[发明专利]基于最短路径方式的骨骼模型轮廓曲线的平铺生成方法

说明书

提供一种基于最短路径方式的骨骼模型轮廓曲线的平铺生成方法与系统，用于通过一组平行的骨骼切片生成三维曲面模型，包括：扫描图像分割步骤，其用于对骨骼的扫描图像进行分割操作，获得多组平行的骨骼切片图像；切片轮廓点提取步骤，其基于每层骨骼切片图像提取切片轮廓及各切片轮廓上的点；归一化处理步骤，其能够对任一层骨骼切片图像的切片轮廓基于该切片轮廓的中心坐标位置与半径进行归一化处理；和基于最小面积法的平铺处理步骤，其能够在归一化处理步骤之后，搜索每一对相邻的切片轮廓之间的两个最近点作为三角剖分的起点和图形的第一个节点P（0,0），并确定基于一对相邻的切片轮廓上的对应点的所有节点P（i,j）之间的最小路径。

技术领域

本发明涉及医疗图像处理技术，尤其涉及一种基于最短路径方式的骨骼模型轮廓曲线的平铺生成方法与相应的手术导航系统。

背景技术

为了提高手术的准确性和精确度，计算机辅助手术导航系统被广泛应用于各种手术中。这些手术通常需要在实施过程中对患者的解剖结构进行配准，例如全膝关节置换术（TKA）和其他骨科手术，必须准确生成骨骼模型。

为了生成此模型，须对CT扫描图像进行分割操作，以分割出来一组平行的骨骼切片，用于后续的骨骼重建。通常，这些切片的密度为1-2 mm。

通过这样的一组平行切片生成三维模型或曲面（表面，surface）（以下简称三维曲面模型）的过程是困难的，多数科学文献中均有讨论。

其中，通过一组轮廓（平行切片的边缘）生成一个曲面的问题可以分解成若干子问题：例如：

-相关问题可以通过确定一组切片的轮廓之间相邻的拓扑关系来解决。从而得到最终曲面粗略的拓扑结果。

-平铺（tiling）问题可以通过相邻切片的边缘上对应点构成三角形网格，从而找到最优的相邻拓扑关系来解决。通常确定最优的标准是其能否将表面积最小化。

-当一个对象在相邻区域用不同数量的轮廓表示时会发生分支问题。在该情况下，不能直接使用标准方法来解决平铺问题。然而需要解决平铺和分支问题以确定曲面的拓扑结构和粗略几何外形。

-解决曲面拟合问题，可以通过将一个最佳曲面拟合在解决上述问题后得到的网格上来完成。曲面拟合的结果可用来展现重建的曲面几何体的细节。

平铺问题的主要目标是找到连续轮廓上点之间的最佳对应关系。这个问题可以简化为在环形图上的搜索问题，如E， Keppel的论文“通过轮廓线的三角剖分逼近复杂曲面”（E. keppel， Approximating Complex Surfaces by Triangulation of ContourLines）。

轮廓由有序的数据点列表表示。连接同一轮廓中相邻点的边被称为轮廓线段。连接不同轮廓中两点的边被称为跨距。跨距由图中的节点表示。平铺块由图中节点之间的圆弧完成。通过在图中找到最小路径方式来完成平铺。

然而，平铺问题会受到严重约束，因为许多曲面都可以作为结果。在以往，研究者使用了若干公认的标准函数来区分曲面的好坏，最广为人知的有：

最大体积法：仅对于凸型曲面(对象)而言是一个明显的标准，但使用起来较为困难。其需要计算单个平铺块对基于对象整体体积的目标函数的贡献值。由于曲面构建误差范围大并带来了额外的计算开销，因而效率低并限制了应用范围。

最小面积法：这本来是一个很好的标准，但是，仍必须特别注意如何处理好某些具有复杂几何形状或间距较远的切片的情况。

尤其是，对于至少局部具有复杂几何形状的骨骼模型来说，即便在适用基于最小面积的标准函数时，仍存在克服上述局限性的问题。

发明内容

为解决上述平铺问题，本发明的目的在于提供一种适用于从一组平行的骨骼切片中生成三维曲面的算法及相应的系统如下所述。