基于CDH和CT數(shù)據(jù)集的四肢數(shù)字化與臨床初步應(yīng)用研究.pdf

1、研究背景： 數(shù)字人研究是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)等學(xué)科相互結(jié)合的前沿性交叉項(xiàng)目，對(duì)科技發(fā)展有著深遠(yuǎn)意義。圖像是生物醫(yī)學(xué)知識(shí)的重要組成部分，圖像為理解生物結(jié)構(gòu)和機(jī)能提供便利，是醫(yī)學(xué)教育、研究和保健的重要組成部分。新的計(jì)算機(jī)技術(shù)可以利用動(dòng)態(tài)三維圖像對(duì)傳統(tǒng)二維醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行補(bǔ)充。數(shù)字人研究在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有多方面的用途。用連續(xù)斷層圖像進(jìn)行三維重建，可以精確地顯示生物組織復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，并可進(jìn)行任意旋轉(zhuǎn)、剖切等觀察和操作；可以對(duì)重建的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)

2、行測(cè)量，獲得長(zhǎng)度、面積、體積和角度等大量精確的解剖參數(shù)；可以用于臨床輔助診斷、輔助手術(shù)設(shè)計(jì)和手術(shù)模擬等方面。 中國(guó)數(shù)字人(ChineseDigitalHuman，CDH)數(shù)據(jù)集的分辨率為層厚0.2mm及水平像素0.1mm，其包含海量的醫(yī)學(xué)信息量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何最先進(jìn)的影像設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)。在初步的人體數(shù)據(jù)集資料的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多個(gè)高校與科技單位組建了專(zhuān)門(mén)的研究機(jī)構(gòu)，開(kāi)展了這方面的研究。 然而，目前基于中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集的

3、研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于基于螺旋CT掃描數(shù)據(jù)集的研究。制約基于中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集應(yīng)用的主要原因是目前缺乏一整套針對(duì)中國(guó)數(shù)字人特點(diǎn)的高效且便于推廣使用的后繼圖像處理方法。在獲取中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集的過(guò)程中，由于多種原因?qū)е孪鄼C(jī)相對(duì)于斷層切面的微小平移和旋轉(zhuǎn)而引起每一斷層圖像的射影參數(shù)不一，從而導(dǎo)致圖像的射影失真，需要復(fù)雜的圖像配準(zhǔn)。同時(shí)圖像分割是由圖像處理到圖像分析的主要問(wèn)題，也是一個(gè)經(jīng)典性的難題，并且目前沒(méi)有一種通用的彩色圖像分割方法可應(yīng)用于中國(guó)數(shù)字人斷

4、層圖像的分割。數(shù)字圖像是經(jīng)過(guò)等距離矩形網(wǎng)格采樣對(duì)幅度進(jìn)行等間隔量化的二維數(shù)組，灰度圖像由一組二維數(shù)組組成，傳統(tǒng)的CT三維重建技術(shù)多基于一維矩陣。而中國(guó)數(shù)字人圖像為彩色圖像是RGB的三維矩陣，傳統(tǒng)的三維重建技術(shù)并不適合中國(guó)數(shù)字人斷層圖像的三維重建。數(shù)字解剖學(xué)以及數(shù)字骨科學(xué)等研究將來(lái)必須立足于普及應(yīng)用，如何將研究結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且在個(gè)人終端上顯示操作也是所要解決的重要問(wèn)題。所以目前基于數(shù)字人數(shù)據(jù)集的研究多數(shù)尚屬于探索性質(zhì)，數(shù)字人的后續(xù)研

5、究，包括圖像配準(zhǔn)技術(shù)、分割技術(shù)、三維重建技術(shù)、數(shù)據(jù)共享技術(shù)及臨床應(yīng)用方面尚有許多難點(diǎn)需要深入研究。 個(gè)性化、精確化、微創(chuàng)化與遠(yuǎn)程化一直是外科醫(yī)生所追求的目標(biāo)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助外科手術(shù)成為一種可能。國(guó)內(nèi)外計(jì)算機(jī)輔助外科的研究方興未艾?；贑DH和CT數(shù)據(jù)的骨關(guān)節(jié)三維建模及臨床應(yīng)用研究，在醫(yī)學(xué)教育方面，應(yīng)用數(shù)字化虛擬技術(shù)的模型，可以反復(fù)練習(xí)，三維瀏覽；在手術(shù)模擬方面，應(yīng)用個(gè)性化的精確三維模型，可以在術(shù)前

6、提供更完善的手術(shù)設(shè)計(jì)。雖然計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)規(guī)劃可以使外科手術(shù)更加容易和精確，但是目前仍存在許多限制虛擬手術(shù)在臨床應(yīng)用的問(wèn)題。 研究目的： 建立一套適合于中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集的后繼圖像處理方法，包括使用Photoshop和Matlab軟件，基于標(biāo)記點(diǎn)自動(dòng)配準(zhǔn)中國(guó)數(shù)字人連續(xù)斷層圖像的方法和對(duì)中國(guó)數(shù)字人彩色圖像的局部聚類(lèi)分割方法。建立中國(guó)數(shù)字人四肢三維模型，使用VRML語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)中國(guó)數(shù)字人四肢三維解剖模型的虛擬瀏覽和基于志愿者CT數(shù)據(jù)

7、的三維髖臼骨折分類(lèi)的虛擬瀏覽?；谂R床真實(shí)的踝關(guān)節(jié)骨折CT數(shù)據(jù)，進(jìn)行虛擬手術(shù)方法的探索，評(píng)估虛擬手術(shù)的優(yōu)勢(shì)和不足。 方法： 1.CDH數(shù)據(jù)集圖像配準(zhǔn)。中國(guó)數(shù)字人標(biāo)本在包埋時(shí)加入了四根定位桿，在整個(gè)冰凍標(biāo)本內(nèi)呈直線狀態(tài)，且均與標(biāo)本垂直軸平行。四個(gè)定位桿在每一斷層切面上的相對(duì)空間位置是固定不變的，由于照相機(jī)與斷層切面相對(duì)位置的改變，導(dǎo)致圖像產(chǎn)生射影失真，從而使得在每一斷層圖像上四個(gè)定位桿的相對(duì)空間位置發(fā)生改變。首先在Phot

8、oshop中處理原始斷層圖像，獲取每一層的四個(gè)定位桿圖像，在Matlab中計(jì)算四個(gè)定位桿圖像的質(zhì)心坐標(biāo)值作為定位桿坐標(biāo)值，取所有斷層圖像定位桿坐標(biāo)值的平均值為基準(zhǔn)坐標(biāo)。其次依據(jù)每一層定位桿的坐標(biāo)值確定二維射影變換參數(shù)，對(duì)斷層圖像進(jìn)行射影變換，消除其射影失真。糾正失真后的斷層圖像再在photoshop中處理，獲取其四個(gè)定位桿中第一個(gè)定位桿圖像，同樣在Matlab中計(jì)算其坐標(biāo)值，基于定位桿坐標(biāo)值將斷層圖像裁剪成大小一致的斷層圖像。

9、2.圖像分割。首先使用photoshop中knockout濾鏡，利用其強(qiáng)大蒙板功能，交互式摳出目標(biāo)區(qū)域。然后在matlab中使用形態(tài)學(xué)處理函數(shù)和邊緣檢測(cè)算子，精確提取了平滑的輪廓線。 3.使用mimics軟件四肢解剖結(jié)構(gòu)的三維重建。在mimics軟件中打開(kāi)要分割后的序列圖像，設(shè)定輸入位置參數(shù)(Firsttableposition，Slicedistance=2mm，Pixelsize=0.38mm)完成圖像輸入。分割圖像背景為黑

10、色(GreyValues=0)，因而設(shè)定最小閾值(thresholdvalue=1)，生成分割組織蒙板。然后設(shè)定像素參數(shù)(Numberofpixels=2)，交替進(jìn)行兩次形態(tài)學(xué)開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算，以消除邊緣細(xì)小的凸凹不平。設(shè)定優(yōu)化的重建質(zhì)量為最高(Quality=high)，對(duì)分割組織進(jìn)行三維重建。對(duì)重建的三維模型進(jìn)行平滑處理(Iteration=10，Smoothfactor=0.5)。 4.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)中國(guó)數(shù)字人四肢解剖

11、模型以及髖臼骨折分類(lèi)模型的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布與共享。首先將在mimics中重建的三維模型以虛擬現(xiàn)實(shí)建模語(yǔ)言(virtualrealitymodelinglanguage，VRML)的格式.wrl導(dǎo)出。其次編輯html網(wǎng)頁(yè)，為每個(gè)解剖結(jié)構(gòu)建一個(gè)主菜單，每個(gè)主菜單設(shè)立調(diào)整透明度(透明、恢復(fù)、隱藏和顯示)的子菜單。最后編輯vrml文件，基于javascript語(yǔ)言建立html與VRML的通迅，實(shí)現(xiàn)各解剖結(jié)構(gòu)不同透明度的任意組合顯示。 5.基于臨

12、床關(guān)節(jié)周?chē)钦刍颊叩谋覥T數(shù)據(jù)探索虛擬手術(shù)在臨床中的應(yīng)用流程及價(jià)值。首先在Mimics軟件中，交互式分割每一個(gè)骨塊，建立每一個(gè)骨折塊單獨(dú)的三維模型。然后在軟件中骨折塊虛擬復(fù)位，從骨科器械三維模型庫(kù)中選擇合適的內(nèi)固定鋼板和螺釘，模擬骨折固定。根據(jù)虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)手術(shù)方案，術(shù)后與真實(shí)的手術(shù)結(jié)果進(jìn)行比較，評(píng)估虛擬手術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。 結(jié)果： 獲得一套適合于中國(guó)數(shù)字人數(shù)據(jù)集特點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)、彩色圖像分割、三維重建以及基于VRML語(yǔ)言網(wǎng)絡(luò)發(fā)

13、布的方法。實(shí)現(xiàn)了中國(guó)數(shù)字人連續(xù)斷層圖像的自動(dòng)精確配準(zhǔn)。對(duì)中國(guó)數(shù)字人女一號(hào)下肢以及中國(guó)數(shù)字人男一號(hào)上肢骨骼肌肉完成了分割與分類(lèi)，獲取的輪廓線保留了精確的細(xì)節(jié)，定位準(zhǔn)確且比較平滑。建立了中國(guó)數(shù)字人女一號(hào)下肢以及男一號(hào)上肢骨骼肌肉精確的三維模型。 基于VRML語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)數(shù)字人四肢解剖結(jié)構(gòu)的虛擬瀏覽；根據(jù)髖臼骨折Letoumel-Judet分類(lèi)，將重建的志愿者髖部骨骼模型通過(guò)Mimics軟件的仿真模塊切割模擬每一種骨折類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)了

14、各種骨折類(lèi)型骨折的虛擬瀏覽。 探索了虛擬手術(shù)在骨折治療中一般流程及關(guān)鍵問(wèn)題，建立了部分骨科器械三維模型庫(kù)與正常骨骼三維模型庫(kù)。提出虛擬手術(shù)骨折塊復(fù)位的兩種方法。建立了骨科虛擬手術(shù)的流程，評(píng)估了虛擬手術(shù)在臨床中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)與不足。 結(jié)論： 使用photoshop和Matlab進(jìn)行連續(xù)斷層圖像配準(zhǔn)，具有配準(zhǔn)精度高，運(yùn)算量小，易于編程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。使用photoshop和matlab對(duì)中國(guó)數(shù)字人彩色圖像的分割實(shí)驗(yàn)表明這種半

15、自動(dòng)分割方法可以相對(duì)快速、準(zhǔn)確的分割中國(guó)數(shù)字人彩色圖像。數(shù)字人四肢骨骼肌肉模型的三維交互可視化可以準(zhǔn)確反映其解剖結(jié)構(gòu)及其空間毗鄰關(guān)系，同時(shí)為數(shù)字人三維可視化提供了一種精確快速的方法。 數(shù)字人四肢三維模型的虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽，為骨科手術(shù)的術(shù)前規(guī)劃提供三維解剖學(xué)基礎(chǔ)；骨折的虛擬現(xiàn)實(shí)瀏覽，提供骨科臨床中對(duì)骨折疾病的診斷與分析功能，臨床醫(yī)生在極短的時(shí)間內(nèi)可以對(duì)各類(lèi)骨折的發(fā)生狀況做出正確的診斷，并選擇合適的治療方法。同時(shí)也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享。