一种基于CT三维重建图像的股骨髓腔内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髓腔内形态学参数三维测量方法。

背景技术

股骨近端骨折包括股骨颈骨折、股骨转子间骨折及股骨转子下骨折，发生率约占成人全身骨折的7.3％，而在老年骨折患者中比例可达23.8％。随着全球人口老龄化的进程，股骨近端骨折发生率随年龄增加而升高，据报道，全球每年新发老年股骨近端骨折约450万例。股骨近端骨折日益增高的治疗需求及患者对生活质量的高要求已成为骨科医师面临的一项挑战。股骨近端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。

过去，股骨髓腔内形态学特征的测量技术手段可分为三类：

①基于尸体标本的解剖学测量，由于获取尸体标本较为困难，难以开展大样本的分组研究；

②基于X线片的二维测量，因下肢摆放体位、球管投射角度差异、骨性结构重叠、人工测量误差等因素，导致X线片测量存在较大的局限性；

③基于CT图像后处理技术的二维测量，由于临床专科医生对疾病的认知需求和深度与影像科医生之间存在差异，目前多数临床医生仍仅能观察二维输出，并非都是最佳视角的基于螺旋CT扫描的多平面重组和三维重建图像，即使部分医院的PACS系统可输出动态三维容积重建图像，但也无法进行基于三维表面重建图像的三维测量。

如此现状造成了关节内骨折临床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。

既往有学者对股骨近端解剖学参数进行了测量研究，例如专利CN102151141A的专利文件公开了一种股骨头颈空间角度的测量方法，但其仍是将三维重建图像进行二维输出后，在二维图像上进行的测量，未体现出三维测量的技术内涵。

此外，在临床中，股骨近端内固定系统设计上存在诸多问题。国际上知名的内固定器械制造商研发生产的股骨近端内固定器械外形均为针对欧美人种设计，与国人股骨近端髓腔匹配度更是欠佳；而国内的内固定器械厂商多以模仿国外相同系列内固定的外形为主，缺乏基于国人骨骼形态学特征开发的具有自主知识产权的内固定产品系列。总体上，因受限于解剖学研究手段的局限性和形态学参数测量方式的技术瓶颈，国内外股骨近端内固定系统研发设计均缺乏大样本的骨骼解剖形态学数据支撑。

综上所述，基于现有技术手段的股骨髓腔内形态学参数的测量方法难以自由选择观察角度、精准选择解剖标识点，测量结果的可靠性和可重复性较低，致测量结果参考价值有限。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近端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髓腔内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髓腔内形态学参数三维测量方法，包括以下步骤：

步骤S1、获取股骨全长的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全长的三维模型；

步骤S3、对所述三维模型进行图像分割，提取股骨全长三维模型；

步骤S4、在所述股骨全长三维模型上选择解剖标识点；

步骤S5、基于所述股骨全长三维模型，通过三维空间点、线、平面三元素组合式测量模式，获取股骨形态学参数。

优选地，所述股骨形态学参数包括：股骨颈长轴的距离、股骨头长度、股骨颈长度、偏心距、股骨近段髓腔长度和股骨远段髓腔长度。

优选地，所述股骨形态学参数还包括：股骨前弓角、颈干角、前倾角和股骨近端外展角。

优选地，所述解剖标识点包括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、股骨头-颈交界处最高点、股骨颈-体交界处最高点、髓腔最长径第一端点、髓腔最长径第二端点、股骨转子间嵴最后侧缘点、股骨内侧髁最后侧缘点、股骨外侧髁最后侧缘点、小转子最内侧缘点和大转子顶点。

优选地，所述面包括：

所述股骨头最宽径最高点、所述股骨头最宽径最低点和所述股骨头最宽径最前缘点形成的第一剖面；

所述股骨颈最小径最高点、所述股骨颈最小径最低点和所述股骨颈最小径最前缘点形成的第二剖面；

小转子最内侧缘点下方2cm处垂直于骨干的第三剖面；

所述小转子最内侧缘点下方5cm处垂直于骨干的第四剖面；

股骨干与股骨外侧髁交界处上方6cm处垂直于骨干的第五剖面；

所述股骨干与股骨外侧髁交界处上方3cm处垂直于骨干的第六剖面；

所述股骨转子间嵴最后侧缘点、所述股骨内侧髁最后侧缘点和所述股骨外侧髁最后侧缘点形成股骨冠状平面；

过所述小转子最内侧缘点垂直于股骨干近段髓腔轴线的小转子平面；

过股骨前弓转折点垂直于股骨干近段髓腔轴线的股骨前弓转折点水平剖面。

优选地，所述解剖标识点还包括：股骨头中心点、股骨颈中心点、股骨头-颈交界处中点、股骨颈-体交界处中点、股骨颈中轴线-股骨头内侧缘交点、股骨颈中轴线-股骨外侧皮质交点、第一近段髓腔最长径中点、第二近段髓腔最长径中点、第一远段髓腔最长径中点、第二远段髓腔最长径中点、股骨头中心点投影点、小转子平面髓腔中点和股骨前弓转折处髓腔最长径中点。

优选地，所述线包括：

股骨颈中轴线，所述股骨头中心点和所述股骨颈中心点连接形成的直线；

股骨干近段髓腔轴线，所述第一近段髓腔最长径中点和所述第二近段髓腔最长径中点连接形成的直线；

股骨干远段髓腔轴线，所述第一远段髓腔最长径中点和所述第二远段髓腔最长径中点连接形成的直线。

优选地，所述股骨头中心点，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第一剖面的交点；

所述股骨颈中心点，在所述第二剖面上，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；

所述股骨头-颈交界处中点，为所述股骨头-颈交界处最高点在所述股骨颈中轴线的投影点；

所述股骨颈-体交界处中点，为所述股骨颈-体交界处最高点在所述股骨颈中轴线的投影点；

所述股骨颈中轴线-股骨头内侧缘交点，为股骨颈中轴线与股骨头内侧缘的交点；

所述股骨颈中轴线-股骨外侧皮质交点，为股骨颈中轴线与股骨外侧皮质的交点；

所述第一近段髓腔最长径中点，所述第三剖面上髓腔切迹的最长径的中点；

所述第二近段髓腔最长径中点，所述第四剖面上髓腔切迹的最长径的中点；

所述第一远段髓腔最长径中点，所述第五剖面上髓腔切迹的最长径的中点；

所述第二远段髓腔最长径中点，所述第六剖面上髓腔切迹的最长径的中点；

所述股骨头中心点投影点，所述股骨头中心点在所述股骨干近段髓腔轴线上的投影点；

所述小转子平面髓腔中点，所述小转子平面与所述股骨干近段髓腔轴线的交点；

所述股骨前弓转折处髓腔最长径中点，所述股骨前弓转折点水平剖面上髓腔切迹的最长径的中点。

优选地，所述股骨头长度为所述股骨头-颈交界处中点至所述股骨颈中轴线-股骨头内侧缘交点的距离为股骨头长度；

所述股骨颈-体交界处中点至所述股骨头-颈交界处中点的距离为股骨颈长度；

所述股骨头中心点至所述股骨干近段髓腔轴线的距离为偏心距；

所述小转子平面髓腔中点至股骨头-颈交界处中点的距离为股骨近段髓腔长度；

所述股骨前弓转折处髓腔最长径中点至所述第二远段髓腔最长径中点的距离为股骨近段髓腔长度。

优选地，所述股骨干近段髓腔轴线与所述股骨干远段髓腔轴线的夹角为所述股骨前弓角；

所述股骨颈中轴线与所述股骨干近段髓腔轴线的夹角为所述颈干角；

股骨冠状平面与所述股骨颈中轴线的夹角为前倾角；

所述大转子顶点和所述小转子平面髓腔中点形成的直线与所述股骨干近段髓腔轴线的夹角为股骨近端外展角。

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髓腔内形态学参数三维测量方法流程图；

图2为本发明股骨头中心点示意图；

图3为本发明股骨颈中心点示意图；

图4为本发明股骨颈中轴线示意图；

图5为本发明股骨前弓角示意图；

图6为本发明颈干角示意图；

图7为本发明前倾角示意图；

图8为本发明股骨近端外展角示意图；

图9为本发明股骨前弓转折处髓腔最长径中点示意图；

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髓腔内三维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，且步骤详细的股骨髓腔内形态学特征的三维测量体系。其具体包括以下步骤：

步骤1、获取股骨全长的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，获取股骨全长薄层CT扫描数据，扫描层面从髋臼上缘至胫骨平台；

步骤2、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全长的三维模型：

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，得到重建后的含骨盆、股骨全长、胫骨近端和髌骨的三维模型(为尽可能地保留骨骼细节，选择阈值为：150HU，过滤体积：500mm

步骤3、对所述三维模型进行图像分割，单独提取股骨全长三维模型：

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、髋臼和胫骨近段进行分割，从而将三维模型准确分割成四部分，即骨盆、股骨、胫骨近段及髌骨，分别删除骨盆、胫骨近段、髌骨团块，仅保留股骨全长的三维模型；

步骤4、在所述股骨全长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，本发明中为F

步骤5、基于所述三维模型，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，股骨形态学参数包括距离参数和角度参数。在本发明的一种具体的实施方式中，距离参数包括：股骨颈长轴的距离、股骨头长度、股骨颈长度、偏心距、股骨近段髓腔长度和股骨远段髓腔长度；角度参数包括股骨前弓角A

上述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。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股骨头最宽径最高点F

以下对于股骨形态学参数的测量方法进行具体描述：

1.股骨颈长轴的距离测量方法

1.1作股骨颈中轴线I

1.1.1确定股骨头中心点I

选取股骨头最宽径最高点F

1.1.2确定股骨颈中心点I

选取股骨颈最小径最高点F

1.1.3连接I

1.2如图4中，作股骨颈中轴线I

2.股骨头长度测量方法

2.1作股骨颈中轴线I

2.2如图4中，于股骨头-颈交界处近端选取股骨头-颈交界处最高点F

3.股骨颈长度测量方法

3.1作股骨颈中轴线I

3.2如图4中，于股骨颈与大转子交线处近端选取股骨颈-体交界处最高点F

4.股骨前弓角测量方法

4.1作股骨干近段髓腔轴线I

4.1.1股骨于股骨近段小转子最内侧缘点下方2cm处垂直于骨干的平面上形成的剖面为第三剖面S

4.1.2股骨于股骨近段小转子最内侧缘点下方5cm处垂直于骨干的平面上形成的剖面为第四剖面S

4.1.3如图5中，连接I

4.2作股骨干远段髓腔轴线I

4.2.1股骨于股骨干与股骨外侧髁交界处上方6cm处垂直于骨干的平面上形成的剖面为第五剖面S

4.2.2股骨于股骨干与股骨外侧髁交界处上方约3cm处垂直于骨干的平面上形成的剖面为第六剖面S

4.2.3如图5中，连接I

4.3股骨干近段髓腔轴线I

5.颈干角的测量方法

5.1作股骨颈中轴线I

5.2作股骨干近段髓腔轴线I

5.3股骨干近段髓腔轴线I

6.偏心距的测量方法

6.1作股骨头中心点I

6.2作股骨干近段髓腔轴线I

6.3如图6中，过股骨头中心点I

7.前倾角的测量方法

7.1作股骨颈中轴线I

7.2作股骨冠状平面S

7.3如图7中，股骨冠状平面S

8.股骨近端外展角的测量方法

8.1作股骨干近段髓腔轴线I

8.2作小转子平面髓腔中点I

8.3如图8中，选取大转子顶点F

9.股骨远段髓腔长度的测量方法

9.1作股骨前弓转折处髓腔最长径中点I

如图9中，股骨于股骨前弓转折点处垂直于股骨干近段髓腔轴线I

9.2确定第二远段髓腔最长径中点I

9.3I

10.股骨近段髓腔长度的测量方法

10.1作小转子平面髓腔中点I

10.2作股骨前弓转折处髓腔最长径中点I

10.3I

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，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髓腔内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。