阅读说明：本技术 基于CT扫描的Taylor支架参数测量方法 (Taylor support parameter measuring method based on CT scanning ) 是由 陆永华 张宇 梁立鹏 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及Stewart平台参数求解技术领域,更具体的说,是基于CT扫描的Taylor支架参数测量方法。本发明包括S1：将Taylor支架经过手术装在打断的患者畸形腿骨上,根据骨折畸形部位和具体情况选择不同大小的环和不同长短的支撑杆,进行个体化安装；S2：对已安装好Taylor支架畸形腿骨和对应完好健康的腿骨进行CT扫描,取得DICOM格式文件并进行三维重建导出三维模型,去除软组织等干扰因素。本发明能对骨折畸形进行精确矫正复位,有利于骨折愈合及患肢功能恢复,具有很高的医学价值和社会效益。(The invention relates to the technical field of Stewart platform parameter solving, in particular to a Taylor support parameter measuring method based on CT scanning. The invention comprises S1: installing a Taylor bracket on the broken deformed leg bone of a patient through an operation, selecting rings with different sizes and supporting rods with different lengths according to the fracture deformed part and the specific condition, and performing individualized installation; s2: and carrying out CT scanning on the deformed leg bone with the installed Taylor bracket and the corresponding intact and healthy leg bone, obtaining a DICOM format file, carrying out three-dimensional reconstruction, deriving a three-dimensional model, and removing interference factors such as soft tissues. The invention can accurately correct and reset the fracture deformity, is beneficial to fracture healing and affected limb function recovery, and has high medical value and social benefit.)

基于CT扫描的Taylor支架参数测量方法

技术领域

本发明涉及Stewart平台参数求解技术领域，更具体的说，是基于CT扫描的Taylor支架参数测量方法。

背景技术

目前，骨外固定器作为一种复位、固定的微侵袭性工具受到越来越广泛的应用，能为复杂创伤骨折提供一种快速有效的治疗，具有许多内固定不可替代的优势，其创伤小、适应症广，能为骨断端提供稳定而又有弹性的固定。1994年，Harold S.Taylor依据Stewart平台和Charles定理与用于骨外固定领域，改良Ilizarow外固定器系统，形成了泰勒空间外固定支架。

泰勒空间外固定支架具有6个可伸缩的支撑杆，两端连接于固定环上，在连接处可以自由旋转。只要调节其中的任何一个支撑杆的长度，一个环就会相对于另一个环改变空间位置。无论简单还是复杂的畸形，均可以采取相同的框架治疗。结合特殊设计的计算机程序，只要将骨骼的畸形参数以及框架的参数告诉计算机根据计算机给定的支撑杆长度调节支撑杆，就能够同时处理多个成角和移位畸形。进行畸形矫正时，认为参照骨段是静止不动的，所以需要测量10个参数，包括6个畸形参数和4个安装参数。

目前，为了获得Taylor支架的10个参数，传统方法是获得骨骼正位、侧位和轴位的X线片，利用游标卡尺和几何方法直接在X线片上测量，这种方法往往存在许多误差：(1)拍摄的X线片往往不能标准化；(2)直接在X线片上进行手工测量存在一定的误差；(3)因为投影问题导致外固定环拍摄不全而无法准确的找到圆环中心带来的误差；(4)因为正侧位X线片上无法准确的测量出患肢的轴向旋转角度和参考环的轴向偏转角度，这几重误差叠加在一起而导致复位效果不满意。目前，在进行测量时，配套软件要求必须在标准的正侧位X线片上进行，由于手工测量误差的必然存在，所以往往需要多次拍片、测量及调整，才能达到满意的骨折复位。而每次拍片时又不能保证肢体处于同一位置，易使肢体角度发生变化致前后测量不一致。

针对这一问题，本发明提出了一基于CT扫描的Taylor支架参数测量方法。利用对骨骼CT断层扫描的数据，通过阈值选取、图像编辑等步骤重建骨骼具体的三维模型，利用计算机辅助测量精确定义Taylor外固定支架系统所需的6个畸形参数和4个安装参数，对骨折畸形进行精确矫正复位，有利于骨折愈合及患肢功能恢复。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用图像处理方式对CT扫描获取的三维模型正位、侧位和轴位图片进行处理获取Taylor骨外固定支架6个畸形参数和4个安装参数以及完好健康骨6个位姿参数的方法，实现Taylor骨外固定支架对于骨骼畸形的精确矫正。

为实现上述目的，一种基于CT扫描的Taylor支架参数测量方法，主要包括以下过程：

S1：将Taylor支架经过手术装在打断的患者畸形腿骨上，根据骨折畸形部位和具体情况选择不同大小的环和不同长短的调节支撑杆，进行个体化安装。

S2：对已安装好Taylor支架畸形腿骨和对应完好健康的腿骨进行CT扫描，取得DICOM格式文件并进行三维重建导出三维模型，去除软组织等干扰因素.

S3：获取安装好Taylor支架畸形腿骨三维模型正位、侧位、轴位3张图片，对每张图片进行图像处理，测量10个参数，包括6个畸形参数和4个安装参数，其中6个畸形参数是指骨折部位的正位、侧位和轴位的3个成角参数及3个位移参数，4个安装参数是指正位、侧位和轴位上支架的偏移及支架的旋转角度，选取参照骨段骨折线中点作为成角旋转中心点。

S4：获取完好健康腿骨的三维模型正位、侧位、轴位3张图片，对每张图片进行图像处理，测量6个位姿参数，人体两个腿骨对称，可计算出畸形腿骨调节完成后的位姿。

S5：建立Taylor支架的数学模型，读取安装在畸形腿骨上Taylor支架6根调节杆的初始杆长，利用6维并联机构运动学逆解模型与(3)和(4)测量得到的16个参数计算得到Taylor支架6根调节杆的最终杆长。

S6：根据患者具体畸形情况确定调节时间，选择近端骨段为参照骨段，远端骨段为移动骨段，进行畸形矫正时，认为参照骨段是静止不动的，根据6根调节杆的杆长调节量和调节时间确定每天的杆长调节长度。

优选的，利用CT断层扫描得到的图像，运用图像处理手段，排除软组织等干扰因素，构建目标骨骼的三维图像，获得目标骨骼的准确位姿信息。

优选的，分别对畸形腿与正常腿的正位、侧位、轴位图进行图像处理，用计算机辅助测量的方法获得Taylor支架的6个畸形参数和4个安装参数，以及矫正完成后理想的6个位姿参数。

优选的，利用6维并联机构运动学逆解模型的数学方法计算Taylor支架6根调节杆的最终杆长，并跟据实际情况计算出每根杆每天的调节量。

优选的，所述畸形骨骼不只是腿骨，还包括其他四肢骨骼以及足踝，都可以用此方法进行精确的畸形矫正修复。

附图说明

图1是本发明的一种基于CT扫描的Taylor骨外固定支架参数测量方法的流程图；

图2是Taylor骨外固定支架装置图；

图3是对重构的畸形骨三维模型正位、侧位、轴位图片进行图像处理获取各参数流程图。

图中：107—近端骨段；108—调节杆1；109—调节杆2；110—调节杆3；111—远端骨段；112—调节杆4；113—调节杆5；114—调节杆6。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，检测过程中，基于CT扫描的Taylor支架参数测量方法实现步骤如下：

步骤101：根据患者畸形骨骼实际情况，选择不同长度的调节支撑杆和不同大小的支撑环，个性化安装Taylor骨外固定支架，通过手术将Talor骨外固定支架安装在畸形断骨上；

步骤102：利用CT扫描已安装好Taylor骨外固定支架的畸形骨和无任何畸形的健康骨，获取DICOM格式文件并进行三维重建，去除软组织等干扰因素，获得三维模型；

步骤103：获取畸形骨模型正位、侧位、轴位图片，通过图像处理的方式获得Taylor外固定支架的4个安装参数，以及安装好Taylor外固定支架的畸形骨6个畸形参数；

步骤104：获取健康骨模型正位、侧位、轴位图片，通过图像处理方式获得正常骨的6个位姿参数，由于人类两个腿骨的对称性，获取畸形骨矫正后的位姿参数；

步骤105：建立Taylor骨外固定支架的数学模型，利用6维并联机构运动学逆解模型，将步骤103和步骤104获取的参数以及6根调节支撑杆的初始杆长导入模型，得到畸形矫正后的最终6根调节杆杆长；

步骤106：根据患者具体畸形手术情况确定矫正时间，确定每根调节支撑杆的每日调节量。

如图3所示，图像处理过程中，获取安装好Taylor外固定支架的畸形骨6个畸形参数和4个安装参数的实现步骤如下：

步骤112：对于正位上图片的处理，首先确定出近端环(参照环)的最长径，并找到中点，记为O点，此即圆环的圆心；找到骨折处近端骨横截面的中点并与胫骨髁间嵴的中点相连，此即胫骨近端的机械轴，与近端环的长径相交于D点；同样找到骨折处远端骨横截面的中点并与内外踝连线的中点相连，此即胫骨远端的机械轴。延长远近骨段机械轴相交于C点，此时以C为顶点两机械轴相交的锐角即为骨折远端的内外翻角度，记作α1；在近端骨骨折线上找一A点，同时在远端骨骨折线上找一解剖关系与之对应的B点(即复位后二者正好重合)，故A、B两点在垂直于近端骨机械轴方向上的距离即为远端骨的左右位移距离，记作S1；过圆心O作近端骨段机械轴的平行线，即两直线间的距离就是近端环中心相对于骨中心的左右偏移距离。因为系统默认近端环与近端骨段相互垂直，线段OD(D点为近端骨段机械轴与椭圆长轴的交点)的长度即为所求距离，记作L1；

步骤113：对于侧位上图片的处理，需要测量出骨远端的反张或屈曲角度，记作α2；远端骨的前后位移距离，记作S2；近端环中心相对于骨中心的前后偏移距离，记作L2；

步骤114：对于轴位上图片的处理，首先连接近端骨的骨折线中点与远端骨的骨折线中点，连线在近端骨机械轴延长线上的投影即远端骨的缩短或分离位移，记为S3；获得骨骼在轴向上的远端骨的旋转畸形角度和近端参照环的旋转偏移角度，记为α3和β；近端骨段机械轴与骨折线相交于E点(此时E点即为骨折线的中点)，系统默认近端环与近端骨段相互垂直，故线段DE的长度即为近端环到骨折端的轴向距离，记作L3。