基于數字透視影像的人工髖關節檢測系統及方法

專利名稱：基于數字透視影像的人工髖關節檢測系統及方法
技術領域：
本發明涉及的是一種數字圖像應用技術領域的系統及方法，具體是一種基于數字透視影像的人工髖關節檢測系統及方法。
背景技術：
無菌性松動是人工髖關節置換翻修的主要原因。X射線是臨床診斷人工關節松動的一般放射線方法。然而，這種方法基本上是基于在一個平面上、靜態的X線片，對象位置、拍攝的角度和醫生的經驗在很大程度上影響診斷結果。此外，影像顯示和臨床表現之間的不一致更增加了診斷的困難。CT掃描在評估骨溶解方面比X射線更敏感，但在檢測松動時，金屬偽影和高輻射劑量限制了它的應用。MRI同樣存在著磁敏感性偽影的限制。雖然骨密度的測量、生物學標志物檢測、放射性核素診斷等方法也在實驗室研究中被應用到松動的檢測中，但是目前，這些方法尚無法作為檢測。因此，臨床上迫切需要一種三維、可視、實時精確的檢測方法。隨著計算機技術的發展，尤其計算機技術在醫學領域的應用，一些圖像相關的檢測方法，如有限元法和雙熒光成像系統，逐漸被引入到這一領域，并起到了預測假體無菌性松動的指導作用。然而，這些方法僅在實驗室中使用的，而不是在臨床上應用。倫琴立體透視測量分析(RSA,Roentgen stereophotogrammetric analysis)是一種評價關節假體與骨之間微動的精確測量技術。通過RSA技術，目標的三維位置和方向可通過植入的標記點及后續重建的三維位置被有效地定位。但對象對植入標記點存在抵觸心理。基于模型的RSA技術可評價復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記點。該方法是基于假體到的檢測輪廓與其三維模型所計算出的投影的輪廓相匹配而設計的，其精度可與基于標記點的RSA技術相當。類似的技術已被用于其它應用中，如基于單焦點透視圖像確定椎骨的位置和評估全膝關節假體的位置和朝向。動態立體透視測量技術(FSA, Fluoroscopic StereophotogrammetricAnalysis)是一種基于模型的 RSA 技術，它利用單焦點和動態透視圖像。在該方法中，匹`配的原理與其他相同。但關節運動的過程將通過連續多幀影像來重建。該方法在膝關節的運動和在體膝關節假體移動的實驗室研究中已進行了深入的探討。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于數字透視影像的人工髖關節檢測系統及方法，通過使用醫療成像CT和動態透視檢測儀器和基于模型的FSA技術；將第四維的時間變量添加到靜止狀態的三維空間，其成功建立可彌補假體松動的臨床檢查空白，為對象和醫生提供可靠的證據。本發明可進一步可以被用來作為輔助臨床關節外科醫生檢查假體松動的有效工具，其檢測所得結果與實際相對位移相比精確度達到毫米級。本發明是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種基于數字透視影像的人工髖關節檢測系統，包括:圖像導入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動態立體透視測量模塊，其中:圖像導入模塊采集待處理原始圖像,經過數字化處理后輸出至模型生成模塊,模型生成模塊根據接收到的DICOM數據對其中的CT數據按照生理骨骼和人工關節假體進行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個表面模型與每一幀透視序列圖進行匹配，動態立體透視測量模塊根據匹配結果計算得到人工髖關節與生理骨骼之間的距離。所述的圖像導入模塊包括:圖像采集機構以及數據刻錄與存儲單元，其中:圖像采集機構包括CT數據采集裝置和動態透視數據的采集裝置，數據刻錄與存儲單元將圖像采集機構所得的待處理原始圖像存儲于光盤、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:匹配場景設置單元、模型導入單元和模型匹配單元，其中:匹配場景設置單元與圖像導入模塊相連接并輸出基礎場景信息，模型導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景信息，模型匹配單元和模型導入單元相連接并輸出模型匹配信息。所述的動態立體透視測量模塊包括:相對移動單元和絕對移動分析單元,其中:相對移動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節假體模型間距離信息，絕對移動分析單元與模型匹配單元相連接并輸出人工關節假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對間距信息。本發明涉及上述系統的檢測方法，包括以下步驟:第一步、圖像采集及建模，具體步驟包括:1.1)采集二維影像數據:圖像導入模塊采集并記錄目標部位的動態透視數據，生成DICOM格式的數據并刻盤歸檔；1.2)采集CT影像數據:圖像導入模塊中的CT掃描儀按照已設置的參數掃描目標部位，并輸出DICOM格式的數據，刻盤歸檔；1.3)建立三維表面模型:圖像分割單元根據DICOM數據生成將圖像分割后生成蒙版信息導入到三維模型生成單元以生成包含建模原點、模型方向向量和拓撲關系的初始三維模型信息，再經后處理單元進行表面網格化處理，得到包含建模原點、模型方向向量和拓撲關系的目標部位的骨骼和人工關節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現三維模型與二維圖像序列的匹配，具體步驟包括:2.1)匹配場景設置單元根據二維影像數據的DICOM信息設置匹配環境參數，建立包括投影源和投影平面的基礎場景信息；2.2)模型導入單元將目標部位的透視序列圖導入基礎場景信息，并與步驟2.1)得到的投影平面進行契合處理；再將骨骼和人工關節假體的STL格式的表面模型導入基礎場景 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骨骼和假體的輪廓線；然后通過迭代算法調整模型的空間姿態與位置，使其投影線與之前勾勒出的輪廓線達到最大匹配，并生成帶有對應模型的空間姿態與位置信息的模型匹配信
肩、O第三步、動態立體透視測量模塊對匹配后的模型進行相對移位測定和絕對移位測定，具體步驟包括:3.1)相對移動單元進行相對位移測定，得到多幀人體骨骼模型與人工關節假體模型間距離信息，具體步驟為:設一幀透視序列圖中骨骼模型的建模原點的空間坐標為A(xl，yl，Zl，Rxl，Ryl，RZl)，人工關節假體模型的建模原點的空間坐標為B (x2, y2, z2, Rx2,Ry2, Rz2)，則在該幀中人工關節假體模型對于骨模型的相對位移為RD=B-A ;計算出多幀的RD，進而統計分析出總體的相對位移信息。3.2)絕對移動分析單元進行絕對位移測定，得到人工關節假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對間距信息，具體步驟為:對每一幅參考幀，設其中骨骼模型和人工關節假體模型的建模原點的空間坐標為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，設該幀的骨骼模型和人工關節假體模型的建 模原點的空間坐標為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，設該幀的骨骼模型和人工關節假體模型的空間坐標為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 α 外展角度的人工關節假體的模型坐標轉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絕對位移為AD1=B1’ -AO, AD2=B2’ -AO ;對比多組兩個絕對位移，進而統計分析出總體的絕對位移信息。


圖1為本發明結構示意圖。圖2為實施例模型示意圖；圖中:(A)為基于CT數據重建的患部關節整體模型，其中的骨與假體各部分都是單獨的文件；(B)為左腿進行外展到內收的幾幀間隔序列圖像。圖3為實施例中外展-內收相對移位示意圖；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)為內收幀，59.3° ;重建的三維空間狀態:(BI)為初始狀態，43.4°，(B2)為外展狀態61.0°，(B3)為內收狀態，59.3°。圖5為實施例中外展-內收的絕對移位示意圖；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。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。實施例1如圖1所示，本實施例包括:圖像導入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動態立體透視測量模塊，其中:圖像導入模塊采集待處理原始圖像，經過數字化處理后輸出至模型生成模塊，模型生成模塊根據接收到的DICOM數據對其中的CT數據按照生理骨骼和人工關節假體進行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個表面模型與每一幀透視序列圖進行匹配，動態立體透視測量模塊根據匹配結果計算得到人工髖關節與生理骨骼之間的距離。所述的待處理原始圖像包括:用于重建患部關節模型的CT數據以及用于記錄運動過程信息的髖關節位置的透視序列圖。所述的圖像導入模塊包括:圖像采集機構以及數據刻錄與存儲單元，其中:圖像采集機構包括CT數據采集裝置和動態透視數據的采集裝置，數據刻錄與存儲單元將圖像采集機構所得的待處理原始圖像存儲于光盤、并歸檔的過程。所述的圖像采集機構包括:掃描分辨率0.5-lmm、層厚0.5_2mm、數據以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的動態透視數據采集儀。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:匹配場景設置單元、模型導入單元和模型匹配單元，其中:匹配場景設置單元與圖像導入模塊相連接并輸出基礎場景信息，模型導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景信息，模型匹配單元和模型導入單元相連接并輸出模型匹配信息。所述的動態立體透視測量模塊包括:相對移動單元和絕對移動分析單元,其中:相對移動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節假體模型間距離信息，絕對移動分析單元與模型匹配單元相連接并輸出人工關節假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對間距信息。本實施例系統通過以下步驟實現檢測:1.1)采集二維影像數據:圖像導入模塊采集并記錄目標部位的動態透視數據，生成DICOM格式的數據并刻盤歸檔；1.2)采集CT影像數據:圖像導入模塊中的CT掃描儀按照已設置的參數掃描目標部位，并輸出DICOM格式的數據，刻盤歸檔；1.3)建立三維表面模型:圖像分割單元根據DICOM數據生成將圖像分割后生成蒙版信息導入到三維模型生成單元以生成包含建模原點、模型方向向量和拓撲關系的初始三維模型信息，再經后處理單元進行表面網格化處理，得到包含建模原點、模型方向向量和拓撲關系的目標部位的骨骼和人工關節假體的三維表面模型，輸出STL格式的模型文件。2.1)匹配場景設置單元根據二維影像數據的DICOM信息設置匹配環境參數，建立包括投影源和投影平面的基礎場景信息；

2.2)模型導入單元將目標部位的透視序列圖導入基礎場景信息，并與步驟2.1)得到的投影平面進行契合處理；再將骨骼和人工關節假體的STL格式的表面模型導入基礎場景 目息;所述的導入是指:將序列圖的數據載入基礎場景，表面模型的導入指通過匹配目標建模原點與基礎場景的原點、匹配目標模型方向向量和基礎場景的空間向量來實現模型的載入。所述的契合處理是指:序列圖的空間坐標與設置的基礎場景信息匹配，投影平面顯示狀態與實際拍攝相符。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骨骼和假體的輪廓線；然后通過迭代算法調整模型的空間姿態與位置，使其投影線與之前勾勒出的輪廓線達到最大匹配，并生成帶有對應模型的空間姿態與位置信息的模型匹配信 3.1)相對移動單元進行相對位移測定，即測量同幀中骨與假體的相對運動，可稱為相對移位(RD)。該方法檢測關節假體無菌性松動是基于假體和骨在運動過程中存在著相對的運動，即RD改變代表了松動的存在。這種改變通常出現在運動狀態發生變化時，所以要連續收集髖關節外展到內收的動作過程，著重關注二者交替時。利用如圖2所示的模型和2D數據重建了對象患部關節的三維運動過程。然后，獲取骨與假體的空間數據，進而計算相對移位，結果如圖3所示。如圖3所示，骨與假體在不同幀的相對移位有著顯著的波動，從圖中可以直接找到特異幀。相對位移用于測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據才能獲得對比結果。盡管這種方法工作量很大，但是它能顯示整個運動過程中的空間狀態，而且數據精度較高。3.2)絕對移動分析單元進行絕對位移測定，即測量同一假體在同角度的不同幀下的運動，可稱之為絕對移位(AD)。在該方法的一次對比中，涉及3幀圖像。一幀為初始狀態，設定為標準參考幀；一幀為外展狀態；另外一幀為內收狀態。這3幀的角度(假體和髂骨間的角度，由有經驗的醫生確定)需經過測量，確保后兩幀的角度相同或相近。AD即非初始狀態與初始狀態間的移位。如果松動存在，那么AD值將會不一樣。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收圖像，選擇了角度相近的一對。對象患部關節的三維空間狀態重建的結果如圖4 (B)所示。以圖4 (BI)為初始參考，外展(圖4 (Β2))和內收(圖4 (Β3))狀態下，關節假體的相對運動通過獲得的空間數據的計算，結果見圖5.結果顯示兩種狀態存在著極大的差異。絕對位移用于測量的是同一個假體在不同幀的移位，每次對比只需選取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，這一點可能會增加誤差。全部對象的分析結果表I實驗數據對比
權利要求
1.一種基于數字透視影像的人工髖關節檢測系統，其特征在于，包括:圖像導入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動態立體透視測量模塊，其中:圖像導入模塊采集待處理原始圖像,經過數字化處理后輸出至模型生成模塊,模型生成模塊根據接收到的DICOM數據對其中的CT數據按照生理骨骼和人工關節假體進行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個表面模型與每一幀透視序列圖進行匹配，動態立體透視測量模塊根據匹配結果計算得到人工髖關節與生理骨骼之間的距離； 所述的待處理原始圖像包括:用于重建患部關節模型的CT數據以及用于記錄運動過程信息的髖關節位置的透視序列圖。
2.根據權利要求1所述的系統，其特征是，所述的圖像導入模塊包括:圖像采集機構以及數據刻錄與存儲單元，其中:圖像采集機構包括CT數據采集裝置和動態透視數據的采集裝置，數據刻錄與存儲單元將圖像采集機構所得的待處理原始圖像存儲于光盤、并歸檔的過程。
3.根據權利要求1所述的系統，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.根據權利要求1所述的系統，其特征是，所述的匹配模塊包括:匹配場景設置單元、模型導入單元和模型匹配單元，其中:匹配場景設置單元與圖像導入模塊相連接并輸出基礎場景信息，模型導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景信息，模型匹配單元和模型導入單元相連接并輸出模型匹配信息。
5.根據權利要求1所述的系統，其特征是，所述的動態立體透視測量模塊包括:相對移動單元和絕對移動分析單元，其中:相對移動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節假體模型間距離信息，絕對移動分析單元與模型匹配單元相連接并輸出人工關節假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對間距信息。`
6.一種根據上述任一權`利要求所述系統的檢測方法，包括以下步驟: 第一步、圖像采集及建模，具體步驟包括: ` 1.1)采集二維影像數據:圖像導入模塊采集并記錄目標部位的動態透視數據，生成DICOM格式的數據并刻盤歸檔；` 1.2)采集CT影像數據:圖像導入模塊中的CT掃描儀按照已設置的參數掃描目標部位，并輸出DICOM格式的數據，刻盤歸檔； ` 1.3)建立三維表面模型:圖像分割單元根據DICOM數據生成將圖像分割后生成蒙版信息導入到三維模型生成單元以生成包含建模原點、模型方向向量和拓撲關系的初始三維模型信息，再經后處理單元進行表面網格化處理，得到包含建模原點、模型方向向量和拓撲關系的目標部位的骨骼和人工關節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現三維模型與二維圖像序列的匹配，具體步驟包括: ` 2.1)匹配場景設置單元根據二維影像數據的DICOM信息設置匹配環境參數，建立包括投影源和投影平面的基礎場景信息； ` 2.2)模型導入單元將目標部位的透視序列圖導入基礎場景信息，并與步驟2.1)得到的投影平面進行契合處理；再將骨骼和人工關節假體的STL格式的表面模型導入基礎場景信息； ·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骨骼和假體的輪廓線；然后通過迭代算法調整模型的空間姿態與位置，使其投影線與之前勾勒出的輪廓線達到最大匹配，并生成帶有對應模型的空間姿態與位置信息的模型匹配信息； 第三步、動態立體透視測量模塊對匹配后的模型進行相對移位測定和絕對移位測定，包括:相對移動單元進行相對位移測定，得到多幀人體骨骼模型與人工關節假體模型間距離信息；絕對移動分析單元進行絕對位移測定，得到人工關節假體模型在同一角度的不同幀下與人體骨骼模型的相對間距信息。
7.根據權利要求6所述的方法，其特征是，所述的導入是指:序列圖的導入指將序列圖的數據載入基礎場景，表面模型的導入指通過匹配目標建模原點與基礎場景的原點、匹配目標模型方向向量和基礎場景的空間向量來實現模型的載入。
8.根據權利要求6所述的方法，其特征是，所述的契合處理是指:序列圖的空間坐標與設置的基礎場景信息匹配，投影平面顯示狀態與實際拍攝相符。
9.根據權利要求6所述的方法，其特征是，所述的相對位移測定是指:設一幀透視序列圖中骨骼模型的建模原點的空間坐標為A (xl，yl，zl, Rxl, Ryl, Rzl)，人工關節假體模型的建模原點的空間坐標為B (x2, y2，z2, Rx2, Ry2，Rz2)，則在該幀中人工關節假體模型對于骨模型的相對位移為RD=B-A ;計算出多幀的RD，進而統計分析出總體的相對位移信息。
10.根據權利要求6所述的方法，其特征是，所述的絕對位移測定是指:針對每一幅參考幀，設其中骨骼模型和人工關節假體模型的建模原點的空間坐標為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，設該幀的骨骼模型和人工關節假體模型的建模原點的空間坐標為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，設該幀的骨骼模型和人工關節假體模型的空間坐標為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α外展角度的人工關節假體的模型坐標轉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絕對位移為ADl=Bl' -AO, AD2=B2’ -AO ;對比多組兩個絕對位移，進而統計分析出總體的絕對位移信息。
全文摘要
一種數字圖像應用技術領域的基于數字透視影像的人工髖關節檢測系統及方法，該系統包括圖像導入模塊、模型生成模塊、匹配模塊以及動態立體透視測量模塊，圖像導入模塊采集待處理原始圖像，經過數字化處理后輸出至模型生成模塊，模型生成模塊根據接收到的DICOM數據對其中的CT數據按照生理骨骼和人工關節假體進行三維建模得到STL格式的表面模型，匹配模塊將每一個表面模型與每一幀透視序列圖進行匹配，動態立體透視測量模塊根據匹配結果計算得到人工髖關節與生理骨骼之間的距離；本發明將第四維的時間變量添加到靜止狀態的三維空間，其成功建立可彌補假體松動的臨床檢查空白，為對象和醫生提供可靠的證據。
文檔編號A61F2/46GK103156631SQ201310045830
公開日2013年6月19日 申請日期2013年2月5日 優先權日2013年2月5日
發明者王金武, 廖廣姍, 戴尅戎 申請人:上海交通大學醫學院附屬第九人民醫院