[发明专利]一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法及系统

说明书

本发明公开了一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法及系统，其中方法包括：对所有CT图像进行预处理得到去噪后的二值图像，基于二值图像进行面绘制重构得到多个膝关节整体模型；对分离出的股骨模型、胫骨模型分别进行保留所需固定长度的切割；采用配准方式将股骨、胫骨模型中的健康模型分别全部近似叠加并基于设定的保留比阈值进行保留调整，得到不包含任何健康个例特征的平均股骨模型、平均胫骨模型，将接近病例大小的平均股骨模型与病例的股骨模型进行配准对齐，展示并分析病例病情，确定病例股骨模型中需切除的患病部分并切除该患病区域，在平均股骨模型上执行相同位置的切割操作，结合所述各个屈伸角度下股骨模型的精准位置修正假体模型中的半月板部分，从而得到各个屈伸角度下均符合人体运动特性的膝关节假体模型。

技术领域

本发明涉及医学处理领域，尤其涉及一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法及系统。

背景技术

随着经济的发展和社会的进步，人类迫切需要更安全、更快速、更精准和更人性化的医疗服务。为此，充分注重患者的个体差异性，并结合先进的图形图像处理技术，进行个性化、精确化医疗设计便成为目前重要的科学研究方向。膝关节是人体最大、构造最复杂且损伤机会偏多的关节，膝关节损伤将严重影响人们的正常生活。目前针对膝关节严重损伤最为常见的治疗方式为全膝关节置换，利用人工膝关节假体来替代原有关节的生物机械功能。全世界每年需要大量全膝关节假体，但受遗传因素、生活习惯和工作环境的影响，每位患者的骨骼形态都存在较大的个体性差异，因此患者对全膝关节置换精确手术的期待越来越强烈，而普通零件式假体难以适应不同患者的个性化要求，所以全膝关节置换假体的设计必然朝量身定制的方向发展。未来将形成“患者～病体→医院～图像数据→个性化假体设计单位～图形参数→假体制造单位～个性化假体→医院～置换手术→患者”这一新的定制式骨科手术模式，而其中的“个性化假体设计单位”是目前亟待填补的技术空白区。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种个性化膝关节假体模型的快速构建方法，具体包括如下步骤：

获取膝关节CT图像，对所有CT图像进行预处理得到去噪后的二值图像，基于二值图像进行面绘制重构得到多个膝关节整体模型；

采用网格连通性分析方式对多个膝关节整体模型中的股骨模型、胫骨模型进行分离，借助最小二乘法、坐标系转换方式对分离出的股骨模型、胫骨模型分别进行保留所需固定长度的切割；

选取一组BMI指数接近病例的健康人体的股骨模型数据，采用配准方式将股骨模型全部近似叠加，设定保留比阈值，基于该保留比阈值确定需要保留或调整的网格模型顶点，并对顶点执行保留或调整操作，最终得到不包含任何健康个例特征的平均股骨模型，采用相同的方式获取平均胫骨模型；

基于空间顶点投影、最小二乘法模拟平面切图并结合膝关节旋转轴多个参考线的位置关系得到平均股骨模型的近似旋转轴；

根据近似旋转轴模拟平均股骨模型在屈伸角度下各个角度的旋转结果，基于人体膝关节屈伸运动过程中股骨后踝连线轴线和手术后髁轴线位置关系近似不变的特性对各个屈伸角度下的粗略模拟旋转结果进行修正调整，从而得到精确的各个屈伸角度下平均股骨模型的精准位置；

将接近病例大小的平均股骨模型与病例的股骨模型进行配准对齐，展示并分析病例病情，确定病例股骨模型中需切除的患病部分并切除该患病区域，在平均股骨模型上执行相同位置的切割操作，基于布尔运算生成初始的股骨假体模型，采用相同的方式获得初始的半月板假体模型和胫骨平台模型；

结合所述各个屈伸角度下平均股骨模型的精准位置修正假体模型中的半月板部分，从而得到各个屈伸角度下均符合人体运动特性的膝关节假体模型。

读取去噪后的二值图像并进行最大轮廓筛选、对最大轮廓所圈出来的区域进行腐蚀、膨胀从而去除CT图像中的散点以及可能产生的缺失部分的干扰，最后进行面绘制重构得到膝关节整体模型。