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

摘要

本发明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。

主权项

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、均匀连续的线弹性材料，并在Abaqus 6.10软件中对经步骤（10）网格划分后的优化UKA术后膝关节三维模型赋予对应的材料属性及泊松比，材料属性及泊松比如表1；表1步骤（12），施加载荷与边界条件：将股四头肌肌力简化为400N，平行于股骨干，方向指向股四头肌起点；同时沿膝关节力线施加300N力，以模拟身体重量；设定胫骨不动，股骨在施加力的作用下相对于胫骨发生屈曲、伸直、内收、外展、内旋及外旋六个自由度的运动；针对膝关节三维模型中的骨性组织、软组织及假体部件，定义了股骨假体与股骨、股骨假体与聚乙烯衬垫、聚乙烯衬垫与胫骨假体、胫骨假体与胫骨、髌腱与胫骨、髌腱与髌骨、股四头肌腱与股骨、股四头肌腱与髌骨、内侧副韧带与股骨、内侧副韧带与胫骨、外侧副韧带与股骨、外侧副韧带与胫骨、前交叉韧带与股骨、前交叉韧带与胫骨、后交叉韧带与股骨、后交叉韧带与胫骨、外侧半月板与股骨、外侧半月板与胫骨的界面；其中各条韧带两端与骨组织接触区域定义为刚性固定，与骨组织相连；股骨假体、胫骨假体与截骨面间设定为捆绑约束，假体接触面间设置为摩擦，摩擦系数为0.04；步骤（13），模型验证：通过对赋予材料属性的优化UKA术后膝关节三维模型施加载荷，模拟膝关节动态屈曲0‑120°，提取的是膝关节在分别屈曲0°、30°、60°、90°、120°五个位置下股骨相对于胫骨发生外旋、外展及内收的角度数据，与现有文献数据进行比较，结果一致，证明建模成功。