[发明专利]一种十字交叉韧带术前止点中心定位及韧带长度计算方法

说明书

本发明公开了一种十字交叉韧带术前止点中心定位及韧带长度计算方法，包括分别对三种人体膝关节核磁共振图像韧带区域和骨组织进行标注；搭建U‑Net网络模型，对标注好的数据集进行训练；基于VTK重建十字交叉韧带三维模型、膝关节骨组织三维模型和CT骨组织三维模型；基于FPFH算法提取模型几何特征；基于RANSAC算法对模型粗配准；基于ICP算法对模型精配准；对十字交叉韧带三维模型按照配准结果进行变换，基于K‑Means算法获取人体膝关节十字交叉韧带止点粗中心的定位结果；基于轮廓点法向量均值获取人体膝关节十字交叉韧带止点中心的定位结果；基于DICOM文件信息，获取人体膝关节十字交叉韧带长度信息。

技术领域

本发明涉及医学图像处理领域，尤其涉及一种人体膝关节十字交叉韧带术前止点中心定位及韧带长度计算方法。

背景技术

随着一些先进的医疗设备，如CT、MRI等的广泛应用，软组织重建成为近年来越来越重要的研究课题。软组织重建可以在很大程度上帮助医生检测和诊断某些疾病。十字交叉韧带是维持膝关节稳定性的重要结构。十字交叉韧带损伤后，对日常行走功能影响不大，但是对患者运动功能会造成明显影响。运动员十字交叉韧带损伤后，除少数人能够继续运动外，大部分都不能进行跑步、跳跃、急停等动作，即使能够运动也是以损伤关节软骨、半月板为代价。要恢复运动能力和水平，防止关节过早病损，需要进行十字交叉韧带重建。目前对于人体膝关节十字交叉韧带术前止点中心定位及韧带长度计算的相关研究，没有已知且有效的计算机自动处理办法，很多韧带重建手术都是根据医生的经验进行的，这需要专业的知识储备，并且也无法保证所选取止点的准确性，误差在所难免。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种十字交叉韧带术前止点中心定位及韧带长度计算方法，具体包括如下步骤：

获取包含矢状面、冠状面及横断面的人体膝关节核磁共振图像，从中选取含有人体膝关节十字交叉韧带的图像对韧带区域进行标注获得韧带标注图像；

将韧带标注图像、原人体膝关节核磁共振图像以及图像的相关信息进行数据转化构成待训练数据集；

搭建改良的U-Net网络模型，对待训练数据集进行训练，获得该网络模型对待训练数据集的权重；

基于所述权重信息将待分割人体膝关节十字交叉韧带图像输入至网络模型中得到人体膝关节十字交叉韧带结果图像；

对核磁共振图像中的股骨和胫骨进行标注获得骨组织标注图像；

调整网络模型的训练参数，采用与对韧带标注图像相同的方式对骨组织标注图像进行训练并对待分割骨组织图像进行预测得到人体膝关节骨组织结果图像；

对人体膝关节十字交叉韧带结果图像和人体膝关节骨组织结果图像进行三维重建获得十字交叉韧带三维模型和膝关节骨组织三维模型；

获取包含横断面的人体膝关节CT图像，对CT图像进行轮廓提取和填充得到骨组织结果图像，对该骨组织结果图像进行三维重建得到CT骨组织三维模型；

基于点快速特征直方图原理分别提取CT骨组织三维模型和膝关节骨组织三维模型的几何特征；

基于上述几何特征采用随机抽样一致算法对CT骨组织三维模型和膝关节骨组织三维模型进行粗配准获得粗配准结果矩阵；

基于粗配准结果矩阵采用迭代最近点算法对CT骨组织三维模型和膝关节骨组织三维模型进行精配准获得精配准结果矩阵；

将十字交叉韧带三维模型按照精配准结果矩阵进行旋转平移变换，并提取人体膝关节十字交叉韧带止点轮廓得到止点信息，利用止点信息采用K-Means算法计算止点粗中心的定位结果；

提取CT骨组织三维模型上止点轮廓法向量的平均值，对止点的粗中心点按照法向量均值生成直线，提取直线与CT骨组织三维模型的交点，得到位于CT骨组织三维模型上的人体膝关节十字交叉韧带止点中心的定位结果；