使用標(biāo)記物或支柱的投影確定物體位置的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光線照相術(shù)一般領(lǐng)域，更具體地，涉及基于二維（2-D)X光相片生成物 體的空間三維（3-D)模型。
【背景技術(shù)】
[0002] 物體的三維空間建模具有很多有用的應(yīng)用。物體的三維模型允許更容易地顯現(xiàn)和 分析物體的相對(duì)于彼此的方向。建模的這個(gè)方面特別適用于骨科，或更具體地，用于分析骨 骼缺損。計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT)是已經(jīng)在骨科領(lǐng)域使用的一種常規(guī)技術(shù)，其用來(lái)生成人體組 織的三維表示。另一種常規(guī)技術(shù)涉及借助二維的X光相片來(lái)顯現(xiàn)和分析骨骼缺損。首先， 在正交視圖中獲得缺損的骨骼段的放射攝影影像。隨后，缺損可以通過創(chuàng)建成像骨骼段的 二維線性表示和投影，如在缺損的平面的線性表示，來(lái)進(jìn)行分析?；蛘撸睋p的骨骼段輪廓 的二維的X光相片可手動(dòng)的確定并外推到建立缺損骨骼段的三維模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明提供了一種創(chuàng)建本體部分的三維模型的方法，所述本體部分被耦合到物體 上，所述物體包括沿著該物體以預(yù)定的距離布置的多個(gè)標(biāo)記物。在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法 包括：1)接收被放置在X射線源和X射線成像儀之間的本體部分和物體的第一 X光相片， 所述第一 X光相片包含本體部分，物體以及所述多個(gè)標(biāo)記物的圖像；2)接收被放置在X射 線源和X射線成像儀之間的本體部分和物體的第二X光相片，其中所述第二X光相片包含 本體部分，物體以及所述多個(gè)標(biāo)記物的圖像；3)確定在第一 X光相片上的多個(gè)標(biāo)記物的投 影之間的第一組距離；4)使用多個(gè)標(biāo)記物和多個(gè)標(biāo)記物在第一X光相片上的第一組投影之 間的預(yù)定的距離確定X射線源的第一三維位置以及物體相對(duì)于X射線成像儀的第一三維位 置；4)確定在第二X光相片上的多個(gè)標(biāo)記物的投影之間的第二組距離；5)使用多個(gè)標(biāo)記物 和多個(gè)標(biāo)記物在第二X光相片上的第二組投影之間的預(yù)定的距離確定X射線源的第二三維 位置以及物體相對(duì)于X射線成像儀的第二三維位置；以及6)使用多個(gè)標(biāo)記物在第一方向和 第二方向上相對(duì)于X射線成像儀的三維位置，在三維參考坐標(biāo)系中校準(zhǔn)物體的第一三維投 影和第二三維投影；以及7)基于物體的第一和第二三維投影在三維參考坐標(biāo)系中創(chuàng)建成 像物體的三維模型。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)標(biāo)記物包括多個(gè)接頭，所述多個(gè)支柱在所述 多個(gè)接頭處連接至至少一個(gè)環(huán)形物。。在一個(gè)實(shí)施例中，該物體是一種矯形固定器。在一個(gè) 實(shí)施例中，所述多個(gè)標(biāo)記物包括五個(gè)標(biāo)記物和通過數(shù)學(xué)關(guān)系式確定的X射線源和物體的三 維位置。在其他實(shí)施例中，所述多個(gè)標(biāo)記物包括四個(gè)標(biāo)記物和通過數(shù)學(xué)關(guān)系式確定的X射 線源和物體的三維位置。另一個(gè)實(shí)施例中提供了一種創(chuàng)建物體三維模型的方法，所述物體 耦合至包括多個(gè)具有預(yù)定長(zhǎng)度的支柱的物體上，所述每個(gè)支柱連接到至少兩個(gè)具有預(yù)定尺 寸的固定元件上，所述方法包括：1)接收放置在X射線源和X射線成像儀之間的物體的第 一 X光相片，所述第一 X光相片包含的圖像有：物體和多個(gè)具有預(yù)定長(zhǎng)度的支柱，每個(gè)支柱 與至少兩個(gè)固定件在兩個(gè)連接點(diǎn)相連接，所述兩個(gè)連接點(diǎn)之間的距離是預(yù)定的；2)接收放 置在X射線源和X射線成像儀之間的物體的第二X光相片，其中所述第二X光相片包含的圖 像有：物體和多個(gè)具有預(yù)定長(zhǎng)度的支柱，每個(gè)支柱與至少兩個(gè)固定件在兩個(gè)連接點(diǎn)相連接， 所述兩個(gè)連接點(diǎn)之間的距離是預(yù)定的；3)確定第一X光相片中多個(gè)支柱的縱軸的第一組投 影；4)使用多個(gè)支柱的連接點(diǎn)以及第一X光相片上的多個(gè)支柱的縱軸的第一組投影之間的 預(yù)定距離確定X射線源的第一三維位置以及物體相對(duì)于X射線成像儀的第一三維位置；5) 確定第二X光相片上的多個(gè)支柱的縱軸的第二組投影；6)使用多個(gè)支柱的連接點(diǎn)以及第二 X光相片上的多個(gè)支柱的縱軸的第二組投影之間的預(yù)定距離確定X射線源的第二三維位置 以及物體相對(duì)于X射線成像儀的第二三維位置；7)使用多個(gè)支柱在第一方向和第二方向上 相對(duì)于X射線成像儀的三維位置，在三維參考坐標(biāo)系中校準(zhǔn)物體的第一三維投影和第二三 維投影；以及8)基于物體的第一三維投影和第二三維投影，在三維參考坐標(biāo)系中創(chuàng)建成像 物體的三維模型。在一個(gè)實(shí)施例中，所述物體是一種矯形固定器。在一個(gè)實(shí)施例中，所述多 個(gè)支柱包括五個(gè)支柱和通過數(shù)學(xué)關(guān)系式確定的X射線源和物體的三維位置。在其他實(shí)施例 中，所述多個(gè)支柱包括四個(gè)支柱和通過數(shù)學(xué)關(guān)系式確定的X射線源和物體的三維位置。
[0004] 在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括：在第一 X光相片中識(shí)別成像本體部分的第一本 體部分的輪廓，在第二X光相片中識(shí)別成像本體部分的第二本體部分的輪廓，制備從所述 第一本體部分輪廓到X射線源的第一三維位置的第一三維本體部分投影，制備從所述第二 本體部分輪廓到X射線源的第二三維位置的第二三維本體部分投影，并基于第一本體部分 投影和第二本體部分投影，在三維參考坐標(biāo)系中創(chuàng)建成像物體的三維模型。在另一實(shí)施例 中，該方法還包括在三維參考坐標(biāo)系中識(shí)別傾斜軸，其中所述傾斜軸在與X射線源在第一 方向上的第一位置相對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)系中的第一三維位置和與X射線源在第二方向上的 第二位置相對(duì)應(yīng)的三維坐標(biāo)系中的第二三維位置之間穿過；識(shí)別經(jīng)過所述傾斜軸和成像本 體部分在三維參考坐標(biāo)系中的第一三維投影和第二三維投影的一個(gè)或多個(gè)相交平面；對(duì)于 每個(gè)相交平面，執(zhí)行下面步驟a)到c) : a)識(shí)別第一三維本體部分投影和第二三維本體部分 投影之間的一個(gè)或多個(gè)交點(diǎn)以及在三維參考坐標(biāo)系中的所述相交平面；b)在所述相交平 面中制備連接交點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)多邊形；c)在所述一個(gè)或多個(gè)多邊形中的每一個(gè)多邊形 內(nèi)，制備一個(gè)或多個(gè)閉合曲線，其中所述一個(gè)或多個(gè)閉合曲線對(duì)應(yīng)于所述成像本體部分在 所述相交平面中的橫截面視圖；以及在三維參考坐標(biāo)系中制備曲面，其連接每個(gè)閉合曲線 以形成所述成像本體部分的三維模型。
【附圖說明】
[0005] 為了更完整地理解本公開及其優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在參照以下的描述并結(jié)合附圖，其中相同 的參考號(hào)指示相同的特征：
[0006] 圖IA為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的矯形固定器的立體結(jié)構(gòu)圖；
[0007] 圖IB為本發(fā)明的另一實(shí)施例的矯形固定器的立體結(jié)構(gòu)圖；
[0008] 圖2A表示根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)以及在第一方向和第二方向上的物體的立體結(jié) 構(gòu)圖；
[0009] 圖2B表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)成像系統(tǒng)以及在第一方向和第二方向上的物體的 立體結(jié)構(gòu)圖；
[0010] 圖3表示根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)以及在一個(gè)方向上帶標(biāo)記物的物體的立體結(jié)構(gòu) 圖；
[0011] 圖4表示根據(jù)本發(fā)明的X射線源以及X射線成像儀上標(biāo)記物的投影的坐標(biāo)示意 圖；
[0012] 圖5表示根據(jù)本發(fā)明的成像系統(tǒng)以及在一個(gè)方向上帶支柱的物體的立體結(jié)構(gòu)圖；
[0013] 圖6表示根據(jù)本發(fā)明的X射線源以及在X射線成像儀上支柱連接點(diǎn)的投影的坐標(biāo) 示意圖；
[0014] 圖7表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例算法的流程圖；
[0015] 圖8表示根據(jù)本發(fā)明的成像物體在三維坐標(biāo)中的示意圖；
[0016] 圖9表示本發(fā)明的一個(gè)示例的物體三維模型的示意圖；
[0017] 圖10表示本發(fā)明的創(chuàng)建物體三維模型的示例性系統(tǒng)的系統(tǒng)方框圖；
[0018] 圖11表示本發(fā)明用于確定物體三維模型和相應(yīng)地調(diào)節(jié)外部固定器的示例的設(shè)置 示意圖；
[0019] 圖12A表不根據(jù)本發(fā)明的物體的第一和第二X光相片的不意圖；
[0020] 圖12B表示根據(jù)本發(fā)明的光源以及圖12A中所示的相應(yīng)的X光相片的方向的示意 圖；
[0021] 圖12C表示根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)相交平面，其各通過傾斜軸以及圖12A中所示的第 一和第二X光相片的不意圖；
[0022] 圖12D表示根據(jù)本發(fā)明的在圖12A所示的第一和第二X光相片中的三維物體投影 之間的多個(gè)相交點(diǎn)的示意圖；
[0023] 圖12E表示根據(jù)本發(fā)明的連接在圖12D中所示的相交平面中的相交點(diǎn)的多個(gè)多邊 形的示意圖；
[0024] 圖12F表示根據(jù)本發(fā)明的在圖12E所示的每一個(gè)或多個(gè)多邊形內(nèi)的多個(gè)一個(gè)或多 個(gè)閉合曲線的示意圖；
[0025] 圖12G表示根據(jù)本發(fā)明的用于連接圖12F所示的每個(gè)閉合曲線的曲面的示意圖；
[0026] 圖13A表示根據(jù)本發(fā)明的被結(jié)合到物體的多個(gè)物體標(biāo)記物的示意圖；
[0027] 圖13B表示根據(jù)本發(fā)明的從第一和第二X光相片的多個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)到不同
[0028] 光源位置投影示意圖；
[0029] 圖13C表示根據(jù)本發(fā)明的標(biāo)記物的投影的三維模型示意圖；
[0030] 圖13D表示根據(jù)本發(fā)明的圖13C所示的標(biāo)記物投影的三維模型的另一示意圖，以 及
[0031] 圖13E表示根據(jù)本發(fā)明的三維空間中標(biāo)記物的另一個(gè)模型示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0032] 生成三維模型的常規(guī)技術(shù)具有許多缺點(diǎn)。CT掃描產(chǎn)生一組橫截面圖像，它們能夠 組合起來(lái)以生成人體組織三維表示。然而，由于若干限制，在骨科應(yīng)用中使用的CT掃描可 能是不實(shí)用的。在CT掃描期間，患者受到相當(dāng)大的輻射，重復(fù)使用的CT掃描使病人暴露到 過量的放射線中，存在著健康危險(xiǎn)。此外，CT掃描相對(duì)較貴，并且不適用于成像金屬，其能 夠?qū)е虏缓闲枨蟮氖д?。此外，CT掃描過程中需要患者保持靜止，如果患者是個(gè)年幼的兒 童還需要麻醉，使用麻醉，不僅會(huì)增加治療的成本，而且可能出現(xiàn)其他的健康危險(xiǎn)。
[0033] 另一傳統(tǒng)技術(shù)涉及在二維的X光相片中手動(dòng)測(cè)定變形的骨骼段的輪廓并且外推 二維輪廓來(lái)創(chuàng)建變形的骨骼段的三維模型。然而，由于各種因素，會(huì)對(duì)使用這種技術(shù)建立的 模型的精度產(chǎn)生不利影響。首先，變形的骨骼段的投影線性表示，不能說明三維空間中骨骼 段的圍長(zhǎng)，可導(dǎo)致醫(yī)生開的治療處方不足以校正骨骼變形。此外，所創(chuàng)建的模型的傳統(tǒng)技術(shù) 是基于這樣的假設(shè)：X光相片在正交的位置采集，當(dāng)不是這種情況時(shí)模型的精度受到不利 的影響。雖然技術(shù)人員可以進(jìn)行訓(xùn)練來(lái)判斷拍攝X光相片的正交位置，最小化人為錯(cuò)誤還 是不可避免的，從而致使通過傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)生的模型不準(zhǔn)確。此外，由于從X射線源行駛到成 像器的X射線的放大效果，在X光相片中的物體看起來(lái)比實(shí)際尺寸要大。為了表現(xiàn)其放大 效果，不得不將已知尺寸參考標(biāo)記物精確地放置在最接近物體的相關(guān)區(qū)域，已知尺寸的參 考標(biāo)記物被用來(lái)確定和計(jì)算放大的影響。此外，不可避免的人為不精確放置的參考標(biāo)記物 可能會(huì)導(dǎo)致不精確。
[0034] 由于上述傳統(tǒng)技術(shù)中的誤差，投影得到線性和角度參數(shù)不是真正的參數(shù)。投影與 物體真實(shí)尺寸或形狀不符合；他們是相對(duì)于真實(shí)物體形狀的變形。這樣的技術(shù)不足以精確 地確定在三維空間中被選擇對(duì)象的點(diǎn)的坐標(biāo)，并且在骨科應(yīng)用中，這種方法不能充分準(zhǔn)確 地計(jì)算所需的分離，壓縮，移位或組織片段的其它運(yùn)動(dòng)。
[0035] 本發(fā)明提供一種使用X光相片生成三維模型的技術(shù)。從本發(fā)明中，本領(lǐng)域普通技 術(shù)人員會(huì)理解本發(fā)明的原理，其消除了使用精確放置的標(biāo)記物來(lái)解釋X射線放大效果的需 求。本發(fā)明的技術(shù)也不需要在正交位置拍攝X光相片，而且可適用于采用多方面的相對(duì)方 向的X光相片。此外，本發(fā)明的技術(shù)在拍攝X光相片時(shí)不需要使用放置在成像儀上的標(biāo)記 物。而且本發(fā)明的技術(shù)也消除了基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)記物的使用需要。
[0036] 本發(fā)明的實(shí)施例使得基于二維的X光相片精確的生成物體三維模型。這些實(shí)施例 可以通過使用已知幾何結(jié)構(gòu)的物體確定本體部分的位置比如骨骼。物體的實(shí)施例可以是一 個(gè)外部固定器，包括固定元件、支柱、和/或標(biāo)記物。圖IA是一個(gè)外部固定器100 (圓形固 定器）的實(shí)施例，其包括兩個(gè)固定元件101，三個(gè)支柱102以及六個(gè)標(biāo)記物103,其中六個(gè)標(biāo) 記物103在兩個(gè)固定元件101與三個(gè)支柱102的連接點(diǎn)的地方。另一個(gè)實(shí)施例中可能具有 放置在外部固定器100的不同部分標(biāo)記物。外部固定器100還可以使用其他標(biāo)記物104,其 附加在固定元件101上。外部固定器100環(huán)繞本體部分105,被用來(lái)固定本體部分105以 使得骨折治愈。固定元件101在該實(shí)施例中是環(huán)形，但在其他實(shí)施例中可以具有固定元件 101，其形狀類似六角形、矩形、五角形或其他適合的形狀。此外，這個(gè)實(shí)施例中使用了三個(gè) 支柱102,其他實(shí)施例中可以采用任何適合數(shù)量的支柱，比如4個(gè)，5個(gè)或6個(gè)支柱。
[0037] 圖IB是外部固定器110的又一實(shí)施例，其包括兩個(gè)固定元件101，六個(gè)支柱102以 及12個(gè)標(biāo)記物113,其中12個(gè)標(biāo)記物被放置在兩個(gè)固定元件101與六個(gè)支柱102連接位 置。再一次，其他的實(shí)施例可以具有其他的標(biāo)記物104,其放置在固定元件101的不同部分。 應(yīng)當(dāng)理解的是附圖IA到IB示出的實(shí)施例只是示例性的，其可以根據(jù)本文公開或本領(lǐng)域已 知技術(shù)根據(jù)不同的設(shè)計(jì)因素進(jìn)行修改。
[0038] 本發(fā)明使得通過使用數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)人體部分的三維建模，所述數(shù)學(xué)模型涉及已知 幾何結(jié)構(gòu)的物體，例如外部固定器，以及在二維的X光相片中的投影，由此投影導(dǎo)出X射線 源，本體部分以及空間中物體的位置。通過確定空間中本體部分的位置，醫(yī)生和其他醫(yī)務(wù)人 員可以調(diào)整物體，比如外部固定器，由此固定被治療的骨骼。他們也可以利用本體部分的已 知位置實(shí)現(xiàn)其他醫(yī)療目的。
[0039] 某些實(shí)施例采用數(shù)學(xué)模型，其使用多個(gè)標(biāo)記物來(lái)生成物體的三維模型。在一個(gè)實(shí) 施例中，所述多個(gè)標(biāo)記物還包括基準(zhǔn)點(diǎn)。但多個(gè)標(biāo)記物并不限于在支柱用基準(zhǔn)點(diǎn)接觸固定 元件或標(biāo)記物的地方的標(biāo)記物。此外，多個(gè)標(biāo)記物可包括5個(gè)或4個(gè)標(biāo)記物。
[0040] 另外的實(shí)施例中采用數(shù)學(xué)模型，其使用多個(gè)支柱而不是多個(gè)標(biāo)記物來(lái)生成物體的 三維模型。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)支柱包括與固定元件相連接的支柱，其中多個(gè)支柱可包括 5個(gè)或4個(gè)支柱。
[0041] 使用標(biāo)記物的投影
[0042] 本文所公開的發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括接收放置在X射線源和X射線成像儀之間本 體部分以及物體的第一和第二X光相片。所述本體部分被耦合到所述物體上。圖2A是分別 獲得第一方向220和第二方向230上的第一和第二X光相片的操作示意圖。為獲得第一和 第二X光相片，被物體210環(huán)繞的本體部分201被放置在X射線源202和成像儀204之間。 物體210可能是矯形固定器，或更特別地是一個(gè)圖2A所示的六腳形物體。所述物體210包 括以預(yù)定距離沿著物體201布置的多個(gè)標(biāo)記物203。為了生成第一 X光相片，被物體210環(huán) 繞的本體部分201，X射線源202以及成像儀204在相對(duì)于彼此的第一方向220中。第二X 光相片可以通過或者旋轉(zhuǎn)被物體210環(huán)繞的本體部分201到一個(gè)相對(duì)于X射線源202和成 像儀204的新的第二方向230中，或者如圖2A所示，通過旋轉(zhuǎn)X射線源202以及成像儀204 到一個(gè)對(duì)于本體部分201的一個(gè)新的第二方向230中。第一 X光相片因此包括在第一方向 220中的本體部分201，物體210以及多個(gè)標(biāo)記物203的圖像。類似地，第二X光相片包括 在第二方向230中的本體部分201，物體210以及多個(gè)標(biāo)記物203的圖像。在本發(fā)明的實(shí) 施例中，標(biāo)記物203在與固定元件206連接的支柱205的位置，但在其他實(shí)施例中，標(biāo)記物 203可以被放置在物體的其他部分。固定元件206可以被配置成環(huán)形或其他適合的形狀。
[0043] 本實(shí)施例確定了第一 X光相片的描繪在X射線成像儀204上的多個(gè)標(biāo)記物203的 第一組投影，以及第二X光相片的描繪在X射線成像儀204上的多個(gè)標(biāo)記物203的第二組 投影。圖2B說明了描繪在第一 X光相片220和描述在第二X光相片230上的兩個(gè)標(biāo)記物 投影的確定。本實(shí)施例然后可以使用多個(gè)標(biāo)記物與描繪在第一 X光相片220上的多個(gè)標(biāo)記 物的第一組投影之間的預(yù)定距離確定X射線源202的第一三維位置和物體210相對(duì)于X射 線成像儀的第一三維位置。類似地，該技術(shù)然后可以使用多個(gè)標(biāo)記物和被描繪在第二X光 相片230上的多個(gè)標(biāo)記物的第二組投影之間的預(yù)定距離確定X射線源202的第二三維位置 和物體210相對(duì)于X射線成像儀的第二三維位置。在一個(gè)實(shí)施例中，多個(gè)標(biāo)記物的第一組 投影和第二組投影更具體地是指多個(gè)標(biāo)記物分別在第一 X光相片和第二X光相片之間的距 離的投影?？梢圆捎枚喾N數(shù)學(xué)模型來(lái)確定X射線源202以及物體的第一和第二三維位置。 這些模型將在下面進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
[0044] 一旦X射線源和所述物體的第一和第二三維位置被確定，該技術(shù)然后可以使用相 對(duì)于X射線成像儀在第一方向和第二方向上的多個(gè)標(biāo)記物的三維位置，校準(zhǔn)三維參考坐標(biāo) 系中第一三維物體投影和第二三維物體的投影。該實(shí)施例隨后基于第一三維物體投影和第 二三維物體投影，在三維參考坐標(biāo)系中創(chuàng)建成像本體部分的三維模型。另一實(shí)施例可創(chuàng)建 物體210的單獨(dú)的三維模型或者另外還有成像的本體部分的三維模型。
[0045] 模型 1
[0046] 在本文所公開發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述多個(gè)標(biāo)記物可包括5個(gè)與物體相關(guān)聯(lián)的 標(biāo)記物。附圖3描繪了物體310,在這種情況下是一個(gè)矯形固定器，其包括兩個(gè)固定元件 302和在一個(gè)方向上的至少五個(gè)的標(biāo)記物303。所述至少五個(gè)的標(biāo)記物303在支柱306與 固定構(gòu)件302相接觸的地方。在其他實(shí)施例中，所述至少五個(gè)的標(biāo)記物303被放置在物體 310的不同部分。在本實(shí)施例中，X射線源301以及物體310的的第一三維位置可以通過使 用以下討論的數(shù)學(xué)模型被確定，其中假定（X，y，z)是X射線源301的坐標(biāo)，（x0, y0, z0)到 (x4, y4, z4)是5個(gè)標(biāo)記303的坐標(biāo)，（X0, Y0, ZO)到（X4, Y4, Z4)是五個(gè)標(biāo)記物303在第一 X光相片上的第一組投影坐標(biāo)，101，102, 103, 104, 112, 113, 114, 123, 124, 134是五個(gè)標(biāo)記 物303之間的預(yù)定距離。由此有18個(gè)未知參數(shù)，其需要一個(gè)18個(gè)方程式組以確定X射線 源301和物體310的位置。
[0047] 三個(gè)點(diǎn)（x，y，z)，（x