一种股骨模型构建系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种股骨模型构建系统及方法。系统至少包括三维模型创建模块和三维模型提取模块。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。三维模型提取模块遍历原始坏死模型A的每一个三角面片网格，将每一个三角面片网格的三个顶点沿各自对应的法线方向延伸得到各自对应的线段，若三角面片网格的三个顶点各自对应的线段均未与原始骨头模型B相交，则取出该面片，并将其放在集合S

【技术实现步骤摘要】
一种股骨模型构建系统及方法
[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
，尤其涉及一种股骨模型构建系统及方法。

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CN106963489B公开了一种个性化股骨骨折复位模型构建方法。其步骤包括：基于参数化股骨曲面模型构建技术，创建平均化股骨变形模板，定义股骨解剖特征点和解剖参考点，创建患者骨折简化模型，构建个体化近似模型；将骨折简化模型中各解剖点集配准对其至近似股骨模型中对应解剖点集，求解变形矩阵，实现骨折模型中对应骨折段自动复位；提取骨折简化模型中各骨折段骨折轮廓，投影并截取近似股骨模型中对应曲面，光滑连接相邻曲面，构建患者个体化骨折复位模型。该专利通过患者股骨骨折段复位和粉碎性部分曲面重构，直观快捷地构建个体化骨折模型，对指导医生进行股骨骨折手术治疗和骨科手术中患者接骨板个性化设计具有重要指导意义。但是该专利仅能用于构建患者个体化骨折复位模型，对于如何在患者后续股骨头治疗过程中，实现对股骨头的精确分割，并且如何在模型构建过程中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这一问题没有得到解决，导致对后续治疗造成很大影响，不能满足临床需要。
[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，所述数据分析模块用于根据其建立的切割面分别对股骨头负重精确区域和坏死负重精确区域进行切割，以此能够得到股骨头负重精确本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种股骨模型构建系统，至少包括三维模型创建模块(1)和三维模型提取模块(2)，所述三维模型创建模块(1)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，其特征在于，所述三维模型提取模块(2)遍历原始坏死模型A的每一个三角面片网格，将每一个三角面片网格的三个顶点沿各自对应的法线方向延伸得到各自对应的线段，若三角面片网格的三个顶点各自对应的线段均未与原始骨头模型B相交，则取出该面片，并将其放在集合S
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中。2.根据权利要求1所述的股骨模型构建系统，其特征在于，所述三维模型提取模块(2)被配置为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，所述三维模型提取模块(2)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。3.根据前述权利要求之一所述的股骨模型构建系统，其特征在于，所述三维模型提取模块(2)遍历原始坏死模型A的每一个三角面片网格，将每一个三角面片网格的三个顶点沿各自对应的法线方向延伸得到各自对应的线段，若三角面片网格的三个顶点各自对应的线段均与髋臼月状面相交，则取出该面片，并将其放在集合S
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中。4.根据前述权利要求之一所述的股骨模型构建系统，其特征在于，所述坏死负重区域是指位于髋臼窝内的髋骨沿重力线方向(13)投影到坏死表面模型A1上的而与坏死表面模型A1表面相对应的区域。5.根据前述权利要求之一所述的股骨模型构建系统，其特征在于，所述三维模型提取模块(2)遍历原始骨头模型B的每一个三角面片网格，将每一个三角面片网格的三个顶点沿各自对应的法线方向延伸得到各自对应的线段，若三角面片网格的三个顶点各自对应的线段均与髋臼月状面相交，则取出该面片，并将其放在三角面片网格集合S
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中。6.根据前述...

【专利技术属性】
技术研发人员：程徽，罗殿中，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：