微创骨折手术中的计算机辅助内固定钢板术前精确塑形方法研究

As the frontier issue in the field of computer-aided medical diagnosis and treatment, researching into the preoperative accurate moulding method of the internal fixation plate model for the minimally invasive fracture operation is the key technology for the personalized designing of the fracture fixation implants. Thereinto, the systematic method of the broken bones automatic reduction and the implant model reverse reconstruction is the current urgent problem. Responding to these challenges, in this project: 1) The broken bones will be accurately clustered and separated by utilizing the bio-geometric features of the human bones. The 3D feature coordinate point set of the fracture biological section will be obtained. How to achieve the automatic registration (reduction) of broken bones with different skeletal morphology will be focused on. 2) By implementing the mapping transformation between the human bone’s physiological characteristic and the engineering parameters, the optimized spatial information of the screw anchor on the broken bones will be extracted based on the human body biological features. How to build the reconstruction methods of the 3D geometric model for the internal fixation plate according with the physiological characteristic of human bones and how to obtain the optimal matching models of the personalized fracture plate will be focused on. The successful implementation of this project will not only provide effective and powerful tool for the fundamental research on improving the design quality of the fracture fixation implants, promoting the development of minimally invasive fracture operation and enhancing the quality of rehabilitation, but also play an important role in accurate preoperative planning as well as computer intelligent information processing in practice.

作为计算机辅助医疗诊治领域的前沿问题，研究面向微创骨折手术的内固定钢板术前精确塑形方法，是实现骨折内固定植入物个性化设计的关键技术。其中，断骨模型自动虚拟复位与植入物几何模型逆向重构的系统方法是目前亟待解决的问题。针对该挑战，本项目研究：1）利用人体骨骼生物几何特征，实现断骨模型的准确聚类分离，获得骨折生物断面三维空间坐标特征点集，重点解决面向不同骨骼形态的断骨模型自动配准（复位）；2）采用人体骨骼生理特征与工程参数间映射转换的策略，完成基于人体生物特性的断骨表面螺钉锚点空间信息优化提取，重点解决如何构建符合人体骨骼生物特征的骨折内固定钢板3D几何模型逆向拟合重构方法，获得个性化骨折钢板的精确匹配模型。项目的成功实施，将为提高骨折内固定植入物设计质量，推动骨折手术微创化进程以及提升患者康复质量的基础研究提供技术支撑, 同时对疾病术前精确规划和计算机智能信息处理等应用研究也有重要意义。

随着世界经济的不断发展和人民生活水平的不断进步，人类急切需要更安全、更精确、更人性化和更切实有效的医疗服务。微创化、精确化与个性化是现代医学的发展方向，而微创化也是计算机辅助骨科手术精确化与个性化的重要目标。作为世界性疾病，微创骨折手术中的计算机辅助内固定钢板术前精确塑形方法成为目前微创化、精确化骨折手术中亟待解决的问题。经过四年的执行周期，本项目顺利开展了预期研究工作。项目组利用人体骨骼生物几何特征，实现了断骨模型的准确聚类分离，获得了骨折生物断面三维空间坐标特征点集，解决了面向不同骨骼形态的断骨模型自动配准（复位）。采用人体骨骼生理特征与工程参数间映射转换的策略，完成了基于人体生物特性的断骨表面螺钉锚点空间信息优化提取，解决了如何构建符合人体骨骼生物特征的骨折内固定钢板3D几何模型逆向拟合重构方法，获得了个性化骨折钢板的精确匹配模型。另外，本项目对如何利用患者自身骨骼的小样本高噪声坐标数据进行生物特征点萃取，以及实现此类稀疏数据的3D重建也给出了切实有效的解决方案，并将这些思路应用在其他方面图像（例如虚拟人VHP序列化彩色切片图像和高速视频图像）处理中。截至目前，本项目已取得了超出预期数量的成果，发表SCI检索论文12篇，录用1篇（另有多篇在审），申请国家发明专利24项（已授权9项），获批软件著作权8项，培养研究生和本科生多名，多次参加国内外重要学术交流。