本发明专利技术属于医学图像处理领域，特别涉及一种面向个性化设计的股骨头表面三维模型重构方法。该方法包括下述步骤：对输入的髋关节CT序列图像中每一幅二维CT图像内的股骨头和髋臼进行轮廓提取与内部填充；利用像素间的连通性实现每一幅二维CT图像内髋臼的分割操作；利用已分割完毕的髋臼序列图像，进行髋臼三维模型重构；利用空间辐射线法，进行髋臼凹面数据点采样；采用基于一般二次曲面约束的椭球面拟合方法，实现个性化股骨头表面重构。该方法能够为股骨头假体的个性化设计提供精确的数据模型。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于医学图像处理领域，特别涉及。
技术介绍
股骨头缺血性坏死是一种世界性疾病，应用人工股骨头置换手术以挽救髋关节功能的人数日趋增多，但由于假体松动常常使人工股骨头失效，其主要原因在于假体与髋臼之间的不稳定匹配。有效提高股骨头假体与髋白之间的长期稳定性是提高人工股骨头置换手术远期效果的关键。股骨头假体与髋白匹配效果不佳，是由人体器官的个体差异性所造成的。不同患者的髋关节形状各不相同，而目前国内外生产的人工股骨头假体的规格、种类有限，因此为患者植入的人工股骨头假体大都不能与髋白形成解剖匹配，接触面积小，假体与髋白之间形成的是几个点或者局部区域的接触，而不是大范围的面接触，导致假体与髋白接触面的应力分布极不合理，从而显著影响假体的稳定性，同时使患者术后股骨活动不自如。单个股骨头假体的使用寿命仅有3 15年，给股骨头坏死患者带来巨大生活影响和经济压力。因此，根据患者自身的个体器官参数，将坏死的股骨头表面重构为与髋白良好匹配状态下的三维模型，为“个体化”、“定做式”的股骨头假体生产提供几何数据参数，已成为当前股骨头坏死的康复治疗中亟待解决的问题。针对股骨头表面模型的个性化三维重构，国内学者提出了一些解决方法，发表的文献主要包括:《西安交通大学学报》的“基于反求工程的个体匹配化骨骼制造方法的研究”;《大连理工大学学报》的“基于CT图像反求技术的人体股骨头修复建模”。此类技术主要利用CT (或MRI)体数据图像对坏死的股骨头进行三维重构，然后根据生物力学分析结果对所得到的模型进行曲面离散化二次重构。此类方法的精度相比传统假体设计方法有所提高，但其设计周期较长，重构过程较复杂。国外学者针对股骨头表面个性化三维重构所提出的方法包括:在《InternationalJournal of Computer Assisted Radiology and Surgery》 的“Articular surfaceremodeling of the hip after periacetabular osteotomy”和“An integrated approachfor reconstructing a surface model of the proximal femur from sparse input dataand a mult1-resolution point distribution model: an in vitro study，，。此类技术主要利用校准后X光片中的稀疏点数据，采用多节分辨率的点分布模型(MR-PDM)来重建个性化患者的股骨近端表面模型。此类方法的表面重构精度进一步提高，但其重构结果的稳定性较低，对重构过程的数据环境提出了苛刻的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的正是为了克服现有技术的不足，解决如何快速利用患者自身生物几何参数，进行股骨头表面个性化稳定重构的问题，而提出。该方法所得到的股骨头表面模型能够与髋白实现良好的匹配状态，具有鲁棒性较强、计算过程方便等优点，能够为股骨头假体的个性化设计提供精确的数据模型。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。，所述方法包括以下步骤:①输入由常规医用CT机所采集的髋关节CT序列图像；②对已输入的序列图像中每一幅二维CT图像内的股骨头和髋曰进行轮廓提取与内部填充；先利用Sobel算子提取二维CT图像内股骨头和髋白的轮廓，再利用扫描线法实现股骨头和髋白轮廓的内部填充；③在已填充的股骨头和髋臼中，利用像素间的连通性实现每一幅二维CT图像内髋臼的分割操作，具体步骤如下:I)在股骨头和髋臼封闭区域内任取两个像素，如果这两个像素有连通的路径，则将这两个像素归为同一类，如果这两个像素没有连通的路径，则将这两个像素归为两类；2)遍历股骨头和髋臼封闭区域内的所有像素，将所有像素归为两类；3)舍弃属于股骨头封闭区域内的像素集合，保留属于髋臼封闭区域内的像素集合，实现髋臼的分割操作；④利用已分割完毕的髋臼序列图像，进行髋臼三维模型重构；`⑤在已得到的髋臼三维模型上，利用空间辐射线法，进行髋臼凹面数据点采样，包括如下步骤:I)在髋臼三维模型的凹面内选择一个空间坐标点，以此坐标点为中心，向全周空间发射辐射直线；2)每条辐射直线与髋白三维模型相交时即获得一个交点，所有交点的集合即为髋臼凹面数据采样点；⑥利用已得到的髋臼凹面数据点，采用基于一般二次曲面约束的椭球面拟合方法，实现个性化股骨头表面重构，具体步骤如下:I)将一般二次曲面约束为椭球曲面，设一般二次曲面的方程为:ax2+by2+cz2+2fyx+2gxz+2hxy+2px+2qy+2rz+d=0 (I)设:权利要求1.，其特征包括以下步骤: ①输入由医用CT机所采集的髋关节CT序列图像； ②对已输入的序列图像中每一幅二维CT图像内的股骨头和髋白进行轮廓提取与内部填充；先利用Sobel算子提取二维CT图像内股骨头和髋白的轮廓，再利用扫描线法实现股骨头和髋白轮廓的内部填充； ③在已填充的股骨头和髋白中，利用像素间的连通性实现每一幅二维CT图像内髋臼的分割操作，具体步骤如下: 1)在股骨头和髋臼封闭区域内任取两个像素，如果这两个像素有连通的路径，则将这两个像素归为同一类，如果这两个像素没有连通的路径，则将这两个像素归为两类； 2)遍历股骨头和髋白封闭区域内的所有像素，将所有像素归为两类； 3)舍弃属于股骨头封闭区域内的像素集合，保留属于髋臼封闭区域内的像素集合，实现髋臼的分割操作； ④利用已分割完毕的髋臼序列图像，进行髋臼三维模型重构； ⑤在已得到的髋臼三维模型上，利用空间辐射线法，进行髋臼凹面数据点采样，包括如下步骤: O在髋臼三维模型的凹面内选择一个空间坐标点，以此坐标点为中心，向全周空间发射辐射直线； 2)每条辐射直线与髋白三维模型相交时即获得一个交点，所有交点的集合即为髋臼凹面数据采样点； ⑥利用已得到的髋臼凹面数据点，采用基于一般二次曲面约束的椭球面拟合方法，实现个性化股骨头表面重构，具体步骤如下: 1)将一般二次曲面约束为椭球曲面，设一般二次曲面的方程为: ax2+by2+cz2+2fyx+2gxz+2hxy+2px+2qy+2rz+d=0 (I) 设: I=a+b+c (2) J=ab+bc+ac-f2-g2-h (3) a h g K=h b fC4 ) g f c 对于任意一个椭球面都有α >4，使得aj-l2>0，选用a =4来将二次曲面约束为椭球曲面； 2)利用髋白凹面数据采样点，采用基于代数距离的最小二乘法进行椭球曲面拟合，获得公式(I)中的所有未知系数； 3)设X=(x，y,ζ)τ，将椭球面一般二次曲面方程化归为矩阵形式: d+ (2p, 2q, 2r)X+XTKX=0 (5) 对于矩阵K，使用Jacobi正交变换法求其特征根U1, λ2, λ 3)，及3X3的特征向量R，令(a1； a2, a3) = (2p, 2q, 2r)R (6)有全文摘要本专利技术属于医学图像处理领域，特别涉及。该方法包括下述步骤对输入的髋关节CT序列图像中每一幅二维CT图像内的股骨头和髋臼进行轮廓提取与内部填充；利用像素间的连通性实现每一幅二维CT图像内髋臼本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种面向个性化设计的股骨头表面三维模型重构方法，其特征包括以下步骤：①输入由医用CT机所采集的髋关节CT序列图像；②对已输入的序列图像中每一幅二维CT图像内的股骨头和髋臼进行轮廓提取与内部填充；先利用Sobel算子提取二维CT图像内股骨头和髋臼的轮廓，再利用扫描线法实现股骨头和髋臼轮廓的内部填充；③在已填充的股骨头和髋臼中，利用像素间的连通性实现每一幅二维CT图像内髋臼的分割操作，具体步骤如下：1）在股骨头和髋臼封闭区域内任取两个像素，如果这两个像素有连通的路径，则将这两个像素归为同一类，如果这两个像素没有连通的路径，则将这两个像素归为两类；2）遍历股骨头和髋臼封闭区域内的所有像素，将所有像素归为两类；3）舍弃属于股骨头封闭区域内的像素集合，保留属于髋臼封闭区域内的像素集合，实现髋臼的分割操作；④利用已分割完毕的髋臼序列图像，进行髋臼三维模型重构；⑤在已得到的髋臼三维模型上，利用空间辐射线法，进行髋臼凹面数据点采样，包括如下步骤：1）在髋臼三维模型的凹面内选择一个空间坐标点，以此坐标点为中心，向全周空间发射辐射直线；2）每条辐射直线与髋臼三维模型相交时即获得一个交点，所有交点的集合即为髋臼凹面数据采样点；⑥利用已得到的髋臼凹面数据点，采用基于一般二次曲面约束的椭球面拟合方法，实现个性化股骨头表面重构，具体步骤如下：1）将一般二次曲面约束为椭球曲面，设一般二次曲面的方程为：ax2+by2+cz2+2fyx+2gxz+2hxy+2px+2qy+2rz+d=0????（1）设：I=a+b+c????（2）J=ab+bc+ac?f2?g2?h????（3）K=ahghbfgfc---(4)对于任意一个椭球面都有α≥4，使得αJ?I2>0，选用α=4来将二次曲面约束为椭球曲面；2）利用髋臼凹面数据采样点，采用基于代数距离的最小二乘法进行椭球曲面拟合，获得公式（1）中的所有未知系数；3）设X=(x,y,z)T，将椭球面一般二次曲面方程化归为矩阵形式：d+(2p,2q,2r)X+XTKX=0????（5）对于矩阵K，使用Jacobi正交变换法求其特征根(λ1,λ2,λ3)，及3×3的特征向量R，令(a1,a2,a3)=(2p,2q,2r)R????（6）有a0=d-14(a12λ1+a22λ2+a32λ3)---(7)得到椭球面的三个主轴的长度a=-a0λ1b=-a0λ2c=-a0λ3---(8)设椭球面三个主轴的旋转角为(α,β,γ)，得到椭球面中心坐标系与主坐标系 的变换关系X′=X0+R1(α)R1(β)R1(γ)X????（9）X0=(a12λ1,a22λ2,a32λ3)T---(10)R1(α)R1(β)R1(γ)=RT????（11）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘斌，刘赵梁，赵旭，张晗葳，王祎，王智慧，贾棋，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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