CN114018203B - 一种骨骼表面曲率的测量方法及系统 - Google Patents

一种骨骼表面曲率的测量方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种骨骼表面曲率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，对待测骨骼模型的表面特征点进行标记。步骤S2，对待测骨骼模型的表面轮廓进行定位和勾勒。步骤S3，设定切片厚度。步骤S4，建立局部坐标系，并得到待测骨骼模型在局部坐标系上的方位。步骤S5，对待测骨骼模型进行刚体变换，得到待测骨骼模型在全局坐标系上的方位。步骤S6，基于切片厚度对待测骨骼模型进行切片。步骤S7，利用最小二乘法的拟合圆处理计算每个骨骼切片层的表面曲率。步骤S8，对每个骨骼切片层的表面曲率计算平均值，平均值为待测骨骼模型的表面曲率。本发明还提供一种骨骼表面曲率的测量系统。

Description

一种骨骼表面曲率的测量方法及系统
技术领域
本发明涉及一种骨骼表面曲率的测量方法及系统。
背景技术
目前对于肱骨大结节骨折可采用解剖型锁定钢板内固定治疗，如专利号CN102370517A公开的一种肱骨大结节解剖型锁定钢板。解剖型钢板设计需要参考大结节表面的平均曲率，实现与骨折部位更好的贴合效果，并减小由于不贴和造成的无菌松动、应力集中、突出皮下等问题发生。
专利号CN110534175A公开的一种截骨量测量方法、测量装置、存储介质和处理器，根据股骨髁表面上的各测量点预定空间坐标系中的坐标数据，确定精确的截骨量。
专利号CN104510474A公开的一种髌骨截骨三维测量方法及系统，根据髌骨表面特征建立新坐标系，调整髌骨姿态并进行平面截骨，之后完成对剩余髌骨厚度，截骨面的宽度及长度参数的测量。这种方法属于人工使用相关软件进行截骨测量，人工工作强度高，且操作过程不规范易存在较大的测量误差。
骨骼表面平均曲率的传统测量方法为，人工使用相关软件对骨骼表面进行切片，获取骨骼轮廓来确定骨骼表面的平均曲率，这种方法存在着切片间距不好控制、切片之间不平行造成的测量误差、测量过程繁琐等诸多问题。因此需要提出一种方法和系统来减人工测量工作强度、规范化人工测量过程进而减小测量误差。
发明内容
为解决上述问题，提供一种骨骼表面曲率的测量方法及系统，本发明采用了如下技术方案：
本发明提供了一种骨骼表面曲率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，对待测骨骼模型的表面特征点进行标记。步骤S2，对待测骨骼模型的表面轮廓进行定位和勾勒。步骤S3，根据待测骨骼模型的类型，设定切片厚度。步骤S4，根据待测骨骼模型的表面特征点建立局部坐标系，并得到待测骨骼模型在局部坐标系上的方位。步骤S5，根据局部坐标系和全局坐标系，得到刚体变换矩阵
Figure BDA0003408214010000021
并利用/>
Figure BDA0003408214010000022
对待测骨骼模型进行刚体变换，得到待测骨骼模型在全局坐标系上的方位。步骤S6，基于切片厚度对待测骨骼模型进行切片，得到多个骨骼切片层。步骤S7，利用最小二乘法的拟合圆处理，分别计算每个骨骼切片层的表面曲率。步骤S8，对每个骨骼切片层的表面曲率计算平均值，平均值为待测骨骼模型的表面曲率。
本发明提供的一种骨骼表面曲率的测量方法，还可以具有这样的技术特征，其中，步骤S5包括以下步骤：步骤S5-1，定义全局坐标系的单位矩阵及全局坐标系的原点坐标。步骤S5-2，根据局部坐标系的原点和特征值在全局坐标系的坐标值，得到局部坐标系的方位变换到全局坐标系的方位的旋转矩阵
Figure BDA0003408214010000023
步骤S5-3，构建空间位移向量/>
Figure BDA0003408214010000024
步骤S5-4，由旋转矩阵/>
Figure BDA0003408214010000025
和空间位移向量/>
Figure BDA0003408214010000026
得到从局部坐标系A到全局坐标系B的刚体变换矩阵/>
Figure BDA0003408214010000031
步骤S5-5，待测骨骼模型上的某一点在局部坐标系上的坐标为Pi，通过刚体变换矩阵/>
Figure BDA0003408214010000032
进行刚体变换，得到待测骨骼模型上的某一点在全局坐标系上的坐标Pi′，其中，刚体变换矩阵
Figure BDA0003408214010000033
的具体表达式为：/>
Figure BDA0003408214010000034
坐标Pi′的具体表达式为：/>
Figure BDA0003408214010000035
本发明提供的一种骨骼表面曲率的测量方法，还可以具有这样的技术特征，其中，对待测骨骼模型进行切片，至少获取三个骨骼切片层。
本发明提供的一种骨骼表面曲率的测量方法，还可以具有这样的技术特征，其中，骨骼为人体骨骼，包括肱骨、股骨以及胫骨。
本发明提供的一种骨骼表面曲率的测量系统，其特征在于，包括：特征点选择模块，对待测骨骼模型的表面特征点进行标记。边界范围轮廓绘制模块，对待测骨骼模型的轮廓进行定位和勾勒。切片厚度调节模块，根据待测骨骼模型的类型，设定切片厚度。局部坐标系建立模块，根据待测骨骼模型的表面特征点建立局部坐标系，并得到待测骨骼模型在局部坐标系上的方位。模型位置方位调整模块，根据局部坐标系和全局坐标系，得到刚体变换矩阵
Figure BDA0003408214010000036
并利用/>
Figure BDA0003408214010000037
对待测骨骼模型进行刚体变换，得到待测骨骼模型在全局坐标系上的方位。模型切片模块，基于切片厚度对待测骨骼模型进行切片，得到多个骨骼切片层。拟合圆处理模块，利用最小二乘法的拟合圆处理，分别计算每个骨骼切片层的表面曲率。表面曲率输出模块，对每个骨骼切片层的表面曲率计算平均值，平均值为待测骨骼模型的表面曲率。
发明作用与效果
根据本发明提供的一种骨骼表面曲率的测量方法及系统，根据骨骼模型中的特征点建立待测骨骼模型的局部坐标系，调整模型在全局坐标系的位置和方位进行等间距平面切片的方式提取模型轮廓，对轮廓基于最小二乘圆拟合，计算出拟合圆的曲率。因此，本方法以规范化测量得到人体骨骼表面的曲率，有利于骨缺损修复，支持统计适合大部分人(高置信区间内)的器械尺寸参数设计。与现有的人工测量方法相比，可以规范测量过程，减小测量误差，有助于提高统计测量结果精准。
附图说明
图1是本发明实施例中的骨骼表面曲率的测量方法流程图；
图2是本发明实施例中的待测骨骼模型中选取特征点的示意图；
图3是本发明实施例中的绘制大结节轮廓的示意图；
图4是本发明实施例中的肱骨大结节模型切片结果示意图；
图5是本发明实施例中的骨骼表面曲率的测量系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明的一种骨骼表面曲率的测量方法及系统作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明实施例中的一种骨骼表面曲率的测量方法流程图。
如图1所示，本实施例中提供了一种骨骼表面曲率的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1，对待测骨骼模型的表面特征点进行标记。
图2是本发明实施例中的待测骨骼模型中选取特征点的示意图。
如图2所示，首先，本实施例中通过导入一个完整的男性右肱骨，使用点选择工具选择肱骨内髁点1和外髁点2作为两个模型表面特征点。其次使用曲面拟合工具拟合肱骨头关节面为一个球体，选取球心3作为第三个特征点。
本实施例导入了一个完整的男性右肱骨作为曲率待测量模型，只是作为一个实施例。用户可以导入任何其他人体骨骼模型进行上述模型表面的曲率测量。
步骤S2，对待测骨骼模型的表面轮廓进行定位和勾勒。
图3是本发明实施例中的绘制大结节轮廓的示意图。
如图3所示，利用Matlab在骨骼模型表面绘制三次样条曲线，返回三次样条曲线连接关键点的坐标值。三次样条曲线工具绘制出两条大结节轮廓分割曲线4。
步骤S3，根据待测骨骼模型的类型，设定切片厚度。
本实施例中的大结节轮廓区域的切片厚度设定为1mm。
步骤S4，根据待测骨骼模型的表面特征点建立局部坐标系A，并得到待测骨骼模型在局部坐标系A上的方位。
步骤S5，根据局部坐标系A和全局坐标系B，得到刚体变换矩阵
Figure BDA0003408214010000061
并利用/>
Figure BDA0003408214010000062
对待测骨骼模型进行刚体变换，得到待测骨骼模型在全局坐标系上的方位。
步骤S5包括以下步骤：
步骤S5-1，定义全局坐标系B的单位矩阵及全局坐标系B的原点坐标。定义全局坐标系B的方位为3x3的单位矩阵，全局坐标系B下的原点9位置为(0，0，0)。
步骤S5-2，根据局部坐标系A的原点和特征值在全局坐标系B的坐标值，得到局部坐标系A的方位变换到全局坐标系B的方位的旋转矩阵
Figure BDA0003408214010000063
计算求取出内髁1外髁2两点之间的中点作为肱骨模型的局部坐标系A的原点8，即内外髁两点之间的中点在局部坐标系下的位置为(0，0，0)；过局部坐标系A的原点8做球心3方向射线作为局部坐标系A的Z轴7；过局部坐标系A的原点8作内髁点方向的射线为局部坐标系A的X轴5；X轴5与Z轴7的叉乘方向作为局部坐标系A的Y轴6，即完成局部坐标系A的XYZ轴定义。
内髁1、外髁2、球心3、局部坐标系A的原点8都具有全局坐标系下B的笛卡尔坐标值。
通过局部坐标系A的原点8和内髁点1两坐标点可建立局部坐标系A的X轴5在全局坐标系B下的单位特征方向向量为：
Figure BDA0003408214010000064
通过局部坐标系A的原点8和球心3两坐标点可建立局部坐标系A的Z轴7在全局坐标系B下的单位特征方向向量为：
Figure BDA0003408214010000071
局部坐标系A的X轴5和Z轴7在全局坐标系B下的单位特征向量进行叉乘可以得到局部坐标系A的Y轴6在全局坐标系B下的单位特征向量为：
Figure BDA0003408214010000072
局部坐标系A在全局坐标系B下的三个单位特征向量相互正交，因此，组成局部坐标系A在全局坐标系B下的方位矩阵为：
Figure BDA0003408214010000073
方位矩阵即是使全局坐标系B的方位变换到局部坐标系A方位的旋转矩阵
Figure BDA0003408214010000074
旋转矩阵/>
Figure BDA0003408214010000075
为正交矩阵，旋转矩阵/>
Figure BDA0003408214010000076
的逆矩阵为/>
Figure BDA0003408214010000077
的转置矩阵，即/>
Figure BDA0003408214010000078
的转置矩阵可以是使局部坐标系A的方位变换到全局坐标系B的方位的旋转矩阵/>
Figure BDA0003408214010000079
步骤S5-3，构建空间位移向量
Figure BDA00034082140100000710
建立从局部坐标系A原点到全局坐标系B原点的位移向量
Figure BDA00034082140100000711
具体表达式为：
Figure BDA00034082140100000712
步骤S5-4，由旋转矩阵
Figure BDA00034082140100000713
和空间位移向量/>
Figure BDA00034082140100000714
得到从局部坐标系A到全局坐标系B的刚体变换矩阵/>
Figure BDA0003408214010000081
由旋转矩阵
Figure BDA0003408214010000082
和空间位移向量/>
Figure BDA0003408214010000083
可组成从局部坐标系A到全局坐标系B的刚体变换矩阵/>
Figure BDA0003408214010000084
刚体变换矩阵
Figure BDA0003408214010000085
的具体表达式为：
Figure BDA0003408214010000086
步骤S5-5，待测骨骼模型上的某一点在局部坐标系A上的坐标为Pi，通过刚体变换矩阵
Figure BDA0003408214010000087
进行刚体变换，得到待测骨骼模型上的某一点在全局坐标系上的坐标Pi′。
坐标Pi′的具体表达式为：
Figure BDA0003408214010000088
步骤S6，基于切片厚度对待测骨骼模型进行切片，得到三个骨骼切片层。
图4是本发明实施例中的肱骨大结节模型切片结果示意图。
如图4所示，根据步骤S3设定的切片厚度，对待测骨骼模型进行均匀间隔的切片采样，至少获取三个骨骼切片层。本实施例得到三个骨骼切片层。
切片平面平行于全局坐标B的系X轴10、Y轴11组成的平面，采样方向为全局坐标系B的Z轴12方向。每次采样结果即该层骨骼切片轮廓13，且被A12绘制的曲线14分割为感兴趣区域的轮廓与非感兴趣区域的轮廓。
步骤S7，利用最小二乘法的拟合圆处理，分别计算每个骨骼切片层的表面曲率。
在曲率计算过程中，感兴趣区域的轮廓作为曲率拟合的参考。将感兴趣区域轮廓平均采样若干点，基于采样点使用做小二乘法拟合最适圆，并计算拟合圆曲率。
由于非感兴趣区域的轮廓依旧保留了大量类似感兴趣区域轮廓的信息，尤其在靠近关节面区域例如：肱骨头、胫骨平台等具有一定规则的几何形状，在感兴趣区域发生缺失的情况下，也可以考虑采用部分非感兴趣区域轮廓辅助曲率的计算与得出。
步骤S8，对每个骨骼切片层的表面曲率计算平均值，平均值为待测骨骼模型的表面曲率。
图5是本发明实施例中的骨骼表面曲率的测量系统结构示意图。
如图5所示，本实施例中提供一种骨骼表面曲率的测量系统10，包括特征点选择模块11、边界范围轮廓绘制模块12、切片厚度调节模块13、局部坐标系建立模块14、模型位置方位调整模块15、模型切片模块16、拟合圆处理模块17、表面曲率输出模块18以及用于控制上述各模块的主控制模块19。该系统10可以通过相应的各个模块执行如上述步骤S1-S8的流程，并实现对骨骼表面曲率的测量。
实施例作用与效果
根据本实施例提供的一种骨骼表面曲率的测量方法及系统，根据骨骼模型中的特征点建立待测骨骼模型的局部坐标系，调整模型在全局坐标系的位置和方位进行等间距平面切片的方式提取模型轮廓，对轮廓基于最小二乘圆拟合，计算出拟合圆的曲率。因此，本方法以规范化测量得到人体骨骼表面的曲率，有利于骨缺损修复，支持统计适合大部分人(高置信区间内)的器械尺寸参数设计。与现有的人工测量方法相比，可以规范测量过程，减小测量误差，有助于提高统计测量结果精准。
上述实施例中骨骼表面曲率的测量方法及系统通过MATLAB软件实现，但不限于MATLAB软件，其他的软件也可以实现相同功能。
上述实施例仅用于举例说明本发明的具体实施方式，而本发明不限于上述实施例的描述范围。

Claims (4)

1.一种骨骼表面曲率的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，对待测骨骼模型的表面特征点进行标记；
步骤S2，对所述待测骨骼模型的表面轮廓进行定位和勾勒；
步骤S3，根据所述待测骨骼模型的类型，设定切片厚度；
步骤S4，根据所述待测骨骼模型的表面特征点建立局部坐标系，并得到所述待测骨骼模型在局部坐标系上的方位；
步骤S5，根据局部坐标系和全局坐标系的原点与方位的定义，得到刚体变换矩阵
Figure QLYQS_1
并利用所述/>
Figure QLYQS_2
对所述待测骨骼模型进行刚体变换，得到所述待测骨骼模型在全局坐标系上新的方位；
步骤S6，基于所述切片厚度对所述待测骨骼模型进行切片，得到多个骨骼切片层；
步骤S7，利用最小二乘法的拟合圆处理，分别计算每个所述骨骼切片层的表面曲率；
步骤S8，对所述每个所述骨骼切片层的表面曲率计算平均值，所述平均值为所述待测骨骼模型的表面曲率；
其中，所述步骤S5包括以下步骤：
步骤S5-1，定义所述全局坐标系的单位矩阵及所述全局坐标系的原点坐标；
步骤S5-2，根据所述局部坐标系的原点和特征值在所述全局坐标系的坐标值，得到所述局部坐标系的方位变换到全局坐标系的方位的旋转矩阵
Figure QLYQS_3
步骤S5-3，构建空间位移向量
Figure QLYQS_4
步骤S5-4，由旋转矩阵
Figure QLYQS_5
和空间位移向量/>
Figure QLYQS_6
得到从局部坐标系A到全局坐标系B的所述刚体变换矩阵/>
Figure QLYQS_7
步骤S5-5，所述待测骨骼模型上的某一点在所述局部坐标系上的坐标为Pi，通过刚体变换矩阵
Figure QLYQS_8
进行刚体变换，得到所述待测骨骼模型上的某一点在所述全局坐标系上的坐标Pi′，
刚体变换矩阵
Figure QLYQS_9
的具体表达式为：
Figure QLYQS_10
坐标Pi′的具体表达式为：
Figure QLYQS_11
2.根据权利要求1所述的一种骨骼表面曲率的测量方法，其特征在于：
其中，对所述待测骨骼模型进行切片，至少获取三个骨骼切片层。
3.根据权利要求1所述的一种骨骼表面曲率的测量方法，其特征在于：
其中，所述骨骼为人体骨骼，包括肱骨、股骨以及胫骨。
4.一种骨骼表面曲率的测量系统，通过权利要求1-3中任意一项所述的骨骼表面曲率的测量方法实现，其特征在于，包括：
特征点选择模块，对待测骨骼模型的表面特征点进行标记；
边界范围轮廓绘制模块，对所述待测骨骼模型的轮廓进行定位和勾勒；
切片厚度调节模块，根据所述待测骨骼模型的类型，设定切片厚度；
局部坐标系建立模块，根据所述待测骨骼模型的表面特征点建立局部坐标系，并得到所述待测骨骼模型在局部坐标系上的方位；
模型位置方位调整模块，根据局部坐标系和全局坐标系，得到刚体变换矩阵
Figure QLYQS_12
并利用
Figure QLYQS_13
对所述待测骨骼模型进行刚体变换，得到所述待测骨骼模型在全局坐标系上的方位；
模型切片模块，基于所述切片厚度对所述待测骨骼模型进行切片，得到多个骨骼切片层；
拟合圆处理模块，利用最小二乘法的拟合圆处理，分别计算每个所述骨骼切片层的表面曲率；
表面曲率输出模块，对所述每个所述骨骼切片层的表面曲率计算平均值，所述平均值为所述待测骨骼模型的表面曲率。
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