[发明专利]一种基于统计信息的平均股骨模型构建方法

说明书

技术领域

本发明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，本发明属于计算机辅助设计领域。

背景技术

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。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明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，本发明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。