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

本发明专利技术提供了一种基于双平面X光追踪的植入物自动配准定位方法，包括构建虚拟双平面X光系统、X光图像中植入物边缘提取和加权膨胀、植入物几何模型快速投影和边缘提取、最优匹配位置搜索。根据一个定位器，确定两台X光机图像平面的相对位置，以此在计算机系统中建立虚拟双平面X光系统；利用两台X光机拍摄X光图像中提取的加权膨胀边缘和植入物模型投影的边缘，计算植入物模型任意空间位置下的匹配度，通过模拟退火算法可以快速求得匹配程度最高时的植入物空间位置。此方法可以基于两台X光机连续获得的运动图像，实现植入物在体空间位置的自动追踪，以此为参考进行植入物运动学研究、关节接触分析，极大地减少手动配准的人力和时间开销。

【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本文档来自技高网...

【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