一种椎弓根置钉手术的路径规划方法

本发明涉及人工智能，具体涉及一种椎弓根置钉手术的路径规划方法。

背景技术：

1、在椎弓根置钉手术的操作流程中，首先通过在椎骨上规划出进针通道，然后将特制螺钉打入将椎弓根与椎骨固定。之后，医生可以通过外置的固定件将相邻的若干螺钉进行连接，对整个腰椎上的关节相对位置进行调整和固定，完成对脊柱的修复工作。该手术是一种目前常见的用于治疗脊柱滑脱、脊柱骨折、畸形和椎间盘突出等多种疾病的常用外科手术治疗方法。

2、现有技术中，为提高手术效率，往往会采用ct扫描加计算机辅助路径规划的方式来预先规划置钉路径，再由医生进行手术。比如，中国专利cn202310644859.5公开了一种生成椎弓根螺钉置入路径的方法与系统，其包括通过椎体分割神经网络模型分割ct医学图像内的椎体，得到椎体mask；基于椎体mask的最小外包长方体或最优外包长方体，将相应患者椎体的原始ct医学图像区域，作为路径优化神经网络模型的输入，计算得到满足条件的左右两个椎弓根螺钉尾点和中点热图；获取椎弓根螺钉的进钉点和椎弓根螺钉参数；基于椎弓根螺钉的最优候选路径和椎弓根螺钉参数，在椎体内置入左右两个所述椎弓根螺钉。

3、但是，在实际实施过程中，发明人发现，上述技术方案中，通常是仅参照往期的实验数据来由人工智能模型进行简单预测，从而得到置钉路径，缺少对相关安全冗余的估计。比如，置钉路径过于靠近或接触椎管区域，在实际手术中可能导致脊髓液渗出的问题，带来额外的手术风险。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种椎弓根置钉手术的路径规划方法。

2、具体技术方案如下：

3、一种椎弓根置钉手术的路径规划方法，包括：

4、步骤s1：对待置钉脊柱进行ct扫描以获取目标脊椎的断面图像；

5、步骤s2：自所述断面图像中分别识别得到椎骨区、椎管区和椎管中心，依照所述椎管中心构建对应于所述椎管区的避让区域；

6、所述避让区域为以所述椎管中心为圆心，所述椎管区的长轴半径为半径构建的圆形区域；

7、步骤s3：于所述椎骨区中采用路径规划模型生成规划路径；

8、于执行所述步骤s3的过程中，控制所述规划路径不与所述圆形区域接触。

9、另一方面，所述步骤s1包括：

10、步骤s11：对所述待置钉脊椎进行三维ct扫描以获取脊柱侧视图像和ct图像序列；

11、所述ct图像序列包括多幅依次对应于所述待置钉脊柱不同高度的所述断面图像；

12、步骤s12：对所述脊柱侧视图像进行识别以确定所述目标脊椎；

13、步骤s13：获取关联于所述目标脊椎的所述断面图像并输出。

14、另一方面，所述步骤s13中，在获取到关联于所述目标脊椎的多幅所述断面图像后，将关联于所述目标脊椎的多幅所述断面图像标记为目标图像组，随后选择其中一幅所述断面图像输出；

15、所述步骤s3中，若所述路径规划模型无法生成所述规划路径，则从所述目标图像组中选择另一幅所述断面图像，随后返回所述步骤s2。

16、另一方面，所述步骤s12中，采用一实例分割模型确定所述目标脊椎，所述实例分割模型包括：

17、分割网络，所述分割网络自所述脊柱侧视图像中分割得到多个椎骨段；

18、实例存储网络，所述实例存储网络中预先存储有训练过程中识别得到的参照椎骨段；

19、分类网络，所述分类网络分别连接所述分割网络和所述实例存储网络，所述分类网络依照所述参照椎骨段对所述椎骨段进行分类以生成每个所述椎骨段的分类标签；

20、输出模块，所述输出模块连接所述分类网络，所述输出模块依照所述分类标签输出对应的所述目标脊椎。

21、另一方面，所述步骤s2包括：

22、步骤s21：对所述断面图像进行二值化处理得到二值化图像，随后于所述二值化图像中进行连通域检测，以分别得到对应于第一像素值范围的第一连通域和对应于第二像素值范围的第二连通域；

23、所述第一像素值范围大于所述第二像素值范围，所述第一连通域对应于所述椎管区，所述第二连通域对应于所述椎骨区；

24、步骤s22：对所述第一连通域进行面积积分以确定所述椎管中心；

25、步骤s23：自所述椎管中心构建多组指向所述第一连通域的边缘的椎管半径矢量并计算椎管矢量模长，将最大的所述椎管矢量模长作为所述长轴半径；

26、步骤s24：依照所述椎管中心和所述长轴半径构建所述避让区域。

27、另一方面，所述步骤s3包括：

28、步骤s31：于所述锥骨区的左右两侧分别构建第一内接圆和第二内接圆；

29、所述第一内接圆和所述第二内接圆的边缘分别与所述椎骨区的边缘和所述椎管的边缘相抵，且分布于所述椎骨区的中轴线的两侧；

30、步骤s32：将所述规划路径分别通过所述第一内接圆和所述第二内接圆的圆心作为优化目标，以及将所述规划路径避让所述避让区域作为约束条件输入所述路径规划模型，以预测得到所述规划路径。

31、另一方面，所述路径规划模型包括：

32、形态学模块，所述形态学模块接收输入的所述断面图像，所述形态学模型对所述椎骨区进行曲率识别以分别确定左右两侧的椎弓根；

33、矢量构建模块，所述矢量构建模块连接所述形态学模块，所述矢量构建模型以所述椎弓根上的任意点作为起点，以所述椎骨区的中轴线作为终点随机生成多组预置钉矢量；

34、矢量筛选模块，所述矢量筛选模块连接所述矢量构建模块，所述矢量筛选模块依照所述优化目标和所述约束条件对所述预置钉矢量进行筛选得到所述规划路径。

35、一种存储器，所述存储器中存储有计算机指令，当计算机设备运行所述计算机指令时，执行上述的路径规划方法。

36、上述技术方案具有如下优点或有益效果：

37、针对现有技术中的路径规划方案安全冗余较低的问题，本方案中，在路径规划之前加入了额外的对脊椎断面进行识别的过程，从而得到脊椎中的椎骨区、椎管区和椎管中心，并围绕椎管部分构建了特定的避让区域。在后续的路径规划过程中，控制路径规划模型不输出经过避让区域的规划路径，从而实现较好的安全冗余，降低了手术风险。

技术特征：

1.一种椎弓根置钉手术的路径规划方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤s1包括：

3.根据权利要求2所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤s13中，在获取到关联于所述目标脊椎的多幅所述断面图像后，将关联于所述目标脊椎的多幅所述断面图像标记为目标图像组，随后选择其中一幅所述断面图像输出；

4.根据权利要求2所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤s12中，采用一实例分割模型确定所述目标脊椎，所述实例分割模型包括：

5.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤s2包括：

6.根据权利要求1所述的路径规划方法，其特征在于，所述步骤s3包括：

7.根据权利要求6所述的路径规划方法，其特征在于，所述路径规划模型包括：

8.一种存储器，所述存储器中存储有计算机指令，其特征在于，当计算机设备运行所述计算机指令时，执行如权利要求1-7任意一项所述的路径规划方法。

技术总结本发明涉及人工智能技术领域，具体涉及一种椎弓根置钉手术的路径规划方法，包括：步骤S1：对待置钉脊柱进行CT扫描以获取目标脊椎的断面图像；步骤S2：自断面图像中分别识别得到椎骨区、椎管区和椎管中心，依照椎管中心构建对应于椎管区的避让区域；步骤S3：于椎骨区中采用路径规划模型生成规划路径；于执行步骤S3的过程中，控制规划路径不与圆形区域接触。有益效果在于：在路径规划之前加入了额外的对脊椎断面进行识别的过程，从而得到脊椎中的椎骨区、椎管区和椎管中心，并围绕椎管部分构建了特定的避让区域。在后续的路径规划过程中，控制路径规划模型不输出经过避让区域的规划路径，从而实现较好的安全冗余，降低了手术风险。技术研发人员：许炜,肖建如,朱志朋,李博,袁昊,沈志龙,刘鸿瑜,魏涛,晏祥寿受保护的技术使用者：中国人民解放军海军军医大学第二附属医院技术研发日：技术公布日：2024/6/11