髋关节医学影像分析软件的开发

单位代码 学 号 39102112 1分类号 1毕业设计(论文)髋关节医学影像分析软件的开发 院（系）名称 生物与医学工程学院 专业名称生物医学工程 学生姓名王泽宇 指导教师蒲 放2014年 5 月 25 日论文封面书脊髋关节医学影像分析软件的开发王泽宇北京航空航天大学北京航空航天大学本科毕业设计（论文）任务书、毕业设计（论文）题目： 髋关节医学影像分析软件的开发 、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：原始资料：髋关节影像数据、VS开发工具、髋关节测量的相关文档 设计要求：实现一个集影像数据读取、图像交互分割、三维重建、特征参数测量、髋关节植入物选型等多种功能于一体、操作简便的髋关节测量分析系统。 、毕业设计（论文）工作内容：（1）对髋关节的设计、评价相关文献进行查阅、分析 （2）实现基于CT图像的髋关节三维重建与可视化 （3）建立髋关节几何特征参数的测量方法 （4）建立髋关节个性化选型的方法 （5）完成软件的编写与调试，并测试软件有效性及稳定性 （6）完成软件著作权和毕业论文的撰写 、主要参考资料：1 Yongtae Jun, Kuiwoon Choi .Design of patient-specific hip implants based on the 3D geometry of the human femurJ. Advances in Engineering Software, 2010(41):537-547. 2B. Sagbas, M.N. Durakbasa, M. Sagbas, A. Koyun.Measurement and theoretical determination of frictional temperature rise between sliding surfaces of artificial hip jointsEB/OL.Measurement ,2013(13):00641-6. 3 Timothy M. Barker, William J. Donnelly. Automated image analysis technique for measurement of femoral component subsidence in total hip joint replacementJ. Medical Engineering & Physics, 2003(25):91-97 4 Vaibhav Bagaria, Shirish Deshpande, et al. Radiographic study of the hip joint to determine anthropometric parameters for Indian populationJ. European Journal of Radiology, 2012(81):312-316. 生物与医学工程 院（系） 生物医学工程 专业类 101012 班学生 王泽宇 毕业设计（论文）时间： 自 2014 年 3月 3日至 2014年 6 月 15 日答辩时间： 年 月 日 成绩 指导教师： 兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）： 教研室主任 本人声明我声明，本论文及其研究工作是由本人在导师指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。作者：王泽宇签字：时间：2014年5月 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第1页髋关节医学影像分析软件的开发 学生：王泽宇 指导老师：蒲放摘 要全髋关节置换术(THR)是一种以髋关节植入物取代病变髋关节的外科手术。由于每个人的髋关节的大小和形状差异很大,而植入物与髋关节的匹配程度对手术效果影响很大，所以为病人选择合适的植入物至关重要。我们开发了一套髋关节医学影像分析软件，来辅助植入物选型。基于需求分析，软件分为图像读入与显示模块、图像预处理模块、图像分割模块、三维重建及交互模块、特征参数测量模块、假体模板模拟装配模块以及Leap Motion体感交互模块七个模块，并对各模块设计依据，主要功能，实现方法以及操作方法进行了详细的描述。开发完成的软件以通用的DICOM格式医学影像为研究对象，对采集和筛选出的髋关节影像信息，利用VTK函数库进行三维重建，构建髋关节模型，来研究髋关节特性。软件通过标定股骨体轴、股骨颈轴与股骨头拟合圆心三个特征线或点，以及测量股骨头半径、股骨头偏移距离、股骨颈偏移角、股股骨体髓腔内径等特征值，来描述髋关节的特征。同时，软件还支持将髋关节植入物外形以模板形式导入，通过交互，可在平面图像中模拟植入物与股骨装配的过程，并可直观的观察装配效果，从而进行髋关节植入物的选型。考虑到用户不方便使用鼠标的情况，基于体感控制的交互模式也被引入系统中。完成该软件系统的开发以后，本文从软件的有效性、稳定性两个方面进行了验证。结果表明本软件可以基本完成开发目标，并能保证一定的准确性。关键词：髋关节，三维重建， VTK， 特征值测量，植入物选型The Development of Hip Joint Medical Image Analysis Software Author: Wang Ze Yu Tutor: Pu Fang AbstractTotal hip replacement (THR) is a surgical procedure that replaces a diseased hip joint with implants. Because the size and shapes of hip joint vary from person to person, and whether or not that the hip implant fits well to the patient makes a great influence on the surgery effect, it is crucial to get the patient a best-fit implant. To assist the hip implant model selection, we develop a software system that will analysis the medical images of hip joint.Based on the demand analysis, the whole software system is divided into seven modules, includes image reading and displaying module, image preprocessing module, image segmentation module, 3D reconstruction and interaction module, characteristic parameter measurement module, implant template assembly simulation module and the Leap Motion somatosensory interaction module. It is detailed in this paper that the design consideration, the main function, the implement method and the operational approach of all these modules.In order to research the characteristic of the hip joint, the developed software read a series of medical images of generic DICOM format as the research object, and then makes a 3D reconstruction hip joint model with VTK(visualization toolkit) function library, using the collected and screened hip image information. The software can describe the characteristic with the identifying of the anatomical femoral axis, the anatomical neck axis and the femoral head center, also with the measurement of the femoral head radius, the femoral head offset length, the neck shaft angle and the femoral canal width. In addition, some hip implant templates can be input into the system to stimulate the procedure of the assembly of the hip implant and the femur model interactively on a horizontal plane. The hip implant model selection will be made through observation of the assembly effect more intuitively. Considering the situation that the user is not convenient to use a mouse, interaction patterns based on the body feeling control are introduced in the system.At the end of this paper, we get the software verified from two aspects, the effectiveness and the stability. As a result, the can basically complete the development targets, and the accuracy of the software can also be guaranteed. Key words: hip joint, 3D reconstruction, VTK, Characteristic parameters measurement，hip implant model selection摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1项目背景11.2 国内外研究现状21.3课题研究目的41.4 课题研究内容42 髋关节医学影像分析软件的需求分析及功能设计62.1.软件的需求分析62.1.1.需求分析总体思路62.1.2.髋关节医学影像分析软件的需求描述62.1.3.软件的功能需求分析72.1.4.软件的性能需求分析72.1.5.软件的可靠性需求分析82.1.6.软件的界面需求分析82.1.7.软件的交互模式需求分析82.2.软件的配置82.2.1.软件开发平台82.2.2.软件开发语言102.3.软件的功能描述102.4.软件的功能模块划分及设计112.4.1图像读入显示模块的设计122.4.2图像预处理模块的设计122.4.3图像分割模块的设计122.4.4三维重建及交互模块的设计132.4.5特征参数测量模块的设计142.4.6假体模板模拟装配模块162.4.7 Leap Motion体感交互模块162.5.本章小结163 髋关节医学影像分析软件的各模块关键算法设计及功能实现173.1 软件主界面设计173.1 软件图像读入与显示模块的实现183.2 图像预处理模块的实现203.3 图像分割模块的实现203.4 三维重建及交互模块的实现213.5 图像测量模块的实现与操作说明213.6假体模板模拟装配模块的实现与操作说明253.7 Leap Motion体感交互模块的实现与操作说明264 髋关节医学影像分析软件的系统验证2741软件系统的有效性验证2742软件系统的稳定性验证34结论与展望36致谢38参考文献39 北京航空航天大学毕业设计(论文) 第41页1 绪论1.1项目背景髋关节是人体最大的关节，由股骨头与髋臼相对构成，属于杵臼关节，上部股骨(大腿骨)在杯型的骨腔内的移动，该关节结构允许腿骨在其运动范围内自由行动并且还有支持上身和吸收运动的冲击的作用。如果髋关节受到关节炎、骨折或任何其他严重的异常情况,日常活动可能要忍受严重的痛苦,甚至是不可能进行正常的生活，据了解，关节炎导致的关节受损已成为世界范围内残疾的主要成因1。在这种情况下全髋关节置换术(THR)可能被应用到病人身上，该手术通过切除股骨头和髋臼表面，植入人造髋关节替换损坏和磨损髋关节部件以恢复其整体功能。全髋关节置换术的目的是以较低的成本使用髋关节植入物代替或部分代替人体受损髋关节成功实现完整功能。20世纪初期，该手术的雏形已经出现，直至20世纪60年代Charnley2提出了一系列低磨损成功完成髋关节置换的病例，全髋关节手术才趋于完善。髋关节植入物类型较多，一般一个髋关节植入物包含三个部分：股骨柄、球状股骨头和杯型槽如（图1.b）所示。股骨柄插入股骨髓腔并与股骨内膜表面贴合。杯型槽替换磨损的在髋部的髋臼,植入的球头(球)插入到嵌入髋臼壳的杯型槽中。(a) 正常髋关节的骨骼包含一个股骨头和 (b)人造的杯型槽嵌入在骨盆骨并且股 关节窝 骨柄插入股骨管。图1 自然髋关节与植入物的构成目前，一个整形外科医生在准备关节置换术过程中,需要从当前可用的各种类型的商业髋关节植入物中仔细地选择一个植入，并需要借助几个骨盆和股骨前后二维x射线图像的比对，而这一过程缺乏三维环境下的精度，并不能很好的与患者三维几何结构特征相匹配，同时研究表明对于不同种族背景和地理位置的患者，其髋关节的解剖学结构存在差异3，选择的植入物如果不能很好到的与股骨匹配，可能导致关节活动范围减少，发生干扰、错位或过早的失效。非自然的应力分布导致的长期使用后假体组件松弛加上植入物和髋臼表面脱离是全髋关节置换术失效的首要两个原因，而这都是由于不匹配的装配导致的 4。关节最终植入的不稳定性增加,导致可能会短时间内必需进行修正手术,而修正手术意味着更多的花费，额外的时间，甚至可能需要新的医生重新诊断治疗。因此,适当的植入组件的几何形状对保证病人的髋关节长期稳定至关重要。选择一套符合患者髋关节个性化参数的植入物是一种很好的解决以上问题的方法。通过一套计算机辅助系统，提取个人髋关节典型的几何特征数据，并以此为基础选择最大程度适应不同大小和形状的身体特征的髋关节植入物，并为医生临床手术提供必要的骨骼数据支撑。通过此方法选择的病人髋关节植入物通常与各个病人股骨的形状和大小最大程度配合安装，基于医学图像获取的骨骼参数将在后续手术过程中帮助医生定量确定骨切割以及假体植入位置，角度等。而在此之前几乎全凭医生观察估计并结合自身经验确定的参数，并且通过此方法，预期将取得更好的稳定性和减少应力集中的效果5。近年来，随着医学成像技术的发展。CT与MRI被广泛地应用于分析髋关节形态。由于这些医学图像多属于二维图像，这不利于医生直观、形象、多视角对患者的髋关节形态进行准确的全方位的分析。而对医学图像序列进行三维重建之后，生成相应可供计算的模型，能立体、多角度地展现髋关节的形态及其与相邻结构的解剖关系，更可以在此基础上进行准确测量，从而为矿关节的设计选型提供依据。此次毕业设计研究的目的即是开发一套髋关节医学影像分析软件，该软件通过导入一系列医学影像重建三维模型，通过用户操作，从三维骨模型中提取髋骨的几何参数，并辅助用户对髋关节植入物选型。1.2 国内外研究现状在过去的几十年中，髋关节植入物得到了相当的关注，并促使其不断地完善，现在其使用周期已经大大延长。M. Viceconti等人在上世纪90年代即设计了髋关节的模拟器，探究髋关节处的生物力学效应，尤其是磨损对髋关节的影响6。Michel Lequesne等人提出了一种基于标准或衰减的射线照片，测量足踝髋关节间隙的关节动度计，并可实现自动测量各种先天畸形病例的各项因素，不需要医生自己在图片上画线测量7。Vaibhav Bagaria等人测量了422张髋关节影像图片上的211人(141男性和70女性)具有正常和健康的髋关节的横向偏移,垂直偏移量和颈部轴角，并得出了印度人与西方人的髋关节数据有较大差异，不适合直接使用进口的髋关节植入物3。Timothy M. Barker等人提出了一种自动图像分析技术,对全髋关节置换手术中股骨假体在股骨髓腔中下沉的情况进行定量描述8。Chang等人基于CT数据提出了一种通过增加远端骨茎长度来增加装配配合程度的方法9探索个性化设计髋关节植入物的方法。在这一时期计算机断层扫描技术(CT)越来越多的用在研究股骨解剖结构分析的各个方面。然而,大多数以前的研究通过传统二维射线照评估植入物的设计，无法获得可靠的三维几何特征参数，而髋关节置换手术往往是在三维环境下进行的。因为紧密的几何配合关系对生理荷载传递和稳定性至关重要，已经有一些设计一个病人个性化的髋关节植入物的尝试。通常一个病人个性化的植入物可以使得股骨柄与股骨髓腔接触面积较大，达到紧密的几何配合关系。实验和临床研究表明一个精确的横断面配合对实现稳定和良好的负载转移的重要性10。Anderson11等人最早尝试以CT数据为输入搭建一个个性化设计的计算机辅助设计系统.Gotzea 等人12提出开发定制的植入物来解决这一问题，但他们遇到了股骨髓腔的形状和传统的股骨柄的几何解剖结构之间的不匹配的问题。Gottschling等人13提出了在手术中规划股骨近端截断方案的系统。基于两个荧光镜在期间拍摄的图像得到原始的股骨重建模型,然后允许用户在一个领航系统的帮助下完成交互式确定截骨术参数和干预截骨过程。Yongtae Jun等人14开发了一个可采集股骨与髋关节三维几何数据，并以此设计病人个性化髋关节植入物的系统。该系统可帮助医生实现术前规划和模拟植入，并制作可修改的植入物模型，该系统以股骨柄与股骨髓腔接触面积为主要标准优化植入物设计直至植入物满足设计要求，然而优化设计并没有完全实现自动处理，而自动设计将大幅提高定制效率。基于以上分析可以得出，针对病人个体个性化定制髋关节植入物必将是之后的研究主要方向，然而就目前的情况而言，由于无法大规模标准化生产，在商业上定制人工髋关节植入物的时间和经济成本是巨大的。考虑到个性化植入的效率与费用，普通病人还无法承受，为其挑选最合适的商业髋关节植入物，并提高植入手术过程中的精度将是普通人可以接受的选择。目前，国内髋关节植入物选型与设计依然凭借医生的经验，计算机辅助选型与设计并没有得到广泛应用。开发一套适用于中国市场，针对中国人体特征参数的的髋关节医学影像分析软件，提取特征参数辅助医生设计髋关节置换手术，辅助医生对髋关节植入物选型，或对手术效果进行评价，并为开发髋关节植入物个性化设计软件奠定基础是此次研究的主要目标。1.3课题研究目的根据研究背景与研究现状，面对人工髋关节置换越来越精准化、定量化，个性化的发展趋势，本课题主要研究目是以国内外已有的研究成果，和本课题组已开展的相关研究为基础，开发一套髋关节医学影像分析软件，基于一系列医学影像实现髋关节三维重建，辅助用户提取几何特征参数，并在现有商业髋关节植入物中选出最适合病人使用的人工髋关节型号，辅助医生进行术前规划与术后评价。软件面向用户设计，方便医生操作。1.4 课题研究内容本课题研究内容主要包括：1.系统需求分析通过调研描述髋关节测量以及髋关节置换术的文献，与临床医生讨论，了解一些相关建模分析软件，程序编写工具的配置以及现阶段所具有的医疗设备水平，建立软件的需求分析。 需求分析包括分析软件实现功能需求、软件的开发语言以及开发平台需求、交互界面与交互方式需求、软件可靠性需求等方面。2.软件的功能模块划分与各模块的关键算法研究由需求分析出发确定软件所应具有的功能，并根据软件所需实现的功能将软件分割为不同的模块，分别通过查阅资料，参考成熟算法等方式研究各模块关键算法，确保功能反应速度快准确无误。3.软件的实现将以上所有的算法利用选定的编程语言，在选定的平台上编制成程序模块，并最终整合成为完整的软件。在程序编写过程中，充分考虑用户交互界面尽量做到简便易操作，美观简洁。 4.软件的测试根据软件工程原理，测试软件中的各项功能，找到软件中存在的漏洞，完善各项功能（界面、数据结构、可靠性等）。通过实际读入髋关节医学影像进建模，测量，选型，测试软件功能，从有效性、稳定性两个方面对该软件系统进行验证。2 髋关节医学影像分析软件的需求分析及功能设计2.1. 软件的需求分析需求分析是指充分调研并了解用户希望解决的问题，希望达到的效果，并以此为依据确定软件设计的标准使其能够满足客户要求，最终制定整个开发计划的过程。软件开发的成功要素一定程度上在于能否全面进行需求分析，他具有决策性,方向性,策略性的作用,在软件开发的过程中具有举足轻重的地位。需求分析如果制定的不够明确，整体系统开发进程则会遭遇极大的阻碍甚至被迫中断，所以充分并且全面的需求分析对软件开发来说是十分必要的。2.1.1. 需求分析总体思路2.1.1.1. 需求分析的目标需求分析的目标是通过与目标用户进行深入的交流，明确软件系统的目的、范围、定义和功能等，为后续的软件编制提供指导。2.1.1.2. 需求分析的内容软件系统的需求多种多样，一般来说需求分析的内容主要包括：功能性需求，其规定了软件系统必需能够执行的职能，这是最主要的需求；非功能性需求，其仅仅说明系统及其环境的属性，包括接口需求，可用性，可靠性，性能，安全等多个方面；设计需求，它规定或约束了系统的设计。2.1.2. 髋关节医学影像分析软件的需求描述本文开发的髋关节医学影像分析软件的目标用户主要为外科临床医师。由于现阶段相关技术和习惯的限制，临床医师进行髋关节置换术时仍然很大程度上依赖于个人经验，从现有商业髋关节假体中选择与患者匹配程度最高的型号移植，而研究表明假体与人体的匹配装配程度很大程度上影响手术效果，决定了假体的失效时间，以及各类并发症的出现情况。本软件系统就是为了能够基于已经成为常规检查的医学影像技术，通过分析医学影像定量地分析人体髋关节，通过提取髋关节特征参数，辅助外科医生进行术前分析，以及对植入物选型，并为术后评价，经验总结提供必要的数据支撑，帮助医生最终完善手术方法。2.1.3. 软件的功能需求分析通过查阅髋关节置换的相关文献以及与临床医师进行深入的交流，本软件的功能需求分析是基于以下理由。为了获取患者个性化的髋关节信息，调查通用髋关节解剖数据意义不大，采用已广泛使用的医学影像技术实现在体研究，该方法已成为现代医学诊断必不可少的检测方法。以DICOM格式存储的髋关节医学图像成为本软件系统分析研究的对象。髋关节置换手术是在三维条件下的，医学影像图像无论CT还是MRI等，由于其扫描角度所限，图像单独某一层图像往往无法包含所需全部信息，无法体现很多髋关节三维环境下的细节，通过三维重建，将二维图像转换为三维模型可以克服二维条件下影像分析不够直观，测量数据缺乏三维精度，同时通过对三维模型的缩放，旋转等操作使医生能够更细致的观察患者髋关节结构，这是二维条件下无法达到的。定量分析无论对术前手术规划还是对术后评价，手术经验总结都至关重要，通过定量分析可以尽量减小医生主观感觉的误差，减少不匹配装配发生的几率，帮助医生建立科学的术后评价体系，此外通过定量地总结手术过程经验，还可以得出最佳可定量描述的手术方法，以便进行推广。基于成本和效率考虑，采用通用的商业髋关节植入假体依然是髋关节置换术的主流，需要软件具备借助计算机辅助选型的功能，这样的选型方式更直观，更准确，效率更高。由此本软件系统的应具有的核心功能可以描述为以下几个方面：1、 用户可以通过本软件导入人体髋关节医学图像，并以此基础重建髋关节三维模型。2、 用户可以通过本软件借助重建的髋关节三维模型对髋关节特征参数进行测量，并将测量结果记录保存，具体需测量的量以及测量方式将在后面功能设计中描述。3、 用户可以将现有各型号商业髋关节假体制作成模板，导入系统中，通过模拟植入物与上端股骨装配，观察其匹配程度，确定最适合的髋关节型号。2.1.4. 软件的性能需求分析考虑到医生使用该软件系统对髋关节分析的效率，本软件系统的运行时间应能满足临床医师的应用需求。为实现上述目标，在软件开发的过程中，在保证系统功能可靠的同时，尽量降低程序的时间复杂度以及空间复杂度以减少系统的运行时间，也需充分考虑运行环境的硬件配置对于时间的影响，尽量对系统以及算法进行优化，同时应提高系统操作的直观简便程度，缩短用户的操作时间。2.1.5. 软件的可靠性需求分析由于软件需要对特征参数进行测量，测量值应该真实，准确。本软件系统的开发过程中涉及到的开发平台与类库应选择主流产品，以保证系统的稳定性与高质量；同时应通过严格系统测试手段，将系统问题降到最低，使系统出现故障的概率小于0.1%，并且需要充分考虑软硬件的容错能力，使得所开发的软件系统运行稳定。2.1.6. 软件的界面需求分析在保证软件功能不受影响的前提下，软件界面应尽量做到友好、美观、操作简便。通过分析现有的主流的建模分析软件（如ANSYS、Mimics、Abaqus等）界面，得出设计由菜单栏、左侧对话框式工具栏、右下角状态栏、四个视图显示区组成的界面结构可以符合用户的操作习惯。2.1.7. 软件的交互模式需求分析现有的大多数软件都是客户通过鼠标与之实现交互的，然而某些特殊情况下诸如手术进行过程中，客户如需使用软件查看髋关节信息，就并不适合使用鼠标来交互。现在体感控制设备在不断发展完善之中，通过体感控制设备与软件实现交互可以提高系统的特殊情况下的适应能力。2.2. 软件的配置基于上述对软件系统的需求分析，通过调研髋关节测量与影像分析的文献、了解一些相关软件，根据数据处理所需的空间、时间，程序编写工具的特点，现阶段所具有的医疗设备水平以及客户的使用习惯，选择合适的运行环境和编写工具。2.2.1. 软件开发平台微软的Windows的操作系统是目前应用程度最广泛的系统，本软件应在Windows系统下运行，所以选择的开发平台为Microsoft公司的VS2010。Visual Studio是目前最流行的Windows平台应用程序的集成开发环境。其中VS2010相较于之前的几个版本，搭配Windows7操作系统使用，操作更加方便快捷，更加人性化和高效率，所以应用比较广泛，稳定性也有相当保障。由于程序开发过程中需在指定界面内的搭建以及模型的显示与交互，本文选用了微软基础类库MFC与三维可视化工具包VTK两个类库以及Leap Motion体感交互设备。MFC(Microsoft Foundation Classes)类库，主要用于本软件中界面框架的搭建，同时该类库封装了大量的Windows类，使得开发环境较为简洁，只需专注于用户涉及的功能的实现即可，节省了软件开发人员的时间。MFC功能强大，提供多种用于Windows应用程序开发的类，在本软件的开发过程中，用到的比较重要的类为CMainFrame类、CWnd类、CView类、CDialog类。CMainFrame类用于本程序中界面主框架的搭建，包括菜单栏、左侧对话框式工具栏、状态栏等。CWnd类是窗口类。本程序中所有屏幕上的对象，如对话框、工具栏、状态栏、子控件、图标、菜单等都与窗口有关，都是基于此类实现。CView类是用户的主要操作界面。本软件系统中四视图显示区正是基于此类，当视图区发生改变时，如大小、位置、鼠标点击等，程序将会使窗口显示图像发生重绘。CDialog类是对话框基类。本程序中在执行许多命令时，如阈值绘制、测量等，会调用此类生成相应对话框，用户进行相关操作可实现软件各项功能。VTK（visualization toolkit）具有强大的三维图形功能，既支持基于体素的体绘制，又保留了传统的面绘制，从而在极大的改善可视化效果的同时又可以充分利用现有的图形库和图形硬件，同时具有非常好的流和高速缓存的能力，在处理大量的数据时不必考虑内存资源的限制，并且对Windows平台有非常好的支持，非常适合应于本软件的开发。并且它是一个开放源码、自由获取的图形应用函式库，全世界的数以千计的研究人员和开发人员用它来进行3D计算机图形，图像处理，可视化。本系统所使用的VTK的版本为VTK5.8.0。VTK（visualization toolkit）主要用于本软件中髋关节三维重建，以及实现用户对模型的交互功能，比如控制模型的平移、旋转、放缩，剖切显示等操作。Leap Motion（如图2）是Leap公司新推出的感应设备，它能通过绑定视野范围内的手，手指或者工具来提供实时数据。每一帧都包含了一系列的基本绑定数据（包括手掌、手指坐标，方向，运动趋势等），也能实时的识别场景中的手势比如旋转和点击等。由于Leap Motion捕捉的精度很高，我们可以利用手势来控制髋关节的三维模型，配合视觉化工具函式库的三维图形功能作出包括缩放、旋转、平移，截取平面等交互操作。Leap Motion设备可通过调用官方发布的软件开发工具包（SDK）内应内容设计相应功能。图2 Leap Motion 体感控制器2.2.2. 软件开发语言C+是一种使用非常广泛的开发语言，其突出的特点为面向对象的程序设计，同时具有封装、继承等特性，使得软件开发的过程更加简洁、安全，可以很好的配合MFC、VTK、Leap Motion的开发，因此选用C+作为软件的开发语言。2.3. 软件的功能描述综合需求分析的内容，本软件的功能可描述为首先读入格式为DICOM的髋关节的序列医学图像数据，提取DICOM格式中包含的病历及图像信息，储存备查，在三视图（水平面、矢状面、冠状面）显示平面图像。然后对图像进行去噪，去除图像中可能出现的噪声。随后通过手动阈值分割、三维重建生成髋关节三维模型，通过鼠标或体感设备可对模型进行平移、旋转、放缩等操作。通过对三维模型的剖切和平面投影操作，得到三维模型某一角度的平面视图，在平面视图窗口中对髋关节典型参数进行测量，并可将测量结果以TXT文档形式保存，将商业髋关节假体模板导入以人体髋关节平面投影或剖切面为背景的水平视图窗口中，通过鼠标与对话框按键调整位置，模拟装配过程，结合测量的髋关节特征参数与髋关节植入物设计参数，可以确定最适合的假体型号，实现选型功能。外科医生可根据测量结果定量的完成术前规划与术后评价。软件的功能流程图如图3所示。图3 软件的功能实现流程图2.4. 软件的功能模块划分及设计根据软件所需实现的功能，本软件可分为图像读入显示模块、图像预处理模块、图像分割模块、三维重建及交互模块、特征参数测量模块、假体模板模拟装配模块以及Leap Motion体感交互模块七个部分。下面将详细叙述个模块设计的出发点。2.4.1图像读入显示模块的设计软件分析的对象髋关节医学影像格式多为DICOM格式，其具有复杂的信息，以及特殊的数据排布方式，直接对其操作是非常艰难的，需要提取其中的信息方便后续操作。在提取信息过程中可以获得患者的或医院的信息这些信息可以作为图像的标识，被记录下来，供医生查看。原始图像仅包含人体水平断层内的信息，读入图像信息后，用户会乐于更方便快捷地从不同视角正视或侧视观察不同角度断层图像的显示，本模块设计如下：图像读入显示模块中，实现将一系列CT髋关节DICOM断层图像的导入，并能够分析DICOM数据包含的信息，获取病人姓名、年龄、性别，以及医院等信息，保存以上信息备查，获取图像分辨率等图像信息以对后续图像显示提供参数。分别在视图窗口显示读入的髋关节影像在水平面，矢状面，冠状面三个视图，并可通过控件调整所观察的断层的位置，调整图像的缩放比例，便于用户从三个不同的角度对病人的图像进行观察。2.4.2图像预处理模块的设计图像读入后，可能因为某些原因带有一些噪点，而这些噪点可能影响到后续图像分割，以及建模等环节，所以需要对有一定的降噪手段提高图像质量及信噪比。并且由于后续图像分割中选择手动阈值分割，在保证预处理不会使图像损失太多的情况下，对图像进行降噪处理即可满足使用要求。CT图像的噪声主要表现为高斯噪声（白噪声）和脉冲噪声。有三种去噪方法供选择：均值去噪、中值去噪，高斯去噪。中值滤波是一种对脉冲噪声有良好抑制作用的方法。均值去噪与中值去噪的基本原理是把数字图像中一点的值用该点的一个领域中各点值的均值或中值代换，其主要功能是让周围象素灰度值的差比较大的像素改取与周围的像素值接近的值,从而可以消除孤立的噪声点,所以中值滤波对于滤除图像的椒盐噪声非常有效。中值滤波器可以做到既去除噪声又能保护图像的边缘,从而获得较满意的复原效果。所谓高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布（即正态分布）的一类噪声。可以通过将图像与滤波器卷积达到去除高斯噪声的目的。2.4.3图像分割模块的设计图像分割模块中，考虑到髋关节医学影像中，往往包含手指骨、盆骨、髂骨，软组织等信息，通过现有通用的自动分割方法诸如边缘检测，阈值处理，区域生长等均不能在保证图像不丢失信息的情况下识别股骨区域图像，并且无法通用地应对几百个断层这样情况多样而复杂的局面。通过手动阈值绘制，手动地逐个断层地以MASK图层标记出需要三维重建的部分，虽然花费时间多于自动分割，但图像信息被最大程度保留了下来，考虑到目标用户是具有专业背景的临床医生，通过人工识别对细节信息处理的准确性可以得到更好的保障。同时考虑到髋臼位置相对固定，在运动中也仅作为约束不参与运动，并且与股骨呈配合关系，髋关节分析可以通过分析上端股骨完成，并且在现有发表的关于髋关节假体结构外形设计的分析也多以分析上端股骨为主。2.4.4三维重建及交互模块的设计三维重建通过将三维物体的二维影像数据还原为三维模型，是后续对三维物体进行处理、操作和分析其性质的基础，是在计算机中建立表达客观世界的虚拟现实的关键技术，也是本课题的关键部分。在三维重建模块中我们使用VTK函数库，基于图像分割过程中标记的MASK实现三维重建，可对模型进行平移、旋转、缩放操作，以便客户更方便地观察髋关节三维模型几何结构特征。同时可使用VTK函数对模型进行可由用户选取截面的剖切，以观察其内部结构。同时可以拍摄三维模型在某一状态下的显示状态，并显示在平面视图窗口，以便进行后续特征参数测量以及模拟装配的操作。三维重建一般有面绘制与体绘制两种方式，然而由于面绘制的三维模型不包含内部信息，而体绘制方法反应时间较长，并且对计算机配置有一定要求，我们采用了一种基于体素的三维重建方法，该方法通过将MASK信息中分割出髋关节的节点与单元信息整理输出成.VTK文件，并利用VTK相关函数进行重建与显示。三维重建后通过VTK交互对象，可实现缩放，平移、旋转等交互方式。通过VTK自带的vtkImageReslice类，可实现平面剖切，在水平面显示剖切平面视图，然而通过vtkImageReslice剖切实质上是对整个图像形成的矩形的截取，显示的依然是平面断层图像，只是可由客户选定断层角度，所以依然会丢失部分三维信息。通过与三维模型交互，调整到合适角度，大小后，拍摄该时刻三维模型在模型显示视图内的显示图像，拍摄到的模型投影图像将被保存并显示在水平视图中。此种方法保留了髋关节的外部几何特征，但无法查看股骨内部信息，客户可将以上两种功能结合起来，以获得完整的髋关节几何特征。2.4.5特征参数测量模块的设计通过测量提取到的参数将作为标准值，判定选取的髋关节植入物是否在设计尺寸上满足要求，同时客户也可以利用测量的数据或自定义测量的数据，辅助自己进行术前规划，确定手术执行位置，假体安放位置等信息，同样当读入图像为术后采集的图像时，可通过重测数据，比较前后差异，对手术效果进行判断和总结。在图像测量模块，用户可以在拍摄的三维模型平面投影上或髋关节剖切平面上测量人工髋关节设计与移植中需要的一些参数值，平面投影与剖切显示的图像选取标准目前是基于客户主观经验确定的，其基本原则是更多的显示股骨细节，以生成图像的显示结果与图4中显示内容相似为最优。本软件提供的基本测量工具包括辅助线、辅助圆，长度测量，面积测量和角度测量五种。而在这些基本测量工具的基础上，用户可在软件中测量一些髋关节的特征参数。髋关节假体植入后首先应保证下肢与身体的相对位置与术前基本一致，最大程度的回复运动能力，经过调研相关研究资料及与临床医生探讨我们确定以下髋关节特征参数应在软件中得到测量。在介绍髋关节特征参数前需要介绍股骨解剖结构（如图4）在测量中我们将主要提到股骨体，股骨颈，股骨头等结构。图4 股骨解剖结构特征测量前需要先确定一些结构的特征轴线与圆心，方便后续测量，如图5。1. 股骨体轴线：过股骨体中心，确定股骨体方向。2. 股骨颈轴线：过股骨颈中心，确定股骨颈方向。 3. 股骨头圆心： 股骨头中心，确定股骨头位置。髋关节特征参数主要包括：4. 股骨头半径：股骨头拟合圆的半径，确定股骨头位置。5. 股骨头偏移距离或头颈长：股骨头拟合圆圆心到股骨体轴的距离或股骨头圆心到两轴线交点的距离，两值可相互计算，描述的特征相同。6. 股骨颈偏移角：股骨体轴与股骨颈轴的夹角，与上述股骨头偏移距离或头颈长一起确定股骨颈位置7. 股骨体髓腔内径：由于假体股骨柄需要插入并固定到股骨体髓腔内，股骨柄与髓腔牢固而不破坏股骨体的结构与受力情况的配合关系是非常必要。需要测定髓腔入口（宽口）与收口（窄口）内径以校核假体股骨柄直径， 各标定轴线与测量量如图5中所示。此外客户还可以自定义测量量，并用软件测量工具测量。所有测量结果在测量结束后可以TXT文档格式输出并保存。图5 髋关节特征参数示意图2.4.6假体模板模拟装配模块 在模拟装配模块中，最好的效果当然是完全模拟手术过程，在三维空间对髋关节植入物选型，但通过和临床医生交流，从医生诊断习惯以及现有技术水平考虑，选择了在水平面内模拟装配过程。通过髋关节特征参数可以辅助选定髋关节植入物型号，但还不够直观。