[发明专利]基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法

说明书

本发明涉及一种基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法，包括步骤：建立膝关节的三维模型，并获得X线成像系统的空间位置参数；分别在左X线图像和右X线图像中提取六个特征点对应的投影点的位置信息；估计特征点在三维空间中的位置坐标；计算股骨远端转换到投影姿态的四元数qsubgt;1/subgt;和胫骨近端转换到投影姿态的四元数qsubgt;2/subgt;；根据四元数qsubgt;1/subgt;和四元数qsubgt;2/subgt;计算得到膝关节姿态角，确定膝关节的姿态。本发明通过对膝关节股骨和胫骨中的六个特征点进行三维重建，避免了迭代的配准过程与软组织伪影的影响，过程简便，减少了计算量，提高了计算效率，并且具有较高的准确度。

技术领域

本发明涉及医疗辅助设备技术领域，特别是涉及一种基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法。

背景技术

膝关节是人体中最大最复杂的关节，也是自由度最大的关节，在日常生活中参与绝大多数的运动，并且维持身体的动态平衡。由于膝关节结构复杂，运动量大，所以在现实中膝关节具有很高的伤病率。对膝关节三维运动学的基础研究，有助于更全面地理解膝关节的结构与运动功能的关系，对研究运动损伤机理、临床诊断和指导康复训练等有着重要的意义。在康复治疗阶段，能够非侵入式地检测膝关节或者假关节的运动学参数和下肢运动姿态，对于医生更好地监测与评估患者的康复状况有着十分重要的意义。

目前，利用光学跟踪测量设备测量膝关节的运动姿态是一种常用方法，但是此方法由于存在软组织伪影的影响，准确度较低。另外，利用2D-3D配准的在体测量技术也是一种测量膝关节运动姿态的常用方法，此方法虽较于光学追踪系统准确度高，但是过程复杂，计算效率相对较低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提出了一种基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法，该方法具有较高的准确度和计算效率。

本发明采取如下的技术方案：

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。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明所提出的基于特征点三维重建的膝关节姿态测量方法对膝关节股骨和胫骨中的六个特征点进行三维重建，避免了迭代的配准过程与软组织伪影的影响，过程简便，减少了计算量，提高了计算效率，并且具有较高的准确度。

附图说明