标准膝关节模型的建立方法及可读存储介质

技术领域

本发明涉及医疗虚拟建模技术领域，特别涉及一种标准膝关节模型的建立方法及可读存储介质。

背景技术

膝关节由股骨下端、胫骨上端和髌骨构成，是人体最大且最复杂的关节，是下肢运动和负重的重要载体，同时，也是人体中发病率很高的关节之一。因此，建立一个标准的膝关节模型对于研究和分析膝关节解剖结构和生物力学特性等具有重要意义。影像设备如CT、MRI等常用于膝关节疾病的诊断，通过采集膝关节的影像数据，可提供清晰的膝关节结构信息，包括骨骼、韧带、肌腱等，可用于诊断膝关节有无缺损、增生、炎症等病变。建立膝关节模型的一种常用方法就是从研究的群体中选择单一个体的影像数据建立三维膝关节模型。但是，由于不同个体的年龄、身高、形态等方面的不同，每个个体的膝关节形态和结构均有一定差异，单一个体的膝关节模型偏向于个人呈现的特定解剖结构，不具有代表性。通过统计学中平均值的方法也可以很容易的从群体的影像数据中计算出的算术均值来构建膝关节模型。但是，膝关节的差异主要体现在外形、大小上，同样由于个体差异的存在，这种方式也无法得到与真实数据相近的解剖结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种标准膝关节模型的建立方法及可读存储介质，以解决现有构建标准膝关节模型的过程易受个体差异影响的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种标准膝关节模型的建立方法，其包括：

获取多个不同的膝关节的影像数据；

基于微分同胚映射算法对获取的膝关节的影像数据进行几何变换，并根据最小变形算法对经过几何变换后的影像数据进行处理，得到多个所述影像数据的均值图像；

基于所述均值图像，建模得到标准膝关节的模型。

可选的，设所述影像数据的集合为I，获取的N个所述影像数据分别为图像I

重复更新φ

可选的，重复更新φ

可选的，在重复迭代更新φ

利用恒等变换初始化变换

可选的，设两幅图像分别为图像I

其中，

可选的，通过重复迭代更新φ

步骤一：更新均值图像

步骤二：计算每一个图像I

步骤三：沿速度场增量方向更新φ

重复所述步骤一至所述步骤三，直至满足收敛条件；所述收敛条件包括：φ

可选的，所述步骤二包括：

其中，v

可选的，所述步骤三包括：

φ

其中，v

可选的，基于所述均值图像，建模得到标准膝关节模型的方法包括：

根据所述均值图像中骨骼和软组织的图像灰度分布，通过阈值分割算法分割出图像中的骨骼和软组织；

通过区域生长和/或孔洞填充算法区分出所述骨骼的不同种类；

利用面绘制或体绘制算法对不同种类的所述骨骼进行三维重建。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的标准膝关节模型的建立方法的步骤。

综上所述，在本发明提供的标准膝关节模型的建立方法及可读存储介质中，所述标准膝关节模型的建立方法包括：获取多个不同的膝关节的影像数据；基于微分同胚映射算法对获取的膝关节的影像数据进行几何变换，并根据最小变形算法对经过几何变换后的影像数据进行处理，得到多个所述影像数据的均值图像；基于所述均值图像，建模得到标准膝关节的模型。

如此配置，基于多个不同的膝关节的影像数据，基于微分同胚映射的几何变换，根据最小变形算法可以得到均值图像，均值图像反映了膝关节在统计意义上位于中心位置的解剖结构，因此基于该均值图像建模得到的标准膝关节的模型，不受任何特定个体解剖结构影响，具有普适性，可以反映出膝关节的共性特点，能够应用于膝关节解剖结构、生物力学特性等研究和分析。

附图说明

本领域的普通技术人员将会理解，提供的附图用于更好地理解本发明，而不对本发明的范围构成任何限定。其中：

图1是本发明实施例的标准膝关节模型的建立方法的流程图；

图2是本发明实施例的冠状面的均值图像的示意图；

图3是本发明实施例的标准膝关节模型的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且未按比例绘制，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。

如在本发明中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，术语“若干”通常是以包括“至少一个”的含义而进行使用的，术语“至少两个”通常是以包括“两个或两个以上”的含义而进行使用的，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者至少两个该特征，“一端”与“另一端”以及“近端”与“远端”通常是指相对应的两部分，其不仅包括端点。此外，如在本发明中所使用的，“安装”、“相连”、“连接”，一元件“设置”于另一元件，应做广义理解，通常仅表示两元件之间存在连接、耦合、配合或传动关系，且两元件之间可以是直接的或通过中间元件间接的连接、耦合、配合或传动，而不能理解为指示或暗示两元件之间的空间位置关系，即一元件可以在另一元件的内部、外部、上方、下方或一侧等任意方位，除非内容另外明确指出外。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，诸如上方、下方、上、下、向上、向下、左、右等的方向术语相对于示例性实施方案如它们在图中所示进行使用，向上或上方向朝向对应附图的顶部，向下或下方向朝向对应附图的底部。

本发明的目的在于提供一种标准膝关节模型的建立方法及可读存储介质，以解决现有构建标准膝关节模型的过程易受个体差异影响的问题。以下参考附图进行描述。

如背景技术所述，临床上，膝关节的影像数据，如CT、MRI图像数据，可以提供膝关节的清晰的解剖结构信息。基于现有技术，根据不同个体的膝关节的影像数据可以建立不同的膝关节模型。发明人研究发现，不同个体的膝关节在外形上具有较高的结构相似性，其差异性可以通过膝关节的几何变换来体现。

进一步的，不同个体的膝关节的影像数据，可认为是一种微分流形，在微分流形中，不同图像的几何变换可通过图像上的微分同胚映射来实现，用以表示图像的形变。由此，基于微分同胚映射的几何变换，根据最小变形算法，可以得到多个不同的膝关节的影像数据的均值图像。均值图像反映了膝关节在统计意义上位于中心位置的解剖结构，因此基于该均值图像建模得到的标准膝关节的模型，不受任何特定个体解剖结构影响，具有普适性，可以反映出膝关节的共性特点，能够应用于膝关节解剖结构、生物力学特性等研究和分析。

如图1所示，基于上述研究，本发明实施例提供一种标准膝关节模型的建立方法，其包括：

步骤S1：获取多个不同的膝关节的影像数据；一个示范例中，该步骤S1例如为：采集N个不同个体的膝关节的CT图像，并优选以DICOM格式保存。

步骤S2：基于微分同胚映射算法对获取的膝关节的影像数据进行几何变换，并根据最小变形算法对经过几何变换后的影像数据进行处理，得到多个所述影像数据的均值图像。

步骤S3：基于所述均值图像，建模得到标准膝关节的模型。

下面具体进行说明。

步骤S2：在微分流形中，某一图像I的几何变换记为φ，φ∈Diff

其中，

上述式(1)和式(2)中，v表示速度场，σ为权重因子，

设不同的膝关节的影像数据的集合为I，获取的N个所述影像数据分别为图像Iw∈I。其中i＝1,2,…,N，N为自然数；记所述均值图像为

可选的，所述最小变形算法包括：重复更新φ

在一个可替代的示范例中，对于计算最小化图像形变的优化问题，可采用图像间距离的度量作为目标函数进行优化。具体如下：

即：

进一步的，重复更新φ

步骤一SA1：更新均值图像

步骤二SA2：计算每一个图像I

步骤三SA3：沿速度场增量方向更新φ

重复所述步骤一SA1至所述步骤三SA3，直至满足收敛条件；所述收敛条件包括：φ

可选的，所述步骤二SA2计算每一个图像I

其中，v

可选的，所述步骤三SA3沿速度场增量方向更新φ

φ

其中，v

更进一步的，在重复迭代更新φ

可以理解的，通过上述步骤一SA1(或步骤SA0)至步骤三SA3，可以计算出均值图像

进而，将获取的N个影像数据，作为上述步骤一SA1(或步骤SA0)至步骤三SA3输入的图像I

可选的，在一个可替代的示范例中，步骤S3中基于所述均值图像，建模得到标准膝关节模型的方法包括：

步骤S31：根据所述均值图像中骨骼和软组织的图像灰度分布，通过阈值分割算法分割出图像中的骨骼和软组织；

步骤S32：通过区域生长和/或孔洞填充算法分割出不同种类的骨骼；不同种类的骨骼例如包括股骨、胫骨、髌骨等。

步骤S33：利用面绘制或体绘制算法对不同种类的所述骨骼进行三维重建。

进一步的，在步骤S33之前，针对骨骼表面可能会存在的毛刺，建模得到标准膝关节的模型的方法还包括：步骤S34：通过高斯平滑等算法对骨骼表面进行平滑处理。最终得到的标准膝关节模型如图3所示。

需要说明的，上述步骤S31至步骤S34中，阈值分割算法、区域生长算法、孔洞填充算法、面绘制算法、体绘制算法及高斯平滑算法等均可根据现有技术进行理解，本发明不作展开说明。此外上述步骤S31至步骤S34仅为根据均值图像建模得到标准膝关节模型的方法的一种示范例而非对其建模方法的限定，本领域技术人员还可根据现有技术，选择其它的建模方法，本发明对此不限。

基于如上所述的标准膝关节模型的建立方法，本实施例还提供一种可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现如上所述的标准膝关节模型的建立方法的步骤。可读存储介质的具体设置方式和其构造，本发明不作限制。

综上所述，在本发明提供的标准膝关节模型的建立方法及可读存储介质中，所述标准膝关节模型的建立方法包括：获取多个不同的膝关节的影像数据；基于微分同胚映射算法对获取的膝关节的影像数据进行几何变换，并根据最小变形算法对经过几何变换后的影像数据进行处理，得到多个所述影像数据的均值图像；基于所述均值图像，建模得到标准膝关节的模型。如此配置，基于多个不同的膝关节的影像数据，基于微分同胚映射的几何变换，根据最小变形算法可以得到均值图像，均值图像反映了膝关节在统计意义上位于中心位置的解剖结构，因此基于该均值图像建模得到的标准膝关节的模型，不受任何特定个体解剖结构影响，具有普适性，可以反映出膝关节的共性特点，能够应用于膝关节解剖结构、生物力学特性等研究和分析。

需要说明的，上述若干实施例之间可相互组合。上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。