[發明專利]基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃系統和方法

在審

• 申請號: 202110903935.0
• 申請日: 2021-08-06
• 公開（公告）號: CN113781496A
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 趙永強;李亞;張勇;周少華;呂元媛;朱河勤
• 申請（專利權）人: 北京天智航醫療科技股份有限公司;蘇州工業園區智在天下科技有限公司
• 主分類號: G06T7/11
• 分類號: G06T7/11;G06T7/33;G06N3/08;G06N3/02;A61B34/20
• 代理公司: 北京律和信知識產權代理事務所(普通合伙) 11446
• 代理人: 謝清萍;項榮

本申請涉及一種基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃系統，其包括分割規劃神經網絡模塊和特征提取模塊，其中：所述分割規劃神經網絡模塊根據CBCT脊椎圖像計算椎弓根螺釘通道的特征點熱圖和CBCT脊椎圖像分割圖；以及所述特征提取模塊根據所述特征點熱圖和所述CBCT脊椎圖像分割圖計算所述椎弓根螺釘通道的特征值，其中，所述特征值包括椎弓根螺釘通道的入點、靶點、長度和直徑，所述特征點熱圖包括中點熱圖和入點熱圖。本申請還提供一種基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃方法。根據本申請提出的基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃方案，無需人工干預就可以自動獲取對椎弓根螺釘通道的規劃，速度快且效果好。

技術領域

本申請涉及骨科技術領域，尤其涉及一種基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃系統和方法。

背景技術

目前，在椎體中置入螺釘是很多脊椎手術中的關鍵的步驟。外科醫生通常在腰椎和尾椎的椎弓根內先插入導絲確定通道，然后在拓寬的通道中置入螺釘。但是，脊椎周圍遍布很多重要的神經和器官，脊椎手術有精度要求高和容錯率小等特點。手術中，外科手術醫生對脊椎結構的了解至關重要，一旦螺釘置入不當穿透上下椎板，誤入的螺釘會造成嚴重的神經血管損傷，也會導致固定早期失敗或假關節形成。

近年來，基于計算機輔助的手術導航系統應運而生。通過固定在病人身上的定位標志物以及CBCT(cone beam computed tomography)的術中采集的影像，可以將手術導航系統的坐標系和病人的影像坐標系統一起來，醫生可以先在影像上規劃通道，然后結合導航系統和手術機器人精準地置入螺釘。該方法的精度較手動操作大大提高。螺釘通道規劃的定義如圖1所示，螺釘可以由入點坐標，靶點坐標，以及螺釘的長度和直徑決定，中點坐標亦可以作為輔助信息。

然而，傳統方法需要人工標注脊椎中心。椎體配準方法-主動形狀模型(activeshape model)的成功依賴于一個好的初始點，因此需要醫生標注每個椎體的中心。這不僅增加了醫生的負擔，還依賴于醫生的經驗。一旦初始點選擇有偏差，會導致椎體配準失敗，進而導致后續通道規劃的失敗。

另外，傳統算法對于椎體變異的情況魯棒性差。傳統算法的通道規劃依賴于通道的模版，而通道模版的制作往往只考慮了正常的椎體結構。而在進行脊椎手術的病人中，椎體的變異程度大，骨質增生的情況比較多見。這些突出的邊緣結構會使通道模版的標準點集轉換回影像空間時發生扭曲，進而導致擬合出的通道規劃出現角度偏差。

所以，目前的脊椎手術的規劃需要醫生手動進行，很依賴于醫生的經驗，智能化水平低。同時，CBCT圖像的質量低，醫生需要在每一層的2D切片上去檢查規劃通道是否肯可行，工作量大，自動化水平低。

發明內容

針對現有技術中存在的問題，本申請提供了一種基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃系統和方法，通過采用神經網絡技術，根據一組術中CBCT圖像和相應的通道規劃標注數據進行訓練，訓練完成后，對于后續的測試可以無需人工干預自動進行，且獲得螺釘通道規劃的速度快，效果好。

根據本申請的一方面，提供一種基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃系統，其包括分割規劃神經網絡模塊和特征提取模塊，其中：

所述分割規劃神經網絡模塊用于根據CBCT脊椎圖像計算椎弓根螺釘通道的特征點熱圖和CBCT脊椎圖像分割圖；以及

所述特征提取模塊用于根據所述特征點熱圖和所述CBCT脊椎圖像分割圖計算所述椎弓根螺釘通道的特征值，其中，所述特征值包括椎弓根螺釘通道的入點、靶點、長度和直徑，所述特征點熱圖包括中點熱圖和入點熱圖。

根據本申請的另一個方面，提供一種基于CBCT脊椎圖像的椎弓根螺釘通道自動規劃方法，其包括：

通過分割規劃神經網絡模塊根據CBCT脊椎圖像計算椎弓根螺釘通道的特征點熱圖和CBCT脊椎圖像分割圖；以及