專利名稱：一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及前交叉韌帶重建時(shí)的術(shù)前規(guī)劃虛擬技術(shù)，具體涉及一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法。
背景技術(shù)：
前交叉韌帶(Anterior Cruciate Ligament, ACL)損傷是膝關(guān)節(jié)常見損傷。近年來(lái)，隨著交通事故增多及我國(guó)競(jìng)技體育水平的提高和群眾性體育運(yùn)動(dòng)的廣泛開展，ACL損傷的發(fā)病率更是日益增加。ACL損傷難以自愈，治療不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)不穩(wěn)，引起膝關(guān)節(jié)繼發(fā)半月板、軟骨損傷和關(guān)節(jié)過(guò)早退變，嚴(yán)重影響關(guān)節(jié)功能及患者的生活和工作質(zhì)量。對(duì)損傷的ACL必須及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，ACL重建手術(shù)為骨科及運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)最常見的手術(shù)之一，盡管關(guān)節(jié)鏡下ACL重建手術(shù)已日趨成熟，但文獻(xiàn)報(bào)道中仍有10%-15%的失敗率和高達(dá) 10%-20%的翻修率。而前交叉韌帶重建時(shí)不正確的隧道位置是重建手術(shù)失敗的主要原因,將直接導(dǎo)致膝關(guān)節(jié)失穩(wěn)，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍改變，膝關(guān)節(jié)滑膜炎，創(chuàng)傷性膝關(guān)節(jié)炎，交叉韌帶撞擊等嚴(yán)重后果。因此，如何對(duì)前交叉韌帶重建術(shù)中的骨隧道位置進(jìn)行精確定位是ACL重建的研究熱點(diǎn)和難題之一。目前，關(guān)節(jié)鏡下ACL重建術(shù)是最為廣泛開展的ACL重建術(shù)，該手術(shù)雖可以縮小切口，減少軟組織創(chuàng)傷，但也給術(shù)者帶來(lái)了失去組織結(jié)構(gòu)形態(tài)全面觀的危險(xiǎn)，容易導(dǎo)致ACL在脛骨和股骨錯(cuò)誤的定位從而引起移植物骨隧道位置的偏移，使得前交叉移植物與股骨髁間窩撞擊，并伴隨移植物粘連、膝關(guān)節(jié)持續(xù)性屈曲攣縮及繼發(fā)功能障礙。而隨著計(jì)算機(jī)輔助外科技術(shù)的興起，其相關(guān)技術(shù)手段有望為解決以上問(wèn)題提供有效解決辦法，其工作原理是利用數(shù)字化影像信息如CT、MRI等，通過(guò)媒介體輸入計(jì)算機(jī)工作站，經(jīng)運(yùn)算處理后重建三維模型影像，手術(shù)醫(yī)生通過(guò)相關(guān)軟件，在此影像基礎(chǔ)上進(jìn)行術(shù)前計(jì)劃并模擬手術(shù)進(jìn)程，制定合理的手術(shù)方案，完成術(shù)前規(guī)劃并輔助完成微創(chuàng)或無(wú)創(chuàng)手術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有前交叉韌帶重建技術(shù)的不足，提供一種精確、便捷、費(fèi)用低廉的，虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法，為ACL損傷的臨床術(shù)前計(jì)劃、遠(yuǎn)程醫(yī)療和教學(xué)培訓(xùn)提供技術(shù)支持。本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的技術(shù)方案主要基于以下認(rèn)識(shí)前交叉韌帶(ACL)重建手術(shù)要取得良好效果，必須要使重建的前交叉韌帶與原來(lái)的前交叉韌帶的解剖結(jié)構(gòu)等長(zhǎng)，即達(dá)到解剖重建，只有這樣才能保證功能的完全恢復(fù)。而成功進(jìn)行解剖重建的關(guān)鍵點(diǎn)在于重建后的ACL兩端必須位于前交叉韌帶損傷前的脛骨和股骨附著點(diǎn)。這就能保證重建后的ACL在膝關(guān)節(jié)伸屈活動(dòng)過(guò)程中，長(zhǎng)度和張力基本不變，既可在任何屈伸位置限制脛骨前移，又不會(huì)限制膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍，也不致因活動(dòng)過(guò)程中張力變化太大使重建的前交叉韌帶過(guò)早松弛或斷裂而失敗。而應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，先在膝關(guān)節(jié)三維模型上精確定位并進(jìn)行虛擬ACL解剖重建，再應(yīng)用到實(shí)際操作過(guò)程中，就能夠使ACL重建手術(shù)更加安全和準(zhǔn)確。一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法，具體包括以下步驟第一步,對(duì)前交叉韌帶損傷患者的雙膝關(guān)節(jié)進(jìn)行伸直位核磁共振成像(MagneticResonance Imaging, MRI)掃描，成像掃描參數(shù)為TR 11000ms ,TE 25ms ;層厚 I. O mm;層間距0mm;回波鏈14;激勵(lì)2次；矩陣192/320 ;F0V 18 ;每個(gè)實(shí)體掃描分別獲得50層冠狀位、50層矢狀位、50層額狀位圖像，在工作站上將圖像以DICOM格式存儲(chǔ)得到MRI資料；第二步，對(duì)該患者的雙膝關(guān)節(jié)進(jìn)行屈曲位電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描(Computerized Tomography, CT)掃描，CT 設(shè)備為 128 排螺旋 CT (SIEMENS 公司，德國(guó))，對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行連續(xù)掃描，掃描范圍為從髕骨上極上方15cm至脛骨結(jié)節(jié)下方10cm，掃描條件電壓120kv，電流150mA，層厚O. 625mm、矩陣512 X 512，CT圖像在工作站上以DICOM格式存儲(chǔ)得到CT資料；第三步，將雙膝關(guān)節(jié)的MRI資料和CT資料導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像重建軟件MimicslO. 01(Materialise公司，比利時(shí))中，對(duì)雙膝關(guān)節(jié)的中的胚骨、股骨、館骨、腓骨、前交叉韌帶、后交叉韌帶、半月板進(jìn)行三維重建，并進(jìn)行修整，加工處理；第四步，將膝關(guān)節(jié)三維模型以STLs格式存儲(chǔ)，導(dǎo)入逆向工程軟件GeomagicStudio 2012、對(duì)膝關(guān)節(jié)三維模型中的各種解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步地修整，美化，均以O(shè)BJ格式儲(chǔ)存；第五步，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)股骨，脛骨和前交叉韌帶ACL的OBJ格式文件進(jìn)行以下操作(I)計(jì)算ACL相交面積在三維空間中，計(jì)算ACL模型與股骨和脛骨模型的相交面，從而確定ACL起止點(diǎn)在股骨和脛骨模型的初始范圍，計(jì)算公式如下C=A Π B= {x/x e Aandx e B}(i)式中A代表ACL模型的三角面片集合，B代表股骨或脛骨模型三角面片集合，C是A與B的交集，形成一個(gè)封閉的三維面片；(2) ACL起止點(diǎn)聚類分析使用EM聚類分析算法，對(duì)步驟(I)中計(jì)算得到ACL相交面進(jìn)行聚類分析，具體步驟如下①對(duì)相交面進(jìn)行采樣，取η個(gè)樣例間獨(dú)立的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)Ix⑴，…，X (η)}；②對(duì)選定的訓(xùn)練樣本Ix (I)，…，X (η)}，每個(gè)樣例隱含的類別為C，能使得P (x，c)最大；p(x, C)的最大似然估計(jì)如下
權(quán)利要求
1.一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法，具體包括以下步驟 第一步，對(duì)前交叉韌帶損傷患者的雙膝關(guān)節(jié)進(jìn)行伸直位核磁共振成像MRI掃描，成像掃描參數(shù)為TR IlOOOms，TE 25ms ;層厚I. O mm ;層間距Omm ;回波鏈14 ;激勵(lì)2次；矩陣192/320 ;FOV 18 ;每個(gè)實(shí)體掃描分別獲得50層冠狀位、50層矢狀位、50層額狀位圖像，在工作站上將圖像以DICOM格式存儲(chǔ)得到MRI資料； 第二步，對(duì)該患者的雙膝關(guān)節(jié)進(jìn)行屈曲位電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描CT掃描，CT設(shè)備為128排螺旋CT，對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行連續(xù)掃描，掃描范圍為從髕骨上極上方15cm至脛骨結(jié)節(jié)下方10cm，掃描條件電壓120kv，電流150mA，層厚O. 625_、矩陣512 X 512，CT圖像在工作站上以DICOM格式存儲(chǔ)得到CT資料； 第三步，將雙膝關(guān)節(jié)的MRI資料和CT資料導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像重建軟件MimicslO. 01中，對(duì)雙膝關(guān)節(jié)的中的脛骨、股骨、髕骨、腓骨、前交叉韌帶、后交叉韌帶、半月板進(jìn)行三維重建，并進(jìn)行修整,加工處理；第四步，將膝關(guān)節(jié)三維模型以STLs格式存儲(chǔ)，導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic Studio2012、對(duì)膝關(guān)節(jié)三維模型中的各種解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步地修整，美化，均以O(shè)BJ格式儲(chǔ)存；第五步，應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)股骨，脛骨和前交叉韌帶ACL的OBJ格式文件進(jìn)行以下操作 (1)計(jì)算ACL相交面積 在三維空間中，計(jì)算ACL模型與股骨和脛骨模型的相交面，從而確定ACL起止點(diǎn)在股骨和脛骨模型的初始范圍，計(jì)算公式如下 C=A n B={x/x e Aandx e B}(i) 式中A代表ACL模型的三角面片集合，B代表股骨或脛骨模型三角面片集合，C是A與B的交集，形成一個(gè)封閉的三維面片； (2)ACL起止點(diǎn)聚類分析 使用EM聚類分析算法，對(duì)步驟(I)中計(jì)算得到ACL相交面進(jìn)行聚類分析，具體步驟如下 ①對(duì)相交面進(jìn)行采樣，取η個(gè)樣例間獨(dú)立的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)點(diǎn)|x(l)，…，χ(η)}； ②對(duì)選定的訓(xùn)練樣本{1(1)，一^(11)}，每個(gè)樣例隱含的類別為(3，能使得？(1，(3)最大；p(x, C)的最大似然估計(jì)如下
全文摘要
本發(fā)明公開了一種虛擬構(gòu)建前交叉韌帶在股骨和脛骨隧道的方法。首先對(duì)前交叉韌帶損傷患者的雙膝關(guān)節(jié)進(jìn)行伸直位核磁共振掃描和屈曲位CT掃描,然后將雙膝關(guān)節(jié)的掃描資料導(dǎo)入醫(yī)學(xué)影像重建軟件中進(jìn)行三維重建，之后再將三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入逆向工程軟件進(jìn)一步地修整，美化，最后再應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)股骨，脛骨和前交叉韌帶的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計(jì)算，虛擬出前交叉韌帶在脛骨、股骨上的出口和入口，以及在脛骨及股骨表面的標(biāo)記點(diǎn)。本發(fā)明有助于實(shí)現(xiàn)適合于個(gè)體化的ACL準(zhǔn)確定位植入，是提高ACL修復(fù)重建療效的一條卓有成效的新途徑?？梢宰尦跫?jí)的外科醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的信息進(jìn)行術(shù)前規(guī)劃、手術(shù)模擬演練、手術(shù)教學(xué)、指導(dǎo)手術(shù)實(shí)際操作和術(shù)后康復(fù)等工作。
文檔編號(hào)A61B19/00GK102940530SQ20121046416
公開日2013年2月27日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者李彥林, 邢琪, 何川, 陳錦雄, 王國(guó)梁, 王?？?申請(qǐng)人:昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院