专利名称：股骨三维模型可视化方法
技术领域：
本发明涉及图像处理领域。
背景技术：
股骨是ー种典型的人体长骨，具有不规则的空间结构，由两端的松质骨和中间的管状皮质骨构成。股骨三维模型的可视化，对于股骨骨折的术前诊断和手术计划的制定都具有极其重要的意义。目前国内骨折的影像显示主要采用直接数字X光图像DR(DigitalRadiography)，但该方法最大的缺陷在于ニ维投影成像，导致影像重叠，丢失了大量三维的空间信息，而这些三維信息对于医生的临床诊断恰恰是十分重要的；另一方面，现有的医学三维可视化技术如计算机断层扫描成像CT (Computer Tomography)虽然可以获得研究对象的精确三维结构形态，但其体积庞大，不适于在突发情况下的骨折影像显示。
发明内容
本发明目的是为了解决现有采用直接数字X光图像DR无法获取三维空间信息，而采用CT由于体积庞大不适于在突发情况下的股骨影像显示的问题，提供了ー种股骨三维模型可视化方法。本发明所述股骨三维模型可视化方法，它包括以下步骤步骤一、建立通用股骨三维模型，通过通用股骨三维模型的正位投影获取通用股骨的正位股骨三维模型投影轮廓，通过通用股骨三维模型的侧位投影获取通用股骨的侧位股骨三维模型投影轮廓；步骤ニ、对待建模的股骨正位DR图像和股骨侧位DR图像进行预处理，提取股骨正位DR图像中的股骨边缘轮廓获得正位股骨边缘轮廓，提取股骨侧位DR图像中的股骨边缘轮廓获得侧位股骨边缘轮廓；步骤三、对步骤ニ提取的待建模的股骨正位DR图像的边缘轮廓与步骤一所述的通用正位股骨三维模型投影轮廓进行仿射配准，确定正位图像的配准变换关系；对步骤ニ提取的待建模的股骨侧位DR图像的边缘轮廓与步骤一所述的通用侧位股骨三维模型投影轮廓进行仿射配准，确定侧位图像的配准变换关系；步骤四、根据步骤三获得的正位图像的配准变换关系和侧位图像的配准变换关系确定股骨三维模型的姿态，实现股骨的三维模型的可视化。本发明的优点相对于已有的医学三维可视化方法，本发明利用双平面DR图像实现股骨的三维模型可视化，成本低，操作简单，有害辐射小，重建图像比较迅速，能为股骨粉碎性骨折手术的诊断和手术计划的制定提供可靠的三维影像学信息。采用本发明所述方法使骨折断端移位情况显示得更加立体直观，医生不必再凭借经验估计骨折的类型和损伤的情况，減少了漏检和误诊的发生率，对术前手术计划的制定和手术方式的选择有重要意义。
图I为本发明的框图示意图，图2至图5为具体实施方式
四中能量泛函与边界曲线关系的示意图，其中图2是边界曲线包含边缘轮廓的示意图，图3是边界曲线在边缘轮廓内部的示意图，图4是边界曲线穿过边缘轮廓的示意图，图5是边界曲线对应边缘轮廓的示意图，图6为具体实施方式
ニ中三维点与其在ニ维图像上的投影点之间变换关系的示意图，图7为具体实施方式
ニ中通用股骨的三维模型示意图，图8为具体实施方式
五中仿射配准前待建模的股骨正位DR图像轮廓和通用股骨正位投影轮廓的示意图，图中粗线表示待建模的股骨正位DR图像轮廓，细线表示通用股骨正位投影轮廓；图9为具体实施方式
五中仿射配准后待建模的股骨正位DR图像轮廓和通用股骨正位投影轮廓的示意图，图10是三维姿态估计后的股骨三维模型示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图I说明本实施方式，本实施方式所述股骨三维模型可视化方法，它包括以下步骤 步骤一、建立通用股骨三维模型，通过通用股骨三维模型的正位投影获取通用股骨的正位股骨三维模型投影轮廓，通过通用股骨三维模型的侧位投影获取通用股骨的侧位股骨三维模型投影轮廓；步骤ニ、对待建模的股骨正位DR图像和股骨侧位DR图像进行预处理，提取股骨正位DR图像中的股骨边缘轮廓获得正位股骨边缘轮廓，提取股骨侧位DR图像中的股骨边缘轮廓获得侧位股骨边缘轮廓；步骤三、对步骤ニ提取的待建模的股骨正位DR图像的边缘轮廓与步骤一所述的通用正位股骨三维模型投影轮廓进行仿射配准，确定正位图像的配准变换关系；对步骤ニ提取的待建模的股骨侧位DR图像的边缘轮廓与步骤一所述的通用侧位股骨三维模型投影轮廓进行仿射配准，确定侧位图像的配准变换关系；步骤四、根据步骤三获得的正位图像的配准变换关系和侧位图像的配准变换关系确定股骨三维模型的姿态，实现股骨的三维模型的可视化。
具体实施方式
ニ 结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述股骨三维模型可视化方法的进ー步限定，步骤一中建立通用股骨三维模型，通过通用股骨三维模型进行正侧位投影获取通用股骨三维模型投影轮廓的过程为步骤一一、选取ー个通用股骨对其进行CT扫描，获取通用股骨的CT片，根据通用股骨的CT片构建出通用股骨三维模型；步骤一二、对通用股骨三维模型进行正位投影获取正位通用股骨三维模型的投影轮廓，对通用股骨三维模型进行侧位投影获取侧位通用股骨三维模型的投影轮廓，具体为三维点与其在ニ维图像上的投影点之间有如下变换关系
M ド；
FV = A1A2 w(I)
I
Li
其中(XW，YW，ZW)是点P在世界坐标系下的三维坐标；(u，v)是该点ニ维像素坐标系下的ニ维投影坐标A1为内參数矩阵，描述了相机几何及光学特性參数；A2为外參数矩阵，描述了相机在世界坐标系的位置和姿态。这里设模板平面在世界坐标系的Zw = 0的平面上，不失一般性。则(I)式能改写为
权利要求
1.股骨三维模型可视化方法，其特征在于，它包括以下步骤 步骤一、建立通用股骨三维模型，通过通用股骨三维模型的正位投影获取通用股骨的正位股骨三维模型投影轮廓，通过通用股骨三维模型的侧位投影获取通用股骨的侧位股骨三维模型投影轮廓； 步骤ニ、对待建模的股骨正位DR图像和股骨侧位DR图像进行预处理，提取股骨正位DR图像中的股骨边缘轮廓获得正位股骨边缘轮廓，提取股骨侧位DR图像中的股骨边缘轮廓获得侧位股骨边缘轮廓； 步骤三、对步骤ニ提取的待建模的股骨正位DR图像的边缘轮廓与步骤一所述的通用正位股骨三维模型投影轮廓进行仿射配准，确定正位图像的配准变换关系； 对步骤ニ提取的待建模的股骨侧位DR图像的边缘轮廓与步骤一所述的通用侧位股骨三维模型投影轮廓进行仿射配准，确定侧位图像的配准变换关系； 步骤四、根据步骤三获得的正位图像的配准变换关系和侧位图像的配准变换关系确定股骨三维模型的姿态，实现股骨的三维模型的可视化。
2.根据权利要求I所述的股骨三维模型可视化方法，其特征在于，步骤三中所述的正位图像的配准变换关系和侧位图像的配准变换关系包含了八个自由度的配准參数{a，运，tx，ty，tz，sx，sy，sz}，其中a为绕X轴的旋转角度、P为绕Y轴的旋转角度、‘为沿X轴的平移量、ty为沿Y轴的平移量、tz为沿Z轴的平移量、Sx为沿X轴的比例系数、Sy为沿Y轴的比例系数和Sz为沿Z轴的比例系数。
3.根据权利要求2所述的股骨三维模型可视化方法，其特征在于，步骤四中，实现股骨的三维模型的可视化的过程为 设由步骤一得到的通用股骨三维模型绕Z轴的旋转角度为Y，将步骤三配准获得的待建模的股骨的边缘轮廓与通用股骨三维模型投影轮廓之间的八个配准參数{a，0，tx，ty，tz，sx, sy, sj与Y构成的三维变换关系矩阵G作用在通用股骨三维模型上，以固定步长0.5°改变Y来调整通用股骨三维模型的三维姿态，并对其做正向投影，通过计算投影轮廓与股骨边缘轮廓的误差E，估计通用股骨三维模型绕Z轴的旋转角度，实现待建模的股骨的三维姿态估计，完成股骨三维模型姿态的可视化。
4.根据权利要求I所述股骨三维模型可视化方法，其特征在于，步骤一中建立通用股骨三维模型，通过通用股骨三维模型进行正侧位投影获取通用股骨三维模型投影轮廓的过程为 步骤一一、选取ー个通用股骨对其进行CT扫描，获取通用股骨的CT片，根据通用股骨的CT片构建出通用股骨三维模型； 步骤一二、对通用股骨三维模型进行正位投影获取正位通用股骨三维模型的投影轮廓，对通用股骨三维模型进行侧位投影获取侧位通用股骨三维模型的投影轮廓，具体为 三维点与其在ニ维图像上的投影点之间有如下变换关系 M ド； V= A1A1 マ(I) Iw Li 其中(xw，Yw，Zw)是点P在世界坐标系下的三维坐标；(u，V)是该点在ニ维像素坐标系下的ニ维投影坐标A1为内參数矩阵-A为外參数矩阵； 设模板平面在世界坐标系的Zw = O的平面上，则(I)式能改写为
5.根据权利要求I所述股骨三维模型可视化方法，其特征在于，步骤ニ中对待建模的的股骨正位DR图像和股骨侧位DR图像进行预处理的过程为对待建模的的股骨正位DR图像和股骨侧位DR图像进行中值滤波。
6.根据权利要求I所述股骨三维模型可视化方法，其特征在于，步骤ニ中提取待建模的正位股骨边缘轮廓和待建模的侧位股骨边缘轮廓的过程相同，其中提取待建模的正位股骨边缘轮廓的过程为 步骤ニー、C为待提取的正位股骨边缘轮廓曲线，初始化该闭合曲线C = Ctl，所述闭合曲线置于股骨正位DR图像上，C0为任意形状的闭合曲线； 采用无边缘活动轮廓模型在股骨正位DR图像中进行全局边缘检测，提取待建模的正位股骨边缘轮廓，无边缘活动轮廓模型定义最小化能量泛函为
7.根据权利要求I所述股骨三维模型可视化方法，其特征在于，步骤三中的变换关系的获取过程为步骤三--、由待建模的股骨边缘轮廓上的点构成參考图像点集P，P = Ip1, P2,,Pi}，i = 1，2，. . . n，n为正整数；由通用股骨三维模型投影轮廓上的点构成浮动图像点集Q，Q = Iq1, Q2, , QiI，并对两个点集进行采样，保证数据量相等； 步骤三一二、将參考图像点集P与浮动图像点集Q代入公式(15)中，依据最小ニ乘准则进行參数优化，获得a，^ , tx, ty, tz, sx, sy, Sz共八个自由度的配准变换參数；
8.根据权利要求3所述股骨三维模型可视化方法，其特征在干，步骤四所述三维变换关系矩阵G满足公式
全文摘要
股骨三维模型可视化方法，涉及图像处理领域，它为了解决现有采用直接数字X光图像DR无法获取三维空间信息，而采用CT由于体积庞大不适于在突发情况下的骨折影像显示的问题，它包括以下步骤步骤一、建立通用股骨三维模型；步骤二、对待建模的股骨正位DR图像和股骨侧位DR图像进行预处理；步骤三、确定正位图像的配准变换关系，确定侧位图像的配准变换关系；步骤四、实现待建模的股骨的三维姿态估计，完成股骨三维模型姿态的可视化。本发明利用双平面DR图像实现股骨的三维模型可视化，成像迅速。适用于股骨三维影像显示。
文档编号G06T19/20GK102651145SQ20121009963
公开日2012年8月29日 申请日期2012年4月6日 优先权日2012年4月6日
发明者孙绍斌, 孙金玮, 孟尚, 张斌 申请人:哈尔滨工业大学, 哈尔滨理工大学