一種三維髖臼指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三維髖臼指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方法，通過將二維AI指數(shù)測(cè)量擴(kuò)展到三維，允許獲取環(huán)繞整個(gè)髖臼半球面邊緣的所有AI指數(shù)，從而能夠更準(zhǔn)確地表現(xiàn)DDH的病變狀態(tài)；此外本發(fā)明建立的3D?AI指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方式，避免了傳統(tǒng)2D?AI指數(shù)測(cè)量過程中由于臨床醫(yī)生主觀性所引起的計(jì)算差異。
【專利說明】一種三維髖臼指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種三維髖白指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良(Developmental Dysplasia of the Hip, DDH)是指由于髖臼發(fā)育缺陷造成髖白對(duì)股骨頭的覆蓋不良，是兒童肢體畸形的常見病。主要表現(xiàn)為髖白外上方和前方缺損，髖白變淺，髖關(guān)節(jié)中心外移，還可伴有髖關(guān)節(jié)不同程度的半脫位，脫位或錯(cuò)位變化。DDH是當(dāng)今骨科領(lǐng)域的常見疾病，不同遺傳背景以及不同種族的發(fā)病率有所不同，總體上新生兒發(fā)病率為1.5~5%。，在美國(guó)新生兒DDH的平均發(fā)病率大致在1.5%o ;在我國(guó)發(fā)病率為0.91%。~8.2%。，平均為3.5%0。DDH患者多為嬰幼兒和學(xué)齡兒童，該類疾病嚴(yán)重影響患者的肢體發(fā)育和功能以及患者的生活質(zhì)量。
[0003]雖然針對(duì)髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良存在多種診斷及治療方式，但由于缺陷類型及治療方式復(fù)雜且小兒病變特征具有個(gè)體性，僅靠傳統(tǒng)的二維(2D)圖像及二維指數(shù)，難以準(zhǔn)確反映患者病變部位的空間位置和解剖信息，因此手術(shù)優(yōu)良率不高(約為60~70% )，股骨頭再脫位、股骨頭骺壞死和髖關(guān)節(jié)僵直等并發(fā)癥的發(fā)生率較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是通過以 下技術(shù)解決方案來實(shí)現(xiàn):
[0005]1、一種三維髖白指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方法，其特征在于，包括以下操作:
[0006]I)處理器根據(jù)髖關(guān)節(jié)的CT或MRI數(shù)據(jù)，基于PV-MAP方法提取骨信息，并生成相應(yīng)的三維圖像；
[0007]2)在三維空間中，對(duì)髂骨兩側(cè)內(nèi)壁的Y狀軟骨的中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，然后把連接兩個(gè)中心點(diǎn)的水平線Y-Y作為旋轉(zhuǎn)軸，穿過旋轉(zhuǎn)軸，建立一個(gè)與髖臼邊緣相交的剪切面；隨后在剪切面內(nèi)，將Y狀軟骨中心點(diǎn)與髖臼邊緣點(diǎn)構(gòu)成的直線A-B與Y-Y水平連線組成的角度Θ，進(jìn)行斜率計(jì)算得到該剪切面的髖白指數(shù)Al測(cè)量值，即得到二維髖白指數(shù)；
[0008]3)在三維圖像空間內(nèi)，當(dāng)繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)形成的每個(gè)旋轉(zhuǎn)剪切面重復(fù)步驟2)的計(jì)算，可得到0°~180°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的所有旋轉(zhuǎn)剪切面的Al測(cè)量值，即得到三維髖臼指數(shù)；
[0009]4)將在不同旋轉(zhuǎn)剪切面計(jì)算所得到的Al測(cè)量值映射到二維直角坐標(biāo)系中，得到環(huán)繞髖臼半球面邊緣的Al分布曲線，并將其輸出。
[0010]所述將Al測(cè)量值映射到二維直角坐標(biāo)系為:X軸從小到大依次描述旋轉(zhuǎn)角度；Y軸描述各個(gè)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算所得到的三維髖白指數(shù)。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0012]本發(fā)明通過對(duì)患者髖關(guān)節(jié)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出一種新的三維髖白指數(shù)，并建立了相應(yīng)的三維定量測(cè)量方法，以更準(zhǔn)確地反映DDH的病變位置及程度，輔助提高髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的檢測(cè)。
[0013]本發(fā)明將二維Al指數(shù)測(cè)量擴(kuò)展到三維，允許獲取環(huán)繞整個(gè)髖白半球面邊緣的所有Al指數(shù)，從而能夠更準(zhǔn)確地表現(xiàn)其發(fā)育狀態(tài)特征。
[0014]本發(fā)明建立的3D Al指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方式，避免了傳統(tǒng)2D Al指數(shù)測(cè)量過程中主觀性帶來的計(jì)算差異，能夠提供更具有客觀性的信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是Y狀軟骨示意圖；
[0016]圖2是三維Al指數(shù)計(jì)算流程圖；
[0017]圖3是基于PV-MAP算法的骨分割結(jié)果。(a)-(c)為原始CT圖像；(d)-(f)為骨分割結(jié)果；
[0018]圖4是三維Al指數(shù)的定量測(cè)量。(a)為Y-Y點(diǎn)確定；(b)為正交平面的Al測(cè)量值；(c)為3D Al指數(shù)分布曲線(上部曲線表示左側(cè)指數(shù)分布，下部曲線表示右側(cè)指數(shù)分布)；
[0019]圖5是正常人與DDH患者三維Al指數(shù)分布示意圖(20° -150° )。(a)為正常組(N = 13) ； (b)為異常組(N = 15)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]對(duì)于髖關(guān)節(jié)發(fā)育不良的診斷,髖臼指數(shù)(Acetabulum Index, Al)的定量測(cè)量是一個(gè)非常有效的輔助方式。例如:當(dāng)患者髖臼指數(shù)大于40°時(shí)需要實(shí)施手術(shù)治療。通過定量分析，可對(duì)髖白完善度進(jìn)行判定，同時(shí)也可對(duì)術(shù)后治療效果的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。目前臨床診療模式下，測(cè)量通常直接在患者的X線光片或CT斷層圖像上進(jìn)行，得到的僅是與水平面垂直的二維冠狀面的髖臼指數(shù)值，如圖1所示，難以準(zhǔn)確反映缺損的位置及程度?？紤]到髖臼的三維形態(tài)變化，采用三維髖白指數(shù)可使醫(yī)生得到環(huán)繞整個(gè)髖白半球面邊緣的所有變化及缺損情況，從而能夠更準(zhǔn)確地表現(xiàn)其發(fā)育狀態(tài)和解剖特征。例如對(duì)Al的3D定量計(jì)算有助于反映髖臼和股骨間的相互關(guān)系、髖臼到近股骨頭中心點(diǎn)的相對(duì)距離等。然而，目前臨床上缺少對(duì)三維指數(shù)的準(zhǔn)確定義和測(cè)量方法，為其測(cè)量帶來了難度。本發(fā)明通過將二維Al測(cè)量概念延伸，利用圖形學(xué)的投影變化及坐標(biāo)平移技術(shù)對(duì)三維空間中的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行映射，基于CT或MRI斷層圖像，結(jié)合髖臼和股骨間的相互空間關(guān)系，提出了一種新的3D Al指數(shù)定義，以及相應(yīng)的自動(dòng)計(jì)算方法。
[0021]在三維空間中，如圖1~圖3所示，首先對(duì)髂骨兩側(cè)內(nèi)壁的Y狀軟骨的中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定。然后把連接兩個(gè)中心點(diǎn)的水平線(Y-Y連線)定義為旋轉(zhuǎn)軸，穿過旋轉(zhuǎn)軸，建立一個(gè)與髖臼邊緣相交的剪切面。隨后在剪切面內(nèi)，將骨中心點(diǎn)與髖臼邊緣點(diǎn)構(gòu)成的直線(A-B連線)與Y-Y水平線組成的角度(Θ)，進(jìn)行斜率計(jì)算即得到Al測(cè)量值。在三維圖像空間內(nèi)，當(dāng)繞旋轉(zhuǎn)軸(Y-Y軸)旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)形成的每個(gè)旋轉(zhuǎn)剪切面重復(fù)上述計(jì)算，得到0°~180°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的所有Al值。最后將這些Al值映射到二維坐標(biāo)系中，將得到環(huán)繞髖白半球面邊緣的三維Al分布曲線，如圖4所示。
[0022]本發(fā)明提出的3D Al指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方方法，包括以下操作
[0023]I)讀入CT或MRI數(shù)據(jù)，基于PV-MAP算法提取骨信息； [0024]處理器根據(jù)髖關(guān)節(jié)的CT或MRI數(shù)據(jù)，基于PV-MAP方法提取骨信息，并生成相應(yīng)的三維圖像；
[0025]2)在3D空間中，確立Y-Y點(diǎn)；在O度平面內(nèi)，依據(jù)Al指數(shù)的定義，計(jì)算Al值；
[0026]在三維空間中，對(duì)髂骨兩側(cè)內(nèi)壁的Y狀軟骨的中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，然后把連接兩個(gè)中心點(diǎn)的水平線Y-Y作為旋轉(zhuǎn)軸，穿過旋轉(zhuǎn)軸，建立一個(gè)與髖臼邊緣相交的剪切面；隨后在剪切面內(nèi)，將Y狀軟骨中心點(diǎn)與髖臼邊緣點(diǎn)構(gòu)成的直線A-B與Y-Y水平連線組成的角度Θ，進(jìn)行斜率計(jì)算得到該剪切面的髖白指數(shù)Al測(cè)量值，即得到二維髖白指數(shù)；
[0027]3)以Y-Y為旋轉(zhuǎn)軸，對(duì)形成的每個(gè)旋轉(zhuǎn)剪切面重復(fù)上述計(jì)算，得到0°~180° Al值；
[0028]在三維圖像空間內(nèi)，當(dāng)繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)形成的每個(gè)旋轉(zhuǎn)剪切面重復(fù)步驟2)的計(jì)算，可得到0°~180°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的所有旋轉(zhuǎn)剪切面的Al測(cè)量值，即得到三維髖臼指數(shù)；
[0029]4)將生成的Al值映射到二維坐標(biāo)系中，獲得三維Al分布曲線。
[0030]將在不同旋轉(zhuǎn)剪切面計(jì)算所得到的Al測(cè)量值映射到二維直角坐標(biāo)系中，得到環(huán)繞髖臼半球面邊緣的Al分布曲線，并將其輸出。
[0031]為了評(píng)估算法的性能，在第四軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院選擇4個(gè)志愿者、10個(gè)患者進(jìn)行患側(cè)與健側(cè)髖曰發(fā)育情況的對(duì)比性研究。10個(gè)患者中，左側(cè)異常2例，右側(cè)異常3例，雙側(cè)異常5例；年齡2歲I月至4歲。研究過程中，使用PQ6000型多層螺旋CT對(duì)病人掃描獲取樣本數(shù)據(jù)，掃描范圍從髂前下脊到小轉(zhuǎn)子。具體參數(shù)為:掃描層厚3mm，重建層厚2mm，掃描參數(shù)120kV，70-120mA(由患者的體形大小決定)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
[0032]I)醫(yī)生手動(dòng)測(cè)量值與系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量值無顯著差別，如表1所示；
[0033]2)如圖5所示，對(duì)比2D Al值，3D Al測(cè)量值提供了更為豐富的信息，從而能夠醫(yī)生提聞診治的準(zhǔn)確性。
[0034]在本發(fā)明中，對(duì)CT/MRI圖像中骨骼進(jìn)行準(zhǔn)確的分割是至關(guān)重要的，因?yàn)樗嵌坑?jì)算實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，分割誤差會(huì)給后期進(jìn)行的定量分析及手術(shù)計(jì)劃的模擬帶來嚴(yán)重錯(cuò)誤。針對(duì)圖像中存在的局部體(Partial Volume, PV)效應(yīng)，尤其是弱邊緣效應(yīng)的影響，采用基于PV混合模型的最大后驗(yàn)概率準(zhǔn)則(Maximum a Posteriori, MAP)對(duì)獲得的圖像進(jìn)行分割，分割結(jié)果如圖3所示。
[0035]表1、正側(cè)位醫(yī)生手動(dòng)測(cè)量與系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量Al值比較
[0036]
【權(quán)利要求】
1.一種三維髖白指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方法，其特征在于，包括以下操作: 1)處理器根據(jù)髖關(guān)節(jié)的CT或MRI數(shù)據(jù)，基于PV-MAP方法提取骨信息，并生成相應(yīng)的三維圖像； 2)在三維空間中，對(duì)髂骨兩側(cè)內(nèi)壁的Y狀軟骨的中心點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定，然后把連接兩個(gè)中心點(diǎn)的水平線Y-Y作為旋轉(zhuǎn)軸，穿過旋轉(zhuǎn)軸，建立一個(gè)與髖白邊緣相交的剪切面；隨后在剪切面內(nèi)，將Y狀軟骨中心點(diǎn)與髖臼邊緣點(diǎn)構(gòu)成的直線A-B與Y-Y水平連線組成的角度Θ，進(jìn)行斜率計(jì)算得到該剪切面的髖白指數(shù)Al測(cè)量值，即得到二維髖白指數(shù)； 3)在三維圖像空間內(nèi)，當(dāng)繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，對(duì)形成的每個(gè)旋轉(zhuǎn)剪切面重復(fù)步驟2)的計(jì)算，可得到O。~180°旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)的所有旋轉(zhuǎn)剪切面的Al測(cè)量值，即得到三維髖臼指數(shù)； 4)將在不同旋轉(zhuǎn)剪切面計(jì)算所得到的Al測(cè)量值映射到二維直角坐標(biāo)系中，得到環(huán)繞髖臼半球面邊緣的Al分布曲線，并將其輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的三維髖白指數(shù)的自動(dòng)計(jì)算方法，其特征在于，所述將Al測(cè)量值映射到二維直角坐 標(biāo)系為:X軸從小到大依次描述旋轉(zhuǎn)角度；Y軸描述各個(gè)旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算所得到的三維髖臼指數(shù)。
【文檔編號(hào)】A61B5/055GK103976754SQ201410206419
【公開日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】劉欣, 盧虹冰, 趙黎, 梁正榮, 史正星, 孟杰 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍第四軍醫(yī)大學(xué)