[發(fā)明專利]一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法

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• 申請日: 2019-01-24
• 公開（公告）號: CN110009562A
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 潘俊君;王磊
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G06T3/40
• 分類號: G06T3/40;G06T7/136;G06T7/194;G06T17/00;G06K9/46;G06K9/62
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;成金玉

1.一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，其特征在于，包括如下步驟：

第一步，模型的重建和預(yù)處理，利用醫(yī)學(xué)處理軟件MIMICS，將CT掃描的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，所述預(yù)處理包括：閾值分割進(jìn)行背景分離，區(qū)域生長法進(jìn)行提取，去噪和簡化；

第二步，提取特征點(diǎn)，在匹配之前先采用ISS(Intrinsic Shape Signatures，內(nèi)部形狀特征描述子)分別對第一步重建出的每一個(gè)碎骨模型提取出局部特征明顯的點(diǎn)，以此作為特征點(diǎn)，這樣可以減少匹配的復(fù)雜度，所述提取特征點(diǎn)的過程包括：定義局部坐標(biāo)系，計(jì)算模型每個(gè)頂點(diǎn)的權(quán)值，構(gòu)建每個(gè)點(diǎn)的協(xié)方差矩陣，計(jì)算特征值，提取特征點(diǎn)；

第三步，計(jì)算描述子，對第二步中提取出來的每個(gè)模型上的每個(gè)特征點(diǎn)計(jì)算SHOT(Signature of Histograms of OrienTations，方向直方圖描述子)作為特征描述子，體現(xiàn)以特征點(diǎn)周圍的局部結(jié)構(gòu)，所述計(jì)算特征描述子的過程包括：建立局部參考系，統(tǒng)計(jì)直方圖特征；

第四步，模板匹配，分別對每個(gè)粉碎性骨折重建出的碎片模型和模板的特征描述子進(jìn)行匹配，將每個(gè)碎骨模型均對齊到模板上，從而完成拼接；所述模板匹配的過程包括：構(gòu)建匹配集合，對匹配集合進(jìn)行篩選，計(jì)算并應(yīng)用變換矩陣。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，其特征在于：所述第一步，模型的重建和預(yù)處理具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)在MIMICS，選取系統(tǒng)中提供骨骼密度值作為閾值將骨骼從背景中分離出來；

(2)然后對步驟(1)提取出的骨骼執(zhí)行區(qū)域生長法，從而分離碎片；

(3)最后將步驟(2)中分離出來的模型導(dǎo)入Materialise 3-matic軟件中進(jìn)行去噪和簡化處理，最終即可重建出所需的骨頭三維模型。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，其特征在于：所述第二步，提取特征點(diǎn)，具體實(shí)現(xiàn)如下：

第一步中重建出的每個(gè)三維模型所包含的頂點(diǎn)的數(shù)據(jù)均構(gòu)成一個(gè)點(diǎn)云，設(shè)一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)有n個(gè)點(diǎn)(x_i,y_i,z_i),i＝0,1,…,n-1，記p_i＝(x_i,y_i,z_i)，則提取特征的具體步驟如下：

(1)對點(diǎn)云上的每個(gè)點(diǎn)p_i定義一個(gè)局部坐標(biāo)系，并給定每一個(gè)點(diǎn)一個(gè)半徑r_frame；

查詢點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每個(gè)點(diǎn)的p_i半徑r_frame周圍內(nèi)的所有點(diǎn)，并計(jì)算出每個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的權(quán)值w_ij，w_ij＝1/||p_i-p_j||，|p_i|<r_frame，其中p_i和p_j是一個(gè)三維向量，代表該點(diǎn)的坐標(biāo)；

(2)為每個(gè)點(diǎn)p_i構(gòu)建協(xié)方差矩陣cov(p_i)：

(3)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)p_i的協(xié)方差矩陣cov(p_i)的特征值并按從大到小排列；

(4)設(shè)置閾值ε₁與ε₂，將同時(shí)滿足和的點(diǎn)視為特征點(diǎn)，從而完成提取。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，其特征在于：所述第三步，計(jì)算描述子具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)首先基于特征點(diǎn)鄰域的信息建立LRF(local reference frame，局部參考系)，特征點(diǎn)的球面鄰域根據(jù)徑向，經(jīng)度和緯度進(jìn)行劃分，徑向分為兩部分，經(jīng)度分為八部分，緯度分為兩部分，共計(jì)2*2*8＝32個(gè)區(qū)域；

(2)然后采用雙線性插值統(tǒng)計(jì)每個(gè)區(qū)域中的直方圖特征，根據(jù)余弦值劃分為11個(gè)區(qū)間，SHOT描述符的長度為32*11＝352。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，其特征在于：所述第四步，模板匹配的具體實(shí)現(xiàn)如下：

(1)對于模板和每一個(gè)碎片F(xiàn)_i和模板T,取點(diǎn)p∈F_i,點(diǎn)q∈T,如果同時(shí)滿足：

a.Dis(p,q)＝|S(p)-S(q)|<δ_D，其中S(p)和S(q)分別代表p和q的SHOT描述子；

b.對于每個(gè)點(diǎn)p,有q∈T，使得Dis(p,q)達(dá)到最小值；

則將這一對p和q加入符合條件的特征點(diǎn)對的集合M中，以此構(gòu)建匹配集合；

(2)每次隨機(jī)抽取三組點(diǎn)(p₁,q₁),(p₂,q₂),(p₃,q₃)∈M，然后進(jìn)行篩選，基于剛性變換，如果碎片上的兩個(gè)點(diǎn)與模板上對應(yīng)的兩個(gè)點(diǎn)之間的歐拉距離相差在接受范圍內(nèi)，則視為匹配，即同時(shí)滿足：

|||p₁p₂||-||q₁q₂|||<δ_p，|||p₂p₃||-||q₂q₃|||<δ_p，|||p₃p₁||-||q₃q₁|||<δ_p，其中δ_p為設(shè)定的允許誤差范圍，||p₁p₂||表示p₁到p₂的歐氏距離，然后將匹配的點(diǎn)對進(jìn)行保留，即完成對匹配集合進(jìn)行篩選；

(3)利用每個(gè)碎片F(xiàn)_i特征點(diǎn)在匹配集合中尋找到模板上對應(yīng)的點(diǎn)，然后計(jì)算出變換矩陣T_i，然后對每個(gè)碎片F(xiàn)_i應(yīng)用變換T_i即可將碎片與模板對齊，這樣即可完成整個(gè)拼接過程。