（机械工程专业论文）基于医学图像的膝关节前交叉韧带重建手术的仿真.pdf

摘要摘要膝关节镜手术是目前重建前交叉韧带的有效方式之一，但是由于关节镜的一些限制，例如与传统手术不一样的观察方式，较高手眼协调能力等，导致该手术操作难度大，培训困难，医生需要经过长时间的培训才能熟练掌握手术的操作。虚拟手术为膝关节镜手术提供了一种新型的手术训练方式，它不仅可以提高培训的效率，还能降低相关的培训费用。如何构建逼真的虚拟手术环境以及手术过程的模拟是虚拟手术开发的关键，本文采用三维重建的方法构建膝关节的三维模型并利用虚拟现实软件对手术过程进行模拟。主要对以下方面进行了研究：( 1 ) 构建虚拟手术环境。由于膝关节是人体最大且最复杂的关节之一，为了获得逼真的膝关节三维模型，对膝关节的c t 与m 砒图像进行三维重建。根据c t 图像层次分明的特点，采用阈值分割与区域生长对图像进行分割，提取股骨、胫骨以及髌骨等区域。由于m 对图像的各区域的区分不明显，但是半月板与前交叉韧带在图像序列中所占的张数较少，所以采用手动分割进行半月板与前交叉韧带的提取。将处理过后的图片导入m i m i c s 软件中进行三维重建，获得了逼真股骨、胫骨、髌骨、半月板、前交叉韧带的三维模型。( 2 ) 研究v t k 的开发流程，使用v t k 开发包进行面绘制系统的初步开发，完成c t 图像的读入，并根据设定的等值面值进行等值面的提取，实现了面绘制，为以后将三维重建与手术仿真相结合打下了基础( 3 ) 为了提高手术操作的真实性，细致研究了前交叉韧带重建手术中的每个过程，利用e o ns t u d i o 软件进行仿真手术的开发，实现了虚拟监视器与虚拟内窥功能。并提出了基于碰撞法线的夹取动作的实现方法，根据碰撞法线的个数与夹角判断夹取的状态，使得手术的操作更加接近真实。( 4 ) 设计了手术仿真系统，并在m f c 的单文档程序的基础上完成了系统界面的开发。为系统建立了与e o n 应用程序间的消息传递，实现了模型列表中模型显示、隐藏以及透明度的调节。利用a d o 技术连接a c c e s s 数据库以及网页控件，实现了知识网页的显示与搜索，方便用户浏览和搜索与手术相关的知识。关键词：虚拟手术；图像分割；前交叉韧带；三维重建；e o ns t u d i oa bs t r a c tn o 、砌a y s ，k n e ea r t h r o s c o p i cs u r g e r yi sau s e f u lw a yf o rr e c o n s t r u c t i n ga n t e n o rc m c i a t el i g a m e n t b u tt h e r ei ss o m ew e a k n e s si nt h i ss u r g e r y f o re x a m p l e ，t h eo p e r a t l o ns u r g e n ，i sd i f f i c u l ta n dt r a i n i n gh a r da n dd i f f e r e n to b s e r v a t i o nw a yw i t ht r a d i t i o n a ls u 唱e 拶a 1 1 d1 1 i g ha b i l i t yi ne y e h a n dc o o r d i n a t i o na n ds oo n s ot h a ti tw i l lc o s th o u s e m a nal o n gt i m et om a s t e rt h i ss u r g e r y v i r t u a ls u r g e r yp r o v i d e san e ww a yf o rk n e ea r t h r o s c o p l c仃a n n g i tc a i ln o to n l yi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h et r a i n i n g ，b u ta l s oc a nr e d u c et h ec o s to f订a j r 曲g h o wt oc o n 咖c tar e a l i s t i cv i r t u a ls u r g e r ye n v i r o n m e n ta n do p e r a t i o ns i m u l a t l o ni st h ek e vt od e v e l o p i n gv i r t u a ls u r g e r y i nt h i sp a p e r , c r e a t e3 dm o d e l so fk n e eb y3 dr e c o n s 仇l c t i o na i l ds i m u l a t et h eo p e r a t i o no fs u r g e r yb yu s i n gv i r t u a ls o f t w a r e t h i sa r t i c l em a i n l ys t u d i e si nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s f i r s t l y ，v i r t u a ls u r g e r ye n v i r o n m e n ti sc o n s t r u c t e d d u et ok n e ei st h el a r g e s ta n dm o s tc o m p l e xj o h a ti nh u m a nb o d y , 3 dr e c o n s t r u c t i o nb a s eo nc ta nm r ii m a g e si su s e dt og e tt h er e a l i s t i c3 dm o d e l so fk n e e a c c o r d i n gt ot h ed i s t i n c tc h a r a c t e r i s t i c so fc ti m a g e s ，n l r e s h 0 1 ds e g m e n t a t i o na n dr e g i o n a lg r o w t hi ss e l e c t e dt of i n i s ht h ee x t r a c t i o no ff e m u r 、t i b i aa n dp a t e l l a b e c a u s eo ft h eu n o b v i o u sd i s t i n c t i o no fe a c ha r e ai nm r ii m a g e s ，b u tt h en u m b e ro fi m a g e so fm e n i s c u sa n da n t e r i o rc r u c i a t el i g a m e n ti sl e s si nt h em r ii m a g es e c i u e n c e ，m 甜m a ls e g m e n t a t i o ni su s e dt oe x t r a c tm e n i s c u sa n da n t e r i o rc r u c i a t el i g a m e n t a r e rs e 舯e n t a t i o n ，i m p o r t i n gi m a g e si n t om i m i c ss o f t w a r et og e tt h e3 dm o d e l so ff e m u r 、t i b i a 、p a t e l l a 、m e n i s c u sa n da n t e r i o rc r u c i a t el i g a m e n t s e c o n d l y ，s t u d y i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fv i s u a l i z a t i o nt o o l k i ta n dd e v e l o p i n gas u r f k er e n d 耐n gs y s t e m t h i ss y s t e mc a nr e a dc ti m a g e ss e q u e n c ea n df i n i s hs u r t a u c er e n d e r i n ga c c o r d i n gt ot h ev a l u ew h i c hi ss e tb yu s e rt oe x t r a c ti s o s u r f a c e n l i r d l v i i lo r d e rt oi m p r o v et h ea u t h e n t i c i t yo fs i m u l a t i o ns u r g e r y , e a c hp r o c e s so fs u r g e r yo fa n t e r i o rc r u c i a t el i g a m e n tr e c o n s t r u c t i o ni ss t u d i e d 。d e v e l o pas i m u l a t i o ns u 唱e r yo fa n t e r i o rc m c i a t el i g a m e n tr e c o n s t r u c t i o nb ye o ns t u d i oa n dr e a l i z ev i r t u a lm o n i t o ra n dv i r t u ai 剐? t h r o s c o p y p r o v i d eaw a yt or e a l i z ep i c ku pf u n c t i o nb a s eo nc o l l i s i o nn o r m a lt oi m p r o v et h ea u t h e n t i c i t yo fo p e r a t i o no fs i m u l a t i o ns u r g e r y i i i广东工业大学硕士学位论文a tl a s t ，d e s i g nas i m u l a t i o ns y s t e ma n dd e v e l o pt h eu ib a s eo nm f c b u i l du pm e s s a g ed e l i v e r yb e t w e e ns y s t e ma n de o na p p l i c a t i o na n dr e a l i z et h ef u n c t i o no fm o d e ll i s t ，f o re x a m p l es h o wo rh i d em o d e la n dc h a n g eo p a c i t yo fm o d e l w e bb r o w s i n ga n ds e a r c h i n gi sf i n i s h e db ya d oa n dw e bc o n t r o ls ot h a tu s e r sc a nb r o w s ea n ds e a r c hs o m er e l a t e dt ot h eo p e r a t i o no fk n o w l e d g ec o n v e n i e n t l y k e y w o r d s ：v i r t u a ls u r g e r y ；i m a g es e g m e n t a t i o n ；a n t e r i o rc r u c i a t el i g a m e n t ；3 dr e c o n s t r u c t i o n ；e o ns t u d i oi v广东工业大学硕士学位论丈c o n t e n t sa 】8 i s i 】 己a i ：t 1 1 1c o n t e n t s v i i ic h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 11 1b a c k g r o m l da n ds i g n i f i c a n c eo fr e a s e a r c h 11 2k n e ea r t h r o s c o p y 31 3v i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y 51 4t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so f t h es u b j e c t 71 4 1v i t u a ls u r g e r y 71 4 23 dr e c o n s t r u c t i o nb a s e do nm e d i c a li m a g e s 101 5t o p i cs o u r c e 1 21 6s e c t i o na r r a n g e m e n t ，12c h a p t e r2k n e ei m a g e ss e g m e n t a t i o n 2 1m e t h o d so fi m a g e ss e g m e n t a t i o n 132 2c ti m a g e ss e g m e n t a t i o n 1 42 2 1i m a g e sa c q u i s i t i o n 142 2 2i m a g e sp r e p r o c e s s i n g 152 2 3t h r e s h o l ds e l e c t i o n l82 2 4r e g i o n a lg r o w i n g 2 12 3m r ii m a g e ss e g m e n t a t i o n 2 42 5s u m m a r y 2 6c h a p t e r3e s t a b l i s h m e n to f3 dm o d e l sb a s e do nm e d i c a li m a g e s2 73 13 dr e c o n s t r u c t i o no fk n e eb a s e do l lv t k 2 73 23 dr e c o n s t r u c t i o no fk n e eb a s e do nm i m i c s 2 93 3e s t a b l i s h m e n to f3 dk n e em o d e l sb a s e do n3 dm a x 3 03 4c o m p a r i s o no f t h r e ek i n d so fm o d e l i n gm e t h o d s 313 4s u m m a r y 3 3c h p a t e r4i n t e r a c t i v em o d e l si nv i r t u a la c lr e c o n s t r u c t i o ns u r g e r y4 1m o d e l si m p o r t i n g 3 4v ic o n t e n t s4 2a r t h r o s c o p ys i m u l a t i o n 3 54 ，2 1i m p l e m e n t a t i o no f v i r t u a lm o n i t o r 3 54 2 2i m p l e m e n t a t i o no ff u n c t i o no f v m u a la r t h r o s c o p y 3 74 3c l i pa c t i o nb a s e do nc o l l i s i o nn o r m a l s 4 14 3 1r e s e a r c ho f c o l l i s i o nn o d e 4 14 ：；2c l a m pm o d e lp r o c e s s i n g 4 34 ：；3i m p l e m e n t a t i o no fc l i pa c t i o n 4 44 4e s t a b l i s h m e n to f b o n et u n n e l ，5l4 5s u m m a r y 5 5c h a p t e r5i m p l e m e n t a t i o no fa c lr e c o n s t r u c t i o ns u r g e r ys i m u l a t i o ns y s t e m 5 65 1g e n e r a ls n u c t l l r eo fs y s t e m 5 65 1 1s y s t e mf r a m e w o r k 5 65 1 2d e s i g no fi n t e r f a c ef o rs y s t e m 5 6：；1 3i m p l e m e n t a t i o ni n t e r f a c ef o rs y s t e m 5 75 2i m p l e m e n t a t i o no fm e s s a g e sd e l i v e r yb e t w e e nv ca n de o na p p l i c a t i o n 5 85 3i m p l e m e n t a t i o no fm o d e l sl i s t 6 01 ；：；1i n i t i a l i z a t i o no f m o d e l sl i s t 6 01 ；：；2c o n t r o lo f m o d e l s s t a t e 6 11 ；4i m p l e m e n t a t i o no fk n o w l e d g el i s ta n dk n o w l e d g es e a r c h 6 55 4 1d e s i g no f t a b l e s 。6 55 4 2e s t a b l i s h m e n to fc o n n e c t i o nw i t ha c c e s sd a t a b a s e 6 65 4 3k n o w l e d g ew e bp a g e sb r o w s i n g 6 85 5s u r g e r yo p e a r t i o ns t u d y i n g 6 91 ；6s u m m a r y 7 2s u m m a r ya n dp e r s p e c t i v e r i f e r e n c ep u b l i c a t i o nd e e l a r a t i o n a c k n o w l e d g e m e n t s i ) (7 38 08 ：1x第一章绪论第一章绪论1 1 选题背景与研究意义膝关节镜手术属于微创手术的一种，与传统的切开关节的开放性手术相比，关节镜手术具有创口小，只需切开数个筷子大小的切口，术后恢复快、病人痛苦少，一次关节镜手术可以同时治疗多种疾病，如可同时进行关节清理手术【lj 、滑膜壁切除手术等，适应症宽，身体条件差导致不能进行常规手术，但不一定禁忌关节镜手术，对关节的损害较小等优点。但关节镜手术也有技术难度大、不易掌握、培训困难等特点。由于关节镜手术的操作方式于传统手术不一样，医生是通过监视器间接地观察膝关节内部的情况，而不是直接观察，而且关节镜的视野有限，只能展示局部的情况，所以要求医生对关节镜下关节组织的解剖结构非常了解。关节镜手术还要求医生具有较高的手眼协调能力，因为医生是一边通过监视器观察情况，一边操作手术刀进行手术，且手术器械的活动范围有限。传统的关节镜手术培训流程如下1 2 j ：( 1 ) 实习医生通过相关资料学习各种疾病的症状以及相关的治疗方法。( 2 ) 通过观察医生现场操作手术，学习关节镜手术操作的具体流程。( 3 ) 在尸体或动物身上进行实际的操作，熟悉手术的操作。( 4 ) 在病人身上进行真实地手术操作。由上述操作流程可看出，实习医生在进行手术操作训练时，因为是在尸体或动物身上进行的，尸体不能反复多次的使用，而且费用昂贵，所以实习医生不可能进行多次实践，使得医生不能完全熟悉操作流程，从而在实行真实手术时，手术风险大大地提高。随着社会的发展，生活水平的提高，人们对医疗服务也有了更高的要求，多数人不愿意让实习医生实行手术，这也阻碍了医生的培训。从培训流程也可以看出，传统的培训流程的周期长。如今关节镜手术在快速地发展，医生的手术操作培训成为了一个急需解决的问题，关节镜手术医生需要一个高效、快速、方便、成本低的手术培训，虚拟手术给关节镜手术提供了新的培训方法。虚拟手术是利用计算机图形技术，根据医学影像，建立逼真的虚拟手术环境，利用虚拟现实技术对手术的操作过程进行模拟，指导手术所涉及的每一个过程。在时间上可分为手术前、手术中、手术后，包括手术规划、手术预演、手术培训、手术训练、广东工业大学硕士学位论文手术导航以及术后的康复训练等。虚拟手术充分体现了虚拟现实技术在医学领域中的应用，医生通过特殊的设备还可以进行人机交互【3 - 5 】，体现了虚拟手术的真实感，因此，在国外虚拟手术也被成为虚拟手术室( v i r t u a lo p e r a t i n gr o o m ) 或者医学虚拟现实( m e d i c a lv i r t u a lr e a l i t y ) 。目前，虚拟手术在世界各地正处于快速之中，其中还有许多与之相关的研究方向，例如，医学可视化，医学增强现实，手术模拟，医用机器人，手术导航等等【们。虚拟膝关节镜手术系统是根据医学影像，建立人体膝关节的三维模型以及手术器械模型，搭建逼真的虚拟手术环境，通过对手术过程的模拟，为医生提供手术培训、规划以及预演等的一个平台。该系统具有重大的意义【1 1 _ 1 4 1 。( 1 ) 手术预演：利用病人的实际资料，构建出病人专属的虚拟图像，搭建虚拟环境，医生借助虚拟环境进行手术前的预演，制定手术方案，选择最佳的手术路径，减少手术损伤。并且，通过预演手术整个过程，医生能及时发现该手术可能存在的问题，从而提高手术的成功率。( 2 ) 手术培训：膝关节镜手术的培训一直是个急需解决的问题，虚拟膝关节镜手术提供了理想的手术平台。虚拟膝关节镜手术提供逼真的模拟环境，通过特备研发的手术装备为培训者提供触觉上的模拟，使得培训者在操作时，感觉自己就像在进行真实的手术操作。这样的培训不需要在病人身上进行手术操作，从而不会对病人造成生命危险，培训者还可以反复多次地练习，缩短培训的周期。虚拟膝关节镜手术还可以为培训提供手术中可能出现的特殊情况的模拟，或者再现一些高风险，高难度的手术，确保培训者面对突发情况的能力以及提高手术技能。( 3 ) 减少培训成本：传统的膝关节镜手术培训，受训者是在尸体或者动物身上进行手术操作训练。经过几次手术训练后，尸体必定会遭到损坏导致不能继续使用下去，需要购买新的尸体，从而大大提高手术的成本。如今世界各地都在大力宣传珍爱动物，特别是在医学上，要禁止利用动物来做实验，包括手术训练。虚拟膝关节镜手术中所使用的关节模型，是根据医学影像资料，利用计算机生成的，而且可以被反复地使用，降低了成本，也不存在虐待动物等问题。前交叉韧带是膝关节重要的稳定结构，其主要的作用是限制胫骨向前过度移位，它与膝关节内其他结构共同作用，来维持膝关节的稳定性，使人体能完成各种复杂和高难度的下肢动作【l 引。前交叉韧带损伤是常见的膝关节疾病，在美国，普通人群的a c l损伤发病率约为1 3 0 0 0 ，每年进行a c l 重建手术的患者超过4 0 万【1 6 1 。运动损伤是导2第一章绪论致前交差韧带断裂的主要原因，占7 0 以上，根据调查，我国现役运动员a c l 的发病率约为o 4 7 【1 7 1 , 滑雪运动员的a c l 损伤发病率约为7 0 1 0 万，足球运动员的a c l 损伤发病率约为6 0 1 0 万。为了避免对关节造成更大的损害，当前交叉韧带受到损伤时，需要及时有效的治疗。治疗的方案主要分为两种【l 嚣】：( 1 ) 保守治疗：利用石膏固定是非手术治疗中比较常用的办法，但是这种治疗方法会影响患者的早期功能康复锻炼，治疗结束后依然会出现关节不稳或者疼痛等症状。( 2 ) 手术治疗：手术治疗分为两种，一是直接缝合修补手术，这种手术的切口长，需要直接切开膝关节，伤口愈合慢，手术后的锻炼困难以及恢复时间漫长，并且容易出现关节僵硬、关节炎等症状。另一种手术治疗方案是关节镜下前交叉韧带重建，关节镜下前交叉韧带重建开始于1 9 8 9 年，b i l l o t t i 第一次完成关节镜下的重建【1 9 1 。相对于传统的开放性手术，关节镜手术具有创口小、患者痛苦少、术后恢复快等特点，关节镜下的前交叉韧带重建得到了社会广泛的认可和应用。由于关节镜手术的操作难度大、培训困难等特点，本文针对前交叉韧带重建开发的前交叉韧带重建手术的仿真系统具有一定的意义。系统采用三维重建技术建立逼真的膝关节模型，构建虚拟的手术场景，模拟前交叉韧带重建手术的各个过程，使用者可以通过操控装置进行手术操作训练，系统还为使用者提供手术操作的指导以及前交叉韧带重建手术的相关知识。本系统为膝关节镜手术的培训提供了一种新的途径。1 2 膝关节镜手术关节镜手术属于微创手术的一种，开始时主要用于膝关节，随着关节镜的发展，关节镜手术也开始应用于人体其它的小关节，例如：手指关节、腕关节、肘关节等。关节镜是一种圆柱形光学器械，直径约为4 5 m m ，主要用于观察膝关节内部情况【2 0 】。在关节镜的一端装有一个透镜，手术时，将关节镜插入关节内，通过连接监视器，关节的内部情况便会显示在监视器上，因此医生可以通过监视器观察关节的内部。关节镜手术是通过切开皮肤数个“筷子”般大小的孔，将关节镜、手术器械等插入关节内，医生通过观察监视器来操作、诊断和治疗各种关节疾病【2 1 1 ，如图1 1 所示。医生通过关节镜基本上可以观察到关节内部的所有部位，比传统手术切开整个关节所观察的还要全面，图像是被放大后显示在监视器上的，因此医生可以清晰地观察病灶，使医生能更好地完成手术。关节镜手术的适应症主要有：( 1 ) 诊断病情：医生可以通过关节镜可以了解人体广东工业大学硕士学位论文膝关节的内部情况，了解关节内是否存在游离体以及软骨损害的程度，观察半月板的撕裂的部位和程度，观察前、后交叉韧带的断裂程度及胴肌腱止点的损伤情况，以及诊断关节炎等【2 2 之3 1 。( 2 ) 用于研究病变部位的变化：由于关节镜手术具有创口小、恢复快、不易感染、对关节的损害较小等特点，所以可以通过多次进行多次关节镜检查，对病变部位进行拍照、录像等，为以后对病情的诊断与治疗有极大的帮助。( 3 ) 用于治疗：在确诊后，利用特殊的手术工具，在关节镜的观测下进行手术。例如前交叉韧带重建手术、半月板修复手术、半月板摘除手术、游离体摘除手术等。图1 1 膝关节镜手术f i g 1 - 1a r t h r o s c o p i cs u r g e r y关节镜下前交叉韧带重建手术的主要分为四个步骤【2 4 1 ，分别是移植物的选取、受伤韧带的清除、骨隧道的制作、移植物的固定。目前在前交叉韧带重建手术中，移植物主要分为三类，自体材料、同种异体材料以及人工材料。最常用的自体材料为胭绳肌腱和骨髌腱骨【2 5 】。自体材料来自于患者自身，取材便利，不会产生排异反应，但是要牺牲部分自体组织，可能会对取材部位的功能产生一定的影响。由于灭菌、贮存技术的发展，同种异体材料在前交叉韧带手术中得到了广泛的发展，同种异体材料可避免因取自体材料对取材部位的功能造成影响的问题，而且取材及使用也相当方便，同种异体材料主要有跟腱、髌腱、半肌腱等。在2 0 世纪6 0 年代，人工韧带开始进入前交叉韧带重建手术，人工韧带具有来源广泛、使用方便、不传染疾病以及可避免使用自体材料所引起的后遗症等问题的优点，但材料的老化问题仍有待进一步解决。目前常用的人工韧带是l a r s 韧带，l a r s 韧带是用高韧性的聚酯纤维制造的，抗疲劳与抗塑性变形的能力强，与人体组织相干性好【2 6 也7 】。4第一章绪论1 3 可视化技术目前，虚拟三维人体模型的构建是虚拟现实技术在医学上的应用的一个关键问题与难点。虚拟现实的沉浸感是建立在逼真的虚拟场景以及触觉、嗅觉等各种感觉器官的模拟的基础上。人体是一个很复杂的结构，构建三维人体模型是搭建虚拟手术场景的关键，但是要构建逼真的三维人体模型却很难，随着医学影像技术以及三维可视化技术的发展，该问题有了很好的解决办法，通过三重重建技术，可构建出逼真的三维人体模型。自古以来，“望、闻、问、切”是国内外进行医学诊断的基本手段，但是自从1 8 9 5年伦琴发现了x 射线后，并将其应用在医学上，医学的诊断方式发生了翻天覆地地变化。通过计算机把人体的内部结构以二维图像的形式表现出来，以此形成一种无创的诊断方法，医生不需进过解剖检查，通过计算机得到的二维图像便可观察到病变区域从而得出更准确的诊断。1 8 9 5 年，外科医生首次利用x 射线观察人体的内部结构，1 9 6 9年英国工程师h o u n s f i e l d 设计了史上第一台断层摄影装置，简称为c t ，并在1 9 7 2 第一次将该装置用于脑部扫描。随着科学技术的发展，各种扫面设备不断地出现，例如螺旋c t 、核磁共振设备等，这些设备使“看见与“看清”成为医学影像的重要特征。目前，医学影像主要包括c t 图像、核磁共振( m 对) 图像、p e t 图像、s p e c t 图像、数字x 光机图像以及b 超扫描图像等。随着可图像技术的发展，医学影像在临床诊断、教学科研方面发挥着极其重要的作用。然而，无论何种医学影像技术都只是获得了人体某一部位的某一断层的影像数据，然后医生通过胶片进行诊断或者通过显示器对图像进行观察。无论是通过胶片还是显示器显示，医生所观察到的都是二维的图像，并且只能以固定的方式进行观察，所得到的诊断结果都带有医生的主观经验判断，而且很大程度上取决于医生的临床经验。往往为了得出准确的诊断结果，医生可能需要观察多张图像，想象病灶在人体中的位置、大小以及形状，整个诊断的过程不直观，从而增加了诊断的难度。为了使诊断过程更加地直观，对二维的图像序列做一系列的处理，利用三维可视化技术通过计算机重建出三维的效果，使得医生可以从多方位、多层次的角度对影像数据进行观察，可以辅助医生分析病变区域及其其它医生感兴趣的区域，有利于医生对病症的诊断。可视化技术在1 9 8 6 年的美国国家科学基金会的图形、图像处理讨论会上被正式提出，可视化技术是指利用计算机图形技术，把复杂的数据、信息生成易于理解的图像，5广东工业大学硕士孝住论文以便人们的理解与接受的技术【2 8 - 2 9 1 。可视化技术是- t - j 交叉学科，包含了计算机图形学、计算机视觉、人机交互等学科可视化把数据转换成图形，给予人们深刻与意想不到的洞察力，在很多领域使科学家的研究方式发生了改变。可视化技术作为解释大量数据最有效的手段而率先被科学于工程领域采用，并发展为当前热门的科学可视化。可视化技术由科学可视化起步，经过多年的发展，范围不断地扩大，又细分成更多种类。目前，根据处理数据的抽象层次，可视化技术被划分为四种：科学可视化、数据可视化、信息可视化以及知识可视化1 3 0 1 。科学可视化侧重于利用计算机图形学来创建视觉图像，从而帮助人们理解那些采取错综复杂而规模庞大的数字呈现形式的科学概念或结果【3 1 1 。科学可视化处理的数据主要是由计算机所获得的海量数据，它涉及图像处理、计算机图形学、计算机辅助设计及图形用户界面等多个领域，己成为当前计算机图形学研究的重要方向。当前科学可视化涉及的主流技术包括等值线、面绘制、体绘制和流场显示四种。医学图像的三维重建是科学可视化在医学领域上的一种应用。运用三维重建技术从二维的图像序列中重建出三维的图像，从而直观地表达出人体复杂的内部结构或内部器官以及组织的空间位置关系，有助于医生对病情的判断，提高判断的准确性。医学图像的三维重建具有重大意义【3 2 。3 4 。( 1 ) 辅助临床诊断如今c t 图像、核磁共振图像己成为医生的临床诊断工具。利用三维重建技术，从二维图像中构建出三维几何模型，医生可对三维模型进行放大、旋转等操作，方便医生观察感兴趣的部位，使得医生对该部位的大小、形状和空间的位置都有感性的认识。( 2 ) 整形外科中的应用医学图像的三维重建在整形外科手术中有着重要的作用。特别是在颅面外科，传统的颅面整形主要是通过临摹的办法来制造假体，这要求医生有丰富的手术经验，才能达到满意的整形效果。通过三维重建技术重建出整形部位的三维模型，再根据模型制造假体，可以大大地提高整形的质量。在假肢设计中，也可通过重建出相关部位的三维模型，再根据三维模型设计假肢，从而减少因假肢设计不合理造成的手术失败。( 3 ) 手术规划与预演通过三维重建构建出病灶部位的三维模型，为医生提供直观的诊断方法，有助于制定科学的手术方案。也可构建相关部位的三维模型，搭建虚拟的手术场景，为医生提供手术前的演练，提高手术的成功率。6第一章绪论1 4 国内外研究现状1 4 1 虚拟手术在临床手术中，手术前的方案规划与医生手术操作的熟练度都有助于提高手术的成功率。虚拟手术系统通过三维重建构造人体几何模型，搭建虚拟场景，可模拟各种手术的操作过程，预演整个手术的过程，为医生制定手术方案，规划手术路径提供帮助。医生还可在虚拟手术系统上进行手术操作训练以提高熟练度，降低在手术过程中失误发生的概率。基于膝关节镜手术培训的需要，国内外已开展了许多虚拟膝关节镜手术系统的研究工作。在8 0 年代末，d e l p 和r o s e n 开发了一个用于观察关节移植手术的过程和结果的仿真系统，该系统成为了国际上第一个手术仿真系统。不久后，s a t a v a 3 5 】研发了第一个腹部手术的仿真系统，虽然在真实感与交互性上的表现不佳，但该系统提供了漫游的功能，可以漫游观察内部组织并可使用虚拟手术器械进行手术操作。直到1 9 9 5 年，l e v y把力反馈设备加入了手术仿真系统中，提供了简单的力信息反馈，如此才实现了第一个真正意义上的手术仿真系统。如今国外已研制了许多比较成熟的手术仿真系统，例如新加坡的d e x t r o s c o p e 系统，如图1 2 所示，具有三维重建以及手术仿真功能。该系统可接受d i c o m 3 、t i f f 等多种格式的数据，用户透过立体眼镜，并用双手在虚拟操作平台上工作。d e x t r o s c o p e 系统提供剪裁、切割、选取等功能，还可以测量直线距离，计算任何平面或方向的角度，规划钻探手术路径，以及恢复被钻孔的对象。图1 - 2d e x t r o s c o p e 系统f i g 1 - 2d e x t r o s c o p es y s t e m广东工业大学硕士学位论文德国的k u h n 等人开发的k e s t 系统实现了腹腔手术的模拟【3 6 1 ，该系统采用p h a n t o m 力反馈设备作为操作装置，他们开发了一个用于表现器官的形变效果的弹性力学模拟软件( k i s m e t ) ，此外该系统还模拟了动脉血管的脉动效果以及出血时的喷血效果，实现了器官组织的夹取，切割等动作，具有很高的真实感，属于可以商用的手术仿真系统。在2 0 0 2 年，s m e t 系统的开发者推出了新的手术仿真系统v s o n e 。c a ee n d o s c o p y v rs u r g i c a ls i m u l a t o r 是美国i m m e r s i o n 公司开发的胃肠及支气管检查手术仿真平台，该平台提供出色的力反馈，正确的生理特征和人体结构的仿真，如图1 3 所示。c h o ik s 37 】等人开发了一个白内障手术仿真系统，侧重于角膜切开手术的培训，受训者操纵一个六自由度的力反馈设备与计算机生成的模型进行交互，系统还实现了软组织的变形模拟以及切割等操作的模拟，并且每一次受训者操作完手术，系统会给予评分并记录成绩，作为考核的指标之一。b a y o n a 3 8 】等人提出了一种肩关节镜手术培训系统，该系统为手术培训提供高精度的肩关节模型以及手术中可能会使用到的器械。如果受训者处于初学阶段，系统可以提供一个全景视图，方便初学者的观察肩关节的内部结构。为了增加系统的真实感，力反馈设备也加入了其中。图1 - 3i m m e r s i o n 公司的手术仿真平台f i g 1 - 3s u r g e r ys i m u l a t i o np l a t f o r mo fi m m e r s i o n虽然国内在虚拟手术方面的研究起步较晚，但也取得了一定的成果。目前国防科技大、浙江大学、北京航天航空大学等一些高校都在进行着相关的研究。国防科技大学熊岳山【3 9 】虚拟膝关节镜手术系统采用了p h a n t o m 力反馈设备，通过三维重建技术构建三维模型，其中根据交互方式的不同人体组织器官采用了三角形网格和四面体网格两种模型。在软组织变形方面，为了保证实时性，采用线弹性的半隐式弹簧，并把时间变量加入有限元模型的，体现动态特性。设计了训练功能模块，提供不同层次的手术训练。在人体肌腱的模拟上，提出了一种基于改进弹簧振子模型的实时肌腱模拟方法，定义非线性弹簧从而降低弹簧振子模型的超弹性现象，增前了仿真的效果。为囤第一章绪论了实现前交叉韧带重建手术中对股隧道制作的动态模拟，提出了一种针对面网格模型的改进布尔操作方法，该方法保持了模型表面平滑和切割边缘尖锐的特征，满足实时性的要求。在特效方面，还模拟了流血与关节腔内的气泡。中国人民解放军总医院与北京黎明视景公司合作开发了一个虚拟膝关节镜手术仿真训练系统【加】。该系统主要通过视觉、听觉、触觉的感知，使受训者逐渐学习和掌握膝关节镜手术的基本技能，例如手眼协调、三点成像定位以及关节探查等。受训者还可以学习各种膝关节镜手术的操作流程，例如半月板修复、半月板摘除、前交叉韧带重建、关节清理等。该系统以医学影像数据为基础，构建了膝关节的各个器官的三维模型，系统中各种手术操作的流程也以标准定制，从而保证了操作流程的规范性，保证了培训的效果。南方医科大学与华南师范大学合作开发的腹部医学图像处理系统【4 1 | ，不仅具有三维重建功能，还可利用重建得到的三维模型构建虚拟手术环境，并配备了p h a n t o m力反馈设备，实现了切割、夹取、缝合等动作，让用户犹如在进行真实地手术操作。天津大学的许天春等人设计开发了一个带有力反馈的声带肿物切除手术仿真系统1 4 2 ，采用p h a n t o m 力反馈设备，通过三维重建构建声带的几何模型，并分析了软组织的生物力学特征，建立了相应物理模型，加强了系统的真实感。顺应科技的发展，广东工业大学的虚拟现实及可视化技术研究室在虚拟手术方面也做了大量的研究，开发了虚拟分娩系统【4 3 1 ，如图1 - 4 所示，模拟了分娩的全过程，以及各种不同的分娩状况，为分娩教育提供了一种新的方式，目前该系统己作为一款商业产品在市场上发售。该实验室利用角位移传感器与直线位移传感器设计开发了膝关节手术的模拟训练装置，如图1 5 所示，并模拟了常见的几种膝关节镜手术的过程。豆豆盘慝l 抽日一j q 姻，j h 靠搿僦j 搿p d 2 m a ，脚 d 柚旧s * l f d b _ 口1 ，m洎目rl 口j o 魁t 叫id-_ 日：? r + ： 黔l一一+t _ _ = 二图1 - 4 虚拟分娩系统f i g 14v i r t u a ld e l i v e r ys y s t e m广东工业大学硕士学位论文图1 5 手术训练装置f i g 1 - 5d e v i c eo fs u r g e r yt r a i n i n g1 4 2 医学图像的三维重建根据绘制过程中数据描述的方法，医学图像三维重建主要分为：面绘制方法与体绘制方法两种。面绘制方法主要是在每张图片中分割出感兴趣区域的闭合轮廓，把轮廓拼接拟合物体的表面来描述物体的三维结构。在1 9 8 7 年，l o r e n s e n 删等人提出了m a r c h i n gc u b e s ( m c ) 算法，由于m c 算法的原理简单、容易实现，该算法是使用三角面片作为基本元素，而如今的显卡都可以对三角面片进行加速绘制，因此m c 算法得到了广泛的应用，成为了目前流行的构造等值面算法之一，但是该算法存在面二义性等缺点。围绕着面二义性的问题，近年来提出了许多改进的m c 算法，如m a r c h i n gt e t r a h e d r a l 算法，d i v i d i n gc u b e s 算法等。由于面绘制提取的只是表面信息，绘制出的图形并不能反映内部的细节，这些局限与缺点限制了面绘制的使用。随着计算机技术的快速发展。人们更多地关注于体绘制技术。体绘制不需构建等值面，直接从三维数据场中重建物体。1 9 8 8 年，l e v o y 4 5 提出了r a yc a s t i n g 算法( 光线投射法) ，该算法是一种经典的体绘制算法，在医学领域有着广泛的应用。通过光线投射法重建出的三维模型基本包括了三维数据场中的所有信息，具有极高的使用价值，但也因为数据过大而限制了绘制的速度，难以进行实时交互。因此围绕着加速绘制的问题上，学者们提出了各种改进的体绘制算法，l a u r | 4 6 】等人在模拟雪球被抛到墙面上扩散的效果时提出了s p l a t t i n g 算法( 抛雪球法) ，由于该算法在权值的计算过程中经常采用近似算法，1 0第一章绪论因此重建的质量不高。1 9 9 4 年，l k r o u t e 【4 7 】提出了s h e a r - w a r p 算法( 剪切娶变法) ，该算法综合了光线投射法与抛雪球法的优点，是目前最快的体绘制算法。随着图形处理器( g p u ) 的发展，特别是顶点着色器和像素着色器的加入，极大地提高了g p