CN103156631A

CN103156631A - 基于数字透视影像的人工髋关节检测系统及方法

Info

Publication number: CN103156631A
Application number: CN2013100458301A
Authority: CN
Inventors: 王金武; 廖广姗; 戴尅戎
Original assignee: Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Current assignee: Ninth Peoples Hospital Shanghai Jiaotong University School of Medicine
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: CN103156631B

Abstract

一种数字图像应用技术领域的基于数字透视影像的人工髋关节检测系统及方法，该系统包括：图像导入模块、模型生成模块、匹配模块以及动态立体透视测量模块，图像导入模块采集待处理原始图像，经过数字化处理后输出至模型生成模块，模型生成模块根据接收到的DICOM数据对其中的CT数据按照生理骨骼和人工关节假体进行三维建模得到STL格式的表面模型，匹配模块将每一个表面模型与每一帧透视序列图进行匹配，动态立体透视测量模块根据匹配结果计算得到人工髋关节与生理骨骼之间的距离；本发明将第四维的时间变量添加到静止状态的三维空间，其成功建立可弥补假体松动的临床检查空白，为对象和医生提供可靠的证据。

Description

基于数字透视影像的人工髋关节检测系统及方法

技术领域

本发明涉及的是一种数字图像应用技术领域的系统及方法，具体是一种基于数字透视影像的人工髋关节检测系统及方法。

背景技术

无菌性松动是人工髋关节置换翻修的主要原因。X射线是临床诊断人工关节松动的一般放射线方法。然而，这种方法基本上是基于在一个平面上、静态的X线片，对象位置、拍摄的角度和医生的经验在很大程度上影响诊断结果。此外，影像显示和临床表现之间的不一致更增加了诊断的困难。CT扫描在评估骨溶解方面比X射线更敏感，但在检测松动时，金属伪影和高辐射剂量限制了它的应用。MRI同样存在着磁敏感性伪影的限制。虽然骨密度的测量、生物学标志物检测、放射性核素诊断等方法也在实验室研究中被应用到松动的检测中，但是目前，这些方法尚无法作为检测。因此，临床上迫切需要一种三维、可视、实时精确的检测方法。

随着计算机技术的发展，尤其计算机技术在医学领域的应用，一些图像相关的检测方法，如有限元法和双荧光成像系统，逐渐被引入到这一领域，并起到了预测假体无菌性松动的指导作用。然而，这些方法仅在实验室中使用的，而不是在临床上应用。

伦琴立体透视测量分析(RSA,Roentgen stereophotogrammetric analysis)是一种评价关节假体与骨之间微动的精确测量技术。通过RSA技术，目标的三维位置和方向可通过植入的标记点及后续重建的三维位置被有效地定位。但对象对植入标记点存在抵触心理。基于模型的RSA技术可评价复杂外形假体的三维位置和方向信息而不需要植入不透明的标记点。该方法是基于假体到的检测轮廓与其三维模型所计算出的投影的轮廓相匹配而设计的，其精度可与基于标记点的RSA技术相当。类似的技术已被用于其它应用中，如基于单焦点透视图像确定椎骨的位置和评估全膝关节假体的位置和朝向。动态立体透视测量技术（FSA，FluoroscopicStereophotogrammetricAnalysis）是一种基于模型的RSA技术，它利用单焦点和动态透视图像。在该方法中，匹配的原理与其他相同。但关节运动的过程将通过连续多帧影像来重建。该方法在膝关节的运动和在体膝关节假体移动的实验室研究中已进行了深入的探讨。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于数字透视影像的人工髋关节检测系统及方法，通过使用医疗成像CT和动态透视检测仪器和基于模型的FSA技术；将第四维的时间变量添加到静止状态的三维空间，其成功建立可弥补假体松动的临床检查空白，为对象和医生提供可靠的证据。本发明可进一步可以被用来作为辅助临床关节外科医生检查假体松动的有效工具，其检测所得结果与实际相对位移相比精确度达到毫米级。

本发明是通过以下技术方案实现的

本发明涉及一种基于数字透视影像的人工髋关节检测系统，包括：图像导入模块、模型生成模块、匹配模块以及动态立体透视测量模块，其中：图像导入模块采集待处理原始图像，经过数字化处理后输出至模型生成模块，模型生成模块根据接收到的DICOM数据对其中的CT数据按照生理骨骼和人工关节假体进行三维建模得到STL格式的表面模型，匹配模块将每一个表面模型与每一帧透视序列图进行匹配，动态立体透视测量模块根据匹配结果计算得到人工髋关节与生理骨骼之间的距离。

所述的图像导入模块包括：图像采集机构以及数据刻录与存储单元，其中：图像采集机构包括CT数据采集装置和动态透视数据的采集装置，数据刻录与存储单元将图像采集机构所得的待处理原始图像存储于光盘、并归档的过程。

所述的模型生成模块包括：图像分割单元、三维模型生成单元和后处理单元，其中：图像分割单元与图像导入模块相连接并输出图像分割后蒙版信息，三维模型生成单元与图像分割单元相连接并输出初始三维模型信息，后处理单元与三维模型生成单元相连接并输出最终三维表面模型信息。

所述的匹配模块包括：匹配场景设置单元、模型导入单元和模型匹配单元，其中：匹配场景设置单元与图像导入模块相连接并输出基础场景信息，模型导入单元与模型生成模块相连接并输出带有表面模型和透视序列图的场景信息，模型匹配单元和模型导入单元相连接并输出模型匹配信息。

所述的动态立体透视测量模块包括：相对移动单元和绝对移动分析单元，其中：相对移动分析单元与模型匹配单元相连接并输出多帧人体骨骼模型与人工关节假体模型间距离信息，绝对移动分析单元与模型匹配单元相连接并输出人工关节假体模型在同一角度的不同帧下与人体骨骼模型的相对间距信息。

本发明涉及上述系统的检测方法，包括以下步骤：

第一步、图像采集及建模，具体步骤包括：

1.1）采集二维影像数据：图像导入模块采集并记录目标部位的动态透视数据，生成DICOM格式的数据并刻盘归档；

1.2）采集CT影像数据：图像导入模块中的CT扫描仪按照已设置的参数扫描目标部位，并输出DICOM格式的数据，刻盘归档；

1.3）建立三维表面模型：图像分割单元根据DICOM数据生成将图像分割后生成蒙版信息导入到三维模型生成单元以生成包含建模原点、模型方向向量和拓扑关系的初始三维模型信息，再经后处理单元进行表面网格化处理，得到包含建模原点、模型方向向量和拓扑关系的目标部位的骨骼和人工关节假体的三维表面模型，输出STL格式的模型文件。

第二步、以投影线为边界条件的迭代算法实现三维模型与二维图像序列的匹配，具体步骤包括：

2.1）匹配场景设置单元根据二维影像数据的DICOM信息设置匹配环境参数，建立包括投影源和投影平面的基础场景信息；

2.2）模型导入单元将目标部位的透视序列图导入基础场景信息，并与步骤2.1）得到的投影平面进行契合处理；再将骨骼和人工关节假体的STL格式的表面模型导入基础场景信息；

2.3）模型匹配单元在二维投影平面上通过灰度阈值和人工的方法勾勒出目标骨骼和假体的轮廓线；然后通过迭代算法调整模型的空间姿态与位置，使其投影线与之前勾勒出的轮廓线达到最大匹配，并生成带有对应模型的空间姿态与位置信息的模型匹配信息。

第三步、动态立体透视测量模块对匹配后的模型进行相对移位测定和绝对移位测定，具体步骤包括：

3.1）相对移动单元进行相对位移测定，得到多帧人体骨骼模型与人工关节假体模型间距离信息，具体步骤为：设一帧透视序列图中骨骼模型的建模原点的空间坐标为A（x1，y1，z1，Rx1，Ry1，Rz1），人工关节假体模型的建模原点的空间坐标为B（x2，y2，z2，Rx2，Ry2，Rz2），则在该帧中人工关节假体模型对于骨模型的相对位移为RD=B-A；计算出多帧的RD，进而统计分析出总体的相对位移信息。

3.2）绝对移动分析单元进行绝对位移测定，得到人工关节假体模型在同一角度的不同帧下与人体骨骼模型的相对间距信息，具体步骤为：对每一幅参考帧，设其中骨骼模型和人工关节假体模型的建模原点的空间坐标为A0（x0，y0，z0，Rx0，Ry0，Rz0），B0（x'0，y'0，z'0，Rx'0，Ry'0，Rz'0）；选取外展过程中的一帧，其外展角度为α，设该帧的骨骼模型和人工关节假体模型的建模原点的空间坐标为A1（x1，y1，z1，Rx1，Ry1，Rz1），B1（x′1，y'1，z'1，Rx'1，Ry'1，Rz'1）；再选取由最大外展角度回收过程中的一帧，要求其外展角度也为α，设该帧的骨骼模型和人工关节假体模型的空间坐标为A2（x2，y2，z2，Rx2，Ry2，Rz2），B2（x′2，y'2，z'2，Rx'2，Ry'2，Rz'2）；其中：A1=M1*A0+e1，A2=M2*A0+e2，则将两个α外展角度的人工关节假体的模型坐标转化为参考帧的空间位置：B1'=（B1-e1）M1^(-1)，B2′＝(B2-e2)M2^(-1)，则基于参考帧的两个绝对位移为AD1=B1'-A0，AD2=B2’-A0；对比多组两个绝对位移，进而统计分析出总体的绝对位移信息。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为实施例模型示意图；

图中：（A）为基于CT数据重建的患部关节整体模型，其中的骨与假体各部分都是单独的文件；（B）为左腿进行外展到内收的几帧间隔序列图像。

图3为实施例中外展-内收相对移位示意图；

图中：（A）为x、y和z自由度的移位；（B）为Rx、Ry和Rz自由度上的移位。

图4为实施例中匹配过程示意图；

图中：（A1）为初始帧，43.4°，（A2）为外展帧，61.0°，（A3）为内收帧，59.3°；重建的三维空间状态：（B1）为初始状态，43.4°，（B2）为外展状态61.0°，（B3）为内收状态，59.3°。

图5为实施例中外展-内收的绝对移位示意图；

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：图像导入模块、模型生成模块、匹配模块以及动态立体透视测量模块，其中：图像导入模块采集待处理原始图像，经过数字化处理后输出至模型生成模块，模型生成模块根据接收到的DICOM数据对其中的CT数据按照生理骨骼和人工关节假体进行三维建模得到STL格式的表面模型，匹配模块将每一个表面模型与每一帧透视序列图进行匹配，动态立体透视测量模块根据匹配结果计算得到人工髋关节与生理骨骼之间的距离。

所述的待处理原始图像包括：用于重建患部关节模型的CT数据以及用于记录运动过程信息的髋关节位置的透视序列图。

所述的图像采集机构包括：扫描分辨率0.5-1mm、层厚0.5-2mm、数据以DICOM格式输出的CT扫描仪，以及图像分辨率1024*1024、采样频率10帧每秒、脉冲宽度1ms、位深＞10的动态透视数据采集仪。

本实施例系统通过以下步骤实现检测：

所述的导入是指：将序列图的数据载入基础场景，表面模型的导入指通过匹配目标建模原点与基础场景的原点、匹配目标模型方向向量和基础场景的空间向量来实现模型的载入。

所述的契合处理是指：序列图的空间坐标与设置的基础场景信息匹配，投影平面显示状态与实际拍摄相符。

3.1）相对移动单元进行相对位移测定，即测量同帧中骨与假体的相对运动，可称为相对移位（RD）。该方法检测关节假体无菌性松动是基于假体和骨在运动过程中存在着相对的运动，即RD改变代表了松动的存在。这种改变通常出现在运动状态发生变化时，所以要连续收集髋关节外展到内收的动作过程，着重关注二者交替时。

利用如图2所示的模型和2D数据重建了对象患部关节的三维运动过程。然后，获取骨与假体的空间数据，进而计算相对移位，结果如图3所示。

如图3所示，骨与假体在不同帧的相对移位有着显著的波动，从图中可以直接找到特异帧。

相对位移用于测量同一帧中骨与假体间的移位，该方法需要处理所有帧的数据才能获得对比结果。尽管这种方法工作量很大，但是它能显示整个运动过程中的空间状态，而且数据精度较高。

3.2）绝对移动分析单元进行绝对位移测定，即测量同一假体在同角度的不同帧下的运动，可称之为绝对移位（AD）。在该方法的一次对比中，涉及3帧图像。一帧为初始状态，设定为标准参考帧；一帧为外展状态；另外一帧为内收状态。这3帧的角度（假体和髂骨间的角度，由有经验的医生确定）需经过测量，确保后两帧的角度相同或相近。AD即非初始状态与初始状态间的移位。如果松动存在，那么AD值将会不一样。

在该步骤中，选取如图4（A）所示的三帧。由于所有的序列帧中没有完全相同角度的外展和内收图像，选择了角度相近的一对。对象患部关节的三维空间状态重建的结果如图4（B）所示。

以图4（B1）为初始参考，外展（图4（B2））和内收（图4（B3））状态下，关节假体的相对运动通过获得的空间数据的计算，结果见图5.结果显示两种状态存在着极大的差异。

绝对位移用于测量的是同一个假体在不同帧的移位，每次对比只需选取3帧图像，工作量较少。但相同角度的符合要求的图像不易找到，这一点可能会增加误差。

全部对象的分析结果

表1实验数据对比

如表1所示，针对不同对象通过分别建立单独的建模，通过最大波动值与较大聚类的均值进行比对判断。通过得到的位移结果与实际位置核实进行比对可见，本发明检测分析数值与实际情况相一致。

Claims

1.一种基于数字透视影像的人工髋关节检测系统，其特征在于，包括：图像导入模块、模型生成模块、匹配模块以及动态立体透视测量模块，其中：图像导入模块采集待处理原始图像，经过数字化处理后输出至模型生成模块，模型生成模块根据接收到的DICOM数据对其中的CT数据按照生理骨骼和人工关节假体进行三维建模得到STL格式的表面模型，匹配模块将每一个表面模型与每一帧透视序列图进行匹配，动态立体透视测量模块根据匹配结果计算得到人工髋关节与生理骨骼之间的距离；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的图像导入模块包括：图像采集机构以及数据刻录与存储单元，其中：图像采集机构包括CT数据采集装置和动态透视数据的采集装置，数据刻录与存储单元将图像采集机构所得的待处理原始图像存储于光盘、并归档的过程。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的模型生成模块包括：图像分割单元、三维模型生成单元和后处理单元，其中：图像分割单元与图像导入模块相连接并输出图像分割后蒙版信息，三维模型生成单元与图像分割单元相连接并输出初始三维模型信息，后处理单元与三维模型生成单元相连接并输出最终三维表面模型信息。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的匹配模块包括：匹配场景设置单元、模型导入单元和模型匹配单元，其中：匹配场景设置单元与图像导入模块相连接并输出基础场景信息，模型导入单元与模型生成模块相连接并输出带有表面模型和透视序列图的场景信息，模型匹配单元和模型导入单元相连接并输出模型匹配信息。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是，所述的动态立体透视测量模块包括：相对移动单元和绝对移动分析单元，其中：相对移动分析单元与模型匹配单元相连接并输出多帧人体骨骼模型与人工关节假体模型间距离信息，绝对移动分析单元与模型匹配单元相连接并输出人工关节假体模型在同一角度的不同帧下与人体骨骼模型的相对间距信息。

6.一种根据上述任一权利要求所述系统的检测方法，包括以下步骤：

第一步、图像采集及建模，具体步骤包括：

1.3）建立三维表面模型：图像分割单元根据DICOM数据生成将图像分割后生成蒙版信息导入到三维模型生成单元以生成包含建模原点、模型方向向量和拓扑关系的初始三维模型信息，再经后处理单元进行表面网格化处理，得到包含建模原点、模型方向向量和拓扑关系的目标部位的骨骼和人工关节假体的三维表面模型，输出STL格式的模型文件；

2.3）模型匹配单元在二维投影平面上通过灰度阈值和人工的方法勾勒出目标骨骼和假体的轮廓线；然后通过迭代算法调整模型的空间姿态与位置，使其投影线与之前勾勒出的轮廓线达到最大匹配，并生成带有对应模型的空间姿态与位置信息的模型匹配信息；

第三步、动态立体透视测量模块对匹配后的模型进行相对移位测定和绝对移位测定，包括：相对移动单元进行相对位移测定，得到多帧人体骨骼模型与人工关节假体模型间距离信息；绝对移动分析单元进行绝对位移测定，得到人工关节假体模型在同一角度的不同帧下与人体骨骼模型的相对间距信息。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的导入是指：序列图的导入指将序列图的数据载入基础场景，表面模型的导入指通过匹配目标建模原点与基础场景的原点、匹配目标模型方向向量和基础场景的空间向量来实现模型的载入。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的契合处理是指：序列图的空间坐标与设置的基础场景信息匹配，投影平面显示状态与实际拍摄相符。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的相对位移测定是指：设一帧透视序列图中骨骼模型的建模原点的空间坐标为A（x1，y1，z1，Rx1，Ry1，Rz1），人工关节假体模型的建模原点的空间坐标为B（x2，y2，z2，Rx2，Ry2，Rz2），则在该帧中人工关节假体模型对于骨模型的相对位移为RD=B-A；计算出多帧的RD，进而统计分析出总体的相对位移信息。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的绝对位移测定是指：针对每一幅参考帧，设其中骨骼模型和人工关节假体模型的建模原点的空间坐标为A0（x0，y0，z0，Rx0，Ry0，Rz0），B0（x'0，y'0，z'0，Rx'0，Ry'0，Rz'0）；选取外展过程中的一帧，其外展角度为α，设该帧的骨骼模型和人工关节假体模型的建模原点的空间坐标为A1（x1，y1，z1，Rx1，Ry1，Rz1），B1（x'1，y'1，z'1，Rx'1，Ry'1，Rz'1）；再选取由最大外展角度回收过程中的一帧，要求其外展角度也为α，设该帧的骨骼模型和人工关节假体模型的空间坐标为A2（x2，y2，z2，Rx2，Ry2，Rz2），B2（x'2，y'2，z'2，Rx'2，Ry'2，Rz'2）；其中：A1=M1*A0+e1，A2=M2*A0+e2，则将两个α外展角度的人工关节假体的模型坐标转化为参考帧的空间位置：B1′＝（B1-e1）M1^(-1)，B2′＝(B2-e2)M2^(-1)，则基于参考帧的两个绝对位移为AD1=B1'-A0，AD2=B2’-A0；对比多组两个绝对位移，进而统计分析出总体的绝对位移信息。