其中，M(v)表示顶点v的所述顶点法向量，N(v)表示与顶点v邻接的三角形集合，A(T)表示三角形的面积，M(T)表示三角形的法向量。
[0027]进一步地，步骤4.3中，所述坐标偏移向量的计算公式为
[0028][0029]其中，d(v
i
)表示顶点v
i
的坐标偏移向量，λ表示调节系数，为0～1之间的一个数；
[0030]此外，其中l
j
表示顶点v
i
和其邻接的顶点v
j
之间的距
离；
[0031]此外，其中a
j
表示顶点v
i
的法向量和其邻接的顶点v
j
的法向量之间的夹角。
[0032]进一步地，λ设置值为0.2
‑
0.4。
[0033]进一步地，步骤4.3中，所述坐标移动满足如下公式：
[0034]v
i
′
＝v
i
+λ
i
d(v
i
)
[0035]其中，v
i
′
表示顶点v
i
进行坐标移动后的坐标，d(v
i
)表示顶点v
i
的坐标偏移向量；
[0036]此外，其中a
j
表示顶点v
i
的法向量和其邻接的顶点v
j
的法向量之间的夹角。
[0037]进一步地，步骤2中，采用阈值分割算法进行所述二维分割，并采用区域增长算法得到所述骨骼掩模。
[0038]进一步地，步骤3中，对所述骨骼掩模进行三维重建采用marching cube算法。
[0039]与现有技术相比，本申请的技术方案至少具备以下技术效果：
[0040]本申请提供的技术方案，由于采用了保留特征的平滑算法，能够识别三维骨骼模型上的噪声点和特征点，对于噪声点做平滑处理，同时保留骨骼原有的特征。因此基于本方法设计的导板，精度更高，与原骨骼表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤1、获取患者的医学影像数据；步骤2、对所述医学影像数据中与手术相关的部分进行二维分割，得到骨骼掩模；步骤3、对所述骨骼掩模进行三维重建，得到第一三维骨模型；步骤4、对所述第一三维骨模型，采用保留特征的平滑算法进行模型平滑，得到第二三维骨模型。步骤5、对所述第二三维骨模型上的手术相关部位的骨骼贴合面进行增厚，得到导板模型；其中，所述保留特征的平滑算法被配置为保留骨模型上的生理特征。2.如权利要求1所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，所述第一三维骨模型为三角网格模型，由若干个共边或共点邻接的三角形闭合围绕构成。3.如权利要求2所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，所述保留特征的平滑算法具体包括：步骤4.1、对于所述第一三维骨模型上的每一个三角形，计算三角形法向量：基于与所述三角形的边邻接三角形以及点邻接三角形的面积和方向向量，计算得到所述三角形的三角形法向量；步骤4.2、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算顶点法向量：基于所述顶点所属的所述三角形的面积以及步骤4.1中得到的所述三角形法向量，计算得到所述顶点的顶点法向量；步骤4.3、对于所述第一三维骨模型上的每一个顶点，计算坐标偏移向量：基于所述顶点以及与其邻接的顶点的坐标和法向量，计算得到所述顶点的坐标偏移向量；步骤4.4、基于所述顶点偏移向量对所述顶点进行坐标移动，以完成对所述第一三维骨模型的平滑，得到所述第二三维骨模型。4.如权利要求3所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤4.1中，所述三角形法向量计算公式为其中，M(T)表示三角形t的所述三角形法向量，N
e
(t)表示三角形t的边邻接三角形集合，N
v
(t)表示三角形t的点邻接三角形集合，A(S)表示三角形的面积，N(S)表示三角形的方向向量。5.如权利要求3所述的一种骨科手术导板设计方法，其特征在于，步骤4.2中，所述顶点法向量的计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘非，程咏华，
申请(专利权)人：上海昕健医疗技术有限公司，
类型：发明
国别省市：