【技术实现步骤摘要】
一种基于双平面X光追踪的植入物自动配准定位方法
本专利技术涉及金属植入物的在体运动学追踪、X光图像后处理、2D-3D图像配准领域，具体涉及一种基于双平面X光追踪的植入物自动配准定位方法。
技术介绍
人工全膝关节置换术(TotalKneeArthroplasty，TKA)是临床骨科中治疗末期膝关节骨性关节炎的方法。TKA主要是移除股骨远端和胫骨近端缺损的骨组织，使用金属、陶瓷、高聚乙烯等材料制成的人工植入物重建关节，从而消除患者膝关节疼痛。随着植入物设计原理、材料、构型等方面发展，TKA术后患者可以一定程度恢复其运动功能，提高生活质量和独立生活能力。术前医生会对患者膝关节骨性关节炎进行性程度、交叉韧带的功能和完整性、患者的年龄等因素进行综合评估，从而选择最适合患者的术式和膝关节植入物，决定使用的植入物构型。临床报道说明15～30％患者对TKA术后效果不满意[1]，目前TKA术后植入物有效使用年限在10-15年的患者占比超过90％，但剩下需要进行植入物翻修的患者给美国的健康体系带来270亿美元的负担[2]。主要导致膝关节植入物需要进行二次翻修手术的因素有感染、植入物松动、性别、年龄等[1-3]。术中医生根据无负重状态下的关节状态决定植入物植入位置，而术后患者需要进行大量坐下、起身、行走、上下楼梯等康复性日常生活行动，膝关节植入物的空间运动和关节面接触位置与术中静态植入位置不同，也不能完全恢复膝关节正常的解剖结构，因此可能导致植入物松动失效，需要二次手术。因此，膝关节的在体动态功能评估，有助于确定膝关节植入物最佳植入位置、...
【技术保护点】
1.一种基于双平面X光追踪的植入物自动配准定位方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：构建虚拟双平面X光系统，包括：/nS11：准备两台X光机：1号X光机、2号X光机，并拍摄患者体中植入物的X光图像；/nS12：在计算机系统中，确定两台X光机的相对位置；/nS13：在计算机系统中两台X光机投射公共区域摆放植入物模型；/nS2：对前述植入物的X光图像中的植入物边缘进行提取，并进行加权膨胀；/nS3：对植入物模型进行快速投影和边缘提取；/nS4：基于步骤S2和S3获得的边缘特征进行虚拟双平面自动配准。/n
【技术特征摘要】
1.一种基于双平面X光追踪的植入物自动配准定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：构建虚拟双平面X光系统，包括：
S11：准备两台X光机：1号X光机、2号X光机，并拍摄患者体中植入物的X光图像；
S12：在计算机系统中，确定两台X光机的相对位置；
S13：在计算机系统中两台X光机投射公共区域摆放植入物模型；
S2：对前述植入物的X光图像中的植入物边缘进行提取，并进行加权膨胀；
S3：对植入物模型进行快速投影和边缘提取；
S4：基于步骤S2和S3获得的边缘特征进行虚拟双平面自动配准。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S11进一步包括：
在实验室空间中摆放两台X光机：1号X光机、2号X光机，使完成植入物植入的患者在操作者引导下进行功能运动，同时两台X光机拍摄植入物植入关节，分别得到X图像。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S12进一步包括：
S121：在两台X光机投射公共区域摆放一个定位器，定位器中间有4个铅点，其分布构成一个正方形，铅点具有X光吸收性，在X光图片中会以低灰度圆点表示；
S122：将1号X光机记为F1，以F1拍摄的X光图像空间为基准建立刚体正交空间坐标系(R1，V1)，其中R1为3×3大小矩阵，每一列表示F1拍摄的X光图像坐标系的坐标轴单位向量；V1为3×1大小列向量，表示F1图像坐标系原点位置，以图像中心为F1图像坐标系原点位置；以F1图像空间为系统坐标系时，可知：
S123：将2号X光机记为F2，以F2拍摄的X光图像空间为基准建立刚体正交空间坐标系(R2，V2)，其中R2为3×3大小矩阵，每一列表示F2拍摄的X光图像坐标系的坐标轴单位向量；V2为3×1大小列向量，表示F2图像坐标系原点位置，以图像中心为F2图像坐标系原点位置；
S124：以定位器上任意一个铅点位置为原点，建立刚体正交空间坐标系(R0，V0)，其中R0为3×3大小矩阵，每一列表示定位器坐标系的坐标轴单位向量；V0为3×1大小列向量，表示定位器坐标系原点位置；
S125：定位器上每一个铅点的位置可以用列向量表示，定位器上构成正方形的4个铅点相对于定位器坐标系的位置可以用矩阵P0表示，P0为3×4大小矩阵，每一列表示1个铅点坐标；
相对于F1、F2的位置，P01和P02可以由定位器坐标系(R0，V0)到F1坐标系(R1，V1)和F2坐标系(R2，V2)之间的坐标系变换表示，如下式所示：
P01＝R1-1(R0P0+V0-V1)＝R01P0+V01；
P02＝R2-1(R0P0+V0-V2)＝R02P0+V02；
其中，P01为表示铅点相对于F1的位置的矩阵，P02为表示铅点相对于F2的位置的矩阵；
S126：在F1图像坐标系内，基于F1放射源和F1投影平面相对位置有投影矩阵T1，T1为3×4大小矩阵，P01可以投影到F1平面上得到F1平面坐标P01_im，P01_im为2×4大小矩阵，每一列表示1个铅点在F1平面上的坐标，如下式所示：
提取F1图像中的铅点坐标Pim1，使用拟牛顿法，计算铅点在F1的投影坐标P01_im和Pim1之间偏差达到最小时的定位器-F1坐标系变换(R01，V01)，如下式所示：
S127：同理，在F2图像坐标系内，基于F2放射源和F2投影平面相对位置有投影矩阵T2，T2为3×4大小矩阵，P02可以投影到F2平面上得到F2平面坐标P02_im，P02_im为2×4大小矩阵，每一列表示1个铅点在F2平面上的坐标，如下式所示：
提取F2图像中的铅点坐标Pim2，使用拟牛顿法，计算铅点在F2的投影坐标P02_im和真实F2中铅点坐标Pim2之间偏差达到最小时的定位器-F2坐标系变换(R02，V02)，如下式所示：
F1-F2坐标系变换(R21，V21)可以由下式表示：
R21＝R01R02-1，V21＝V01-R01R02-1V02；
S128：两台X光机图像平面之间的空间位置关系可以用(R21，V21)表示，基于每台X光机放射源与图像平面的相对位置，以及两台X光机的相对位置关系(R21，V21)，可以在计算机系统中构建用于自动配准的虚拟双平面X光系统；
在虚拟双平面X光系统中，为了表示方便将F1图像坐标系记为全局坐标系，则F1图像坐标系(R1，V1)和F2图像坐标系(R2，V2)有：
R2＝R21，V2＝V21。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：
...
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡宗远，郑楠，王聪，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31
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