CN110613469B - 一种腿骨下肢力线自动检测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种腿骨下肢力线自动检测方法，包括：(1)获取CT影像数据；(2)对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型；(3)针对股骨三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置；(4)针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标；(5)通过股骨头球心与膝关节髁间凹中心点的连线获得股骨机械轴线，通过胫骨平台中心点和踝关节中心点的连线获得胫骨机械轴线；(6)针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线。还有装置。
Description
技术领域
本发明涉及医疗图像处理的技术领域，尤其涉及一种腿骨下肢力线自动检测方法，以及腿骨下肢力线自动检测装置。
背景技术
人工髋膝关节置换术是目前治疗骨性关节炎、重度类风湿性关节炎和软骨破坏等末期骨性疾病的最有效手段。随着我国已逐步进入老龄化社会，人工髋、膝关节置换量增长迅速，关节置换手术市场份额迅速增长。
髋膝关节置换手术的成功离不开力线的有效检测，精准找到下肢力线是保障整个手术成功的基础。下肢力线包括股骨解剖轴线、股骨机械轴线、胫骨解剖轴线、胫骨机械轴线。
其中，股骨机械轴是指股骨头球心与髁间凹中心点连线；股骨全长中点及股骨远端关节线上10cm处取两个横截面，求取这一不规则髓腔形体的中心，这两中心点的连线为股骨解剖轴。
其中，胫骨机械轴是指胫骨棘中点稍外侧及距骨中点连线为胫骨机械轴。胫骨解剖轴：胫骨全长中点及胫骨远端关节线上10cm处取两个横截面，求取这一不规则髓腔形体的中心，这两中心点的连线为胫骨解剖轴。
在临床中，常规髋膝关节置换术通过术前X光片进行解剖轴线和机械轴线的确定。医生确定解剖轴线和机械轴线的常规做法是，在病人的X光片上进行选点连线，这种确定解剖轴线和机械轴线的方式严重依赖手术者经验，可靠性差，成为制约手术效果的重要因素。
因此，解决该问题的有效方式应该是根据病人CT或X光图像自动提取下肢力线，在保证精度的前提下，减少由于医生手动取点画线造成的人为误差。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种腿骨下肢力线自动检测方法，其能够保证机械轴线和解剖轴线的精确自动检测，减少了由人为因素引起的主观误差，在减少医生工作量的同时，提高手术的可靠性。
本发明的技术方案是：这种腿骨下肢力线自动检测方法，其包括以下步骤：
(1)获取CT影像数据：利用CT设备对病人的预定部位进行术前扫描，以获取术前CT影像；
(2)对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型；
(3)针对股骨三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置；
(4)针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标；
(5)通过股骨头球心与膝关节髁间凹中心点的连线获得股骨机械轴线，通过胫骨平台中心点和踝关节中心点的连线获得胫骨机械轴线；
(6)针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线。
本发明通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标，从而获得股骨机械轴线和胫骨机械轴线，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线，因此能够保证机械轴线和解剖轴线的精确自动检测，减少了由人为因素引起的主观误差，在减少医生工作量的同时，提高手术的可靠性。
还提供了一种腿骨下肢力线自动检测装置，该装置包括：
CT影像数据获取模块，其配置来对病人的预定部位进行术前扫描，以获取术前CT影像；
骨骼三维模型获取模块，其配置来对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型；
股骨头球心点获取模块，其配置来针对股骨三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置；
配准模块，其配置来针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标；
机械轴线获取模块，其配置来通过股骨头球心与膝关节髁间凹中心点的连线获得股骨机械轴线，通过胫骨平台中心点和踝关节中心点的连线获得胫骨机械轴线；
解剖轴线获取模块，其配置来针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线。
附图说明
图1示出了膝关节中心与胫骨平台中心。
图2示出了踝关节中心。
图3是根据本发明的腿骨下肢力线自动检测方法的流程图。
图4是根据本发明的腿骨下肢力线自动检测方法的一个具体实施例的流程图。
具体实施方式
如图3所示，这种腿骨下肢力线自动检测方法，其包括以下步骤：
(1)获取CT影像数据：利用CT设备对病人的预定部位进行术前扫描，以获取术前CT影像；
(2)对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型；
(3)针对股骨三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置；
(4)针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标；
(5)通过股骨头球心与膝关节髁间凹中心点的连线获得股骨机械轴线，通过胫骨平台中心点和踝关节中心点的连线获得胫骨机械轴线；
(6)针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线。
本发明通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标，从而获得股骨机械轴线和胫骨机械轴线，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线，因此能够保证机械轴线和解剖轴线的精确自动检测，减少了由人为因素引起的主观误差，在减少医生工作量的同时，提高手术的可靠性。
优选地，所述步骤(3)中，在股骨头球三维模型表面任选一点作为初始点位置，第一步过此点沿着横断面剖切，得到横断剖切面，提取剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为横断剖切面的质心点坐标；第二步过横断剖切面质心点沿着矢状面剖切，得到矢状剖切面，提取剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为矢状剖切面的质心点坐标；第三步，矢状剖切面质心点坐标作为股骨头球心点坐标。
优选地，所述步骤(4)中，选择一例腿骨CT影像作为标准模板，在标准模板上标注3个中心点的位置，3个中心点为膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点，将标准模板CT配准到待测CT上，获得配准矩阵，标准模板上的3个点乘以配准矩阵，来获取待测CT上的3个点位置坐标，重建出待测CT的腿骨三维模型，以便直观观察到3个中心点(即生理特征点)在腿骨模型的位置。
优选地，所述步骤(6)中，提取股骨三维模型的boundingbox的高度值h，选取距离boundingbox最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将此3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为股骨解剖轴线。
优选地，所述步骤(6)中，提取胫骨三维模型的boundingbox的高度值h，选取距离boundingbox最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将此3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为胫骨解剖轴线。
本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括上述实施例方法的各步骤，而所述的存储介质可以是：ROM/RAM、磁碟、光盘、存储卡等。因此，与本发明的方法相对应的，本发明还同时包括一种腿骨下肢力线自动检测装置，该装置通常以与方法各步骤相对应的功能模块的形式表示。该装置包括：
CT影像数据获取模块，其配置来对病人的预定部位进行术前扫描，以获取术前CT影像；
骨骼三维模型获取模块，其配置来对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型；
股骨头球心点获取模块，其配置来针对股骨三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置；
配准模块，其配置来针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标；
机械轴线获取模块，其配置来通过股骨头球心与膝关节髁间凹中心点的连线获得股骨机械轴线，通过胫骨平台中心点和踝关节中心点的连线获得胫骨机械轴线；
解剖轴线获取模块，其配置来针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线。
更进一步地，所述股骨头球心点获取模块执行以下步骤：在股骨头球三维模型表面任选一点作为初始点位置，第一步过此点沿着横断面剖切，得到横断剖切面，提取剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为横断剖切面的质心点坐标；第二步过横断剖切面质心点沿着矢状面剖切，得到矢状剖切面，提取剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为矢状剖切面的质心点坐标；第三步，矢状剖切面质心点坐标作为股骨头球心点坐标。
更进一步地，所述配准模块执行以下步骤：选择一例腿骨CT影像作为标准模板，在标准模板上标注3个中心点的位置，3个中心点为膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点，将标准模板CT配准到待测CT上，获得配准矩阵，标准模板上的3个点乘以配准矩阵，来获取待测CT上的3个点位置坐标，重建出待测CT的腿骨三维模型，以便直观观察到3个中心点(即，生理特征点)在腿骨模型的位置。
更进一步地，所述解剖轴线获取模块执行以下步骤：提取股骨三维模型的boundingbox的高度值h，选取距离boundingbox最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中
x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将此3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为股骨解剖轴线。
或者，所述解剖轴线获取模块执行以下步骤：提取胫骨三维模型的boundingbox的高度值h，选取距离boundingbox最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中
x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将此3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为胫骨解剖轴线。
以下更详细地说明本发明。
本发明提供了一种腿骨下肢力线自动检测的方法，该方法可用于但不限于下肢腿骨的力线确定。
具体地，如图4所示，该方法包括以下步骤：
S101，获取CT影像数据；
利用CT设备对病人的预定部位进行术前扫描，以获取术前CT影像。预定部位例如人体下肢。
S102，对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型。
S103，针对股骨三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置。股骨头球三维模型不是规则的球形，检测非规则球心的方法实施如下：在股骨头球三维模型表面任选一点作为初始点位置，第一步过此点沿着横断面剖切，得到横断剖切面，提取剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标即为横断剖切面的质心点坐标；第二步过横断剖切面质心点沿着矢状面剖切，得到矢状剖切面，然后同上方法获取矢状剖切面的质心点坐标；第三步，矢状剖切面质心点即为股骨头球心点坐标。
S104，针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标。详述如下：选择一例腿骨CT作为标准模板，在模板上标注3个中心点的位置，将模板CT配准到待测CT上，获得配准矩阵，模板上的3个点乘以配准矩阵，即可获取待测CT上的3个点位置坐标，重建出待测CT的腿骨三维模型，即可直观观察到3个生理特征点在腿骨模型的位置。
S105，针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定解剖轴线。详述如下：按照医学上对股骨解剖轴线的定义自动选择靠近股骨远端面的3个横断切面，方法如下：提取股骨三维模型的boundingbox的高度值h，选取距离boundingbox最顶端x1，x2，x3(x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％)高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，获取3个横断切面后，利用S103中的迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将此3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线即为股骨解剖轴线；胫骨解剖轴线确定方法同上。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.一种腿骨下肢力线自动检测方法，其特征在于：其包括以下步骤：
(1)获取CT影像数据：利用CT设备对病人的预定部位进行术前扫描，以获取术前CT影像；
(2)对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型；
(3)针对股骨三维模型的股骨头球三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置；
(4)针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标；
(5)通过股骨头球心与膝关节髁间凹中心点的连线获得股骨机械轴线，通过胫骨平台中心点和踝关节中心点的连线获得胫骨机械轴线；
(6)针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线；
所述步骤(3)中，在股骨头球三维模型表面任选一点作为初始点位置，第一步过此初始点沿着横断面剖切，得到横断剖切面，提取横断剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算横断剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为横断剖切面的质心点坐标；第二步过横断剖切面质心点沿着矢状面剖切，得到矢状剖切面，提取矢状剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算矢状剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为矢状剖切面的质心点坐标；第三步，矢状剖切面质心点坐标作为股骨头球心点坐标。
2.根据权利要求1所述的腿骨下肢力线自动检测方法，其特征在于：所述步骤(4)中，选择一例腿骨CT影像作为标准模板，在标准模板上标注3个中心点的位置，3个中心点为膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点，将标准模板配准到待测CT影像上，获得配准矩阵，标准模板上的3个中心点乘以配准矩阵，来获取待测CT影像上的3个中心点位置坐标，重建出待测CT影像的腿骨三维模型，以便直观观察到3个中心点在腿骨模型的位置。
3.根据权利要求2所述的腿骨下肢力线自动检测方法，其特征在于：所述步骤(6)中，提取股骨三维模型的边界框(boundingbox)的高度值h，选取距离边界框(boundingbox)最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中
x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将确定的横断切面的3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为股骨解剖轴线。
4.根据权利要求2所述的腿骨下肢力线自动检测方法，其特征在于：所述步骤(6)中，提取胫骨三维模型的边界框(boundingbox)的高度值h，选取距离边界框(boundingbox)最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中
x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将确定的横断切面的3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为胫骨解剖轴线。
5.一种腿骨下肢力线自动检测装置，其特征在于：该装置包括：CT影像数据获取模块，其配置来对病人的预定部位进行术前扫描，以获取术前CT影像；
骨骼三维模型获取模块，其配置来对CT影像中的病人骨骼进行分割和三维重建，在模型空间中建立病人的骨骼三维模型；
股骨头球心点获取模块，其配置来针对股骨三维模型的股骨头球三维模型，通过双剖切面获取质心的方法来确定股骨头球心点位置；
配准模块，其配置来针对股骨和胫骨三维模型，采用刚性+弹性的配准方法获取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点的坐标；
机械轴线获取模块，其配置来通过股骨头球心与膝关节髁间凹中心点的连线获得股骨机械轴线，通过胫骨平台中心点和踝关节中心点的连线获得胫骨机械轴线；
解剖轴线获取模块，其配置来针对股骨或胫骨三维模型，采用迭代搜索最大距离点对的方法确定股骨或胫骨的解剖轴线；
所述股骨头球心点获取模块执行以下步骤：在股骨头球三维模型表面任选一点作为初始点位置，第一步过此初始点沿着横断面剖切，得到横断剖切面，提取横断剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算横断剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为横断剖切面的质心点坐标；第二步过横断剖切面质心点沿着矢状面剖切，得到矢状剖切面，提取矢状剖切面闭合边缘，然后利用迭代循环搜索方法计算矢状剖切面闭合边缘上任意两点的距离值，取所有点对中距离值最大的点对，然后获取这个点对的中点坐标，此中点坐标作为矢状剖切面的质心点坐标；第三步，矢状剖切面质心点坐标作为股骨头球心点坐标。
6.根据权利要求5所述的腿骨下肢力线自动检测装置，其特征在于：所述配准模块执行以下步骤：选择一例腿骨CT影像作为标准模板，在标准模板上标注3个中心点的位置，3个中心点为膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点、踝关节中心点，将标准模板配准到待测CT影像上，获得配准矩阵，标准模板上的3个中心点乘以配准矩阵，来获取待测CT影像上的3个中心点位置坐标，重建出待测CT影像的腿骨三维模型，以便直观观察到3个中心点在腿骨模型的位置。
7.根据权利要求6所述的腿骨下肢力线自动检测装置，其特征在于：所述解剖轴线获取模块执行以下步骤：提取股骨三维模型的边界框(boundingbox)的高度值h，选取距离边界框(boundingbox)最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将确定的横断切面的3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为股骨解剖轴线。
8.根据权利要求6所述的腿骨下肢力线自动检测装置，其特征在于：所述解剖轴线获取模块执行以下步骤：提取胫骨三维模型的边界框(boundingbox)的高度值h，选取距离边界框(boundingbox)最顶端x1，x2，x3高度的横断切面作为医学定义的3个横断切面，其中x1/h＝10％,x2/h＝20％,x3/h＝30％，获取3个横断切面后，利用迭代循环搜索方法确定横断切面的中心点坐标，再将确定的横断切面的3个中心点利用最小二乘法拟合为一条直线，此直线为胫骨解剖轴线。
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