[发明专利]基于先验知识的损伤部位人造骨骼修补模型重建方法

说明书

本发明公开了一种基于先验知识的损伤部位人造骨骼修补模型重建方法。首先，从医学断层CT图像中提取骨骼外层轮廓，引入修补模板并根据断层层厚从修补模板中重采样轮廓线；其次，利用特征值法在修补模板中搜索出与待修补层最为匹配的模板层并建立两者对齐变换；然后，通过公共夹角法在模板层得到与待修补层断点同构的点并计算同构点间的拟合方程，反向代入拟合方程即获得待修补层插值点坐标；接着，根据给定的骨骼内外层厚生成内层轮廓；最后，利用VTK三维重建得到人造骨骼修补模型。该发明应用于人体额骨、顶骨等部位遭重创后造成头骨严重碎裂无法直接手术修复，需要植入个性化人造骨骼的实际手术操作中。

技术领域

本发明属于计算机图形技术领域，特别适用于修补头骨损伤部位的人造骨骼修补模型三维设计。

背景技术

利用人造骨骼修补头骨损伤部位适用于头骨粉碎性损坏严重，且无法直接通过已有碎骨拼接完成的临床手术中。人造骨骼三维修补模型的设计必须要和病灶的位置、尺寸相一致，而针对于粉碎性损坏的情况，医生无法通过对碎骨的修复得出大致形状作为人造骨骼设计的参考。模板在三维重建中常作为辅助工具，这里的模板可以是已有健康骨骼的重建结果，也可以是平均化后的虚拟重建结果。国内外有很多文献致力于利用模板辅助修补受损骨骼轮廓，如自动识别交点和断点，然后利用已有模板为参照，结合最短对角线性连接法将提取到的断裂轮廓线修复成闭合轮廓。由于模板与当前研究案例间多少存在差异，因此为了确保提取轮廓线不失真有些文献中还引入了变形机制，如在针对脊椎的三维重建中，有人提出了一套统计模型用于表示平均参数化结果，将模板与当前研究案例通过仿射对齐，然后对模板做变形，得到符合当前研究案例的真实三维重建结果。此外，还有一些文献在获取头骨三维模型的过程中从模板出发，利用迭代不断对其做变形，直致逼近当前研究案例，最终获得具有当前研究案例特征的完整头骨三维模型。

利用已有同类型骨骼共同作为先验知识，需要根据特征描述函数找到与当前层最为匹配的同类型骨骼轮廓线。轮廓起始点配准是一种十分有效的方法，通过循环移位即能得到不同轮廓起始点匹配中最相似的一个。对齐变换可以实现特征点图像空间坐标变换，建立当前层与同类型骨骼轮廓线间的对应关系。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于先验知识的损伤部位人造骨骼修补模型重建方法，针对人体头骨的额骨、顶骨等部位遭受重创后出现粉碎性骨折，头骨碎裂严重无法直接手术修复的情况，可利用不同人体头骨骨骼具有全局相似性；医学断层图像间具有序列性、局部相似性；提取的骨骼轮廓具有连续性等特征，将已有平均骨骼作为先验知识自动获取断裂部位的骨骼三维模型，为后期个性化人造骨骼修补手术提供数据基础。与已有的碎骨拼接技术相比，在修补的精确度和时效性上都有提高。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于先验知识的损伤部位人造骨骼修补模型重建方法，以已有修补模板轮廓为先验知识作引导，自动获取用于修补人体骨骼损伤部位的人造骨骼修补模型，具体过程如下：

(1)对从医学断层图像提取出的骨骼轮廓做预处理，并搜索所有不闭合断层的骨骼轮廓线，该步骤包括如下：

步骤S01：依次读入医学断层图像，利用Canny方法获得医学断层图像的骨骼轮廓地图，结合边界跟踪算法得到每张医学断层图像若干条闭合或不闭合的骨骼轮廓线；

步骤S02：记录第一次出现不闭合骨骼轮廓线所在层，并标记为A，同理将最后一次出现不闭合骨骼轮廓线所在层标记为Z；

(2)建立修补模板与不闭合轮廓线的对应关系，该步骤包括如下：

步骤S03：记录层A中断点P、Q的坐标；

步骤S04：设定修补模板等高线间距，重采样得到一组闭合骨骼轮廓；

步骤S05：在修补模板中找到与闭合轮廓线层A-1最匹配的修补模板层A’-1；