【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及人工智能和人體脊柱自動化手術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，本專利技術(shù)涉及雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法。
技術(shù)介紹
1、椎弓根螺釘置入手術(shù)是脊柱手術(shù)中比較重要的一個環(huán)節(jié)，起恢復脊柱的序列，維持脊柱的穩(wěn)定性的作用。對于存在脊柱不穩(wěn)，或者是脊柱骨折的病人，椎弓根螺釘置入可以起到復位，維持脊柱穩(wěn)定性的作用。對于存在脊柱側(cè)彎畸形或者是后凸畸形的病人，可以進行矯形。對于脊柱退變性疾病，可以在手術(shù)后維持脊柱的穩(wěn)定性，促進骨質(zhì)的融合。
2、在臨床手術(shù)過程中，需要病人在全身麻醉情況下進行，借助x射線或者其它影像學技術(shù)來獲取病人的脊柱骨骼圖，然后全程在醫(yī)生的視角和手工操作下，進行探針入刺點、入刺角度和終止點的試探和穿刺，才能完成手術(shù)。
3、然而伴隨科技進步，許多脊柱手術(shù)機器人也相繼誕生。1995年mazor?robotics研發(fā)了spineassist機器人，專門用于完成脊柱輔助穿刺手術(shù)，但系統(tǒng)只設(shè)計為半主動，大量工作需要醫(yī)生手動操作。2005年mbars機器人誕生，應(yīng)用于脊柱外科，其采用無圖像掃描軟骨表面，從而創(chuàng)建三維模型，再通過力傳感器的反饋信息“觸覺”，完成探針的入刺決策。2019年，5g遠程骨科機器人誕生，其需要再脊柱棘突上經(jīng)皮處放置患者示蹤器，然后通過x線3維掃描，進行遠程的椎弓根螺釘軌跡規(guī)劃，然后置入螺釘，在采用傳統(tǒng)圖像融合的方法，測量螺釘和實際位置的偏差。2020年，王亞楠等人，使用renaissance脊柱手術(shù)機器人進行胸腰椎骨折修復手術(shù)，需要提前通過人工計算并確定穿刺點位和角度，再將數(shù)
4、另外，手術(shù)過程中，需提前對探針的入刺點和入刺角度進行計算，則相應(yīng)的算法也被研究出來。1986年的roy-camille法采用過關(guān)節(jié)突關(guān)節(jié)間隙的延長線與橫突平分線交點為入刺點，與矢狀面夾角0°為入刺角度。1984年的magerl法采用上關(guān)節(jié)突外緣垂線與橫突平分線的交點為入刺點，入刺角度為與矢狀面夾角10°-15°。1992年的weinstein采用上關(guān)節(jié)突外下緣與橫突的中線交點為入刺點，入刺角度為與矢狀面夾角10-15。2000年黨耕町等人的ao法采用上關(guān)節(jié)突外緣的切線與橫突中軸線的交點為入刺點，入刺角度為于矢狀面夾角5°。1988年單云官等人采用“十”字定位法，對于l1-l4，以上關(guān)節(jié)突的乳突后緣中點畫垂直線，在橫突的副突上畫水平線，兩線交點為入刺點，入刺角度為與矢狀面夾角5°-10°，l5則以在上關(guān)節(jié)突的乳突與橫突的副突之間最深處交點為入刺點，入刺角度為與矢狀面夾角10°-15°。這些算法需要結(jié)合脊柱正位圖中的椎弓根、橫突、上關(guān)節(jié)突和棘突等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)來計算和判斷。
5、對于脊柱椎弓根螺釘置入手術(shù)的手術(shù)方案，一種情況是醫(yī)生純手工完成手術(shù)全流程，費時費力，且精準度欠佳，這對于醫(yī)生的技術(shù)、體力和手術(shù)經(jīng)驗等都有著非常高的要求。另一種則是借助脊柱手術(shù)機器人來完成手術(shù)，然而這些脊柱手術(shù)機器人，不僅依賴于傳感器、以往的特殊軟件等，還需要醫(yī)生參與其中一半左右的工作，例如圖像部位判斷、穿刺路徑規(guī)劃，參數(shù)手動計算并提前給定等操作。這些無疑消耗了手術(shù)中大量的時間。
6、而對于手術(shù)中的探針入刺點和入刺角度的計算算法，例如roy-camille、magerl、weinstein、ao、“十”字定位法等，都是依據(jù)脊柱正位圖中關(guān)鍵部位進行計算和選取，不僅沒有有效結(jié)合側(cè)位圖，而且選點過于固定，缺少臨床中的變通性。
7、鑒于此，本專利技術(shù)提供雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本專利技術(shù)提出雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，采用ai在機器視覺中的應(yīng)用，來替代醫(yī)生的視覺工作。使用swinunet醫(yī)學分割網(wǎng)絡(luò)對x射線拍攝的同一段脊柱的正位圖和側(cè)位圖，分別進行關(guān)鍵部位分割。對于正位圖，選擇分割出椎弓根和橫突，對于側(cè)位圖，選擇分割出椎弓根和椎體。
2、根據(jù)本專利技術(shù)的一個方面，提供了雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，包括以下步驟：
3、通過對病人脊柱部位拍攝x射線，得到病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像；
4、根據(jù)病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像，使用醫(yī)學圖像分割網(wǎng)絡(luò)swinunet進行訓練，分別得到脊柱正位圖分割模型和脊柱側(cè)位圖分割模型；
5、通過訓練好的脊柱分割模型，對不同病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像進行預測，分割出有效結(jié)構(gòu)區(qū)域；
6、根據(jù)脊柱圖像中有效結(jié)構(gòu)區(qū)域的差異性及位置關(guān)系，確定椎弓根螺釘置入手術(shù)探針的入刺點、入刺方向和終止點；
7、將探針從入刺點沿著入刺方向刺向終止點。
8、作為本專利技術(shù)的一種優(yōu)選方案，所述根據(jù)病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像，使用醫(yī)學圖像分割網(wǎng)絡(luò)swinunet進行訓練，分別得到脊柱正位圖分割模型和脊柱側(cè)位圖分割模型的步驟中，包括以下步驟：
9、所述的swinunet網(wǎng)絡(luò)模型包括編碼器部分、解碼器部分、瓶頸部分和跳躍連接部分；
10、所述編碼器部分，通過多個滑動窗口和swintransformer塊來提取特征，減小特征圖的尺寸，增加感受野，將脊柱圖像降采樣為脊柱特征圖，用以提取脊柱圖像特征信息；
11、所述解碼器部分，采用類似編碼器的結(jié)構(gòu)，通過補丁擴展層和swintransformer塊進行上采樣，將提取的脊柱特征圖還原為與輸入圖像相同大小的尺寸，并呈現(xiàn)出脊柱有效結(jié)構(gòu)分割結(jié)果；
12、所述瓶頸部分，由兩個swin?transformer塊組成，用以最后一次提取并傳遞細粒度特征信息；
13、所述跳躍連接部分，是連接編碼器和編碼器的橋梁，用以將編碼器部分提取的粗糙到細致的多尺度脊柱特征信息傳遞給解碼器部分，保留更多的脊柱有效結(jié)構(gòu)細節(jié)信息。
14、作為本專利技術(shù)的一種優(yōu)選方案，所述通過訓練好的脊柱分割模型，對不同病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像進行預測，分割出有效結(jié)構(gòu)區(qū)域的步驟中，包括以下步驟：
15、通過訓練好的swinunet分割模型對脊柱正位圖進行預測得到椎弓根、橫突和椎體三個有效結(jié)構(gòu)區(qū)域，對側(cè)位圖進行預測得到椎弓根和椎體兩個有效結(jié)構(gòu)區(qū)域。
16、作為本專利技術(shù)的一種優(yōu)選方案，所述根據(jù)脊柱圖像中有效結(jié)構(gòu)區(qū)域的差異性及位置關(guān)系，確定椎弓根螺釘置入手術(shù)探針的入刺點、入刺方向和終止點的步驟，包括以下步驟：
17、對正位圖預測得到的椎弓根、橫突和椎體三個區(qū)域進行邊緣檢測，多邊擬合和角點檢測，解出椎體上邊緣最左邊的角點a1和最右邊的角點a2，連接a1a2得到線l1，并求出l1的斜率k1；
18、根據(jù)預測出的椎弓根點集，解出一條斜率為k1且在點集上方并劃分點集總面積1/4的線l2，l2交點集右邊界于點b1；解出一條斜率為k1并劃分點集總面積1/2的線l3，l3交點集左邊界于點b2；
19、解出一條斜率為k1且在點集下方并劃分點集總面積1/3的線l4，l4交點集右邊界于點b3；連接本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護點】
1.雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述根據(jù)病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像，使用醫(yī)學圖像分割網(wǎng)絡(luò)SwinUnet進行訓練，分別得到脊柱正位圖分割模型和脊柱側(cè)位圖分割模型的步驟中，包括以下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述通過訓練好的脊柱分割模型，對不同病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像進行預測，分割出有效結(jié)構(gòu)區(qū)域的步驟中，包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述根據(jù)脊柱圖像中有效結(jié)構(gòu)區(qū)域的差異性及位置關(guān)系，確定椎弓根螺釘置入手術(shù)探針的入刺點、入刺方向和終止點的步驟，包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述根據(jù)脊柱圖像中有效結(jié)構(gòu)的區(qū)域差異性及位置關(guān)系，確定椎弓根螺釘置入手術(shù)探針的入刺點、入刺方向和終止點的步驟，包括以下步驟：
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述根據(jù)脊柱圖像中有效結(jié)構(gòu)的區(qū)域差異性及位置關(guān)系，確定椎弓根螺釘置入手術(shù)探針的入刺點、入刺方向和終止點的步驟，包括以下步驟：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述根據(jù)脊柱圖像中有效結(jié)構(gòu)的區(qū)域差異性及位置關(guān)系，確定椎弓根螺釘置入手術(shù)探針的入刺點、入刺方向和終止點的步驟，包括以下步驟：
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述將探針從入刺點沿著入刺方向刺向終止點的步驟，包括以下步驟：
...【技術(shù)特征摘要】
1.雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述根據(jù)病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像，使用醫(yī)學圖像分割網(wǎng)絡(luò)swinunet進行訓練，分別得到脊柱正位圖分割模型和脊柱側(cè)位圖分割模型的步驟中，包括以下步驟：
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述通過訓練好的脊柱分割模型，對不同病人脊柱正位圖、側(cè)位圖圖像進行預測，分割出有效結(jié)構(gòu)區(qū)域的步驟中，包括以下步驟：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙視角脊柱椎弓根螺釘置入術(shù)多方案融合輔助引導方法，其特征在于，所述根據(jù)脊柱圖像中有效結(jié)構(gòu)區(qū)域的差異性及位置關(guān)系，確定椎弓根螺釘置入手術(shù)探針的入刺點、入刺方向和終止點的步驟，包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求4...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳飛，裴映棟，尹玲，
申請(專利權(quán))人：上海工程技術(shù)大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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