[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?zhí)枺?/td>: 201910068604.2
• 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）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

本發(fā)明提供一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，包括了四個步驟：首先對粉碎性骨折患者的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和預(yù)處理，將不同的組織進(jìn)行分割，并填補(bǔ)鏤空部分，重建出碎片和模板的三維模型；然后通過對碎片的幾何特征進(jìn)行分析，在每塊碎片以及模板上提取特征點(diǎn)；接著為每個特征點(diǎn)計算描述子；最后匹配特征，實(shí)現(xiàn)碎片的自動拼接，從而復(fù)原破碎的骨頭。本發(fā)明可自動拼接粉碎骨折CT重建出的三維模型碎片，而且具有較高的準(zhǔn)確度和臨床參考價值。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，屬于虛擬手術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，也可以應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域，比如其他物件的三圍重建與復(fù)原。

背景技術(shù)

傳統(tǒng)的拼接工作是依靠人工來完成的。人們用肉眼觀察斷裂面的特征，推測碎片之間原本的位置關(guān)系，甚至直接用手拿起碎片來嘗試著將它們拼湊在一起，看它們是否吻合。這樣的方法對于堅固不易磨損，幾何形狀簡單，碎片數(shù)量較少的物體來說，是比較簡單方便的。然而，當(dāng)物體破碎程度增高，復(fù)雜度增大時，完全依靠人工來拼接碎片，就變得十分困難了。一方面，這樣復(fù)雜的工作需要拼接的人員具有足夠的專業(yè)素質(zhì)，豐富的拼接經(jīng)驗(yàn)，對需要拼接的物體的結(jié)構(gòu)十分熟悉。另一方面，即使具備了上述的素質(zhì)，要保質(zhì)保量地完成復(fù)雜的拼接工作，仍然會耗費(fèi)拼接人員大量的時間和精力。而對于易損易碎的物品來說，使用傳統(tǒng)的方法利用人工進(jìn)行拼接的難度就更大了。

但是在實(shí)際應(yīng)用中，又面臨著許多難題，需要拼接這樣復(fù)雜的碎片，還原物體本來面貌。例如法庭上還原犯罪嫌疑人毀壞的犯罪證據(jù)，考古研究中復(fù)原自然災(zāi)害損壞的珍貴古文物，古生物研究中的拼接滅絕生物的骨架殘骸等。因此，研究如何借助計算機(jī)的強(qiáng)大的運(yùn)算能力來協(xié)助甚至替代人們完成碎片的拼接工作，就顯得尤為重要。

而對于臨床上的粉碎性骨骼拼接的手術(shù)來說，不但具備上面提到的困難，而且還有更大的限制——傳統(tǒng)的粉碎性骨折復(fù)原手術(shù)是醫(yī)生結(jié)合CT掃描合成的圖像，通過手動進(jìn)行操作的，直接在骨頭上進(jìn)行操作就意味著需要進(jìn)行嘗試，一方面增加了手術(shù)時間，另一方面為了方便觀察，需要更多地暴露碎骨，造成更大的創(chuàng)口。

如果利用CT數(shù)據(jù)重建出碎骨的三維模型，在計算機(jī)中預(yù)拼接好，以便手術(shù)過程中給醫(yī)生提供參考。這樣就大大減少了手術(shù)的耗時，減小創(chuàng)口。并且拼接的方案可以術(shù)前在可視化的系統(tǒng)中反復(fù)討論驗(yàn)證，提高了骨頭的吻合度，更有利于術(shù)后恢復(fù)。

三維碎片自動拼接的問題已有許多的研究，但是這些方法大多是應(yīng)用在文物復(fù)原和物證拼接方面。而在臨床上粉碎性骨折手術(shù)的應(yīng)用，還比較少見。而由前面的闡述可見，此問題的解決具有很大臨床價值，也具有廣闊的應(yīng)用前景。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：本發(fā)明提出一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，在拼接時借助已有模板作為參考，能夠提高準(zhǔn)確度，同時引入模板之后有了更多參考信息，能減小拼接難度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種利用模板對粉碎性骨折三維模型進(jìn)行拼接的方法，首先對粉碎性骨折患者的CT數(shù)據(jù)進(jìn)行重建和預(yù)處理，獲得碎片的三維模型。然后通過對碎片的幾何特征進(jìn)行分析，提取特征點(diǎn)，計算描述子；最后匹配特征，實(shí)現(xiàn)碎片的自動拼接，從而復(fù)原破碎的骨頭，具體包括如下步驟：

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，計算模型每個頂點(diǎn)的權(quán)值，構(gòu)建每個點(diǎn)的協(xié)方差矩陣，計算特征值，提取特征點(diǎn)；