一种基于CT三维重建图像的股骨外侧壁形态学参数三维测量方法

技术领域

本发明涉及股骨测量技术领域，尤其涉及一种基于CT三维重建图像的股骨外侧壁形态学参数三维测量方法。

背景技术

股骨转子间骨折多发生于老年人，尤其是老年女性，约占老年髋部骨折的一半。随着社会老龄化的进程，股骨转子间骨折的发病率逐年上升。股骨转子间骨折日益增高的治疗需求及患者对生活质量高要求已成为骨科医师面临的一项挑战。

外侧壁的概念由以色列骨科医生Gotfried于2004年提出。外侧壁在解剖上是指股骨外侧肌嵴以远的股骨近端外侧皮质。外侧壁概念的提出，将股骨近端的解剖结构由以前认识的4部分增加到5部分：股骨头颈，股骨干，大转子，小转子，及外侧壁。现有研究证实，外侧壁对股骨转子间骨折的稳定性具有重要的影响。股骨转子间骨折精准的术前计划，术后复位情况的影像学评估，以及解剖型内固定器械的设计等均依赖于大量准确、详实的形态学量化指标。然而，股骨外侧壁解剖形态特殊，至今尚无详细、统一的三维精准测量方法。

过去，外侧壁形态学特征的测量技术手段主要是基于X线片的二维测量，但因下肢摆放体位、球管投射角度差异、人工测量误差等因素，导致X线片测量存在较大的局限性。此外，X线图像无法展示外侧壁的所有解剖标识点，故基于X线片的测量方式难以展示外侧壁完整的解剖形态学特征。如此现状造成了外侧壁形态学研究影像学资料凌乱，难以进行不同医院之间、同一医院术前术后影像学参数标准化比较，导致相关研究结果可靠性及可重复性较低，研究结论应用价值较为局限。

因此，亟需一种能解决上述诸多不足的高精度、高可靠性和高可重复性的股骨外侧壁形态学参数的三维测量方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于CT三维重建图像的股骨外侧壁形态学参数三维测量方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于CT三维重建图像的股骨外侧壁形态学参数三维测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取股骨近端薄层电子计算机断层扫描数据；

步骤S2、采用表面遮盖重建法根据所述薄层电子计算机断层扫描数据重建包括所述股骨近端的三维模型；

步骤S3、对所述三维模型进行图像分割，提取股骨近端三维模型；

步骤S4、在所述股骨近端三维模型上选择解剖标识点；

步骤S5、基于所述股骨近端三维模型，通过三维空间点、线、平面三元素组合式测量模式，获取股骨外侧壁形态学参数。

优选地，所述股骨形态学参数包括：股骨外侧壁高度、股骨外侧壁宽度、股骨外侧壁横断面曲率半径、股骨外侧壁横断面圆心角、股骨外侧壁冠状面近端曲率半径、股骨外侧壁冠状面远端曲率半径、冠状面股骨外侧壁近端弧度圆心角、冠状面股骨外侧壁远端弧度圆心角。

优选地，所述解剖标识点包括：髓腔最长径第一端点、髓腔最长径第二端点、小转子最内侧点、股外侧肌嵴最外侧点、股骨前侧皮质与外侧壁弧度的转折点、股骨后侧皮质与外侧壁弧度的转折点、股骨头最宽径最高点、股骨头最宽径最低点、股骨头最宽径最前缘点、股骨颈最小径最高点、股骨颈最小径最低点、股骨颈最小径最前缘点、近端弧度与内侧弧度交界点、近端弧度与外侧弧度交界点、远端弧度与内侧弧度交界点、远端弧度与外侧弧度交界点。

优选地，所述解剖标识点还包括：第一髓腔最长径中点、第二髓腔最长径中点、第一拟合圆圆心、股骨头中心点、股骨颈中心点、近端拟合圆圆心、远端拟合圆圆心、股外侧肌嵴最外侧点-小转子平面的投影点、股外侧肌嵴最外侧点-小转子平面的中点、近端拟合圆-远端拟合圆交点、近端拟合圆-外侧壁近端切点、远端拟合圆-外侧壁远端切点。

优选地，所述面包括：

股骨近段小转子最下缘处垂直于骨干的第一剖面；

所述股骨近段小转子最下缘下方3cm处垂直于骨干的第二剖面；

过小转子最内侧点作股骨干近段髓腔轴线垂面，得小转子平面；

过股外侧肌嵴最外侧点至所述小转子平面的中点，作小转子平面的平行面，得小转子平行面；

以股骨头最宽径最高点、股骨头最宽径最低点和股骨头最宽径最前缘点，三点定义股骨头中心剖面；

以股骨颈最小径最高点、股骨颈最小径最低点和股骨颈最小径最前缘点，三点定义股骨颈最小径剖面。

优选地，所述面包括股骨近端中央冠状面，以所述股骨头中心点、所述股骨颈中心点和所述第二髓腔最长径中点，三点定义股骨近端中央冠状面。

优选地，第一髓腔最长径中点，为所述第一剖面上髓腔切迹的最长径的中点；

第二髓腔最长径中点，为所述第二剖面上髓腔切迹的最长径的中点；

第一拟合圆圆心，为股骨近端在所述小转子平行面形成的剖面上，拟合外侧壁弧度形成的第一拟合圆圆心；

股骨头中心点，为所述股骨头最宽径最高点至所述股骨头最宽径最低点形成的线段的中垂面、所述股骨头最宽径最低点至所述股骨头最宽径最前缘点形成的线段的中垂面和所述股骨头中心剖面的交点；

股骨颈中心点，在所述最小径剖面上，所述近端弧度与内侧弧度交界点至所述近端弧度与外侧弧度交界点距离的中点为上底边中点，所述远端弧度与内侧弧度交界点至远端弧度与外侧弧度交界点距离的中点为下底边中点，所述上底边中点至下底边中点距离的中点为所述股骨颈中心点；

近端拟合圆圆心，在股骨近端中央冠状面上，拟合外侧壁近端弧度作近端拟合圆，得近端拟合圆圆心；

远端拟合圆圆心，在股骨近端中央冠状面上，拟合外侧壁远端弧度作远端拟合圆，得远端拟合圆圆心。

优选地，所述股外侧肌嵴最外侧点至小转子平面的距离为股骨外侧壁高度；

所述股骨前侧皮质与外侧壁弧度的转折点至所述股骨后侧皮质与外侧壁弧度的转折点的距离为外侧壁宽度；

所述第一拟合圆圆心至所述股骨前侧皮质与外侧壁弧度的转折点或所述圆心至所述股骨后侧皮质与外侧壁弧度的转折点的距离为股骨外侧壁横断面曲率半径；

所述第一拟合圆圆心和所述股骨前侧皮质与外侧壁弧度的转折点形成的直线与所述第一拟合圆圆心和所述股骨后侧皮质与外侧壁弧度的转折点形成的直线的夹角为股骨外侧壁横断面圆心角；

所述近端拟合圆-远端拟合圆交点至所述近端拟合圆圆心的距离或所述近端拟合圆-外侧壁近端切点至所述近端拟合圆圆心的距离为股骨外侧壁冠状面远端弧度曲率半径；

所述近端拟合圆-远端拟合圆交点和所述近端拟合圆圆心形成的直线与所述近端拟合圆-外侧壁近端切点和所述近端拟合圆圆心形成的直线的夹角为冠状面股骨外侧壁近端弧度圆心角；

所述近端拟合圆-远端拟合圆交点至所述远端拟合圆圆心的距离或所述远端拟合圆-外侧壁远端切点至所述远端拟合圆圆心的距离为股骨外侧壁冠状面远端弧度曲率半径；

所述近端拟合圆-远端拟合圆交点和所述远端拟合圆圆心形成的直线与所述远端拟合圆-外侧壁远端切点和所述远端拟合圆圆心形成的直线的夹角为冠状面股骨外侧壁远端弧度圆心角。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1、各形态学参数的准确测量是建立在精确选取合适的解剖标识点的基础上，本发明基于CT数据的三维重建图像使直观的、便捷的解剖标识点选取方法成为可能，摒弃了现有技术中X线片上和CT二维平面图像上选取标识点存在的缺陷。

2、本发明中，基于以下原则选取标识点：(1)具有充分的解剖学基础，相应表述也尽量采用专业的解剖学词汇；(2)取点具有唯一性，不同的观察者都可在三维图像直视下进行统一的标识点选取；因此，本领域技术人员可较为精准和快速地按照本发明对相关解剖标识点进行确定。

3、本领域技术人员只需掌握简单的几何学原理，就可按照本发明所述对相关解剖标识点进行处理，本发明体现了基于CT三维后处理图像进行三维测量的技术内涵：首先，三维空间坐标系的建立是实现三维测量的技术基础，基于Dicom3.0标准收集的CT图像已包含空间坐标信息，目前已在全球广泛应用，故本发明具有广阔的应用前景；其次，解剖标识点应在可旋转的三维图像上，即三维坐标系中进行选取，而非在固定视角的二维输出图像上，即二维坐标系中进行选取；第三，根据股骨形态学参数的定义和几何学原理，对解剖标识点进行处理，如两个解剖标识点连接成线段、三个解剖标识点形成平面等，根据解剖标识点三维坐标之间的相对关系，进行数理计算，获取股骨外侧壁形态学参数。

附图说明

图1为本发明一种基于CT三维重建图像的股骨外侧壁形态学参数三维测量方法流程图；

图2为本发明中第一髓腔最长径中点和第二髓腔最长径中点示意图；

图3为本发明股骨外侧壁横断面圆心角示意图；

图4为本发明股骨头中心点示意图；

图5为本发明股骨颈中心点示意图；

图6为本发明冠状面股骨外侧壁近端弧度圆心角和冠状面股骨外侧壁远端弧度圆心角示意图；

图中标记表示说明：

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具体实施方式

受限于尸体标本获取的困难和以往高质量、高精度股骨影像的缺乏，相关解剖学参数的精准测量无从实施，故其解剖复位标准长期以来无明确定义。所谓解剖复位，即通过各种复位手段，使移位、旋转、扦插的骨折块、关节恢复正常的解剖关系，使得其对位、对线良好。可见，解剖复位的标准应建立在详细的正常解剖学结构研究之上。随着基于CT数据的三维成像技术的发展，临床医生及科研工作者得以采集到大样本量的高质量、高精度股骨影像数据。三维成像技术正逐步受到骨科临床及科研的重视，但目前，基于高精度影像的股骨外侧壁形态学参数的设计与测量方法尚未建立。

因此，本发明基于三维重建高精度的CT后处理图像，设计了一组丰富、全面，且步骤详细的股骨外侧壁形态学特征的三维测量体系。其具体包括以下步骤：

步骤S1、获取股骨近端薄层电子计算机断层扫描数据

被检查者仰卧于螺旋CT扫描床并将双下肢旋转至中立位，采用薄层电子计算机断层扫描仪(薄层CT)进行扫描，获取股骨近端薄层CT扫描数据，扫描层面从髋臼至小转子下6cm。

步骤S2、采用表面遮盖重建法根据所述薄层电子计算机断层扫描数据重建包括股骨近端的所述三维模型

将上述薄层CT扫描数据导入到三维图像处理系统(如SuperImage orthopedicsedition 1.1，Mimics等三维重建软件)，在三维图像处理系统中，采用表面遮盖重建法基于薄层CT数据进行重建，得到重建后的含髋臼、股骨近端的三维模型。为尽可能地保留骨骼细节，选择阈值为：150HU，过滤体积：500mm

步骤S3、对所述三维模型进行图像分割，提取所述股骨近端三维模型

在三维图像处理系统中，采用系统的团块分割和团块编辑模块或类似功能，对股骨头和髋臼进行分割，从而将股骨近端的三维骨骼模型准确分割并提取。

步骤S4、在所述股骨近端三维模型上选择解剖标识点

采用三维图像处理系统中三维测量模块的“选取表面点”或类似功能，在股骨近端上分别进行解剖标识点的选取，对选取的标识点进行相应的标注，如赋予解剖标识点以序号，如点1、点2等或点A、点B等。

步骤S5、基于所述股骨近端三维模型，通过三维空间点、线、平面三元素组合式测量模式，获取股骨外侧壁形态学参数

基于三维图像所在的三维坐标系，采用三维图像处理系统的三维测量模块，根据股骨外侧壁形态学参数的定义和几何学原理，对解剖标识点进行处理，如两个解剖标识点连接成线段、三个解剖标识点形成平面等，根据解剖标识点三维坐标之间的相对关系，进行数理计算，获取股骨外侧壁形态学参数。因参数测量仅需计算标识点之间的相对关系，故该步骤无需调整三维坐标系。

本发明中，股骨外侧壁形态学参数包括：股骨外侧壁高度、股骨外侧壁宽度、股骨外侧壁横断面曲率半径、股骨外侧壁横断面圆心角A

上述股骨外侧壁形态学参数的准确测量是建立在精确选取合适的解剖标识点的基础上。因此，股骨结构解剖标识点的精准选取对相关参数测量的准确性至关重要。在现有技术中，由于球管投射角度差异、骨性结构重叠、人工测量的误差等因素，在X线片上选取标识点缺乏精准性；而在CT二维平面图像上确认解剖学平面或轴线较为复杂，且每一层面的CT图像都无法完整表现所有的解剖学结构，视觉范围局限，选取标识点受经验影响较大。基于CT数据的三维重建图像使直观的、便捷的解剖标识点选取方法成为可能。

本发明基于以下原则选取标识点：(1)具有充分的解剖学基础，相应表述也尽量采用专业的解剖学词汇。(2)取点具有唯一性，不同的观察者都可在三维图像直视下进行统一的标识点选取，为此，我们做了诸多尝试，选点的一致性及所测参数结果的一致性采用组内相关系数(intra-class correlation coefficient，ICC)等进行评价，最终方案中的解剖标识点选取及所测参数结果的一致性最好。(3)只需掌握简单的几何学原理，就可按照本发明所述对相关解剖标识点进行处理。

具体地，所述解剖标识点包括：髓腔最长径第一端点F

以下对于股骨形态学参数的测量方法进行具体描述：

1.股骨外侧壁高度

1.1作股骨干近段髓腔轴线I

1.1.1如图1中，于股骨近段小转子最下缘处垂直于骨干的平面上形成的剖面为第一剖面S

1.1.2如图1中，于股骨近段小转子最下缘下方3cm处垂直于骨干的平面上形成的剖面为第二剖面S

1.1.3连接I

1.2作小转子平面S

选取小转子最内侧点F

1.3股外侧肌嵴最外侧点F

2.股骨外侧壁宽度

2.1作股骨干近段髓腔轴线I

2.2作小转子平面S

2.3作小转子平行面S

过股外侧肌嵴最外侧点F

2.4在股骨上以小转子平行面S

2.5同2.3-2.4，可作股骨外侧壁其它任意平行于小转子平面S

3.股骨外侧壁横断面曲率半径及圆心角

3.1作股骨干近段髓腔轴线I

3.2作小转子平面S

3.3作小转子平行面S

3.4在股骨上以小转子平行面S

3.5直线I

3.6同3.3-3.5，可作股骨外侧壁其它任意平行于小转子平面S

4.股骨外侧壁冠状面双弧度曲率半径及圆心角

4.1作股骨头中心点I

选取股骨头最宽径最高点F

4.2作股骨颈中心点I

选取股骨颈最小径最高点F

4.3作第二髓腔最长径中点I

4.4作股骨近端中央冠状面S

以股骨头中心点I

4.5在股骨上以股骨近端中央冠状面S

4.6直线I

4.7同4.4-4.6，可作股骨外侧壁其它任意冠状面，即以股骨头中心点I

由上述测量方法可知，本发明体现了基于CT三维后处理图像进行三维测量的技术内涵：首先，三维空间坐标系的建立是实现三维测量的技术基础，基于Dicom 3.0标准收集的CT图像已包含空间坐标信息，目前已在全球广泛应用，故本发明具有广阔的应用前景；其次，解剖标识点应在可旋转的三维图像上，也即三维坐标系中进行选取，而非在固定视角的二维输出图像上，二维坐标系中进行选取；第三，根据股骨形态学参数的定义和几何学原理，对解剖标识点进行处理，如两个解剖标识点连接成线段、三个解剖标识点形成平面等，根据解剖标识点三维坐标之间的相对关系，进行数理计算，获取股骨外侧壁形态学参数。

综上，本发明针对现有技术中的不足，提供了一种高精度、高可靠性和高可重复性的基于CT三维重建图像的股骨外侧壁形态学参数的三维测量方法。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。