髋关节置换中保持假体与宿主骨之间良好的解剖匹配,有助于提高人工关节的长期稳定性。股骨近端的形态学分析是假体设计的前提和重要组成部分,准确提取股骨近端的形态学特征是其中的关键环节,为了解决目前临床中股骨近端分割困难,假体模型设计步骤繁琐等问题。本文详细描述了髋关节三维重建与形态学分析软件系统的设计与实现方法,基于髋关节序列计算机断层扫描(CT)图像对髋关节股骨近端进行三维重建,并利用建模结果对髋关节进行形态学分析。本软件系统实现了基于髋关节序列CT图像的自动分割算法。该算法首先通过对比度增强、阈值分割和区域增长等算法提取股骨的初步轮廓,再在初步轮廓基础上基于贝叶斯决策论对股骨边缘进行迭代分割。最后基于移动立方体算法(Marching Cubes,MC)建立髋关节三维网格模型。通过对算法进行效率和精度实验,结果表明该自动分割算法能够对髋关节股骨近端进行自动、快速、准确分割和建模。此外,本软件系统利用三维网格模型提取股骨头点云数据,对股骨头进行形态学分析:1、通过一般二次曲面拟合方法对股骨头点云进行初步拟合。2、利用二次曲面不变量特征进一步识别拟合曲面的具体类型、中心和主方向等几何参数。3、基于球面模型、椭球面模型和旋转椭球面模型对股骨头点云进行拟合,并比较不同模型之间的拟合误差。4、对拟合结果进行分析。通过对21例志愿者(男性7例,女性14例)的股骨头CT数据进行形态学分析,得到以下统计结果:1)股骨头在解剖形态上更接近于旋转椭球面(P-value<0.01),用旋转椭球面与椭球面对股骨头进行拟合误差明显小于球面模型;旋转椭球面与椭球面之间的匹配误差则相近。2)男性股骨头的形态学参数显著大于女性。3)用旋转球面拟合股骨头后的统计分析发现,年龄与股骨头的椭球率成反比(P-value=0.009),即随着年龄减小,股骨头更趋向于球面。研究结果提示,在人工股骨假体设计中,年龄与性别是需要考虑的主要因素,青年与老年假体在形态设计上应有所区分。