CN101455571A - 头颅骨缺损修补手术中塑型后修复体的定位方法 - Google Patents

头颅骨缺损修补手术中塑型后修复体的定位方法 Download PDF

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CN101455571A CNA2007101720442A CN200710172044A CN101455571A CN 101455571 A CN101455571 A CN 101455571A CN A2007101720442 A CNA2007101720442 A CN A2007101720442A CN 200710172044 A CN200710172044 A CN 200710172044A CN 101455571 A CN101455571 A CN 101455571A
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陈华
杨志文
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Suzhou Taimei Medical Technology Co Ltd
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SHANGHAI TAIMEI SOFTWARE TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
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Abstract

本发明是一种通过设计空间定位标识借助于导航仪引导，在手术中对人体缺损骨骼修复体和头颅缺损处的定位方法。通过该方法可减少因修复体的放置失误而导致手术失败的可能性。通过空间定位标识，带有定位标识的头颅骨模型，带有定位的修复体标记，带有标记球输出的DICOM数据及可以读出DICOM数据的导航仪可以精确的对修复体进行定位。

Description

头颅骨缺损修补手术中塑型后修复体的定位方法
技术领域
本发明涉及一种帮助医生在颅骨成型手术中用于修复体在人头颅中定位的方法，尤其是将采用计算机三维建模的方法制作的个性化颅骨修复体通过手术精确安放固定于人颅骨缺损部位的方法。
背景技术
由于意外事故，疾病等原因导致骨骼严重破损和骨质坏死，因此必须有一种物体代替骨骼来对人体进行保护和支撑。而采用计算机三维建模的方法来对修复体进行塑形也是研究中的热点。
目前存在的骨骼修复体制备方法有不少，有的可以为病人提供符合其个性需要的、高精度的骨修复体，如中国发明专利CN200710044256.2介绍的一种模具冲压获得人体缺损骨骼钛合金修复体的方法，可以获得与病人颅骨模型匹配良好，符合病人的个性需要的钛合金修复体。该方法获得的修复体不但可以实现大面积骨骼缺损外，还可以实现大曲率曲面的骨骼修复体制作。
但是，由于人头颅骨结构形状复杂，颅骨修复体也因病人个体以及创伤情况的不同而有各种不同的形状。在手术过程中，大部分患者的颅骨修复体与骨窗面在嵌合固定时，会产生一定的偏移，存在一定误差，甚至完全放反，这延长了手术时间，术后钛网的位置与术前设计不相符，同时也影响了手术效果，个别严重的情况，很可能要重新进行手术。如何将制造精确的头颅骨修复体，精确的安放和固定在病人头颅骨上，减少病人的创伤，加快手术的进程，是一个重要的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为颅骨成型手术中，尤其是在颅骨修复体与骨窗面嵌合固定时，提供精确定位，以节省了手术时间，确保了手术效果。
为实现上述目的，本发明在修复体计算机辅助设计时就在一定部位标设了DICOM格式的数字定位球，而最终加工出来的病人颅骨模型上也有与设计位置向对应的，大小在2～8mm范围内的定位球。同时设有数字定位球的DICOM格式人颅骨数据输入手术CT导航仪。在手术过程中，医生可以对比颅骨修复体上定位球和CT导航仪中的数字定位球的位置，来实现颅骨修复体与骨窗面在嵌合固定时的精确定位。
本发明的具体步骤如下：
1.在头颅骨缺损病人的创面外边缘的头皮上按一定的间隔贴标记块；
2.将病人头颅骨，包括头皮表面的标记块，进行CT(计算机断层扫描)或MR(核磁共振)，获得DICOM格式的数据输入计算机，扫描区域应包含超过整个创面外边缘至少10mm的范围，该范围应包含步骤1中标记块的范围；
3.在缺损修复体设计过程中，根据标记块的位置在头颅骨修复体设计的DICOM格式设计图中标设数字空间定位球，大小在2～8mm；将病人骨骼图像的DICOM格式数据在轴位，冠状位和矢状位进行重建，生成骨骼三个相位的断面图，根据该三个相位的断面图进行空间定位标记球位置的精确设置；
4.由步骤3的设计图，将其DICOM数据的空间定位标记球专化成可机床加工的IGES格式，加工制作出的病人颅骨模型上也有定位标记球。定位球的大小范围为2～8mm，空间定位标记球的IGES构建模型的实现见图9；
5.将获得的颅骨修复体实体与步骤4机床加工获得病人颅骨模型进行匹配，在颅骨修复体与颅骨模型上定位标记球的对应位置，加装定位标贴；
6.将标设有数字空间定位标记球的DICOM数据输入手术用的CT导航仪中，用于手术导航；
7.将DICOM数据格式的有空间定位标记球的病人头颅骨模型，转化为DXF格式输出，用于空间配合度对比参照；
8.在手术过程中，医生可以对比颅骨修复体上定位标贴和CT导航仪中的数字定位球的位置，以及病人颅骨模型等，来实现颅骨修复体与骨窗面在嵌合固定时的精确定位。
本发明的实施具有的有益效果有：首次实现了颅骨成型手术过程中，颅骨修复体与骨窗面在嵌合固定时的精确定位，节省了手术时间，确保了手术效果，避免了病人不必要的创伤。
附图说明
图1本发明方法的主流程图；
图2在病人头皮上贴的定位标记块，其中(1)为定位标贴；
图3病人头颅骨的三相断面图；
图4设置了空间定位球的病人头颅骨冠状位图，其中(2)为空间定位标记球；
图5设置了空间定位球的病人头颅骨轴状位图，其中(2)为空间定位标记球；
图6设置了空间定位球的病人头颅骨矢状位图，其中(2)为空间定位标记球；
图7有定位标记球的病人颅骨模型示意图，其中(3)为定位球；
图8病人颅骨修复体与病人颅骨匹配示意图，其中(3)为定位球；
图9空间定位标记球的IGES构建模型的实现。球体是由两个完全对称的半球体组成，每个半球体是由一个圆弧绕一条轴线旋转而成。将圆弧位于XOY坐标平面，将此旋转XOZ平面然后平移圆弧使其中心位于圆球的中心处。以下为绕y轴顺时针旋转90度然后绕z轴旋转90度的公式：
( x , y , z ) = | cos ( - 90 ) sin ( - 90 ) 0 | | - sin ( - 90 ) cos ( - 90 ) 0 | | 0 0 1 | * | cos ( - 90 ) 0 - sin ( - 90 ) | | 0 1 0 | | sin ( - 90 ) 0 cos ( - 90 ) | = | 0 - 1 0 | | 0 0 1 | | - 1 0 0 |
具体实施方式
为了更好地理解本发明的技术方案，以下通过附图和具体实施例作进一步说明。
病人颅骨损伤，损伤情况为大面积损伤，创伤面积约120mm×120mm依照本方法发明对其进行颅骨缺损修复，过程如下：
1.病人在头上贴上直径为3mm的定位标记块(图2)后进行CT扫描，获取病人头部的DICOM格式数据；
2.将病人头颅骨，包括头皮表面的标记块，进行CT(计算机断层扫描)或MR(核磁共振)，获得DICOM格式的数据输入计算机，扫描区域应包含超过整个创面外边缘10mm的范围，该范围应包含步骤1中标记块的范围；
3.在缺损修复体设计过程中，根据标记块的位置在头颅骨修复体设计的DICOM格式设计图中标设数字空间定位球，大小在3mm。
具体为：将病人骨骼图像的DICOM格式数据在轴位，冠状位和矢状位进行重建，生成病人骨骼的三相断面图(图3)，在病人骨骼轴位图上并参照冠状位和矢状位图，设计出病人覆盖骨骼缺损处的用于钛板成型的bezier曲线，并根据该三个相位的断面图进行空间定位标记球位置的精确设置，标记球必须根据影像学信息准确的放置在导航标记处，如图4、5、6所示；
4.由步骤3的设计图，将其DICOM数据的空间定位标记球专化成可机床加工的IGES格式，加工制作出的病人颅骨模型上也有定位标记球。定位球的大小范围为3mm；
算法实现：
空间定位标记球的IGES构建的算法实现见图9，算法实现程序示例如下：
算法实现程序(示例)
private void getIgesStrings()
{
  this.DE_String＝new string[this.totDE_Nub]；
  this.PE_String＝new string[this.totPE_Nub]；
  int DE_Idx＝0；
  int PE_Idx＝0；
  for(int i＝0；i<2；i++)
  {
     //1。旋转轴
     this.revolutionAxial[i].getIgesDataString()；
     for(int j＝0；j<this.revolutionAxial[i].DE_strings.Length；j++)
     {
        this.DE_String[DE_Idx]＝this.revolutionAxial[i].DE_strings[j]；
        DE_Idx++；
     }
     for(int j＝0；j<this.revolutionAxial[i].PE_strings.Length；j++)
     {
        this.PE_String[PE_Idx]＝this.revolutionAxial[i].PE_strings[j]；
        PE_Idx++；
     }
     //2。旋转矩阵
     this.matrix[i][0].getIgesDataString()；
     for(int j＝0；j<this.matrix[i][0].DE_strings.Length；j++)
     {
        this.DE_String[DE_Idx]＝this.matrix[i][0].DE_strings[j]；
        DE_Idx++；
     }
     for(int j＝0；j<this.matrix[i][0].PE_strings.Length；j++)
     {
        this.PE_String[PE_Idx]＝this.matrix[i][0].PE_strings[j]；
        PE_Idx++；
     }
     //3.100 圆弧0
     this.arc[i][0].getIgesDataString()；
     for(int j＝0；j<this.arc[i][0].DE_strings.Length；j++)
     {
        this.DE_String[DE_Idx]＝this.arc[i][0].DE_strings[j]；
        DE_Idx++；
     }
     for(int j＝0；j<this.arc[i][0].PE_strings.Length；j++)
     {
        this.PE_String[PE_Idx]＝this.arc[i][0].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
//4.120 旋转
this.revolution[i].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.revolution[i].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.revolution[i].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
for(int j＝0；j<this.revolution[i].PE_strings.Length；j++)
{
   this.PE_String[PE_Idx]＝this.revolution[i].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
//5.124旋转矩阵--曲面上曲线
this.matrix[i][1].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.matrix[i][1].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.matrix[i][1].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
for(int j＝0；j<this.matrix[i][1].PE_strings.Length；j++)
{
   this.PE_String[PE_Idx]＝this.matrix[i][1].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
//6.100 圆弧1
this.arc[i][1].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.arc[i][1].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.arc[i][1].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
for(int j＝0；j<this.arc[i][1].PE_strings.Length；j++)
{
   this.PE_String[PE_Idx]＝this.arc[i][1].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
//7.124旋转矩阵--曲面上曲线
this.matrix[i][2].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.matrix[i][2].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.matrix[i][2].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
for(int j＝0；j<this.matrix[i][2].PE_strings.Length；j++)
{
   this.PE_String[PE_Idx]＝this.matrix[i][2].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
this.arc[i][2].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.arc[i][2].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.arc[i][2].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
for(int j＝0；j<this.arc[i][2].PE_strings.Length；j++)
{
   this.PE_String[PE_Idx]＝this.arc[i][2].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
//9.102 复合曲线
this.compCurve[i].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.compCurve[i].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.compCurve[i].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
for(int j＝0；j<this.compCurve[i].PE_strings.Length；j++)
{
   this.PE_String[PE_Idx]＝this.compCurve[i].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
//10.142参数曲面上的曲线
this.surfaceCurve[i].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.surfaceCurve[i].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.surfaceCurve[i].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
for(int j＝0；j<this.surfaceCurve[i].PE_strings.Length；j++)
{
   this.PE_String[PE_Idx]＝this.surfaceCurve[i].PE_strings[j]；
   PE_Idx++；
}
//11.144 构建半圆球实体
this.trimSurface[i].getIgesDataString()；
for(int j＝0；j<this.trimSurface[i].DE_strings.Length；j++)
{
   this.DE_String[DE_Idx]＝this.trimSurface[i].DE_strings[j]；
   DE_Idx++；
}
  for(int j＝0；j<this.trimSurface[i].PE_strings.Length；j++)
  {
     this.PE_String[PE_Idx]＝this.trimSurface[i].PE_strings[j]；
     PE_Idx++；
  }
}
     }
5.将获得的颅骨修复体实体与步骤4机床加工获得病人颅骨模型，如图7所示，进行匹配，在颅骨修复体与颅骨模型上定位标记球的对应位置，加装定位标贴，匹配合成效果图如图8所示；
6.将标设有数字空间定位标记球的DICOM数据输入手术用的CT导航仪中，用于手术导航；
7.将DICOM数据格式的有空间定位标记球的病人头颅骨模型，转化为DXF格式输出，在手术过程中用于空间配合度对比参照，算法如下：
DXF
public string[]getSphereDxfString()
{
   int quArcPoint＝20；                     //每/4圆弧涵盖的点数
   int frames＝2*quArcPoint+3；             //拆分的层数
   int splitePoints＝4*quArcPoint+4；       //整圆拆分的点数
   float spliteAngle＝360.0f/splitePoints； //对应的角度
   //1.计算每个点的坐标
   Point3D[，]spherePoint＝new Point3D[frames，splitePoints]；
   for(int i＝0；i<frames；i++)
   {
      //a.高度
      float zDegrees＝90-i*spliteAngle；     //仰角
      float zAngle＝(float)(Math.PI*zDegrees/180.0)；
      float z＝(float)(this.radius*Math.Sin(zAngle))；
      for(int j＝0；j<splitePoints；j++)
      {
         spherePoint[i，j]＝new Point3D()；
         spherePoint[i，j].Z＝this.centerPoint.Z+z；
         //b.帧直径
         float r＝(float)Math.Abs(this.radius*Math.Cos(zAngle))；
         float xoyDegrees＝j*spliteAngle；
         float xoyAngle＝(float)(Math.PI*xoyDegrees/180.0)；
         float x＝(float)(r*Math.Cos(xoyAngle))；
         float y＝(float)(r*Math.Sin(xoyAngle))；
          spherePoint
Figure A200710172044D0012091637QIETU
i，j」.X＝this.centerPoint.X+x；
          spherePoint[i，j].Y＝this.centerPoint.Y+y；
     }
}
//组成拆分曲面
string[，][]splitePlane＝new string[frames-1，splitePoints][]；
for(int i＝0；i<frames-1；i++)
{
   for(int j＝0；j<splitePoints；j++)
   {
      splitePlane[i，j]＝new string[30]；
      //头部分
      splitePlane[i，j][0]＝″0″；
      splitePlane[i，j][1]＝″3DFACE″；
      splitePlane[i，j][2]＝″8″；
      splitePlane[i，j][3]＝″default″；
      splitePlane[i，j][4]＝″62″；
      splitePlane[i，j][5]＝″4″；      //更换颜色1-255
      //曲面数据
      /* 点0 */
      splitePlane[i，j][6]＝″10″；
      splitePlane[i，j][7]＝spherePoint[i，j].X.ToString()；
      splitePlane[i，j][8]＝″20″；
      splitePlane[i，j][9]＝spherePoint[i，j].Y.ToString()；
      splitePlane[i，j][10]＝″30″；
      splitePlane[i，j][11]＝spherePoint[i，j].Z.ToString()；
      /* 点1 */
      if(j!＝splitePoints-1)
      {
         splitePlane[i，j][12]＝″11″；
         splitePlane[i，j][13]＝spherePoint[i，j+1].X.ToString()；
         splitePlane[i，j][14]＝″21″；
         splitePlane[i，j][15]＝spherePoint[i，j+1].Y.ToString()；
         splitePlane[i，j][16]＝″31″；
         splitePlane[i，j][17]＝spherePoint[i，j+1].Z.ToString()；
   }
   else
   {
         splitePlane[i，j][12]＝″11″；
         splitePlane[i，j][13]＝spherePoint[i，0].X.ToString()；
         splitePlane[i，j][14]＝″21″；
         splitePlane[i，j][15]＝spherePoint[i，0].Y.ToString()；
         splitePlane[i，j][16]＝″31″；
         splitePlane[i，j][17]＝spherePoint[i，0].Z.ToString()；
   }
   /* 点 2*/
   if(j!＝splitePoints-1)
        {
           splitePlane[i，j][18]＝″12″；
           splitePlane[i，j][19]＝spherePoint[i+1，j+1].X.ToString()；
           splitePlane[i，j][20]＝″22″；
           splitePlane[i，j][21]＝spherePoint[i+1，j+1].Y.ToString()；
           splitePlane[i，j][22]＝″32″；
           splitePlane[i，j][23]-spherePoint[i+1，j+1].Z.ToString()；
        }
        else
        {
           splitePlane[i，j][18]＝″12″；
           splitePlane[i，j][19]＝spherePoint[i+1，0].X.ToString()；
           splitePlane[i，j][20]＝″22″；
           splitePlane[i，j][21]＝spherePoint[i+1，0].Y.ToString()；
           splitePlane[i，j][22]＝″32″；
           splitePlane[i，j][23]＝spherePoint[i+1，0].Z.ToString()；
        }
        /* 点 3*/
        splitePlane[i，j][24]＝″13″；
        splitePlane[i，j][25]＝spherePoint[i+1，j].X.ToString()；
        splitePlane[i，j][26]＝″23″；
        splitePlane[i，j][27]＝spherePoint[i+1，j].Y.ToString()；
        splitePlane[i，j][28]＝″33″；
        splitePlane[i，j][29]＝spherePoint[i+1，j].Z.ToString()；
    }
}
//3.汇总
int ttString＝(frames-1)*splitePoints*30+6；
string[]sphereDxfString＝new string[ttString]；
//输出数据头部分
int idx＝0；
sphereDxfString[idx]＝″0″；
idx++；
sphereDxfString[idx]＝″SECTION″；
idx++；
sphereDxfString[idx]＝″2″；
idx++；
sphereDxfString[idx]＝″ENTITIES″；
idx++；
//数据体
for(int i＝0；i<frames-1；i++)
{
   for(int j＝0；j<splitePoints；j++)
   {
      for(int k＝0；k<30；k++)
      {
         sphereDxfString[idx]＝splitePlane[i，j][k]；
               idx++；
           }
       }
   }
   //输出数据尾部分
   sphereDxfString[idx]＝″0″；
   idx++；
   sphereDxfString[idx]＝″ENDSEC″；
   idx++；
   return sphereDxfString；
}
}
8.在手术过程中，医生可以对比颅骨修复体上定位标贴和CT导航仪中的数字定位球的位置，以及病人颅骨模型等，来实现颅骨修复体与骨窗面在嵌合固定时的精确定位。

Claims (10)

1、一种帮助医生在颅骨成型手术中用于修复体在人头颅中定位的方法，是基于病人骨骼的CT(计算机断层扫描)或MR(核磁共振)的DICOM格式的数据输入计算机，进行缺损头颅骨修复体设计，获得颅骨修复体，并同时制作出病人的颅骨模型，经颅骨模型与颅骨修复体匹配校验后，最终通过手术精确安放固定于人颅骨缺损部位的方法，其特征在于：在头颅骨修复体，头颅骨模型，以及手术用CT导航仪上，标示出位置相对应的定位标记，手术过程中让头颅骨修复体上的定位标记的位置与CT导航仪中标示出的数字定位标记位置相匹配，以确保颅骨成型手术中修复体与缺损骨骼精确接合。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于：在对病人骨骼的CT(计算机断层扫描)或MR(核磁共振)前，在头颅骨缺损病人的头皮表面安置标记块，将病人头颅骨，包括头皮表面的标记块，进行CT(计算机断层扫描)或MR(核磁共振)，获得DICOM格式的数据输入计算机。
3.如权力要求1或2所述的方法，特征在于：CT(计算机断层扫描)或MR(核磁共振)，扫描区域应包含超过整个创面外边缘至少10mm的范围，在创面外边缘的头皮上按一定的间隔贴标记块，标记块直径大小2～8mm。
4.如权利要求1或3所述的方法，特征在于：在缺损修复体的计算机设计过程中，根据标记块的位置设置空间定位标记球。
5.如权利要求1或4所述的方法，特征在于：将病人骨骼图像的DICOM格式数据在轴位，冠状位和矢状位进行重建，生成骨骼三个相位的断面图，根据该三个相位的断面图进行空间定位标记球位置的精确设置。
6.如权利要求1所述的方法，特征在于：在制作出的病人颅骨模型上有定位标记球，标示球直径大小2～8mm。
7.如权利要求1或6所述的方法，特征在于：将获得的颅骨修复体与病人颅骨模型进行匹配，在颅骨修复体与颅骨模型上定位标记球的对应位置，加装定位标贴。
8.如权利要求1或4所述的方法，特征在于：将标设有数字空间定位标记球的病人颅骨DICOM数据输入手术用的CT导航仪中。
9.如权利要求1或4所述的方法，特征在于：输出空间定位标记球DXF数据格式，用于空间配合度分析。
10.如权利要求1或6所述的方法，特征在于：病人颅骨模型为ABS材质。
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