[發明專利]一種基于雙平面X光追蹤的植入物自動配準定位方法

在審

• 申請號: 202010836044.3
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN111968164A
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發明（設計）人: 蔡宗遠;鄭楠;王聰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G06T7/33
• 分類號: G06T7/33;G06T7/73
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 王晶;胡晶

本發明提供了一種基于雙平面X光追蹤的植入物自動配準定位方法，包括構建虛擬雙平面X光系統、X光圖像中植入物邊緣提取和加權膨脹、植入物幾何模型快速投影和邊緣提取、最優匹配位置搜索。根據一個定位器，確定兩臺X光機圖像平面的相對位置，以此在計算機系統中建立虛擬雙平面X光系統；利用兩臺X光機拍攝X光圖像中提取的加權膨脹邊緣和植入物模型投影的邊緣，計算植入物模型任意空間位置下的匹配度，通過模擬退火算法可以快速求得匹配程度最高時的植入物空間位置。此方法可以基于兩臺X光機連續獲得的運動圖像，實現植入物在體空間位置的自動追蹤，以此為參考進行植入物運動學研究、關節接觸分析，極大地減少手動配準的人力和時間開銷。

技術領域

本發明涉及金屬植入物的在體運動學追蹤、X光圖像后處理、2D-3D圖像配準領域，具體涉及一種基于雙平面X光追蹤的植入物自動配準定位方法。

背景技術

人工全膝關節置換術(Total Knee Arthroplasty，TKA)是臨床骨科中治療末期膝關節骨性關節炎的方法。TKA主要是移除股骨遠端和脛骨近端缺損的骨組織，使用金屬、陶瓷、高聚乙烯等材料制成的人工植入物重建關節，從而消除患者膝關節疼痛。隨著植入物設計原理、材料、構型等方面發展，TKA術后患者可以一定程度恢復其運動功能，提高生活質量和獨立生活能力。術前醫生會對患者膝關節骨性關節炎進行性程度、交叉韌帶的功能和完整性、患者的年齡等因素進行綜合評估，從而選擇最適合患者的術式和膝關節植入物，決定使用的植入物構型。臨床報道說明15～30％患者對TKA術后效果不滿意[1]，目前TKA術后植入物有效使用年限在10-15年的患者占比超過90％，但剩下需要進行植入物翻修的患者給美國的健康體系帶來270億美元的負擔[2]。主要導致膝關節植入物需要進行二次翻修手術的因素有感染、植入物松動、性別、年齡等[1-3]。術中醫生根據無負重狀態下的關節狀態決定植入物植入位置，而術后患者需要進行大量坐下、起身、行走、上下樓梯等康復性日常生活行動，膝關節植入物的空間運動和關節面接觸位置與術中靜態植入位置不同，也不能完全恢復膝關節正常的解剖結構，因此可能導致植入物松動失效，需要二次手術。因此，膝關節的在體動態功能評估，有助于確定膝關節植入物最佳植入位置、改進植入物構型改進、制定個性化術后康復計劃。

雙平面動態X光追蹤技術(Dual Fluoroscopic Imaging System，DFIS)是一種使用兩臺正交X光機同步記錄關節運動影像，用于精確測量關節空間位置和運動功能的技術[4-6]。利用兩臺移動式X光機，同步記錄關節的運動學影像資料，利用電子計算機斷層掃描技術(CT)、磁共振掃描(MR)獲取數據，建立個性化骨骼和膝關節植入物3D模型，基于點光源投影原理在虛擬雙平面系統中將3D骨骼模型與2D醫學影像進行匹配，從而獲得關節的空間相對位置，進行后續運動學和其他參數分析。雙平面動態X光追蹤技術測量膝關節動態運動的位移和旋轉角度精度分別為0.2mm和0.2°[5]。但是目前在虛擬雙平面系統中需要操作者手動調整3D模型的空間位置，以實現2D-3D配準過程，手動配準過程具有主觀性，不同操作者的匹配結果可能不同，此外還需要耗費大量的時間。熟練的操作者可以迅速將3D模型的位置調整到精確位置的附近，使得投影輪廓和2D影像輪廓大致匹配(耗費10-20秒)，但是為了獲得精確的3D模型位置，需要耗費3-5分鐘精細調整單一模型位置，而膝關節由股骨和脛骨構成，一組2D影像的模型配準要花費操作者5分鐘以上，完全配準一組周期較長的運動數據(30-40組2D影像)需要耗費300-400分鐘。因此，開發一種基于雙平面X光追蹤的植入物自動配準定位程序，提高配準結果的重復性和客觀性，大幅度減少配準過程中人力和時間開銷，是十分有價值的。