CN116019548A - 一种基于x光影像的膝关节置换手术规划方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法、装置、设备及存储介质，所述方法包括：获取两张膝关节正交X光影像；使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出关键点位置；根据重建的三维模型以及关键点位置推荐假体型号和位姿；利用关键点构建的空间关系，由医生确认检查结果，并根据需要进一步调整假体位姿，最终输出膝关节假体置换手术规划方案。本发明所述方法利用统计形状模型的方法将二维的X光影像重建出三维骨骼模型并将其可视化，有利于医生更加直观地观察假体摆位情况，从而更好地输出手术方案，且本发明所述方法成本较低，可覆盖更多人群。

Description

一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法、装置、设备及存储介质

技术领域

本发明涉及人工智能图像处理技术领域，尤其涉及医学图像的智能处理技术领域，具体指一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法、装置、设备及存储介质。

背景技术

全膝关节置换术(Total Knee Arthroplasty，TKA)是治疗重度膝关节骨炎症等疾病最有效的方法之一，成功的膝关节置换手术依赖于准确、完备、详尽的手术规划方案，通常需要确定置换假体的型号尺寸以及合适的位姿等信息。目前实现膝关节假体置换手术规划的方法一般包括以下两种：一种是基于CT影像的三维规划，另一种是基于X光影像的二维规划。

基于CT影像的假体规划方法可以提供三维信息，将其应用在机器人辅助手术的场景中，但CT影像价格昂贵，不适用普通人群；X光影像价格相对便宜，可覆盖更多人群，医生可基于厂家提供的假体模板或二维模板模拟软件制定在X光影像上的规划方案，但过程中需要医生反复对比，直到匹配到合适的假体，该流程操作繁琐，耗时且效率低下，另外基于X光影像的二维规划不能给医生提供更多的三维信息，无法应用到机器人辅助手术中。

因此，亟需一种膝关节置换手术规划方法，能够提供三维信息，使医生更加直观地观察假体摆位情况，同时成本相对较低，可以覆盖更多人群。

发明内容

本发明的目的在于解决上述背景技术中描述的现有技术的缺点，提供一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法、装置、设备及存储介质。该方法利用统计形状模型的方法将二维的X光影像重建出三维骨骼模型并将其可视化，有利于医生更加直观地观察假体摆位情况，从而更好地输出手术方案，且本发明所述方法成本较低，可覆盖更多人群。

本发明通过以下技术方案予以实现：第一方面，本发明提供一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，包括以下步骤：

S101，获取两张膝关节正交X光影像，包括正位片即膝前后侧视图AP和侧位片即膝左右侧视图RL；

S102，使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置；

S103，根据膝关节处股骨和胫骨的三维模型以及关键点位置推荐假体型号和位姿；

S104，利用关键点构建的空间关系，由医生确认检查结果，并根据需要进一步调整假体位姿，最终输出膝关节假体置换手术规划方案。

进一步地，S102中所述使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置，包括：

S201，预先训练生成股骨和胫骨的统计形状模型，并分别标注关键点位置，其中，统计形状模型包括平均形状和形变参数；

S202，获取两张X光影像的轮廓，根据轮廓信息对齐X光影像，并得到股骨、胫骨3D模型的初始位置和尺度；

S203，加载预生成的股骨、胫骨统计形状模型，在其平均形状模型上施加股骨、胫骨初始3D模型的尺度和位置，作为初始股骨胫骨统计形状模型；

S204，利用AP平面轮廓和RL平面轮廓进行迭代，更新股骨胫骨统计形状模型的参数，生成最终股骨胫骨统计形状模型和关键点位置；

S205，根据股骨胫骨统计形状模型获取形状点云，计算点云的法向量，使用泊松曲面重建的方法将点云生成表面模型，实现股骨、胫骨三维模型的可视化。

进一步地，S201中所述预先训练生成股骨和胫骨的统计形状模型，并分别标注关键点位置，包括：

S301，收集不同患者的膝关节CT影像样本，生成膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集；

S302，对形状向量样本集中的形状向量进行对齐；

S303，处理对齐后的样本形状向量，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型；

S304，在股骨和胫骨的统计形状模型上选取关键点，并得到其坐标位置。

进一步地，S301中所述收集不同患者的膝关节CT影像样本，生成膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集，包括：

S401，收集不同患者的膝关节CT影像样本；

S402，经分割后获取膝关节处股骨和胫骨的分割模型样本；

S403，分割模型样本去中心化去尺度后，得到归一化的形状向量；

S404，对归一化的形状向量同时施加同样的尺度比例系数，得到统一尺度的形状向量；

S405，对股骨模型样本在三维空间初始下部对齐，对于胫骨模型样本在三维空间初始上部对齐；

S406，提取骨骼分割模型的表面离散坐标点作为初始形状向量表示，得到膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集。

进一步地，S302中所述对形状向量样本集中的形状向量进行对齐，包括：

S501，分别选取股骨、胫骨形状向量样本集中点数量最少的样本作为基准样本；

S502，判断股骨、胫骨形状向量样本集中除基准样本外的其他样本是否与基准样本对齐，若所有样本均对齐，则转到步骤S507；若存在未对齐样本，则转到步骤S503进行迭代；

S503，选取股骨、胫骨形状向量样本集中除基准样本以外的一个样本，使用最近点原则确定选取样本与基准样本中点的一一对应关系；

S504，使用正交普鲁克分析法计算点对之间的旋转变换矩阵，对样本形状向量施加同样的旋转变换后，计算点对间的普鲁克距离；

S505，判断普鲁克距离是否小于阈值，若小于，则将点对中属于样本的点作为样本的形状向量，继续转到S502中判断此时样本集中是否存在未对齐样本；若超出设定的阈值，则转到S503重新获取施加变换后的样本与基准样本的点对集合继续迭代，直到所述选取样本的阈值符合要求；

S506，对股骨、胫骨形状向量样本集中所有样本做同样处理，使其与基准样本对齐；

S507，得到最终对齐后的所有样本的形状向量，对齐后的样本形状向量具有相同数量的坐标点。

进一步地，S303中所述处理对齐后的样本形状向量，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型，包括：

S601，对对齐后的样本形状向量使用均匀分布采样N个点；

S602，根据最新的样本形状向量计算平均形状向量X_avg，

S603，样本形状向量减去平均形状向量后得到样本的偏差形状向量；

S604，使用奇异值分解方法对样本的偏差形状向量分析得到对应的特征向量矩阵P和形变系数b，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型SSM=X_avg+Pb。

进一步地，S204中所述利用AP平面轮廓和RL平面轮廓进行迭代，更新股骨胫骨统计形状模型的参数，生成最终股骨胫骨统计形状模型和关键点位置，包括：

S701，利用RL平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型；

S702，将更新的统计形状模型投影至AP平面，计算投影轮廓与AP骨骼轮廓的平均欧式距离；

S703，判断平均欧式距离是否小于阈值，若小于，则转到S707输出最终的股骨、胫骨统计形状模型；若大于，则转到S704继续迭代；

S704，利用AP平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型；

S705：将更新的统计形状模型投影至RL平面，计算投影轮廓与RL骨骼轮廓的欧式距离；

S706：判断欧式距离是否小于阈值，若小于，则转到S707输出最终的股骨、胫骨统计形状模型；若大于，则转到S701继续迭代，直到达到迭代要求退出条件；

S707，生成最终股骨胫骨统计形状模型。

进一步地，S701中所述利用RL平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型，包括：

S801，分别将股骨、胫骨统计形状模型通过Z-buffer算法投影到RL平面得到RL投影轮廓，建立RL投影轮廓与RL平面上X光骨骼边界轮廓的一对一的2D点对集合对应关系；

S802，根据投影轮廓上的点在三维空间的位置信息，将其第三维坐标赋予对应的X光骨骼边界轮廓点，将X光骨骼边界轮廓反映射到3D空间，得到统计形状模型3D表面点与3D空间的骨骼轮廓点一对一的3D点对集合对应关系；

S803，将得到的3D空间骨骼轮廓点作为目标，对3D点对集合进行正交普鲁克分析，得到初始统计形状模型到目标统计形状模型的旋转矩阵变换，并计算普鲁克距离；

S804，判断普鲁克距离是否小于阈值，若小于，则转到S807退出迭代；否则，转到S805继续迭代；

S805，对形状差异向量和平均统计形状模型X_avg分别施加旋转矩阵变换,对经过变换的平均统计形状模型X_avg再次投影到二维RL平面得到投影轮廓与X光骨骼边界轮廓一对一的2D点对集合对应关系，利用公式SSM=X_avg+Pb计算更新统计形状模型所需的形状差异系数b的信息；

S806，通过计算得到更新后的统计形状模型数据，转到S801继续迭代，直到阈值满足要求退出；

S807，输出利用RL平面轮廓进行迭代最终生成的统计形状模型。

进一步地，S704中所述利用AP平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型，投影平面变为AP平面。

第二方面，本发明提供了一种基于X光影像的膝关节置换手术规划装置，该装置包括：

获取数据模块901，用于获取两张膝关节正交X光影像，包括正位片和侧位片；

三维重建模块902，用于使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置；

假体推荐模块903，用于根据膝关节处股骨和胫骨的三维模型以及关键点位置推荐假体型号和位姿；

输出模块904，用于利用关键点构建的空间关系，由医生确认检查结果，并根据需要进一步调整假体位姿，最终输出膝关节假体置换手术规划方案。

第三方面，本发明提供了一种基于X光影像的膝关节置换手术规划设备，所述设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现上述所述基于X光影像的膝关节置换手术规划方法。

第四方面，本发明还提供了一种基于X光影像的膝关节置换手术规划存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述所述基于X光影像的膝关节置换手术规划方法。

与现有技术相比较，本发明具有以下技术优点：

1. 可以从二维X光影像中三维重建出所需骨骼模型和对应的关键点，从而制定有效的假体置换方案，与基于CT影像的三维假体规划相比，本发明所述方法成本较低，可覆盖更多人群，与基于X光影像的二维假体规划相比，本发明所述方法可以提供三维信息，有利于医生更加直观的观察假体摆位情况；

2. 本发明所述方法利用三维的统计形状模型将二维的X光片重建出三维骨骼模型，并且根据在预先生成的统计形状模型上选取关键点，后续很容易得到配准后的三维形状模型上的关键点，解决了同时输出三维模型和关键点的问题；

3.现有技术方案对骨骼统计形状模型的生成都是基于完整骨骼，本发明所述方法对截断的股骨或胫骨模型训练生成对应的统计形状模型，解决了不同截断长度以及不同尺度下的骨骼目标建立统计形状模型的问题。

附图说明

下面将参考附图来描述本发明示例性实施例的特征、优点和技术效果。

图1是本发明实施例提供的基于X光影像的膝关节置换手术规划方法流程示意图；

图2是本发明实施例提供的三维重建膝关节股骨、胫骨三维模型的流程示意图；

图3是本发明实施例提供的预先训练生成股骨和胫骨的统计形状模型的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的生成膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的对形状向量样本集中的形状向量进行对齐的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的获取参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型的流程示意图；

图7是本发明实施例提供的利用AP平面轮廓和RL平面轮廓迭代更新股骨胫骨统计形状模型参数的流程示意图；

图8是本发明实施例提供的利用RL平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代的流程示意图；

图9是本发明实施例提供的基于X光影像的膝关节置换手术规划装置示意图；

图10是本发明实施例提供的一种计算设备的结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本公开的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本公开 的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本公开进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅意在解释本公开， 而不是限定本公开。对于本领域技术人员来说，本公开可以在不需要这些具体 细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本 公开的示例来提供对本公开更好的理解。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将 一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些 实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

图1是本发明实施例提供的基于X光影像的膝关节置换手术规划方法流程示意图。

如图1所示，本发明提供一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，包括以下步骤：

S101，获取两张膝关节正交X光影像，包括正位片和侧位片；

S102，使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置；

S103，根据膝关节处股骨和胫骨的三维模型以及关键点位置推荐假体型号和位姿；

S104，利用关键点构建的空间关系，由医生确认检查结果，并根据需要进一步调整假体位姿，最终输出膝关节假体置换手术规划方案。

其中，S101中所述膝关节X光正位片是指膝前后侧视图（AP），所述侧位片是指膝左右侧视图（RL）。

如图2所示，S102中所述使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置，包括：

S201，预先训练生成股骨和胫骨的统计形状模型，并分别标注关键点位置，其中，统计形状模型包括平均形状和形变参数；

S202，获取两张X光影像的轮廓，根据轮廓信息对齐X光影像，并得到股骨、胫骨3D模型的初始位置和尺度；

S203，加载预生成的股骨、胫骨统计形状模型，在其平均形状模型上施加股骨、胫骨初始3D模型的尺度和位置，作为初始股骨胫骨统计形状模型；

S204，利用AP平面轮廓和RL平面轮廓进行迭代，更新股骨胫骨统计形状模型的参数，生成最终股骨胫骨统计形状模型和关键点位置；

S205，根据股骨胫骨统计形状模型获取形状点云，计算点云的法向量，使用泊松曲面重建的方法将点云生成表面模型，实现股骨、胫骨三维模型的可视化。

如图3所示，S201中所述预先训练生成股骨和胫骨的统计形状模型，并分别标注关键点位置，包括：

S301，收集不同患者的膝关节CT影像样本，生成膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集；

S302，对形状向量样本集中的形状向量进行对齐；

S303，处理对齐后的样本形状向量，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型；

S304，在股骨和胫骨的统计形状模型上选取关键点，并得到其坐标位置。

如图4所示，S301中所述收集不同患者的膝关节CT影像样本，生成膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集，包括：

S401，收集不同患者的膝关节CT影像样本；

S402，经分割后获取膝关节处股骨和胫骨的分割模型样本；

S403，分割模型样本去中心化去尺度后，得到归一化的形状向量；

S404，对归一化的形状向量同时施加同样的尺度比例系数，得到统一尺度的形状向量；

S405，对股骨模型样本在三维空间初始下部对齐，对于胫骨模型样本在三维空间初始上部对齐；

S406，提取骨骼分割模型的表面离散坐标点作为初始形状向量表示，得到膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集。

如图5所示，S302中所述对形状向量样本集中的形状向量进行对齐，包括：

S501，分别选取股骨、胫骨形状向量样本集中点数量最少的样本作为基准样本；

S502，判断股骨、胫骨形状向量样本集中除基准样本外的其他样本是否与基准样本对齐，若所有样本均对齐，则转到步骤S507；若存在未对齐样本，则转到步骤S503进行迭代；

S503，选取股骨、胫骨形状向量样本集中除基准样本以外的一个样本，使用最近点原则确定选取样本与基准样本中点的一一对应关系；

S504，使用正交普鲁克分析法计算点对之间的旋转变换矩阵，对样本形状向量施加同样的旋转变换后，计算点对间的普鲁克距离；

S505，判断普鲁克距离是否小于阈值，若小于，则将点对中属于样本的点作为样本的形状向量，继续转到S502中判断此时样本集中是否存在未对齐样本；若超出设定的阈值，则转到S503重新获取施加变换后的样本与基准样本的点对集合继续迭代，直到所述选取样本的阈值符合要求；

S506，对股骨、胫骨形状向量样本集中所有样本做同样处理，使其与基准样本对齐；

S507，得到最终对齐后的所有样本的形状向量，对齐后的样本形状向量具有相同数量的坐标点。

如图6所示，S303中所述处理对齐后的样本形状向量，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型，包括：

S601，对对齐后的样本形状向量使用均匀分布采样N个点；

S602，根据最新的样本形状向量计算平均形状向量X_avg，

S603，样本形状向量减去平均形状向量后得到样本的偏差形状向量；

S604，使用奇异值分解方法对样本的偏差形状向量分析得到对应的特征向量矩阵P和形变系数b，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型SSM=X_avg+Pb。

如图7所示，S204中所述利用AP平面轮廓和RL平面轮廓进行迭代，更新股骨胫骨统计形状模型的参数，生成最终股骨胫骨统计形状模型和关键点位置，包括：

S701，利用RL平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型；

S702，将更新的统计形状模型投影至AP平面，计算投影轮廓与AP骨骼轮廓的欧式距离；

S703，判断欧式距离是否小于阈值，若小于，则转到S707输出最终的股骨、胫骨统计形状模型；若大于，则转到S704继续迭代；

S704，利用AP平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型；

S705：将更新的统计形状模型投影至RL平面，计算投影轮廓与RL骨骼轮廓的欧式距离；

S706：判断欧式距离是否小于阈值，若小于，则转到S707输出最终的股骨、胫骨统计形状模型；若大于，则转到S701继续迭代，直到达到迭代要求退出条件；

S707，生成最终股骨胫骨统计形状模型。

如图8所示，S701中所述利用RL平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型，包括：

S801，分别将股骨、胫骨统计形状模型通过Z-Buffer算法投影到RL平面得到RL投影轮廓，建立RL投影轮廓与RL平面上X光骨骼边界轮廓的一对一的2D点对集合对应关系；

S802，根据投影轮廓上的点在三维空间的位置信息，将其第三维坐标赋予对应的X光骨骼边界轮廓点，将X光骨骼边界轮廓反映射到3D空间，得到统计形状模型3D表面点与3D空间的骨骼轮廓点一对一的3D点对集合对应关系；

S803，将得到的3D空间骨骼轮廓点作为目标，对3D点对集合进行正交普鲁克分析，得到初始统计形状模型到目标统计形状模型的旋转矩阵变换，并计算普鲁克距离；

S804，判断普鲁克距离是否小于阈值，若小于，则转到S807退出迭代；否则，转到S805继续迭代；

S805，对形状差异向量和平均统计形状模型X_avg分别施加旋转矩阵变换,对经过变换的平均统计形状模型X_avg再次投影到二维RL平面得到投影轮廓与X光骨骼边界轮廓一对一的2D点对集合对应关系，利用公式SSM=X_avg+Pb计算更新统计形状模型所需的形状差异系数b的信息；

S806，通过计算得到更新后的统计形状模型数据，转到S801继续迭代，直到阈值满足要求退出；

S807，输出利用RL平面轮廓进行迭代最终生成的统计形状模型。

进一步地，S704中所述利用AP平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型，投影平面变为AP平面。

图9是本发明实施例提供的基于X光影像的膝关节置换手术规划装置示意图。

如图9所示，本发明提供了一种基于X光影像的膝关节置换手术规划装置，该装置包括：

获取数据模块901，用于获取两张膝关节正交X光影像，包括正位片和侧位片；

三维重建模块902，用于使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置；

假体推荐模块903，用于根据膝关节处股骨和胫骨的三维模型以及关键点位置推荐假体型号和位姿；

输出模块904，用于利用关键点构建的空间关系，由医生确认检查结果，并根据需要进一步调整假体位姿，最终输出膝关节假体置换手术规划方案。

图9所示装置中的各个模块/单元具有实现图1中各个步骤的功能，并能达到其相应的技术效果，为简洁描述，在此不再赘述。

如图10所示，本发明还提供了一种基于X光影像的膝关节置换手术规划设备，所述设备包括：处理器1001、存储器1002以及存储在所述存储器1002中并可在所述处理器1001上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器1001用于执行存储器1002中存储的计算机程序指令，以实现上述所述基于X光影像的膝关节置换手术规划方法。

具体地，上述处理器1001可以包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)，或者可以被配置成实施本发明的一个或多个集成电路。

存储器1002可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，HDD)、软盘驱动器、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)驱动器或者两个或更多个以上这些器件的组合。

在一个实例中，存储器1002可以包括可移除或不可移除(或固定)的介质，或者存储器是非易失性固态存储器。存储器可在综合网关容灾设备的内部或外部。

在一个实例中，存储器1002可以是只读存储器(Read Only Memory，ROM)。在一个实例中，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(PROM)、可擦除PROM(EPROM)、电可擦除PROM(EEPROM)、电可改写ROM(EAROM) 或闪存或者两个或更多个以上这些的组合。

在一个实例中，存储器1002可以包括只读存储器(ROM)，随机存取存储器(RAM)，磁盘存储介质设备，光存储介质设备，闪存设备，电气、光学或其他物理/有形的存储器存储设备。因此，通常，存储器包括一个或多个编码有包括计算机可执行指令的软件的有形(非暂态)计算机可读存储介质(例如，存储器设备)，并且当该软件被执行(例如，由一个或多个处理器)时，其可操作来执行参考根据本公开的一方面的方法所描述的操作。

处理器1001通过读取并执行存储器1002中存储的计算机程序指令，以实现图1所示实施例中的方法/步骤，并能达到其相应的技术效果，为简洁描述在此不再赘述。

在一个实施例中，计算设备还可包括通信接口1003和总线1004。如图10所示，处理器1001、存储器1002、通信接口1003通过总线1004连接并完成相互间的通信。

通信接口1003，主要用于实现本发明中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。

总线1004包括硬件、软件或两者，将在线数据流量计费设备的部件彼此耦接在一起。举例来说而非限制，总线可包括加速图形端口(Accelerated Graphics Port，AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，EISA)总线、前端总线(Front Side Bus，FSB)、超传输(Hyper Transport，HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，ISA)总线、无限带宽互连、低引脚数(LPC)总线、存储器总线、微信道架构(MCA) 总线、外围组件互连(PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(SATA)总线、视频电子标准协会局部(VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线可包括一个或多个总线。尽管本发明描述和示出了特定的总线，但本公开考虑任何合适的总线或互连。

另外，结合上述实施例中所述基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，本发明还提供了一种计算机存储介质来实现。所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述所述基于X光影像的膝关节置换手术规划方法。

本发明实施例提供的计算机存储介质，可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是但不限于：电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它 们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路 (Application SpecificIntegrated Circuit，ASIC)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本公开的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。相关技术人员可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，上述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言，诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。另外程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。机器可读介质可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM(EROM)、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频(Radio Frequency，RF)链路，等等。

上面参考根据本公开的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机、专用计算机、或其它可编程数据处理装置的处理器，以产生一种机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的这些指令使能对流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的实现。这种处理器可以是但不限于是通用处理器、专用处理器、特殊应用处理器或者现场可编程逻辑电路。还可理解，框图和/或流程图中的每个方框以及框图和/或流程图中的方框的组合，也可以由执行指定的功能或动作的专用硬件来实现，或可由专用硬件和计算机指令的组合来实现。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，所属领域的技术人员可以清楚地 了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的系统、模块和单元的具体工作过 程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。应理解，本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本公开的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，包括以下步骤：

S101，获取两张膝关节正交X光影像，包括正位片即膝前后侧视图AP和侧位片即膝左右侧视图RL；

S102，使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置；

S103，根据膝关节处股骨和胫骨的三维模型以及关键点位置推荐假体型号和位姿；

S104，利用关键点构建的空间关系，由医生确认检查结果，并根据需要进一步调整假体位姿，最终输出膝关节假体置换手术规划方案。

2.根据权利要求1所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S102中所述使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置，包括：

S201，预先训练生成股骨和胫骨的统计形状模型，并分别标注关键点位置，其中，统计形状模型包括平均形状和形变参数；

S202，获取两张X光影像的轮廓，根据轮廓信息对齐X光影像，并得到股骨、胫骨3D模型的初始位置和尺度；

S203，加载预生成的股骨、胫骨统计形状模型，在其平均形状模型上施加股骨、胫骨初始3D模型的尺度和位置，作为初始股骨胫骨统计形状模型；

S204，利用AP平面轮廓和RL平面轮廓进行迭代，更新股骨胫骨统计形状模型的参数，生成最终股骨胫骨统计形状模型和关键点位置；

S205，根据股骨胫骨统计形状模型获取形状点云，计算点云的法向量，使用泊松曲面重建的方法将点云生成表面模型，实现股骨、胫骨三维模型的可视化。

3.根据权利要求2所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S201中所述预先训练生成股骨和胫骨的统计形状模型，并分别标注关键点位置，包括：

S301，收集不同患者的膝关节CT影像样本，生成膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集；

S302，对形状向量样本集中的形状向量进行对齐；

S303，处理对齐后的样本形状向量，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型；

S304，在股骨和胫骨的统计形状模型上选取关键点，并得到其坐标位置。

4.根据权利要求3所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S301中所述收集不同患者的膝关节CT影像样本，生成膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集，包括：

S401，收集不同患者的膝关节CT影像样本；

S402，经分割后获取膝关节处股骨和胫骨的分割模型样本；

S403，分割模型样本去中心化去尺度后，得到归一化的形状向量；

S404，对归一化的形状向量同时施加同样的尺度比例系数，得到统一尺度的形状向量；

S405，对股骨模型样本在三维空间初始下部对齐，对于胫骨模型样本在三维空间初始上部对齐；

S406，提取骨骼分割模型的表面离散坐标点作为初始形状向量表示，得到膝关节股骨和胫骨的形状向量样本集。

5.根据权利要求3所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S302中所述对形状向量样本集中的形状向量进行对齐，包括：

S501，分别选取股骨、胫骨形状向量样本集中点数量最少的样本作为基准样本；

S502，判断股骨、胫骨形状向量样本集中除基准样本外的其他样本是否与基准样本对齐，若所有样本均对齐，则转到步骤S507；若存在未对齐样本，则转到步骤S503进行迭代；

S503，选取股骨、胫骨形状向量样本集中除基准样本以外的一个样本，使用最近点迭代算法确定选取样本与基准样本中点的一一对应关系；

S504，使用正交普鲁克分析法计算点对之间的旋转变换矩阵，对样本形状向量施加同样的旋转变换后，计算点对间的普鲁克距离；

S505，判断普鲁克距离是否小于阈值，若小于，则将点对中属于样本的点作为样本的形状向量，继续转到S502中判断此时样本集中是否存在未对齐样本；若超出设定的阈值，则重新获取施加变换后的样本与基准样本的点对集合，转到S504继续迭代，直到所述选取样本的阈值符合要求；

S506，对股骨、胫骨形状向量样本集中所有样本做同样处理，使其与基准样本对齐；

S507，得到最终对齐后的所有样本的形状向量，对齐后的样本形状向量具有相同数量的坐标点。

6.根据权利要求3所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S303中所述处理对齐后的样本形状向量，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型，包括：

S601，对对齐后的样本形状向量使用均匀分布采样N个点；

S602，根据最新的样本形状向量计算平均形状向量X_avg，

S603，样本形状向量减去平均形状向量后得到样本的偏差形状向量；

S604，使用奇异值分解方法对样本的偏差形状向量分析得到对应的特征值P和特征向量b，得到参数化的膝关节股骨和胫骨的统计形状模型SSM=X_avg+Pb。

7.根据权利要求2所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S204中所述利用AP平面轮廓和RL平面轮廓进行迭代，更新股骨胫骨统计形状模型的参数，生成最终股骨胫骨统计形状模型和关键点位置，包括：

S701，利用RL平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型；

S702，将更新的统计形状模型投影至AP平面，计算投影轮廓与AP骨骼轮廓的欧式距离；

S703，判断欧式距离是否小于阈值，若小于，则转到S707输出最终的股骨、胫骨统计形状模型；若大于，则转到S704继续迭代；

S704，利用AP平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型；

S705：将更新的统计形状模型投影至RL平面，计算投影轮廓与RL骨骼轮廓的欧式距离；

S706：判断欧式距离是否小于阈值，若小于，则转到S707输出最终的股骨、胫骨统计形状模型；若大于，则转到S701继续迭代，直到达到迭代要求退出条件；

S707，生成最终股骨胫骨统计形状模型。

8.根据权利要求7所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S701中所述利用RL平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型，包括：

S801，分别将股骨、胫骨统计形状模型通过Z-Buffer算法投影到RL平面得到RL投影轮廓，建立RL投影轮廓与RL平面上X光骨骼边界轮廓的一对一的2D点对集合对应关系；

S802，根据投影轮廓上的点在三维空间的位置信息，将其第三维坐标赋予对应的X光骨骼边界轮廓点，将X光骨骼边界轮廓反映射到3D空间，得到统计形状模型3D表面点与3D空间的骨骼轮廓点一对一的3D点对集合对应关系；

S803，将得到的3D空间骨骼轮廓点作为目标，对3D点对集合进行正交普鲁克分析，得到初始统计形状模型到目标统计形状模型的旋转矩阵变换，并计算普鲁克距离；

S804，判断普鲁克距离是否小于阈值，若小于，则转到S807退出迭代；否则，转到S805继续迭代；

S805，对形状差异向量和平均统计形状模型X_avg分别施加旋转矩阵变换,对经过变换的平均统计形状模型X_avg再次投影到二维RL平面得到投影轮廓与X光骨骼边界轮廓一对一的2D点对集合对应关系，利用公式SSM=X_avg+Pb计算更新统计形状模型所需的形状差异尺度信息，即形状差异矩阵特征值b的信息；

S806，通过计算得到更新后的统计形状模型数据，转到S801继续迭代，直到阈值满足要求退出；

S807，输出利用RL平面轮廓进行迭代最终生成的统计形状模型。

9.根据权利要求7所述的一种基于X光影像的膝关节置换手术规划方法，其特征在于，S704中所述利用AP平面轮廓为基准对股骨、胫骨统计形状模型进行迭代，得到更新的统计形状模型，投影平面变为AP平面。

10.一种基于X光影像的膝关节置换手术规划装置，其特征在于，包括：

获取数据模块901，用于获取两张膝关节正交X光影像，包括正位片和侧位片；

三维重建模块902，用于使用统计形状模型的方法对输入的两张X光影像三维重建出膝关节股骨、胫骨的三维模型，并输出各自的关键点位置；

假体推荐模块903，用于根据膝关节处股骨和胫骨的三维模型以及关键点位置推荐假体型号和位姿；

输出模块904，用于利用关键点构建的空间关系，由医生确认检查结果，并根据需要进一步调整假体位姿，最终输出膝关节假体置换手术规划方案。

11.一种基于X光影像的膝关节置换手术规划设备，其特征在于，

所述设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序指令，其中，所述处理器用于执行存储器中存储的计算机程序指令，以实现权利要求1至9中任意一项基于X光影像的膝关节置换手术规划方法。

12.一种基于X光影像的膝关节置换手术规划存储介质，其特征在于，

所述计算机存储介质上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1至9中任意一项基于X光影像的膝关节置换手术规划方法。

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