基于双平面影像的全膝关节置换术前规划方法及

本发明属于智能医疗，尤其涉及一种基于双平面影像的全膝关节置换术前规划方法及系统。背景技术：1、目前对于tka(全膝关节置换)手术规划主要利用的是二维x射线影像或者三维仰卧位ct影像进行规划。但受限于影像拍摄技术的限制，无法获取负重位下关节的三维解剖参数，导致实际规划与患者真实情况不符，医生仍然需要在术中进行调整，降低了术前规划的有效性，未考虑患者动态活动功能的术前规划可能最终导致术后活动功能不满意。2、公开号为cn112842529a的发明专利，主要利用正位x膝关节影像以及侧位膝关节x影像进行假体尺寸以及位置的规划，利用神经网络识别膝关节关键点以及关键轴线，基于关键点以及轴线完成假体型号以及位置的规划。但是，二维x射线影像无法反应真实的骨骼三维形态，基于二维影像的tka规划方案无法进行有效的假体三维摆放位置的规划。3、公开号为cn113842211a的发明专利，主要利用三维ct模型进行全膝关节置换规划。基于膝关节三维骨骼模型，确定骨骼关键参数进而确定假体的类型和型号以及安放位置和安放角度。但是，由于患者站立位测量的力线与传统仰卧位ct成像测量获得的力线等角度参数存在明显差异，导致无法对患者膝关节进行理想的矫正。该方法虽然考虑了膝关节置换中间隙平衡的准则，但其是通过膝关节模拟的方式进行伸直与屈曲，与真实患者动态运动不符，并且也未考虑全屈曲范围内关节间隙平衡。4、因此，对于tka术前规划有待进一步优化。技术实现思路1、为解决上述问题，本发明的目的是提供一种基于双平面影像的全膝关节置换术前规划方法及系统，能够实现全屈曲角度关节间隙平衡的术前tka假体型号选择，以及同时考虑三维负重位下的膝关节力线矫正的tka假体位置规划，精准还原患者真实动态运动，提高假体与患者的匹配度。2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于双平面影像的全膝关节置换术前规划方法，包括以下步骤：获取目标对象膝关节站立位静态双平面下肢影像以及膝关节进行功能运动时的动态双平面影像；获取目标对象的膝关节三维模型，并分别与所述膝关节的站立位静态双平面下肢影像和动态双平面影像进行二维-三维的空间配准对齐，以获取膝关节站立位三维配准影像和膝关节功能运动时的三维配准影像；基于所述膝关节站立位三维配准影像计算膝关节功能参数、形态学参数及内外侧关节三维间隙，基于所述功能参数与形态学参数确定胫骨假体及胫骨截骨平面；基于所述功能参数与形态学参数确定股骨假体，导入所确定的股骨假体的三维模型，基于股骨关节面与股骨假体关节面通过三维点云配准优化算法定位股骨假体的静态初步摆放位置，获得股骨假体与股骨之间的静态初步摆放相对位置关系p1；以膝关节内外侧关节三维间隙平衡为优化目标，基于预设优化算法计算得到站立位下的静态优化摆放位置，获得股骨假体与股骨之间的静态优化摆放相对位置关系p2；将所述股骨假体与股骨之间的静态优化摆放相对位置关系p2导入到功能运动时多个屈曲角度下的膝关节三维配准影像中，并模拟计算功能运动过程中股骨假体放置后的内外侧关节三维间隙；以全屈曲范围下的内外侧关节三维间隙平衡为目标，基于优化算法不断迭代计算调整股骨假体位置，直到寻找到使得股骨假体在全屈曲范围获得关节三维间隙平衡的动态优化摆放位置，输出股骨假体与股骨间的动态优化摆放相对位置关系p3以及股骨截骨平面。3、优选的，在获取目标对象膝关节站立位静态双平面下肢影像以及膝关节进行功能运动时的动态双平面影像之前，所述全膝关节置换术前规划方法还包括矫正双平面成像系统，以获取双平面系统的相对空间位置关系以及成像参数，包括如下步骤：将嵌入多个钢珠的矫正盒放置于成像空间内进行拍摄，通过拍摄获取的钢珠影像和已知的钢珠相对空间位置求解出双平面影像系统中x光源以及平板探测器的空间位置；基于x光源以及平板探测器的空间位置校准所述双平面影像系统的坐标系。4、优选的，获取目标对象的膝关节三维模型的方法包括：获取膝关节多个角度的ct影像/磁共振影像以及对应的角度信息，基于所述多个角度的ct影像/磁共振影像以及对应的角度信息进行三维建模获取膝关节三维模型。5、优选的，获取目标对象的膝关节三维模型，并分别与所述膝关节的站立位静态双平面下肢影像和动态双平面影像进行二维-三维的空间配准对齐进一步包括：导入获取的站立位静态双平面下肢影像以及进行功能运动时的膝关节动态双平面影像至预设的配准程序中，导入目标对象的膝关节三维模型，通过在重建的虚拟投影环境中将骨骼轮廓与双平面动态透视图像在每一帧进行匹配，确定股骨和胫骨在三维空间中的位置。6、优选的，基于所述膝关节站立位三维配准影像计算膝关节的功能参数、形态学参数及内外侧关节三维间隙进一步包括：基于所述膝关节站立位三维配准影像获得关键解剖特征点的三维空间位置，所述关键解剖特征点至少包括髋关节中心、膝关节中心、踝关节中心、股骨内外侧髁、胫骨平台内外侧中心；计算膝关节的功能参数、形态学参数，所述功能参数至少包括关节力线，所述形态学参数至少包括股骨前后径、股骨内外髁大小、股骨后髁内外旋胫骨平台长宽、胫骨平台后倾角；基于所述膝关节的功能参数和形态学参数确定胫骨截骨平面，选取股骨内外侧髁关节面，计算三维空间中股骨内外侧髁分别至胫骨平台内外侧平面最短距离为膝关节内外侧关节三维间隙。7、优选的，基于所述膝关节站立位三维配准影像计算膝关节的功能参数、形态学参数及内外侧关节三维间隙进一步还包括：在所述膝关节功能参数不满足预设条件的情况下，在计算出关节力线之后，旋转所述股骨以进行内外翻预矫正并确定模拟力线，再基于所述模拟力线确定胫骨截骨平面。8、优选的，基于股骨关节面与股骨假体关节面通过三维点云配准优化算法定位股骨假体的静态初步摆放位置进一步包括：设定股骨关节表面点为点云pt，设置股骨假体关节表面点云为ps，目标为寻找一组最优的旋转变换r*，和平移变换t*，使得pc2经过旋转变化和/或平移变换后与点云pc1之间的相对距离最小，所述pc2指的股骨假体表面的点云，pc1指的是股骨关节表面的点云，问题描述为点云的预处理滤波，求解旋转变换和平移变换，调整对应点的权重，提出不合理对应点，计算损失值，最小化损失值，求解当前最优变化更新旋转变换和平移变换，迭代直到收敛，得到股骨假体的静态初步摆放位置，获得股骨假体与股骨之间的静态初步摆放相对位置关系p1。9、优选的，基于预设优化算法计算得到站立位下的静态优化摆放位置进一步包括：计算模拟力线矫正后的股骨假体静态初步摆放位置下与胫骨截骨面的内外侧间隙，调整股骨假体位置平衡内外侧间隙绝对值差异；其中，内外侧间隙的绝对差最小为损失函数：loss1＝dl-dm，其中dm和dl分别表示为股骨假体内髁和外髁到胫骨截骨平面的绝对距离；优化对象为股骨假体相对于股骨的6自由度值[α,β,λ,x,y,z]，其中α表示股骨假体的屈曲角度，β表示股骨假体内外翻角度，λ表示股骨假体内外旋角度，x表示股骨假体前后移动量，y表示股骨假体上下移动量，z表示股骨假体远近移动量。10、优选的，不断迭代计算调整股骨假体位置，直到寻找到使得股骨假体能在全屈曲范围获得关节三维间隙平衡的动态优化摆放位置进一步包括：在预设范围内调整所述股骨假体相对于股骨的摆放位置，计算不同股骨假体位置下不同屈曲角度下的关节三维间隙，直到达到全屈曲范围关节三维间隙平衡，其中，损失函数定义为：n表示为不同屈曲位置，dl-dmi分别表示为每个屈曲位置下内外侧间隙的绝对差；膝关节屈曲运动中内外侧关节三维间隙个性化变化曲线，设置损失函数为loss3＝|f(dm)-g(dm)|+|f(dl)-g(dl)|，|f(d)-g(d)|表示为假体放置后关节三维间隙与目标关节三维间隙的差。11、基于相同的构思，本发明还提供一种基于双平面影像的全膝关节置换术前规划系统，包括：影像获取模块，用于获取目标对象膝关节站立位静态双平面下肢影像以及膝关节进行功能运动时的动态双平面影像；模型配准模块，用于获取目标对象的膝关节三维模型，并分别与所述膝关节的站立位静态双平面下肢影像和动态双平面影像进行二维-三维的空间配准对齐，以获取膝关节站立位三维配准影像和膝关节功能运动时的三维配准影像；计算模块，用于基于所述膝关节站立位三维配准影像计算膝关节功能参数、形态学参数及内外侧关节三维间隙，基于所述功能参数与形态学参数确定胫骨假体及胫骨截骨平面；静态位置确定模块，用于基于所述功能参数与形态学参数确定股骨假体，导入所确定的股骨假体的三维模型，基于股骨关节面与股骨假体关节面通过三维点云配准优化算法定位股骨假体的静态初步摆放位置，获得股骨假体与股骨之间的静态初步摆放相对位置关系p1；以膝关节内外侧关节三维间隙平衡为优化目标，基于预设优化算法计算得到站立位下的静态优化摆放位置，获得股骨假体与股骨之间的静态优化摆放相对位置关系p2；动态位置确定模块，用于将所述股骨假体与股骨之间的静态优化摆放相对位置关系p2导入到功能运动时多个屈曲角度下的膝关节三维配准影像中，并模拟计算功能运动过程中股骨假体放置后的内外侧关节三维间隙；以全屈曲范围下的内外侧关节三维间隙平衡为目标，基于优化算法不断迭代计算调整股骨假体位置，直到寻找到使得股骨假体在全屈曲范围获得关节三维间隙平衡的动态优化摆放位置，输出股骨假体与股骨间的动态优化摆放相对位置关系p3以及股骨截骨平面。12、本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：13、1、本发明对的技术方案解决了传统术前规划方法仅利用单平面负重影像进行tka术前规划由于影像放大率不准确、拍摄角度存在差异造成的假体大小及位置规划不准确的问题，也解决了传统二维规划无法获取真实的假体与骨骼三维相对位置的缺陷。相较于传统术前规划，本发明的技术方案基于站立位静态双平面下肢影像以及膝关节进行功能运动时的动态双平面影像为基础进行术前规划，不仅能够实现基于负重位关节力线的tka三维规划，还能实现膝关节全屈曲角度关节间隙平衡的术前三维规划，减少医生术中操作时间，并有助于患者更好的获得术后关节功能。14、2、本发明的技术方案配合x射线双平面成像系统对患者进行膝关节站立位负重成像以及功能运动成像，结合患者ct重建的骨骼模型，利用二维-三维配准技术获取膝关节负重位及动态功能运动的三维空间位置，使得术前规划更为精准，以保证股骨假体和胫骨假体能够获得更好的空间匹配关系，患者术后获得更好的关节功能。