本发明专利技术涉及一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，属于计算机三维仿真技术领域。该方法包括UKA术后CT图像采集、UKA术前MRI图像采集、数据保存、CT二维图像的导入及三维模型重建、MRI二维图像的导入及三维模型重建、膝关节模型配准与修饰、假体三维模型的构建、UKA术后膝关节模拟假体装配、优化模型、网格划分、定义各部分材料属性、施加载荷与边界条件和模型验证十三大步骤。本发明专利技术基于病例进行影像学扫描，试验结果具有针对性，且构建得到的模型更接近真实情况，尤其可应对失败病例或成功病例进行研究，操作过程简单，涉及软件少，只根据实际手术中使用的型号进行对应假体扫描，减少了试验时间与成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于计算机三维仿真模拟
，涉及一种用于建立完整的人体膝关节单髁置换术后几何解剖仿真模型的方法，具体涉及一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法。
技术介绍
目前已有许多针对膝关节单髁置换手术三维数字化建模及生物力学有限元分析的研究，目的是通过三维模型对膝关节置换术后长期过程中膝关节可能发生的变化进行预测，以在后期手术过程中优化手术操作及指导患者在术后进行有效地康复锻炼和避免损害关节及假体的不良生活方式。同时，借助膝关节三维模型有限元分析，还弥补了复杂的体外生物力学分析及漫长临床随访的不足，使研究者对关节置换术后关节变的接触应力变化及运动参数变化有更直观的把握。有限元分析结果的准确性在于早期建模的精确性，其中很重要一步就在于假体的模拟装配。以往研究对象是选取正常人膝关节进行二维影像扫描，将扫描图像以DICOM格式保存并输入医学图像处理软件Mimics中，之后构建出正常人膝关节的三维数字化模型。接下来将Mimics软件中构建好的正常人膝关节模型导入计算机辅助工程软件Hypermesh中，构建手术操作相关的重要轴线，按照单髁置换术手术原则进行模拟截骨，并根据截骨面大小及膝关节相关轴线选择适合的假体进行模拟装配。在此之前，需对所有型号假体进行三维激光扫描，并使用逆向工程软件Geomagic逆向构建所有型号假体的三维模型。传统方法存在以下劣势：（1）研究、随访的重点就是要将患者自身组织的退变、增生、缺损及实际手术过程中截骨不佳、假体位置不恰当等问题考虑进去，加以分析，而选择正常人下肢进行模拟手术操作，无法真实还原真实的情况，难以做到个体化研究，实验缺乏针对性；（2）研究过程涉及模拟三维建模、模拟截骨及假体安装，难度大，多数情况下并非医生完成，而是工程人员凭借自身经验完成，因此在模拟手术操作及假体安装过程中可能与实际情况出现偏差，截骨不准确及假体安装位置不良，将严重影响后期有限元分析结果；（3）因为事先不知道截骨操作后截骨面大小，无法提前判断选取假体型号，故需对所有假体进行扫描及逆向重建，消耗大量时间、精力、工程量；（4）模拟操作设计工程软件较多，无疑增加成本及时间的消耗。因此如何克服现有技术的不足是目前计算机三维仿真模拟
亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，为了克服一贯选取正常人下肢模拟截骨、安装假体来模拟膝关节置换术后下肢生物力学分析，回避病例本身特点、操作难度大等弊端，提供一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，包括如下步骤：步骤（1），UKA术后CT扫描：采用SIEMENS128排双源螺旋CT扫描下肢；扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°角度固定；扫描范围：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；步骤（2），UKA术前MRI扫描：采用GE1.5T超导型磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈；扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°度角固定；扫描范围：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10cm；步骤（3），数据保存：将步骤（1）和步骤（2）扫描所得数据在工作站上以DICOM3.0格式存储并刻录到CD-ROM上；步骤（4），CT二维图像的导入及三维模型重建：在计算机工作站上，将步骤（1）得到的CT二维扫描图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定骨性结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的骨性结构，接着分隔初始全骨性结构mask，使用Regionalgrowing功能依次将股骨、胫骨、腓骨、髌骨结构提取并按不同颜色划分开，同时用editmask功能进行手动去除粘连部分并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate3DfromMasks，并采用“HighQuality”计算方法，运行后重建出UKA术后膝关节骨性结构三维数字化模型；步骤（5），MRI二维图像的导入及三维模型重建：在计算机工作站上，将步骤（2）得到的MRI二维图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定软组织结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的软组织结构，接着分隔初始全软组织结构mask，使用Regionalgrowing功能依次将外侧半月板、股四头肌肌腱、髌腱、内外侧副韧带及前后交叉韧带提取并按不同颜色划分开，同时用editmask功能进行手动去除噪声及分割边缘的毛刺并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate3DfromMasks，并采用“HighQuality”计算方法，运行后重建出UKA术前膝关节软组织结构的三维数字化模型；步骤（6），膝关节模型配准与修饰：将步骤（4）基于CT扫描图像数据得到的膝关节骨性结构三维数字化模型和步骤（5）基于MRI扫描图像数据得到的膝关节软组织结构三维数字化模型通过Mimics软件中的移动、旋转的功能按照膝关节解剖结构进行装配，最终得到同一个人包含骨性结构及软组织结构的完整膝关节三维模型；步骤（7），假体三维模型的构建：选择被扫描对象的UKA术中所有使用的相应型号假体模型，使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，接着使用逆向工程软件GeomagicStudio对扫描得到的点云数据进行后处理，得到所有使用的假体三维模型；所述的后处理包括去噪、多边形修补、光顺处理、提取轮廓曲线和拟合曲面；所有使用的假体模型包括胫骨假体、聚乙烯衬垫和股骨假体，即三者构成单髁假体；步骤（8），UKA术后膝关节模拟假体装配：在步骤（6）中构建好的完整膝关节三维模型，在Mimics软件界面中选择STLs中LoadSTL功能导入逆向重建好的所有使用的假体三维模型，通过移动、旋转操作将假体三维模型进行调整和组合；选择Registration中的PointRegistration功能，通过将假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作，使假体三维模型装配到膝关节模型上，得到装配有假体的膝关节三维模型；步骤（9），优化模型：将步骤（8）得到的装配有假体的膝关节三维模型导入GeomagicStudio逆向工程软件中，进行修补与优化处理；首先对在CT、MRI扫描获取二维影像数据过程中因被扫描对象移动以及在Mimics软件界面里手动划分膝关节各个组织过程中因手动划分不完全而得到的冗余数据进行去噪处理；基于曲率连续性的原则填充模型表面空洞，去除模型表面的压痕；依据模型表面曲率变化，对曲率变化明显且影响模型轮廓的部分，依据曲率变化明显且影响模型轮廓的部分的中心线提取该部分的轮廓曲线，之后对该部分的轮廓曲线进行编辑，得到平顺的曲线；接下来在模型表面构建大小均匀的四边形栅格网，调节NURBS曲面精细度并拟合成NURBS曲面，得到优化UKA术后膝关节三维模型；步骤（10），网格划分：在Abaqus软件中，对步骤（9）本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1），UKA术后CT扫描：采用SIEMENS 128排双源螺旋CT扫描下肢；扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°角度固定；扫描范围：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；步骤（2），UKA术前MRI扫描：采用GE 1.5T超导型磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈；扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°度角固定；扫描范围：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10cm；步骤（3），数据保存：将步骤（1）和步骤（2）扫描所得数据在工作站上以DICOM 3.0格式存储并刻录到CD‑ROM上；步骤（4），CT二维图像的导入及三维模型重建：在计算机工作站上，将步骤（1）得到的CT二维扫描图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定骨性结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的骨性结构，接着分隔初始全骨性结构mask，使用Regional growing功能依次将股骨、胫骨、腓骨、髌骨结构提取并按不同颜色划分开，同时用edit mask功能进行手动去除粘连部分并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术后膝关节骨性结构三维数字化模型；步骤（5），MRI二维图像的导入及三维模型重建：在计算机工作站上，将步骤（2）得到的MRI二维图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics 17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定软组织结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的软组织结构，接着分隔初始全软组织结构mask，使用Regional growing功能依次将外侧半月板、股四头肌肌腱、髌腱、内外侧副韧带及前后交叉韧带提取并按不同颜色划分开，同时用edit mask功能进行手动去除噪声及分割边缘的毛刺并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate 3D from Masks，并采用“High Quality”计算方法，运行后重建出UKA术前膝关节软组织结构的三维数字化模型；步骤（6），膝关节模型配准与修饰：将步骤（4）基于CT扫描图像数据得到的膝关节骨性结构三维数字化模型和步骤（5）基于MRI扫描图像数据得到的膝关节软组织结构三维数字化模型通过Mimics软件中的移动、旋转的功能按照膝关节解剖结构进行装配，最终得到同一个人包含骨性结构及软组织结构的完整膝关节三维模型；步骤（7），假体三维模型的构建：选择被扫描对象的UKA术中所有使用的相应型号假体模型，使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，接着使用逆向工程软件Geomagic Studio对扫描得到的点云数据进行后处理，得到所有使用的假体三维模型；所述的后处理包括去噪、多边形修补、光顺处理、提取轮廓曲线和拟合曲面；所有使用的假体模型包括胫骨假体、聚乙烯衬垫和股骨假体；步骤（8），UKA术后膝关节模拟假体装配：在步骤（6）中构建好的完整膝关节三维模型，在Mimics软件界面中选择STLs中Load STL功能导入逆向重建好的所有使用的假体三维模型，通过移动、旋转操作将假体三维模型进行调整和组合；选择Registration中的Point Registration功能，通过将假体三维模型与完整膝关节三维模型上的对应解剖点进行点对点配准操作，使假体三维模型装配到膝关节模型上，得到装配有假体的膝关节三维模型；步骤（9），优化模型：将步骤（8）得到的装配有假体的膝关节三维模型导入Geomagic Studio 逆向工程软件中，进行修补与优化处理；首先对在CT、MRI扫描获取二维影像数据过程中因被扫描对象移动以及在Mimics软件界面里手动划分膝关节各个组织过程中因手动划分不完全而得到的冗余数据进行去噪处理；基于曲率连续性的原则填充模型表面空洞，去除模型表面的压痕；依据模型表面曲率变化，对曲率变化明显且影响模型轮廓的部分，依据曲率变化明显且影响模型轮廓的部分的中心线提取该部分的轮廓曲线，之后对该部分的轮廓曲线进行编辑，得到平顺的曲线；接下来在模型表面构建大小均匀的四边形栅格网，调节NURBS曲面精细度并拟合成NURBS曲面，得到优化UKA术后膝关节三维模型；步骤（10），网格划分：在Abaqus软件中，对步骤（9）得到的优化UKA术后膝关节三维模型采用四面体进行网格划分；步骤（11），定义各部分材料属性：将膝关节模型内所有材料假设为各向同性、...
【技术特征摘要】
1.一种基于点对点配准技术虚拟膝关节单髁置换术模型构建的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤（1），UKA术后CT扫描：采用SIEMENS128排双源螺旋CT扫描下肢；扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°角度固定；扫描范围：上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；步骤（2），UKA术前MRI扫描：采用GE1.5T超导型磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈；扫描体位：膝关节自然伸直并外旋10°～15°度角固定；扫描范围：以膝关节间隙为中心，向上下各扫描10cm；步骤（3），数据保存：将步骤（1）和步骤（2）扫描所得数据在工作站上以DICOM3.0格式存储并刻录到CD-ROM上；步骤（4），CT二维图像的导入及三维模型重建：在计算机工作站上，将步骤（1）得到的CT二维扫描图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定骨性结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的骨性结构，接着分隔初始全骨性结构mask，使用Regionalgrowing功能依次将股骨、胫骨、腓骨、髌骨结构提取并按不同颜色划分开，同时用editmask功能进行手动去除粘连部分并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate3DfromMasks，并采用“HighQuality”计算方法，运行后重建出UKA术后膝关节骨性结构三维数字化模型；步骤（5），MRI二维图像的导入及三维模型重建：在计算机工作站上，将步骤（2）得到的MRI二维图像以DICOM格式导入医学图像处理软件Mimics17.0中，在软件的数据导入模块中定义前、后、上、下、左、右六个方向，然后使用Thresholding功能设定软组织结构灰度范围，使得创建的颜色可完全覆盖所有层面的软组织结构，接着分隔初始全软组织结构mask，使用Regionalgrowing功能依次将外侧半月板、股四头肌肌腱、髌腱、内外侧副韧带及前后交叉韧带提取并按不同颜色划分开，同时用editmask功能进行手动去除噪声及分割边缘的毛刺并修补模型上的空洞，划分完毕后，选择Calculate3DfromMasks，并采用“HighQuality”计算方法，运行后重建出UKA术前膝关节软组织结构的三维数字化模型；步骤（6），膝关节模型配准与修饰：将步骤（4）基于CT扫描图像数据得到的膝关节骨性结构三维数字化模型和步骤（5）基于MRI扫描图像数据得到的膝关节软组织结构三维数字化模型通过Mimics软件中的移动、旋转的功能按照膝关节解剖结构进行装配，最终得到同一个人包含骨性结构及软组织结构的完整膝关节三维模型；步骤（7），假体三维模型的构建：选择被扫描对象的UKA术中所有使用的相应型号假体模型，使用三维激光扫描仪对其进行高速激光扫描和测量，获取假体表面完整、连续的全景点三维坐标数据，接着使用逆向工程软件GeomagicStudio对扫描得到的点云数据进行后处理，得到所有使用的假体三维模型；所述的后处理包括去噪、多边形修补、光顺处理、提取轮廓曲线和拟合曲面；所有使用的假体模型包括胫骨假体、聚乙烯衬垫和股骨假体；步骤（8），UKA术后膝关节模拟假体装配：在步骤（6）中构建好的完整膝关节三维模型，在Mimics软件界面中选择STLs中LoadSTL功能导入逆向重建好的所有使用的假体三维模型，通过移动、旋转操作将假体三维模型进行调整和组合；选择Registration中的PointRegistration功能，通过将假体三维模型与完整...
【专利技术属性】
技术研发人员：李彦林，韩睿，贾笛，何川，王国梁，宋恩，
申请(专利权)人：昆明医科大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：云南;53
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