一种虚拟构建前交叉韧带在股骨和胫骨隧道的方法

摘要

本发明公开了一种虚拟构建前交叉韧带在股骨和胫骨隧道的方法。首先对前交叉韧带损伤患者的双膝关节进行伸直位核磁共振扫描和屈曲位CT扫描，然后将双膝关节的扫描资料导入医学影像重建软件中进行三维重建，之后再将三维数据导入逆向工程软件进一步地修整，美化，最后再应用计算机对股骨，胫骨和前交叉韧带的各种数据进行整理计算，虚拟出前交叉韧带在胫骨、股骨上的出口和入口，以及在胫骨及股骨表面的标记点。本发明有助于实现适合于个体化的ACL准确定位植入，是提高ACL修复重建疗效的一条卓有成效的新途径。可以让初级的外科医生借助虚拟环境中的信息进行术前规划、手术模拟演练、手术教学、指导手术实际操作和术后康复等工作。

主权项

一种虚拟构建前交叉韧带在股骨和胫骨隧道的方法，具体包括以下步骤：第一步，对前交叉韧带损伤患者的双膝关节进行伸直位核磁共振成像MRI扫描，成像扫描参数为：TR11000ms，TE25ms；层厚1.0mm；层间距0mm；回波链14；激励2次；矩阵192/320；FOV18；每个实体扫描分别获得50层冠状位、50层矢状位、50层额状位图像，在工作站上将图像以DICOM格式存储得到MRI资料；第二步，对该患者的双膝关节进行屈曲位电子计算机X射线断层扫描CT扫描,CT设备为128排螺旋CT，对膝关节进行连续扫描，扫描范围为从髌骨上极上方15cm至胫骨结节下方10cm，扫描条件：电压120kv,电流150mA，层厚0.625mm、矩阵512×512，CT图像在工作站上以DICOM格式存储得到CT资料；第三步，将双膝关节的MRI资料和CT资料导入医学影像重建软件Mimics10.01中，对双膝关节中的胫骨、股骨、髌骨、腓骨、前交叉韧带、后交叉韧带、半月板分别进行三维重建,并进行修整，加工处理；第四步，将膝关节三维模型以STLs格式存储，导入逆向工程软件Geomagic Studio2012、对膝关节三维模型中的各种解剖结构进行进一步地修整，并进行美化，均以OBJ格式储存；第五步，应用计算机对股骨，胫骨和前交叉韧带ACL的OBJ格式文件进行以下操作：（1）计算ACL相交面积在三维空间中，计算ACL模型与股骨和胫骨模型的相交面，从而确定ACL起止点在股骨和胫骨模型的初始范围，计算公式如下：C＝A∩B＝{x/x∈A and x∈B}    (i)式中A代表ACL模型的三角面片集合，B代表股骨或胫骨模型三角面片集合，C是A与B的交集，形成一个封闭的三维面片；（2）ACL起止点聚类分析使用EM聚类分析算法，对步骤（1）中计算得到ACL相交面进行聚类分析，具体步骤如下：①对相交面进行采样，取n个样例间独立的三维坐标数据点{x(1),...,x(n)}；②对选定的训练样本{x(1),...,x(n)}，每个样例隐含的类别为c，能使得p(x,c)最大；p(x,c)的最大似然估计如下：$l\left(\theta \right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\log p(x;\theta )=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\log \underset{c}{\Sigma }p(x,c;\theta )---\left(\mathrm{ii}\right)$（3）计算伸直位ACL角度根据每个聚类数据的均值，确定ACL在股骨和胫骨面上的聚类中心fc1,tc1为ACL起止点；连接fc1,tc1作为ACL拟合直线L_(fc1,tc1)，计算ACL伸直位状态下，直线L_(fc1,tc1)与标准坐标系的夹角(α1,β1,γ1)，计算公式如下：其中，A为标准坐标系的X，Y，Z轴。ψ为三维空间中，直线L_(fc1,tc1)与坐标轴A的夹角；（4）伸直位及屈膝位模型配准应用MRI数据重建伸直位状态下三维模型，包括股骨，胫骨和ACL,但在屈膝位状态下，无法从MRI图像中提取出精确的ACL模型，因此采集了屈膝位状态下股骨和胫骨CT图像数据，并重建出股骨，胫骨三维模型；由于MRI三维模型与CT三维模型大小比例可能不一致，因此首先应统一三维模型的大小，然后提取模型中轴线，进行模型配准；具体步骤如下：①三维模型大小比例统一计算三维模型所有顶点之间的最大距离，并将该距离归一化，得到三维模型的缩放比例系数S，然后使用S统一三维模型大小；②提取三维模型中轴由于原始数据MRI与CT的差异，曲面噪声点的干扰，重建后三维模型轮廓具有差异性，所以采用计算模型中轴线方法，从而减小匹配误差；设置股骨或胫骨表面上的任意点，根据hesselink的整数中轴算法可得：n∈N,N＝{n∈V³|||n||＝1})      (iv)V³为模型内部的体素点，当m＝r+n/2时，||m‑f_t(r+n)||＝||m‑f_t(r)||       (v)m为整数中轴上的一个点，f_t(r)为点r的特征变换函数；（5）三维模型匹配通过伸直位与屈膝位三维模型中轴线，计算相应两套股骨和胫骨中轴线的旋转变换矩阵，并应用该矩阵对股骨，胫骨和ACL起止点模型从伸直位变换至屈膝位；$\left(\begin{array}{c}{x}^{\prime }\\ y^{\prime }\\ z^{\prime }\\ w^{\prime }\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& a_{13}& a_{14}\\ a_{21}& a_{22}& a_{23}& a_{24}\\ a_{31}& a_{32}& a_{33}& a_{34}\\ a_{41}& a_{42}& a_{43}& a_{44}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\\ w\end{array}\right)---\left(\mathrm{vi}\right)$（6）计算屈膝位ACL角度伸直位状态下的ACL起止点经过配准，变换为屈膝位ACL起止点fc2,tc2，从而可确定屈膝位状态下ACL拟合直线L_(fc2,tc2)；通过公式（iii）可求得屈膝位状态下ALC与标准坐标系的夹角(α2,β2,γ2)；（7）ACL隧道模拟屈膝位状态下ACL起止点位置确定了股骨隧道和胫骨隧道的位置，在已求得数据的基础上，计算求解并模拟ACL在股骨和胫骨的隧道，具体步骤如下：①通过直线L_(fc2,tc2)，首先用圆柱体拟合重建出屈膝位状态下ACL（ACL_cly）；②计算配准后股骨和胫骨模型与ACL_cly的差集；C＝M‑ACL_cly＝{x/x∈M}     (vii)其中M为配准后的股骨和胫骨模型，C是模型差运算后的剩余模型；最终根据计算出的参数，虚拟出正常侧膝关节ACL在股骨及胫骨附着点的中心点、面积和角度信息和数据，在计算机上虚拟出前交叉韧带在胫骨及股骨表面的附着点，以及胫骨、股骨上的出口和入口，并虚拟出ACL隧道。