[發明專利]一種彎骨骨折自動配準及內固定鋼板預彎建模方法

有效

• 申請號: 201810754511.0
• 申請日: 2018-07-11
• 公開（公告）號: CN109035311B
• 公開（公告）日: 2021-10-01
• 發明（設計）人: 劉斌;張松
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責任公司 21212
• 代理人: 姜玉蓉;李洪福

本發明公開了一種彎骨骨折自動配準及內固定鋼板預彎建模方法,包括以下步驟：S1：采用PCA算法提取斷骨模型點集的主方向并沿主方向選取聚類種子點；S2：在斷骨模型的兩端分別構造膠囊狀的映射模型；S3：對S2中構造的映射模型采用OPTICS算法對映射模型的特征點集進行聚類處理；S4：對斷骨模型截面部分的點集進行提取和分割；S5：根據分割得到的兩個截面點集對斷骨模型進行精確配準；S6：在斷骨模型的斷裂部位選取控制點，將控制點范圍內的三角面片進行加厚處理得到鋼板模型。該方法運用了曲線擬合、聚類、特征點映射等多種算法，高效準確地實現彎骨的自動拼接，實現了彎骨模型的全自動配準和鋼板預彎，無需進行手工操作。

技術領域

本發明涉及彎骨的截面分割及配準技術領域，尤其涉及一種彎骨骨折自動配準及內固定鋼板預彎建模方法。

背景技術

目前骨折手術普遍采用人工復位和傷肢內固定相結合的方法，這種方法存在的問題是創傷大、出血多、容易引發神經血管損傷等并發癥。因此，我們可以利用計算機算法對斷骨模型進行虛擬拼接，從而在術前得到鋼板的各種幾何參數。然而目前的斷骨虛擬拼接方法僅能應用于長直骨，在彎骨的截面分割及配準領域還沒有較為有效的全自動配準方法。并且在基于脊線預配準的肋骨配準方法中，需要手工拾取種子點來進行截面點集的分割，沒有實現全自動的截面點集分割和彎骨配準。

發明內容

根據現有技術存在的問題，本發明公開了一種彎骨骨折自動配準及內固定鋼板預彎建模方法，具體包括以下步驟：

S1：采用PCA算法提取斷骨模型點集的主方向并沿主方向選取聚類種子點,采用K-Means聚類方法將模型的聚類種子點集進行聚類計算每個聚類的中心點，利用聚類的中心點來擬合Bezier曲線獲得斷骨模型的走勢曲線信息；

S2：在斷骨模型的兩端分別構造膠囊狀的映射模型，將斷骨模型內的點沿其法向量方向映射到映射模型上；

S3：對S2中構造的映射模型采用OPTICS算法對映射模型的特征點集進行聚類處理，對映射模型的特征點集進行特征匹配實現兩個映射模型的粗配準；

S4：對斷骨模型截面部分的點集進行提取和分割：將粗配準中的特征點進行區域自生長得到擴展點集，在擴展點集中進行匹配搜索得到截面點集；

S5：根據分割得到的兩個截面點集對斷骨模型進行精確配準：利用PCA算法提取截面點集的主方向并根據主方向進行預配準，利用ICP算法進行精配準；

S6：在斷骨模型的斷裂部位選取控制點，將控制點范圍內的三角面片進行加厚處理得到鋼板模型。

進一步的，S2中具體采用如下方式：

根據擬合得到的斷骨模型的走勢曲線計算該曲線兩端的切線，分別以四個切線為軸線構造膠囊形狀的四個映射模型，由于四個映射模型具有相同的尺寸，分別將映射模型范圍內的點集沿其法向量方向映射到映射模型上，得到四個包含映射點集的映射模型。

進一步的，所述S3中兩個映射模型的粗配準過程具體采用如下方式：

將兩個映射模型之一進行鏡面變換、使兩個映射模型在坐標系中進行匹配，對映射模型中圓柱的表面部分進行網格劃分、判斷映射點集中圓柱部分點集的網格歸屬，將圓柱部分的點集全部劃分到網格，統計每個網格中映射點的數目、將數目大于閾值的網格中所有的點提取出來作為映射點集的特征點，采用OPTICS算法對特征點集進行聚類處理提取聚類中心、對聚類中心點進行遍歷，計算聚類之間的匹配度、提取匹配度最大的兩個聚類點集并獲取旋轉角度、根據旋轉角度將斷骨模型進行旋轉來達到粗配準。

進一步的，所述S 4中斷骨模型截面部分的點集提取和分割過程具體采用如下方式：將粗配準中提取到的兩個聚類點集反向映射，在斷骨模型表面找到與其對應的點集作為截面特征點，將截面特征點集進行區域自生長得到兩個擴展點集，根據兩點之間的坐標關系和法向量關系進行匹配點的搜索，得到兩個截面的點集。