本發(fā)明涉及計算機(jī)輔助醫(yī)學(xué)軟件領(lǐng)域，尤其涉及一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法。

背景技術(shù)：

骨盆測量技術(shù)是一種對人體骨盆尺寸和形態(tài)的定量測量方法。骨盆的定量參數(shù)對于婦女的生育難易測定、法醫(yī)性別測定、骨盆形態(tài)變化及其與年齡和種族的相關(guān)性分析、各種盆腔手術(shù)難度評估等具有重要的臨床意義。在開展盆腔手術(shù)如前列腺癌切除術(shù)和直腸癌切除術(shù)過程中，由于病灶部分的特殊性和復(fù)雜性，在手術(shù)開展前需要對手術(shù)方案進(jìn)行合理的規(guī)劃，并對手術(shù)風(fēng)險進(jìn)行有限的評估。而微創(chuàng)盆腔手術(shù)往往需要在狹窄的盆腔空間內(nèi)進(jìn)行，因此，對骨盆尺寸和形態(tài)等參數(shù)的定量測量，并結(jié)合大量的臨床數(shù)據(jù)如出血量，手術(shù)時間，手術(shù)效果，死亡率等，進(jìn)行統(tǒng)計和分析，可以在術(shù)前為手術(shù)難易進(jìn)行一個預(yù)測評定，提前給患者和醫(yī)生指導(dǎo)信息來做決策，可以大大降低手術(shù)的風(fēng)險并提高手術(shù)的質(zhì)量。因此，準(zhǔn)確方便地實(shí)現(xiàn)骨盆各種參數(shù)的測量具有重要的臨床意義。

目前，醫(yī)院里面采用的骨盆測量方法，通常是利用專用的骨盆測量儀來進(jìn)行手工的測量，分為骨盆外測量和內(nèi)測量兩個步驟完成，操作過程復(fù)雜，往往給被測對象帶來一定的疼痛，而且測量的信息有限，只能測量一些長度和角度信息來描述整個骨盆的尺寸和形態(tài)信息。隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)的發(fā)展，利用骨盆影像來進(jìn)行骨盆參數(shù)測量也是一種常見的方法，并逐漸出現(xiàn)了利用超聲圖像、CT圖像和MRI圖像進(jìn)行骨盆測量的方法。在這種方法中，放射醫(yī)生需要對解剖點(diǎn)具有豐富的經(jīng)驗，通過在計算機(jī)輔助軟件上對二維圖像進(jìn)行手動標(biāo)定和測量，在測量過程中往往需要在不同切片中進(jìn)行來回切換來找到準(zhǔn)確的測量點(diǎn)；或通過三維骨盆重建，在骨盆三維模型上進(jìn)行直接手工測量。這種方法相對于采用骨盆測量儀器方法，測量的參數(shù)可以更加豐富，測量的精度更高；同時，不會給病人帶來測量時的痛苦，尤其是對女性的骨盆參數(shù)內(nèi)測量。然而，這種方法也是需要依靠放射醫(yī)生的經(jīng)驗進(jìn)行手動的測量，當(dāng)要對病人的骨盆參數(shù)和手術(shù)難易程度進(jìn)行分析時，需要對大量樣本的病人圖像進(jìn)行測量，耗時耗力，同時容易人工誤差，而且測量參數(shù)有限，無法實(shí)現(xiàn)對骨盆橫截面積的自動測量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法，通過利用病人的CT圖像，可以完成對病人的20個骨盆參數(shù)包括骨盆入口平面面積的自動測量。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法，其包括以下步驟：

A、模板骨盆的特征點(diǎn)標(biāo)定：

A1、選取平均形變誤差最小的骨盆CT圖像作為模板骨盆CT圖像；

A2、基于模板骨盆CT圖像生成骨盆組織的三維模型；

A3、標(biāo)定N個標(biāo)記點(diǎn)用于計算骨盆尺寸和形狀參數(shù)；

A4、提取骨盆入口的輪廓用于計算骨盆入口平面面積；

B、目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像的配準(zhǔn)，獲取目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像之間的映射關(guān)系：

B1、以需測量骨盆參數(shù)的CT圖像作為目標(biāo)骨盆CT圖像；

B2、將目標(biāo)骨盆CT圖像通過線性仿射變換映射到與模板骨盆CT圖像相同的坐標(biāo)空間；

B3、利用訓(xùn)練好的統(tǒng)計變形模型，引導(dǎo)模板骨盆CT圖像與該目標(biāo)骨盆CT圖像之間的單層級非線性變換，獲取最佳的初始化形變矩陣；

B4、將該初始化形變矩陣作為輸入，開展三層級的基于自由形變模型的非線性配準(zhǔn)，得到準(zhǔn)確的目標(biāo)骨盆CT圖像到模板骨盆CT圖像之間的非線性映射關(guān)系；

C、目標(biāo)骨盆CT圖像骨盆參數(shù)的自動計算：

C1、利用目標(biāo)骨盆CT圖像到模板骨盆CT圖像之間的非線性映射關(guān)系，將標(biāo)定好模板骨盆CT圖像的N個標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口輪廓點(diǎn)映射到目標(biāo)骨盆CT圖像空間；

C2、獲取目標(biāo)骨盆CT圖像近似的N個標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口輪廓點(diǎn)；

C3、根據(jù)目標(biāo)骨盆CT圖像近似的N個標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口輪廓點(diǎn)的幾何關(guān)系和骨盆參數(shù)的定義計算骨盆參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟A2中采用自適應(yīng)閾值法對骨盆進(jìn)行分割和三維重建得到骨盆組織的三維模型。

進(jìn)一步地，所述步驟A3中N的取值為15，由專業(yè)醫(yī)師手工在模板骨盆CT圖像上標(biāo)定15個標(biāo)記點(diǎn)作為計算骨盆參數(shù)的特征點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述步驟A4中提取模板骨盆入口的輪廓的具體步驟：

A4-1、在模板骨盆CT圖像上截取生成骨盆入口的橫截面圖；

A4-2、對該橫截面對應(yīng)的CT斷層圖片進(jìn)行骨盆入口分割；

A4-3、利用MARCHING SQUARE 算法提取骨盆入口的輪廓。

進(jìn)一步地，所述步驟B3中統(tǒng)計變形模型為基于B-樣條的自由形變模型，且自由形變模型的B樣條控制點(diǎn)的優(yōu)化被限制到自由形變模型空間中。

進(jìn)一步地，所述骨盆參數(shù)包括骨盆入口前后直徑、骨盆入口橫徑、骨盆入口斜徑、骨盆出口橫徑、骨盆出口前后直徑、骶恥內(nèi)徑、中骨盆棘突間直徑、恥骨聯(lián)合高度、骶骨岬到尾骨的距離、骨盆深度、骶骨岬到S3/S4 椎間盤的距離、S3/S4 椎間盤到尾骨尖的距離、恥骨弓角度、骨盆入口平面法線和骨盆深度線夾角、骨盆入射角、骨盆入口平面與骶骨岬和尾骨連線的夾角、骨盆出口平面與骶骨岬和尾骨連線的夾角、骶骨岬到S3椎間盤連線與尾骨到S3椎間盤連線的夾角、骨盆入口前后直徑與骨盆深度的比例、骨盆入口平面面積。

進(jìn)一步地，所述骨盆入口平面面積的具體計算步驟為：

C3-1、采用主成分分析法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)骨盆CT圖像的骨盆入口輪廓點(diǎn)的二維投影，構(gòu)建其在同一平面的骨盆入口的近似輪廓點(diǎn)；

C3-2、基于投影的近似輪廓點(diǎn)采用圓的面積三角形近似求法得到目標(biāo)骨盆CT圖像的骨盆入口的平面面積。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，通過對模板骨盆的模板骨盆CT圖像進(jìn)行自動三維重建，并由專業(yè)的醫(yī)師在骨盆三維模型上準(zhǔn)確地標(biāo)定出15個具有明顯解剖學(xué)特征的標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口平面輪廓，通過這些骨盆標(biāo)記點(diǎn)和入口平面輪廓，可以計算出20個骨盆參數(shù)信息。標(biāo)定完后，將上述的模板骨盆CT圖像和其對應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口平面輪廓作為模板圖集。當(dāng)一幅新的病人CT圖像要進(jìn)行骨盆參數(shù)測量時，我們先通過將該病人的CT圖像作為目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像進(jìn)行線性和非線性的多層級圖像配準(zhǔn)，通過使用模板骨盆CT圖像訓(xùn)練好的統(tǒng)計變形模型，來提高病人的目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像的配準(zhǔn)效果。然后，利用配準(zhǔn)得到的變換矩陣，將模板骨盆CT圖像的15個標(biāo)記點(diǎn)和入口平面輪廓點(diǎn)映射到目標(biāo)骨盆CT圖像中去，可以得到目標(biāo)病人目標(biāo)骨盆CT圖像中的近似標(biāo)記點(diǎn)和近似入口平面輪廓，然后再通過使用主成分分析的方法對近似入口平面輪廓點(diǎn)進(jìn)行去燥，使得映射得到的近似入口平面輪廓點(diǎn)都處在一個平面上，這樣可以通過圓形的近似面積求法得到骨盆入口平面面積；同時，根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系，也可以自動、快速地算出骨盆的其它參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對新的病人骨盆參數(shù)的自動測量。

本發(fā)明通過利用CT圖像并結(jié)合模板骨盆CT圖像和目標(biāo)圖像的精準(zhǔn)配準(zhǔn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地骨盆參數(shù)測量，無需人工干預(yù)；同時，本方法允許批量化的骨盆參數(shù)自動測量，為大量樣本定量分析提供了一套更加智能、便利的骨盆參數(shù)測量方法。

附圖說明

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明；

圖1為本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的流程示意圖；

圖2為本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的模板骨盆CT圖像骨盆的標(biāo)記點(diǎn)示意圖之一；

圖3本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的模板骨盆CT圖像的標(biāo)記點(diǎn)示意圖之二；

圖4本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的模板骨盆CT圖像的骨盆的入口平面示意圖之一；

圖5本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的模板骨盆CT圖像的骨盆的入口平面示意圖之二；

圖6本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的模板骨盆CT圖像的骨盆入口橫截面的抽取示意圖；

圖7本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的模板骨盆CT圖像與目標(biāo)骨盆CT圖像的非線性配準(zhǔn)結(jié)果；

圖8本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的目標(biāo)骨盆CT圖像的骨盆入口輪廓點(diǎn)示意圖；

圖9本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的目標(biāo)骨盆CT圖像的骨盆入口輪廓點(diǎn)的二維投影的效果示意圖；

圖10本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的各個骨盆參數(shù)的幾何關(guān)系示意圖之一；

圖11本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的各個骨盆參數(shù)的幾何關(guān)系示意圖之二；

圖12本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的各個骨盆參數(shù)的幾何關(guān)系示意圖之三；

圖13本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的各個骨盆參數(shù)的幾何關(guān)系示意圖之四；

圖14本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的各個骨盆參數(shù)的幾何關(guān)系示意圖之五；

圖15本發(fā)明一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法的各個骨盆參數(shù)的幾何關(guān)系示意圖之六。

具體實(shí)施方式

如圖1-4之一所示，本發(fā)明公開一種三維可視化的人體骨盆參數(shù)自動測量方法，其包括以下步驟：

A、模板骨盆的特征點(diǎn)標(biāo)定：

A1、選取平均形變誤差最小的骨盆CT圖像作為模板骨盆CT圖像；

A2、基于模板骨盆CT圖像生成骨盆組織的三維模型；

A3、標(biāo)定N個標(biāo)記點(diǎn)用于計算骨盆尺寸和形狀參數(shù)；各個標(biāo)記點(diǎn)在的三維模型的位置如圖2-5之一所示；

A4、如圖6所示，提取骨盆入口的輪廓用于計算骨盆入口平面面積；

B、目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像的配準(zhǔn)，獲取目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像之間的映射關(guān)系：

B1、以需測量骨盆參數(shù)的CT圖像作為目標(biāo)骨盆CT圖像；

B2、將目標(biāo)骨盆CT圖像通過線性仿射變換映射到與模板骨盆CT圖像相同的坐標(biāo)空間；

B3、利用訓(xùn)練好的統(tǒng)計變形模型，引導(dǎo)模板骨盆CT圖像與該目標(biāo)骨盆CT圖像之間的單層級非線性變換，獲取最佳的初始化形變矩陣；

B4、將該初始化形變矩陣作為輸入，開展三層級的基于自由形變模型的非線性配準(zhǔn)，得到準(zhǔn)確的目標(biāo)骨盆CT圖像到模板骨盆CT圖像之間的非線性映射關(guān)系，非線性配準(zhǔn)的結(jié)果如圖7所示；

C、目標(biāo)骨盆CT圖像骨盆參數(shù)的自動計算：

C1、利用目標(biāo)骨盆CT圖像到模板骨盆CT圖像之間的非線性映射關(guān)系，將標(biāo)定好模板骨盆CT圖像的N個標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口輪廓點(diǎn)映射到目標(biāo)骨盆CT圖像空間，

C2、獲取目標(biāo)骨盆CT圖像近似的N個標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口輪廓點(diǎn)；

C3、根據(jù)目標(biāo)骨盆CT圖像近似的N個標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口輪廓點(diǎn)的幾何關(guān)系和骨盆參數(shù)的定義計算骨盆參數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟A2中采用自適應(yīng)閾值法對骨盆進(jìn)行分割和三維重建得到骨盆組織的三維模型。

進(jìn)一步地，所述步驟A3中N的取值為15，由專業(yè)醫(yī)師手工在模板骨盆CT圖像上標(biāo)定15個標(biāo)記點(diǎn)作為計算骨盆參數(shù)的特征點(diǎn)。

進(jìn)一步地，所述步驟A4中提取模板骨盆入口的輪廓的具體步驟：

A4-1、在模板骨盆CT圖像上截取生成骨盆入口的橫截面圖，如圖6所示；

A4-2、對該橫截面對應(yīng)的CT斷層圖片進(jìn)行骨盆入口分割；

A4-3、利用MARCHING SQUARE 算法提取骨盆入口的輪廓。

進(jìn)一步地，所述步驟B3中統(tǒng)計變形模型為基于B-樣條的自由形變模型，且自由形變模型的B樣條控制點(diǎn)的優(yōu)化被限制到自由形變模型空間中。

進(jìn)一步地，如圖10-15之一所示，所述骨盆參數(shù)在三維模型中的幾何關(guān)系，其包括骨盆入口前后直徑(a)、骨盆入口橫徑(b)、骨盆入口斜徑(c)、骨盆出口橫徑(d)、骨盆出口前后直徑(e)、骶恥內(nèi)徑(f)、中骨盆棘突間直徑(g)、恥骨聯(lián)合高度(h)、骶骨岬到尾骨的距離(i)、骨盆深度(j)、骶骨岬到S3/S4 椎間盤的距離(k)、S3/S4 椎間盤到尾骨尖的距離(l)、恥骨弓角度(α)、骨盆入口平面法線和骨盆深度線夾角(β)、骨盆入射角(γ)、骨盆入口平面與骶骨岬和尾骨連線的夾角(δ)、骨盆出口平面與骶骨岬和尾骨連線的夾角(θ)、骶骨岬到S3椎間盤連線與尾骨到S3椎間盤連線的夾角(ν)、骨盆入口前后直徑與骨盆深度的比例(λ)、骨盆入口平面面積(Ψ)。

然而，由于利用非線性變換，映射后的骨盆入口輪廓點(diǎn)不在同一個平面上，無法直接進(jìn)行面積的自動計算。因此，針對所述骨盆入口平面面積的具體計算步驟為：

C3-1、如圖8或圖9所示，采用主成分分析法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)骨盆CT圖像的骨盆入口輪廓點(diǎn)的二維投影，構(gòu)建其在同一平面的骨盆入口的近似輪廓點(diǎn)；

C3-2、基于投影的近似輪廓點(diǎn)采用圓的面積三角形近似求法得到目標(biāo)骨盆CT圖像的骨盆入口的平面面積。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案，通過對模板骨盆的模板骨盆CT圖像進(jìn)行自動三維重建，并由專業(yè)的醫(yī)師在骨盆三維模型上準(zhǔn)確地標(biāo)定出15個具有明顯解剖學(xué)特征的標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口平面輪廓，通過這些骨盆標(biāo)記點(diǎn)和入口平面輪廓，可以計算出20個骨盆參數(shù)信息。標(biāo)定完后，將上述的模板骨盆CT圖像和其對應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)和骨盆入口平面輪廓作為模板圖集。當(dāng)一幅新的病人CT圖像要進(jìn)行骨盆參數(shù)測量時，我們先通過將該病人的CT圖像作為目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像進(jìn)行線性和非線性的多層級圖像配準(zhǔn)，通過使用模板骨盆CT圖像訓(xùn)練好的統(tǒng)計變形模型，來提高病人的目標(biāo)骨盆CT圖像與模板骨盆CT圖像的配準(zhǔn)效果。然后，利用配準(zhǔn)得到的變換矩陣，將模板骨盆CT圖像的15個標(biāo)記點(diǎn)和入口平面輪廓點(diǎn)映射到目標(biāo)骨盆CT圖像中去，可以得到目標(biāo)病人目標(biāo)骨盆CT圖像中的近似標(biāo)記點(diǎn)和近似入口平面輪廓，然后再通過使用主成分分析的方法對近似入口平面輪廓點(diǎn)進(jìn)行去燥，使得映射得到的近似入口平面輪廓點(diǎn)都處在一個平面上，這樣可以通過圓形的近似面積求法得到骨盆入口平面面積(Ψ)；同時，根據(jù)幾何學(xué)關(guān)系，也可以自動、快速地算出骨盆的其它參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對新的病人骨盆參數(shù)的自動測量。

本發(fā)明通過利用CT圖像并結(jié)合模板骨盆CT圖像和目標(biāo)圖像的精準(zhǔn)配準(zhǔn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地骨盆參數(shù)測量，無需人工干預(yù)；同時，本方法允許批量化的骨盆參數(shù)自動測量，為大量樣本定量分析提供了一套更加智能、便利的骨盆參數(shù)測量方法。