面向序列化髖關(guān)節(jié)ct圖像的髖臼組織模型重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖臼組織模型重建方法，具有如下步驟：精細(xì)輪廓形成步驟：在選定的初始CT切片上的圓形股骨頭粗輪廓上任一點(diǎn)的切線垂線上選定垂線上梯度最大的點(diǎn)；遍歷股骨頭粗輪廓，得到每一個(gè)切線垂線上梯度最大點(diǎn)的輪廓點(diǎn)集；該輪廓點(diǎn)集中的點(diǎn)連接形成該CT切片股骨頭組織的精細(xì)輪廓；序列股骨頭輪廓提取步驟、序列髖臼圖像提取步驟和三維重建步驟。本發(fā)明基于患者個(gè)體髖關(guān)節(jié)骨骼形狀，得到個(gè)性化的相關(guān)位置參數(shù)，在CT圖像中進(jìn)行髖臼分割，獲得準(zhǔn)確的髖臼組織圖像和三維模型，為后續(xù)進(jìn)行人工股骨頭假體的個(gè)性化反求建模，不需要其他數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練所得到先驗(yàn)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)簡單。
【專利說明】面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖臼組織模型重建方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種髖白組織模型重建方法，尤其涉及一種面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖 像的髖臼組織模型重建方法。涉及專利分類號(hào)A61醫(yī)學(xué)或獸醫(yī)學(xué)；衛(wèi)生學(xué)A61B診斷；外科； 鑒定A61B6/00用于放射診斷的儀器，如與放射治療設(shè)相結(jié)合的A61B6/02依次在不同平面 中診斷的儀器；立體放射診斷的A61B6/03用電子計(jì)算機(jī)處理的層析X射線攝影機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在治療股骨頭壞死的半髖關(guān)節(jié)置換臨床手術(shù)中，不同患者的髖白骨骼形態(tài)差異很 大，如果使用標(biāo)準(zhǔn)件式的人工股骨頭假體，術(shù)后效果不理想，因此人工股骨頭假體的個(gè)性化 設(shè)計(jì)就顯得十分必要?，F(xiàn)多采用如下的技術(shù)方案解決這一個(gè)問題；
[0003] 技術(shù)1 :人工進(jìn)行分割，操作人員手動(dòng)進(jìn)行分割提取。
[0004] 技術(shù)2 :以大量髖關(guān)節(jié)圖像數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，訓(xùn)練得出髖臼的統(tǒng)計(jì)學(xué)形狀或者利 用廣義hough變換得到其平均形狀，然后對(duì)于具體患者的髖白形狀進(jìn)行匹配后調(diào)整[1] [2]。
[0005] 技術(shù)3 :以一副人工分割好的數(shù)據(jù)，作為先驗(yàn)形狀，然后對(duì)于具體患者的髖臼形狀 進(jìn)行匹配后調(diào)整[3]。
[0006] 技術(shù)4:首先得到髖關(guān)節(jié)的二值圖像，可得到股骨頭和髖關(guān)節(jié)粘連在一起的初始 輪廓，然后利用圖像的灰度和鄰域信息將粘連部分分開，最后再利用梯度信息進(jìn)一步矯正 [4]。
[0007] 然而上述技術(shù)都存有缺陷：比如每個(gè)患者的髖關(guān)節(jié)形狀差異很大，得到的先驗(yàn)形 狀很難和具體患者的匹配，因此由先驗(yàn)形狀得到的分割結(jié)果不準(zhǔn)確，無法解決髖白和股骨 頭個(gè)性化分割問題。再者，整個(gè)過程需要復(fù)雜的人工交互，對(duì)操作人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高，不 同操作人員得到的分割結(jié)果可能差別很大。最后，如果使用智能算法，需要積累大量的數(shù)據(jù) 集樣本，才能保證結(jié)果的相對(duì)正確，實(shí)現(xiàn)難度很大，一般的非醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院很難積累足夠 的樣本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明針對(duì)以上問題的提出，而研制的一種面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖臼組 織模型重建方法，在空間三維坐標(biāo)的髖白和股骨頭圖像和股骨頭粗輪廓的CT序列圖像中 去除CT掃描圖像的股骨頭影像，留下髖臼的影像，進(jìn)而進(jìn)行3D重構(gòu)得到髖臼的3D模型。 [0009] 包括如下步驟：
[0010] 精細(xì)輪廓形成步驟：選擇大轉(zhuǎn)子和股骨頭首次分離的CT切片作為初始CT切片，首 先在初始CT切片的圓形股骨頭粗輪廓上選定任一點(diǎn)，做該點(diǎn)的切線垂線，通過計(jì)算得到該 垂線上梯度最大的點(diǎn)。
[0011] 然后遍歷股骨頭的粗輪廓，得到每一個(gè)切線垂線上梯度最大點(diǎn)，形成一輪廓點(diǎn)集， 該輪廓點(diǎn)集中的點(diǎn)相連接，即形成初始切片股骨頭組織的精細(xì)輪廓。
[0012] 以初始切片的股骨頭精細(xì)輪廓為初始輪廓線，分別向CT切片序列圖像向CT切片 上層和下層進(jìn)行演化，不斷迭代得到每一層CT切片中股骨頭的精細(xì)輪廓，直到CT切片上不 存在精細(xì)輪廓內(nèi)股骨頭的圖像為止，完成迭代，即可得到每一張 CT切片圖像的股骨頭的精 細(xì)輪廓。
[0013] 然后，填充每一層CT切片的精細(xì)輪廓，利用諸如二值化的方法，即可在對(duì)應(yīng)的切 片上去除股骨頭的圖像，留下髖臼的圖像。
[0014] 最后利用去除股骨頭圖像的CT切片序列，進(jìn)行三維重建，即可得到髖臼組織的三 維模型。
[0015] 作為一個(gè)較佳的選擇梯度最大點(diǎn)的實(shí)施方式：首先，在股骨頭粗輪廓的圓上選擇 一點(diǎn)，以背離粗輪廓圓心的方向?yàn)檎?，做該點(diǎn)的切線垂線。然后，沿射線方向計(jì)算射線上 每個(gè)像素點(diǎn)的梯度值，選擇梯度值最大的點(diǎn)。
[0016] 更進(jìn)一步的，考慮到，由于髖臼和股骨頭在CT切片圖像上距離較近，在識(shí)別過程 中，算法有很大幾率將髖白上的邊緣點(diǎn)設(shè)為股骨頭的邊緣點(diǎn)，導(dǎo)致算法無法正確識(shí)別股骨 頭邊緣點(diǎn)而造成計(jì)算錯(cuò)誤。
[0017] 故作為一個(gè)較佳的實(shí)施方式，在計(jì)算梯度最大的點(diǎn)時(shí)，以點(diǎn)的梯度角度作為限制 條件：以粗輪廓圓心的X坐標(biāo)為分界將股骨頭分為左右兩側(cè)，股骨頭左側(cè)邊緣的射線上的 點(diǎn)的梯度角度應(yīng)為：〇?90°或270°?360°，否則放棄該點(diǎn)；股骨頭右側(cè)邊緣的梯度角 度應(yīng)為：90°?180°或180°?270°，否則放棄該點(diǎn)。
[0018] 更進(jìn)一步的，考慮到采用梯度的方法得到的梯度最大點(diǎn)的集合（輪廓點(diǎn)集）中會(huì) 同時(shí)存在真邊緣點(diǎn)和假邊緣點(diǎn)。產(chǎn)生假邊緣點(diǎn)的原因主要有兩個(gè)：
[0019] 一是股骨頭上的灰度值不均勻，很有可能其內(nèi)部的點(diǎn)或者距離邊緣很近的也滿足 這個(gè)條件（即梯度值較大，梯度角度也在相應(yīng)范圍內(nèi)）。
[0020] 二是噪聲點(diǎn)影響。CT圖像在產(chǎn)生過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生噪聲，除噪算法并不能完 全將噪聲除去。
[0021] 而若是梯度最大點(diǎn)（即邊緣點(diǎn)），其梯度幅值在其8領(lǐng)域內(nèi)也一定是最大值，如果 其梯度幅值在領(lǐng)域內(nèi)不是最大值，則一定是假邊緣點(diǎn)。
[0022] 故作為一個(gè)較佳的實(shí)施方式，在該點(diǎn)的8鄰域內(nèi)，沿該點(diǎn)的梯度方向，判斷該點(diǎn)的 梯度值是否為最大：若為最大值，即判定為邊緣點(diǎn)；否則不是邊緣點(diǎn)，舍棄。
[0023] 更進(jìn)一步的，采用上述步驟得到的邊緣點(diǎn)（梯度最大值點(diǎn)）的集合，即輪廓點(diǎn)集中 仍會(huì)存在誤差點(diǎn)，非最大值抑制仍不能完全保證100%去除噪聲點(diǎn)，故作為一個(gè)較佳的實(shí)施 方式，得到梯度最大值點(diǎn)之后還包括誤差點(diǎn)剔除步驟，利用萊以特準(zhǔn)則，即3 〇通用準(zhǔn)則剔 除粗大誤差點(diǎn)：
[0024] 首先對(duì)得到輪廓點(diǎn)集，利用hough變換圓檢測(cè)算法和投票原則得到精確輪廓圓心 (?%)和半徑A。然后遍歷所述輪廓點(diǎn)集，計(jì)算集合中每個(gè)邊緣點(diǎn)的擬合殘差：
[0025]

【權(quán)利要求】
1. 一種面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，在帶有髖白和股骨頭圖 像和股骨頭粗輪廓的CT序列圖像的基礎(chǔ)上，建立去除股骨頭的髖白3D模型，具有如下步 驟： 一精細(xì)輪廓形成步驟：在選定的初始CT切片上的圓形股骨頭粗輪廓上任一點(diǎn)的切線 垂線上選定垂線上梯度最大的點(diǎn)；遍歷股骨頭粗輪廓，得到每一個(gè)切線垂線上梯度最大點(diǎn) 的輪廓點(diǎn)集；該輪廓點(diǎn)集中的點(diǎn)連接形成該CT切片股骨頭組織的精細(xì)輪廓； 一序列股骨頭輪廓提取步驟：以所述的精細(xì)輪廓為初始輪廓線，分別向CT序列圖像向 所述CT切片的上層和下層進(jìn)行演化，迭代得到每一層CT切片中股骨頭的精細(xì)輪廓，直至 CT切片上精細(xì)輪廓內(nèi)的股骨頭圖像消失，完成迭代，得到每一張 CT切片的股骨頭的精細(xì)輪 廓； 一序列髖白圖像提取步驟：去除每一張 CT切片的精細(xì)輪廓、輪廓內(nèi)部圖像和殘余股骨 體，得到CT切片的髖臼圖像； 一三維重建步驟：利用得到的每一張 CT切片的髖白圖像，進(jìn)行三維重建，得到髖臼組 織的三維模型。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其特征 還在于精細(xì)輪廓形成步驟中梯度最大的點(diǎn)的選擇過程如下： 一在股骨頭粗輪廓的圓上選擇一點(diǎn)，以背離粗輪廓圓心的方向?yàn)檎?，做該點(diǎn)的切線 垂線； 一計(jì)算沿射線方向的每個(gè)像素點(diǎn)的梯度值，選擇該射線上梯度最大的點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其特征 還在于：在計(jì)算梯度最大的點(diǎn)時(shí)，以點(diǎn)的梯度角度作為限制條件： 以粗輪廓圓心的X坐標(biāo)為分界將股骨頭分為左右兩側(cè)，股骨頭左側(cè)邊緣的射線上的點(diǎn) 的梯度角度應(yīng)為：〇?90°或270°?360°，否則放棄該點(diǎn)；股骨頭右側(cè)邊緣的梯度角度 應(yīng)為：90°?180°或180°?270°，否則放棄該點(diǎn)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其 特征還在于在計(jì)算梯度最大點(diǎn)之前還包括圖像增強(qiáng)步驟I : 一在使用hessian矩陣圖像增強(qiáng)算法增強(qiáng)髖臼和股骨頭的間隙； 一使用原圖像減去使用hessian矩陣圖像增強(qiáng)算法增強(qiáng)后的圖像。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其 特征還在于在計(jì)算梯度最大點(diǎn)之前還包括圖像增強(qiáng)步驟II : 一利用形態(tài)學(xué)的閉操作提取圖像前景。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其 特征還在于在得到切線垂線上的梯度最大值點(diǎn)后，還包括非極大值抑制步驟： 一在該點(diǎn)的8鄰域內(nèi)，沿該點(diǎn)的梯度方向，判斷該點(diǎn)的梯度值是否為最大：若為最大 值，即判定為邊緣點(diǎn)；否則不是邊緣點(diǎn)，舍棄。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其特征 還在于經(jīng)所述非極大值步驟得到梯度最大值點(diǎn)之后還包括誤差點(diǎn)剔除步驟，利用萊以特準(zhǔn) 貝1J，即3 〇通用準(zhǔn)則剔除粗大誤差點(diǎn)： 一對(duì)得到輪廓點(diǎn)集，利用hough變換圓檢測(cè)算法和投票原則得到精確輪廓圓心（X(l，ytl) 和半徑; 一遍歷所述并計(jì)算所述輪廓點(diǎn)集每個(gè)點(diǎn)的擬合殘差：
一擬合殘差直方圖應(yīng)呈高斯分布，對(duì)誤差較大的采樣點(diǎn)進(jìn)行剔除處理，根據(jù)貝塞爾 (Bessel)公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)量s :
如果某點(diǎn)（Xi，yi)滿足
η為所述輪廓點(diǎn)集中點(diǎn)的個(gè)數(shù)，則認(rèn)為是粗大誤差采 樣點(diǎn)，屬于異常數(shù)據(jù)，剔除。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其特征 還在于序列股骨頭輪廓提取步驟中CT切片上含有股骨頭的切片范圍判定方法如下： 一對(duì)近似球形的股骨頭，利用hough變換圓檢測(cè)算法求出所述初始CT切片精細(xì)輪廓圓 心，并依次求出CT序列圖像中其余切片上的精細(xì)輪廓的圓心，使用投票原則確定股骨頭球 心的X，y坐標(biāo)； 一依據(jù)得到的每層CT切片的精細(xì)輪廓的半徑和每層CT切片的z坐標(biāo)Zi，估計(jì)股骨頭 球心的z坐標(biāo)，根據(jù)如下公式計(jì)算得出股骨頭球體球心的Z軸坐標(biāo)&和股骨頭球體半徑R ;
其中Zi和^為CT切片的Z坐標(biāo)和精細(xì)輪廓半徑，將帶有股骨頭精細(xì)輪廓的全部CT切 片的Z坐標(biāo)和精細(xì)輪廓半徑
帶入上式進(jìn)行參數(shù)空間轉(zhuǎn) 換，轉(zhuǎn)換為以4和R為參數(shù)后，利用投票原則即可得到股骨頭球心的Z軸坐標(biāo)&和股骨頭 球體半徑R ; 一根據(jù)股骨頭球心的Z軸坐標(biāo)Z0和股骨頭球體半徑R，判斷帶有股骨頭精細(xì)輪廓的CT 切片范圍：上切片數(shù)為（ZQ+R)/ZSpacing，下切片數(shù)為（ZQ-R)/Z SpaCing，ZSpCaing為切片層 間距。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其 特征還在于：每層CT切片得到的股骨頭精細(xì)輪廓后，對(duì)CT切片分別進(jìn)行形態(tài)學(xué)開操作和閉 操作。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向序列化髖關(guān)節(jié)CT圖像的髖白組織模型重建方法，其特 征還在于所述序列髖白圖像提取步驟中還包括剔除剩余股骨體步驟： 若為左側(cè)髖關(guān)節(jié)，則殘余股骨體上點(diǎn)的X坐標(biāo)應(yīng)大于Χο+R ;若為右側(cè)髖關(guān)節(jié)，則殘余股 骨體上點(diǎn)的X坐標(biāo)應(yīng)小于XcrR。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104091365SQ201410334885
【公開日】2014年10月8日 申請(qǐng)日期:2014年7月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月12日
【發(fā)明者】劉斌, 張輝 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)