一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法及系统，其中方法包括：对所有CT图像进行预处理得到去噪后的二值图像，基于二值图像进行面绘制重构得到多个膝关节整体模型；对分离出的股骨模型、胫骨模型分别进行保留所需固定长度的切割；采用配准方式将股骨、胫骨模型中的健康模型分别全部近似叠加并基于设定的保留比阈值进行保留调整，得到不包含任何健康个例特征的平均股骨模型、平均胫骨模型，将接近病例大小的平均股骨模型与病例的股骨模型进行配准对齐，展示并分析病例病情，确定病例股骨模型中需切除的患病部分并切除该患病区域，在平均股骨模型上执行相同位置的切割操作，结合所述各个屈伸角度下股骨模型的精准位置修正假体模型中的半月板部分，从而得到各个屈伸角度下均符合人体运动特性的膝关节假体模型。节假体模型。节假体模型。

【技术实现步骤摘要】
一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法及系统


[0001]本专利技术涉及医学处理领域，尤其涉及一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法及系统。

技术介绍

[0002]随着经济的发展和社会的进步，人类迫切需要更安全、更快速、更精准和更人性化的医疗服务。为此，充分注重患者的个体差异性，并结合先进的图形图像处理技术，进行个性化、精确化医疗设计便成为目前重要的科学研究方向。膝关节是人体最大、构造最复杂且损伤机会偏多的关节，膝关节损伤将严重影响人们的正常生活。目前针对膝关节严重损伤最为常见的治疗方式为全膝关节置换，利用人工膝关节假体来替代原有关节的生物机械功能。全世界每年需要大量全膝关节假体，但受遗传因素、生活习惯和工作环境的影响，每位患者的骨骼形态都存在较大的个体性差异，因此患者对全膝关节置换精确手术的期待越来越强烈，而普通零件式假体难以适应不同患者的个性化要求，所以全膝关节置换假体的设计必然朝量身定制的方向发展。未来将形成“患者～病体
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医院～图像数据
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个性化假体设计单位～图形参数
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假体制造单位～个性化假体
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医院～置换手术
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患者”这一新的定制式骨科手术模式，而其中的“个性化假体设计单位”是目前亟待填补的技术空白区。

技术实现思路

[0003]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法，具体包括如下步骤：
[0004]获取膝关节CT图像，对所有CT图像进行预处理得到去噪后的二值图像，基于二值图像进行面绘制重构得到多个膝关节整体模型；
[0005]采用网格连通性分析方式对多个膝关节整体模型中的股骨模型、胫骨模型进行分离，借助最小二乘法、坐标系转换方式对分离出的股骨模型、胫骨模型分别进行保留所需固定长度的切割；
[0006]选取一组BMI指数接近病例的健康人体的股骨模型数据，采用配准方式将股骨模型全部近似叠加，设定保留比阈值，基于该保留比阈值确定需要保留或调整的网格模型顶点，并对顶点执行保留或调整操作，最终得到不包含任何健康个例特征的平均股骨模型，采用相同的方式获取平均胫骨模型；
[0007]基于空间顶点投影、最小二乘法模拟平面切图并结合膝关节旋转轴多个参考线的位置关系得到平均股骨模型的近似旋转轴；
[0008]根据近似旋转轴模拟平均股骨模型在屈伸角度下各个角度的旋转结果，基于人体膝关节屈伸运动过程中股骨后踝连线轴线和手术后髁轴线位置关系近似不变的特性对各个屈伸角度下的粗略模拟旋转结果进行修正调整，从而得到精确的各个屈伸角度下平均股骨模型的精准位置；
[0009]将接近病例大小的平均股骨模型与病例的股骨模型进行配准对齐，展示并分析病
例病情，确定病例股骨模型中需切除的患病部分并切除该患病区域，在平均股骨模型上执行相同位置的切割操作，基于布尔运算生成初始的股骨假体模型，采用相同的方式获得初始的半月板假体模型和胫骨平台模型；
[0010]结合所述各个屈伸角度下平均股骨模型的精准位置修正假体模型中的半月板部分，从而得到各个屈伸角度下均符合人体运动特性的膝关节假体模型。
[0011]读取去噪后的二值图像并进行最大轮廓筛选、对最大轮廓所圈出来的区域进行腐蚀、膨胀从而去除CT图像中的散点以及可能产生的缺失部分的干扰，最后进行面绘制重构得到膝关节整体模型。
[0012]采用最小二乘法拟合得到股骨模型的底面平面方程，再以该平面为xoy平面，其法向量为z轴建立一个新的坐标系，在该坐标系中通过寻找最大z值从而确定股骨模型顶端的位置，在找到顶端后向下进行所需固定长度的保留，从而确保后续每组参加运算的股骨模型均近似等长，采用相同的方式对胫骨模型进行保留所需固定长度的切割。
[0013]获取平均股骨模型时：对于选取的BMI指数接近病例的各个健康股骨模型，利用改进的ICP配准方法将其全部移动到空间中相同的位置，基于设定的保留比阈值确定保留、调整网格模型顶点，具体方式为：假定模型数为n，设定的保留比阈值为k，如果某个顶点附近的顶点数大于k*n，则该顶点结合所有其他附近顶点根据均值调整位置，否则视为特异点，不保留；最终得到该组的不包含任何健康个例特征的平均股骨模型。
[0014]获取平均股骨模型的近似旋转轴时：基于最小二乘法拟合平均股骨模型底面，设置一定的模拟厚度，以该底面为参考面，其法向量为方向，进行模拟切割平均股骨模型并投影，从而得到平均股骨模型的模拟平面切图，在所有的模拟平面切图中找到面积最大的一幅图像，在该幅图像中通过分析最小凸包的顶点位置得到股骨旋转模拟轴的参考线股骨后踝连线，借助参考线股骨后踝连线轴线与手术后髁轴线近似平行的位置关系确定手术后髁轴线的位置，该轴线即为平均股骨模型的近似旋转轴。
[0015]对各个屈伸角度下的粗略模拟旋转结果进行修正调整时：借助近似旋转轴初步模拟股骨的不同角度的旋转位置，在股骨沿所述近似旋转轴旋转某个角度后，基于人体屈伸运动过程中股骨与胫骨的冠状面的最长轴间的角度关系以及股骨与胫骨的最小距离均近似不变的两个特性，标记并分析股骨初始与胫骨平台平面接近平行的两个特征点的旋转前位置和旋转后位置，计算出旋转修正轴、旋转修正角和修正位移量。
[0016]获取初始的膝关节假体模型时：对于胫骨模型，选择需要切除的患病区域，通过最小二乘拟合胫骨切面的所有顶点，设该顶点集合为A，将A沿平面法向量方向分别进行距离为s1、s2的平移，得到平移后的顶点集合B和集合C，其中s1<s2，结合集合A和集合B生成接近完全贴合病例切口大小的膝关节假体模型中的胫骨平台模型，结合集合B和集合C生成膝关节假体模型中半月板假体模型的初始状态；对于股骨模型，通过选择需要保留的区域从而将剩余部分拼接成股骨假体模型；将得到的股骨假体模型和半月板假体初始状态进行布尔运算中的差运算，从而将半月板假体模型初始状态中会与股骨假体模型重合的部分去除。
[0017]一种个性化膝关节假体模型的构建系统，包括：
[0018]预处理模块，读取膝关节CT图像、对所有CT图像进行预处理得到去噪后的二值图像，基于二值图像进行面绘制重构得到多个膝关节整体模型；
[0019]分离切割模块，采用网格连通性分析方式对多个膝关节整体模型中的股骨模型、
胫骨模型进行分离，同时借助最小二乘法、坐标系转换方式对分离出的股骨模型、胫骨模型分别进行保留所需固定长度的切割；
[0020]健康平均模型计算模块，选取一组BMI指数接近病例的健康人体的股骨模型数据，采用配准方式将股骨模型全部近似叠加，设定保留比阈值，基于该保留比阈值确定保留、调整网格模型顶点，最终得到不包含任何健康个例特征的平均股骨模型，采用相同的方式获取健康的平均胫骨模型；
[0021]近似旋转轴获取模块，基于空间顶点投影、最小二乘法模拟平面切图并结合膝关节旋转轴多个参考线的位置关系得到健康的平均股骨模型的近似旋转轴；
[0022]粗旋转修正调整模块，近似旋转轴模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法，其特征在于包括：获取膝关节CT图像，对所有CT图像进行预处理得到去噪后的二值图像，基于二值图像进行面绘制重构得到多个膝关节整体模型；采用网格连通性分析方式对多个膝关节整体模型中的股骨模型、胫骨模型进行分离，借助最小二乘法、坐标系转换方式对分离出的股骨模型、胫骨模型分别进行保留所需固定长度的切割；选取一组BMI指数接近病例的健康人体的股骨模型数据，采用配准方式将股骨模型全部近似叠加，设定保留比阈值，基于该保留比阈值确定需要保留或调整的网格模型顶点，并对顶点执行保留或调整操作，最终得到不包含任何健康个例特征的平均股骨模型，采用相同的方式获取平均胫骨模型；基于空间顶点投影、最小二乘法模拟平面切图并结合膝关节旋转轴多个参考线的位置关系得到平均股骨模型的近似旋转轴；根据近似旋转轴模拟平均股骨模型在屈伸角度下各个角度的旋转结果，基于人体膝关节屈伸运动过程中股骨后踝连线轴线和手术后髁轴线位置关系近似不变的特性对各个屈伸角度下的粗略模拟旋转结果进行修正调整，从而得到精确的各个屈伸角度下平均股骨模型的精准位置；将接近病例大小的平均股骨模型与病例的股骨模型进行配准对齐，展示并分析病例病情，确定病例股骨模型中需切除的患病部分并切除该患病区域，在平均股骨模型上执行相同位置的切割操作，基于布尔运算生成初始的股骨假体模型，采用相同的方式获得初始的半月板假体模型和胫骨平台模型；结合所述各个屈伸角度下平均股骨模型的精准位置修正假体模型中的半月板部分，从而得到各个屈伸角度下均符合人体运动特性的膝关节假体模型。2.根据权利要求1所述的个性化膝关节假体模型的快速构建方法，其特征在于：读取去噪后的二值图像并进行最大轮廓筛选、对最大轮廓所圈出来的区域进行腐蚀、膨胀从而去除CT图像中的散点以及可能产生的缺失部分的干扰，最后进行面绘制重构得到膝关节整体模型。3.根据权利要求1所述的个性化膝关节假体模型的快速构建方法，其特征在于：采用最小二乘法拟合得到股骨模型的底面平面方程，再以该平面为xoy平面，其法向量为z轴建立一个新的坐标系，在该坐标系中通过寻找最大z值从而确定股骨模型顶端的位置，在找到顶端后向下进行所需固定长度的保留，从而确保后续每组参加运算的股骨模型均近似等长，采用相同的方式对胫骨模型进行保留所需固定长度的切割。4.根据权利要求1所述的个性化膝关节假体模型的快速构建方法，其特征在于：获取平均股骨模型时：对于选取的BMI指数接近病例的各个健康股骨模型，利用改进的ICP配准方法将其全部移动到空间中相同的位置，基于设定的保留比阈值确定保留、调整网格模型顶点，具体方式为：假定模型数为n，设定的保留比阈值为k，如果某个顶点附近的顶点数大于k*n，则该顶点结合所有其他附近顶点根据均值调整位置，否则视为特异点，不保留；最终得到该组的不包含任何健康个例特征的平均股骨模型。5.根据权利要求1所述的个性化膝关节假体模型的快速构建方法，其特征在于：获取平均股骨模型的近似旋转轴时：基于最小二乘法拟合平均股骨模型底面，设置一定的模拟厚
度，以该底面为参考面，其法向量为方向，进行模拟切割平均股骨模型并投影，从而得到平均股骨模型的模拟平面切图，在所有的模拟平面切图中找到面积最大的一幅图像，在该幅...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，李鹏熙，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：