专利名称：脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法
技术领域：
本发明属于医学图像处理技术领域，主要涉及一种脊椎模型的构建方法，具体是一种脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，可用于外科医学领域中与脊柱和脊椎相关的研究。
背景技术：
目前，与脊椎相关的疾病在我国已成为常见病和高发病，虽然脊椎外科手术近年得到了很大的发展，但是由于脊椎手术本身特点及脊椎的结构复杂，手术难度和危险性很
尚ο随着计算机图形图像技术在医学各领域内应用的拓展，医学影像设备的不断升级，空间三维定位系统、计算机医学图像处理及三维可视化技术已经深入到医学的各个领域虽然三维医学图像重建可以弥补二维影像的不足，但精确的立体定位和配准仍是未解决的难题。目前手术导航和虚拟手术技术的总体水平尚不能很好地满足临床需求，问题的关键是高精度建模、准确定位与模拟等关键技术尚未很好解决。因此，需要科学而准确的度量数据。目前，我国还没有脊柱以及各部分脊椎的三维几何统计形态模型，还没建立脊柱和脊椎三维几何数据库，缺乏不同年龄段脊柱的准确度量数据，给脊椎和脊柱的相关医学研究、教学和计算机辅助骨科的精确定位造成了不便。在Cootes提出主动形状模型(ASM，Active Sharpe Model)后，对利用ASM方法来建立样本的统计模型有了很大的发展，并且有很多人将其拓展到三维形态上。现阶段，采用 ASM方法建立的颅骨、颅面模型的技术很成熟，并在颅面复原等方面获得了较好的效果。ASM方法是基于点分布的，它需要对每一个样本图像的特征点进行标定。不同的特征点标定方法，直接影响到模型建立的准确性。Cootes提出标记点可分为3类第1类是与模型直接相关的特殊点；第2类是与模型的形状不直接相关的点；第3类是前两类点的中间插值点。一般情况下，选择第1类和第2类点作为标记点。其中，由于目前我国还没有建立脊柱和脊椎三维几何数据库，缺乏脊椎的准确度量数据，对脊椎的形态分析缺乏科学度量参数。因此，需要建立脊椎的三维几何形态模型。 在采用ASM与ICP方法建立的脊椎三维几何形状模型在实际的应用中只能对脊椎的几何形态进行分析，缺乏脊椎软组织与骨骼直接相互作用力，无法对脊椎部位的受力情况进行分析，也不能对脊椎的各个部位和关键点进行科学度量。因此，需要将该统计模型的方法与有限元模型相结合，从而既能描述脊椎的几何形态，又能对脊椎部位的受力情况进行定量分析。发明的内容本发明的目的在于克服上述技术存在的缺点和不足，提出一种脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，该方法既能够精确描述脊椎的几何外形，又保证有限元分析结果的准确性，为脊椎和脊柱的相关医学研究、教学和计算机辅助骨科的精确定位提供一种科学依据和参考。本发明的技术方案是首先对三维重建后的医学CT图像进行特征点定位和标记，从而获得每个脊椎样本的形状矩阵；采用最近点迭代算法(ICP，Iterative Closest Point)算法对样本集中形状矩阵进行对齐和配准；再采用主成分分析法(PCA，Principal Component Analysis)方法对样本进行训练，从而建立脊椎的几何形态统计模型；最后，将模型导入到相关软件生成体网格模型，该网格模型可以直接用来进行有限元分析。本发明是一种脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，其特征在于包括如下过程(1)对人体脊椎的CT图像进行三维重建，得到脊椎的三维模型，并保留单个的椎骨模型，经大量处理后建立脊椎三维图像的集合；(2)对脊椎三维图像的特征点进行定义和手动标定，将每一个脊椎样本标定得到的形状矩阵保存起来，形成形状矩阵样本集；(3)从样本集中选取一个模型样本，并将剩下每一个的样本都作为待配准样本；(4)采用ICP方法对模型样本与待配准样本的形状矩阵进行旋转变换和平移变换，通过最小二乘法进行迭代，使二者的对应点之间的距离最小，使两个样本在同一个坐标系中具有可比性，完成模型样本与待配准样本的对齐和配准；(5)采用PCA方法对样本集进行训练，去除原始数据的线性相关性，从而将原有数据的高维度转化为少数的几个主要变换变量，得到样本变化模型；(6)将得到的脊椎三维几何形态统计模型网格化，生成有限元分析模型。主动形状模型(Active Shape Model)最初是由Τ. F. Cootes等人于1992年提出的，其是一种以训练和统计分析为基础的模型方法。德国马普研究会的Volker Blanz和 Thoms Vetter提出基于三维特征点标记的颅面统计模型。目前，运用统计学的原理方法和计算机技术对脊椎几何形状信息的研究方面，国内外相关领域还没有比较成熟的方法。本发明在参考ASM的基本原则和其扩展模型在对三维模型处理第三维信息(也就是坐标系中 Z轴方向的坐标值)的方法和统计学原理对脊椎进行建模，得到脊椎在三维空间上的统计知识。它通过对样本标定和训练，使用统计分析的方法建立关于目标平均形状及形变模式的先验模型。它能根据训练集中的形变模式对模型进行灵活形状调整，保证模型在合理的范围变化。有限元法的基本思想是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的近似解，然后推导求解这个域的总的满足条件，从而得到问题的近似解。本发明将得到的三维几何形态统计模型进行体网格化，构建了脊椎的三维几何与有限元混合模型，可以分别进行详细有限元计算，对脊椎进行受力分析时就可以从每一个元素的受力得到整个脊椎的受力情况，不仅可以观察骨形态细微结构，且可通过随意旋转从任意角度、任意断面显示病变的部位和程度，并可以对不同的部位的受力情况进行详细科学计量，从而为脊椎进行生物力学的评估、 统计分析提供科学依据。本发明的实现还在于过程O)中对特征点进行定义和手动标定按照如下过程进行参考颅骨特征点的定义方法，根据Cootes提出的特征点分类并结合脊椎的特点，对样本集中脊椎样本的特征点进行定义和手动标定，并将每一个样本标定得到的形状矩阵保存起来，形成形状矩阵集合，定义68个脊椎特征点，每个样本用这68个三维特征点构成的形状矩阵来表示
权利要求
1.一种脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，其特征在于包括如下步骤(1)对人体脊椎的CT图像进行三维重建，得到脊椎的三维模型，对该三维模型进行切割并保留单个的腰椎部位的三维模型；通过对大量人体脊椎图像处理，建立脊椎三维图像的集合；(2)对脊椎三维图像的特征点进行定义和手动标定，将每一个脊椎样本标定得到的形状矩阵保存起来，形成形状矩阵样本集；(3)从形状矩阵样本集中选取一个模型样本，并将剩下每一个的样本都作为待配准样本；(4)采用ICP方法对模型样本与待配准样本的形状矩阵进行旋转变换和平移变换，通过最小二乘法进行迭代，使二者的对应点之间的距离最小，使两个样本在同一个坐标系中具有可比性，完成模型样本与待配准样本的对齐和配准；(5)采用PCA方法对形状矩阵样本集进行训练，去除原始数据的线性相关性，从而将原有数据的高维度转化为少数的几个主要变换变量，得到样本变化模型；(6)将得到的脊椎三维几何形态统计模型网格化，生成有限元的表面网格模型和体网格模型。
2.根据权利要求1所述的脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，其特征在于过程O)中所述对特征点进行定义和手动标定，按照如下过程进行参考颅骨特征点的定义方法，根据Cootes提出的特征点分类并结合脊椎的特点，定义 68个脊椎特征点，每个样本用这68个三维特征点构成的形状矩阵来表示
3.根据权利要求1所述的脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，其特征在于其中过程(3)按照如下过程进行假设在形状矩阵样本集中有标定后的m个脊椎样本，每个脊椎样本的形状矩阵M为
4.根据权利要求ι所述的脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，其特征在于过程(4)中所述采用ICP方法完成对齐和配准，按照如下过程进行 4. 1初始化迭代次数k = 0 ； 4. 2从待配准样本P中取点斤e P ；(4. 3根据约束条件min{|| Qf-P,k ||}计算出模型样本Q中的与<对应点^ G Qk ； 4. 4根据约束条件min{|| Rk - P，||2}计算旋转矩阵R ；(4. 5平移向量U是两个点集之间的重心差异，通过计算R*Pk与Qk之间的重心差异即得； 4. 6第k次迭代配准得到的点集表示为
5.根据权利要求1所述的脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，其特征在于过程(5)中所述建立样本变化模型，按照如下过程进行(5. 1将三维点集M转化为一维的形状向量X
6.根据权利要求1所述的脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，其特征在于其中过程(6)按照如下过程进行6. 1在软件Simpleware的kanIP模块的三维视图中，在3D Preview中选择FE，生成表面网格模型；6. 2从kanIP模块中导出以.sfh为扩展名的文件，再将其导入到kanFE模块，在 Control Panel中点击Mesh选项，在Mesh Options中选择Smoothed，点击Apply，将会得到一个平滑的体网格模型；6.3在体网格模型的基础上建立有限元分析模型。
7.根据权利要求6所述的建立网格模型及有限元分析模型的构建方法，其特征在于 过程(6)中所述建立有限元分析模型，按照如下过程进行在体网格导出之前，选择Export选项中的Finite Element Model，然后选择ANSYS选项，在弹出的对话框中点击Configure part materials设置合理的Mass Density，Young，s Modulus和fission’ s Ratio参数，导出的模型直接导入到ANSYS软件中进行有限元分析。
全文摘要
本发明提出一种脊椎的三维几何与有限元混合模型的构建方法，属医学图像处理技术领域。构建过程为输入脊椎的CT图像；对CT图像进行三维重建和三维切割，得到脊椎三维图像集；建立三维几何形态统计模型，首先对脊椎的特征点定义和手动标定，再对脊椎图像进行对齐和配准，然后对样本集进行训练，得到统计模型；生成有限元模型，将统计模型进行导入，首先生成表面网格模型，然后生成体网格模型；该模型可以直接导入到有限元分析软件中进行生物力学分析。本发明既能够精确描述脊椎的几何外形，又保证有限元分析结果的准确性，提高脊椎模型的精确度，使用方便，便于对脊椎部位的形状和受力进行科学计量。可用于外科医学领域中与脊柱和脊椎相关的研究。
文档编号G06T17/00GK102208117SQ201110114628
公开日2011年10月5日 申请日期2011年5月4日 优先权日2011年5月4日
发明者代俊, 王莹, 鱼滨 申请人:西安电子科技大学