CN113907774A - 一种测量下肢力线的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种测量下肢力线的方法及装置。该方法首先获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片；对下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像；根据对应的关键点模型分别提取出不同的关键点，进一步确定出股骨头中心点、膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据各个中心点得到股骨机械轴线、胫骨机械轴线，并将股骨区域图像和胫骨区域图像进行处理分别得到股骨解剖轴和胫骨解剖轴，根据股骨解剖轴和胫骨解剖轴确定出第一夹角和第二夹角；并根据股骨中心点和踝关节中心点确定下肢力线，通过图像处理的方法自动计算下肢力线及其角度测量，提高了下肢力线的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及医学影像领域，特别涉及一种测量下肢力线的方法及装置。
背景技术
下肢力线的测量是指通过一定方法，利用X线片影像，测量下肢的长度、角度等各个力学参数，对比正常和畸形的差异，为临床和科研工作提供参考。全膝关节置换术后下肢力线十分关键，根据下肢力线正确安放假体是手术成功的关键。如果假体位置不当，会导致疼痛、关节活动度受限、松动、磨损和关节不稳定。从某种意义上说，下肢力线是否合适关系着术后的康复。因此下肢力线的测量对疾病诊断，治疗和术后康复具有重要意义。
在正常情况下，当人体站立位时，股骨头的中心、距小腿关节的中心应处于同一条直线，此直线即为下肢的机械轴线或下肢力线。正确快速勾画股骨解剖轴线下肢机械轴及角度的意义对于在全膝关节置换术术中重建正常的下肢对线至关重要。
发明内容
基于此，本申请实施例提供了一种测量下肢力线的方法及装置，可以通过图像处理的方法自动计算下肢力线及其角度测量。
第一方面，提供了一种测量下肢力线的方法，该方法包括：
S1、获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片；
S2、对所述下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像；
S3、根据髋关节关键点模型提取出所述髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据所述髋关节股骨关键点确定股骨头中心点；根据膝关节关键点模型提取出所述膝关节影像的膝关节关键点，根据所述膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据踝关节关键点模型提取出所述踝关节影像的踝关节关键点；
S4、连接所述股骨头中心点以及所述膝关节髁间凹中心点得到股骨机械轴线；连接所述胫骨平台中心点以及所述踝关节中心点得到胫骨机械轴线；通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴；
S5、根据所述膝关节中心和所述髋关节股骨头中心之间的连线与股骨解剖轴得到第一夹角；所述股骨解剖轴和所述胫骨解剖轴在所述膝关节中心形成第二夹角；并根据股骨头中心点和踝关节中心点，确定下肢力线。。
可选地，所述获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片，包括：
将下肢X光影像的dicom原始图按一定的窗宽窗位调整转换成图片格式并通过图像增强得到下肢全长片。
可选地，对所述下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像，包括：
选取所述下肢全长片左上角为原始点，并裁剪比全长片宽度大于200像素的区域，获得所述髋关节影像；
选取所述下肢全长片1/2的位置，裁剪与全长片宽度相同的区域，获得所述膝关节影像；
选取所述下肢全长片最下方区域，向上裁剪与全长片宽度相同的区域，获得所述踝关节影像。
可选地，根据髋关节关键点模型提取出所述髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据所述髋关节股骨关键点确定股骨头中心点，包括：
标记髋关节股骨头关键点，生成模型所需要的数据集，然后训练以股骨头为中心，以髋臼上缘和下缘为边缘信息的关键点模型，根据关键点模型提取髋关节股骨所有关键点；
将模型输出的结果进行还原，结合髋臼上缘和髋臼下缘关键点，微调确定髋关节股骨头中心。
可选地，根据膝关节关键点模型提取出所述膝关节影像的膝关节关键点，根据所述膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点，包括：
标记膝关节髁间凹中心点及外侧两点和胫骨平台中点及外侧两点，生成模型所需要的数据集，然后训练膝关节关键点模型，根据膝关节关键点模型提取出所有膝关节关键点；
将模型输出的结果进行还原，提取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点。
可选地，根据踝关节关键点模型提取出所述踝关节影像的踝关节关键点，包括：
标记踝关节关键点，生成模型所需要的数据集，然后训练踝关节关键点模型，并根据所述踝关节关键点模型提取踝关节关键点。
可选地，所述通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，包括：
将所述股骨区域图像进行噪声过滤，通过边缘检测算法定位股骨区域轮廓，再通过霍夫直线方法定位最外侧直线位置坐标，根据最外侧两条直线定位股骨轴线，进而得到股骨解剖轴。
可选地，所述通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴，包括：
将所述胫骨区域图像进行噪声过滤，通过边缘检测算法定位胫骨区域轮廓，再通过霍夫直线方法定位最外侧直线位置坐标，根据最外侧两条直线定位胫骨轴线，进而得到胫骨解剖轴。
可选地，所述股骨区域图像和所述胫骨区域图像通过所述下肢全长片裁剪获得。
第二方面，提供了一种测量下肢力线的装置，该装置包括：预处理模块、裁剪模块、关键点提取模块、轴线提取模块以及确定模块；
所述预处理模块，用于获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片；
所述裁剪模块，用于对所述下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像；
所述关键点提取模块，用于根据髋关节关键点模型提取出所述髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据所述髋关节股骨关键点确定股骨头中心点；根据膝关节关键点模型提取出所述膝关节影像的膝关节关键点，根据所述膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据踝关节关键点模型提取出所述踝关节影像的踝关节关键点；
所述轴线提取模块，用于连接所述股骨头中心点以及所述膝关节髁间凹中心点得到股骨机械轴线；连接所述胫骨平台中心点以及所述踝关节中心点得到胫骨机械轴线；通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴；
所述确定模块，用于根据所述膝关节中心和所述髋关节股骨头中心之间的连线与股骨解剖轴得到第一夹角；所述股骨解剖轴和所述胫骨解剖轴在所述膝关节中心形成第二夹角；并根据股骨头中心点和踝关节中心点，确定下肢力线。
本申请实施例提供的技术方案中首先获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片；对下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像；根据对应的关键点模型分别提取出不同的关键点，进一步确定出股骨头中心点、膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据各个中心点得到股骨机械轴线、胫骨机械轴线，并将股骨区域图像和胫骨区域图像进行处理分别得到股骨解剖轴和胫骨解剖轴，根据股骨中心点和踝关节中心确定下肢力线，通过图像处理的方法自动计算下肢力线及其角度测量，实现基于深度学习的高效检测算法，具有很高的应用价值和临床意义。
可以看出，本发明的有益效果包括了：
(1)首次提出利用关键点模型智能标记下肢力线。
(2)在关键点检测过程中，增加对髋关节股骨头中心点的权重，使其更容易辨识；同时在反向编码过程中加入了反卷积，使其准确的还原原始点周围的特征。
(3)在下肢股骨和胫骨解剖轴线提取过程中，使用多种不同的滤波器，在保证精度的同时，又提高了轴线提取速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
图1为本申请实施例提供的一种测量下肢力线的方法的流程图。
图2为本申请实施例提供的髋关节影像的示意图；
图3为本申请实施例提供的膝关节影像的示意图；
图4为本申请实施例提供的踝关节影像的示意图；
图5为本申请实施例提供的下肢力线相关测量结果的示意图；
图6为本申请实施例提供的一种下肢力线测量装置的框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等旨在区别指代的对象。对于具有时序流程的方案，这种术语表述方式不必理解为描述特定的顺序或先后次序，对于装置结构的方案，这种术语表述方式也不存在对重要程度、位置关系的区分等。
此外，术语“包括”、“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包括了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于已明确列出的那些步骤或单元，而是还可包含虽然并未明确列出的但对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元，或者基于本发明构思进一步的优化方案所增加的步骤或单元。
目前X光全长片中，下肢力线相关测量以手动测量为主，没有自动化的工具和方法。随着卷积神经网络的发展，可以直接对髋关节，膝关节和踝关节位中心进行定位，进而通过图像处理的方法自动计算下肢力线及其角度测量，实现基于深度学习的高效检测算法，该方法具有很高的应用价值和临床意义。
请参考图1，其示出了本申请实施例提供的一种测量下肢力线的方法流程图，具体步骤包括：
S1、获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片。
在本申请实施例中，S1的目的是在于获取X光下肢全长片，具体包括了：
S11、双下肢全长负重位X光片的预处理：将双下肢全长负重位X光片的dicom原始图按一定的窗宽窗位调整转换成图片格式，获得双下肢全长负重位jpg图片；
S12、下肢全长片图像增强：对下肢全长片进行图像增强。
S2、对下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像。
在本申请实施例中，S2的目的是在于将下肢全长片分为以髋关节，膝关节和踝关节位中心的三段影像数据，具体包括了：
S21、获取下肢全长片中髋关节区域：根据全长片影像，选取全长片左上角原始点，并裁剪比全长片宽度大于200像素的区域，获取髋关节影像数据，如图2所示。
S22、获取下肢全长片中膝关节区域：根据全长片影像，选取全长片1/2的位置，裁剪与全长片宽度相同的区域，获取下肢膝关节影像数据，如图3所示。
S23、获取下肢全长片中踝关节区域：根据全长片影像，选取最下方区域，向上裁剪与全长片宽度相同的区域，获取下肢踝关节影像数据，如图4所示。
S3、根据髋关节关键点模型提取出髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据髋关节股骨关键点确定股骨头中心点；根据膝关节关键点模型提取出膝关节影像的膝关节关键点，根据膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据踝关节关键点模型提取出踝关节影像的踝关节关键点。
在本申请实施例中，S3的目的是在于针对三个部位，分别提取髋关节中心，膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点和踝关节中心点，具体包括了：
S31、提取髋关节股骨头中心：首先标记髋关节股骨头关键点，生成模型所需要的数据集，然后训练以股骨头为中心，以髋臼上缘和下缘为边缘信息的关键点模型，最后根据关键点模型提取髋关节股骨所有关键点。
S32、确定髋关节股骨头中心点：将模型输出的结果进行还原，结合髋臼上缘和髋臼下缘关键点，微调确定髋关节股骨头中心。
S33、提取膝关节区域关键点：首先标记膝关节髁间凹中心点及外侧两点和胫骨平台中点及外侧两点，生成模型所需要的数据集，然后训练膝关节关键点模型。最后根据关键点模型提取膝关节所有关键点。
S34、确定膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点：将模型输出的结果进行还原，提取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点。
S35、确定踝关节中心点：首先标记踝关节关键点，生成模型所需要的数据集，然后训练踝关节的关键点模型，其次根据关键点模型提取踝关节关键点。
S4、连接股骨头中心点以及膝关节髁间凹中心点得到股骨机械轴线；连接胫骨平台中心点以及踝关节中心点得到胫骨机械轴线；通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴。
在本申请实施例中，S4的目的是在于提取股骨和胫骨机械轴线，具体包括了：
S41、提取股骨机械轴线：连接髋关节股骨头中心和膝关节髁间凹中心点，提取股骨机械轴线
S41、提取胫骨机械轴线：连接胫骨平台中心点和踝关节中心点，提取胫骨机械轴线
S43、提取股骨解剖轴：首先分割股骨区域图像，然后将周围的噪声过滤掉，根据边缘检测方法，定位股骨区域轮廓，其次通过霍夫直线的方法定位最外侧直线位置坐标，最后根据最外侧两条直线定位股骨轴线，进而确定股骨解剖轴。
S44、提取胫骨解剖轴：首先分割胫骨区域图像，然后将周围的噪声过滤掉，根据边缘检测方法，过滤掉腓骨区域，定位胫骨区域轮廓，其次通过霍夫直线的方法定位最外侧直线位置坐标，最后根据最外侧两条直线坐标信息定位胫骨轴线，进而确定胫骨解剖轴。
S5、根据膝关节中心和髋关节股骨头中心之间的连线与股骨解剖轴得到第一夹角；股骨解剖轴和胫骨解剖轴在膝关节中心形成第二夹角；根据股骨中心点和踝关节中心确定下肢力线。
在本申请实施例中，S5的目的是在于自动计算下肢力线及其相关角度，具体包括了：
S51、计算股骨解剖轴与机械轴在膝关节中心的夹角：连接膝关节中心和股骨头中心与S43的股骨解剖轴，计算其夹角。
S52、计算胫股角：计算股骨的解剖轴线与胫骨解剖轴线在膝关节中心形成的向外侧的夹角。
S53、计算下肢力线：连接股骨头中心点和踝关节中心；连接踝关节和胫骨平台中心；勾画股骨解剖轴。
参考图5即获得了下肢力线相关测量结果。
请参考图6，其示出了本申请实施例提供的一种下肢力线测量装置200的示意图，用于实施上述方法进行测量下肢力线，该装置200包括预处理模块201、裁剪模块202、关键点提取模块203、轴线提取模块204以及确定模块205；
预处理模块201，用于获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片；
裁剪模块202，用于对下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像；
关键点提取模块203，用于根据髋关节关键点模型提取出髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据髋关节股骨关键点确定股骨头中心点；根据膝关节关键点模型提取出膝关节影像的膝关节关键点，根据膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据踝关节关键点模型提取出踝关节影像的踝关节关键点；
轴线提取模块204，用于连接股骨头中心点以及膝关节髁间凹中心点得到股骨机械轴线；连接胫骨平台中心点以及踝关节中心点得到胫骨机械轴线；通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴；
确定模块205，用于根据膝关节中心和髋关节股骨头中心之间的连线与股骨解剖轴得到第一夹角；股骨解剖轴和胫骨解剖轴在膝关节中心形成第二夹角；根据股骨中心点和踝关节中心点确定下肢力线。
上述下肢力线测量装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。
关于下肢力线测量装置其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，其具体限定可以参见上文中对于下肢力线测量方法的限定，在此不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种测量下肢力线的方法，其特征在于，所述方法包括：
S1、获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片；
S2、对所述下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像；
S3、根据髋关节关键点模型提取出所述髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据所述髋关节股骨关键点确定股骨头中心点；根据膝关节关键点模型提取出所述膝关节影像的膝关节关键点，根据所述膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据踝关节关键点模型提取出所述踝关节影像的踝关节关键点；
S4、连接所述股骨头中心点以及所述膝关节髁间凹中心点得到股骨机械轴线；连接所述胫骨平台中心点以及所述踝关节中心点得到胫骨机械轴线；通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴；
S5、根据所述膝关节中心和所述髋关节股骨头中心之间的连线与股骨解剖轴得到第一夹角；所述股骨解剖轴和所述胫骨解剖轴在所述膝关节中心形成第二夹角；并根据股骨头中心点和踝关节中心点，确定下肢力线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片，包括：
将下肢X光影像的dicom原始图按一定的窗宽窗位调整转换成图片格式并通过图像增强得到下肢全长片。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像，包括：
选取所述下肢全长片左上角原始点，并裁剪比全长片宽度大于200像素的区域，获得所述髋关节影像；
选取所述下肢全长片1/2的位置，裁剪与全长片宽度相同的区域，获得所述膝关节影像；
选取所述下肢全长片最下方区域，向上裁剪与全长片宽度相同的区域，获得所述踝关节影像。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据髋关节关键点模型提取出所述髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据所述髋关节股骨关键点确定股骨头中心点，包括：
标记髋关节股骨头关键点，生成模型所需要的数据集，然后训练以股骨头为中心，以髋臼上缘和下缘为边缘信息的关键点模型，根据关键点模型提取髋关节股骨所有关键点；
将模型输出的结果进行还原，结合髋臼上缘和髋臼下缘关键点，微调确定髋关节股骨头中心。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据膝关节关键点模型提取出所述膝关节影像的膝关节关键点，根据所述膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点，包括：
标记膝关节髁间凹中心点及外侧两点和胫骨平台中点及外侧两点，生成模型所需要的数据集，然后训练膝关节关键点模型，根据膝关节关键点模型提取出所有膝关节关键点；
将模型输出的结果进行还原，提取膝关节髁间凹中心点、胫骨平台中心点。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据踝关节关键点模型提取出所述踝关节影像的踝关节关键点，包括：
标记踝关节关键点，生成模型所需要的数据集，然后训练踝关节关键点模型，并根据所述踝关节关键点模型提取踝关节关键点。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，包括：
将所述股骨区域图像进行噪声过滤，通过边缘检测算法定位股骨区域轮廓，再通过霍夫直线方法定位最外侧直线位置坐标，根据最外侧两条直线定位股骨轴线，进而得到股骨解剖轴。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴，包括：
将所述胫骨区域图像进行噪声过滤，通过边缘检测算法定位胫骨区域轮廓，再通过霍夫直线方法定位最外侧直线位置坐标，根据最外侧两条直线定位胫骨轴线，进而得到胫骨解剖轴。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述股骨区域图像和所述胫骨区域图像通过所述下肢全长片裁剪获得。
10.一种测量下肢力线的装置，其特征在于，所述装置包括：预处理模块、裁剪模块、关键点提取模块、轴线提取模块以及确定模块；
所述预处理模块，用于获取下肢X光影像原始图，通过进行预处理和图像增强得到下肢全长片；
所述裁剪模块，用于对所述下肢全长片进行裁剪得到髋关节影像、膝关节影像以及踝关节影像；
所述关键点提取模块，用于根据髋关节关键点模型提取出所述髋关节影像的髋关节股骨关键点，根据所述髋关节股骨关键点确定股骨头中心点；根据膝关节关键点模型提取出所述膝关节影像的膝关节关键点，根据所述膝关节关键点确定膝关节髁间凹中心点以及胫骨平台中心点；根据踝关节关键点模型提取出所述踝关节影像的踝关节关键点；
所述轴线提取模块，用于连接所述股骨头中心点以及所述膝关节髁间凹中心点得到股骨机械轴线；连接所述胫骨平台中心点以及所述踝关节中心点得到胫骨机械轴线；通过对股骨区域图像进行处理得到股骨解剖轴，通过对胫骨区域图像进行处理得到胫骨解剖轴；
所述确定模块，用于根据所述膝关节中心和所述髋关节股骨头中心之间的连线与股骨解剖轴得到第一夹角；所述股骨解剖轴和所述胫骨解剖轴在所述膝关节中心形成第二夹角；并根据股骨头中心点和踝关节中心点，确定下肢力线。
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