CN110811830B - 一种基于股骨模型的分析装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于股骨模型的分析方法，包括：在合并的股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面；截取在显示设备上显示的股骨模型以将所述股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段；构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个；和控制在显示设备上显示的第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动，以通过观察在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时特征表面与髋臼的相对位置。以及本发明还公开了一种用于执行该方法的装置。

Description

一种基于股骨模型的分析装置及方法

技术领域

本发明涉及医疗用具领域，尤其涉及一种基于股骨模型的分析装置及方法。

背景技术

股骨头坏死是指由于各种原因导致的股骨头缺血，即由于血液供应的中断或大幅度减少，造成局部血供障碍，引起骨细胞缺血性坏死、塌陷的一种严重并发症。又分为创伤性股骨头坏死和非创伤性股骨头坏死，创伤性股骨头坏死多由于股骨颈部位发生骨折，造成股骨头血运中断，即使骨折愈合，由于股骨头骨骼缺血时间较长，也会导致骨骼发生坏死、塌陷。非创伤性股骨头坏死常见的病因包括：大量使用激素、长期酗酒等，导致股骨头内血液循环改变，影响股骨头骨骼营养状态，导致骨骼坏死、塌陷。

股骨头坏死的治疗方法分为手术治疗和非手术治疗。

非手术治疗通常有以下几种方法：

1、避免负重：包括部分负重及不负重，仅应用于塌陷前的股骨头坏死，即Ficat I期及Ⅱ期，从文献报道看，单纯采取避免负重的治疗方法效果并不理想，成功率低于15％，而对于病变位于股骨头内侧的A型股骨头坏死可考虑应用这一方法。

2、药物治疗：应用药物治疗股骨头坏死的报道较少，总之药物治疗效果尚不能肯定，但因其无创性，仍是一个重要的研究方向。

3、其他治疗方法：如电刺激治疗、放血疗法、高压氧治疗等，报道不多，效果有待进一步确定。

手术治疗通常有以下几种方法：

1、保留股骨头手术

(1)中心减压：中心减压治疗股骨头缺血性坏死的理论依据是骨坏死骨内压增高理论，通过中心减压可降低骨内压，增加股骨头内血流，而且中心减压可刺激减压隧道内的血管生长，促进坏死骨的爬行替代。有关中心减压的文章较多，对其疗效争议较大，其疗效与股骨头坏死分期有很大的关系，而与股骨头坏死的病因关系不大。

(2)截骨术：截骨术的目的是改变股骨头主要负重区，以正常骨代替坏死骨成为主要负重区。这一方法包括经转子旋转截骨、转子间内翻截骨及转子间外翻截骨等，也可结合植骨术治疗，主要适用于FicatⅡ期及Ⅲ期且病变范围较小的病人，截骨术最大的缺点是病人若需再次行髋关节置换术时，增加了手术的难度。

(3)植骨术：植骨术包括自体松质骨移植、自体皮质骨移植、异体骨移植、软骨移植，可结合中心减压、电刺激、截骨术等其他治疗方法。植骨方法包括在中心减压后植骨，在头颈交界处开槽植骨，在股骨头关节软骨开窗，掀开软骨植骨后将软骨复位等。植骨术可用于FicatⅡ期、早期的Ⅲ期病人及中心减压失败的病人。这一方法近期疗效较为肯定，远期疗效尚有争议，但借助骨移植加速股骨头修复，缩短卧床时间是值得肯定的，结合生长因子、电刺激等促进骨愈合的方法可提高其疗效。

(4)带血供的骨移植：带血供的骨移植方法较多，移植骨可来自髂骨、大转子或腓骨，可带肌蒂或带血管蒂，带血供的骨移植与普通的骨移植比较可增加股骨头血供，加速骨愈合。文献报道其临床效果较理想，但X线改善情况并不理想，远期随访仍有相当一部分病人需行关节置换术。

(5)髓芯减压、骨小梁金属AVN重建棒(钽棒)：骨小梁金属AVN重建棒为多孔钽金属假体，有类似于松质骨的孔隙率、立体结构和弹性模量，与骨的高摩擦系数有助于维持植入后的初始稳定，植入后可形成对坏死区域的结构性支持，有利于骨坏死区域的在血管化，并且可以用微创的方法植入，这些特点均有利于防止股骨头坏死区域的塌陷和修复，延缓髋关节置换的年龄。

2、关节置换手术

(1)髋关节表面置换术：髋关节表面置换术是用植入物替代关节表面，保留髋臼与股骨头的大部分软骨下骨，不侵及股骨颈和股骨髓腔，在完成疾患治疗的同时，尽可能保留正常的生理解剖结构与关系。

(2)全髋关节置换术：是晚期股骨头坏死治疗的唯一选择。随着摩擦界面研究和新材料应用的进展(比如陶瓷人工关节)，全髋关节置换术的适应症人群有年轻化的趋势。

如果年轻人患有股骨头坏死采用关节置换术，因为人造关节不会像人体的骨关节一样具有再生的能力，随着时间的推移，人造关节部段地磨损，在其后面的生活中将面临多次翻修的风险。因此，对于年龄偏小的患者，若能采用截骨术对于其后期的正常生活的影响会降低。截骨术的主要目的是把股骨头上的真正正常的骨质旋转到负重区，而把股骨头上的坏死区域从负重区移出，以避免股骨头塌陷、减轻患者的痛苦。通常在手术前，外科医生们需要获得对手术对象身体结构尽可能精确的解剖学图像(骨骼、血管、肌肉等)，才能进行手术计划，比如确定切开的大小、位置，如何避开其他脏器和神经，最佳截骨片段、截骨量、移位和旋转量，以获得完善和成功的手术效果。

目前国内外对股骨头坏死的诊断主要来源于CT/MR的影像检查，虽然可以提供静态的三维立体影像，但手术医生在观看的时候仍然只是一个平面的观察视角，无法获得三维环境下股骨头的坏死分布及负重区内坏死率等数据。难以准确判断股骨头坏死的空间立体关系，无法在三维空间中最大限度的计算出股骨头负重区的坏死率，也无法满足骨科医生的股骨头坏死手术仿真训练，不能完全适应股骨头坏死手术治疗的临床需要。换言之，骨科医生只有根据CT/MR的影像来预估旋转角度以及旋转相应的角度后大致估计是否有将大部分坏死骨质区域移出负重区和将正常的骨质区域移入负重区的可能，而且即使得到了预估的结果，在实际操作过程中，截骨后，一些医生还可能要旋转到不同的角度去尝试是否可能有更佳的手术方案。这不仅对医生的各方面能力有着极大地考验，而且即便是经验丰富的医生，也难免可能会因为估计错误而导致得到的手术方案可能存在一定的缺陷。

此外，一方面由于申请人所理解的本领域技术人员与审查部门必然有所差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留依据审查指南相关规定随时在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了而本发明主要应用于截骨术以在截骨术实施前快速确定的术前方案。

本发明提供的一种基于股骨模型的分析方法，包括：在合并的股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面；截取在显示设备上显示的股骨模型以将所述股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段；构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个；和控制在显示设备上显示的第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动，以通过观察在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时特征表面与髋臼的相对位置。旨在使用计算机断层扫面技术，获取断层检查数据，生成三维可视化图像，用于能够在股骨头坏死的空间立体关系，从而能够基于该立体关系确定手术方案以及在手术中存在的风险进行评估。本发明能够在虚拟空间内，通过导入检查数据的形式，构造一个能够模拟人体构造的动态模型，通过三维切割、三维交互以及三维测量等手段，便于医生能够模拟手术，为患者手术提供一种合理的手术方案，作为术前寻找适宜的手术方案的参考。

本发明中的一种基于股骨模型的分析装置，所述分析装置在将至少两个彼此各异的股骨头医学影像融合为股骨模型的情况下将所述股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段，从而能够分析所述股骨头模型与所述髋臼模型之间的在改变所述第一部段和所述第二部段中至少一个相对夹角的情况下的相对位置关系；所述装置包括：融合模块：其能够对至少两个彼此各异的股骨头医学影像的数据融合以形成能够三维显示的股骨模型；切割模块：其能够将所述股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段；运动控制模块：其能够通过运动所述第一部段和所述第二部段的方式改变所述股骨头模型与髋臼模型之间的相对位置关系；和显示模块：其能够显示所述股骨模型、所述第一部段和所述第二部段的切割过程、所述第一部段和所述第二部段的运动过程和所述相对位置关系；所述装置包括轴建模块，其能够构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个，所述旋转轴和所述翻转轴中的至少一个按照能够在所述运动控制模块在所述显示模块上显示的第一部段绕所述旋转轴和所述翻转轴中的至少一个运动的情况下所述股骨头模型中的至少一部分股骨表面能够移出所述股骨模型的负重区的方式构建，从而所述显示模块能够显示在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角以使得所述至少一部分股骨表面移出所述负重区时的所述股骨头模型与所述髋臼模型的相对位置关系。

根据一种优选的实施方式，所述轴建模块按照如下方式构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴：识别第一部段被截取时的分割面；计算分割面的重心作为第一特征点；计算第一部段的重心作为第二特征点；和构建穿过第一特征点和第二特征点的直线作为旋转轴。

根据一种优选的实施方式，所述轴建模块按照如下方式构建第一部段相对于第二部段翻转的翻转轴包括：生成能包围完整的股骨模型的方向包围盒；提取构成方向包围盒的所有线段中的最短线段；对最短线段进行归一化处理得到第一线段；将第一线段移动到第一旋转点处得到第二线段；对旋转轴与第二线段进行叉积运算得到归一化的第三线段；求第三线段与完整的股骨模型的表面的交点作为第三特征点；和将第二线段沿第三线段平移到第三特征点处作为翻转轴。

根据一种优选的实施方式，所述融合模块按照如下方式生成所述股骨模型：获取在第一成像方式中产生的第一图像数据和在第二成像方式中产生的第二图像数据；根据第一图像数据重建髋骨模型和完整的股骨模型；执行对第一图像数据和第二图像数据的配准融合得到第三图像数据；基于第三图像数据提取股骨头模型上的所述至少一部分股骨表面构建特征表面；和合并完整的股骨模型和特征表面形成合并的股骨模型以在合并的股骨模型的股骨头模型表面区分特征表面和非特征表面。

根据一种优选的实施方式，所述轴建模块在所述旋转轴不满足第一特征需求的情况下，基于输入信号以重新形成分割面的形式将所述股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段；其中，所述第一特征需求用于判定所述旋转轴与所述股骨模型中的股骨颈轴线的角度是否满足第一角度阈值。

根据一种优选的实施方式，所述装置包括面积比提取模块，其中，所述运动控制模块通过控制第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角中的至少一个的情况下，所述面积比提取模块能够提取所述股骨头模型中的处于负重区域内的特征表面和非特征表面的面积关系。

根据一种优选的实施方式，所述面积比提取模块在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时按照如下方式中的至少一个获取股骨头模型表面的处于负重区域内的特征表面和非特征表面的面积关系：计算处于负重区域内的特征表面的面积与总面积之比；计算处于负重区域内的非特征表面的面积与总面积之比；和计算处于负重区域内的特征表面和非特征表面的面积之比；其中，处于负重区域内的总面积是指处于负重区域内的特征表面的面积与处于负重区域内的非特征表面的面积之和。

根据一种优选的实施方式，所述装置包括指令输入模块，其接收用于所述融合模块、所述切割模块、所述运动控制模块和所述轴建模块执行指令的输入信号。

根据一种优选的实施方式，本发明还提供了一种基于股骨模型的分析方法，所述分析方法在将至少两个彼此各异的股骨头医学影像融合为股骨模型的情况下将所述股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段，从而能够分析所述股骨头模型与所述髋臼模型之间的在改变所述第一部段和所述第二部段中至少一个相对夹角的情况下的相对位置关系；所述方法包括：对至少两个彼此各异的股骨头医学影像的数据融合以形成能够三维显示的股骨模型；将所述股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段；通过运动所述第一部段和所述第二部段的方式改变所述股骨头模型与髋臼模型之间的相对位置关系；和显示所述股骨模型、所述第一部段和所述第二部段的切割过程、所述第一部段和所述第二部段的运动过程和所述相对位置关系；构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个，所述旋转轴和所述翻转轴中的至少一个按照能够在第一部段绕所述旋转轴和所述翻转轴中的至少一个运动的情况下所述股骨头模型至少一部分表面能够移出所述股骨模型的负重区的方式构建，从而能够显示在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时的所述至少一部分表面移出所述负重区的所述股骨头模型与所述髋臼模型的相对位置关系。

根据一种优选的实施方式，构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴：识别第一部段被截取时的分割面；计算分割面的重心作为第一特征点；算第一部段的重心作为第二特征点；和构建穿过第一特征点和第二特征点的直线作为旋转轴；构建第一部段相对于第二部段翻转的翻转轴包括：生成能包围完整的股骨模型的方向包围盒；提取构成方向包围盒的所有线段中的最短线段；对最短线段进行归一化处理得到第一线段；将第一线段移动到第一旋转点处得到第二线段；对旋转轴与第二线段进行叉积运算得到归一化的第三线段；求第三线段与完整的股骨模型的表面的交点作为第三特征点；和将第二线段沿第三线段平移到第三特征点处作为翻转轴。

附图说明

图1是本发明的一种方法优选的流程图；

图2是本发明的一种装置的优选模块示意图。

附图标记列表

100：融合模块

200：切割模块

300：运动控制模块

400：显示模块

500：轴建模块

600：指令输入模块

700：面积比提取模块

具体实施方式

下面结合附图1和2进行详细说明。

实施例1

本实施例公开一种基于股骨模型的分析装置，分析装置在将至少两个彼此各异的股骨头医学影像融合为股骨模型的情况下将股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段，从而能够分析股骨头模型与髋臼模型之间的在改变第一部段和第二部段中至少一个相对夹角的情况下的相对位置关系。

医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种或一系列空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。配准的结果应使两幅图像上所有的解剖点，或至少是所有具有诊断意义的点及手术感兴趣的点都达到匹配。

容积重建是对各种序列图像进行处理以构造出三维几何模型的过程。

CT是computed tomography的缩写，是指计算机断层造影或者计算机断层扫描。

MR是magnetic resonance的缩写，是指磁共振断层造影或者磁共振断层扫描。

PET是positron emission tomography的缩写，是指正电子发射计算机断层显像。

SPECT是Single-Photon Emission Computed Tomography的缩写，是指单光子发射计算机断层成像。

图像配准即Image Registration，是通过寻找一种空间变换把一幅图像映射到另一幅图像，使得两图中对应于空间同一位置的点一一对应起来的处理过程。或者说，图像配准是指对不同时间从不同图像采集装置所获得的两幅或多幅图像实施最佳匹配的处理过程。

图像融合是图像融合是将两种或多种图像的有用信息结合起来形成一张图像的过程。由此，以便得到更高质量的图像。

非特征表面：股骨头上正常的组织部位。

特征表面：股骨头上坏死的组织部位，也是本实施例中基于该股骨模型需要重点研究的区域，需要通过第一部段的运动将其部分移出负重区。

股骨模型：基于图像数据生成的股骨对应的三维模型。

旋转轴：基于股骨模型建立的一条虚拟轴线，第一部段能够绕其转动。

翻转轴：基于股骨模型建立的另一条虚拟轴线，第一部段能够绕其转动。

医学成像技术是一个综合多种学科成果与先进技术的综合性，实用性学科领域。各种模式的医学图像从视觉角度为医生及研究人员提供了丰富、直观、定性及定量的人体生理信息，成为诊断各种疾病的重要技术手段。由于不同模式的设备对人体内大到组织小到分子原子有不同的灵敏度和分辨率，因而有它们各自的适用范围和局限性。计算机断层造影术(CT)图像具有较好的空间分辨率和几何特性，对人体软组织对比度较低，对骨骼反映清晰。计算机断层造影术(CT)图像成像骨骼清晰、分辨率高，可为病灶的定位起到良好的参照作用，但其对病灶本身的显示比较差。CT对具有相似电子密度的软组织结构区分能力很差。如果将这两种图像融合，则可结合两种图像的优势。通过图像融合有效地显示骨骼的定位信息和软组织细节，大大提高病灶的定位准确性。

核磁共振(MR)图像可清晰反映软组织、器官、血管等的解剖结构，但对钙化点不敏感，对刚性的骨组织显示差，且受到磁干扰会发生几何失真。各种模态的医学图像从不同角度反映人体信息，单独从某一种图像中无法得到全面的诊断信息。需要将不同模态图像信息综合在一起，得到更丰富的信息，以便了解病变组织或器官的更多数据，从而做出准确的判断或制定出合适的治疗方案。而多种图像又须借助医生的空间构想和推测去综合判定他们所需要的信息，其准确性受到主观影响，更主要的是一些信息将可能被忽视。医学图像融合技术以计算机图像处理方法代替了医生的人工综合方式，可以提高诊断效率和可靠性，并精确指导神经外科手术及放射治疗等。

医学图像融合一般指对2个或2个以上不同医学成像设备获得的同一病灶区域的图像进行匹配和重建，从而获得互补信息，增加信息量，使临床诊断和治疗更加准确和完善。医学图像融合开始逐渐引起临床医学界的关注，当时的一些研究采用的一般是比较直观和简单的融合方法，如逐像素加权求平均，利用逻辑运算符进行滤波等等，效果往往并不理想。

本实施例公开的装置包括融合模块100、切割模块200、运动控制模块300、显示模块400和轴建模块500。

融合模块100：其能够对至少两个彼此各异的股骨头医学影像的数据融合以形成能够三维显示的股骨模型。

切割模块200：其能够将股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段。

运动控制模块300：其能够通过运动第一部段和第二部段的方式改变股骨头模型与髋臼模型之间的相对位置关系。

显示模块400：其能够显示股骨模型、第一部段和第二部段的切割过程、第一部段和第二部段的运动过程和相对位置关系。

轴建模块500，其能够构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个。

旋转轴和翻转轴中的至少一个按照能够在运动控制模块300在显示模块400上显示的第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动的情况下股骨头模型中的至少一部分股骨表面能够移出股骨模型的负重区的方式构建，从而显示模块400能够显示在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角以使得至少一部分股骨表面移出负重区时的股骨头模型与髋臼模型的相对位置关系。分析第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以作为术前寻找适宜的手术方案的参考。优选地，分析第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以作为术前寻找适宜的手术方案的参考的处理包括以下步骤中的至少一个：计算处于负重区域内的非特征表面的面积与总面积之比。计算处于负重区域内的特征表面的面积与总面积之比。或计算处于负重区域内的非特征表面的面积与特征表面的面积之比。其中，处于负重区域内的总面积是指处于负重区域内的非特征表面的面积与处于负重区域内的特征表面的面积之和。优选地，股骨头特征表面的面积或者面积比可以按照如下方式获得：基于原始股骨头坏死模型和原始股骨头模型不相交重叠部分的区域生成坏死表面模型，并通过与髋臼月状面模型比对生成第一坏死负重区。基于原始股骨头模型与髋臼月状面模型比对生成第一股骨头负重区，并按照对第一股骨头负重区进行提取噪点的方式生成一个由噪点集合构成的第二坏死负重区。优选的，原始股骨头模型与髋臼月状面模型比对的方式可以是遍历原始股骨头模型表面的每一个三角面片网格，若其三个顶点沿各自法线方向延伸构成的线段都与髋臼月状面模型相交，则取出该面片，并将其放在构成集合中并由该集合中所有的三角面片网络构成第一股骨头负重区，优选的，三角面片被定义为至少包括一条固定边和两条可进行弹性形变的边，固定边和两条可进行弹性形变的边共同构成刚体弹性***。两条可进行弹性形变的边能够被用于进行有限元计算，例如通过微分的方式将三角面片微分至无限逼近单位元，从而积分出无限逼近实际髋骨和股骨的相应模型。通过第一坏死负重区和第二坏死负重区进行布尔求并集运算生成经校准的第三坏死负重区模型，并通过第三坏死负重区模型提取坏死外侧负重区。通过遍历第一股骨头负重区的每一个三角面片网格生成独立面片集合，基于独立面片集合进行孤立噪点剔除生成由剩余三角面片网格构成的第二股骨头负重区，并基于第二股骨头负重区提取并生成股骨外侧负重区，优选的，生成独立面片集合的方式可以是遍历第一股骨头负重区的每一个三角面片网格，若其三个顶点沿各自法线方向延伸构成的线段都不与原始股骨头坏死模型相交，则取出该面片，并将其放在初始独立面片集合中；随后遍历初始独立面片集合，若每一个遍历到的三角面片的三个顶点沿各自法线反方向延构成的线段都不与原始股骨头坏死模型相交，取出该面片，重复上述动作至筛选出所有符合该条件的三角面片网络并形成独立面片集合。基于坏死外侧负重区和股骨外侧负重区生成全部外侧负重区，股骨外侧负重区与全部外侧负重区的面积比例作为骨头特征表面的面积比。

优选地，装置包括指令输入模块600，其接收用于融合模块100、切割模块200、运动控制模块300和轴建模块500执行指令的输入信号。

实施例2

本实施例提供了一种基于股骨模型的分析方法。本方法可以是实施例1中相应模块的执行步骤的补充。

优选地，该方法包括：

S1：在股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面。

S2：截取在显示模块500上显示的股骨模型以将所述股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。

S3：构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个。

S4：控制在显示设备上显示的第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动，以通过观察在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时特征表面与髋臼的相对位置。

通过上述S1-S4的方法，旨在使用计算机断层扫面技术，获取断层检查数据，生成三维可视化图像，用于能够在股骨头坏死的空间立体关系，从而能够基于该立体关系确定手术方案以及在手术中存在的风险进行评估。本发明能够在虚拟空间内，通过导入检查数据的形式，构造一个能够模拟人体构造的动态模型，通过三维切割、三维交互以及三维测量等手段，便于医生能够模拟手术，为患者手术提供一种合理的手术方案，作为术前寻找适宜的手术方案的参考。

优选地，该方法还包括：

S5：分析第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以作为术前寻找适宜的手术方案的参考。优选地，分析第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以作为术前寻找适宜的手术方案的参考的处理包括以下步骤中的至少一个：计算处于负重区域内的非特征表面的面积与总面积之比。计算处于负重区域内的特征表面的面积与总面积之比。或计算处于负重区域内的非特征表面的面积与特征表面的面积之比。其中，处于负重区域内的总面积是指处于负重区域内的非特征表面的面积与处于负重区域内的特征表面的面积之和。优选地，股骨头特征表面的面积或者面积比可以按照如下方式获得：基于原始股骨头坏死模型和原始股骨头模型不相交重叠部分的区域生成坏死表面模型，并通过与髋臼月状面模型比对生成第一坏死负重区。基于原始股骨头模型与髋臼月状面模型比对生成第一股骨头负重区，并按照对第一股骨头负重区进行提取噪点的方式生成一个由噪点集合构成的第二坏死负重区。优选的，原始股骨头模型与髋臼月状面模型比对的方式可以是遍历原始股骨头模型表面的每一个三角面片网格，若其三个顶点沿各自法线方向延伸构成的线段都与髋臼月状面模型相交，则取出该面片，并将其放在构成集合中并由该集合中所有的三角面片网络构成第一股骨头负重区，优选的，三角面片被定义为至少包括一条固定边和两条可进行弹性形变的边，固定边和两条可进行弹性形变的边共同构成刚体弹性***。两条可进行弹性形变的边能够被用于进行有限元计算，例如通过微分的方式将三角面片微分至无限逼近单位元，从而积分出无限逼近实际髋骨和股骨的相应模型。通过第一坏死负重区和第二坏死负重区进行布尔求并集运算生成经校准的第三坏死负重区模型，并通过第三坏死负重区模型提取坏死外侧负重区。通过遍历第一股骨头负重区的每一个三角面片网格生成独立面片集合，基于独立面片集合进行孤立噪点剔除生成由剩余三角面片网格构成的第二股骨头负重区，并基于第二股骨头负重区提取并生成股骨外侧负重区，优选的，生成独立面片集合的方式可以是遍历第一股骨头负重区的每一个三角面片网格，若其三个顶点沿各自法线方向延伸构成的线段都不与原始股骨头坏死模型相交，则取出该面片，并将其放在初始独立面片集合中；随后遍历初始独立面片集合，若每一个遍历到的三角面片的三个顶点沿各自法线反方向延构成的线段都不与原始股骨头坏死模型相交，取出该面片，重复上述动作至筛选出所有符合该条件的三角面片网络并形成独立面片集合。基于坏死外侧负重区和股骨外侧负重区生成全部外侧负重区，股骨外侧负重区与全部外侧负重区的面积比例作为骨头特征表面的面积比。

优选地，该方法包括：接收输入设备的输入信号。优选地，输入设备例如可以是鼠标、键盘、触控屏、操纵杆和跟踪球中的至少一个。显示设备例如可以是显示器、投影仪和VR眼镜中的至少一个。根据输入设备的输入信号而执行以下步骤中的至少一个：截取在显示设备上显示的股骨模型以将所述股骨模型分为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。控制在显示设备上显示的第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动。优选地，根据接收的输入设备的信号在显示设备上控制第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动以通过观察在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时特征表面与髋臼的相对位置作为术前寻找适宜的手术方案的第一参考。分析第一部段根据接收的输入设备的信号运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以便作为术前寻找适宜的手术方案的参考。

优选地，该方法可以包括构建旋转轴和/或翻转轴。构建旋转轴的处理包括：识别第一部段被截取时的分割面。计算分割面的重心作为第一特征点。计算第一部段的重心作为第二特征点。构建穿过第一特征点和第二特征点的直线作为旋转轴。优选地，计算第一特征点例如可以采用以下方式：识别分割面与第一部段的表面的交点构成的交点集合，遍历交点集合中所有交点的坐标进行相加求和后除以交点集合中的交点总数得到第一特征点。

优选地，轴建单元500构建翻转轴的处理包括：生成能包围完整的股骨模型的方向包围盒。提取构成方向包围盒的三条线段中的最短线段。对最短线段进行归一化处理得到第一线段。将第一线段移动到第一旋转点处得到第二线段。对旋转轴与第二线段进行叉积运算得到归一化的第三线段。求第三线段或者第三线段的延长线与完整的股骨模型的表面的交点作为第三特征点；将第二线段沿第三线段平移到第三特征点处作为翻转轴。

优选地，该方法包括：在股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面。根据接收的输入装置的信号截取在显示设备上显示的股骨模型以将所述第二股骨模型分为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个。根据接收的输入设备的信号控制在显示设备上显示的第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动以通过观察在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时特征表面与髋臼的相对位置作为术前寻找适宜的手术方案的参考。

优选地，融合模块100融合步骤包括：获取在第一成像方式中产生的第一图像数据和在第二成像方式中产生的第二图像数据。根据第一图像数据重建髋骨模型和第一股骨模型。执行对第一图像数据和第二图像数据的配准融合得到第三图像数据。基于第三图像数据提取股骨头上的坏死组织构建坏死模型。合并第一股骨模型和坏死模型形成第二股骨模型以在第二股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面。根据接收的输入装置的信号控制截骨工具截取在显示设备上显示的第二股骨模型以将所述第二股骨模型分为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个。根据接收的输入设备的信号在显示设备上控制第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动以通过观察在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时特征表面与髋臼的相对位置作为术前寻找适宜的手术方案的第一参考。和/或分析第一部段根据接收的输入设备的信号运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以便作为术前寻找适宜的手术方案的第二参考。

优选地，第一成像方式的成像原理不同于第二成像方式的成像原理。由此，使得第一成像方式和第二成像方式采集到的图像的特性不同。第一成像方式采集的图像相比于第二成像方式采集的图像能更清晰地反映骨质结构。第二成像方式的成像原理采集的图像相比于第一成像方式采集的图像能更清晰地反应软组织和脏器的结构。第二成像方式的成像原理采集的图像相比于第一成像方式采集的图像能更清晰地反应病变组织的结构。病变组织包括骨头上的坏死组织。

优选地，第一成像方式例如可以是CT、SPECT和PET中的至少一个。

优选地，第二成像方式例如可以是MR、PET和SPECT中的至少一个。

优选地，轴建模块500构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴按照如下方式实现：计算切割面与股骨头部模型的点集合。此时，切割面与股骨模型的第一部段的点集合形成一个封闭平面图形。将该封闭平面图形的重心作为构建旋转轴的第一特征点。切割面与股骨头部模型形成了一个以空间体，该空间体的重心作为第二特征点。第一特征点与第二特征点构成的直线记为旋转轴。

优选地，轴建模块500构建第一部段相对第二部段翻转的翻转轴中按照如下方式生成：生成能包围完整的股骨模型的第一部段的表面的方向包围盒。提取构成方向包围盒的所有线段中的最短线段。对最短线段进行归一化处理得到第一线段。将第一线段移动到第一标志点处得到第二线段。对旋转轴与第二线段进行叉积运算得到归一化的第三线段。求第三线段与完整的第一部段的表面的交点作为第三标志点。将第二线段沿第三线段平移到第三标志点处作为翻转轴。

优选地，融合模块100融合步骤还可以是：获取在第一成像模式中产生的第一图像数据和在第二成像模式中产生的第二图像数据。根据第一图像数据重建髋骨模型和第一股骨模型。执行对第一图像数据和第二图像数据的配准融合得到第三图像数据。基于第三图像数据提取股骨头上的坏死组织构建坏死模型。合并第一股骨模型和坏死模型形成第二股骨模型以在第二股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面。根据接收的输入装置的信号控制截骨工具截取在显示设备上显示的第二股骨模型以将所述第二股骨模型分为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个。根据接收的输入装置的信号在显示设备上控制第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动以通过观察在第一部段运动至特定的旋转角和/或特定的翻转角时特征表面的位置变化作为术前寻找适宜的手术方案的第一参考。和，响应于特征表面的位置变化而计算在第一部段运动至特定的旋转角和/或特定的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以便作为术前寻找适宜的手术方案的第二参考。优选地，该方法包括：获取在第一成像模式中产生的第一图像数据和在第二成像模式中产生的第二图像数据。根据第一图像数据重建髋骨模型和第一股骨模型。执行对第一图像数据和第二图像数据的配准融合得到第三图像数据。基于第三图像数据提取股骨头上的坏死组织构建坏死模型。合并第一股骨模型和坏死模型形成第二股骨模型以在第二股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面。通过截骨工具截取第二股骨模型以将所述第二股骨模型分为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个。操作第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动以得到相应的旋转角和/或翻转角。计算在相应的旋转角和/或相应的翻转角下股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系以便作为术前参考。

优选地，图像配准可以采用基于模板的匹配算法、基于灰度的匹配算法、基于特征的匹配算法和基于阈变化的匹配算法。具体地，图像配准可以采用平均绝对差算法(MAD)、绝对误差和算法(SAD)、误差平方和算法(SSD)、平均误差平方和算法(MSD)、归一化积相关算法(NCC)、序贯相似性检测算法(SSDA)、hadamard变换算法(SATD)、局部灰度值编码算法、Harris算法、Moravec算法、KLT算法、Harr-like算法、HOG算法、LBP算法、SIFT算法、SURF算法、BRIEF算法、SUSAN算法、FAST算法、CENSUS算法、FREAK算法、BRISK算法、ORB算法、光流法、A-KAZE算法、LoG算子、Robert算子、Sobel算子、Prewitt算子、Canny算子中至少一种。这些算法能够在获取的第一成像模式中产生了第一图像数据和第二成像模式中产生了第二图像数据的情况下，基于第一图像数据和第二图像数据进行容积重建得到三维的第一模型。并且能够根据第一模型重建出髋骨模型和股骨模型。执行第一图像数据和第二图像数据的配准融合得到第三图像数据。基于第三图像数据重建表示股骨头上的特征表面的坏死模型。获取与骨骼图像相对应的三维图像数据，其中三维图像数据包括采用第一成像装置采集的第一图像数据和第二成像装置采集的第二图像数据。基于三维图像数据识别出股骨模型和髋骨模型。优选地，在第一成像方式和第二成像方式采集图像数据之前，为第一成像方式和第二成像方式定义共同的坐标系。

优选地，该股骨模型的分析方法，还包括：获取与骨骼图像相对应的三维图像数据。从所述三维图像数据中提取表示特征表面的感兴趣区域。截取由三维图像数据生成的股骨模型以将股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部。生成供第一部段相对于第二部段运动的旋转轴和翻转轴中的至少一个。操作第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动。和响应于第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动计算在相应的旋转角和/或相应的翻转角下负重区内的坏死率。

实施例3

本实施例是实施例1、2的进一步地补充。

优选地，旋转轴是平行或者大致平行于股骨颈轴线的轴线。旋转轴平行于股骨颈轴线是理想的状态。但是，在实际的计算过程中，计算出的旋转轴可能会与股骨颈轴线有一定的偏差而处于大致平行于股骨颈轴线的状态。优选地，旋转轴大致平行于股骨颈轴线的轴线可以是指旋转轴与股骨颈轴线之间的夹角偏差在5°内，尤其优选2°内。当第一部段绕旋转轴转动时，第一部段在被截取处绕旋转轴自转。这时，第一部段与第二部段的夹角不改变或者大致不改变。翻转轴是第一部段相对第二部段翻转的轴线。当第一部段绕翻转轴翻转时，第一部段相对于第二部段做点头运动。这时，第一部段与第二部段的夹角会改变。优选地，医疗领域内对截骨术中股骨头旋转的旋转轴的其他定义也应作为本发明的旋转轴的一个可选定义。医疗领域内对截骨术中股骨头翻转的翻转轴的其他定义也应作为本发明的旋转轴的一个可选定义。

为此，本实施例提供了一种用于判定旋转轴与股骨模型中的股骨颈轴线的角度的方法。具体地，旋转轴与股骨颈轴线满足第一角度阈值，即需要满足第一特征需求。在所述旋转轴不满足第一特征需求的情况下，基于输入信号以重新形成分割面的形式将所述股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。

由于股骨颈轴线在***中难以构建或者难以确定。本实施例中将股骨颈轴线抽象为分割面的法向量。即：旋转轴与分割面的法向量需要满足第一角度阈值。为了能够减小股骨颈轴线与分割面的法向量之间的空间位置误差，本实施例进一步地将分割面进行约束。即：分割面的位置需要满足第二特征需求。优选地，第二特征需求用于判定切割面相对于髋关节面的位置是否满足旋转轴的构建需求。优选地，第二特征需求是用于判定切割面相对于髋关节面的窝形构造形成的空间体的位置是否满足旋转轴的构建需求。如果切割面的法向量与髋关节面形成的空间体的重心线的角度小于第二角度阈值，则切割面满足第二特征需求。否则，切割面不满第二特征需求。

通过这种判别设置，本发明能够对旋转轴的位置进行约束，使得股骨头部模型在绕旋转轴模型转动时，股骨头模型能够在髋关节面的窝形构造体内转动；其次，这种判别是基于髋关节面形成的空间体的重心线的角度为基础进行的，有利于提高股骨头特征表面移出负重区所需旋转角度的准确度。

实施例4

本实施例公开一种分析装置，用于执行实施例1和/或2中的提供的方法。该分析装置配置为一个或多个处理器。其能够按照存储于可读存储介质中的指令，用于执行以下各项操作：

在合并的股骨模型的股骨头模型表面区分非特征表面和受坏死组织影响的特征表面。

截取在显示设备上显示的股骨模型以将所述股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段。

构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个。和

控制在显示设备上显示的第一部段绕旋转轴和翻转轴中的至少一个运动，以通过观察在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时特征表面与髋臼的相对位置。

优选地，该装置还按照如下方式配置：

分析第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时股骨头模型表面的处于负重区域内的非特征表面和特征表面的面积关系。

本发明由虚拟现实设备和截骨术手术计划软件组成。其工作流程如下：

(1)导入髋关节CT序列图像与核磁共振MR数据；

(2)容积重建；

(3)设计阈值来区分图像中骨骼与其他组织，通过数据准备模块重建骨盆和股骨的三维模型；

(4)设定阈值分割出单个股骨及髋骨模型；

(5)进行核磁共振MR与CT数据的配准融合，得到配准后的数据M；

(6)基于数据M进行股骨头坏死模型的三维重建；

(7)用平面切割工具在股骨颈基底对股骨头进行分割，分割出股骨头与股骨体，同时确定股骨颈中心旋转轴与翻转轴；

(8)添加股骨头外侧负重区区分平面；

(9)计算当前股骨头外侧负重区完整率，通过VR显示设备显示当前股骨完好部分的表面投影区域与坏死投影区域；

(10)将当前股骨头旋转、内翻、完整率输出到手术计划报告；

(11)根据需要使用VR操作工具对股骨头绕股骨颈中心旋转轴进行旋转或绕股骨颈翻转轴进行内翻一定角度，重复(9)、(10)操作；

以上操作都是在虚拟现实设备(12)上实现；

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于股骨模型的分析装置，所述分析装置在将至少两个彼此各异的股骨头医学影像融合为股骨模型的情况下将所述股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段，从而能够分析所述股骨头模型与所述髋臼模型之间的在改变所述第一部段和所述第二部段中至少一个相对夹角的情况下的相对位置关系；

所述装置包括：

融合模块(100)：其能够对至少两个彼此各异的股骨头医学影像的数据融合以形成能够三维显示的股骨模型；

切割模块(200)：其能够将所述股骨模型分割为带有股骨头模型的第一部段和带有髋臼模型的第二部段；

运动控制模块(300)：其能够通过运动所述第一部段和所述第二部段的方式改变所述股骨头模型与髋臼模型之间的相对位置关系；和

显示模块(400)：其能够显示所述股骨模型、所述第一部段和所述第二部段的切割过程、所述第一部段和所述第二部段的运动过程和所述相对位置关系；

其特征在于，

所述装置包括轴建模块(500)，其能够构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴和相对第二部段翻转的翻转轴中的至少一个，

所述旋转轴和所述翻转轴中的至少一个按照能够在所述运动控制模块(300)在所述显示模块(400)上显示的第一部段绕所述旋转轴和所述翻转轴中的至少一个运动的情况下所述股骨头模型中的至少一部分股骨表面能够移出所述股骨模型的负重区的方式构建，从而所述显示模块(400)能够显示在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角以使得所述至少一部分股骨表面移出所述负重区时的所述股骨头模型与所述髋臼模型的相对位置关系；

所述轴建模块(500)按照如下方式构建第一部段相对于第二部段旋转的旋转轴：

识别第一部段被截取时的分割面；

计算分割面的重心作为第一特征点；

计算第一部段的重心作为第二特征点；和

构建穿过第一特征点和第二特征点的直线作为旋转轴。

2.根据权利要求1所述的基于股骨模型的分析装置，其特征在于，所述轴建模块(500)按照如下方式构建第一部段相对于第二部段翻转的翻转轴：

生成能包围完整的股骨模型的方向包围盒；

提取构成方向包围盒的所有线段中的最短线段；

对最短线段进行归一化处理得到第一线段；

将第一线段移动到第一旋转点处得到第二线段；

对旋转轴与第二线段进行叉积运算得到归一化的第三线段；

求第三线段与完整的股骨模型的表面的交点作为第三特征点；和

将第二线段沿第三线段平移到第三特征点处作为翻转轴。

3.根据权利要求1所述的基于股骨模型的分析装置，其特征在于，所述融合模块(100)按照如下方式生成所述股骨模型：

获取在第一成像方式中产生的第一图像数据和在第二成像方式中产生的第二图像数据；

根据第一图像数据重建髋骨模型和完整的股骨模型；

执行对第一图像数据和第二图像数据的配准融合得到第三图像数据；

基于第三图像数据提取股骨头模型上的所述至少一部分股骨表面构建特征表面；和

合并完整的股骨模型和特征表面形成合并的股骨模型以在合并的股骨模型的股骨头模型表面区分特征表面和非特征表面。

4.根据权利要求1所述的基于股骨模型的分析装置，其特征在于，所述轴建模块(500)在所述旋转轴不满足第一特征需求的情况下，基于输入信号以重新形成分割面的形式将所述股骨模型分割为带有股骨头的第一部段和不带有股骨头的第二部段；

其中，所述第一特征需求用于判定所述旋转轴与所述股骨模型中的股骨颈轴线的角度是否满足第一角度阈值。

5.根据权利要求1所述的基于股骨模型的分析装置，其特征在于，所述装置包括面积比提取模块(700)，

其中，所述运动控制模块(300)通过控制第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角中的至少一个的情况下，所述面积比提取模块(700)能够提取所述股骨头模型中的处于负重区域内的特征表面和非特征表面的面积关系。

6.根据权利要求5所述的基于股骨模型的分析装置，其特征在于，所述面积比提取模块(700)在第一部段运动至相应的旋转角和/或相应的翻转角时按照如下方式中的至少一个获取股骨头模型表面的处于负重区域内的特征表面和非特征表面的面积关系：

计算处于负重区域内的特征表面的面积与总面积之比；

计算处于负重区域内的非特征表面的面积与总面积之比；或

计算处于负重区域内的特征表面和非特征表面的面积之比；

其中，处于负重区域内的总面积是指处于负重区域内的特征表面的面积与处于负重区域内的非特征表面的面积之和。

7.根据权利要求1所述的基于股骨模型的分析装置，其特征在于，所述装置包括指令输入模块(600)，其接收用于所述融合模块(100)、所述切割模块(200)、所述运动控制模块(300)和所述轴建模块(500)执行指令的输入信号。

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