[发明专利]基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法

权利要求书

1.一种基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、对膝关节进行CT扫描，建立膝关节的三维模型；对具有左X射线源、右X射线源与对应成像平面的X线成像系统进行标定，获得X线成像系统的空间位置参数，利用获得的空间位置参数在三维建模软件中建立虚拟成像空间；

步骤二、在所述三维模型中选取六个特征点，并分别在所述左X射线源对应的左X线图像和所述右X射线源对应的右X线图像中提取六个所述特征点对应的投影点的位置信息；

步骤三、利用所述左X射线源与所述左X线图像中的投影点以及所述右X射线源与所述右X线图像中的投影点组成投影射线，估计所述特征点在三维空间中的位置坐标；

步骤四、将所述三维模型中股骨远端上的三个特征点组成第一平面，根据估计得到的股骨远端上的三个特征点的位置坐标将该三个特征点组成第二平面，对所述三维模型的股骨远端进行空间变换，使所述第一平面与所述第二平面平行，计算得到股骨远端转换到投影姿态的四元数q₁；

将所述三维模型中胫骨近端上的三个特征点组成第三平面，根据估计得到的胫骨近端上的三个特征点的位置坐标将该三个特征点组成第四平面，对所述三维模型的胫骨近端进行空间变换，使所述第三平面与所述第四平面平行，计算得到胫骨近端转换到投影姿态的四元数q₂；

步骤五、根据所述四元数q₁和所述四元数q₂计算得到膝关节姿态角，确定膝关节的姿态。

2.根据权利要求1所述的基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法，其特征在于，步骤一中获得X线成像系统的空间位置参数过程包括以下步骤：

将所述左X射线源和所述右X射线源呈30°夹角放置，利用张正友标定法对所述X线成像系统进行立体标定，获得所述左X射线源与对应的成像平面的内参矩阵K₁、外参矩阵M₁、相机矩阵P₁和所述右X射线源与对应的成像平面的内参矩阵K₂、外参矩阵M₂、相机矩阵P₂，所述左X射线源和所述右X射线源的位置关系可用矩阵E表示为：

其中，x_l为空间中某点X在所述左X射线源的相机坐标系下的坐标，x_r为空间中某点X在所述右X射线源的相机坐标系下的坐标，R为所述右X射线源的相机坐标系与所述左X射线源的相机坐标系的旋转矩阵，t为平移向量；

所述X线成像系统的基本矩阵F为：

F＝[K₂t]_xK₂RK₁^-1(2)

其中，[K₂t]_x为三维列向量的反对称矩阵。

3.根据权利要求2所述的基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法，其特征在于，步骤二包括以下步骤：

选取所述三维模型中股骨远端上的股骨内上髁、股骨外上髁、股骨髁间凹以及胫骨近端上的胫骨外侧髁、胫骨内侧髁和髁间隆起作为所述特征点；

分别手动标注所述左X线图像和所述右X线图像中各个所述特征点的投影点位置；

对标注投影点位置后的所述左X线图像和所述右X线图像进行二值化处理，分别提取投影点的位置信息。