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申请/专利权人：首都医科大学附属北京积水潭医院

摘要：本发明涉及一种肩关节置换手术术前的图像处理方法、装置、介质及设备，属于医疗影像技术领域，该方法包括：根据肱骨解剖轴构建肩关节坐标系，对肩关节的肱骨侧部位的图像进行处理，确定肩关节肱骨侧截骨区域及其钻孔起始位置、钻孔方向，方便肱骨侧假体的安装；在该肩关节坐标系中，对肩关节的肩胛骨侧部位的图像进行处理，确定肩胛骨侧定向导针的入针方向和入针点，方便肩胛骨侧假体的安装。本发明涉及一种肩关节置换手术术前的图像处理方法，利用医疗影像技术，使肩关节置换手术减少了对医生临床经验的依赖，使得一些经验欠缺的医生可以在没有太多临床经验的情况下独立完成手术的规划和操作。

主权项：1.一种肩关节置换手术术前的图像处理方法，其特征在于，包括步骤A：根据肱骨解剖轴构建肩关节坐标系，对肩关节的肱骨侧部位的图像进行处理，确定肩关节肱骨侧截骨区域及其钻孔起始位置、钻孔方向，包括以下具体步骤：步骤A1：获取患者的肱骨CT数据，对所述患者的肱骨CT数据进行三维重建，获得肱骨三维模型，将所述肱骨三维模型转为肱骨点云模型；步骤A2：从所述肱骨点云模型的点云数据提取肱骨解剖轴，根据所述肱骨解剖轴构建肩关节坐标系，包括以下具体步骤：步骤A21：对所述肱骨三维模型的肱骨干做切片处理，提取每个点云切片的质心，对所有提取的质心进行空间直线拟合，得到肱骨干解剖轴线；步骤A22：以肱骨干解剖轴作为Z向量，与肱骨内上髁和外上髁之间的连线作为肱骨内外髁连线向量，Z向量和肱骨内外髁连线向量之间做向量外积得到Y向量，再使用Y向量与Z向量做向量外积得到X向量，以肱骨干轴线与肱骨鹰嘴窝的交点为原点O，并根据Z向量、Y向量和X向量的方向分别确定Z轴、Y轴和X轴，构建肩关节坐标系；步骤A3：根据肱骨侧假体型号在所述肩关节坐标系下，对肩关节肱骨侧截骨区域及其钻孔起始位置、肱骨侧钻孔方向进行规划，其中肱骨侧假体型号根据患者的骨骼特征选定，包括以下具体步骤：步骤A31：根据患者的骨骼特征从肩关节假体中选定肱骨侧假体型号；步骤A32：以XOZ面为肱骨的冠状面，以垂直肱骨的冠状面的面作为肱骨切割面，并根据肱骨侧假体型号确定肱骨头切割角度，用于对肱骨头进行切割形成斜面；步骤A33：以肱骨切割面朝向肩关节的一侧所在区域确定为肩关节肱骨侧截骨区域；步骤A34：以肱骨解剖轴线与肱骨头表面的交点作为肩关节肱骨侧截骨区域的钻孔起始位置，以肱骨头沿着肱骨干轴线的方向确定肩关节肱骨侧截骨区域的钻孔方向，用于对肱骨进行钻孔；步骤B：在所述肩关节坐标系中，对肩关节的肩胛骨侧部位的图像进行处理，确定肩胛骨侧定向导针的入针方向和入针点，包括以下具体步骤：步骤B1：获取一个患者的肩胛骨CT数据，对患者的肩胛骨CT数据进行三维重建，获得肩胛骨三维模型，将所述肩胛骨三维模型转为肩胛骨点云模型；步骤B2：重复所述步骤B1，直至获取多个患者的肩胛骨点云模型；步骤B3：对部分肩胛骨点云模型的关节盂区域分别进行标注，对被标注的部分肩胛骨点云模型的肩胛骨点云数据进行数据增强和扩充处理，获得肩胛骨点云模型的训练数据集，包括以下具体步骤：步骤B31：先从多个患者的肩胛骨点云模型中选取部分作为肩胛骨初始点云数据集，再使用点云标注软件对所述肩胛骨初始点云数据集的关节盂区域分别进行标注；步骤B32：对被标注的所述初始点云数据集进行数据增强和扩充处理，获得肩胛骨点云模型的训练数据集；步骤B4：对所述肩胛骨点云模型的训练数据集进行训练，获得肩胛骨点云分割模型，将患者的肩胛骨点云模型输入到肩胛骨点云分割模型中，得到肩胛骨点云分割模型分割点云数据；步骤B5：对所述肩胛骨点云分割模型分割点云数据先后分别进行边缘提取、无效点剔除、点云主成分分析、方向包围盒操作，确定肩胛骨三维模型的关节盂前后缘特征点和关节盂上下极特征点，具体包括以下步骤：步骤B51：对肩胛骨点云分割模型分割点云数据进行边缘提取，获得边缘提取后的点云数据；步骤B52：对所述边缘提取后的点云数据进行无效点剔除，获得剔除无效点后的点云数据；步骤B53：对所述剔除无效点后的点云数据进行点云主成分分析，获得点云主成分分析的点云数据；步骤B54：对所述点云主成分分析的点云数据进行方向包围盒操作，确定关节盂前、后方向的极值点和关节盂上、下方向的极值点；步骤B55：根据关节盂前、后方向的极值点确定关节盂前、后缘特征点，根据关节盂上、下方向的极值点确定关节盂上、下极特征点；步骤B6：以肩胛骨关节盂前缘特征点和肩胛骨关节盂后缘特征点的中点作为定向导针的起点，根据所述关节盂前、后缘特征点和所述关节盂上、下极特征点确定向导针的单位向量的终点，定向导针的单位向量的终点指向定向导针的起点的向量即为定向导针在肩胛骨上的入针方向，该入针方向在肩胛骨上的交点即为定向导针在肩胛骨上的入针点，具体包括以下步骤：步骤B61：确定定向导针在肩关节坐标系的方位，即：定向导针在肱骨的冠状面的投影与关节盂上极特征点和下极特征点连线成85°，定向导针在肱骨的横断面投影与关节盂前缘特征点和后缘特征点连线成90°；步骤B62：确定关节盂上、下极特征点，关节盂前、后缘特征点在肩胛骨点云模型的位置；其中，关节盂上、下极特征点包括肩胛骨关节盂上极特征点P1和肩胛骨关节盂下极特征点P2，关节盂前、后缘特征点包括肩胛骨关节盂前缘特征点P3和肩胛骨关节盂后缘特征点P4，肩胛骨关节盂上极特征点P1、肩胛骨关节盂下极特征点P2、肩胛骨关节盂前缘特征点P3和肩胛骨关节盂后缘特征点P4在肩关节坐标系的坐标分别设为x1，y1，z1、x2，y2，z2、x3，y3，z3和x4，y4，z4，则肩胛骨关节盂上极特征点P1、肩胛骨关节盂下极特征点P2在肱骨的冠状面的投影点的坐标分别为x1，0，z1和x2，0，z2，肩胛骨关节盂上极特征点P1、肩胛骨关节盂下极特征点P2两投影点的连线向量为： 肩胛骨关节盂前缘特征点P3和肩胛骨关节盂后缘特征点P4在肱骨的横断面的投影为x3，y3，0，x4，y4，0，则肩胛骨关节盂前缘特征点P3和肩胛骨关节盂后缘特征点P4的两投影点的连线向量为： 步骤B63：以肩胛骨关节盂前缘特征点P3和肩胛骨关节盂后缘特征点P4的中点作为定向导针的起点M，根据所述关节盂前、后缘特征点和所述关节盂上、下极特征点确定定向导针的单位向量的终点Q，定向导针的起点M和定向导针的单位向量的终点Q即为定向导针在肩胛骨上的入针方向，该定向导针在肩胛骨上的入针方向在肩胛骨上的交点即为定向导针在肩胛骨上的入针点，具体步骤如下：首先，设肩胛骨关节盂上极特征点P1、肩胛骨关节盂下极特征点P2的连线的单位向量为a，0，b，那么， a2+b2＝1由上面两式可求得a和b；然后，设肩胛骨关节盂前缘特征点P3和肩胛骨关节盂后缘特征点P4两点连线的单位向量为c，d，0，那么， c2+d2＝1由上面两式求得c和d；设定向导针的起点M的坐标为x0，y0，z0，则 设定向导针的单位向量的终点Q的坐标为xp，yp，zp，定向导针的起点M和定向导针的单位向量的终点Q在肱骨的冠状面XOZ面的投影点的坐标分别为x0，0，z0和xp，0，zp，在肱骨的横断面XOY面上投影点的坐标分别为x0，y0，0和xp，yp，0，则有： 对上面四个式子进行处理，得到： 同时，定向导针的起点M和定向导针的单位向量的终点Q的空间距离为1，则：xp-x02+yp-y02+zp-z02＝1利用上面三个方程求解三个未知数，可求得Q的坐标xp，yp，zp，得到定向导针的单位向量为xp-x0，yp-y0，zp-z0；由此，定向导针的起点M和定向导针的单位向量的终点Q的连接即为定向导针在肩胛骨上的入针方向，该定向导针在肩胛骨上的入针方向在肩胛骨上的交点即为定向导针在肩胛骨上的入针点，由此获得的定向导针在肩胛骨上的入针点和入针方向。

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