本發(fā)明涉及計算機三維仿真技術領域，尤其涉及一種膝關節(jié)盤狀半月板模擬手術方法。

背景技術：

醫(yī)學上經常采用正常人體膝關節(jié)進行三維建模，對所建立起的膝關節(jié)三維模型進行各種研究。盤狀半月板是一種少見的半月板畸形，外側盤狀半月板多于內側盤狀半月板。據報告外側盤狀半月板的發(fā)生率在日本和韓國患者中為26％，而在其它國家的患者中不到1％，內側盤狀半月板的發(fā)生率為0％～0.3％。

目前在臨床上對于盤狀半月板手術的最佳手術方式還沒有達成共識，對術后效果很難做出預評價，而且目前在醫(yī)學上還沒有一種簡便直觀的方法來模擬盤狀半月板的手術過程，醫(yī)生通過口頭講述給患者解釋手術過程，患者聽起來模棱兩可，不利于醫(yī)患溝通。

技術實現要素：

本發(fā)明旨在提供一種膝關節(jié)盤狀半月板模擬手術方法，能夠有針對性地展示患者膝關節(jié)病變部位，模擬手術過程，評價手術效果，實現個體化和精準化的手術操作，加強醫(yī)患溝通。

為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

一種膝關節(jié)盤狀半月板模擬手術方法，包括：

對確診為盤狀半月板且半月板形態(tài)完整的患者的膝關節(jié)分別進行ct和mri掃描，以獲取ct數據和mri數據；

將所述ct數據進行處理，獲取膝關節(jié)骨骼三維模型；將所述mri數據進行處理，獲取膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型；

將所述膝關節(jié)骨骼三維模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型進行配準，生成膝關節(jié)三維模型，并生成所述膝關節(jié)三維模型中骨骼、軟骨、韌帶、半月板的坐標位置；

將所述膝關節(jié)骨骼三維模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型進行曲面重建，獲取膝關節(jié)骨骼nurbs曲面模型和膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板nurbs曲面模型；

將所述膝關節(jié)骨骼nurbs曲面模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板nurbs曲面模型按照解剖結構和所述膝關節(jié)三維模型中骨骼、軟骨、韌帶、半月板的坐標位置進行組裝，生成膝關節(jié)實體模型；

在所述膝關節(jié)實體模型上切除盤狀半月板中的病變部位，以模擬修整手術。

進一步的，還包括：在所述膝關節(jié)實體模型上進行可解剖測量和/或生物力學測量，以評估手術效果。

優(yōu)選的，進行ct掃描的掃描參數為：采用siemenz64排螺旋ct機，電壓120kv，電流35ma，準直器寬度0.6mm，螺距0.7，層厚1mm，重疊50％，每層掃描時間500ms。

優(yōu)選的，進行mri掃描的掃描參數為：采用siemenz3.0t超導磁共振掃描儀，矢狀位3d(three-dimensional，三維)質子密度加權成像序列，tr(重復時間)1300ms，te(回波時間)30ms,層厚0.6mm，矩陣320*224。

優(yōu)選的，將所述ct數據和所述mri數據進行處理的方法為：將獲取的ct數據導入醫(yī)學圖像處理軟件，確定ct數據圖像冠狀面、矢狀面、額狀面的方位，調整ct數據圖像的閾值，獲得股骨、脛骨及腓骨圖像范圍；分別建立股骨、脛骨、腓骨的mask層，去除無關的圖像數據；分別調整股骨、脛骨、腓骨圖像的閾值，建立膝關節(jié)骨骼三維模型；將獲取的mri數據導入醫(yī)學圖像處理軟件，確定mri數據圖像冠狀面、矢狀面、額狀面的方位，調整mri數據圖像的閾值，獲得前后交叉韌帶、內外側副韌帶、股骨軟骨、脛骨軟骨及內外側半月板圖像范圍；分別建立前后交叉韌帶、內外側副韌帶、股骨軟骨、脛骨軟骨、內外側半月板的mask層，建立膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型。

優(yōu)選的，將所述膝關節(jié)骨骼三維模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型進行曲面重建的方法為：將所述膝關節(jié)骨骼三維模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型導入逆向建模軟件，消除骨骼、軟骨、韌帶、半月板三維模型的噪點，并利用所述逆向建模軟件中的曲面重建功能建立膝關節(jié)骨骼nurbs曲面模型和膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板nurbs曲面模型。

優(yōu)選的，將所述膝關節(jié)骨骼nurbs曲面模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板nurbs曲面模型按照解剖結構和所述膝關節(jié)三維模型中骨骼、軟骨、韌帶、半月板的坐標位置進行組裝所使用的軟件為三維機械制圖軟件nx8.5。

優(yōu)選的，在所述膝關節(jié)實體模型上切除盤狀半月板中的指定部分，以模擬修整手術的方法為：在所述三維機械制圖軟件nx8.5中，根據臨床經驗，調整盤狀半月板的修整范圍；在所述修整范圍內，采用草圖中的曲線和實體建模中的拉伸功能，并采用去除材料命令切除盤狀半月板中的病變部位，獲得盤狀半月板修整后手術模型。

本發(fā)明實施例提供的膝關節(jié)盤狀半月板模擬手術方法，通過對患者的膝關節(jié)進行三維實體建模，再在該三維實體模型上進行模擬切除手術，通過生物力學測量對手術效果進行預評價，從而找到最適合的手術方式，實現個體化和精準化的手術操作。同時，使每一個盤狀半月板患者不僅能清楚地看到自己的膝關節(jié)病變狀況，還能直觀地感受到整個手術過程。由于對每個患者的膝關節(jié)都建立三維模型，使得整個建模過程更加有針對性，從而加強了醫(yī)患溝通。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的方法流程圖；

圖2為ct圖像導入mimics中建立的膝關節(jié)骨骼m(xù)ask層；

圖3為mri圖像導入mimics中建立的膝關節(jié)軟骨及韌帶mask層；

圖4為股骨及股骨軟骨的nurbs曲面模型；

圖5為本發(fā)明實施例步驟105中生成的膝關節(jié)實體模型。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

圖1為本發(fā)明膝關節(jié)盤狀半月板模擬手術方法流程圖。

步驟101，對確診為盤狀半月板且半月板形態(tài)完整的患者的膝關節(jié)分別進行ct和mri掃描，以獲取ct數據和mri數據；

在本發(fā)明實施例中，進行上述ct和mri掃描的方法為：患者處于仰臥位，膝關節(jié)固定于伸直0度位，在膝關節(jié)間隙上下10cm范圍內分別進行ct和mri掃描。進行ct掃描的掃描參數為：采用siemenz64排螺旋ct機，電壓120kv，電流35ma，準直器寬度0.6mm，螺距0.7，層厚1mm，重疊50％，每層掃描時間500ms。進行mri掃描的掃描參數為：采用siemenz3.0t超導磁共振掃描儀，矢狀位3d(three-dimensional，三維)質子密度加權成像序列，tr(重復時間)1300ms，te(回波時間)30ms,層厚0.6mm，矩陣320*224。將獲取的ct數據和mri數據以dicom格式進行保存。ct數據用來進行膝關節(jié)骨骼的重建，mri數據用來進行膝關節(jié)韌帶、軟骨和半月板的重建。

步驟102，將所述ct數據進行處理，獲取膝關節(jié)骨骼三維模型；將所述mri數據進行處理，獲取膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型；

在本發(fā)明實施例中，將ct數據進行處理的方法為：將獲取的二維ct數據導入醫(yī)學圖像處理軟件mimics17中，確定ct數據圖像冠狀面、矢狀面、額狀面的方位，調整ct數據圖像的閾值，手動調整直至完全覆蓋目標組織的所有層面，獲得股骨、脛骨及腓骨圖像范圍；分別建立股骨、脛骨、腓骨的mask層，利用editmasks中的erase命令擦去無關的圖像數據，從而獲得所需的股骨、脛骨、腓骨的區(qū)域；分別調整股骨、脛骨、腓骨圖像的閾值，獲得骨松質的圖像范圍，運用calculate3d命令建立膝關節(jié)骨骼三維模型。上述骨骼三維模型包括骨皮質和骨松質的三維模型。將建立好的膝關節(jié)骨骼三維模型以stl格式進行保存。圖2為ct圖像導入mimics中建立的膝關節(jié)骨骼m(xù)ask層。

將mri數據進行處理的方法為：將獲取的二維mri數據導入醫(yī)學圖像處理軟件mimics17中，確定mri數據圖像冠狀面、矢狀面、額狀面的方位，調整mri數據圖像的閾值，手動調整直至完全覆蓋目標組織的所有層面，獲得前后交叉韌帶、內外側副韌帶、股骨軟骨、脛骨軟骨及內外側半月板圖像范圍；分別建立前后交叉韌帶、內外側副韌帶、股骨軟骨、脛骨軟骨、內外側半月板的mask層，運用calculate3d命令建立前后交叉韌帶、內外側副韌帶、股骨軟骨、脛骨軟骨和內外側半月板的三維模型，即建立起膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型。將建立好的膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型以stl格式進行保存。圖3為mri圖像導入mimics中建立的膝關節(jié)軟骨及韌帶mask層。

步驟103，將所述膝關節(jié)骨骼三維模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型進行配準，生成膝關節(jié)三維模型，并生成所述膝關節(jié)三維模型中骨骼、軟骨、韌帶、半月板的坐標位置；

在本發(fā)明實施例中，使用mimics17的導入功能，把stl格式的膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型導入到stl格式的膝關節(jié)骨骼三維模型中，利用mimics17中部件的移動、旋轉功能，調整軟骨、韌帶、半月板三維模型在骨骼三維模型中的位置，使其符合膝關節(jié)的解剖結構關系，完成骨骼和軟骨、韌帶、半月板的配準。

步驟104，將所述膝關節(jié)骨骼三維模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型進行曲面重建，獲取膝關節(jié)骨骼nurbs曲面模型和膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板nurbs曲面模型；

在本發(fā)明實施例中，進行曲面重建的目的是將上述建立起的三維模型進行優(yōu)化，使模型有利于后期的進一步處理。將步驟102中生成的stl格式的膝關節(jié)骨骼三維模型和stl格式的膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板三維模型導入逆向建模軟件geomagicstudio2013中，消除骨骼、軟骨、韌帶、半月板三維模型的噪點，檢查各模型的交錯面和細小通道，消除尖銳邊，光順各個模型的表面，并利用geomagicstudio2013中的曲面重建功能建立膝關節(jié)骨骼nurbs曲面模型和膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板nurbs曲面模型，所得的上述nurbs曲面模型以.iges文件格式保存。圖4為股骨及股骨軟骨的nurbs曲面模型。

步驟105，將所述膝關節(jié)骨骼nurbs曲面模型和所述膝關節(jié)軟骨、韌帶、半月板nurbs曲面模型按照解剖結構和所述膝關節(jié)三維模型中骨骼、軟骨、韌帶、半月板的坐標位置進行組裝，生成膝關節(jié)實體模型；

在本發(fā)明實施例中，使用三維機械制圖專用軟件nx8.5，siemens將股骨、脛骨和軟骨、韌帶、半月板按照人體解剖結構，并參照步驟103中生成的各部分坐標位置進行組裝，成為可以進行布爾運算的裝配體。然后利用布爾命令使各部分形成面面接觸的位置關系，完成膝關節(jié)實體模型構建，如圖5所示。

步驟106，在所述膝關節(jié)實體模型上切除盤狀半月板中的病變部位，以模擬修整手術。

在本發(fā)明實施例中，根據臨床經驗在nx8.5中，調整盤狀半月板的修整范圍；在所述修整范圍內，采用草圖中的曲線和實體建模中的拉伸功能，并采用去除材料命令切除盤狀半月板中的病變部位，獲得盤狀半月板修整后手術模型。同時，還可以在生成的膝關節(jié)實體模型上進行可解剖測量和/或生物力學測量，以評估手術效果，使手術過程更加精細化、準確化。

本發(fā)明實施例提供的膝關節(jié)盤狀半月板模擬手術方法，通過直接收集盤狀半月板的影像資料，并且結合ct與mri對不同組織顯影的優(yōu)勢建立了膝關節(jié)盤狀半月板的三維模型，能更好地體現出盤狀半月板真實的解剖結構，以便于觀察和測量。通過在三維模型上進行模擬手術，可讓患者在術前更好地了解自身的病情及手術計劃，提高患者的依從性，從而加強了醫(yī)患溝通。尤其是，生成的膝關節(jié)實體模型由于可進行解剖測量和生物力學測量，能夠評估手術效果，并使手術過程更加精細化、準確化。同時對于一些科學研究，可以避免在人體身上測試，降低科研成本，規(guī)避了倫理問題。在教學中，更形象的畫面方便學生理解內容，提高教學質量。本技術可推廣到其他部位組織，通過模擬手術，為臨床、科研、教學帶來更多的便利。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。