專利名稱：脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種脊椎模型的構(gòu)建方法，具體是一種脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，可用于外科醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中與脊柱和脊椎相關(guān)的研究。
背景技術(shù)：
目前，與脊椎相關(guān)的疾病在我國已成為常見病和高發(fā)病，雖然脊椎外科手術(shù)近年得到了很大的發(fā)展，但是由于脊椎手術(shù)本身特點(diǎn)及脊椎的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手術(shù)難度和危險(xiǎn)性很
尚ο隨著計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)在醫(yī)學(xué)各領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的拓展，醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的不斷升級，空間三維定位系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)圖像處理及三維可視化技術(shù)已經(jīng)深入到醫(yī)學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域雖然三維醫(yī)學(xué)圖像重建可以彌補(bǔ)二維影像的不足，但精確的立體定位和配準(zhǔn)仍是未解決的難題。目前手術(shù)導(dǎo)航和虛擬手術(shù)技術(shù)的總體水平尚不能很好地滿足臨床需求，問題的關(guān)鍵是高精度建模、準(zhǔn)確定位與模擬等關(guān)鍵技術(shù)尚未很好解決。因此，需要科學(xué)而準(zhǔn)確的度量數(shù)據(jù)。目前，我國還沒有脊柱以及各部分脊椎的三維幾何統(tǒng)計(jì)形態(tài)模型，還沒建立脊柱和脊椎三維幾何數(shù)據(jù)庫，缺乏不同年齡段脊柱的準(zhǔn)確度量數(shù)據(jù)，給脊椎和脊柱的相關(guān)醫(yī)學(xué)研究、教學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助骨科的精確定位造成了不便。在Cootes提出主動(dòng)形狀模型(ASM，Active Sharpe Model)后，對利用ASM方法來建立樣本的統(tǒng)計(jì)模型有了很大的發(fā)展，并且有很多人將其拓展到三維形態(tài)上?，F(xiàn)階段，采用 ASM方法建立的顱骨、顱面模型的技術(shù)很成熟，并在顱面復(fù)原等方面獲得了較好的效果。ASM方法是基于點(diǎn)分布的，它需要對每一個(gè)樣本圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。不同的特征點(diǎn)標(biāo)定方法，直接影響到模型建立的準(zhǔn)確性。Cootes提出標(biāo)記點(diǎn)可分為3類第1類是與模型直接相關(guān)的特殊點(diǎn)；第2類是與模型的形狀不直接相關(guān)的點(diǎn)；第3類是前兩類點(diǎn)的中間插值點(diǎn)。一般情況下，選擇第1類和第2類點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)。其中，由于目前我國還沒有建立脊柱和脊椎三維幾何數(shù)據(jù)庫，缺乏脊椎的準(zhǔn)確度量數(shù)據(jù)，對脊椎的形態(tài)分析缺乏科學(xué)度量參數(shù)。因此，需要建立脊椎的三維幾何形態(tài)模型。 在采用ASM與ICP方法建立的脊椎三維幾何形狀模型在實(shí)際的應(yīng)用中只能對脊椎的幾何形態(tài)進(jìn)行分析，缺乏脊椎軟組織與骨骼直接相互作用力，無法對脊椎部位的受力情況進(jìn)行分析，也不能對脊椎的各個(gè)部位和關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)度量。因此，需要將該統(tǒng)計(jì)模型的方法與有限元模型相結(jié)合，從而既能描述脊椎的幾何形態(tài)，又能對脊椎部位的受力情況進(jìn)行定量分析。發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，該方法既能夠精確描述脊椎的幾何外形，又保證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為脊椎和脊柱的相關(guān)醫(yī)學(xué)研究、教學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助骨科的精確定位提供一種科學(xué)依據(jù)和參考。本發(fā)明的技術(shù)方案是首先對三維重建后的醫(yī)學(xué)CT圖像進(jìn)行特征點(diǎn)定位和標(biāo)記，從而獲得每個(gè)脊椎樣本的形狀矩陣；采用最近點(diǎn)迭代算法(ICP，Iterative Closest Point)算法對樣本集中形狀矩陣進(jìn)行對齊和配準(zhǔn)；再采用主成分分析法(PCA，Principal Component Analysis)方法對樣本進(jìn)行訓(xùn)練，從而建立脊椎的幾何形態(tài)統(tǒng)計(jì)模型；最后，將模型導(dǎo)入到相關(guān)軟件生成體網(wǎng)格模型，該網(wǎng)格模型可以直接用來進(jìn)行有限元分析。本發(fā)明是一種脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，其特征在于包括如下過程(1)對人體脊椎的CT圖像進(jìn)行三維重建，得到脊椎的三維模型，并保留單個(gè)的椎骨模型，經(jīng)大量處理后建立脊椎三維圖像的集合；(2)對脊椎三維圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行定義和手動(dòng)標(biāo)定，將每一個(gè)脊椎樣本標(biāo)定得到的形狀矩陣保存起來，形成形狀矩陣樣本集；(3)從樣本集中選取一個(gè)模型樣本，并將剩下每一個(gè)的樣本都作為待配準(zhǔn)樣本；(4)采用ICP方法對模型樣本與待配準(zhǔn)樣本的形狀矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換和平移變換，通過最小二乘法進(jìn)行迭代，使二者的對應(yīng)點(diǎn)之間的距離最小，使兩個(gè)樣本在同一個(gè)坐標(biāo)系中具有可比性，完成模型樣本與待配準(zhǔn)樣本的對齊和配準(zhǔn)；(5)采用PCA方法對樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，去除原始數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性，從而將原有數(shù)據(jù)的高維度轉(zhuǎn)化為少數(shù)的幾個(gè)主要變換變量，得到樣本變化模型；(6)將得到的脊椎三維幾何形態(tài)統(tǒng)計(jì)模型網(wǎng)格化，生成有限元分析模型。主動(dòng)形狀模型(Active Shape Model)最初是由Τ. F. Cootes等人于1992年提出的，其是一種以訓(xùn)練和統(tǒng)計(jì)分析為基礎(chǔ)的模型方法。德國馬普研究會(huì)的Volker Blanz和 Thoms Vetter提出基于三維特征點(diǎn)標(biāo)記的顱面統(tǒng)計(jì)模型。目前，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)對脊椎幾何形狀信息的研究方面，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域還沒有比較成熟的方法。本發(fā)明在參考ASM的基本原則和其擴(kuò)展模型在對三維模型處理第三維信息(也就是坐標(biāo)系中 Z軸方向的坐標(biāo)值)的方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對脊椎進(jìn)行建模，得到脊椎在三維空間上的統(tǒng)計(jì)知識(shí)。它通過對樣本標(biāo)定和訓(xùn)練，使用統(tǒng)計(jì)分析的方法建立關(guān)于目標(biāo)平均形狀及形變模式的先驗(yàn)?zāi)Ｐ?。它能根?jù)訓(xùn)練集中的形變模式對模型進(jìn)行靈活形狀調(diào)整，保證模型在合理的范圍變化。有限元法的基本思想是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個(gè)合適的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域的總的滿足條件，從而得到問題的近似解。本發(fā)明將得到的三維幾何形態(tài)統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行體網(wǎng)格化，構(gòu)建了脊椎的三維幾何與有限元混合模型，可以分別進(jìn)行詳細(xì)有限元計(jì)算，對脊椎進(jìn)行受力分析時(shí)就可以從每一個(gè)元素的受力得到整個(gè)脊椎的受力情況，不僅可以觀察骨形態(tài)細(xì)微結(jié)構(gòu)，且可通過隨意旋轉(zhuǎn)從任意角度、任意斷面顯示病變的部位和程度，并可以對不同的部位的受力情況進(jìn)行詳細(xì)科學(xué)計(jì)量，從而為脊椎進(jìn)行生物力學(xué)的評估、 統(tǒng)計(jì)分析提供科學(xué)依據(jù)。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)還在于過程O)中對特征點(diǎn)進(jìn)行定義和手動(dòng)標(biāo)定按照如下過程進(jìn)行參考顱骨特征點(diǎn)的定義方法，根據(jù)Cootes提出的特征點(diǎn)分類并結(jié)合脊椎的特點(diǎn)，對樣本集中脊椎樣本的特征點(diǎn)進(jìn)行定義和手動(dòng)標(biāo)定，并將每一個(gè)樣本標(biāo)定得到的形狀矩陣保存起來，形成形狀矩陣集合，定義68個(gè)脊椎特征點(diǎn)，每個(gè)樣本用這68個(gè)三維特征點(diǎn)構(gòu)成的形狀矩陣來表示
權(quán)利要求
1.一種脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，其特征在于包括如下步驟(1)對人體脊椎的CT圖像進(jìn)行三維重建，得到脊椎的三維模型，對該三維模型進(jìn)行切割并保留單個(gè)的腰椎部位的三維模型；通過對大量人體脊椎圖像處理，建立脊椎三維圖像的集合；(2)對脊椎三維圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行定義和手動(dòng)標(biāo)定，將每一個(gè)脊椎樣本標(biāo)定得到的形狀矩陣保存起來，形成形狀矩陣樣本集；(3)從形狀矩陣樣本集中選取一個(gè)模型樣本，并將剩下每一個(gè)的樣本都作為待配準(zhǔn)樣本；(4)采用ICP方法對模型樣本與待配準(zhǔn)樣本的形狀矩陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換和平移變換，通過最小二乘法進(jìn)行迭代，使二者的對應(yīng)點(diǎn)之間的距離最小，使兩個(gè)樣本在同一個(gè)坐標(biāo)系中具有可比性，完成模型樣本與待配準(zhǔn)樣本的對齊和配準(zhǔn)；(5)采用PCA方法對形狀矩陣樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，去除原始數(shù)據(jù)的線性相關(guān)性，從而將原有數(shù)據(jù)的高維度轉(zhuǎn)化為少數(shù)的幾個(gè)主要變換變量，得到樣本變化模型；(6)將得到的脊椎三維幾何形態(tài)統(tǒng)計(jì)模型網(wǎng)格化，生成有限元的表面網(wǎng)格模型和體網(wǎng)格模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，其特征在于過程O)中所述對特征點(diǎn)進(jìn)行定義和手動(dòng)標(biāo)定，按照如下過程進(jìn)行參考顱骨特征點(diǎn)的定義方法，根據(jù)Cootes提出的特征點(diǎn)分類并結(jié)合脊椎的特點(diǎn)，定義 68個(gè)脊椎特征點(diǎn)，每個(gè)樣本用這68個(gè)三維特征點(diǎn)構(gòu)成的形狀矩陣來表示
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，其特征在于其中過程(3)按照如下過程進(jìn)行假設(shè)在形狀矩陣樣本集中有標(biāo)定后的m個(gè)脊椎樣本，每個(gè)脊椎樣本的形狀矩陣M為
4.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，其特征在于過程(4)中所述采用ICP方法完成對齊和配準(zhǔn)，按照如下過程進(jìn)行 4. 1初始化迭代次數(shù)k = 0 ； 4. 2從待配準(zhǔn)樣本P中取點(diǎn)斤e P ；(4. 3根據(jù)約束條件min{|| Qf-P,k ||}計(jì)算出模型樣本Q中的與<對應(yīng)點(diǎn)^ G Qk ； 4. 4根據(jù)約束條件min{|| Rk - P，||2}計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣R ；(4. 5平移向量U是兩個(gè)點(diǎn)集之間的重心差異，通過計(jì)算R*Pk與Qk之間的重心差異即得； 4. 6第k次迭代配準(zhǔn)得到的點(diǎn)集表示為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，其特征在于過程(5)中所述建立樣本變化模型，按照如下過程進(jìn)行(5. 1將三維點(diǎn)集M轉(zhuǎn)化為一維的形狀向量X
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，其特征在于其中過程(6)按照如下過程進(jìn)行6. 1在軟件Simpleware的kanIP模塊的三維視圖中，在3D Preview中選擇FE，生成表面網(wǎng)格模型；6. 2從kanIP模塊中導(dǎo)出以.sfh為擴(kuò)展名的文件，再將其導(dǎo)入到kanFE模塊，在 Control Panel中點(diǎn)擊Mesh選項(xiàng)，在Mesh Options中選擇Smoothed，點(diǎn)擊Apply，將會(huì)得到一個(gè)平滑的體網(wǎng)格模型；6.3在體網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上建立有限元分析模型。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的建立網(wǎng)格模型及有限元分析模型的構(gòu)建方法，其特征在于 過程(6)中所述建立有限元分析模型，按照如下過程進(jìn)行在體網(wǎng)格導(dǎo)出之前，選擇Export選項(xiàng)中的Finite Element Model，然后選擇ANSYS選項(xiàng)，在彈出的對話框中點(diǎn)擊Configure part materials設(shè)置合理的Mass Density，Young，s Modulus和fission’ s Ratio參數(shù)，導(dǎo)出的模型直接導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。
全文摘要
本發(fā)明提出一種脊椎的三維幾何與有限元混合模型的構(gòu)建方法，屬醫(yī)學(xué)圖像處理技術(shù)領(lǐng)域。構(gòu)建過程為輸入脊椎的CT圖像；對CT圖像進(jìn)行三維重建和三維切割，得到脊椎三維圖像集；建立三維幾何形態(tài)統(tǒng)計(jì)模型，首先對脊椎的特征點(diǎn)定義和手動(dòng)標(biāo)定，再對脊椎圖像進(jìn)行對齊和配準(zhǔn)，然后對樣本集進(jìn)行訓(xùn)練，得到統(tǒng)計(jì)模型；生成有限元模型，將統(tǒng)計(jì)模型進(jìn)行導(dǎo)入，首先生成表面網(wǎng)格模型，然后生成體網(wǎng)格模型；該模型可以直接導(dǎo)入到有限元分析軟件中進(jìn)行生物力學(xué)分析。本發(fā)明既能夠精確描述脊椎的幾何外形，又保證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高脊椎模型的精確度，使用方便，便于對脊椎部位的形狀和受力進(jìn)行科學(xué)計(jì)量?？捎糜谕饪漆t(yī)學(xué)領(lǐng)域中與脊柱和脊椎相關(guān)的研究。
文檔編號(hào)G06T17/00GK102208117SQ201110114628
公開日2011年10月5日 申請日期2011年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月4日
發(fā)明者代俊, 王瑩, 魚濱 申請人:西安電子科技大學(xué)