一种股骨原始模型的配准系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种股骨原始模型的配准系统及方法。方法至少包括以下步骤：对股骨头部位的二维断层扫描图像数据进行重构建立股骨头的三维网格模型，股骨头的三维网格模型由三维坐标系下一系列的三角面片网格集构成，该三维网格模型至少包括原始坏死模型A和原始骨头模型B。方法还包括：利用关于髋臼月状面或关于原始坏死模型A的距离阈值算法对原始坏死模型A和原始骨头模型B的三角面片网格集分别进行至少一次距离阈值迭代计算，从而依次完成空间粗配准过程和空间精配准过程，并提取得到处理后的股骨头负重精确区域和坏死负重精确区域。的股骨头负重精确区域和坏死负重精确区域。的股骨头负重精确区域和坏死负重精确区域。

【技术实现步骤摘要】
一种股骨原始模型的配准系统及方法
[0001]本分案申请的原始基础是申请号为CN201910878678.2，申请日为2019年09月17日，专利技术名称为“一种股骨完整度分析系统及股骨完整度分析模型构建方法”的专利申请。


[0002]本专利技术涉及医学影像
，尤其涉及一种股骨原始模型的配准系统及方法。

技术介绍

[0003]股骨头坏死严重危害患者健康和生活质量，已是不争的事实，关于其治疗也成为世界性难题，难点不外乎在于：股骨头坏死患者年龄偏小不易进行关节置换，如果进行关节置换将面临多次翻修的风险；股骨头一旦塌陷，无论何种治疗都无法恢复股骨头初始形态，易继发骨关节炎；由于缺乏精准的术前设计，目前的保髋治疗成功率尚不能令人完全满意等。年龄偏小患者如果保髋成功就可以避免或明显延迟关节置换，大大降低多次翻修的风险；如果能够预防股骨头塌陷，就可以避免股骨头形态改变引发的不可逆损伤以及其继发的骨关节炎的风险，因此，防治股骨头塌陷，使髋关节保持初始的形态，是保持股骨头健康的重要原则。
[0004]治疗股骨头坏死的各种方案的选择基于临床数据，然而常规核磁只能从不同平面的断层来估算坏死面积，无法确定股骨头的坏死体积，治疗前后所扫平面并不一致，无法准确评价疗效。越来越多的研究者们开始使用有限元分析软件对手术方案的可行性进行验证。随着微创手术的流行，更多的人会选择新型的治疗方案。例如髓芯减压钽棒植入或钛合金支撑架植入等，经股骨头内减压通道将这些支撑器植入股骨头进行微创手术，但所有这些器械所支撑的面积太小，因此存在着一定的缺陷。王岩等设计的记忆金属镍
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钛合金网球由金属丝编织而成，虽然支撑面积相对较大，但支撑力却相应较小。此外该金属网球需要打开股骨头，创伤相对较大。可见，虽然股骨头缺血性坏死的治疗方案有很多，却没有一个最可靠的方案，经过有限元分析验证，暴露出很多问题。
[0005]有限元分析方法是通过临床实验获得真实数据后，利用计算机构建股骨头三维实体模型，采用有限元分析软件进行计算分析。在有限元模型的帮助下可以无创检查体内组织，辅助外科诊疗方案的制定和定量手术的模拟，较之实验模型更大限度的减少了多因素影响，使定量实验更能说明问题。为了能够更加逼真的模拟支撑器对缺血性股骨头坏死患者的修复作用能够更加直观准确，以及完成临床用实验很难完成的研究，因此建立对缺血性坏死股骨头应用有限元分析所得到的有限元模型很有必要。
[0006]中国专利(公开号为CN107802378A)公开了一种具有多孔结构的距骨局部修复体及其设计制造方法，方法包括下述步骤：基于患者CT数据对距骨部位进行模型提取，三维模型重构，并导出stl格式文件；将stl格式文件导入三维建模软件Rhinoceros，进行逆向建模设计；对局部坏死曲面进行提取并拟合，得到与周围健康曲面曲率吻合的曲面；利用拟合曲面进行修复体设计，确定固定钉位置，并利用grasshopper插件完成多孔结构建模；利用激光选区熔化技术制备个性化局部距骨修复体；对修复体上表面曲面进行打磨抛光，对下部
多孔结构进行酸蚀处理。该专利能够达到快速修复的效果，缩短病人的等待时间，提高修复假体供应的响应速度。
[0007]中国专利(公开号为CN104462636B)公开了一种基于伞状股骨头支撑器的坏死股骨头修复模型的建模方法，包括步骤：一、待修复股骨头的三维模型获取：获取待修复股骨头NURBS曲面模型，待修复股骨头为存在股组织坏死区域且预采用股骨头支撑器修复的股骨头；股骨头支撑器由伞状支撑器和支撑套筒组成；二、根据伞状支撑器形状，确定需分离坏死区域，建立坏死股骨头模型；三、股骨头支撑器模型建立；四、坏死股骨头植入模型建立：建立带植入通道的坏死股骨头植入模型和植入骨的三维模型；五、坏死股骨头修复模型建立。该专利方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能简便、快速建立股骨头支撑器植入坏死股骨头的修复模型，且所建立的修复模型质量高。
[0008]现有技术中上述专利均能够通过对股骨头坏死的CT/MR扫描图像数据建立坏死股骨头模型，或是获得病变部位的对应修复的曲面，但其所提供的建模方法仅能建立对应的股骨头支撑器植入坏死股骨头的修复模型，然而对于后续的股骨头坏死手术治疗而言，该专利所提供的建模方法由于无法做到对股骨头模型的精确分割，并且在模型构建过程中没有对分割后得到的股骨头模型判断股骨头坏死的空间立体关系，模型提取精度较低，因此会对后续的股骨头坏死手术治疗造成很大影响，不仅无法满足骨科医生的股骨头坏死手术仿真训练，也不能完全适应股骨头坏死手术治疗的临床需要，此外由于股骨头坏死是否会进展到塌陷与其坏死表面积密切相关，导致其无法进一步地达到股骨头缺血性坏死塌陷的早期预测及防治。
[0009]中国专利CN110215281B公开了一种基于全膝置换手术的股骨或胫骨配准方法及装置，方法包括获取数据点对，数据点对包括CT数据重建的股骨或胫骨数字三维模型和对应骨头点选的特征点；利用点对配准算法对所述数据点对进行粗配准，得到粗配准结果；获取数据点云对，数据点云对包括CT数据重建的股骨或胫骨数字三维模型和对应骨头滑动采集的点云；根据所述粗配准结果和所述数据点云进行精配准。该专利采用医生较为有把握的解剖特征点进行粗配准算法，进一步利用密集的三维点云立体数据进行精细配准算法，大大提高配准的准确率。该专利拟通过第一次基于SVD
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ICP的配准结果，作为下一次ICP配准的初始位置，并再次采集点云数据，从一个较为满意的初始位置下获得更好的配准效果。但是该专利采用的点对配准算法对于股骨头坏死这一情况而言，股骨头坏死是否会进展到塌陷不明。股骨头坏死与其坏死表面积密切相关，点对配准算法无法进一步地达到股骨头缺血性坏死塌陷的早期预测及防治。对于如何在患者后续股骨头治疗过程中，判断股骨头坏死是否会进展到塌陷，并且如何判断股骨头坏死的空间立体关系以提高模型精度这一问题没有得到解决，导致配准准确率低，医务人员工作量大。。
[0010]此外，一方面由于申请人所理解的本领域技术人员与审查部门必然有所差异；另一方面由于专利技术人做出本专利技术时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本专利技术不具备这些现有技术的特征，相反本专利技术已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留依据审查指南相关规定随时在
技术介绍
中增加相关现有技术之权利。

技术实现思路

[0011]针对现有技术之不足，本专利技术提供了一种股骨完整度分析系统，至少包括三维模型创建模块、三维模型提取模块和数据分析模块，所述三维模型创建模块被配置为：对股骨头部位的二维断层扫描图像数据进行重构建立股骨头的三维网格模型，股骨头的三维网格模型由三维坐标系下一系列的三角面片网格集构成，该三维网格模型至少包括原始坏死模型A和原始骨头模型B，所述三维模型提取模块用于利用关于髋臼月状面或关于原始坏死模型A的距离阈值算法对原始坏死模型A和原始骨头模型B的三角面片网格集分别进行至少一次距离阈值迭代计算，从而依次完成空间粗配准过程和空间精配准本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种股骨原始模型的配准方法，至少包括以下步骤：对股骨头部位的二维断层扫描图像数据进行重构建立股骨头的三维网格模型，股骨头的三维网格模型由三维坐标系下一系列的三角面片网格集构成，该三维网格模型至少包括原始坏死模型A和原始骨头模型B，其特征在于，所述方法还包括：利用关于髋臼月状面或关于原始坏死模型A的距离阈值算法对原始坏死模型A和原始骨头模型B的三角面片网格集分别进行至少一次距离阈值迭代计算，从而依次完成空间粗配准过程和空间精配准过程，并提取得到处理后的股骨头负重精确区域和坏死负重精确区域。2.根据权利要求1所述的股骨原始模型的配准方法，其特征在于，所述方法还包括：在其执行所述空间粗配准过程和所述空间精配准过程之前优先对原始坏死模型A进行坏死分割预处理，并将预处理后得到的坏死表面模型A1所对应的三角面片网格集作为所述空间粗配准过程的数据来源，其中，所述预处理过程包括：采用距离阈值算法遍历原始坏死模型A以用于提取原始坏死模型A与股骨头不相交重叠部分的区域。3.根据前述权利要求之一所述的股骨原始模型的配准方法，其特征在于，所述方法还包括：原始坏死模型A的空间粗配准过程，以用于提取出坏死表面区域位于髋臼窝区域内的负重区域；其中，所述原始坏死模型A的空间粗配准过程包括：采用距离阈值算法遍历坏死表面模型A1；提取三角面片网格集合S
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中面积最大的连通区域，确定提取的连通区域为坏死负重区域，在该坏死负重区域内建立坏死负重区模型A2。4.根据前述权利要求之一所述的股骨原始模型的配准方法，其特征在于，所述方法还包括：原始骨头模型B的空间粗配准过程，以用于提取出股骨头表面区域位于髋臼窝区域内的股骨头负重区域；其中，所述原始骨头模型B的空间粗配准过程包括：采用距离阈值算法遍历坏死表面模型A1；提取三角面片网格集合S
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中面积最大的连通区域，确定提取的连通区域为股骨头负重区域，在该股骨头负重区域内建立股骨头负重区B1，其中，股骨头负重区域是指位于髋臼窝内的髋骨沿重力线方向(13)投影到股骨头表面上的而与股骨头表面相对应的区域。5.根据前述权利要求之一所述的股骨原始模型的配准方法，其特征在于，所述方法还包括：原始骨头模型B的空间精配准过程和原始坏死模型A的空间精配准过程；其中，原始骨头模型B的空间精配准过程是用于对提取的股骨头负重区域进行去燥处理，剔除噪声数据；其中，所述原始骨头模型B的空间精配准过程包括：采用距离阈值算法遍历股骨头负重区B1；采用距离阈值算法遍历三角面片网格集合
S22；对三角面片网格集合S
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进行去噪处理，以去除该集合内的孤立的噪点，并建立与该三角面片网格集合S
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相对应的负重区域模型B2，以及与三角面片网格集合S
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相对应的坏死负重区域模型A3。6.根据前述权利要求之一所述的股骨原始模型的配准方法，其特征在于，所述原始坏死模型A的空间精配准过程用于将提取到的坏死负重区域模型A3与坏死负重区域模型A2合并，实现坏死负重区域的精确提取；所述原始坏死模型A的空间精配准过程包括：对坏死负重区A2模型与坏死负重区A3模型进行布尔求并集运算，运算后得到最终坏死负重区模型A4。7.根据前述权利要求之一所述的股骨原始模型的配准方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗殿中，程徽，张洪，
申请(专利权)人：中国人民解放军总医院第四医学中心，
类型：发明
国别省市：