X射线成像脊柱三维模型建立方法、装置及设备制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种X射线成像脊柱三维模型建立方法、装置及设备，应用于双平面X射线成像系统，包括获取人体躯干处于不同承重位姿态的双平面X射线影像；标定出X射线影像中每个椎体特征点位置；对双平面X射线成像系统进行空间校正；将二维影像上的特征点位置转化为分布在双平面X射线成像空间上的三维空间坐标；根据多个特征点位置及双平面X射线成像系统的空间位置关系重建椎体的终板拟合椭圆及横突的空间位置，即计算椎体结构在三维空间的位置；将上终板拟合椭圆和下终板拟合椭圆设置为点集，将上下终板构成的几何体三角化，将每节椎体构建为类圆柱体，完成脊柱三维模型的建立，提高脊柱三维模型构建效率，减少二维测量脊柱临床参数的偏差。参数的偏差。参数的偏差。

【技术实现步骤摘要】
X射线成像脊柱三维模型建立方法、装置及设备


[0001]本专利技术涉及医学成像
，尤其涉及一种X射线成像脊柱三维模型建立方法、装置及设备。

技术介绍

[0002]脊柱畸形是一种常见病，主要包括脊柱侧凸、后凸、旋转畸形等情况，因其病变的复杂性导致手术矫正难度大。目前脊柱畸形评估依赖的传统DR影像会丢失一个维度的信息，CT、MR无法在站立承重位下拍摄，所以临床需要一种能快速了解患者在承重位下的脊柱畸形情况的三维重建方法，帮助医生提前制定手术方案，并且判断术后的疗效。
[0003]目前主流的脊柱三维模型重建法是使用计算机断层扫描(CT)技术，在患者保持仰卧位时，断层扫描患者脊柱全长，扫描层厚设置在毫米级别，扫描过程中始终保证扫描面与患者椎管保持垂直状态，从而获得脊柱的细间距断面图像。获取CT图像后可使用Mimics等医学三维建模软件从CT图像中分割出椎体，再进行插值、平滑等处理后得到脊柱的三维模型。使用CT扫描建立脊柱三维结构主要存在以下缺点：1)由CT影像建立三维脊柱结构过程复杂，需要专业人员手动进行识别、修补等操作，费时费力。2)患者接受的辐射剂量大。一次胸部正面X线摄影(胸片)的辐射剂量为0.02mSV，而脊柱CT平扫平均剂量在6mSv左右，相当于拍摄300张胸片。3)患者在仰卧位的脊柱结构与站立位存在差别，可能会导致一些临床参数的测量出现偏差。
[0004]综上所述，有必要提出一种X射线成像脊柱三维模型建立方法，解决现有技术三维脊柱结构建立复杂、患者接收的辐射剂量大、临床参数易出现偏差的缺陷。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种X射线成像脊柱三维模型建立方法、装置及设备，基于双平面X射线图像根据投影的几何关系快速建立出脊柱的3D模型。
[0006]本专利技术提供了一种X射线成像脊柱三维模型建立方法，应用于双平面X射线成像系统，包括如下步骤：
[0007]获取人体躯干处于不同承重位姿态的双平面X射线影像；
[0008]标定出所述X射线影像中每个椎体特征点位置，所述特征点位置包括角点位置和横突位置；
[0009]对所述双平面X射线成像系统进行空间校正，将双平面环境转换为三维空间坐标，获得第一X射线接收器和第二X射线接收器的相对位置关系；
[0010]将所述双平面X射线影像设置在三维空间上，并将所述特征点位置转化为分布在双平面X射线成像空间上的三维空间坐标；
[0011]根据多个所述特征点位置重建所述椎体的终板拟合椭圆及横突的空间位置，即计算所述椎体结构在三维空间的位置，所述终板拟合椭圆的位置特征包括上终板椭圆和下终板椭圆的圆心位置、法矢量、长轴矢量、短轴矢量；
[0012]将所述上终板拟合椭圆和所述下终板拟合椭圆设置为点集，将上终板和下终板构成的几何体三角化，将每节椎体构建为类圆柱体，完成脊柱三维模型的建立。
[0013]作为优选地，还包括：
[0014]根据所述上终板拟合椭圆和所述下终板拟合椭圆与所述横突的空间位置建立每个所述椎体自身的局部三维坐标系，对任意两个局部三维坐标系，计算一个坐标系相对于另一个坐标系的旋转矩阵和位移向量，从而得到任意两锥体间的滑移程度、椎体屈曲角度、椎体侧弯角度以及椎体轴向旋转角度。
[0015]作为优选地，所述根据所述上终板拟合椭圆和所述下终板拟合椭圆与所述横突的空间位置建立每个所述椎体自身的局部三维坐标系包括：
[0016]对于任一节椎体，将上终板和下终板中心连线的中点定义为坐标系原点，建立每节椎体的局部三维坐标系，公式如下：
[0017][0018][0019][0020]将计算所得的结果归一化即可得到每节椎体的三维坐标系
[0021]其中，n1和n2分别为上终板法矢量和下终板法矢量，p1和p2分别为识别出的横突在三维空间中的坐标。
[0022]作为优选地，对所述双平面X射线成像系统进行空间校正，将双平面环境转换为三维空间坐标，获得第一X射线接收器和第二X射线接收器的相对位置关系包括：
[0023]在三维空间坐标系中定义第一放射源、第二放射源、第一X射线接收器及第二X射线接收器的位置和大小；
[0024]在X射线接收器上设置校正板，采用如下最优化方法求出校正板坐标系相对第一X射线接收器和第二X射线接收器的旋转矩阵R
F1
，R
F2
和位移向量V
F1
，V
F2
，公式如下：
[0025][0026]根据坐标系转换计算出所述第一X射线接收器和所述第二X射线接收器的相对位置关系之间相对空间位置，公式如下：
[0027][0028]其中，P
pi
为所述双平面X射线成像系统拍摄所得的校正板上第i个铅点的位置，P
mi
为校正板上真实第i个铅点位置；记所述第二X射线接收器F2平面坐标系下的坐标为P
F2
，所述第一X射线接收器F1平面坐标系下的坐标为P
F1
，在所述校正板上的局部坐标为P
L
；所述第一X射线接收器F1平面相对所述第二X射线接收器F2平面的旋转矩阵R2to1为位移矢量V2to1为上标T代表转置矩阵。
[0029]作为优选地，将所述双平面X射线影像设置在三维空间上，并将所述特征点位置转化为分布在双平面X射线成像空间上的三维空间坐标包括：
[0030]通过所述空间坐标转换关系将二维的角点位置(x，y)或横突位置(x，y)转化为分布在所述双平面X射线影像上的三维空间坐标P
x，y，z
，公式如下：
[0031][0032][0033][0034]式中h为双平面X射线影像的高度(像素数)，w为其宽度(像素数)，分别代表三维坐标系下X射线接收器右上、右下、左上、左下角点的坐标，c1，c2为计算参数。
[0035]作为优选地，所述根据多个所述特征点位置重建所述椎体的终板拟合椭圆的空间位置包括：
[0036]获取放射源坐标F
i
＝(F
ix
，F
iy
，F
iz
，)及放射线矢量u
i
，放射线所在直线被描述为关于变量s的方程：
[0037]L
i
＝F
i
+s
i
·
u
i
，
[0038]其中i＝1,2，表示双平面的两条射线，那么两直线近似交点坐标p
i
＝L
i1
+s1·
u1＝L
i2
+s2·
u2，通过最小二乘法可以求解[s1，s2]T
：
[0039]其中：计算出[s1，s2]T
后，分别代入直线Li表达式，得到直线L1上的点p1和直线L2上的点p2，那么两直线近似交点坐标p为：
[0040][0041]假设第一拍摄方向的同一终板两角点连线矢量为第二拍摄本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种X射线成像脊柱三维模型建立方法，其特征在于，应用于双平面X射线成像系统，包括如下步骤：获取人体躯干处于不同承重位姿态的双平面X射线影像；标定出所述X射线影像中每个椎体特征点位置，所述特征点位置包括角点位置和横突位置；对所述双平面X射线成像系统进行空间校正，将双平面环境转换为三维空间坐标，获得第一X射线接收器和第二X射线接收器的相对位置关系；将所述双平面X射线影像设置在三维空间上，并将所述特征点位置转化为分布在双平面X射线成像空间上的三维空间坐标；根据多个所述特征点位置重建所述椎体的终板拟合椭圆及横突的空间位置，即计算所述椎体结构在三维空间的位置，所述终板拟合椭圆的位置特征包括上终板椭圆和下终板椭圆的圆心位置、法矢量、长轴矢量、短轴矢量；将所述上终板拟合椭圆和所述下终板拟合椭圆设置为点集，将所述上终板和所述下终板构成的几何体三角化，将每节椎体构建为类圆柱体，完成脊柱三维模型的建立。2.如权利要求1所述的X射线成像脊柱三维模型建立方法，其特征在于，还包括：根据所述上终板拟合椭圆和所述下终板拟合椭圆与所述横突的空间位置建立每个所述椎体自身的局部三维坐标系，对任意两个局部三维坐标系，计算一个坐标系相对于另一个坐标系的旋转矩阵和位移向量，从而得到任意两锥体间的滑移程度、椎体屈曲角度、椎体侧弯角度以及椎体轴向旋转角度。3.如权利要求2所述的X射线成像脊柱三维模型建立方法，其特征在于，所述根据所述上终板拟合椭圆和所述下终板拟合椭圆与所述横突的空间位置建立每个所述椎体自身的局部三维坐标系包括：对于任一节椎体，将上终板和下终板中心连线的中点定义为坐标系原点，建立每节椎体的局部三维坐标系，公式如下：体的局部三维坐标系，公式如下：体的局部三维坐标系，公式如下：将计算所得的结果归一化即可得到每节椎体的三维坐标系其中，n1和n2分别为上终板法矢量和下终板法矢量，p1和p2分别为识别出的横突在三维空间中的坐标。4.如权利要求1所述的X射线成像脊柱三维模型建立方法，其特征在于，对所述双平面X射线成像系统进行空间校正，将双平面环境转换为三维空间坐标，获得第一X射线接收器和第二X射线接收器的相对位置关系包括：在三维空间坐标系中定义第一放射源、第二放射源、第一X射线接收器及第二X射线接收器的位置和大小；在X射线接收器前设置校正板，采用如下最优化方法求出校正板坐标系相对第一X射线接收器和第二X射线接收器的旋转矩阵R
F1
，R
F2
和位移向量V
F1
，V
F2
，公式如下：
根据坐标系转换计算出所述第一X射线接收器和所述第二X射线接收器的相对空间位置，公式如下：其中，P
pi
为所述双平面X射线成像系统拍摄所得的校正板上第i个铅点的位置，P
mi
为校正板上真实第i个铅点位置；记所述第二X射线接收器F2平面坐标系下的坐标为P
F2
，所述第一X射线接收器F1平面坐标系下的坐标为P
F1
，在所述校正板上的局部坐标为P
L
；第一X射线接收器F1平面相对第二X射线接收器F2平面的旋转矩阵R2to1为位移矢量V2to1为上标T代表转置矩阵。5.如权利要求1所述的X射线成像脊柱三维模型建立方法，其特征在于，将所述双平面X射线影像设置在三维空间上，并将所述特征点位置转化为分布在双平面X射线成像空间上的三维空间坐标包括：通过所述空间坐标转换关系将二维的角点位置(x，y)或横突位置(x，y)转化为分布在所述双平面X射线影像上的三维空间坐标P
x，y，z
，公式如下：，公式如下：，公式如下：式中h为双平面X射线影像的高度(像素数)，w为其宽度(像素数)，分别代表三维坐标系下X射线接收器右上、右下、左上、左下角点的坐标，c1，c2为计算参数。6.如权利要求1所述的X射线成像脊柱三维模型建立方法，其特征在于，所述根据多个所述特征点位置重建所述椎体的终板拟合椭圆的空间位置包括：获取放射源坐标F
i
＝(F
ix
，F
iy
...

【专利技术属性】
技术研发人员：余婉欣，王聪，王雨凡，蔡宗远，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：