基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法
2023-05-02 20:48:06 1
基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，首先，結合特定醫學先驗知識對骨骼模型提取一些特徵點；再基於特徵點對骨骼模型進行醫學語義分割；然後，分割得到的模板藉助基於Laplacian變形的非剛性配準，指導同類骨骼模型進行快速兼容性分割；最後，依據網格分割結果建立子區域鄰接圖並計算出骨骼的主要形態參數。本發明使得用戶能夠對結構相似的同類骨骼模型實現快速兼容性分割，而且與傳統測量方法相比較，依據網格分割結果計算得到的骨骼參數，無論是精度上還是效率上都有所提高，尤其適合於大批量骨骼模型的參數測定。
【專利說明】基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於計算機圖形【技術領域】，特別是涉及特徵點與模板引導的骨骼網格模型的兼容性分割和基於分割結果的參數計算方法。
【背景技術】
[0002]在醫學領域，精確的骨骼形態參數對指導手術和假體製造具有非常重要的意義。尤其是股骨的形態和尺寸大小的變化範圍是假體系列化、標準化設計的根據和基礎，在人工髖關節置換和斷骨配準復位等骨科手術中發揮著重要作用。
[0003]測量骨骼參數是醫學圖像處理中的重要研究內容之一，同時又是一個經典難題。骨骼參數難以測量的主要原因在於它的幾何特性非常複雜，形狀多具不規則性。此外，重建三維骨骼模型的數據大都來源於醫院提供的MRJ或CT圖像，這些圖像中一部分受到嚴重的噪聲汙染，而且一些病變骨頭根據病情不同，呈現不同程度的變形、塌陷或缺損。所以，對存在一定數據殘缺或畸變的受汙染骨骼模型進行高效精確的測量很困難。
[0004]有關骨骼的參數測量，國內外已有不少文獻報導，大部分文獻使用的測量方法，無論是利用X光片還是CT測量，主要依據的是一種2D投影圖像而忽視了骨骼模型的3D整體特性，本質上都屬手工測量，由於受成像方式或測量方法等因素的影響，不容易測得客觀準確的結果。也有少數文獻提出了基於X光片的自動測量方法或利用反求工程軟體進行計算，在一定程度上提高了測量效率和精度，但計算框架相當複雜，尤其當涉及大批量骨骼模型的參數測定時，所需成本很高。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，該方法使得用戶能夠對結構相似的同類骨骼模型實現快速兼容性分割，然後根據網格分割結果計算出骨骼的主要參數。與傳統測量方法相比較，無論是精度上還是效率上都有所提高，尤其適合於大批量骨骼模型的參數測定。
[0006]為了實現上述目的，本發明所採取的技術方案是:
一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:首先在特徵點提取的基礎上對人體骨骼的3D網格模型進行醫學語義分割；分割得到的模板再指導同類的其它骨骼模型進行快速兼容性分割；最後根據網格分割結果計算出骨骼的主要參數，
首先，在特徵點提取的基礎上對人體骨骼的3D網格模型進行醫學語義分割，包括以下步驟:
步驟SOl:結合特定醫學先驗知識對骨骼模型提取一些特徵點；
步驟S02:基於特徵點對骨骼模型進行符合醫用的分割，即符合醫用理解的有意義分
割;
然後，分割得到的模板再指導同類的其它骨骼模型進行快速兼容性分割，包括以下步
驟: 步驟S03:將已完成分割的模型作為模板A，正待分割的同類骨骼模型作為目標B; 步驟S04:在模板A與目標模型B之間進行基於Laplacian變形的非剛性配準；
步驟S05:對於模板曲面A上的每個特徵點P，在配準過的目標曲面B上找出對應的特徵點q ;
步驟S06:目標模型B在相應特徵點q的指導下進行快速分割。
[0007]最後，根據網格分割結果計算出骨骼的主要參數，包括以下步驟:
步驟S07:對於已成功分割成若干區域的骨骼模型，用類球體、類圓柱體等基本形狀來模擬一些區域，並計算出相關參數；
步驟S08:根據特徵點及計算出的參數對骨骼模型建立一個子區域鄰接圖，存儲相關信息，將骨骼模型的結構性描述轉化成一種語義描述。
[0008]所述對骨骼模型提取的特徵點有四類:突出特徵點、邊界特徵點、中心頂點和用戶選擇點。就股骨骼而言，其用戶選擇點為股骨頸點。它們將在後續的網格分割中各盡其能，其中檢測突出特徵點的具體步驟為:
步驟i01:對網格模型挑選一個中心頂點；
步驟i02:計算每個網格頂點到中心頂點的測地距離；
步驟i03:計算每個網格頂點的局部深度值；
步驟i04:綜合頂點的測地距離值和局部深度值，定位網格模型的突出特徵點。
[0009]所述局部深度值是指某個頂點相對於鄰居頂點的最大高度差。頂點V與某個鄰居頂點的高度差可近似為連接這兩個頂點的矢量在頂點V的法線向量上的投影。
[0010]所述網格模型的突出特徵點的檢測條件是:該頂點到模型中心頂點的測地距離是其鄰域內的局部最大值並且該頂點的局部深度值為負的較小值。
[0011]所述基於特徵點對骨骼模型進行符合醫用的分割的具體步驟為:
步驟to1:將每個網格頂點的區域號初始為-1，即分割後邊界點的區域號保持為-1 ；步驟t02:依次將中心頂點、用戶選擇點與每一個突出特徵點作為種子進行區域擴展即分水嶺算法中的浸沒操作。
[0012]所述對種子頂點P的浸沒操作這樣實現:檢測P的所有鄰接點，若P的某個鄰接點Pi不是邊界特徵點並且與該區域種子頂點間的測地距離更近，則賦予與頂點P相同的區域號。對每個鄰接點Pi的鄰接點Pij也作同樣的操作，直到該區域全部被邊界頂點或其他已標記區域所包圍，這時停止浸沒，形成一個匯水盆地。
[0013]所述模板模型A與同類骨骼模型B之間基於Laplacian變形的非剛性配準具體步驟為:
步驟PO 1:為網格B建立kd樹(k維搜索樹，是把二叉搜索樹推廣到多維數據的一種主存數據結構)，為下一步的最近鄰頂點搜索建立查詢結構；
步驟p02:為模板網格A中每個頂點找出它在網格B中的最近點，將這樣的每一頂點對存放在向量pairs中；
步驟p03:在向量pairs中挑選一批頂點對(優先挑選特徵點),作為下一步Laplacian變形的約束頂點對，這些約束頂點的位置在變形過程中力求基本不變；
步驟p04:對網格A進行一次Laplacian變形,生成新網格new_A;
步驟p05:在新網格new_A中，求出每個約束頂點與其在網格B中對應點之間的距離(即誤差)，計算總誤差的均方根值，記為err;
步驟p06:跳轉至p02,在new_A與B之間計算對應點，重新生成約束頂點對，再進行Laplacian變形。反覆迭代,若最後m次迭代內有n次誤差值err比前次大,其中m>n,且m>l,則結束迭代，輸出此時的網格new_A。
[0014]所述用類球體、類圓柱體等基本形狀來模擬股骨模型分割後的一些區域，一些區域(針對股骨模型而言)主要指股骨頭區、股骨幹區和股骨頸區。
[0015]針對股骨模型分割結果建立的子區域鄰接圖存儲的的參數信息包括股骨頭圓球直徑、股骨幹峽部位直徑、股骨幹長度、股骨頸峽部位直徑、頸幹角、股骨頸長度、大轉子點及小轉子點的高斯曲率、大小轉子點之間的歐氏距離、股骨頭球心至股骨幹軸的垂直距離、股骨頭球心至小轉子中心平面的垂直距離等等。
[0016]本發明結合骨骼特性和醫用要求，針對骨骼三維網格模型研究了一種基於特徵點的分割方法；再藉助基於Laplacian變形的非剛性配準，能在同類的其它骨骼模型上找到對應特徵點，從而實現同類骨骼的快速兼容性分割；最後，基於網格分割結果與子區域鄰接圖計算出骨骼的主要形態參數，與傳統測量方法相比，依據網格分割結果計算得到的骨骼參數，無論是精度上還是效率上都有所提高，非常高效與方便，尤其適合於大批量骨骼模型的參數測定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明中一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法工作流程；
圖2是本發明中模板模型與同類骨骼模型之間基於Laplacian變形的非剛性配準流
程;
圖3是本發明的中骨骼模型特徵點示意圖；
圖4是本發明的骨骼模型分割結果示意圖；
圖5是本發明的同類股骨模型的兼容性分割示意圖；
圖6是本發明的股骨模型分割結果對應的子區域鄰接圖。
[0018]圖中:1為股骨頭head; 2為大轉子點GT ；3為股骨頸neck ；4為小轉子點LT，5為中心頂點center ；6為股骨遠端UF ；7為股骨遠端LF; neck axis為股骨頸軸；Chead為股骨頭中心；Cneck為股骨頸中心；Cshaft為股骨幹中心；shaft axis為股骨幹軸。
【具體實施方式】
[0019]為使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合【具體實施方式】，進一步闡述本發明。
[0020]如圖1所示，本實施例為本發明的最佳實施例，本實施例的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其方法為:首先在特徵點提取的基礎上對人體骨骼的3D網格模型進行符合醫用理解的語義分割；分割得到的模板再指導同類的其它骨骼模型進行快速兼容性分割；最後根據網格分割結果計算出骨骼的主要參數。為詳細解釋本實施例的實施方案，其具體步驟如下:
(I)在特徵點提取的基礎上對人體骨骼的3D網格模型進行醫學語義分割，包括以下步
驟: 步驟SO1:結合特定醫學先驗知識對骨骼模型提取一些特徵點；所述對骨骼模型提取的特徵點有四類:突出特徵點、邊界特徵點、中心頂點和用戶選擇點，它們將在後續的網格分割中各盡其能，其中檢測突出特徵點的具體步驟為:
步驟i01:對網格模型挑選一個中心頂點；定位中心頂點的算法分為以下兩個步驟: 步驟m01:計算網格的中心VC，將所有網格頂點的三維坐標平均值作為VC的位置。
[0021]步驟m02:找到網格模型上到中心vc距離最小的點V』。
[0022]將V』近似看成網格模型的中心頂點。對於股骨骼，由於股骨幹是整個模型中體積最大的一塊區域，實驗證明採用這種方式定位的中心頂點總能落入股骨幹區域。
[0023]步驟i02:計算每個網格頂點到中心頂點的測地距離；
步驟i03:計算每個網格頂點的局部深度值；
步驟i04:綜合頂點的測地距離值和局部深度值，定位網格模型的突出特徵點。網格模型的突出特徵點的檢測條件是:該頂點到模型中心頂點的測地距離是其鄰域內的局部最大值並且該頂點的局部深度值為負的較小值。
[0024]該局部深度值是指某個頂點相對於鄰居頂點的最大高度差(即深度)。頂點V與某個鄰居頂點的高度差可近似為連接這兩個頂點的矢量在頂點V的法線向量上的投影。
[0025]步驟S02:基於特徵點對骨骼模型進行符合醫用理解的有意義分割；該語義分割的具體步驟為:
步驟t01:將每個網格頂點的區域號初始為-1 (分割後邊界點的區域號保持為-1)；步驟t02:依次將中心頂點、用戶選擇點與每一個突出特徵點作為種子進行區域擴展(即分水嶺算法中的浸沒操作)。對種子頂點P的浸沒操作這樣實現:檢測P的所有鄰接點，若P的某個鄰接點Pi不是邊界特徵點並且與該區域種子頂點間的測地距離更近，則賦予Pi與頂點P相同的區域號，對鄰接點Pij也作同樣的區域擴展操作，直到這個浸沒的區域全部被邊界頂點或其他已標記區域所包圍。
[0026](2)分割得到的模板再指導同類的其它骨骼模型進行快速兼容性分割，包括以下步驟:
步驟S03:將已完成分割的模型作為模板A，正待分割的同類骨骼模型作為目標B; 步驟S04:在模板A與目標B之間進行基於Laplacian變形的非剛性配準；
步驟S05:對於模板曲面A上的每個特徵點P，在配準過的目標曲面B上找出對應的特徵點q ;
步驟S06:目標模型B在相應特徵點q的指導下進行快速分割。
[0027](3)最後根據網格分割結果計算出骨骼的主要參數:
步驟S07:對於已成功分割成若干區域的骨骼模型，用類球體、類圓柱體等基本形狀來模擬一些區域，這些區域針對股骨模型而言主要指股骨頭區、股骨幹區和股骨頸區，並計算出相關參數；
步驟S08:根據特徵點及計算出的參數對骨骼模型建立一個子區域鄰接圖，存儲相關信息，將骨骼模型的結構性描述轉化成一種語義描述。本實施例中，針對股骨模型分割結果建立的子區域鄰接圖存儲的參數信息包括股骨頭圓球直徑、股骨幹峽部位直徑、股骨幹長度、股骨頸峽部位直徑、頸幹角、股骨頸長度、大轉子點及小轉子點的高斯曲率、大小轉子點之間的歐氏距離、股骨頭球心至股骨幹軸的垂直距離、股骨頭球心至小轉子中心平面的垂直距離等等。
[0028]如圖2所示，所述模板模型A與同類骨骼模型B之間基於Laplacian變形非剛性配準的具體步驟為:
步驟pOl:為網格B建立kd樹(k維搜索樹)，為下一步的最近鄰頂點搜索建立查詢結
構；
步驟p02:為模板網格A中每個頂點找出它在網格B中的最近點，將這樣的每一頂點對存放在向量pairs中；
步驟p03:在向量pairs中挑選一批頂點對(優先挑選特徵點),作為下一步Laplacian變形的約束頂點對，這些約束頂點的位置在變形過程中力求基本不變。
[0029]步驟p04:對網格A進行一次Laplacian變形，生成新網格new_A;
步驟p05:在新網格new_A中，求出每個約束頂點與其在網格B中對應點之間的距離(即誤差)，計算總誤差的均方根值，記為err;
步驟p06:跳轉至p02,在new_A與B之間計算對應點，重新生成約束頂點對，再進行Laplacian變形。反覆迭代,若最後m次迭代內有n次誤差值err比前次大,其中m>n,且m>l，，則結束迭代，輸出此時的網格new_A。
[0030]下面通過實例對骨骼模型進行兼容性分割與參數計算。
[0031]如圖3至圖5所示，首先在特徵點提取的基礎上對股骨的3D網格模型進行分割；分割得到的模板再指導同類其它股骨模型快速兼容性分割；最後根據網格分割結果計算出股骨的主要參數。
[0032]首先，結合特定的解剖結構知識對股骨模型提取一些特徵點，該模型中用到的特徵點有四類:突出特徵點、邊界特徵點、中心頂點和股骨頸點。其中突出特徵點、中心頂點和股骨頸點將作為後續網格分割中區域擴展的種子；而邊界特徵點將作為區域擴展終止的標記，如圖3所示。
[0033]然後，在特徵點提取的基礎上使用快速行進分水嶺算法對股骨模型進行網格分割:對每一個種子特徵點進行區域擴展(即分水嶺算法中的浸沒操作)，直到每個浸沒的區域全部被邊界頂點或其他已標記區域所包圍。如圖4所示為股骨模型的分割結果。
[0034]在對模板模型實現精確分割後，藉助基於Laplacian變形的非剛性配準，能在結構特徵大體相似的同類其它股骨模型上找到對應特徵點，從而指導同類股骨模型進行快速兼容性分割。如圖5所示，這些股骨模型的分割結果是相似的。
[0035]將股骨模型成功分割成若干個區域後，用類球體、類圓柱體等基本形狀來模擬一些區域，並計算出相關參數。此外，為了更好地分析各區域之間的相互關係，也為了從全局上把握股骨整體特點，本發明利用特徵點及相關參數對分割所得的各區域建立一個子區域鄰接圖，如圖6所示，圖中每個節點對應於一個子區域，每條邊對應於子區域間的鄰接關係，若兩個節點間有邊相連，則說明對應的兩個子區域是相鄰的，通過這種鄰接關係，可以較好地體現股骨模型各部位的空間分布。
[0036]最後，基於網格分割結果與子區域鄰接圖計算出股骨的主要參數，對實驗所用的股骨模型計算所得的各個參數值，如下表:
【權利要求】
1.一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:其方法步驟如下: (1)在特徵點提取的基礎上對人體骨骼的3D網格模型進行醫學語義分割；該步驟包括如下: 步驟SOl:結合特定醫學先驗知識對骨骼模型提取一些特徵點； 步驟S02:基於特徵點對骨骼模型進行符合醫用的分割；該分割的具體步驟為: 步驟t01:將每個網格頂點的區域號初始為-1，即分割後邊界點的區域號保持為-1 ； 步驟t02:依次對每個種子頂點進行區域擴展，即分水嶺算法中的浸沒操作，形成一個個匯水盆地； (2)分割得到的模板再指導同類的其它骨骼模型進行快速兼容性分割；該步驟包括如下: 步驟S03:將已完成分割的模型作為模板模型A，正待分割的同類骨骼模型作為目標模型B; 步驟S04:在模板模型A與目標模型B之間進行基於Laplacian變形的非剛性配準； 步驟S05:對於模板模型A上的每個特徵點P，在配準過的目標模型B上找出對應的特徵點q ; 步驟S06:目標模型B在相應特徵點q的指導下進行快速分割；` (3)根據網格分割結果計算出骨骼的主要參數；該步驟包括如下: 步驟S07:對於已成功分割成若干區域的骨骼模型，用基本形狀來模擬一些區域，並計算出相關參數； 步驟S08:根據特徵點及計算出的參數對骨骼模型建立一個子區域鄰接圖，存儲相關信息，將骨骼模型的結構性描述轉化成一種語義描述。
2.根據權利要求1所述的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:在所述步驟SOl中，所述對骨骼模型提取的特徵點有四類:突出特徵點、邊界特徵點、中心頂點和用戶選擇點；其中，檢測突出特徵點的具體步驟為: 步驟i01:對網格模型挑選一個中心頂點； 步驟i02:計算每個網格頂點到中心頂點的測地距離； 步驟i03:計算每個網格頂點的局部深度值； 步驟i04:綜合頂點的測地距離值和局部深度值，定位網格模型的突出特徵點。
3.根據權利要求2所述的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:在所述步驟i03中，所述局部深度值是指某個頂點相對於鄰居頂點的最大高度差即深度；頂點V與某個鄰居頂點的高度差可近似為連接這兩個頂點的矢量在頂點V的法線向量上的投影。
4.根據權利要求2所述的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:在所述步驟i04中，所述網格模型的突出特徵點的檢測條件是:該頂點到模型中心頂點的測地距離是其鄰域內的局部最大值並且該頂點的局部深度值為負的較小值。
5.根據權利要求1所述的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:在步驟t02中，所述對每一個種子頂點P的浸沒操作這樣實現:檢測種子頂點P的所有鄰接點，若種子頂點P的某個鄰接點Pi不是邊界特徵點並且與該區域種子頂點間的測地距離更近，則賦予Pi與種子頂點P相同的區域號，對鄰接點Pij也作同樣的區域擴展操作，直到這個浸沒的區域全部被邊界頂點或其他已標記區域所包圍。
6.根據權利要求1所述的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:在步驟S04中，所述模板模型A與同類骨骼模型B之間基於Laplacian變形的非剛性配準，其步驟如下: 步驟pOl:為網格B建立kd樹，為下一步的最近鄰頂點搜索建立查詢結構； 步驟p02:為模板網格A中每個頂點找出它在網格B中的最近點，將這樣的每一頂點對存放在向量pairs中； 步驟p03:在向量pairs中挑選一批頂點對,作為下一步Laplacian變形的約束頂點對，這些約束頂點的位置在變形過程中力求基本不變； 步驟p04:對模板模型A進行一次Laplacian變形,生成新網格new_A; 步驟P05:在新網格new_A*，求出每個約束頂點與其在網格目標模型B中對應點之間的距離即誤差，計算總誤差的均方根值，記為err; 步驟p06:跳轉至p02,在new_A與目標模型B之間計算對應點，重新生成約束頂點對，再進行Laplacian變形 ；反覆迭代,若最後m次迭代內有n次誤差值err比前次大,其中m>n,且m>l,則結束迭代,輸出此時的網格new_A。
7.根據權利要求1所述的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:在所述步驟S07中，所述基本形狀主要為類球體、類圓錐體或類圓柱體；所述一些區域主要指股骨頭區、股骨幹區和股骨頸區。
8.根據權利要求1所述的一種基於兼容性網格分割的骨骼參數計算方法，其特徵在於:在步驟S08中，針對股骨模型，所述子區域鄰接圖存儲的參數信息包括股骨頭圓球直徑、股骨幹峽部位直徑、股骨幹長度、股骨頸峽部位直徑、頸幹角、股骨頸長度、大轉子點及小轉子點的高斯曲率、大小轉子點之間的歐氏距離、股骨頭球心至股骨幹軸的垂直距離和股骨頭球心至小轉子中心平面的垂直距離。
【文檔編號】G06T7/00GK103632371SQ201310646822
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月6日 優先權日:2013年12月6日
【發明者】吳雲燕, 陳正鳴, 何坤金, 耿維忠, 王波 申請人:河海大學常州校區