一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法技术

本发明专利技术公开了一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：股骨样本的采集和分类，采集一定数量股骨CT图像样本，并根据医学意义，通过图像处理、股骨分割处理后建立股骨曲面模型；步骤二：对股骨曲面模型进行参数化表示及形态学测量；步骤三：特征参数统计分析；步骤四：平均股骨模型的构建，根据步骤三的分析处理结果，通过研究形态参数的分布规律，建立多元统计的数学模型，生成平均股骨模型并确定数量分布比例；本发明专利技术提出的基于统计信息的平均股骨模型的构建方法为计算机辅助骨科手术领域里科学地设计国产系列化植入物提供科学依据，同时，提高植入物设计质量和效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种数字骨科技术，具体涉及一种基于统计信息的平均股骨模型的构建方法，本专利技术属于计算机辅助设计领域。
技术介绍
近年来，随着数字化制造技术、网络技术、医学影像技术和医学图像处理技术的迅速发展及日益结合，计算机辅助骨科手术成为外科手术中发展最为迅速的一个领域。股骨是人体最大的长管状骨，位于人体下肢大腿中，可分为一体两端，上端参与组成髋关节连接盆骨，下端参与组成膝关节连接小腿胫骨，承担着人体上半部分所有重量。股骨病变、骨折等现象时常发生。临床治疗方法多为在患者股骨内植入特定的植入物加以固定。然而，目前针对植入物的研究还没有发展到可以高效满足临床需求的程度，因此，结合计算机技术进行骨科植入物设计的研究具有重要的理论意义和广泛的临床应用价值，受到了国内外研究学者的广泛关注。目前常使用根据西方人股骨解剖参数设计的进口植入物。然而，东西方人股骨股骨测量的实验结果表明股骨参数能反映所述对象的某些特性，比如股骨形态参数与种族相关，因此，不同种族间股骨形态参数的差异，尤其是股骨近端解剖形态的显著性差异导致进口的植入物与国人股骨匹配性较差。在临床手术过程中，医生需要不断对植入物进行对比、塑形(弯曲裁剪等)，不仅降低了手术的远、近期效果，而且增加了患者的疼痛程度。股骨髓腔是一个不规则的锥形管腔，股骨髓腔壁呈不规则的自由曲面，且股骨近端由近及远，断层的长轴呈外旋趋势，这种扭曲角度的存在势必导致在扩髓及植入物安放过程中出现旋转，导致前倾角的改变。因此，在临床手术时使得植入物与股骨髓腔完全匹配是非常困难的。植入物的设计尤其要考虑其与股骨髓腔内形态的符合，尤其是在干骺端处的匹配，良好的匹配可以使应力向着符合生理需要的方向更加均匀快速传导，避免因植入物与骨之间界面产生切线运动而造成的植入物松动，减少应力遮挡、应力集中等问题，增强稳定性。因此，为使植入物与股骨髓腔更完好的匹配，需要建立正常国人股骨参数的数据库并探讨股骨解剖参数特点，构建股骨参数的平均股骨模型，使得平均股骨模型反映出多数人群股骨的形状属性，通过该模型设计出的植入物经过适当变形能够满足广大患者需要，为国产植入物的系列化设计和个性化设计提供一定的解剖学参考依据。
技术实现思路
为解决现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法。为了实现上述目标，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：股骨样本的采集和分类。采集一定数量的股骨CT图像样本，并根据医学意义，将股骨样本按照性别、年龄、身高、体重、出生地域等多角度进行分类，通过图像处理、股骨分割处理后建立股骨曲面模型；步骤二：对股骨曲面模型进行参数化表示及形态学测量。先进行参数化表示，将参数按照特征语义的明确性和重要程度进行分层：高层参数和底层参数，其中，高层参数描述整体形状，底层参数描述细节形状；再在医学图像处理软件中完成形态参数测量；步骤三：特征参数统计分析。抽取一定数量股骨样本曲面特征参数，将股骨主要形态的特征参数作为统计变量在统计软件(如SPSS)中进行统计学分析处理；步骤四：平均股骨模型的构建。根据步骤三的分析处理结果，通过研究形态参数的分布规律,建立多元统计的数学模型，生成平均股骨模型并确定数量分布比例。前述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，所述步骤一包括：步骤1a：股骨CT图像样本的采集和分类。随机抽取n例正常(无先天畸形及骨病历史)国人单侧股骨CT扫描数据，并根据性别、地域、年龄将其进行样本分类；步骤1b：CT图像的预处理(去噪和边缘信息增强)。采用具有较强的去噪能力和增强图像边缘信息特征的图像处理技术对CT图像进行预处理。步骤1c：股骨分割及股骨曲面模型的生成。考虑到从CT图中自动精确地分割股骨难度较大，手工分割所依据的人体股骨解剖结构知识对股骨分割具有引导作用，因此采用一种以经验手工分割引导自动分割的方法实现股骨分割从而实现重建股骨曲面模型。前述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，所述步骤二包括：步骤2a：股骨曲面模型特征定义。根据股骨的外形特征以及解剖学经验，将股骨表面特征划分为五个自由曲面特征：股骨头、股骨颈、粗隆、股骨干、髁部。步骤2b：股骨曲面特征的参数化表示。步骤2a将股骨曲面模型划分为五个局部自由曲面，将其参数化表示为以下特征参数：股骨近端参数(对股骨头、股骨颈、粗隆的表示)、股骨体参数(对股骨干的表示)和股骨远端参数(对髁部的表示)。其中股骨体参数主要为股骨干长度，股骨近端参数和股骨远端参数又可分别细分为主要参数和细节参数。步骤2c：主要参数和细节参数的测量。通过影像学方法，在医学图像处理软件中用自带测量工具完成。前述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，所述步骤三包括：步骤3a：分析各特征参数之间及特征参数内部之间的相关性。包括：股骨近端参数、股骨体参数、股骨远端参数之间的相关性；股骨近端参数中主要参数与细节参数之间的相关性；股骨远端参数中主要参数和细节参数之间的相关性。步骤3b：建立特征参数之间和特征参数内的约束关系。设计特征约束变形函数，使得修改某一特征参数的细节参数改变其他细节参数和主要参数，进而逐层改变该特征参数甚至其他特征参数，同时修改特征参数也会逐层改变该特征参数的细节参数甚至其他特征参数的细节参数，最终实现各特征曲面具有较好的平滑形变。前述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，所述步骤四包括：步骤4a：子样本和总体样本平均股骨模型生成。对步骤一中得到的每类分组进行步骤二、三操作，生成每类股骨样本的平均股骨模型。同时，对每类股骨样本的平均股骨模型的特征参数进行分析，最终得一个综合的平均股骨模型。该股骨模型反映不同群体的性别、年龄、地域、身高、体重。步骤4b：确定平均股骨模型数量分布比例。通过研究形态参数的分布规律，生成系列“平均化”股骨模型和确定其数量分布比例，为优化股骨植入物的数量分布提供依据。前述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，步骤1a中，所述样本分类是指将所采集的样本按照以下进行分类：男、女性样本各n/2例，男、女性样本均来源于A地区和B地域，且采集比例1：1。每个地区的采集人群年龄分为两大组，即20-40岁和41-60岁两本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：股骨样本的采集和分类，采集一定数量的股骨CT图像样本，并根据医学意义，将股骨样本进行分类，通过图像处理、股骨分割处理后建立股骨曲面模型；步骤二：对股骨曲面模型进行参数化表示及形态学测量，先进行参数化表示，将参数按照特征语义的明确性和重要程度进行分层：高层参数和底层参数，其中，高层参数描述整体形状，底层参数描述细节形状；再在医学图像处理软件中完成形态参数测量；步骤三：特征参数统计分析，抽取一定数量股骨样本曲面特征参数，将股骨主要形态的特征参数作为统计变量在统计软件中进行统计学分析处理；步骤四：平均股骨模型的构建，根据步骤三的分析处理结果，通过研究形态参数的分布规律,建立多元统计的数学模型，生成平均股骨模型并确定数量分布比例。

【技术特征摘要】
1.一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：股骨样本的采集和分类，采集一定数量的股骨CT图像样本，并根据医
学意义，将股骨样本进行分类，通过图像处理、股骨分割处理后建立股骨曲面
模型；
步骤二：对股骨曲面模型进行参数化表示及形态学测量，先进行参数化表示，
将参数按照特征语义的明确性和重要程度进行分层：高层参数和底层参数，其
中，高层参数描述整体形状，底层参数描述细节形状；再在医学图像处理软件
中完成形态参数测量；
步骤三：特征参数统计分析，抽取一定数量股骨样本曲面特征参数，将股骨主
要形态的特征参数作为统计变量在统计软件中进行统计学分析处理；
步骤四：平均股骨模型的构建，根据步骤三的分析处理结果，通过研究形态参
数的分布规律,建立多元统计的数学模型，生成平均股骨模型并确定数量分布比
例。
2.根据权利要求1所述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征
在于，所述步骤一包括：
步骤1a：股骨CT图像样本的采集和分类，随机抽取n例正常国人单侧股骨CT
扫描数据，并根据性别、地域、年龄将其进行样本分类；
步骤1b：CT图像的预处理，采用具有较强的去噪能力和增强图像边缘信息特征
的图像处理技术对CT图像进行预处理；
步骤1c：股骨分割及股骨曲面模型的生成，采用一种以经验手工分割引导自动
分割的方法实现股骨分割从而实现重建股骨曲面模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征

\t在于，所述步骤二包括：
步骤2a：股骨曲面模型特征定义，根据股骨的外形特征以及解剖学经验，将股
骨表面特征划分为五个自由曲面特征：股骨头、股骨颈、粗隆、股骨干、髁部。
步骤2b：股骨曲面特征的参数化表示，步骤2a将股骨曲面模型划分为五个局部
自由曲面，将其参数化表示为以下特征参数：股骨近端参数、股骨体参数和股
骨远端参数，所述股骨体参数主要为股骨干长度，股骨近端参数和股骨远端参
数又可分别细分为主要参数和细节参数。
步骤2c：参数的测量，通过影像学方法，在医学图像处理软件中用自带测量工
具完成。
4.根据权利要求3所述的一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法，其特征
在于，所述步骤三包括
步骤3a：分析各特征参数之间及特征参数内部之间的相关性，包括：股骨近端
参数、股骨体参数、股骨远端参数之间的相关性；股骨近端参数中主要参数与
细节参数之间的相关性；股骨远端参数中主要参数和细节参数之间的相关性。
步骤3b：建立特征参数之间和特征参数内的约束关系，设计特征约束变形函数，
使得修改某一特征参数的细节参数改变其他细节参数和主要参数，进而逐层改
变该特征参数甚至其他特征参数，同时修改特征参数也会逐层改变该特征参数
的细节参数甚至其他特征参数的细节参数，最终实现各特征曲面具有较好的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王淋，何坤金，陈正鸣，陈小中，邹泽宇，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32