基于DR圖像的股骨個體化姿態(tài)估計關鍵技術研究.pdf

1、股骨干骨折是骨科一種常見的臨床創(chuàng)傷，如果手術治療不當，會造成患者行走功能障礙、肢體變形等后遺癥，嚴重影響患者的生活質量。在現代醫(yī)學診斷中，常見的臨床三維影像檢查方式主要包括計算機斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）。這兩種成像手段雖然能夠直接獲得患肢的三維數據，但是在檢查費用、操作便利性、成像快捷性等方面都遠遜于數字 X線（DR）成像，特別是CT掃描過程的有害輻射劑量遠高于 DR成像。然而DR圖像是二維投影圖像，缺少三維空間信息進行臨

2、床診斷是 DR成像的最大弊端。因此，研究一種僅利用單張或少數有限張二維DR圖像，在手術前獲取股骨三維空間姿態(tài)的成像方法，具有極其重要的臨床實用價值和廣闊的市場應用前景。
　　本文旨在利用股骨DR圖像，建立一種能夠快速、有效地重建股骨個體化姿態(tài)的方法，進而實現股骨三維空間姿態(tài)可視化。針對姿態(tài)估計過程中存在的DR成像系統(tǒng)標定、灰度不均勻圖像特征輪廓提取、基于2D-3D的圖像配準以及二維點集配準過程中多極值優(yōu)化等關鍵問題，研究相應的解決

3、方法。并深入研究灰度不均勻圖像分割、多極值優(yōu)化和2D-3D圖像配準方法，這三項關鍵技術，從而實現術前股骨個體化姿態(tài)的三維重建，促進基于圖像引導的三維可視化技術的發(fā)展。論文的主要研究內容包括：
　　針對普通平面標定板在X射線環(huán)境下成像不清晰，無法實現DR成像系統(tǒng)標定的問題，利用覆銅線格 PCB板做為標定板，采用基于平面標定板標定法，獲得DR成像系統(tǒng)的標定參數。
　　針對骨折股骨 DR圖像拓撲結構復雜、灰度分布不均勻的特點，研究

4、一種結合灰度波動信息的活動輪廓模型，利用灰度波動概念獲得圖像的灰度波動曲線；依據對波動曲線單調區(qū)間的判斷結果，對圖像進行灰度波動變換；將灰度波動變換函數引入 Chan-Vese（C-V）模型并重新定義能量函數，獲得新的活動輪廓模型。通過人造圖像與醫(yī)學圖像的分割實驗表明，該模型既能繼承 C-V模型抗噪性強、運算復雜度低、對初始輪廓不敏感的優(yōu)點，又可克服 C-V模型不能分割灰度分布不均勻圖像的弊端，并以較高的分割精度提取出 DR圖像中股骨干

5、內外腔壁和骨折斷端完整、連續(xù)的特征輪廓。
　　點集配準問題實質上是一個多極值優(yōu)化問題，常規(guī)的智能優(yōu)化算法存在容易陷入局部極值和搜索效率不高的問題。針對此類問題，將一種全局性優(yōu)化算法——特征統(tǒng)計算法（CSA）應用到點集配準中，研究一種基于高斯混合模型CSA優(yōu)化的點集配準算法。通過重新組合高斯混合模型中的配準參數，確定與目標函數關系密切的特征統(tǒng)計項目，能夠更好地解決點集配準中多參數估計易陷入局部極值的問題，提高算法的搜索效率。測試數據

6、配準實驗結果表明，該配準算法具有良好的抗噪聲、抗缺失點、抗出格點能力，同時具有較高的配準精度和配準成功率。
　　針對股骨 DR圖像缺少臨床診斷所需的三維空間信息的問題，研究一種基于雙平面DR圖像2D-3D仿射配準的姿態(tài)估計方法。在完成股骨特征輪廓提取的基礎上，利用點集配準算法獲得正、側位股骨 DR圖像特征輪廓與通用股骨模型投影輪廓之間的二維配準參數；利用相機標定法所確定的二維平面與三維空間的變換關系，獲得三維變換矩陣，并作用到股骨