一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法及系统

本发明属于医学图像处理领域，具体涉及一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法及系统。

背景技术：

1、头影测量分析是口腔正畸学、正颌外科学及生物医学工程等领域中不可或缺的基础诊断工具。自1931年broadbent首创头颅侧位片拍摄技术以来，该技术通过提取x射线二维影像中的关键解剖标志点，构建点、线、角、面等测量项目，为牙颌颅面畸形的诊断、治疗方案设计及预后评估提供了定量化依据。其核心诊断逻辑在于，通过精确量化特定解剖结构间的空间关系，来客观评价颅颌面形态的发育状况与异常程度。

2、随着数字化医学影像技术的普及，传统硫酸纸描图、游标卡尺测量的手工作业模式已被计算机辅助定点测距所取代。然而，技术的数字化并未根本性解决测量学上的一个关键难题--二维平面影像的几何失真与姿态归一化问题。当前，无论是在商业化的头影测量软件中，还是通过通用图像浏览器进行半自动定点，在完成标志点标定后，绝大多数系统直接采用欧几里得距离公式(euclidean distance)简单计算两点间的像素距离，再通过图像附带的标尺进行比例换算。这种直接的线性测量方式隐含了一个理想化前提:待测的解剖结构恰好位于与x射线中心线严格垂直的标准平面内，且图像采集时患者头颅不存在任何旋转倾斜。

3、但临床实际中，这一理想条件几乎不可能满足。x射线头颅侧位片的拍摄要求患者头部由头颅定位仪固定，但操作中难以避免微小的姿态偏转。患者头部的俯仰、侧屈或旋转，以及后期图像数字化扫描过程中的细微角度偏差，都会导致目标解剖结构在二维投影平面上产生不同程度的透视变形和位置偏移。此时，若仍以图像本身的像素网格为参考系直接进行测距，所得到的将是在倾斜坐标系中的斜向投影距离，而非临床诊断所要求的、在标准解剖参考平面上的正交投影距离。这种因坐标系与标准解剖基准轴系不统一而产生的测量误差是系统性的，会直接导致sna角、snb角、下颌平面角以及线距测量项目的可靠性降低，影响纵向比较与多中心研究的一致性。

技术实现思路

1、为克服现有技术在图像倾斜状态下直接测距存在偏差的缺陷，本发明提供基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法及系统，在图像完成标志点定位后，利用数学手段重建标准参考坐标系，将目标点与参考点之间的空间关系转化为数字坐标信息并进行几何解算，从而实现高精度的距离测量。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，包括如下步骤：

3、获取包含至少三个预设解剖标志点的待测头影侧位片图像，并获取各解剖标志点的像素坐标；

4、选取目标解剖标志点以外的至少两个解剖标志点构建初始参考坐标系；

5、定义目标旋转角度，对初始参考坐标系以及各解剖标志点的像素坐标进行空间变换，得到校正后的标准化计算坐标系，以及各解剖标志点的标准化计算坐标；

6、根据各解剖标志点的标准化计算坐标，计算各目标解剖标志点到校正后的标准化计算坐标系的垂直像素距离，换算得到各目标解剖标志点的实际物理测量距离。

7、作为进一步的技术方案，各解剖标志点的像素坐标由基础图像像素坐标系获取；其中，所述基础图像像素坐标系以待测头影侧位片图像中任一角点为坐标原点，以水平向右的方向为x轴正方向，以竖直向上的方向为y轴正方向。

8、作为进一步的技术方案，初始参考坐标系为极坐标系，构建过程包括：

9、选取至少两个解剖标志点作为参考点，以其中一个参考点为圆心，将连接作为圆心的参考点与选取的另一参考点的线段作为初始参考坐标系的基准线段，构建初始参考坐标系。

10、作为进一步的技术方案，目标旋转角度为初始参考坐标系与其预设标准姿态的夹角。

11、作为进一步的技术方案，对初始参考坐标系以及各解剖标志点的像素坐标进行空间变换的过程包括：

12、根据目标旋转角度构建二维平面旋转矩阵，以初始参考坐标系的圆心为旋转中心基准，利用所述二维平面旋转矩阵对各解剖标志点的像素坐标进行平移与旋转变换，得到各解剖标志点的标准化计算坐标；

13、根据初始参考坐标系圆心及基准线段另一端点的标准化计算坐标，确定空间变换后的基准线段的空间位置，从而构建校正后的标准化计算坐标系。

14、作为进一步的技术方案，二维平面旋转矩阵的数学表示为：

15、

16、式中，表示二维平面旋转矩阵；为目标旋转角度。

17、作为进一步的技术方案，目标解剖标志点到校正后的标准化计算坐标系的垂直像素距离根据根据解析几何原理计算，数学表示为：

18、

19、式中，表示目标解剖标志点到校正后的标准化计算坐标系的垂直像素距离：表示目标解剖标志点a的标准化计算坐标。

20、根据本说明书的另一方面，提供一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算系统，包括：

21、数据准备层，用于获取包含至少三个预设解剖标志点的待测头影侧位片图像，并获取各解剖标志点的像素坐标；

22、参考系建立层，用于选取目标解剖标志点以外的至少两个解剖标志点构建初始参考坐标系；

23、核心转换层，用于定义目标旋转角度，对初始参考坐标系以及各解剖标志点的像素坐标进行空间变换，得到校正后的标准化计算坐标系，以及各解剖标志点的标准化计算坐标；

24、几何量化层，用于根据各解剖标志点的标准化计算坐标，计算各目标解剖标志点到校正后的标准化计算坐标系的垂直像素距离，换算得到各目标解剖标志点的实际物理测量距离。

25、根据本说明书的另一方面，提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法。

26、根据本说明书的另一方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法。

27、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

28、本发明提供了一套独立于图像原始像素网格的、可对参考坐标系进行定向校正的空间几何测算框架，该框架不应依赖于特定软件或自动算法，而应作为一种通用的数学建模流程，在获取任意方式产生的点坐标后，能够通过标准化的旋转矩阵变换，消除图像倾斜与姿态误差的干扰，将全部标志点统一映射至以稳定解剖标志定义的规范性计算坐标系内，再行测距。这一思路的工程化实现，将有效克服现有点对点直接测距技术的精度缺陷，为头影测量提供更为严谨、可复现的数字化分析基础。

1.一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，其特征在于，各解剖标志点的像素坐标由基础图像像素坐标系获取；其中，所述基础图像像素坐标系以待测头影侧位片图像中任一角点为坐标原点，以水平向右的方向为x轴正方向，以竖直向上的方向为y轴正方向。

3.如权利要求1所述的一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，其特征在于，所述初始参考坐标系为极坐标系，构建过程包括：

4.如权利要求1所述的一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，其特征在于，所述目标旋转角度为初始参考坐标系与其预设标准姿态的夹角。

5.如权利要求1所述的一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，其特征在于，对初始参考坐标系以及各解剖标志点的像素坐标进行空间变换的过程包括：

6.如权利要求1所述的一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，其特征在于，所述二维平面旋转矩阵的数学表示为：

7.如权利要求1所述的一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算方法，其特征在于，目标解剖标志点到校正后的标准化计算坐标系的垂直像素距离根据根据解析几何原理计算，数学表示为：

8.一种基于像素坐标变换与几何建模的头影侧位片目标点距离测算系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器存储有被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求1至7任一项权利要求所述的方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至7中任一项权利要求所述的方法。