CN110809451B - 用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换确定 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的计算机实现的方法(200)和装置。获取(202)对象的断裂骨骼的图像。骨骼断裂成两个或更多个碎片。获取对应的未断裂骨骼的模型以及至少一个参数。所述至少一个参数定义当将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片时允许的对所述模型的一种或多种变形(204)。基于所述至少一个参数，将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片(206)。确定将所述断裂骨骼的所述碎片与所述模型的对应部分在解剖学上对齐的变换(208)。

Description

用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换确定
技术领域
本公开涉及图像处理领域，并且具体地涉及用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖上对齐的变换的方法和装置。
背景技术
复杂骨折(例如肱骨、股骨或胫骨的骨折)的处置可能很复杂，尤其是在老年患者中。用于固定复杂骨折的若干不同技术是可用的，例如髓内设备、钢板和螺钉或者外部固定。手术过程中的第一步骤是骨折复位，即，在能够完成完全固定之前，以开放的方式(例如，切开复位内固定，ORIF)或微创的方式(例如，微创钢板固定，MIPO)将骨骼碎片移动到正确的位置。
在进行骨折复位之前，外科医生必须确定如何将骨骼碎片正确地对齐，而这需要详细的规划，以便以最佳方式组装碎片。医学图像(例如X射线或计算机断层摄影(CT)图像)可以提供需要重新组装的骨骼碎片的数量及其位置的指示。外科医生还可以利用虚拟规划工具，该工具使他们能够查看和移动骨骼图像的部分以确定骨骼碎片需要被移动以重新组装或重构骨骼的方式。然而，这样的工具通常需要在计算机屏幕上进行大量的用户交互。该用户交互可能是乏味的并且容易出错。
在一些现有工具中，外科医生可以由将模型拟合至断裂骨骼的碎片的计算机程序来支持。然而，这样的工具的准确性会受所使用的模型的准确性妨碍。特别地，一些工具假设身体是对称的，因此例如使用左腿中的未断裂骨骼的模型的映像来重构右腿中的等效断裂骨骼。这些方法的缺点在于身体不一定是对称的，因此该方法可能产生不可靠的结果。此外，当规划对不存在等效对称骨骼的骨骼的重构时，不能使用这些方法。此外，由于用于重构的模型可能无法恰当地表示要重构的骨骼，因此如果在实践中遵循，则重构的质量将很差，并且可能有危害患者的健康的风险。
Jan Buschbaum等人的“Computer-assisted fracture reduction：a newapproach for repositioning femoral fractures and planning reduction paths”(Int J CARS(2015)10：149-159)中公开了一种用于将骨折的骨骼以它们的正确解剖学对齐方式重新定位的自动骨折复位技术。在所公开的技术中，从CT扫描中分割出骨骼碎片，并创建虚拟三维(3D)模型。该技术基于模型的计算出的表面曲率来提取骨折线，并且然后通过使用表面特性重构骨折边缘并重新定位碎片。然而，因为该方法假设在曲率最高的地方一定存在骨折，因此该技术容易出错，因此也产生不可靠的结果。如果初始分割的准确度不够高，则这可能导致通过该方法传播的错误。
Albrecht等人的“Automatic Fracture Reduction”(MeshMed 2012，LNCS7599卷，第22-29页，2012年)描述了一种基于从CT扫描中分割出的表面网格来自动重新定位断裂骨骼的碎片的方法。
Gong等人的“Reduction of Multi-Fragment Fractures of the Distal RadiusUsing Altas-based 2D/3D Registration”(Medical Imaging 2009，Proc.Of SPIE Vol7261)描述了一种将具有变化的形状的挠骨远端图集拟合至一组共配准的互操作X射线图像的方法。
然而，需要一种用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的改进的方法和装置。
发明内容
如上所述，现有方法的缺陷在于，这些方法容易出错，并且因此产生用于规划对象的断裂骨骼的重新对齐或重构的不可靠的信息，这在实践中遵循时可能会对对象产生不利影响。因此，期望提供一种用于确定将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的改进的方法和装置。
因此，根据第一方面，提供了一种用于确定将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的计算机实现的方法。所述方法包括获取对象的断裂骨骼的图像，其中，所述骨骼断裂成两个或更多个碎片。所述方法还包括：获取对应的未断裂骨骼的模型以及定义当将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片时允许的对所述模型的一种或多种变形的至少一个参数；基于所述至少一个参数，将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片；并且确定将所述断裂骨骼的所述碎片与所述模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。
特别地，可以获取对象的断裂骨骼的3D图像。所述模型可以是3D网格模型。所述模型可以被划分成对应于所述断裂骨骼的所述碎片的部分。所述部分可以拟合至所述3D图像中的所述断裂骨骼的对应碎片。所述拟合可以包括调节所述未断裂骨骼的所述模型的所述部分。所述调节可以被限制于由所述(一个或多个)参数定义的所述一种或多种变形。基于所述模型的所拟合的部分，可以确定将所述断裂骨骼的所述碎片与所述未断裂骨骼的未划分的模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。
在一些实施例中，所述对应的未断裂骨骼的所述模型可以包括根据其他对象的一个或多个对应的未断裂骨骼导出的网格。例如，所述网格可以是表面网格或体积网格，例如，四面体网格。
在一些实施例中，将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片可以包括根据所述至少一个参数来调节所述模型，以将所述未断裂骨骼的所述模型的所述部分拟合至所述断裂骨骼的所述对应碎片。
在一些实施例中，所述至少一个参数可以定义以下中的任何一项或多项：所述模型可调节的一个或多个方向；所述模型可调节的一个或多个维度；所述模型的一部分的位置相对于所述模型的另一部分的位置可调节的程度的上限；以及所述模型的一部分的位置相对于所述模型的另一部分可调节的程度的上限。在一些实施例中，所述至少一个参数可以与对所述模型的不同部分的允许的变形的参数空间有关。
在一些实施例中，所述方法还可以包括：获取所述对象的属性；并且将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片可以包括：将允许的变形的所述参数空间限制于对应于与所述对象的所获取的属性一致的未断裂骨骼的形状的变形。例如，如果所述模型是体积网格，则所述属性可以是所述图像数据中的所有骨骼碎片的体积的尺寸。允许的变形的参数空间可以被限制为使得拟合至所述图像数据的所有体积网格部分的体积都对应于所述体积。
在一些实施例中，所述方法还可以包括：确定关于所述对象的所述断裂骨骼的所述碎片的信息；并且基于所述信息来调节所确定的变换，以将所述断裂骨骼的所述碎片在解剖学上对齐。在一些实施例中，确定的关于所述对象的所述断裂骨骼的所述碎片的所述信息可以包括指示所述碎片中的密度变化的信息。在一些实施例中，根据所述对象的所述断裂骨骼的所述碎片确定的所述信息可以包括指示所述断裂骨骼的所述碎片中的一个或多个小梁结构的位置的信息；并且调节可以包括：基于指示所述一个或多个小梁结构的所述位置的所述信息来调节所确定的变换，以将所述一个或多个小梁结构在解剖学上对齐。在一些实施例中，所述一个或多个小梁结构的所述位置可以根据所述碎片中的密度变化来获取。
在一些实施例中，拟合可以包括将所述模型划分成对应于所述断裂骨骼的所述碎片的部分。在一些实施例中，划分可以包括：对于所述断裂骨骼的所述碎片中的一个或多个碎片，识别所述碎片的已经脱离至少一个其他碎片的表面；并且沿所述模型中的对应表面划分所述模型。
在一些实施例中，所述模型可以是统计形状模型，并且所述至少一个参数可以包括所述统计形状模型的至少一种本征模式。
根据第二方面，提供了一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，所述计算机可读介质在其中具有计算机可读代码，所述计算机可读代码被配置为使得在由合适的计算机或处理器运行时，使所述计算机或处理器执行如前面所描述的方法。
根据第三方面，提供了一种用于确定将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的装置。所述装置包括处理器，所述处理器被配置为：获取对象的断裂骨骼的图像，其中，所述骨骼断裂成两个或更多个碎片。所述处理器还被配置为：获取对应的未断裂骨骼的模型以及定义当将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片时允许的对所述模型的一种或多种变形的至少一个参数；基于所述至少一个参数将所述未断裂骨骼的所述模型的部拟合至所述断裂骨骼的对应碎片并且确定将所述断裂骨骼的所述碎片与所述模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。
根据上述各方面和实施例，解决了现有技术的缺陷。具体地，根据上述各方面和实施例，获取了对应的未断裂骨骼的模型和描述在将未断裂骨骼的模型的对应部分拟合至断裂骨骼的碎片时允许的对模型的一种或多种变形的至少一个参数。这样，当将未断裂骨骼的模型的对应部分拟合至断裂骨骼的碎片时，允许根据至少一个参数对模型的变形。这能够确保用于确定变换的模型在图像中准确地反映骨骼(例如，形状)。与假设固定模型相比，这提供了更准确的拟合，因此将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的所确定的变换更加可靠。
因此，提供了一种用于确定将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的改进的方法和装置，其克服了现有问题。
附图说明
为了更好地理解本发明，并更清楚地显示如何实施本发明，现在仅通过示例对附图进行引用，在附图中：
图1是根据实施例的用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的装置的框图；
图2示出了根据实施例的用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的计算机实现的方法；
图3示出了断裂骨骼的示例性图像；并且
图4示出了根据实施例的在解剖学对齐之前和之后的断裂骨骼的模型的示例。
具体实施方式
如上所述，提供了一种用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的改进的方法和装置，其克服了现有问题。
图1示出了根据实施例的装置100的框图，该装置可以用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换。参考图1，装置100包括处理器102，该处理器控制装置100的操作并且可以实施本文描述的方法。处理器102可以包括一个或多个处理器、处理单元、多核处理器或模块，其被配置或编程为以本文所述的方式控制装置100。在具体实施方式中，处理器102可以包括多个软件和/或硬件模块，其各自被配置为执行或用于执行本文描述的方法的单个或多个步骤。
简言之，装置100的处理器102被配置为获取对象的断裂骨骼的图像，其中，骨骼断裂成两个或更多个碎片，并且还被配置为获取对应的未断裂骨骼的模型以及定义当将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片时允许的对模型的一种或多种变形的至少一个参数。处理器102还被配置为基于所述至少一个参数将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片，并且确定将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。
在本文描述的实施例中的任何中，图像可以是二维图像、三维图像或任何其他维度图像。图像可以例如是断裂骨骼的医学图像或任何其他类型的图像。医学图像的示例包括但不限于断裂骨骼的计算机断层摄影(CT)图像(例如，来自CT扫描)，例如C形臂CT图像，谱CT图像或相衬CT图像，X射线图像(例如，来自X射线扫描)，磁共振(MR)图像(例如，来自MR扫描)，或任何其他医学图像。虽然已经针对图像的类型提供了示例，但是本领域技术人员将理解，本文提供的教导可以等同地应用于其中存在断裂骨骼的任何其他类型的图像。
如前所述，图像中的对象的断裂骨骼断裂成两个或更多个(即多个)碎片。因此，图像至少包括断裂骨骼的两个或更多个不同的碎片。然而，将理解，图像可能不一定包括整个骨骼，并且可以例如仅包括断裂骨骼的包含断裂的部分。图像中的骨骼可以是任何骨骼，例如股骨、胫骨、尺骨、挠骨、肋骨或任何其他骨骼，或骨骼的任何组合。
如前所述，获取对应的未断裂骨骼的模型以供处理器102使用。对应的未断裂骨骼的模型可以是对应的未断裂骨骼的二维模型、对应的未断裂骨骼的三维模型，或对应的未断裂骨骼的任何其他维度的模型。将理解，未断裂骨骼的对应在于它是与图像中的骨骼相同类型的骨骼的模型。例如，如果图像中的断裂骨骼是左股骨，则对应的未断裂骨骼的模型就是未断的左股骨的模型。换句话说，未断裂骨骼的对应在于它表示未断裂形式的断裂骨骼。虽然已经针对图像和模型中的骨骼的类型提供了示例，但是将理解，图像可以包括断裂成两个或更多个碎片的任何类型的骨骼，并且模型可以包括与图像中的骨骼对应的任何类型的骨骼。
在一些实施例中，如图1所示，装置100可以包括至少一个用户接口104。备选地或另外，至少一个用户接口104可以在装置100外部(即，与其分离或远离其)。例如，至少一个用户接口104可以是另一设备的一部分。用户接口104可以用于向装置100的用户(例如，医务人员、健康护理提供者、健康护理专家、护理人员、对象或任何其他用户)提供由根据本文的实施例的方法产生的信息。处理器102可以被配置为控制一个或多个用户接口104来提供由根据本文的实施例的方法产生的信息。例如，处理器102可以被配置为控制一个或多个用户接口104来绘制(或输出或显示)断裂骨骼的图像、对应的未断裂骨骼的模型、拟合至图像中的断裂骨骼的碎片的未断裂骨骼的模型、将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的所确定的变换、和/或示出了所确定的变换被应用于模型以将断裂骨骼的碎片重新布置(或重新组装)成未断裂形式的对断裂骨骼的虚拟重构(或重新组装)。备选地或另外，用户接口104可以被配置为接收用户输入。换句话说，用户接口104可以允许装置100的用户手动输入指令、数据或信息。处理器102可以被配置为从一个或多个用户接口104获取用户输入。
用户接口104可以是使得能够向装置100的用户绘制(或输出或显示)信息、数据或信号的任何用户接口。备选地或另外，用户接口104可以是使装置100的用户能够提供用户输入、与装置100交互和/或控制该装置的任何用户接口。例如，用户接口104可以包括一个或多个开关、一个或多个按钮、小键盘、键盘、触摸屏或应用(例如，在平板计算机或智能电话上)、显示屏、图形用户接口(GUI)或其他视觉绘制部件、一个或多个扬声器、一个或多个麦克风或任何其他音频部件、一个或多个灯、用于提供触觉反馈(例如，振动功能)的部件、或任何其他用户接口、或用户接口的组合。
在一些实施例中，如图1所示，装置100还可以包括存储器106，该存储器被配置为存储可以由处理器102运行以执行本文描述的方法的程序代码。备选地或另外，一个或多个存储器106可以在装置100外部(即，与其分离或远离其)。例如，一个或多个存储器106可以是另一设备的一部分。存储器106可以用于存储由装置100的处理器102或从装置100外部的任何接口、存储器或设备获取或制作的图像、信息、数据、信号和测量结果。处理器102可以被配置为控制存储器106来存储图像、信息、数据、信号和测量结果。例如，存储器106可以用于存储断裂骨骼的图像、对应的未断裂骨骼的模型、拟合至图像中的断裂骨骼的碎片的未断裂骨骼的模型、将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的所确定的变换、和/或示出了所确定的变换被应用于模型以将断裂骨骼的碎片重新布置(或重新组装)成未断裂形式的对断裂骨骼的虚拟重构(或重新组装)。
在一些实施例中，如图1所示，装置100还可以包括用于使装置100能够与在装置100内部或外部的任何接口、存储器和设备进行通信的通信接口(或电路)108。通信接口108可以无线地或经由有线连接与任何接口、存储器和设备进行通信。例如，在一个或多个用户接口104在装置100外部的实施例中，通信接口108可以无线地或经由有线连接与一个或多个外部用户接口104进行通信。类似地，在一个或多个存储器106在装置100外部的实施例中，通信接口108可以无线地或经由有线连接与一个或多个外部存储器106进行通信。
将理解的是，图1仅示出了说明本公开的该方面所需的部件，并且在实际实施方式中，装置100可以包括除了所示部件之外的附加部件。例如，装置100可以包括用于为装置100供电的电池或其他电源，或者包括用于将装置100连接至市电电源的装置。
图2示出了用于确定将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的计算机实现的方法200。所说明的方法200通常可以由装置100的处理器102执行或在装置的处理器的控制下执行。根据一些实施例，该方法可以是部分或完全自动化的。
简言之，参考图2，该方法包括：获取对象的断裂骨骼的图像(在图2的框202处)，其中，骨骼断裂成两个或更多个碎片；并且获取对应的未断裂骨骼的模型以及定义当将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片时允许的对模型的一种或多种变形的至少一个参数(在图2的框204处)。该方法还包括：基于所述至少一个参数将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片(在图2的框206处)，并且确定将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换(在图2的方框208处)。
更详细地，在图2的框202处，获取对象的断裂骨骼的图像，其中，骨骼断裂成两个或更多个碎片。在本文公开的实施例中的任何中，可以假设对象的断裂骨骼的两个或更多个碎片的总体积等于对象的未断裂骨骼的体积。装置的处理器102获取对象的断裂骨骼的图像。
在一些实施例中，处理器102可以从成像设备(或医学成像设备)获取对象的断裂骨骼的图像。例如，在图像是计算机断层摄影(CT)图像的实施例中，处理器102可以从CT扫描器获取对象的断裂骨骼的CT图像。类似地，例如，在图像是X射线图像的实施例中，处理器102可以从X射线机获取对象的断裂骨骼的X射线图像。在一些实施例中，对象的断裂骨骼的图像可以被存储在存储器(例如，数据库的存储器、服务器或任何其他存储器)中。例如，处理器102可以从存储器下载对象的断裂骨骼的图像。存储器106可以是装置100的存储器或装置100外部的存储器。
返回图2，在框204处，获取对应的未断裂骨骼的模型以及定义当将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片时允许的对模型的一种或多种变形的至少一个参数。更具体地，装置的处理器102获取对应的未断裂骨骼的模型以及定义对模型的一个或多个允许的变形的至少一个参数。
通常，所获取的模型包括断裂骨骼以其未断裂形式的形状的指示。例如，所获取的模型可以根据未断裂骨骼的一般形状来成形。在一些实施例中，未断裂骨骼的所获取的模型是根据其他对象的一个或多个对应的未断裂骨骼导出(或基于其生成)的模型。换句话说，未断裂骨骼的所获取的模型可以是根据其他对象的一个或多个未断裂骨骼导出(或基于其生成)的模型，其他对象的一个或多个未断裂骨骼与图像中的对象的断裂骨骼是相同类型的骨骼。因此，可以根据其他对象的一根或多根对应的未断裂骨骼的特性对未断裂骨骼的所获取的模型进行成形。例如，可以根据其他对象的一根或多根对应的未断裂骨骼的平均(或均值)形状对模型进行成形。其他对象可以是健康对象的参考人群。其他对象的一根或多根对应的未断裂骨骼可以代表一系列骨骼形状和/或尺寸。
替代或除了其他对象的一根或多根对应的未断裂骨骼，在一些实施例中，未断裂骨骼的模型可以根据一根或多根对应的未断裂骨骼的医学文献、一根或多根对应的未断裂骨骼的医学研究、和/或由的医学专业人员对一根或多跟对应的未断裂骨骼的绘图导出(或基于其生成)。
在一些实施例中，对应的未断裂骨骼的模型可以包括多个可调节的控制点，其中每个控制点可以对应于模型的表面上的不同点。控制点是可调节的，以使对应的未断裂骨骼的模型变形。在一些实施例中，对应的未断裂骨骼的所获取的模型可以包括网格。因此，在这些实施例中，所获取的网格可以是根据其他对象的一根或多根对应的未断裂骨骼、医学文献、医学研究和/或由医学专业人员进行的绘图导出的网格。网格可以包括多个分段。在一些实施例中，分段可以是任何形状的多边形，因此网格可以是任何形状的多边形网格。例如，分段可以是三角形的分段，因此该网格可以是三角形网格。然而，虽然提供了示例，但是将理解，任何其他形状的分段都是可能的，因此任何其他形状的网格也是可能的。在示例中，对应的未断裂骨骼的模型可以包括代表对应的未断裂骨骼的典型解剖学平均形状的表面网格，以及可选的还有体积信息(例如(例如，空间编码的)小梁密度)和取向信息，这将在下文中更详细地进行解释。在另一示例中，对应的未断裂骨骼的模型可以包括体积网格，例如四面体网格。
如前所述，除了在图2的框204处获取对应的未断裂骨骼的模型之外，还获取至少一个参数。所获取的至少一个参数定义(或描述或设定)当将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片时允许的对模型的一种或多种变形(或调节)。
例如，在一些实施例中，至少一个参数可以定义模型的一部分的位置可变形(或可调节)的程度的上限。备选地或另外，至少一个参数可以定义模型的一部分的位置相对于模型的另一部分可变形(或可调节)的程度的上限。备选地或另外，至少一个参数可以定义模型可变形(或可调节)的一个或多个方向。备选地或另外，至少一个参数可以定义模型可变形(或可调节)的一个或多个维度。在其中至少一个参数定义程度的上限的实施例中，模型的一部分的位置可变形(或可调节)的程度可以处在特定方向和/或维度上。
替代或除了以上中的任何一项，至少一个参数可以与对模型的不同部分的允许的变形(或调节)的参数空间有关。例如，至少一个参数可以定义在参数空间中对模型的特定控制点或在参数空间中对模型的控制点的特定组合的允许的变形(或调节)的范围，和/或可以定义例如当处于特定的变形模式时在参数空间中模型的一个或多个控制点可以允许被变形的程度。对模型的允许的变形(或调节)可以对应于参数空间中的模型的一个或多个控制点的位置。因此，在参数空间中模型的一个或多个控制点的不同位置可以对应于不同的骨骼形状。
根据本文描述的实施例中的任何，例如，可以根据一个或多个对应的未断裂骨骼的至少一种特性来设定定义对模型的一个或多个允许的变形的至少一个参数。至少一种特性可以包括例如一个或多个对应的未断裂骨骼的尺寸的范围、一个或多个对应的未断裂骨骼的一般形态、或者一个或多个对应的未断裂骨骼的任何其他特性或特性的任何组合。例如，可以基于一个或多个对应的未断裂骨骼的最大和最小比例来定义(或设定)先前描述的上限。因此，至少一个参数确保在拟合过程中对所获取的模型进行的任何变形(或调节)(将在下文进行描述)与一个或多个对应的未断裂骨骼一致，并且因此是合理的。
在一些实施例中，对应的未断裂骨骼的所获取的模型可以是统计形状模型。在这些实施例中，至少一个参数可以是所获取的模型的一个或多个控制点的本征模式。所获取的模型的控制点的本征模式定义了对控制点允许的变化(或振动或移动)的模式。例如，在一些实施例中，所获取的模型的控制点的本征模式定义了对所获取的模型的一个或多个其他控制点的调节影响(或约束)所获取的模型中的控制点的位置的方式。
因此，以上述方式，获取了对应的未断裂骨骼的模型以及定义对该模型的一个或多个允许的变形的至少一个参数。然后，返回到图2，在框206处，基于至少一个参数，将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片。更具体地，装置100的处理器102执行未断裂骨骼的模型的部分到断裂骨骼的对应碎片的拟合。
在一些实施例中，在框206处将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片可以包括将未断裂骨骼的模型划分(或分割)成对应于图像中断裂骨骼的碎片的部分。在一些实施例中，这可以通过以下操作来执行：将未断裂骨骼的模型的一部分拟合至图像中的断裂骨骼的对应碎片，然后在该碎片脱离至少一个其他碎片的点(或多个点)处对该模型进行划分(或分割)。这使得未断裂骨骼的模型的一部分被拟合至断裂骨骼的对应碎片，而未断裂骨骼的模型的一个或多个其他部分随后可以拟合至骨骼的其他碎片。因此，对于断裂骨骼的碎片中的一个或多个碎片，可以识别与至少一个其他碎片断裂(例如，脱离)的碎片的表面，并且可以沿模型中的对应表面对未断裂骨骼的模型进行划分(或分割)。如前所述，随后可以将未断裂骨骼的模型的一个或多个其余部分拟合至图像中的断裂骨骼的一个或多个其他碎片。以这种方式，可以在没有重叠的情况下将未断裂骨骼的模型的各部分拟合至图像中的断裂骨骼的不同碎片。
在一些实施例中，在图2的框206处基于至少一个参数将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片可以包括根据至少一个参数来调节模型以将未断裂骨骼的模型的部分拟合至图像中的断裂骨骼的对应碎片。例如，在一些实施例中，对于未断裂骨骼的模型的部分中的一个或多个部分，拟合过程可以包括将模型的部分的多种不同变形(其例如对应于不同的骨骼形状)拟合至图像中的断裂骨骼的对应碎片，以确定哪种变形(例如哪种骨骼形状)为模型的部分提供了到图像中的断裂骨骼的对应碎片的最佳拟合，并且选择最佳拟合变形模型以用于该方法的其余部分中。以这种方式，使用了模型的变形版本，该变形版本最准确地反映了对象的骨骼的真实形状，因此改善了碎片的解剖学对齐。
如前所述，将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片是基于至少一个参数的。以这种方式，能够确保被选择用于该方法的其余部分中的模型的变形版本准确地代表了真实的骨骼。
在本文所述的实施例中的任何中，在图2的框206处基于至少一个参数将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片可以包括获取对象的属性并基于对象的所获取的属性来限制(例如，用于拟合过程中的)允许的变形的参数空间。例如，在一些实施例中，可以基于对象的所获取的属性通过将参数空间限制于对应于与对象的所获取的属性一致(例如，在解剖学上一致)的未断裂骨骼的形状的变形来限制允许的变形的参数空间。因此，在一些实施例中，可以获取对象的属性并且可以确定与所获取的属性在解剖学上一致的骨骼形状的范围。在这个意义上，与对象的所获取的属性一致(例如，在解剖学上一致)的未断裂骨骼的形状可以是对于具有对象的所获取的属性的对象在解剖学上看似合理的那些形状。
在一些实施例中，对象的所获取的属性可以例如是对象的临床属性或物理属性，例如对象的体重、对象的身高或对象的任何其他属性或属性的组合。对于任何临床属性或物理属性，对于不同对象而言一系列骨骼形状和尺寸是可能的。这样，对于任何给定的属性值，可以使用映射来确定限制允许的变形的参数空间的方式。可以基于针对具有不同属性值的不同人观察到的骨骼形状的分布，凭经验确定这种映射。将理解，映射的细节可以例如取决于骨骼的类型、所选属性以及拟合所需的准确度。
在其他实施例中，所获取的属性是对象的断裂骨骼的几何属性。例如，该几何属性可以是断裂骨骼的至少一部分的体积、断裂骨骼的至少一部分的周长、断裂骨骼的至少一部分的半径、断裂骨骼的至少一部分的表面积、或任何其他几何属性、或几何属性的任何组合。在获取对象的断裂骨骼的几何属性的实施例中，参数空间可以被限制于对应于具有与断裂骨骼大致相同的几何属性的骨骼形状的未断裂骨骼的模型的变形。在一些实施例中，可以通过处理断裂骨骼的图像以确定几何属性或通过处理断裂骨骼的另一图像(例如，以与模型被拟合至的图像的模态不同的模态(例如，计算机断层摄影、x射线或其他任何模态)的骨骼的图像)来获取几何属性。
通过例如以上述方式基于对象的所获取的属性来限制允许的变形的参数空间，可以减小拟合过程所需的计算能力。特别地，避免了使用不必要的计算能力，这种计算能力否则将被用于试图将不合情理的骨骼形状拟合至断裂骨骼的碎片(例如，与对象的所测量的属性不一致的骨骼形状)。在一些实施例中，可以根据可用的计算能力来设定对允许的变形的参数空间的适当限制。
在一些实施例中，可以使用其他拟合方法来将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片。例如，可以使用可变形的轮廓拟合，其使用作用在模型上的“力”来约束拟合，从而使模型的表面与未断裂骨骼的图像的边界对齐。在这种拟合方法中，将将模型拉到骨骼碎片边界的“力”(“外部能量”)针对试图维持平均模型形状的“力”(“内部能量”)进行权衡。内部能量防止模型被变形成不再代表骨骼的形状，而外力则促使模型被变形为实际的骨骼形状。在这样的拟合方法中，找到了从断裂骨骼的每个碎片到未断裂骨骼的模型的对应部分的初始全局变换(例如，根据全局仿射变换(例如缩放因子)对模型进行缩放)以考虑患者尺寸对该模型进行缩放。然后，通过基于外部能量和内部能量的平衡进行局部变形来调节经缩放的模型。在一些实施例中，在拟合中不包括骨折位置处的骨骼表面。即使在图像中骨骼是断裂的，这也会导致代表未断裂骨骼的单个分割。
因此，以上述方式，基于至少一个参数，在图2的框206处将未断裂骨骼的模型的对应部分拟合至断裂骨骼的碎片。
然后，在图2的框208处，确定将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。更具体地，装置100的处理器102确定该变换。确定将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换可以包括断裂骨骼的碎片的平移、断裂骨骼的旋转、或断裂骨骼的碎片的平移和断裂骨骼的旋转的组合。因此，该变换可以是任何仿射变换，其可以包括平移、旋转、缩放、切变或任何其他仿射变换中的任何一个或多个，或仿射变换的任何组合。将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换可以根据将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换来确定。将未断裂骨骼的模型的一部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换可以是例如从未断裂骨骼的模型的初始位置和取向到被拟合至断裂骨骼的对应碎片的未断裂骨骼的模型的最终位置和取向。
例如，可以将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换可以被确定为与将未断裂骨骼的模型的该部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换具有相同幅值。备选地或另外，将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换可以被确定为是将未断裂骨骼的模型的该部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换的反向(或逆或相反)。因此，例如，在将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换涉及在特定方向上的平移的情况下，将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换可以被确定为是在相反方向上的平移。类似地，在将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所需的变换涉及在特定方向上的旋转的情况下，将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换可以被确定为是在相反方向上的旋转。
在示例中，如果确定将未断裂骨骼的模型的一部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换涉及围绕未断裂骨骼的纵轴沿顺时针方向旋转10度以及沿未断裂骨骼的纵轴在第一方向上平移10cm，则将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的平移可以被确定为围绕断裂骨骼的纵轴沿逆时针方向旋转10度以及沿未断裂骨骼的纵轴在第二方向平移10cm，其中第二方向与第一方向相反。
因此，以上述方式，可以确定将断裂骨骼的碎片与彼此在解剖学上重新对齐的变换。虽然一些简单示例已经提供了变换被确定的方式，但是将理解，将未断裂骨骼的模型的部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换以及因此将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐所必需的变换可能是更复杂的，但上述相同的一般原理适用。
虽然在图2中未示出，但是在本文描述的实施例中的任何中，该方法还可以包括：确定(或获取)关于对象的断裂骨骼的碎片的信息；并且基于所确定(或所获取)的信息来调节在图2的框208处确定的变换，以将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐。关于对象的断裂骨骼的碎片的信息可以包括一种或多种(例如，表面或体积)骨骼特性，并且通过基于一种或多种骨骼特性来调节变换，能够确保跨断裂骨骼的两个或更多个碎片的一种或多种体积骨骼特性的平滑度。在一些实施例中，关于对象的断裂骨骼的碎片的信息可以用于细化本文描述的方法的结果或提供对本文描述的方法的结果是正确的核查。根据一些实施例，可以在对应的未断裂骨骼的所获取的模型中对信息进行编码(例如，空间编码)。
在一些实施例中，关于对象的断裂骨骼的碎片的信息(或一种或多种骨骼特性)可以包括断裂骨骼的参考(或界标)特征，例如几何特征。断裂骨骼的参考特征可以是跨度断裂骨骼的碎片中的两个或更多个碎片的任何特征。几何特征的示例包括但不限于断裂骨骼的表面特征(例如条纹，或骨骼的任何其他表面特征)或断裂骨骼的任何其他几何特征。在这些实施例中，例如，所确定的变换可以被调节以将碎片中的两个或更多个碎片中的参考特征对齐。
备选地或另外，在一些实施例中，关于对象的断裂骨骼的碎片的信息(或一种或多种骨骼特性)可以包括指示骨骼的内部特征的信息。例如，在一些实施例中，关于对象的断裂骨骼的碎片的信息可以包括指示对象的断裂骨骼的碎片中的密度变化的信息。在一些实施例中，例如，可以使用暗场成像或用于确定密度变化的任何其他技术来确定密度变化。指示对象的断裂骨骼的碎片中的密度变化的信息可以指示断裂骨骼的碎片内的具有特定(例如，相同或相似)密度的一个或多个区域的位置。在这些实施例中，例如，所确定的变换可以被调节以将断裂骨骼的碎片的密度变化对齐。
备选地或另外，在一些实施例中，关于对象的断裂骨骼的碎片的信息(或一种或多种骨骼特性)可以包括指示断裂骨骼的碎片中的一个或多个小梁结构(例如，微结构)的位置的信息。小梁结构是例如小的细长组织元件。在一些实施例中，一个或多个小梁结构的位置可以根据碎片中的密度变化来获取。如前所述，例如，可以使用暗场成像或用于确定密度变化的任何其他技术来确定密度变化。在一些实施例中，确定(或获取)针对其的信息的一个或多个小梁结构可以与骨髓相关联。在这些实施例中的任何实施例中，可以基于模型中包括的指示一个或多个小梁结构的位置的信息来调节所确定的变换，以将骨骼的一个或多个小梁结构在解剖学上对齐。例如，一个或多个小梁结构的对齐的质量可以在确定变换时用作约束。例如，约束可以表达对在两个骨骼碎片之间的骨折的任一侧的小梁结构的偏好，以平滑地对齐。通过以所述方式将小梁结构对齐，能够确保骨髓的最佳愈合以及后续功能。此外，由于小梁结构的规模较小(例如，在规模上是微小的)，所以调节所确定的变换以将小梁结构对齐进一步改善了本文所述的方法的准确性。
虽然在图2中未示出，但是在本文描述的实施例中的任何中，该方法还可以包括输出所确定的变换。更具体地，装置100的处理器102可以输出所确定的变换。例如，在一些实施例中，处理器102可以控制用户接口104以输出(或绘制、显示或提供)将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的所确定的变换和/或可以控制存储器106以存储将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的所确定的变换。在一些实施例中，处理器102可以控制用户接口104以输出(或绘制、显示或提供)断裂骨骼的虚拟重构(或重新组装)，其示出了所确定的变换被用于将断裂骨骼的碎片重新布置(或重新组装)以得到未断裂形式的健康骨骼。以这种方式，以可访问的形式提供所确定的变换，使得其可以用于规划或引导医学程序(例如外科手术)以将断裂骨骼重新对齐成未断裂形式。
图3示出了对象的断裂骨骼的示例性图像。在该示例中，图像是x射线图像，并且对象的断裂骨骼是左股骨。对象的骨骼断裂成两个或更多个碎片。更具体地，在该示出的示例中，对象的左股骨断裂成三个碎片。
图4示出了针对图3所示的对象的断裂骨骼的对应的未断裂骨骼的示例性模型。在该示例中，对应的未断裂骨骼的模型是未断裂的左股骨的模型。如图4所示，对应的未断裂骨骼的模型被划分成三个部分，每个部分对应于图像中的断裂骨骼的三个碎片之一。如前所述(如图4左侧所示)，基于至少一个参数，将未断裂骨骼的模型的三个部分拟合至断裂骨骼的对应碎片。将未断裂骨骼的模型的三个部分拟合至断裂骨骼的对应碎片所必需的变换用于确定将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。然后，可以使用所确定的变换将断裂骨骼的碎片重新排列(或重构或重新组装)成未断裂形式，以得到未断裂形式的健康骨骼(如图4右侧所示)。
因此，实际上，通过本文所述的方法，能够使用虚拟技术来确定将断裂骨骼的碎片与模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。因此，能够(以虚拟方式)确定能够被应用于断裂骨骼的一个或多个碎片的变换以将断裂骨骼的一个或多个碎片与断裂骨骼的一个或多个其他碎片在解剖学上对齐。换句话说，所确定的变换可以将断裂骨骼的碎片对齐到它们的正确位置中，以将骨骼重新排列、重新组装和/或重构成未断裂形式。以这种方式，可以确定重新布置、重新组装和/或重构断裂骨骼的方式，这在规划或引导医学(例如外科手术)程序以重新组装骨骼时是有用的。该方法可以例如通过提供最佳的虚拟骨折复位而用于骨折复位规划中。
因此，提供了一种用于确定用于将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的改进的方法和装置。将理解，本文描述的方法能够应用于人或动物骨骼。
还提供了一种包括计算机可读介质的计算机程序产品，该计算机可读介质具有体现于其中的计算机可读代码，该计算机可读代码被配置为使得在由合适的计算机或处理器运行时，使该计算机或处理器能够执行本文描述的一种或多种方法。因此，将理解，本公开还适用于适于将实施例付诸实践的计算机程序，特别是载体上或载体中的计算机程序。该程序可以是源代码、目标代码、代码中间源和目标代码的形式，例如部分编译的形式，或适合用于实施根据本文所述的实施例的方法的任何其他形式。
还将理解，这样的程序可以具有许多不同的架构设计。例如，可以将实施该方法或***的功能的程序代码细分为一个或多个子例程。将功能分布在这些子例程当中的许多不同方式对于技术人员将是显而易见的。子例程可以一起存储于一个可执行文件中，以形成自包含的程序。这样的可执行文件可以包括计算机可执行指令，例如，处理器指令和/或解释器指令(例如，Java解释器指令)。备选地，子例程中的一个或多个或全部可以存储于至少一个外部库文件中，并且可以(例如，在运行时)静态地或动态地与主程序链接。主程序包含对子例程中的至少一个的至少一个调用。子例程还可以包括对彼此的函数调用。
与计算机程序产品有关的实施例包括与本文阐述的方法中的至少一个的每个处理阶段相对应的计算机可执行指令。这些指令可以细分为子例程和/或存储于可以静态或动态链接的一个或多个文件中。与计算机程序产品有关的另一实施例包括与本文阐述的***和/或产品中的至少一个的每个单元相对应的计算机可执行指令。这些指令可以细分为子例程和/或存储于可以静态或动态链接的一个或多个文件中。
计算机程序的载体可以是能够承载程序的任何实体或设备。例如，载体可以包括数据存储设备，例如ROM，例如CD ROM或半导体ROM，或磁记录介质，例如硬盘。此外，载体可以是可传输的载体，例如电或光信号，其可以经由电缆或光缆或通过无线电或其他方式来传送。当程序以这样的信号体现时，载体可以由这样的电缆或其他设备或单元构成。备选地，载体可以是其中嵌入有程序的集成电路，该集成电路适于执行相关方法或在相关方法的执行中使用。
通过研究附图、说明书和所附权利要求书，本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中记载的若干项的功能。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不意味着不能有利地使用这些措施的组合。计算机程序可以在合适的介质上存储/分布，例如与其他硬件一起提供或作为其一部分提供的光学存储介质或固态介质，但是也可以以其他形式分布，例如经由互联网或者其他有线或无线电信***。权利要求中的任何附图标记都不应被解释为限制范围。

Claims (14)

1.一种用于确定将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的计算机实现的方法，所述方法包括：
获取(202)对象的断裂骨骼的3D图像，其中，所述骨骼断裂成两个或更多个碎片；
获取(204)对应的未断裂骨骼的模型以及定义对所述模型的一种或多种变形的至少一个参数，其中，所述模型是3D网格模型；
将所述未断裂骨骼的所述模型划分成与所述断裂骨骼的所述碎片相对应的部分；
将所述未断裂骨骼的所述模型的所述部分拟合(206)至所述3D图像中的所述断裂骨骼的对应碎片，其中，所述拟合包括调节所述未断裂骨骼的所述模型的所述部分，其中，所述调节被限制于由所述至少一个参数定义的所述一种或多种变形；并且
基于所述模型的所拟合的部分，确定(208)将所述断裂骨骼的所述碎片与所述未断裂骨骼的未划分的模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述对应的未断裂骨骼的所述模型包括根据其他对象的一个或多个对应的未断裂骨骼导出的网格。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，划分包括：
将所述未断裂骨骼的所述模型的一部分拟合至所述3D图像中的所述断裂骨骼的对应碎片；
识别所述碎片的已经脱离至少一个其他碎片的表面；并且
沿所述模型中的对应表面划分所述模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个参数定义以下中的任何一项或多项：
所述模型可调节的一个或多个方向；
所述模型可调节的一个或多个维度；
所述模型的一部分的位置相对于所述模型的另一部分的位置可调节的程度的上限；以及
所述模型的一部分的位置相对于所述模型的另一部分可调节的程度的上限。
5.根据权利要求1或4中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个参数与对所述模型的不同部分的允许的变形的参数空间有关。
6.根据权利要求5所述的方法，所述方法还包括：
获取所述对象的属性；并且
其中，将所述未断裂骨骼的所述模型的部分拟合至所述断裂骨骼的对应碎片包括：
将允许的变形的所述参数空间限制于对应于与所述对象的所获取的属性一致的未断裂骨骼的形状的变形。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，所述方法还包括：
确定关于所述对象的所述断裂骨骼的所述碎片的信息；并且
基于所述信息来调节所确定的变换，以将所述断裂骨骼的所述碎片在解剖学上对齐。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，确定的关于所述对象的所述断裂骨骼的所述碎片的所述信息包括指示所述碎片中的密度变化的信息。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，根据所述对象的所述断裂骨骼的所述碎片确定的所述信息包括指示所述断裂骨骼的所述碎片中的一个或多个小梁结构的位置的信息；并且
其中，调节包括：
基于指示所述一个或多个小梁结构的所述位置的所述信息来调节所确定的变换，以将所述一个或多个小梁结构在解剖学上对齐。
10.根据权利要求8或9中的任一项所述的方法，其中，所述一个或多个小梁结构的所述位置是根据所述碎片中的密度变化来获取的。
11.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述模型是统计形状模型，并且所述至少一个参数包括所述统计形状模型的至少一种本征模式。
12.一种在其中具有计算机可读代码的计算机可读介质，所述计算机可读代码被配置为使得在由合适的计算机或处理器运行时，使所述计算机或处理器执行根据前述权利要求中的任一项所述的方法。
13.一种用于确定将断裂骨骼的碎片在解剖学上对齐的变换的装置(100)，所述装置(100)包括处理器(102)，所述处理器被配置为：
获取对象的断裂骨骼的3D图像，其中，所述骨骼断裂成两个或更多个碎片；
获取对应的未断裂骨骼的模型以及定义对所述模型的一种或多种变形的至少一个参数，其中，所述模型是3D网格模型；
将所述未断裂骨骼的所述模型划分成与所述断裂骨骼的所述碎片相对应的部分；
将所述未断裂骨骼的所述模型的所述部分拟合至所述3D图像中的所述断裂骨骼的对应碎片，其中，所述拟合包括调节所述未断裂骨骼的所述模型的所述部分，其中，所述调节被限制于由所述至少一个参数定义的所述一种或多种变形；并且
基于所述模型的所拟合的部分，确定将所述断裂骨骼的所述碎片与所述未断裂骨骼的未划分的模型的对应部分在解剖学上对齐的变换。
14.根据权利要求13所述的装置(100)，其中，所述处理器(102)被配置为通过被配置为进行以下操作来进行划分：
将所述未断裂骨骼的所述模型的一部分拟合至所述3D图像中的所述断裂骨骼的对应碎片；
识别所述碎片的已经脱离至少一个其他碎片的表面；并且
沿所述模型中的对应表面划分所述模型。
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