專利名稱：基于數(shù)字透視影像的人工髖關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種數(shù)字圖像應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的系統(tǒng)及方法，具體是一種基于數(shù)字透視影像的人工髖關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
無菌性松動(dòng)是人工髖關(guān)節(jié)置換翻修的主要原因。X射線是臨床診斷人工關(guān)節(jié)松動(dòng)的一般放射線方法。然而，這種方法基本上是基于在一個(gè)平面上、靜態(tài)的X線片，對(duì)象位置、拍攝的角度和醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)在很大程度上影響診斷結(jié)果。此外，影像顯示和臨床表現(xiàn)之間的不一致更增加了診斷的困難。CT掃描在評(píng)估骨溶解方面比X射線更敏感，但在檢測(cè)松動(dòng)時(shí)，金屬偽影和高輻射劑量限制了它的應(yīng)用。MRI同樣存在著磁敏感性偽影的限制。雖然骨密度的測(cè)量、生物學(xué)標(biāo)志物檢測(cè)、放射性核素診斷等方法也在實(shí)驗(yàn)室研究中被應(yīng)用到松動(dòng)的檢測(cè)中，但是目前，這些方法尚無法作為檢測(cè)。因此，臨床上迫切需要一種三維、可視、實(shí)時(shí)精確的檢測(cè)方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，尤其計(jì)算機(jī)技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，一些圖像相關(guān)的檢測(cè)方法，如有限元法和雙熒光成像系統(tǒng)，逐漸被引入到這一領(lǐng)域，并起到了預(yù)測(cè)假體無菌性松動(dòng)的指導(dǎo)作用。然而，這些方法僅在實(shí)驗(yàn)室中使用的，而不是在臨床上應(yīng)用。倫琴立體透視測(cè)量分析(RSA,Roentgen stereophotogrammetric analysis)是一種評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)假體與骨之間微動(dòng)的精確測(cè)量技術(shù)。通過RSA技術(shù)，目標(biāo)的三維位置和方向可通過植入的標(biāo)記點(diǎn)及后續(xù)重建的三維位置被有效地定位。但對(duì)象對(duì)植入標(biāo)記點(diǎn)存在抵觸心理?；谀Ｐ偷腞SA技術(shù)可評(píng)價(jià)復(fù)雜外形假體的三維位置和方向信息而不需要植入不透明的標(biāo)記點(diǎn)。該方法是基于假體到的檢測(cè)輪廓與其三維模型所計(jì)算出的投影的輪廓相匹配而設(shè)計(jì)的，其精度可與基于標(biāo)記點(diǎn)的RSA技術(shù)相當(dāng)。類似的技術(shù)已被用于其它應(yīng)用中，如基于單焦點(diǎn)透視圖像確定椎骨的位置和評(píng)估全膝關(guān)節(jié)假體的位置和朝向。動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量技術(shù)(FSA, Fluoroscopic StereophotogrammetricAnalysis)是一種基于模型的 RSA 技術(shù)，它利用單焦點(diǎn)和動(dòng)態(tài)透視圖像。在該方法中，匹`配的原理與其他相同。但關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的過程將通過連續(xù)多幀影像來重建。該方法在膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和在體膝關(guān)節(jié)假體移動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室研究中已進(jìn)行了深入的探討。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提出一種基于數(shù)字透視影像的人工髖關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)及方法，通過使用醫(yī)療成像CT和動(dòng)態(tài)透視檢測(cè)儀器和基于模型的FSA技術(shù)；將第四維的時(shí)間變量添加到靜止?fàn)顟B(tài)的三維空間，其成功建立可彌補(bǔ)假體松動(dòng)的臨床檢查空白，為對(duì)象和醫(yī)生提供可靠的證據(jù)。本發(fā)明可進(jìn)一步可以被用來作為輔助臨床關(guān)節(jié)外科醫(yī)生檢查假體松動(dòng)的有效工具，其檢測(cè)所得結(jié)果與實(shí)際相對(duì)位移相比精確度達(dá)到毫米級(jí)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及一種基于數(shù)字透視影像的人工髖關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)，包括:圖像導(dǎo)入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊，其中:圖像導(dǎo)入模塊采集待處理原始圖像,經(jīng)過數(shù)字化處理后輸出至模型生成模塊,模型生成模塊根據(jù)接收到的DICOM數(shù)據(jù)對(duì)其中的CT數(shù)據(jù)按照生理骨骼和人工關(guān)節(jié)假體進(jìn)行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個(gè)表面模型與每一幀透視序列圖進(jìn)行匹配，動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算得到人工髖關(guān)節(jié)與生理骨骼之間的距離。所述的圖像導(dǎo)入模塊包括:圖像采集機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)刻錄與存儲(chǔ)單元，其中:圖像采集機(jī)構(gòu)包括CT數(shù)據(jù)采集裝置和動(dòng)態(tài)透視數(shù)據(jù)的采集裝置，數(shù)據(jù)刻錄與存儲(chǔ)單元將圖像采集機(jī)構(gòu)所得的待處理原始圖像存儲(chǔ)于光盤、并歸檔的過程。所述的模型生成模塊包括:圖像分割單元、三維模型生成單元和后處理單元，其中:圖像分割單元與圖像導(dǎo)入模塊相連接并輸出圖像分割后蒙版信息，三維模型生成單元與圖像分割單元相連接并輸出初始三維模型信息，后處理單元與三維模型生成單元相連接并輸出最終三維表面模型信息。所述的匹配模塊包括:匹配場(chǎng)景設(shè)置單元、模型導(dǎo)入單元和模型匹配單元，其中:匹配場(chǎng)景設(shè)置單元與圖像導(dǎo)入模塊相連接并輸出基礎(chǔ)場(chǎng)景信息，模型導(dǎo)入單元與模型生成模塊相連接并輸出帶有表面模型和透視序列圖的場(chǎng)景信息，模型匹配單元和模型導(dǎo)入單元相連接并輸出模型匹配信息。所述的動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊包括:相對(duì)移動(dòng)單元和絕對(duì)移動(dòng)分析單元,其中:相對(duì)移動(dòng)分析單元與模型匹配單元相連接并輸出多幀人體骨骼模型與人工關(guān)節(jié)假體模型間距離信息，絕對(duì)移動(dòng)分析單元與模型匹配單元相連接并輸出人工關(guān)節(jié)假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對(duì)間距信息。本發(fā)明涉及上述系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括以下步驟:第一步、圖像采集及建模，具體步驟包括:1.1)采集二維影像數(shù)據(jù):圖像導(dǎo)入模塊采集并記錄目標(biāo)部位的動(dòng)態(tài)透視數(shù)據(jù)，生成DICOM格式的數(shù)據(jù)并刻盤歸檔；1.2)采集CT影像數(shù)據(jù):圖像導(dǎo)入模塊中的CT掃描儀按照已設(shè)置的參數(shù)掃描目標(biāo)部位，并輸出DICOM格式的數(shù)據(jù)，刻盤歸檔；1.3)建立三維表面模型:圖像分割單元根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)生成將圖像分割后生成蒙版信息導(dǎo)入到三維模型生成單元以生成包含建模原點(diǎn)、模型方向向量和拓?fù)潢P(guān)系的初始三維模型信息，再經(jīng)后處理單元進(jìn)行表面網(wǎng)格化處理，得到包含建模原點(diǎn)、模型方向向量和拓?fù)潢P(guān)系的目標(biāo)部位的骨骼和人工關(guān)節(jié)假體的三維表面模型，輸出STL格式的模型文件。第二步、以投影線為邊界條件的迭代算法實(shí)現(xiàn)三維模型與二維圖像序列的匹配，具體步驟包括:2.1)匹配場(chǎng)景設(shè)置單元根據(jù)二維影像數(shù)據(jù)的DICOM信息設(shè)置匹配環(huán)境參數(shù)，建立包括投影源和投影平面的基礎(chǔ)場(chǎng)景信息；2.2)模型導(dǎo)入單元將目標(biāo)部位的透視序列圖導(dǎo)入基礎(chǔ)場(chǎng)景信息，并與步驟2.1)得到的投影平面進(jìn)行契合處理；再將骨骼和人工關(guān)節(jié)假體的STL格式的表面模型導(dǎo)入基礎(chǔ)場(chǎng)景 目息;2.3)模型匹配單元在二維投影平面上通過灰度閾值和人工的方法勾勒出目標(biāo)骨骼和假體的輪廓線；然后通過迭代算法調(diào)整模型的空間姿態(tài)與位置，使其投影線與之前勾勒出的輪廓線達(dá)到最大匹配，并生成帶有對(duì)應(yīng)模型的空間姿態(tài)與位置信息的模型匹配信
肩、O第三步、動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊對(duì)匹配后的模型進(jìn)行相對(duì)移位測(cè)定和絕對(duì)移位測(cè)定，具體步驟包括:3.1)相對(duì)移動(dòng)單元進(jìn)行相對(duì)位移測(cè)定，得到多幀人體骨骼模型與人工關(guān)節(jié)假體模型間距離信息，具體步驟為:設(shè)一幀透視序列圖中骨骼模型的建模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為A(xl，yl，Zl，Rxl，Ryl，RZl)，人工關(guān)節(jié)假體模型的建模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為B (x2, y2, z2, Rx2,Ry2, Rz2)，則在該幀中人工關(guān)節(jié)假體模型對(duì)于骨模型的相對(duì)位移為RD=B-A ;計(jì)算出多幀的RD，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析出總體的相對(duì)位移信息。3.2)絕對(duì)移動(dòng)分析單元進(jìn)行絕對(duì)位移測(cè)定，得到人工關(guān)節(jié)假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對(duì)間距信息，具體步驟為:對(duì)每一幅參考幀，設(shè)其中骨骼模型和人工關(guān)節(jié)假體模型的建模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為AO (x0, y0, z0, RxO, RyO, RzO), BO (χ ,y’ 0，z’ 0，Rx，0，Ry，0，Rz，0);選取外展過程中的一幀，其外展角度為α，設(shè)該幀的骨骼模型和人工關(guān)節(jié)假體模型的建 模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為Al (xl,yl,zl,Rxl,Ryl,Rzl),Bl (x, 1，y’ 1，z’ 1，Rx’ 1，Ry’ 1，Rz’ I);再選取由最大外展角度回收過程中的一幀，要求其外展角度也為α，設(shè)該幀的骨骼模型和人工關(guān)節(jié)假體模型的空間坐標(biāo)為Α2 (x2,y2,z2,Rx2,Ry2,Rz2),B2 (X' 2，y’2，ζ’2，Rx’2，Ry’2，Rz’2);其中:Al=Ml*A0+el，A2=M2*A0+e2，則將兩個(gè) α 外展角度的人工關(guān)節(jié)假體的模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為參考幀的空間位置:Β1’= (Β1-θ1)ΜΓ(-1)，Β2'=(B2-e2)M2~ (-1)，則基于參考幀的兩個(gè)絕對(duì)位移為AD1=B1’ -AO, AD2=B2’ -AO ;對(duì)比多組兩個(gè)絕對(duì)位移，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析出總體的絕對(duì)位移信息。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例模型示意圖；圖中:(A)為基于CT數(shù)據(jù)重建的患部關(guān)節(jié)整體模型，其中的骨與假體各部分都是單獨(dú)的文件；(B)為左腿進(jìn)行外展到內(nèi)收的幾幀間隔序列圖像。圖3為實(shí)施例中外展-內(nèi)收相對(duì)移位示意圖；圖中:(A)為x、y和ζ自由度的移位；(B)為Rx、Ry和Rz自由度上的移位。圖4為實(shí)施例中匹配過程示意圖；圖中:(Al)為初始幀，43.4°，(A2)為外展幀，61.0°，(A3)為內(nèi)收幀，59.3° ;重建的三維空間狀態(tài):(BI)為初始狀態(tài)，43.4°，(B2)為外展?fàn)顟B(tài)61.0°，(B3)為內(nèi)收狀態(tài)，59.3°。圖5為實(shí)施例中外展-內(nèi)收的絕對(duì)移位示意圖；圖中:(A)為x、y和ζ自由度的移位；(B)為Rx、Ry和Rz自由度上的移位。
具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。實(shí)施例1如圖1所示，本實(shí)施例包括:圖像導(dǎo)入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊，其中:圖像導(dǎo)入模塊采集待處理原始圖像，經(jīng)過數(shù)字化處理后輸出至模型生成模塊，模型生成模塊根據(jù)接收到的DICOM數(shù)據(jù)對(duì)其中的CT數(shù)據(jù)按照生理骨骼和人工關(guān)節(jié)假體進(jìn)行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個(gè)表面模型與每一幀透視序列圖進(jìn)行匹配，動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算得到人工髖關(guān)節(jié)與生理骨骼之間的距離。所述的待處理原始圖像包括:用于重建患部關(guān)節(jié)模型的CT數(shù)據(jù)以及用于記錄運(yùn)動(dòng)過程信息的髖關(guān)節(jié)位置的透視序列圖。所述的圖像導(dǎo)入模塊包括:圖像采集機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)刻錄與存儲(chǔ)單元，其中:圖像采集機(jī)構(gòu)包括CT數(shù)據(jù)采集裝置和動(dòng)態(tài)透視數(shù)據(jù)的采集裝置，數(shù)據(jù)刻錄與存儲(chǔ)單元將圖像采集機(jī)構(gòu)所得的待處理原始圖像存儲(chǔ)于光盤、并歸檔的過程。所述的圖像采集機(jī)構(gòu)包括:掃描分辨率0.5-lmm、層厚0.5_2mm、數(shù)據(jù)以DICOM格式輸出的CT掃描儀，以及圖像分辨率1024*1024、采樣頻率10幀每秒、脈沖寬度1ms、位深>10的動(dòng)態(tài)透視數(shù)據(jù)采集儀。所述的模型生成模塊包括:圖像分割單元、三維模型生成單元和后處理單元，其中:圖像分割單元與圖像導(dǎo)入模塊相連接并輸出圖像分割后蒙版信息，三維模型生成單元與圖像分割單元相連接并輸出初始三維模型信息，后處理單元與三維模型生成單元相連接并輸出最終三維表面模型信息。所述的匹配模塊包括:匹配場(chǎng)景設(shè)置單元、模型導(dǎo)入單元和模型匹配單元，其中:匹配場(chǎng)景設(shè)置單元與圖像導(dǎo)入模塊相連接并輸出基礎(chǔ)場(chǎng)景信息，模型導(dǎo)入單元與模型生成模塊相連接并輸出帶有表面模型和透視序列圖的場(chǎng)景信息，模型匹配單元和模型導(dǎo)入單元相連接并輸出模型匹配信息。所述的動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊包括:相對(duì)移動(dòng)單元和絕對(duì)移動(dòng)分析單元,其中:相對(duì)移動(dòng)分析單元與模型匹配單元相連接并輸出多幀人體骨骼模型與人工關(guān)節(jié)假體模型間距離信息，絕對(duì)移動(dòng)分析單元與模型匹配單元相連接并輸出人工關(guān)節(jié)假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對(duì)間距信息。本實(shí)施例系統(tǒng)通過以下步驟實(shí)現(xiàn)檢測(cè):1.1)采集二維影像數(shù)據(jù):圖像導(dǎo)入模塊采集并記錄目標(biāo)部位的動(dòng)態(tài)透視數(shù)據(jù)，生成DICOM格式的數(shù)據(jù)并刻盤歸檔；1.2)采集CT影像數(shù)據(jù):圖像導(dǎo)入模塊中的CT掃描儀按照已設(shè)置的參數(shù)掃描目標(biāo)部位，并輸出DICOM格式的數(shù)據(jù)，刻盤歸檔；1.3)建立三維表面模型:圖像分割單元根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)生成將圖像分割后生成蒙版信息導(dǎo)入到三維模型生成單元以生成包含建模原點(diǎn)、模型方向向量和拓?fù)潢P(guān)系的初始三維模型信息，再經(jīng)后處理單元進(jìn)行表面網(wǎng)格化處理，得到包含建模原點(diǎn)、模型方向向量和拓?fù)潢P(guān)系的目標(biāo)部位的骨骼和人工關(guān)節(jié)假體的三維表面模型，輸出STL格式的模型文件。2.1)匹配場(chǎng)景設(shè)置單元根據(jù)二維影像數(shù)據(jù)的DICOM信息設(shè)置匹配環(huán)境參數(shù)，建立包括投影源和投影平面的基礎(chǔ)場(chǎng)景信息；

2.2)模型導(dǎo)入單元將目標(biāo)部位的透視序列圖導(dǎo)入基礎(chǔ)場(chǎng)景信息，并與步驟2.1)得到的投影平面進(jìn)行契合處理；再將骨骼和人工關(guān)節(jié)假體的STL格式的表面模型導(dǎo)入基礎(chǔ)場(chǎng)景 目息;所述的導(dǎo)入是指:將序列圖的數(shù)據(jù)載入基礎(chǔ)場(chǎng)景，表面模型的導(dǎo)入指通過匹配目標(biāo)建模原點(diǎn)與基礎(chǔ)場(chǎng)景的原點(diǎn)、匹配目標(biāo)模型方向向量和基礎(chǔ)場(chǎng)景的空間向量來實(shí)現(xiàn)模型的載入。所述的契合處理是指:序列圖的空間坐標(biāo)與設(shè)置的基礎(chǔ)場(chǎng)景信息匹配，投影平面顯示狀態(tài)與實(shí)際拍攝相符。2.3)模型匹配單元在二維投影平面上通過灰度閾值和人工的方法勾勒出目標(biāo)骨骼和假體的輪廓線；然后通過迭代算法調(diào)整模型的空間姿態(tài)與位置，使其投影線與之前勾勒出的輪廓線達(dá)到最大匹配，并生成帶有對(duì)應(yīng)模型的空間姿態(tài)與位置信息的模型匹配信 3.1)相對(duì)移動(dòng)單元進(jìn)行相對(duì)位移測(cè)定，即測(cè)量同幀中骨與假體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，可稱為相對(duì)移位(RD)。該方法檢測(cè)關(guān)節(jié)假體無菌性松動(dòng)是基于假體和骨在運(yùn)動(dòng)過程中存在著相對(duì)的運(yùn)動(dòng)，即RD改變代表了松動(dòng)的存在。這種改變通常出現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，所以要連續(xù)收集髖關(guān)節(jié)外展到內(nèi)收的動(dòng)作過程，著重關(guān)注二者交替時(shí)。利用如圖2所示的模型和2D數(shù)據(jù)重建了對(duì)象患部關(guān)節(jié)的三維運(yùn)動(dòng)過程。然后，獲取骨與假體的空間數(shù)據(jù)，進(jìn)而計(jì)算相對(duì)移位，結(jié)果如圖3所示。如圖3所示，骨與假體在不同幀的相對(duì)移位有著顯著的波動(dòng)，從圖中可以直接找到特異幀。相對(duì)位移用于測(cè)量同一幀中骨與假體間的移位，該方法需要處理所有幀的數(shù)據(jù)才能獲得對(duì)比結(jié)果。盡管這種方法工作量很大，但是它能顯示整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中的空間狀態(tài)，而且數(shù)據(jù)精度較高。3.2)絕對(duì)移動(dòng)分析單元進(jìn)行絕對(duì)位移測(cè)定，即測(cè)量同一假體在同角度的不同幀下的運(yùn)動(dòng)，可稱之為絕對(duì)移位(AD)。在該方法的一次對(duì)比中，涉及3幀圖像。一幀為初始狀態(tài)，設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)參考幀；一幀為外展?fàn)顟B(tài)；另外一幀為內(nèi)收狀態(tài)。這3幀的角度(假體和髂骨間的角度，由有經(jīng)驗(yàn)的醫(yī)生確定)需經(jīng)過測(cè)量，確保后兩幀的角度相同或相近。AD即非初始狀態(tài)與初始狀態(tài)間的移位。如果松動(dòng)存在，那么AD值將會(huì)不一樣。在該步驟中，選取如圖4 (A)所示的三幀。由于所有的序列幀中沒有完全相同角度的外展和內(nèi)收?qǐng)D像，選擇了角度相近的一對(duì)。對(duì)象患部關(guān)節(jié)的三維空間狀態(tài)重建的結(jié)果如圖4 (B)所示。以圖4 (BI)為初始參考，外展(圖4 (Β2))和內(nèi)收(圖4 (Β3))狀態(tài)下，關(guān)節(jié)假體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)通過獲得的空間數(shù)據(jù)的計(jì)算，結(jié)果見圖5.結(jié)果顯示兩種狀態(tài)存在著極大的差異。絕對(duì)位移用于測(cè)量的是同一個(gè)假體在不同幀的移位，每次對(duì)比只需選取3幀圖像，工作量較少。但相同角度的符合要求的圖像不易找到，這一點(diǎn)可能會(huì)增加誤差。全部對(duì)象的分析結(jié)果表I實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比
權(quán)利要求
1.一種基于數(shù)字透視影像的人工髖關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，包括:圖像導(dǎo)入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊，其中:圖像導(dǎo)入模塊采集待處理原始圖像,經(jīng)過數(shù)字化處理后輸出至模型生成模塊,模型生成模塊根據(jù)接收到的DICOM數(shù)據(jù)對(duì)其中的CT數(shù)據(jù)按照生理骨骼和人工關(guān)節(jié)假體進(jìn)行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個(gè)表面模型與每一幀透視序列圖進(jìn)行匹配，動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算得到人工髖關(guān)節(jié)與生理骨骼之間的距離； 所述的待處理原始圖像包括:用于重建患部關(guān)節(jié)模型的CT數(shù)據(jù)以及用于記錄運(yùn)動(dòng)過程信息的髖關(guān)節(jié)位置的透視序列圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的圖像導(dǎo)入模塊包括:圖像采集機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)刻錄與存儲(chǔ)單元，其中:圖像采集機(jī)構(gòu)包括CT數(shù)據(jù)采集裝置和動(dòng)態(tài)透視數(shù)據(jù)的采集裝置，數(shù)據(jù)刻錄與存儲(chǔ)單元將圖像采集機(jī)構(gòu)所得的待處理原始圖像存儲(chǔ)于光盤、并歸檔的過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的模型生成模塊包括:圖像分割單元、三維模型生成單元和后處理單元，其中:圖像分割單元與圖像導(dǎo)入模塊相連接并輸出圖像分割后蒙版信息，三維模型生成單元與圖像分割單元相連接并輸出初始三維模型信息，后處理單元與三維模型生成單元相連接并輸出最終三維表面模型信息。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的匹配模塊包括:匹配場(chǎng)景設(shè)置單元、模型導(dǎo)入單元和模型匹配單元，其中:匹配場(chǎng)景設(shè)置單元與圖像導(dǎo)入模塊相連接并輸出基礎(chǔ)場(chǎng)景信息，模型導(dǎo)入單元與模型生成模塊相連接并輸出帶有表面模型和透視序列圖的場(chǎng)景信息，模型匹配單元和模型導(dǎo)入單元相連接并輸出模型匹配信息。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，所述的動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊包括:相對(duì)移動(dòng)單元和絕對(duì)移動(dòng)分析單元，其中:相對(duì)移動(dòng)分析單元與模型匹配單元相連接并輸出多幀人體骨骼模型與人工關(guān)節(jié)假體模型間距離信息，絕對(duì)移動(dòng)分析單元與模型匹配單元相連接并輸出人工關(guān)節(jié)假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對(duì)間距信息。`
6.一種根據(jù)上述任一權(quán)`利要求所述系統(tǒng)的檢測(cè)方法，包括以下步驟: 第一步、圖像采集及建模，具體步驟包括: ` 1.1)采集二維影像數(shù)據(jù):圖像導(dǎo)入模塊采集并記錄目標(biāo)部位的動(dòng)態(tài)透視數(shù)據(jù)，生成DICOM格式的數(shù)據(jù)并刻盤歸檔；` 1.2)采集CT影像數(shù)據(jù):圖像導(dǎo)入模塊中的CT掃描儀按照已設(shè)置的參數(shù)掃描目標(biāo)部位，并輸出DICOM格式的數(shù)據(jù)，刻盤歸檔； ` 1.3)建立三維表面模型:圖像分割單元根據(jù)DICOM數(shù)據(jù)生成將圖像分割后生成蒙版信息導(dǎo)入到三維模型生成單元以生成包含建模原點(diǎn)、模型方向向量和拓?fù)潢P(guān)系的初始三維模型信息，再經(jīng)后處理單元進(jìn)行表面網(wǎng)格化處理，得到包含建模原點(diǎn)、模型方向向量和拓?fù)潢P(guān)系的目標(biāo)部位的骨骼和人工關(guān)節(jié)假體的三維表面模型，輸出STL格式的模型文件； 第二步、以投影線為邊界條件的迭代算法實(shí)現(xiàn)三維模型與二維圖像序列的匹配，具體步驟包括: ` 2.1)匹配場(chǎng)景設(shè)置單元根據(jù)二維影像數(shù)據(jù)的DICOM信息設(shè)置匹配環(huán)境參數(shù)，建立包括投影源和投影平面的基礎(chǔ)場(chǎng)景信息； ` 2.2)模型導(dǎo)入單元將目標(biāo)部位的透視序列圖導(dǎo)入基礎(chǔ)場(chǎng)景信息，并與步驟2.1)得到的投影平面進(jìn)行契合處理；再將骨骼和人工關(guān)節(jié)假體的STL格式的表面模型導(dǎo)入基礎(chǔ)場(chǎng)景信息； ·2.3)模型匹配單元在二維投影平面上通過灰度閾值和人工的方法勾勒出目標(biāo)骨骼和假體的輪廓線；然后通過迭代算法調(diào)整模型的空間姿態(tài)與位置，使其投影線與之前勾勒出的輪廓線達(dá)到最大匹配，并生成帶有對(duì)應(yīng)模型的空間姿態(tài)與位置信息的模型匹配信息； 第三步、動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊對(duì)匹配后的模型進(jìn)行相對(duì)移位測(cè)定和絕對(duì)移位測(cè)定，包括:相對(duì)移動(dòng)單元進(jìn)行相對(duì)位移測(cè)定，得到多幀人體骨骼模型與人工關(guān)節(jié)假體模型間距離信息；絕對(duì)移動(dòng)分析單元進(jìn)行絕對(duì)位移測(cè)定，得到人工關(guān)節(jié)假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對(duì)間距信息。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的導(dǎo)入是指:序列圖的導(dǎo)入指將序列圖的數(shù)據(jù)載入基礎(chǔ)場(chǎng)景，表面模型的導(dǎo)入指通過匹配目標(biāo)建模原點(diǎn)與基礎(chǔ)場(chǎng)景的原點(diǎn)、匹配目標(biāo)模型方向向量和基礎(chǔ)場(chǎng)景的空間向量來實(shí)現(xiàn)模型的載入。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的契合處理是指:序列圖的空間坐標(biāo)與設(shè)置的基礎(chǔ)場(chǎng)景信息匹配，投影平面顯示狀態(tài)與實(shí)際拍攝相符。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的相對(duì)位移測(cè)定是指:設(shè)一幀透視序列圖中骨骼模型的建模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為A (xl，yl，zl, Rxl, Ryl, Rzl)，人工關(guān)節(jié)假體模型的建模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為B (x2, y2，z2, Rx2, Ry2，Rz2)，則在該幀中人工關(guān)節(jié)假體模型對(duì)于骨模型的相對(duì)位移為RD=B-A ;計(jì)算出多幀的RD，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析出總體的相對(duì)位移信息。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征是，所述的絕對(duì)位移測(cè)定是指:針對(duì)每一幅參考幀，設(shè)其中骨骼模型和人工關(guān)節(jié)假體模型的建模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為AO (x0, y0, z0, RxO,RyO, RzO), BO (χ , y’0，ζ , RxO, RyO, RzO);選取外展過程中的一幀，其外展角度為α，設(shè)該幀的骨骼模型和人工關(guān)節(jié)假體模型的建模原點(diǎn)的空間坐標(biāo)為Al (xl, yl, zl, Rxl,Ryl, Rzl), BI (x，I, y’ 1, z，I, Rx’ I, Ry’ I, Rz，I);再選取由最大外展角度回收過程中的一幀，要求其外展角度也為α，設(shè)該幀的骨骼模型和人工關(guān)節(jié)假體模型的空間坐標(biāo)為A2(x2, y2, z2, Rx2, Ry2, Rz2), B2 (x，2，f 2，z’ 2，Rx’ 2，Ry，2，Rz，2);其中:Al=Ml*A0+el，A2=M2*A0+e2，則將兩個(gè)α外展角度的人工關(guān)節(jié)假體的模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為參考幀的空間位置:ΒΓ =(Bl-el)Mr(-l)，Β2' = (B2_e2)M2~ (-1)，則基于參考幀的兩個(gè)絕對(duì)位移為ADl=Bl' -AO, AD2=B2’ -AO ;對(duì)比多組兩個(gè)絕對(duì)位移，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)分析出總體的絕對(duì)位移信息。
全文摘要
一種數(shù)字圖像應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的基于數(shù)字透視影像的人工髖關(guān)節(jié)檢測(cè)系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括圖像導(dǎo)入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊，圖像導(dǎo)入模塊采集待處理原始圖像，經(jīng)過數(shù)字化處理后輸出至模型生成模塊，模型生成模塊根據(jù)接收到的DICOM數(shù)據(jù)對(duì)其中的CT數(shù)據(jù)按照生理骨骼和人工關(guān)節(jié)假體進(jìn)行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個(gè)表面模型與每一幀透視序列圖進(jìn)行匹配，動(dòng)態(tài)立體透視測(cè)量模塊根據(jù)匹配結(jié)果計(jì)算得到人工髖關(guān)節(jié)與生理骨骼之間的距離；本發(fā)明將第四維的時(shí)間變量添加到靜止?fàn)顟B(tài)的三維空間，其成功建立可彌補(bǔ)假體松動(dòng)的臨床檢查空白，為對(duì)象和醫(yī)生提供可靠的證據(jù)。
文檔編號(hào)A61F2/46GK103156631SQ201310045830
公開日2013年6月19日 申請(qǐng)日期2013年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月5日
發(fā)明者王金武, 廖廣姍, 戴尅戎 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院