[發(fā)明專利]一種長骨骨折斷面點(diǎn)云預(yù)處理及配準(zhǔn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110570186.4
• 申請日: 2021-05-25
• 公開（公告）號(hào): CN113345112B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 雷靜桃;許海飛
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): G06T19/20
• 分類號(hào): G06T19/20;G06T17/00;G06T7/30
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發(fā)明涉及一種長骨骨折斷面點(diǎn)云的預(yù)處理及配準(zhǔn)方法，包括骨折模型逆向重建、骨折斷面點(diǎn)云自動(dòng)提取、骨折斷面點(diǎn)云篩選和骨折斷面點(diǎn)云配準(zhǔn)步驟。本發(fā)明采用迭代最近點(diǎn)算法，進(jìn)行遠(yuǎn)端和近端斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)精配準(zhǔn)，確定骨折遠(yuǎn)端相對于近端的空間移位偏差和旋轉(zhuǎn)偏差。本發(fā)明所述方法對骨折斷面點(diǎn)云的預(yù)處理，包括骨折近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云的自動(dòng)提取以及篩選，通過實(shí)現(xiàn)骨折斷面點(diǎn)云的自動(dòng)提取，避免人為選取特征點(diǎn)；另外進(jìn)行骨折近端、遠(yuǎn)端模型斷面點(diǎn)云篩選，剔除了屬于骨折斷裂處骨髓腔的內(nèi)部點(diǎn)云以及外側(cè)壁的離散點(diǎn)云，有效減少干擾點(diǎn)云。本發(fā)明方法能有效提高骨折斷面配準(zhǔn)精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種長骨骨折斷面點(diǎn)云的預(yù)處理及配準(zhǔn)方法，屬于醫(yī)療機(jī)器人圖像處理領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人輔助醫(yī)生完成精準(zhǔn)骨折復(fù)位操作成為可能。與傳統(tǒng)骨折復(fù)位手術(shù)相比，機(jī)器人骨折復(fù)位手術(shù)有顯著優(yōu)勢，具有廣泛應(yīng)用前景。

機(jī)器人骨折復(fù)位手術(shù)，術(shù)前需進(jìn)行骨折逆向重建及骨折斷面配準(zhǔn)以確定骨折移位偏差和旋轉(zhuǎn)偏差。基于此，進(jìn)行機(jī)器人復(fù)位的空間路徑規(guī)劃。關(guān)于骨折斷面配準(zhǔn)，即采用骨折斷面三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行配準(zhǔn)。由骨折CT數(shù)據(jù)逆向重建三維數(shù)字化模型，進(jìn)行點(diǎn)云預(yù)處理后，采用配準(zhǔn)算法，進(jìn)行骨折近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云配準(zhǔn)。

骨折近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云預(yù)處理，目前主要是根據(jù)斷面法向量與骨折軸線間的角度進(jìn)行斷面點(diǎn)云提取。該方法存在不足之處有：①骨折斷面法向量是根據(jù)CT數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合所得，存在擬合誤差；②通過剔除其法向量與骨折模型軸線呈一定角度的三角面片進(jìn)行骨折斷面點(diǎn)云提取，由于實(shí)際骨折模型無法確定骨折斷面邊界，提取的骨折斷面點(diǎn)云往往還會(huì)包含部分位于骨髓腔內(nèi)壁、骨折模型外側(cè)壁的點(diǎn)云，提取效果較差；③根據(jù)骨折模型相鄰三角面片法向量的突變進(jìn)行斷面點(diǎn)云提取，需要人為在骨折模型上選取參考點(diǎn)，非自動(dòng)提取骨折模型斷面點(diǎn)云，自動(dòng)化程度低。

目前，國內(nèi)外提出了各種點(diǎn)云配準(zhǔn)算法，其中應(yīng)用最廣泛的配準(zhǔn)算法是迭代最近點(diǎn)算法。該算法根據(jù)最小歐式距離不斷查找近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云各點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，利用奇異值分解算法計(jì)算相應(yīng)匹配點(diǎn)間的旋轉(zhuǎn)矩陣和位置矢量，實(shí)現(xiàn)骨折斷面點(diǎn)云的配準(zhǔn)。但是該算法收斂速度較慢，若直接應(yīng)用于骨折近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云配準(zhǔn)，容易陷入局部最優(yōu)解。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種長骨骨折斷面點(diǎn)云預(yù)處理及配準(zhǔn)方法，能有效提高骨折斷面配準(zhǔn)精度。本發(fā)明長骨骨折斷面點(diǎn)云的預(yù)處理及配準(zhǔn)方法，首先采用主成分分析算法提取骨折近端、遠(yuǎn)端模型軸線，使用Geomagic?studio軟件分析骨折模型的曲率，提取骨折模型上的高曲率區(qū)域，根據(jù)骨折模型軸線方向并結(jié)合高曲率區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取處于骨折近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)骨折近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云的自動(dòng)提取，避免人為選取特征點(diǎn)導(dǎo)致配準(zhǔn)精度不足；進(jìn)行骨折近端、遠(yuǎn)端模型斷面區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)的篩選，剔除骨髓腔內(nèi)壁、骨折模型外側(cè)壁的點(diǎn)云，減少干擾點(diǎn)云，為提高骨折斷面配準(zhǔn)精度奠定基礎(chǔ)；通過調(diào)整骨折遠(yuǎn)端軸線的方向，使骨折遠(yuǎn)端軸線與近端軸線方向一致，為骨折斷面點(diǎn)云精配準(zhǔn)階段提供理想的點(diǎn)云初始配準(zhǔn)狀態(tài)，最后采用迭代最近點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)骨折斷面點(diǎn)云精配準(zhǔn)，確定骨折遠(yuǎn)端相對于近端的空間位置和姿態(tài)偏差。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種長骨骨折斷面點(diǎn)云預(yù)處理及配準(zhǔn)方法，包括以下操作步驟：

(1)骨折模型逆向重建：

根據(jù)患者長骨骨折CT數(shù)據(jù)，采用Mimics軟件逆向重建骨折近端、遠(yuǎn)端的三維數(shù)字化模型；

(2)骨折斷面點(diǎn)云自動(dòng)提取：

根據(jù)骨折近端、遠(yuǎn)端軸線方向，并結(jié)合斷面高曲率區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取骨折近端、遠(yuǎn)端斷面點(diǎn)云；

(3)骨折斷面點(diǎn)云篩選：

篩選骨折近端、遠(yuǎn)端模型斷面區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，剔除骨折髓腔的點(diǎn)云及骨折模型外側(cè)壁的離散點(diǎn)云；