基于坐标体系的骨盆CT三维重建的图像后处理方法与流程

本发明涉及一种医用图像处理方法，是一种基于坐标体系的骨盆ct三维重建的图像后处理方法，特别涉及一种骨盆骨折的移位分析及其移位程度的精确定量方法。

背景技术：

骨盆骨折常由高能量损伤导致，不稳定的骨盆骨折常合并各种并发症，诸如泌尿、肠道及神经血管等的损伤，其致残率和死亡率都较高。近年来，随着电子导航设备、内固定系统以及手术技术的进步，骨盆骨折的治疗逐渐向微创化和精准化手术转变，如何依靠现有的影像资料，掌握骨盆骨折的移位方式和移位程度是手术复位成功、减少并发症和获得良好预后的关键。但由于骨盆解剖结构的深在和特殊性，损伤机制的复杂性，不稳定骨盆骨折后其移位方式也多种多样。传统的影像资料诸如骨盆x片，因伪影遮挡、体位受限等的影响，较难确定骨折的具体移位及旋转方向。而二维ct图像可以显示骨折移位的位置，但要求有较强的空间三维想象能力，同时在显示移位的距离和角度，尤其是旋转移位时表现欠佳，无法用于指导复位。目前常用的骨盆ct三维重建图像可以动态、清晰地显示骨盆骨折的位置，并且观察损伤时移位及旋转方向。但是，因为缺乏具体的标准参照，没有具体的移位数值，导致遵循“逆力学损伤机制”进行复位的过程中施力的具体力度与方向无法把控与监督，使得靠现有的影像图像技术进行闭合复位甚至是有限切开复位治疗骨盆仍然十分困难。

为了弥补影像资料目前骨盆骨折移位显示和骨折复位方面的不足，国内外医师进行了很多努力，并根据影像资料建立了很多定性分析，而在定量分析方面，国内外暂无相关文献报道。目前国内外骨科医师最常用的定性分型为tile分型和young-burgess骨盆分型，是根据患者的受伤机制、解剖位置以及骨盆x片来制定的。在骨科临床工作中我们发现，这两种分型对于评价患者的骨折损伤情况、损伤机制，评估治疗方式、推测患者的病程转归及预后有重大作用。但对于骨折三维显示、尤其是不稳定骨折的精准复位指导帮助不够。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种骨盆ct三维图像的图像后处理及三维骨盆移位程度定量分析的建立方法，利用三维立体坐标体系对骨盆ct三维重建的图像进行后处理，建立几种操作简便、结构简单、重复性强、可准确显示和定量计算骨盆骨折移位程度和角度的骨盆移位分类方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

首先建立一种均值骨盆ct三维坐标体系，包括以下步骤：

201)采集ct数据：采集n个健康成人骨盆二维ct的n组原始数据；

202)建立三维模型：利用n组原始数据，分别建立n个三维模型ai，去除三维模型ai的股骨和腰椎，得到n个骨盆的三维模型bi；

203)装配三维模型：获取三维模型bi的重心bi，以重心bi为原点，建立坐标系bi；将n个三维模型bi连同坐标系bi一起重叠，得到基准坐标系b0和基准原点b0；

204)拟合对齐：利用最小二乘法原理，固定任意一个三维模型bj为参考模型，将所有其他三维模型bi和三维模型bj的骶尾骨部位进行最佳拟合对齐，获得一个拟合对齐后的三维模型c；

205)重建均值骨盆模型：以基准坐标系b0的xy平面为起始平面沿着z轴将三维模型c进行等层距平行双向切割，获得截面轮廓线，将获得的所有轮廓线统一装配，在每一个截面上均构建平面网格，记录z轴位点坐标，并获取和记录网格与轮廓线交点的点云数据，通过数学运算中的均值计算来获取均值点云数据，形成一系列平行于xy面的均值离散坐标点(xi，yi)，利用正交多项拟合曲线法排除偏离主点的点云，并将离散坐标点按照多项拟合曲线走向进行有次序地连接和封闭，将所有平行于xy平面的曲线通过点云逆向三维重建形成均值三维模型d；

206)建立均值骨盆三维坐标系d：获取三维模型d的重心d，以重心d为原点，建立坐标系d；

所述n≥5，i为1-n的任意自然数，j为1-n的任意自然数。

优选的，所述202)步骤中，建立三维模型ai后，进行阈值分割，并予区域增长将原始数据图像做去噪点处理，所述骨组织阈值＞226hu，再进行编辑蒙版，最后再去除三维模型ai的股骨和腰椎。

优选的，所述203)步骤中，所述坐标系bi面向骨盆正位水平面上过重心bi指向右侧为x轴，经过重心bi垂直于骨盆正位水平面向上为z轴，经过重心bi垂直于x、z轴指向骶骨为y轴。

进一步的，在进行203)步骤之前，先对三维模型bi进行表面松弛、重划网格优化处理。

进一步的，所述204)步骤中，通过以下公式处理，

设骨盆三维模型bi上一点p(x1,x2,x3),对应参照模型bj上的p'(y1,y2,y3),

线性转换公式为则p到p'的转换矩阵为本发明中模型bi和bj上拟合采样点为q个(q→∞)，并需使得q个对应采样点之间的距离之和最小，即最小,其中d为对应点之间的距离，

求解上述方程，可解的未知数aij的值，即可得到模型bi和bj的转换矩阵，完成三维模型的最佳拟合对齐。

优选的，所述205)步骤中，所述层距为1mm。

优选的，所述206)步骤中，所述坐标系d面向骨盆正位水平面上过重心d指向右侧为x轴，经过重心d垂直于水平面向上为z轴，经过重心d垂直于x、z轴指向骶骨为y轴。

基于坐标体系的骨盆ct三维重建的图像后处理方法，包括以下步骤：

101)采集病人骨盆ct数据：采集病人术前骨盆二维ct的病例数据；

102)建立病例三维模型：利用病例数据，建立病例三维模型，去除病例三维模型的股骨和腰椎，得到病例的骨盆三维模型；

103)在病例的骨盆三维模型中选择均值骨盆重心d为原点建立笛卡尔三维坐标系d或选择髂前下棘连线中点e为原点建立笛卡尔三维坐标系e；

104)获得骨盆骨折的距离移位和旋转移位：根据103)步骤中的坐标系分别计算骨折部投射在x、y、z轴的距离移位和旋转移位。

优选的，所述102)步骤中，建立病例三维模型后，进行阈值分割，并予区域增长将原始数据图像做去噪点处理，所述骨组织阈值＞226hu，再进行编辑蒙版，最后再去除病例三维模型的股骨和腰椎。

优选的，所述103)步骤中，以206)步骤中的重心d为原点，建立坐标系d。

优选的，所述103)步骤中，以髂前下棘连线中点为原点，建立坐标系e，所述坐标系e面向骨盆正位水平面上过髂前下棘连线中点e指向右侧为x轴，经过髂前下棘连线中点e垂直于骨盆正位水平面向上为z轴，经过髂前下棘连线中点e垂直于x、z轴指向骶骨为y轴。

进一步的，所述104)步骤中，计算骨折的距离移位及角度移位：

方法一、通过模拟游标卡尺的方法即“两平面法”：即在建模软件中，建立两个相互平行且垂直于移位轴的平面，通过小心平移两个平面，使得两平面均与移位骨块断端两侧恰好相切，且相切的两点为相互复位点，此时通过参数计算的两平面之间的距离即为移位的距离。计算骨折的角度移位：即移位骨块和健侧骨块相切的平面与移位轴平面形成的夹角之差。

方法二、401)利用建模软件以重心d为中心，以移位轴为对称轴，在对侧建立健侧骨盆的虚拟镜像u；

402)通过阈值分割、编辑蒙版，分离出移位骨块a，扫描移位骨块上的几何特征，并将移位骨块w的空间信息以点集的形式记录ai＝{(xi,yi,zi)}。将移位骨块a通过平移或者旋转使得与健侧镜像u恰好完全重合，得到b，采集此时的几何特征，以点集bi＝{(xi,yi,zi)}记录。

403)建立数学模型，利用采集的点集信息，分别求取ai和bi的均分平面la和lb，则骨块移位程度的定量分析，可以通过la和lb之间的距离及旋转移位来计算。具体计算方法为：设la的方程为a1x+b1y+c1z+d1＝0，lb为a2x+b2y+c2z+d2＝0；根据la和lb分别均分ai和bi，可知点集ai和bi上所有点分别到两平面的距离的平方之和最短，可利用点到面的距离公式及偏导数进行求解，即：可知a和b上的任一点到la和lb上的距离为：

则

则

利用上述方程可求的a1,b1,c1,d1即求得了la的方程式及其法向量，同理可求的lb的方程式及法向量，利用法向量的角度计算公式求取旋转角度θ及两平面的方程求取距离移位值。

方法三：501)同方法二得到移位骨块a，及可完全与镜像u完全重合的骨块b；502)利用geomagicstudio软件执行特征选择-均分平面操作，则可较粗略地得到均分移位骨块的平面la和lb的方程矩阵，继而求解。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的图像的数据来源为患者术前骨盆ct三维重建图像，该技术成熟、数据准确、获取容易，而采取的图像后处理方法中的定性及其中两种定量方法也较为简单，前期复杂的医学重建软件过程是为确定最佳原点及坐标系，实际运用过程中只需要将图像上建立我们确定的三轴坐标系即可完成骨折的三轴移位定性分析，用于指导术中的复位，尤其是闭合复位治疗骨盆骨折的治疗中。此方法简单易行，就算基层医院也可以实施，而且结果显示精确，符合目前精准化治疗的趋势，具有较大的推广价值。

2、本发明区别于传统的图像处理技术，将临床问题、放射影像图像、医学软件的配准技术、数学三维坐标系和精准医学有效地综合利用，在骨盆三维重建图片中将复杂的骨盆骨折分解成x、y、z三个坐标轴的移位，可将所有骨盆骨折都标准化一致化，做到操作简单、图像清晰、三维可视性和可重复性强。个体化地通过数学几何、偏导数的方法计算移位程度，计算定量结果准确。

3、创新性地将均值骨盆三维模型的重心骨盆原点建立坐标系。重心作为物体能够保持平衡的点，重心稳固不变是其能够维持稳定、受力平衡的重要因素。我们将重心作为原点，也作为骨盆骨折的移位参考点，参考骨盆原点及坐标轴位置，可对骨折骨块的移位情况进行可靠评估。重心也可作为骨盆术中的复位中心，这符合使骨盆环稳定平衡的复位标准，用于指导骨盆骨折的术中复位。因此，将重心定义为骨盆原点建立的三轴坐标系，可重复地应用于骨盆骨折倾斜度及旋转度的评估，以及骨盆骨折的移位程度的精确定量计算中。在骨盆移位的定性分析或较粗略地定量计算中，首次将逼近重心的两髂前下棘中点确定为骨盆原点建立了坐标系，极大的简化了运算过程和坐标系统，使之可应用于无相关基础的基层医院医生中，具有较大的推广价值和广阔的市场前景。

4、我科已初步将此图像后处理方法应用于骨盆骨折的手术复位中，相比于传统的手术治疗，具有手术切口小、复位速度快且正确率高、手术时间短、术中受辐射时间少、术后并发症较少及术后骨盆功能恢复良好等优点，matta评分标准优良率达94.54％，已取得了好的微创固定效果。

附图说明

图1本发明基于坐标体系的骨盆ct三维重建的图像后处理方法流程图；

图2为均值骨盆三维模型确定的骨盆原点和骨盆三维坐标系示意图；

图3为骨盆骨折距离及角度移位定量计算示意图；

图4为骨盆骨折位移定性分析示意图；

图2中，a为均值骨盆三维模型d；b为医学建模软件中显示的均值骨盆的重心d的位置o；c-f为在均值骨盆上建立的骨盆三维立体坐标系d；c为骨盆正位，d为入口位，e为出口位，f为左侧位；

图3中，a-d为患者1，为x轴上的距离移位，a为骨盆正位，b为左侧位，c和d示距离移位的定量计算方法。c为使用方法一示意图，建立两个相互平行且垂直于x轴的平面m1和n1，通过平移两个平面，使得两平面均与移位骨块两侧相切，且保证相切的两点为相互之间为复位点。d为使用方法二示意图，具体操作方法见实施方案104)。

e-g为患者2，表示的为旋转移位；e示骨盆正位，f为骨盆出口位，g和h示旋转移位的定量计算方法。g为方法一，计算移位骨块相切的平面m2与移位轴所在的平面y形成的夹角为α，而健侧骨块(或复位骨块)相切的平面n2与面y的夹角为β，则此骨盆骨折沿着z轴旋转移位的角度为|α-β|。h为方法二，通过求取均分平面la和lb的方程来计算旋转角度，利用求取旋转角度θ。

图4中，a为距离移位；b为x轴旋转移位，用右手法则，该示意图为x旋负移位；c为y轴旋转移位，左侧损伤用左手法则，c为y旋正；d为y轴旋转移位，右侧损伤用右手法则，为y旋负；e为z轴旋转移位，左侧损伤用左手法则，e为z旋正；f为z轴旋转移位，右侧损伤用右手法则，f为z旋负。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

实施例一：

201)采集ct数据：

在同一台ct机上筛选n个健康成人骨盆ct的原始数据，扫描参数为：电压120v，层厚1mm，层距1mm；扫描平面：使十字瞄准器对准耻骨联合上缘和双髂前上棘连线中点，下方到股骨中上段，上方位于中上腹平面；以dicom格式存储并刻录于光盘cd-rom上。

202)建立三维模型：

打开三维重建软件，选中目标的所有图像文件，将原始二维ct数据按默认方式导入，按照解剖位置设定图像方位得到三维模型ai。在菜单栏上根据设定的骨组织阈值(＞226hu)执行阈值分割，并予区域增长将图像做去除噪点处理。执行editmasks，利用工具erase和布尔运算分离各关节，去除股骨和腰椎，得到骨盆(左右髋骨及骶尾骨)蒙版；然后手动分别在矢状面、水平面和冠状面逐层封闭蒙版缺损，填充空隙，并通过膨胀和腐蚀操作关闭小空洞和边缘。执行calculate3d操作，并设定重建质量为最佳，对上述骨盆蒙板进行三维重建，得到对应的完全封闭的正常骨盆三维模型bi。

203)装配三维模型：

利用centerofcavity操作对操作202)中获得的骨盆三维模型bi求解其模型重心bi，并建立以骨盆重心bi为原点的右手坐标系：即面向骨盆正位水平面上过重心bi指向右侧为x轴，经过重心bi垂直于水平面向上为z轴，经过重心bi垂直于x、z轴指向骶骨为y轴。对纳入的每一个模型均执行上述操作，并进行模型的刚性变换即使得所有模型的重心坐标轴系和建模软件的世界坐标系匹配，重新定义骨盆的重心b0为骨盆坐标系原点，建立右手坐标系b0。

204)拟合对齐：

利用最小二乘法原理，固定一个正常骨盆三维模型bj为参考模型的基础上，将所有其他模型bi和参照模型bj的骶尾骨部位进行最佳拟合对齐，目的是为了使得所有模型骶尾骨部位重叠部分最多，后期进行最小二乘法时相对应的采样点之间的距离最短，获得一个拟合对齐后的三维模型c，具体的数学运算如下：

设骨盆三维模型bi上一点p(x1,x2,x3),对应参照模型bj上的p'(y1,y2,y3),线性转换公式为则p到p'的转换矩阵为本发明中模型bi和bj上拟合采样点为q个(q→∞)，并需使得q个对应采样点之间的距离之和最小，即最小,其中d为对应点之间的距离，

求解上述方程，可解的未知数aij的值，即可得到模型bi和bj的转换矩阵，完成三维模型的最佳拟合对齐。

205)重建均值骨盆模型：

根据步骤的204)中建立的三维模型c。然后以基准坐标系b0的xy平面(即通过原点b0的水平面)为起始平面沿着z轴进行等层距(1mm)平行双向切割，使得其与ct二维断层图像相互一致，获得截面曲线即为模型的轮廓线。然后将获得的所有轮廓线统一装配，在每一个截面上均构建平面网格，记录z轴位点坐标，并获取和记录网格与曲线交点的点云数据。通过数学运算中的均值计算来获取均值点云数据，形成一系列平行于xy面的均值离散坐标点，利用正交多项拟合曲线法排除偏离主点的点云，并将离散坐标点按照多项拟合曲线走向进行有次序地连接和封闭。最后将所有平行于xy平面的曲线通过点云逆向三维重建形成均值三维模型d。

206)建立均值骨盆三维坐标系d：

通过步骤205)，建立了均值骨盆三维模型d，将其导入医学建模软件中，再次使用centerofcavity求取其重心d，确定重心d的坐标位置位于骨盆上口与骨盆下口内，骶正中嵴上方平第四骶前孔(图2b)，即面向骨盆正位水平面上过重心d指向右侧为x轴，经过重心d垂直于水平面向上为z轴，经过重心d垂直于x、z轴指向骶骨为y轴。

所述n≥10，i为1-n的任意自然数，j为1-n的任意自然数。

101)采集病人骨盆ct数据：

采集病人术前骨盆二维ct的病例数据。

102)建立病例三维模型：

利用病例数据，建立病例三维模型，去除病例三维模型的股骨和腰椎，得到病例的骨盆三维模型，具体的，建立病例三维模型后，进行阈值分割，并予区域增长将原始数据图像做去噪点处理，所述骨组织阈值＞226hu，再进行编辑蒙版，最后再去除病例三维模型的股骨和腰椎。

103)在病例的骨盆三维模型中选择均值骨盆重心d为原点建立笛卡尔三维坐标系d：

以206)步骤中的重心d为原点，建立坐标系d。

104)获得骨盆骨折的距离移位和旋转移位：

根据103)步骤中的坐标系d进一步的，计算骨折的距离移位及角度移位：方法一、通过模拟游标卡尺的方法即“两平面法”：即在建模软件中，建立两个相互平行且垂直于移位轴的平面，通过小心平移两个平面，使得两平面均与移位骨块断端两侧恰好相切，且相切的两点为相互复位点，此时通过参数计算的两平面之间的距离即为移位的距离。计算骨折的角度移位：即移位骨块和健侧骨块相切的平面与移位轴平面形成的夹角之差。

方法二、(1)利用建模软件以重心d为中心，以移位轴为对称轴，在对侧建立健侧骨盆的虚拟镜像u；

(2)通过阈值分割、编辑蒙版，分离出移位骨块a，扫描移位骨块上的几何特征，并将移位骨块w的空间信息以点集的形式记录ai＝{(xi,yi,zi)}。将移位骨块a通过平移或者旋转使得与健侧镜像u恰好完全重合，得到b，采集此时的几何特征，以点集bi＝{(xi,yi,zi)}记录。

(3)建立数学模型，利用采集的点集信息，分别求取ai和bi的均分平面la和lb，则骨块移位程度的定量分析，可以通过la和lb之间的距离及旋转移位来计算。具体计算方法为：设la的方程为a1x+b1y+c1z+d1＝0，lb为a2x+b2y+c2z+d2＝0；根据la和lb分别均分ai和bi，可知点集ai和bi上所有点分别到两平面的距离的平方之和最短，可利用点到面的距离公式及偏导数进行求解，即：可知a和b上的任一点到la和lb上的距离为：

则则

利用上述方程可求的a1,b1,c1,d1即求得了la的方程式及其法向量，同理可求的lb的方程式及法向量，利用法向量的角度计算公式求取旋转角度θ及两平面的方程求取距离移位值。

方法三：(1)同方法二得到移位骨块a，及可完全与镜像u完全重合的骨块b；(2)利用geomagicstudio软件执行特征选择-均分平面操作，则可较粗略地得到均分移位骨块的平面la和lb的方程矩阵，继而求解。

实施例二：由于实施例一中的坐标原点d的获得方法较为复杂，在临床上可采用靠近d点的髂前下棘连线中点e代替，尤其适用于在骨盆移位的定性分析或较粗略地定量计算中，具体数据见表1。

101)采集病人骨盆ct数据：

采集病人术前骨盆二维ct的病例数据。

102)建立病例三维模型：

利用病例数据，建立病例三维模型，去除病例三维模型的股骨和腰椎，得到病例的骨盆三维模型，具体的，建立病例三维模型后，进行阈值分割，并予区域增长将原始数据图像做去噪点处理，所述骨组织阈值＞226hu，再进行编辑蒙版，最后再去除病例三维模型的股骨和腰椎。

103)在病例的骨盆三维模型中选择髂前下棘连线中点e为原点建立笛卡尔三维坐标系e：以髂前下棘连线中点为原点e，建立坐标系e,即面向骨盆正位水平面上过原点e指向右侧为x轴，经过原点e垂直于水平面向上为z轴，经过原点e垂直于x、z轴指向骶骨为y轴。

104)获得骨盆骨折的距离移位和旋转移位：

方法一、通过模拟游标卡尺的方法即“两平面法”：即在建模软件中，建立两个相互平行且垂直于移位轴的平面，通过小心平移两个平面，使得两平面均与移位骨块断端两侧恰好相切，且相切的两点为相互复位点，此时通过参数计算的两平面之间的距离即为移位的距离。计算骨折的角度移位：即移位骨块和健侧骨块相切的平面与移位轴平面形成的夹角之差。

方法二、(1)利用建模软件以重心d为中心，以移位轴为对称轴，在对侧建立健侧骨盆的虚拟镜像u；

(2)通过阈值分割、编辑蒙版，分离出移位骨块a，扫描移位骨块上的几何特征，并将移位骨块w的空间信息以点集的形式记录ai＝{(xi,yi,zi)}。将移位骨块a通过平移或者旋转使得与健侧镜像u恰好完全重合，得到b，采集此时的几何特征，以点集bi＝{(xi,yi,zi)}记录。

(3)建立数学模型，利用采集的点集信息，分别求取ai和bi的均分平面la和lb，则骨块移位程度的定量分析，可以通过la和lb之间的距离及旋转移位来计算。具体计算方法为：设la的方程为a1x+b1y+c1z+d1＝0，lb为a2x+b2y+c2z+d2＝0；根据la和lb分别均分ai和bi，可知点集ai和bi上所有点分别到两平面的距离的平方之和最短，可利用点到面的距离公式及偏导数进行求解，即：可知a和b上的任一点到la和lb上的距离为：

则则

利用上述方程可求的a1,b1,c1,d1即求得了la的方程式及其法向量，同理可求的lb的方程式及法向量，利用法向量的角度计算公式求取旋转角度θ及两平面的方程求取距离移位值。

方法三：(1)同方法二得到移位骨块a，及可完全与镜像u完全重合的骨块b；(2)利用geomagicstudio软件执行特征选择-均分平面操作，则可较粗略地得到均分移位骨块的平面la和lb的方程矩阵，继而求解。

表1各标志点左右侧及连线中点的坐标及其到骨盆重心d的距离(单位：mm)

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。