RU2635451C1 - Method for optical medical navigation system application for visualization and quantitative evaluation of quality of fragments reposition in case of pelvic bone fracture - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: third positioner with passive markers is installed on the movable part of the pelvic bone. On the X-ray computer tomograph, images of the fixed part of the pelvic bone with a reference positioner with passive markers installed thereon and a movable part of the pelvic bone with the third positioner with passive markers installed thereon are recorded. At the workstation of the X-ray computer tomograph, image processing is performed and a 3D segmented image of the fixed part of the pelvic bone with a reference positioner with passive markers installed thereon and of the movable part of the pelvic bone with the third positioner with passive markers installed thereon, as well as of the fracture region is plotted. The processing results are transferred to the optical medical navigation system computer via the computer network and displayed on the screen to the surgeon for planning and subsequent management of surgical instruments during operation. On the display screen, the surgeon indicates the points of compliance in the fracture region on the 3D segmented image of the fixed part of the pelvic bone and the moving part of the pelvic bone, which, when combining the movable part of the pelvic bone and the fixed part of the pelvic bone during surgery, should be maximally approximated. During the operation using the optical medical navigation system, the reference positioner with passive markers and the third positioner with passive markers installed on the patient and visible by the stereo video cameras of the optical medical navigation system are geometrically linked to the segmented 3D images of the reference positioner with passive markers and the third positioner with passive markers and corresponding segmented fixed portion of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone. During surgery, the moving part of the pelvic bone and the fixed part of the pelvic bone are brought together by "manual" actions and set in the position for subsequent fixation with a screw. On the display, a 3D segmented image of the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone is displayed in real time with the information on the distances between the correspondence points in the fracture region that must be maximally approximated to ensure the alignment of the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone. The second positioner with passive markers is installed on the drill. To direct the needle through the desired areas in the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone, the direction of needle drilling is determined by a schematic image of the passive markers of the first positioner with the passive markers located on the guiding needle and the depth of needle drilling according to the schematic drawing of the passive markers of the second positioner with the passive markers with respect to the 3D image of the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone displayed of the optical medical navigation system screen. Further the needle is drilled into the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone. The guiding needle is removed. A screw fixing the movable part of the pelvic bone to the fixed part of the pelvic bone is installed along the needle. The needle is removed and the wound is sutured.

EFFECT: reduced radiation load on the patient, increased functionality of the method.

2 cl, 3 dwg

Description

Translated fromRussian

Способ использования оптической медицинской навигационной системы для визуализации и количественной оценки качества репозиции отломков при переломе кости таза относится к способам планирования и контроля выполнения хирургических операций и может быть использован при проведении хирургических операций в травматологии для обеспечения количественного контроля и визуализации в режиме реального времени совмещения отломков кости таза и движения хирургических инструментов в операционном поле на основе 3D рентгеновских компьютерных томографических изображений, полученных при предварительных обследованиях пациента.The method of using an optical medical navigation system for visualizing and quantifying the quality of reposition of fragments during pelvic fracture relates to methods for planning and controlling the performance of surgical operations and can be used in surgical operations in traumatology to provide quantitative monitoring and real-time visualization of combining bone fragments the pelvis and the movement of surgical instruments in the surgical field based on a 3D X-ray computer volume graphic images obtained during a preliminary survey of the patient.

Известен способ: «Three - Dimensional Fluoroscopy - Navigated Percutaneous Screw Fixation of Acetabular» Fractures. // Philipp Schwabe, Burak Altintas, Klaus-Dieter Schaser, Claudia Druschel, Christian Kleber, Norbert P. Haas, Sven Maerdian. Journal of Orthopaedic Trauma, 2014, - Volume 28, - Number 12, - p. 700-706.The known method: "Three - Dimensional Fluoroscopy - Navigated Percutaneous Screw Fixation of Acetabular" Fractures. // Philipp Schwabe, Burak Altintas, Klaus-Dieter Schaser, Claudia Druschel, Christian Kleber, Norbert P. Haas, Sven Maerdian. Journal of Orthopedic Trauma, 2014, - Volume 28, -Number 12, - p. 700-706.

Этот способ включает контроль во время операции положения неподвижной части кости таза, подвижной части кости таза и области перелома по 3D рентгеновскому изображению, установку референтного позиционера с пассивными маркерами на неподвижной части кости таза, определение по 3D рентгеновскому изображению, через какие области неподвижной части кости таза и подвижной части кости таза во время операции будет осуществляться фиксация подвижной части кости таза к неподвижной части кости таза винтом, установку первого позиционера с пассивными маркерами на направляющую спицы, контроль направления спицы с помощью оптической медицинской навигационной системы по схематическому изображению на экране монитора первого позиционера с пассивными маркерами, установленного на направляющей спицы, засверливание дрелью спицы в неподвижную часть кости таза и подвижную часть кости таза. Контроль глубины засверливания спицы осуществляется по постоянно регистрируемому 3D рентгеновскому изображению конца спицы относительно неподвижной части кости таза и подвижной части кости таза. После засверливания спицы проводят удаление направляющей спицы, установку скрепляющего подвижную часть кости таза и неподвижную часть кости таза винта, удаление спицы и зашивание раны. Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.This method includes monitoring during the operation the position of the fixed part of the pelvic bone, the movable part of the pelvic bone and the fracture area in a 3D x-ray image, installing a reference positioner with passive markers on the fixed part of the pelvic bone, determining from the 3D X-ray image through which areas of the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone during the operation, the movable part of the pelvic bone will be fixed to the fixed part of the pelvic bone with a screw, the installation of the first positioner with passive Archer on the guide spokes, controlling the direction of the spokes with the optical medical navigation system on the schematic image on the monitor screen of the first positioner with passive markers mounted on the guide pin, drill pilot drilling needles in the stationary part of the pelvis and the moving part of the pelvic bone. The control of the depth of drilling of the knitting needles is carried out according to a constantly recorded 3D X-ray image of the end of the spoke relative to the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone. After drilling the knitting needles, the guide knitting needle is removed, the screw fastening the movable part of the pelvic bone and the fixed part of the pelvic bone is fixed, the knitting needle is removed and the wound is sutured. This method is selected as a prototype of the proposed solution.

Недостаток этого способа заключается в том, что во время операции многократно используется регистрация 3D рентгеновского изображения области перелома кости таза, отломков и хирургических инструментов. В результате этого происходит многократное рентгеновское облучение пациента и медицинского персонала, что является вредным и нежелательным. К тому же 3D рентгеновское изображение не является изображением высокого качества, контраста, четкости и разрешающей способности и не позволяет видеть мелкие детали костей. Кроме того, данный способ не дает количественной оценки сближения неподвижной и подвижной частей кости таза, а только визуализируемое на экране рентгеновского прибора расположение костей относительно друг друга. Это снижает функциональные возможности, безопасность и точность репозиции отломков известного способа.The disadvantage of this method is that during the operation, registration of a 3D X-ray image of the pelvic fracture area, fragments and surgical instruments is repeatedly used. As a result of this, multiple x-ray irradiation of the patient and medical personnel occurs, which is harmful and undesirable. In addition, the 3D X-ray image is not an image of high quality, contrast, clarity and resolution and does not allow to see small details of bones. In addition, this method does not quantify the approximation of the stationary and moving parts of the pelvic bone, but only the location of the bones relative to each other, visualized on the screen of the x-ray device. This reduces the functionality, security and accuracy of the reposition of fragments of the known method.

Технический результат изобретения заключается в том, что во время операции получают количественную оценку, характеризующую точность совмещения неподвижной части кости таза и подвижной части кости таза в области перелома, что приводит к расширению функциональных возможностей предложенного способа за счет повышения точности репозиции неподвижной и подвижной частей кости таза. Предложенный способ позволяет значительно снизить лучевую нагрузку на пациента, так как пациент подвергается только предварительному обследованию на рентгеновском компьютерном томографе. Медицинский персонал во время выполнения операции вообще не подвергается рентгеновскому облучению.The technical result of the invention is that during the operation, a quantitative assessment is obtained that characterizes the accuracy of combining the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the pelvic bone in the fracture area, which leads to the expansion of the functionality of the proposed method by improving the accuracy of reposition of the fixed and movable parts of the pelvic bone . The proposed method can significantly reduce radiation exposure to the patient, since the patient is subjected only to preliminary examination on an x-ray computer tomograph. During the operation, medical personnel are not exposed to x-rays at all.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе использования оптической медицинской навигационной системы для визуализации и количественной оценки качества репозиции отломков при переломе кости таза используется обследование пациента на рентгеновском компьютерном томографе с установленными на неподвижной и подвижной частях кости таза пациента позиционеров с пассивными маркерами, построение 3D сегментированного изображения неподвижной части кости таза и подвижной части кости таза и установленных на них позиционерах с пассивными маркерами. Осуществляется пространственная геометрическая привязка изображений позиционеров, установленных на неподвижной части кости таза и подвижной части кости, а также направляющих спицы и засверливающей ее дрели, видимых стереовидеокамерами, и 3D сегментированных изображений, что обеспечивает слежение в реальном масштабе времени за геометрическим расстоянием между указанными хирургом в области перелома точками соответствия на неподвижной и подвижной частях кости таза, которые во время хирургической операции необходимо максимально сблизить, чтобы ликвидировать щель в области переломаThe specified technical result is achieved by the fact that in the method of using an optical medical navigation system to visualize and quantify the quality of reposition of fragments during pelvic fracture, a patient is examined on an X-ray computer tomograph with positioners with passive markers mounted on the stationary and moving parts of the pelvic bone, 3D construction segmented image of the fixed part of the pelvic bone and the moving part of the pelvic bone and the positioner installed on them x passive markers. Geometric spatial reference is made of images of positioners mounted on the fixed part of the pelvic bone and the movable part of the bone, as well as guide knitting needles and drills drilling it, visible with stereo video cameras, and 3D segmented images, which provides real-time tracking of the geometric distance between the specified surgeon in the area fracture points of correspondence on the stationary and moving parts of the pelvic bone, which during surgery must be brought as close as possible to eliminate the gap in the fracture area

На фиг. 1 изображена схема приборного комплекса оптической медицинской навигационной системы для реализации предложенного способа.In FIG. 1 shows a diagram of an instrument complex of an optical medical navigation system for implementing the proposed method.

На фиг. 2 изображено 3D сегментированное изображение неподвижной и подвижной частей кости таза с установленными на них позиционерами с пассивными маркерами. В области перелома указаны точки соответствия.In FIG. 2 shows a 3D segmented image of the stationary and moving parts of the pelvic bone with positioners with passive markers mounted on them. In the fracture area, match points are indicated.

На фиг. 3 изображено 3D сегментированное изображение кости таза с позиционерами с пассивными маркерами после фиксации отломков винтом.In FIG. Figure 3 shows a 3D segmented image of the pelvic bone with positioners with passive markers after fixing the fragments with a screw.

Приборный комплекс (оптическая медицинская навигационная система) для реализации предложенного способа включает оптическую медицинскую навигационную систему 1 (фиг. 1), содержащую компьютер 2, монитор 3 и стереовидеокамеры 4. Также в состав приборного комплекса входят первый позиционер с пассивными маркерами 9, устанавливаемый на направляющую спицы 7, второй позиционер с пассивными маркерами 10, устанавливаемый на дрель 11, референтный позиционер с пассивными маркерами 12 и третий позиционер с пассивными маркерами 13. Приборный комплекс использует зарегистрированные на рентгеновском компьютерном томографе 5 и обработанные на входящей в его состав рабочей станции 6 изображения.The instrument complex (optical medical navigation system) for implementing the proposed method includes an optical medical navigation system 1 (Fig. 1) comprising acomputer 2, amonitor 3 andstereo video cameras 4. Also, the instrument complex includes a first positioner withpassive markers 9 mounted on aguide knitting needles 7, the second positioner withpassive markers 10 mounted on thedrill 11, the reference positioner withpassive markers 12 and the third positioner withpassive markers 13. Instrument complex It uses images recorded on an X-ray computedtomograph 5 and processed on theworkstation 6 included in its composition.

Стереовидеокамеры 4 способны обеспечивать захват стереоизображения операционного поля на расстоянии 1,5 м и объемом не менее 1 м. Для увеличения контраста изображения пассивных маркеров и более качественного выделения пассивных маркеров на получаемом видеоизображении используется инфракрасная подсветка, выполненная светодиодами (не показаны), которые располагаются вокруг обоих объективов стереовидеокамер 4. Для уменьшения негативного влияния осветительных хирургических ламп диапазон пропускания видеокамер 4 установлен от 950 нм, максимальное разрешение видеокамер 2048⋅2048 пикселей. Для одномоментной регистрации изображений с двух видеокамер введена их синхронизация.Stereo-video cameras 4 are capable of capturing stereo images of the surgical field at a distance of 1.5 m and a volume of at least 1 m. To increase the contrast of the image of passive markers and better highlight passive markers on the resulting video image, infrared illumination is used, made by LEDs (not shown), which are located around both lenses ofstereo video cameras 4. To reduce the negative impact of surgical surgical lamps, the transmission range ofcameras 4 is set to 950 nm, max mal resolution 2048⋅2048 pixel cameras. For simultaneous registration of images from two cameras, their synchronization is introduced.

В качестве пассивных маркеров используют светоотражающие маркеры, имеющие форму шариков диаметром не менее 9 мм. Программное обеспечение оптической медицинской навигационной системы 1 работает на компьютере 2. Программное обеспечение выполняет геометрическую привязку координат, видимых стереовидеокамерами 4 на теле пациента референтного позиционера с пассивными маркерами 12, установленного на неподвижной части кости таза и третьего позиционера с пассивными маркерами 13, установленного на подвижную часть кости таза 16, с пространственными координатами сегментированных 3D изображений референтного позиционера с пассивными маркерами 12 и соответствующего ему сегментированного изображения неподвижной части кости таза 15 и третьего позиционера с пассивными маркерами 13 и соответствующего ему сегментированного изображения подвижной части кости таза 16. Также программное обеспечение оптической медицинской навигационной системы 1, работающее на компьютере 2, выполняет геометрическую привязку координат, видимых стереовидеокамерами 4, направляющей спицы 8 по установленному на ней первому позиционеру с пассивными маркерами 9 и координат дрели по установленному на ней второму позиционеру с пассивными маркерами 10, с пространственными координатами 3D сегментированного изображения неподвижной части кости таза 15 и подвижной части кости таза 16.As passive markers, reflective markers are used, having the shape of balls with a diameter of at least 9 mm. The software of the opticalmedical navigation system 1 runs oncomputer 2. The software geometrically coordinates the coordinates seen by thestereo video cameras 4 on the patient’s body of the reference positioner withpassive markers 12 mounted on the fixed part of the pelvic bone and the third positioner withpassive markers 13 mounted on the movable partpelvic bones 16, with spatial coordinates of segmented 3D images of a reference positioner withpassive markers 12 and correspondingly the segmented image of the fixed part of thepelvic bone 15 and the third positioner withpassive markers 13 and the corresponding segmented image of the movable part of thepelvic bone 16 corresponding to it. The software of the opticalmedical navigation system 1 running on thecomputer 2 also performs geo-referencing of the coordinates seen by thestereo video cameras 4,guide spokes 8 for the first positioner installed on it withpassive markers 9 and drill coordinates for the second positioner installed on itpassive markers 10, the spatial coordinates of the segmented 3D image of the bones of the pelvis fixed 15 and movable part of thepelvic bone 16.

В качестве компьютера 2 может быть использован персональный компьютер с характеристиками не хуже: Intel Core i7-5960X 3.0GHz 8 Cores 20MB.Ascomputer 2, a personal computer with the same characteristics can be used: Intel Core i7-5960X 3.0GHz 8 Cores 20MB.

Ввод данных в приборный комплекс во время операции осуществляется с помощью сенсорного монитора 3 с размером диагонали не менее 60 см.Data entry into the instrument complex during the operation is carried out using thetouch monitor 3 with a diagonal size of at least 60 cm.

Предложенный способ реализуется следующим образом.The proposed method is implemented as follows.

Хирург выполняет установку референтного позиционера с пассивными маркерами 12 (фиг. 1) на неподвижной части кости таза 15. На подвижной части кости таза 16 устанавливают третий позиционер с пассивными маркерами 13. Позиционеры устанавливают на соответствующие кости таза при местном обезболивании. Затем на рентгеновском компьютерном томографе 5 проводят регистрацию 3D изображения неподвижной части кости таза 15 с установленным на ней референтным позиционером с пассивными маркерами 12 и подвижной части кости таза 16 с установленным на ней третьим позиционером с пассивными маркерами 13. Далее на рабочей станции 6 рентгеновского компьютерного томографа 5 проводят обработку изображений и строят 3D сегментированное изображение (Фиг. 2) неподвижной части кости таза 15 с установленным на ней референтным позиционером с пассивными маркерами 12 и 3D сегментированное изображение подвижной части кости таза 16 с установленным на ней третьим позиционером с пассивными маркерами 13. Результаты обработки по вычислительной сети передаются в компьютер 2 оптической медицинской навигационной системы 1 и отображаются на экране монитора 3 хирургу для планирования операции по выбору направления и глубины засверливания спицы 7 и последующей установки по ней скрепляющего винта 14.The surgeon installs a reference positioner with passive markers 12 (Fig. 1) on the fixed part of thepelvic bone 15. On the moving part of thepelvic bone 16, a third positioner withpassive markers 13 is installed. Positioners are installed on the corresponding pelvic bones with local anesthesia. Then, on an X-ray computedtomograph 5, a 3D image is recorded of the fixed part of thepelvic bone 15 with a reference positioner installed on it withpassive markers 12 and the movable part of thepelvic bone 16 with a third positioner installed on it withpassive markers 13. Then at theworkstation 6 of the X-ray computedtomography 5 carry out image processing and build a 3D segmented image (Fig. 2) of the fixed part of thepelvic bone 15 with a reference positioner mounted on it withpassive markers 12 and 3D segmented image of the moving part of thepelvic bone 16 with the third positioner installed on it withpassive markers 13. The processing results are transmitted via a computer network tocomputer 2 of the opticalmedical navigation system 1 and displayed on themonitor screen 3 to the surgeon to plan the operation for choosing the direction and depth of drilling of the knittingneedle 7 and the subsequent installation of afastening screw 14 thereon.

На 3D сегментированном изображении (Фиг. 2) неподвижной части 15 и подвижной части 16 кости таза хирургом в области перелома 17 указываются точки соответствия. Для этого на экране монитора 3 на 3D сегментированном изображении неподвижной части кости таза 15 хирург указывает точки 18, 20, 22 и т.д., на подвижной части кости таза 16 хирург указывает точки 19, 21, 23 и т.д. Для установки точек выбираются характерные анатомические ориентиры на костях в области перелома. Эти точки во время операции для устранения щели в области перелома 17 должны быть максимально совмещены друг с другом следующим образом: точка 18 с точкой 19, точка 20 с точкой 21, точка 22 с точкой 23 и т.д. Для достижения хорошей точности соответствия репозиции отломков достаточно использовать 6-7 пар точек.On a 3D segmented image (Fig. 2) of thefixed part 15 and themovable part 16 of the pelvic bone, the points of correspondence are indicated by the surgeon in the area offracture 17. To do this, on the screen of themonitor 3 on a 3D segmented image of the fixed part of the bone of thepelvis 15, the surgeon points to 18, 20, 22, etc., on the moving part of the bone of thepelvis 16, the surgeon points to 19, 21, 23, etc. To set points, characteristic anatomical landmarks on the bones in the fracture area are selected. These points during the operation to eliminate the gap in thefracture region 17 should be maximally aligned with each other as follows:point 18 withpoint 19,point 20 withpoint 21,point 22 withpoint 23, etc. To achieve good accuracy of matching reposition of fragments, it is enough to use 6-7 pairs of points.

Во время операции видеоизображение со стереовидеокамер 4 по USB-интерфейсу передается в компьютер 2, где подвергается математической обработке для вычисления пространственных координат референтного позиционера с пассивными маркерами 12 на неподвижной части кости таза, третьего позиционера с пассивными маркерами 13, первого позиционера с пассивными маркерами 9, установленного на направляющую спицы 8, и третьего позиционера с пассивными маркерами 10, установленного на дрель 11. Далее программное обеспечение оптической стереоскопической навигационной системы 1 производит геометрическую привязку пространственных координат референтного позиционера с пассивными маркерами 12 и третьего позиционера с пассивными маркерами 13, видимых на теле пациенте стереовидеокамерами 4 и схематически отображаемых на экране монитора 3 в процессе их движения в реальном масштабе времени с 3D сегментированными изображениями референтного позиционера с пассивными маркерами 12, соединенного в единое целое с неподвижной частью кости таза 15, и третьего позиционера с пассивными маркерами 13, соединенного в единое целое с подвижной частью кости таза 16.During the operation, the video image from thestereo video cameras 4 via USB is transferred tocomputer 2, where it is subjected to mathematical processing to calculate the spatial coordinates of the reference positioner withpassive markers 12 on the fixed part of the pelvic bone, the third positioner withpassive markers 13, the first positioner withpassive markers 9, mounted on theguide spokes 8, and the third positioner withpassive markers 10 mounted on thedrill 11. Next, the software optical stereoscopic navigation of thenavigation system 1 geometrically associates the spatial coordinates of the reference positioner withpassive markers 12 and the third positioner withpassive markers 13, visible on the patient’s body withstereo video cameras 4 and schematically displayed on themonitor screen 3 during their movement in real time with 3D segmented images of the reference positioner withpassive markers 12, connected in a single unit with the fixed part of thepelvic bone 15, and a third positioner withpassive markers 13, connected o in a single unit with the moving part of thepelvic bone 16.

Хирург во время операции старается сблизить неподвижную часть кости таза 15 и подвижную часть кости таза 16 в области перелома 17 и установить их в оптимальном положении для последующей фиксации винтом 14. При этом программное обеспечение, работающее на компьютере 3 оптической медицинской навигационной системы 1, обеспечивает слежение за перемещением неподвижной части кости таза 15 и подвижной части кости таза 16 как их 3D сегментированных изображений и отображает их перемещения относительно друг друга на экране монитора 3. Также на монитор 3 выводится дополнительная информация о расстояниях в миллиметрах между парами точек соответствия на неподвижной части кости таза 15 и подвижной части кости таза 16 (18-20, 20-22, 21-23 и т.д.), которые необходимо максимально сблизить для обеспечения совмещения неподвижной 15 и подвижной 16 частей таза в области перелома 17.During the operation, the surgeon tries to bring together the fixed part of thepelvic bone 15 and the movable part of thepelvic bone 16 in the area offracture 17 and set them in the optimal position for subsequent fixation withscrew 14. At the same time, the software running oncomputer 3 of the opticalmedical navigation system 1 provides tracking after moving the fixed part of thepelvic bone 15 and the moving part of thepelvic bone 16 as their 3D segmented images and displays their movements relative to each other on the screen ofmonitor 3. Also onmonitor 3 you additional information is provided on the distances in millimeters between pairs of correspondence points on the fixed part of thepelvic bone 15 and the movable part of the pelvic bone 16 (18-20, 20-22, 21-23, etc.), which must be brought as close as possible to ensure that the fixed 15 and the movable 16 parts of the pelvis in thefracture area 17.

Далее хирург определяет, через какие области неподвижной части кости таза 15 и подвижной части кости таза 16 во время операции будет осуществляться их фиксация винтом 14.Further, the surgeon determines through which areas of the fixed part of the bone of thepelvis 15 and the movable part of the bone of thepelvis 16 during the operation they will be fixed with ascrew 14.

Затем хирург выполняет установку первого позиционера с пассивными маркерами 9 на направляющую спицы 8 и устанавливает второй позиционер с пассивными маркерами 10 на дрель 11.Then the surgeon installs the first positioner withpassive markers 9 on the guide of thespokes 8 and installs the second positioner withpassive markers 10 on thedrill 11.

Во время операции стереовидеокамеры 4 системы оптической медицинской навигационной системы 1 регистрируют видеоизображение первого позиционера с пассивными маркерами 9 направляющей спицы 7 и второго позиционера с пассивными маркерами 10 дрели 11. Программное обеспечение, работающее на компьютере 3, обеспечивает перерасчет их пространственных координат в координаты 3D сегментированного изображения неподвижной 15 и подвижной 16 частей костей таза и обеспечивает схематическую визуализацию направления и глубины засверливания спицы 7 на мониторе 3.During the operation of thestereo video camera 4 of the opticalmedical navigation system 1, a video image of the first positioner withpassive markers 9 of theguide pin 7 and the second positioner withpassive markers 10 of thedrill 11 is recorded. The software running oncomputer 3 recalculates their spatial coordinates into 3D coordinates of the segmented image fixed 15 and moving 16 parts of the pelvic bones and provides a schematic visualization of the direction and depth of drilling of thespoke 7 on themoni 3 Ore.

Хирург задает направление засверливания спицы 7 по схематическому изображению на экране монитора 3 пассивных маркеров первого позиционера с пассивными маркерами 9, расположенного на направляющей спицы 8 относительно 3D сегментированного изображения неподвижной части кости таза 15 и подвижной части кости таза 16, отображаемых на экране монитора 3 оптической медицинской навигационной системы 1. Хирург начинает засверливание спицы 7, контролируя глубину засверливания, наблюдая на экране монитора 3 схематическое изображение конца спицы 7 по второму позиционеру с пассивными маркерами 10, установленного на дрели 11, относительно 3D изображения неподвижной части кости таза 15 и подвижной части кости таза 16. Затем хирург удаляет направляющую спицы 8 и по спице 7 устанавливает скрепляющий подвижную часть кости таза 16 и неподвижную часть кости таза 15 винт 14 (Фиг. 3), удаляет спицу 7 и проводит зашивание раны.The surgeon sets the direction of drilling of thespoke 7 according to the schematic image on themonitor screen 3 of the passive markers of the first positioner withpassive markers 9 located on the guide of thespoke 8 relative to the 3D segmented image of the fixed part of thepelvic bone 15 and the movable part of thepelvic bone 16 displayed on themonitor screen 3 of the opticalmedical navigation system 1. The surgeon begins to drill thespokes 7, controlling the depth of drilling, observing on the screen of the monitor 3 a schematic representation of the end of thespokes 7 on W to another positioner withpassive markers 10 mounted on thedrill 11, relative to the 3D image of the fixed part of thepelvic bone 15 and the movable part of thepelvic bone 16. The surgeon then removes the guide of the knittingneedles 8 and sets the fastening movable part of thepelvic bone 16 and the fixed part of thepelvic bone 15 along thespoke 7 screw 14 (Fig. 3), removes thespoke 7 and sews the wound.

Применение в предложенном способе координируемых в пространстве видимых стереовидеокамерами 4 оптической медицинской навигационной системы 1 референтного позиционера 12, установленного на неподвижную часть кости таза 15, третьего позиционера с пассивными маркерами 13, установленного на подвижную часть кости таза 16, направляющей спицы 8 по установленному на нее позиционеру с пассивными маркерами 9 и дрели 11 по установленному на нее второму позиционеру с пассивными маркерами 10, с построенным 3D сегментированным изображением референтного позиционера 12 и третьего позиционера с пассивными маркерами 13, однозначно связанных с соответствующими неподвижной 15 и подвижной 16 частями костей таза, приводит к возможности контролировать в реальном масштабе времени по изображению на экране монитора 3 направление и глубину засверливания спицы 7, получать количественную оценку, характеризующую точность совмещения неподвижной части кости таза 15 и подвижной части кости таза 16 в области перелома 17, что обеспечивает расширение функциональных возможностей предложенного способа. Предложенный способ позволяет значительно снизить лучевую нагрузку на пациента, так как пациент подвергается только предварительному обследованию на рентгеновском компьютерном томографе.The use in the proposed method coordinated in space of visiblestereo video cameras 4 of the opticalmedical navigation system 1 of thereference positioner 12 mounted on the fixed part of thepelvic bone 15, the third positioner withpassive markers 13 mounted on the movable part of thepelvic bone 16, guide thespokes 8 along the positioner installed on it withpassive markers 9 anddrill 11 according to the second positioner installed on it withpassive markers 10, with a constructed 3D segmented image of thereference positioner 12 and the third positioner withpassive markers 13, uniquely associated with the corresponding fixed 15 and moving 16 parts of the pelvic bones, makes it possible to control in real time on the image on themonitor screen 3 the direction and depth of drilling of thespoke 7, to obtain a quantitative estimate characterizing the accuracy the combination of the fixed part of the bone of thepelvis 15 and the movable part of the bone of thepelvis 16 in the area of thefracture 17, which ensures the expansion of the functionality of the proposed method. The proposed method can significantly reduce radiation exposure to the patient, since the patient is subjected only to preliminary examination on an x-ray computer tomograph.

Claims (2)

Translated fromRussian

1. Способ использования оптической медицинской навигационной системы для визуализации и количественной оценки качества репозиции отломков при переломе кости таза, включающий контроль во время операции положения неподвижной части кости таза (15), подвижной части кости таза (16) и области перелома (17), установку референтного позиционера с пассивными маркерами (12) на неподвижной части кости таза (15), определение - через какие области неподвижной части кости таза (15) и подвижной части кости таза (16) во время операции будет осуществляться фиксация подвижной части кости таза (16) к неподвижной части кости таза (15) винтом (14), установку первого позиционера с пассивными маркерами (9) на направляющую спицы (8), засверливание дрелью (11) спицы (7) в неподвижную часть кости таза (15) и подвижную часть кости таза (16), контроль направления спицы (7) с помощью оптической медицинской навигационной системы (1) по схематическому изображению на экране монитора (3) первого позиционера с пассивными маркерами (9), установленного на направляющей спицы (8), после засверливания спицы (7) проводят удаление направляющей спицы (8), установку скрепляющего подвижную часть кости таза (16) и неподвижную часть кости таза (15) винта (14), удаление спицы (7) и зашивание раны, отличающийся тем, что на подвижной части кости таза (16) устанавливают третий позиционер с пассивными маркерами (13), на рентгеновском компьютерном томографе (5) проводят регистрацию изображений неподвижной части кости таза (15) с установленным на ней референтным позиционером с пассивными маркерами (12) и подвижной части кости таза (16) с установленным на ней третьим позиционером с пассивными маркерами (13), на рабочей станции (6) рентгеновского компьютерного томографа (5) проводят обработку изображений и строят 3D сегментированное изображение неподвижной части кости таза (15) с установленным на ней референтным позиционером с пассивными маркерами (12) и подвижной части кости таза (16) с установленным на ней третьим позиционером с пассивными маркерами (13), а также области перелома (17), результаты обработки по вычислительной сети передают в компьютер (2) оптической медицинской навигационной системы (1) и отображают на экране-мониторе (3) хирургу для планирования и последующего управления хирургическими инструментами в ходе операции, на экране монитора (3) на 3D сегментированном изображении неподвижной части кости таза (15) и подвижной части кости таза (16) хирургом в области перелома (17) указываются точки соответствия, которые при совмещении подвижной части кости таза (16) и неподвижной части кости таза (15) во время операции необходимо максимально сблизить, во время операции с использованием оптической медицинской навигационной системы (1) производят геометрическую привязку референтного позиционера с пассивными маркерами (12) и третьего позиционера с пассивными маркерами (13) установленных на пациенте и видимых стереовидеокамерами (4) оптической медицинской навигационной системы (1) к сегментированным 3D изображениям референтного позиционера с пассивными маркерами (12) и третьего позиционера с пассивными маркерами (13) и соответствующим им сегментированным неподвижной части кости таза (15) и подвижной части кости таза (16), во время операции «ручными» действиями хирург сближает подвижную часть кости таза (16) с неподвижной частью кости таза (15) и устанавливает их в положение для последующей фиксации винтом (14), при этом на монитор (3) в реальном масштабе времени выводится 3D сегментированное изображение неподвижной части кости таза (15) и подвижной части кости таза (16) и информация о расстояниях между точками соответствия в области перелома (17), которые необходимо максимально сблизить для обеспечения совмещения неподвижной части кости таза (15) и подвижной части кости таза (16), далее хирург устанавливает второй позиционер с пассивными маркерами (10) на дрель (11), для прохождения спицы (7) через желаемые области в неподвижной части кости таза (15) и подвижной части кости таза (16) хирург задает направление засверливания спицы (7) по схематическому изображению пассивных маркеров первого позиционера с пассивными маркерами (9), расположенных на направляющей спицы (8), и глубину засверливания спицы (7) по схематическому изображению пассивных маркеров второго позиционера с пассивными маркерами (10) относительно 3D изображения неподвижной части кости таз (15) и подвижной части кости таза (16), отображаемых на экране монитора (3) оптической медицинской навигационной системой (1), далее хирург засверливает дрелью (11) спицу (7) в неподвижную часть кости таза (15) и подвижную часть кости таза (16), затем удаляет направляющую спицы (8), по спице (7) устанавливает скрепляющий подвижную часть кости таза (16) и неподвижную часть кости таза (15) винт (14), удаляет спицу (7) и проводит зашивание раны.1. A method of using an optical medical navigation system for visualizing and quantifying the quality of reposition of fragments during a pelvic fracture, including monitoring during the operation the position of the fixed part of the pelvic bone (15), the movable part of the pelvic bone (16) and the fracture area (17), installation reference positioner with passive markers (12) on the fixed part of the pelvic bone (15), determination - through which areas of the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16) will be fixed during the operation the moving part of the pelvic bone (16) to the fixed part of the pelvic bone (15) with a screw (14), installing the first positioner with passive markers (9) on the guide of the knitting needles (8), drilling a knitting needle (7) with a drill (11) into the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16), control of the direction of the knitting needle (7) using the optical medical navigation system (1) according to the schematic image on the monitor screen (3) of the first positioner with passive markers (9) mounted on the guide needle ( 8), after drilling the spokes (7), the guide is removed with pits (8), installation of a screw (14) fastening the movable part of the pelvic bone (16) and the fixed part of the pelvic bone (15), removing the knitting needle (7) and suturing the wound, characterized in that a third is mounted on the movable part of the pelvic bone (16) positioner with passive markers (13), on an X-ray computer tomograph (5), images of the fixed part of the pelvic bone (15) are recorded with the reference positioner installed on it with passive markers (12) and the movable part of the pelvic bone (16) with the third positioner with passive markers (13), on a workstation (6) of an X-ray computed tomography (5) image processing and 3D segmented image of the fixed part of the pelvic bone (15) is built with the reference positioner installed on it with passive markers (12) and the movable part of the pelvic bone (16) with it installed the third positioner with passive markers (13), as well as the fracture area (17), the processing results are transmitted via a computer network to the computer (2) of the optical medical navigation system (1) and displayed on the monitor screen (3) to the surgeon for planning and subsequent control of surgical instruments during the operation, on the monitor screen (3) on a 3D segmented image of the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16) by the surgeon in the fracture area (17) indicate the points of correspondence, which when combined with the movable parts of the pelvic bone (16) and the fixed part of the pelvic bone (15) must be brought closer as close as possible during operation using the optical medical navigation system (1) to geometric reference position An operation with passive markers (12) and a third positioner with passive markers (13) mounted on the patient and visible by stereo video cameras (4) of the optical medical navigation system (1) to segmented 3D images of a reference positioner with passive markers (12) and a third positioner with passive markers (13) and the corresponding segmented parts of the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16), during the operation by “manual” actions, the surgeon brings the movable part of the pelvic bone (16) closer to the fixed part of the bone behind (15) and sets them to the position for subsequent fixation with a screw (14), while a 3D segmented image of the fixed part of the pelvic bone (15) and the moving part of the pelvic bone (16) and information on the distances between the correspondence points in the fracture region (17), which must be brought as close as possible to ensure that the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16) are aligned, then the surgeon installs a second positioner with passive markers (10) on the drill (11) for passing the knitting needles (7) through the desired areas in the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16), the surgeon sets the direction of drilling of the knitting needle (7) according to the schematic representation of the passive markers of the first positioner with passive markers (9) located on the guide needle ( 8), and the depth of the knitting hole (7) according to the schematic representation of the passive markers of the second positioner with passive markers (10) relative to the 3D image of the fixed part of the pelvic bone (15) and the moving part of the pelvic bone (16) displayed on the monitor screen (3) optically medical navigation system (1), then the surgeon drills the needle (11) with a drill (11) into the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16), then removes the guide pin (8), sets the needle (7) fastening the screw (14) fastening the movable part of the pelvic bone (16) and the fixed part of the pelvic bone (15), removes the spoke (7) and sutures the wound.2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что во время операции получают количественную оценку, характеризующую точность совмещения неподвижной части кости таза (15) и подвижной части кости таза (16).2. The method according to p. 1, characterized in that during the operation receive a quantitative assessment characterizing the accuracy of combining the fixed part of the pelvic bone (15) and the movable part of the pelvic bone (16).

Images