CN109523625A - 一种韧带长度量化方法 - Google Patents

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Abstract

一种韧带长度量化方法，包括步骤：获取STL格式的三维骨骼表面模型；在三维骨骼表面模型上标记感兴趣韧带的起始点坐标和终止点坐标；利用穿过起始点和终止点连线的一个平面截取三维骨骼表面模型，获得骨骼横截面；计算骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径；设定穿过起始点和终止点的平面旋转角度为变化量、起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径为最佳化目标，使用最佳化手段自动调整旋转角度，求取通过韧带的起始点坐标和终止点的三维最短路径，并考虑此路径长度为韧带长度量化值。通过该韧带长度的量化值能实现运动状态下关节韧带生物力学特性的评估，以及在韧带重建术中通过改变起始点和终止点，对韧带长度量化值的影响给出一定的指导意见，指导手术规则。

Description

一种韧带长度量化方法
技术领域
本发明涉及韧带长度计算技术领域，具体涉及一种韧带长度量化方法。
背景技术
韧带是连接骨骼的软组织，或附于骨的表面或与关节囊的外层融合，在骨肌生物力学系统中起到了重要作用，包括加强关节的稳固性，避免损伤。在骨科临床中，影像学检查是最为常见的检查手段之一，其中X光与CT均无法对韧带进行清晰的成像，MRI尽管可以对韧带这类软组织清晰成像，但是具有成像时间长、无法做到动态测量这样的局限性。而实际应用中，需要获得动态的在体韧带长度信息，一方面可以应用于一般临床检查的功能评估中，结合CT与动态X光影像学数据，实现快速在体动态韧带长度信息评估，另一方面可以应用于手术规划。但是，目前还没有发现计算韧带长度的方法，因此，急需要提供韧带长度的计算方法。
发明内容
为了将韧带长度量化，本申请提供一种韧带长度量化方法，包括步骤：
获取STL格式的三维骨骼表面模型；
在所述三维骨骼表面模型上标记感兴趣韧带的起始点和终止点，将所述三维骨骼表面模型的所有三角网格的顶点坐标与所述起始点和终止点的空间坐标转换至同一个全局坐标系上，结合所述全局坐标系中的起始点、终止点和顶点坐标建立韧带局部坐标系，根据全局坐标系与韧带局部坐标系之间的转换关系将所有三角网格的顶点坐标转换至所述韧带局部坐标系中；
利用穿过所述起始点和终止点连线的一个平面截取所述三维骨骼表面模型，获得一骨骼横截面；
计算骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径；
设定穿过起始点和终止点的平面旋转角度为变化量、起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径为最优目标，使用最优算法自动调整旋转角度，求取通过韧带的起始点和终止点的三维最短路径，所述三维最短路径的长度为韧带长度量化值。
一种实施例中，计算各个骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径之前，还包括对各个所述骨骼横截面的凹陷边界进行补充，使补充后的骨骼横截面边界形成最小集合的封闭区域，且所述封闭区域呈凸包状。
一种实施例中，计算各个骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径，具体为：计算所述封闭区域的边界上连接起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径。
依据上述实施例的韧带长度量化方法，通过采用过感兴趣韧带的起始点和终止点的平面截取STL格式的三维骨骼表面模型得到横截面，不同的截面截取三维骨骼表面模型得到的起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径不同，以该骨骼表面最短路径为目标函数，通过最优化算法得到最短的骨骼表面最短路径，该骨骼表面最短路径即为韧带长度的量化值，通过该韧带长度的量化值能实现运动状态下关节韧带生物力学特性的评估，以及在韧带重建术中通过改变起始点和终止点，对韧带长度量化值的影响给出一定的指导意见，指导手术规则。
附图说明
图1为韧带长度量化流程图；
图2为骨骼横截面的最小凸包形成示意图；
图3为前叉韧带示意图；
图4为利用平面截取三维骨骼表面模型示意图；
图5为骨骼横截面补充为最小凸集合的封闭区域示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：
请参考图1，本例提供的韧带长度量化方法具体包括如下步骤。
S1：获取STL格式的三维骨骼表面模型。
其中，STL是最多快速原型系统所应用的标准文件类型。STL是用三角网格来表现3D CAD模型。
S2：在三维骨骼表面模型上标记感兴趣韧带的起始点和终止点，将三维骨骼表面模型的所有三角网格的顶点坐标与起始点和终止点的空间坐标转换至同一个全局坐标系上，结合全局坐标系中的起始点、终止点和顶点坐标建立韧带局部坐标系，根据全局坐标系与韧带局部坐标系之间的转换关系将所有三角网格的顶点坐标转换至韧带局部坐标系中。
由于三维骨骼表面模型与起始点和终止点不在同一个坐标系中，为了能在韧带局部坐标系下执行如下操作，本步骤需要将三维骨骼表面模型中所有三角网格的顶点坐标转换至韧带局部坐标系中。
S3：利用穿过起始点和终止点连线的一个平面截取三维骨骼表面模型，获得骨骼横截面。
S4：计算骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径。
由于平面截取三维骨骼表面模型获得的骨骼横截面的边界呈凹凸不平状，为了能方便的计算骨骼横截面上起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径，本例将封闭凸包应用到韧带长度量化中，因此，在本步骤之前，还包括对各个骨骼横截面的凹陷边界进行补充，使补充后的骨骼横截面边界形成最小集合的封闭区域，且封闭区域呈凸包状，然后，基于补充后的封闭区域计算起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径，具体为：计算封闭区域的边界上连接起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径。
其中，对各个骨骼横截面的凹陷边界进行补充，使补充后的骨骼横截面边界形成最小集合的封闭区域，呈凸包状，该凸包状具体形成的方法如下，其示意图如图2所示：
1)把截取的骨骼横截面的所有点均放在二维坐标系中，以纵坐标最小的点Q1为起点。
2)找到所有离散点Q′中与x轴正方向夹角最小的点记为Q2。
3)找到所有离散点Q′中与夹角最小的点记为Q3。
4)重复步1)直至回到Q1，则所有最小的点连接所形成的封闭区域为一个整体的凸包状。
在步骤S3-S4中，本例是通过穿过起始点和终止点的一个平面截取三维骨骼表面模型，计算骨骼横截面的最短路径；在其他实施例中，也可以采用平面暴力法截取三维骨骼表面模型，即，采用一组平面集合截取三维骨骼表面模型，获得一组骨骼横截面，计算一组骨骼横截面中起始点和终止点最短的路径，然后，再以最短路径所对应的平面进行步骤S5的计算，最终获得全局最小的三维最短路径。
S5：设定穿过起始点和终止点的平面旋转角度为变化量、起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径为最优目标，使用最优算法自动调整旋转角度，求取通过韧带的起始点和终止点的三维最短路径，三维最短路径的长度为韧带长度量化值。
由于穿过起始点和终止点连线的角度不同的平面具有无数多个，在本例中，为了减少计算量，引入最佳化计算。即，使用最佳化控制截面的旋转角度，求取起始点和终止点之间包绕骨骼的最短路径。
具体的，通过设定穿过起始点和终止点的截面旋转角度为设记变数、起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径为最佳化目标，使用最佳化手段自动调整旋转角度，求取通过韧带的起始点坐标和终止点的三维最短路径，并考虑此三维最短路径的长度为韧带长度量化值。
本步骤中利用BFGS最优化算法计算通过韧带的起始点坐标和终止点的三维最短路径。
本例中，韧带长度量化的过程中计算量小，计算速度快，能使韧带长度量化值进行如下应用。
韧带长度量化在临床检查的功能评估的应用：
在一般的临床检查中，尚无针对功能动作下韧带生物力学特性的评估，而韧带对关节稳定性起重要作用，许多运动功能障碍都是由韧带损伤所引起的。一般来说，MRI是最常见的针对软组织损伤的检查手段，对于韧带损伤的患者，MRI影像能清晰呈现韧带的病理特征，然而，对于韧带重建术后的韧带功能评估，MRI仅能提供静态下韧带的形态学特征，并不能体现韧带功能恢复的情况，而本例的韧带长度量化方法可以作为韧带重建术后功能恢复评估手段的补充，通过韧带长度的量化值实现术后功能活动下韧带生物力学特性的在体评估。
CT检查可以为韧带长度量化提供骨骼三维模型，双平面动态X光追踪系统(DualFluoroscopic Imaging system，DFIS)能够通过2D-3D配准算法结合CT影像提供患者在功能动作下动态骨骼在空间中的位置，在每一帧图像中的骨骼上标记感兴趣韧带的坐标，便可以模拟每一帧图像下的韧带长度与位置，从而得到功能活动下韧带长度的变化信息。
以ACL重建术为例，通常来讲患者术后MRI无异常，但是MRI并不能反映重建的ACL在功能活动如屈伸、内外旋、内外翻下的生物力学特性，因此结合CT影像与DFIS，通过韧带长度量化方法可以模拟功能活动下ACL重建术后ACL长度变化。
手术中医生徒手做关节被动运动以测试关节稳定度是非常常见的手术中功能评估方法，手术中医生徒手做患者关节被动屈伸、内外旋、内外翻动作可以在术中评估患者关节功能，但是该评估进针对关节整体稳定度，无法单独评估韧带的生物力学特性。
以全膝关节置换(Total Knee Arthroplasty，TKA)为例，术中徒手的关节运动测试可以量化术中安放假体后关节六自由度运动学信息，同时也可以结合术前CT与术中X光检查，利用韧带长度量化分析安放假体后在功能活动下韧带的长度变化，与正常人韧带长度变化比较，可以预估假体摆放位置是否正确。
韧带长度量化在手术规划中的应用：
除了韧带生物力学特性的功能评估外，韧带长度量化方法的另一个潜在应用领域是手术规划。对于韧带重建术来说，韧带长度量化法可以模拟功能活动下韧带长度保持不变的区域，临床中一般认为韧带在功能活动中长度保持不变可以提供避免韧带的过度拉伸或失效，因此利用该韧带长度量化方法可以为韧带重建术中韧带重建的位置给出一定的指导意见，指导手术规划。
实施例二：
基于实施例一，本例以感兴趣韧带为前叉韧带为例说明韧带长度量化的具体应用。
步骤1：获取股骨与胫骨的三维骨骼表面模型(STL格式)，及标记前叉韧带在股骨与胫骨的起始点与终止点(分别以A、B表示)的空间坐标，请参考图3。
步骤2：将各骨骼表面模型的所有三角网格的顶点坐标与A、B点的空间坐标转换至同一个全局坐标系上，结合全局坐标系中的A点、B点和三角网格的顶点坐标建立韧带局部坐标系，根据全局坐标系与韧带局部坐标系之间的转换关系将所有三角网格的顶点坐标转换至韧带局部坐标系中。
步骤3：选取一个过AB连线的平面，用该平面截取股骨胫骨的三维骨骼表面模型，得到一个骨骼横截面，找到横截面对应的最小凸包，计算凸包边界中连接A、B两点的最短表面路径，如图4-5所示。
步骤4：设定穿过起始点和终止点的平面旋转角度为变化量、起始点A和终止点B之间的骨骼表面最短路径为最优目标，使用最优算法自动调整旋转角度，求取通过韧带的起始点A和终止点B的三维最短路径，三维最短路径的长度为A点和B点之间韧带长度量化值。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (3)

1.一种韧带长度量化方法，其特征在于，包括步骤：
获取STL格式的三维骨骼表面模型；
在所述三维骨骼表面模型上标记感兴趣韧带的起始点坐标和终止点坐标，将所述三维骨骼表面模型的所有三角网格的顶点坐标与所述起始点和终止点的空间坐标转换至同一个全局坐标系上，结合所述全局坐标系中的起始点、终止点和顶点坐标建立韧带局部坐标系，根据全局坐标系与韧带局部坐标系之间的转换关系将所有三角网格的顶点坐标转换至所述韧带局部坐标系中；
利用穿过所述起始点和终止点连线的一个平面截取所述三维骨骼表面模型，获得骨骼横截面；
计算骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径；
设定穿过起始点和终止点的平面旋转角度为变化量、起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径为最优目标，使用最优算法自动调整旋转角度，求取通过韧带的起始点和终止点的三维最短路径，所述三维最短路径的长度为韧带长度量化值。
2.如权利要求1所述的韧带长度量化方法，其特征在于，所述计算骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径之前，还包括对所述骨骼横截面的凹陷边界进行补充，使补充后的骨骼横截面边界形成最小集合的封闭区域，且所述封闭区域呈凸包状。
3.如权利要求2所述的韧带长度量化方法，其特征在于，所述计算骨骼横截面中起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径，具体为：计算所述封闭区域的边界上连接起始点和终止点之间的骨骼表面最短路径。
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