[发明专利]一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系统

权利要求书

1.一种用于下肢骨折复位手术的规划导航系统，包括医学图像处理模块、手术规划模块和导航模块，其中：

所述医学图像处理模块用于从下肢骨折图像中分割出近端骨和远端骨，并重建出断骨三维表面模型，包含远端骨三维表面模型和近端骨三维表面模型；

所述手术规划模块用于：对所述断骨三维表面模型进行点云采样，获得对应的点云模型；从所述点云模型中提取骨折断面；通过对所述骨折断面进行点云配准，得到远端骨初始位置与其复位后目标位置的坐标变换矩阵；基于所述坐标变换矩阵，进行骨折复位路径规划，该骨折复位路径规划用于指引在保持近端骨固定情况下对远端骨进行平移旋转得到远端骨目标位置；

所述导航模块用于可视化显示基于所述骨折复位路径规划进行手术的过程。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，提取所述骨折断面包括：

对已经获取的点云模型进行kd-tree相邻点搜索，通过选取kd-tree搜索半径获得各点的邻近点集；

计算所述点云模型中某一点p_i法向量变化程度的特征量f_i，表示为：

其中，θ_ij表示点p_i的法向量与其邻近点p_j法向量的夹角，k表示点p_i的邻近点数量；

设置阈值ε，保留f_i＞ε的点作为断骨处的特征点云，进而获得所述骨折断面。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，提取所述骨折断面包括：

确定骨长轴方向；

计算所述点云模型中点p_i的法线和所述骨长轴方向之间的角度，表示为：

其中，v_i是p_i点的法向量；

将角度小于设定阈值的点作为断骨处的特征点云，进而获得所述骨折断面。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述骨折复位路径规划根据以下过程获得：

基于所述坐标变换矩阵建立目标坐标系C_t，并得到骨折复位参数，其中所述目标坐标系包括l轴，s轴和t轴，l轴是过原点的长轴方向，s轴和t轴是指向体外侧的坐标轴，所述骨折复位参数包括绕s轴的旋转角度参数α，绕t轴旋转角度参数β，绕l轴旋转角度参数γ以及位移参数t；

根据骨折发生的范围和程度选定拉伸的步进值，并设置拉伸距离参数dis；

以远端骨目标位置为起点、以远端骨初始位置为终点执行复位过程，其中按照顺序分别完成l+dis、γ、(s,t)参数的复位，并补偿所述拉伸距离参数dis，进而完成(α,β)参数的复位，并且在每个参数调整后收集当前的坐标变换矩阵加入到验证队列；

针对验证队列中每一步骤的远端骨位置进行碰撞检测，并去除发生骨间碰撞的路径，更新迭代次数n增加拉伸距离、清空验证队列，重新进入复位过程，直到碰撞检测通过；

将验证队列中记录的远端骨每一步骤的位置作为所规划的最佳复位路径。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述碰撞检测包括：

遍历所述点云模型中的点，对于每个点都做引射线法判断是否在断骨闭合多面体内部，如果结果为不在内部，则继续遍历直到结束；如果结果为在内部，则终止遍历，说明近端骨和远端骨发生碰撞。