（生物医学工程专业论文）股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究.pdf

股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究缩小两断骨模型之间的旋转和平移错位，提高后续精确配准过程的效率。本文首先分析了传统i c p 算法的特点，然后提出一种基于非迭代估计的断骨模型自动配准算法，与i c p算法相比，该方法的计算复杂度和时间代价均有所降低。在此基础上，本文在拼接后的断骨模型上实现了固定钢板的用户化设计和预弯模拟，首先在模型表面上提取控制点，然后采用直接绘制控制点网格曲面的方法得到钢板的三维模型，从而可以在术前测量得到钢板模型的各种几何参数，缩短手术时间。关键词：修复性骨科；术前规划；股骨头坏死；骨折大连理工大学博士学位论文r e s e a r c ho nt e c h n o l o g i e so fc o m p u t e ra i d e ds u r g e r yf o rf e m o r a lh e a dn e c r o s i sa n db o n ef r a c t u r ea b s t r a c tt h ea d v a n c e dt h e r a p ye q u i p m e n ta n ds u r g i c a ld i a g n o s ec a nb ec o m b i n e db yc o m p u t e ra i d e ds u r g e r y ，w h i c hc a np r o v i d es a f e ，a c c u r a t ea n dm i n i m a l l yi n v a s i v es u r g i c a lt h e r a p yt ot h es u f f e r e r sw i t hu t i l i z i n gt h eo b t a i n e di n f o r m a t i o n t h er e s e a r c hc o n t e n to fc o m p u t e ra i d e ds u r g e r yi sr e l a t e dt od i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p u t e rg r a p h i c s ，c o m p u t e rv i s i o n ，a n t h r o p o t o m ya n do t h e rd i s c i p l i n a r yf i e l d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h ek e yt e c h n o l o g i e so fc o m p u t e ra i d e dp r e o p e r a t i v ep l a n n i n gf o rt h ep r o s t h e t i cr e p l a c e m e n to ff e m o r a lh e a da n dt h ep l a t ef i x a t i o no fd i a p l a s t i cf r a c t u r e ，w h i c ha l ef a m i l i a rp r o s t h e t i co r t h o p a e d i c so p e r a t i o n s ，a r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h er e s e a r c hc o n t e n tm a i n l yi n c l u d e sa c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n go ft h ec ti m a g e s ，3 - dm e s hs e g m e n t a t i o no ft h ek e yp o s i t i o n s ，s a m p l i n gm e t h o da n dp u r i f i c a t i o np r o c e s s i n go ft h ed a t ap o i n ts e t ，f e m o r a lh e a dp r o s t h e t i cm o d e l i n gb a s e do ns u r f a c ef i a i n ga n di t sm o d e lm a t c h i n ga n a l y s i s ，f r a c t u r e db o n es p l i c i n gb a s e do np r e - r e g i s t r a t i o na n di t sp l a t ep r e b e n d i n gs i m u l a t i o n t h ep r e p r o c e s s i n gm e t h o df o rc ti m a g e so fb o n e si nt h ek e yp o s t i o n si ss t u d i e df i r s t l y a f t e re x t r a c t i n gt h er e g i o no fi n t e r e s t ( r o i ) i nt h ei m a g e s ，a ni m p r o v e dc u r v e l e td e n o i s i n gm e t h o di sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d t h ec o r r e l a t i o no fm i l t is c a l et r a n s f o r mt o e m c i e n t si se f f e c t i v e l yu s e dt oe n h a n c et h ea b i l i t yo f c u r v e l e tf o re x t r a c t i n gt h ee d g ed e t a i l i n f o r m a t i o no ft h ei m a g e s a n dt h em o r p h o l o g i c a lm e t h o di su t i l i z e dt or e s t r a i nt h es c r a t c ha r t i f a c t s t h ev i s u a lq u a l i t yo ft h ei m a g e si si m p r o v e d ，w h i c hc a np r o m o t et h es u b s e q u e n ti m a g ea n a l y s i s s e c o n d l y 3 一dm e s hs e g m e n t a t i o no ft h ek e yp o s t i o n so nt h eb o n em o d e l si sd i s c u s s e d am e t h o db a s e do nv e r t e xn o r m a lf e a t u r ei su s e dt os e g m e n tt h ef a c i e sa r t i c u l a r i sa c e t a b u l a r i sa n dt h ef r a c t u r eb o n es e c t i o n t h em e d i a nf i l t e r i n gi n2 一di m a g ei se m b e d d e dt oe l i m i n a t et h ei s o l a t e dn o i s ep o i n t s ，a l s ot h eb o u n d a r i e so ft h es u b m e s h sa r es m o o t h e d t h es e g m e n t a t i o ne f f e c ta n dt i m ee f f i c i e n c yo ft h i sm e t h o da r ea l ls u p e r i o rt ot h ep r e s e n tt y p i c a la l g o r i t h m s i n t h ep r o c e d u r eo fc o l l e c t i n gd a t ap o i n ts e to nt h ea c e t a b u l u m ，as p e c i a la c c u r a t es e g m e n t i o nm e t h o di su t i l i z e dt oe x t r a c ta c e t a b u l u mb i n a r yi m a g e s ah y b r i ds a m p l i n gm e t h o db a s e do ni s o m e t r i cr a s t e rs a m p l i n ga n ds p o k es a m p l i n gi sp r o p o s e dt oc o l l e c t et h es p a t i a ld a t ap o i n ts e ti nt h ea c e t a b u l u mi m a g es e q u e n c e a f t e r w a r d s ，t h ee l e m e n t si nt h ed a t ap o i n ts e ta r ee x t r a c t e dt oe l i m i n a t et h ed i r t yd a t a t h ec o m p u t e rm o d e l i n go ff e m o r a lh e a di st h eb a s i so fc o m p u t e ra i d e dr e p a i r i n go p e r a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t w op r o s t h e t i cm o d e l i n gm e t h o d sb a s e do ns p h e r ef i a i n ga n di i i 股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究e l l i p s o i df i r i n ga l ep r o p o s e d i nt h es p h e r ef i t t i n gm e t h o d ，f e m o r a lh e a di sc o n s i d e r e da sar e g u l a rs p h e r e ，a n dt h er e f i n e dd a t ap o i n ts e ti su s e dt os o l v et h es p h e r i c a lc e n t e ra n dt h er a d i u sb yf i r i n g i nt h ee l l i p s o i df i r i n gm e t h o d ，t a k i n gt h ea n i s o t r o p yo fe l l i p s o i di n t oa c c o u n t ，f e m o r a lh e a di sc o n s i d e r e da sa l li r r e g u l a rq u a d r i cs u r f a c e ，a n dt h er e f i n e dd a t ap o i n ts e ti su s e dt os o l v et h el o c a t i o na n da n g l ep a r a m e t e r sb yf i t t i n g f u r t h e r m o r e ，t h em a t c h i n gd e g r e eb e t w e e nt h ef e m o r a lh e a dm o d e la n dt h ea c e t a b u l u mm o d e li se v a l u a t e df r o mg e o m e t r ya n ds t r e s s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h a tt h es u g g e s t e dm e t h o d sc a l la c h i e v eh i 曲l ym a t c h i n gq u a l i t yb e t w e e nt h e s et w om o d e l s f i n a l l y ，t h ec o m p u t e ra i d e dp r e o p e r a t i v ea u t o m a t i cs p l i c i n gf o rf r a c t u r e db o n em o d e l si n3 一ds p a c ei ss t u d i e d t h r e ec o a r s er e g i s t r a t i o nm e t h o d s ( r e s p e c t i v e l yb a s e do no r i e n t e db o u n d i n gb o x b a s e do nf r a c t u r e db o n ea x i a ll i n ea n db a s e do nf r a c t u r e db o n er i d g el i n e ) a r ep r o p o s e d t h e s em e t h o d sc a nr e d u c et h er o t a r ya n dt r a n s l a t i o n a ll o c a t i o nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w of r a c t u r e db o n em o d e l s ，a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fs u b s e q u e n tr e f i n e dr e g i s t e r a t i o n a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o n a li c pa l g o r i t h m ，a l la u t o m a t i cr e g i s t r a t i o na l g o r i t h mb a s e do nn o n - i t e r a t i v ee s t i m a t i o ni sp r o p o s e d c o m p a r e dw i t hi c p ，t h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t ya n dt h et i m ec o s to ft h i sm e t h o da r ea l ll o w e r o nt h i sb a s i s t h ec u s t o m i z e dd e s i g na n dp r e b e n d i n gs i m u l a t i o no ft h ef i x a t i o np l a t ef o rf r a c t u r e db o n em o d e l si si m p l e m e n t e d a f t e rc o l l e c t i n gt h ec o n t r o lp o i n t so nt h es u r f a c eo fm o d e l s am e t h o db a s e do ni m m e d i a t e l yr e n d e r i n gt h em e s hs u r f a c eo fc o n t r o lp o i n t si su t i l i z e dt oc o n s t r u c tt h ep l a t em o d e l s t h e r e f o r e ，v a r i o u sg e o m e t r i cp a r a m e t e r sc a nb e o b t a i n e db e f o r et h es u r g i c a lo p e r a t i o n s ，a n dt h eo p e r a t i o nt i m ec a nb es h o r t e n e d k e yw o r d s ：p r o s t h e t i co r t h o p a e d i c s ；p r e o p e r a t i v ep l a n n i n g ；f e m o r a lh e a dn e c r o s i s ；b o n ef r a c t u r ei v 大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：作者签名：大连理工大学博士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：作者签名：导师签名：大连理工大学博士学位论文1 绪论1 1研究背景和意义随着社会的进步，人类的物质条件和生活质量也得到了日新月异地发展和改善，人们更加注重自身的健康水准和生命质量，同时也对医学研究深度、临床诊断和治疗手段以及医疗设备的自动化程度等方面提出了更高的要求。科学技术的发展源于人类的需求。进入2 1 世纪，随着人们对于科学技术理解的不断加深，生命科学和生物医学工程学等相关学科逐渐走上历史舞台，成为科学领域的研究热点，也被学术界评论为继信息产业后最重要的科学研究和经济增长点。作为一门科学技术与工程高度综合的新兴边缘学科，生物医学工程( b i o m e d i c a le n g i n e e r i n g ，b m e ) 采用现代自然科学和工程技术的原理和方法，从工程学的角度出发，多层次的研究了生物体特别是人体的结构、功能和其他生命现象，同时，不断的开发、研制用于防病、治病、人体功能辅助及卫生保健的人工材料、制品、装置和系统，在疾病的预防与治疗以及提高人类整体健康水平方面起到了至关重要的作用。近年来，生物医学工程学得到了迅猛的发展，其主要分支学科，如生物力学、生物材料学、生物系统的建模与控制、生物医学信号检测与处理、生物医学图像处理等的发展更是日新月异，计算机辅助外科手术( c o m p m e ra i d e ds u r g e r y ，c a s ) 和虚拟外科手术( v i r t u a ls u r g e r y ，v s ) 等作为其中的突出代表，在提高医学诊断和治疗水平方面更是意义非凡。计算机辅助外科手术( c o m p u t e ra i d e ds u r g e r y ，c a s ) 能够把医生的诊断、先进的治疗设备和外科医生有机地结合，充分利用获取的信息使患者得到安全、精确、微创的手术治疗。这种技术通过合理、定量地利用多模数据和导航系统，对外科手术进行计划、干预和评价，在很大层面上促进了微创手术的发展。此项技术最早应用于神经外科领域，涉及到了立体定向、脓肿穿刺、肿瘤化疗等方面，疗效十分明显i 。因此，这种技术也逐渐的进入到其他领域。骨组织作为一种刚性结构，不易发生变形，在计算机辅助环境下易于模型操作，因此计算机辅助骨科技术( c o m p e e ra i d e do r t h o p a e d i c ss u r g e r y ，c a o s ) 应运而生。计算机辅助骨科技术最早开始于欧洲和北美，2 0 0 0 年2 月，两地开始联合召开c a o s 年会。由于骨骼的特殊性，此项技术在骨科领域得到迅猛发展，在脊柱外科、髋、膝关节置换、前交叉韧带重建、骨盆及长骨干骨折等方面得到应用和发展，并逐渐成为微创外科的一部分，对微创外科的发展起到了重要作用。髋关节是人体负重时承受压力最大的球窝关节，股骨头作为髋关节结构中的重要组成部分，具有特殊的解剖生理特点，容易产生坏死病变，这种病变在学术界被称为股骨股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究头缺血性坏死( a v a s c u l a rn e c r o s i so ff e m o r a lh e a d ，a n f h ) 。因其病因难断，发病机理复杂，股骨头坏死已成为骨科两大难治病症之一。此疾病对于患者有着非常大的危害，如不能及时、有效的治疗，就会出现股骨头塌陷，进而导致骨性关节炎，最终不得不进行髋关节置换术。患者不但要忍受病痛，而且行动也会受到限制，轻者影响到患者的劳动能力，重者甚至会导致患者丧失生活自理能力。目前，此病的发病率呈现明显的上升趋势，已经发展成为一种世界性疾病。据报道，美国每年新发病例达1 2 万人，我国的发病率是其发病率的2 - - 3 倍。更加值得关注的是，该病的高发人群为青壮年，我国每年1 5 2 0 万的新发病例中有6 0 7 0 的病例年龄在2 0 - - 5 0 岁之耐2 1 。其发病率之高，治疗难度之大，非常罕见。所以，对股骨头坏死疾病的治疗和研究具有极其重要的现实意义。如何治疗股骨头坏死一直是骨科领域研究的热点。目前，如果股骨头坏死达到不可逆转的阶段，即股骨头已经发生塌陷进而演化成骨性关节炎时，为了止痛和改善关节功能，关节置换手术便成为惟一可供选择的有效治疗方法【3 1 。1 9 2 3 年s m i t h p e t e r s e n 首次应用金属杯进行髋关节成形术，2 0 世纪5 0 年代开始应用金属的人工关节置换。人工股骨头假体的种类较多，但无论是国产的还是进口的假体，均采用统一的机械零件化生产及供应模式。例如，我国使用的人工股骨头假体要么从欧美等国家进口，要么是国内厂家仿制国外厂家制造的产品，但事实上我国人种与欧美人种的生理结构存在非常大的差别，依据欧美人种设计出来的人工股骨头假体无论在最简单的尺寸上还是在复杂的生理曲线上都与我们的实际情况相差甚远；即使是国内自行设计、生产的人工股骨头假体也未考虑到不同患者的器官存在较大个体差异这一事实。因此，临床手术中经常会出现找不到与患者相匹配的人工股骨头假体，或是发生术后关节脱落的情况；另外，为患者植入的人工股骨头假体不一定能与髋臼良好配合，结果导致患者术后股骨活动不自如，人工关节置换后的并发症发生率也较高，远期效果并不理想，不少患者一生中不得不接受一次甚至数次的关节翻修手术。事实上，人工股骨头假体应根据患者的不同而不同，具有很强的个体性和差异性，所以有必要为不同的患者定做适合本身的人工股骨头假体。根据患者本身的个体器官参数，将坏死股骨头修复为与髋臼良好匹配状态下的模型已经成为当前股骨头修复治疗的研究热点。其中，修复股骨头的精确建模是修复治疗的基础，也是影响“定做式 人工股骨头假体与患者髋臼之间匹配精度的关键问题之一。大连大学附属中山医院骨科在股骨头坏死的修复性治疗方面做了很多工作，提出了很多切实有效的治疗方法，但是在手术过程中，医师主要靠自己的经验判断股骨头的形状和大小，没有精确地模型指导，对修复后的模型缺少客观的评价，对于手术有着很大的影响。为大连理工大学博士学位论文此，研究所与该医院联合提出建立计算机辅助股骨头修复性术前规划系统的课题，并得到了大连市科技计划项目资助( 2 0 0 5 e 2 1 s f l 3 4 ) ，目的在于通过建立计算机辅助手术导航系统，利用患者自身的c t 影像数据重建骨骼模型，在模型的参数指导下完成各种修复、定位等工作，尽最大程度修复患者的股骨头表面形态，进一步提高股骨头坏死人工关节置换手术的精度，降低手术风险，同时也为针对个体化制造的人工股骨头假体生产提供了新的实践方法。骨折是一种常见的骨科疾病，由于外伤或病理等原因造成的骨质部分断裂或完全断裂，不仅影响了人们的身体，而且也严重影响了人们的正常生活。随着社会的发展和进步，人们户外活动时间不断增多，活动内容丰富多彩，运动创伤呈不断上升的趋势，骨折的发生率也较以往有着明显的增高。同时，随着交通事业的发展、汽车数量的增多，由于交通事故而引发的各种骨折也在不断的增多。据报道，世界上每年发生骨折近千万例4 1 。在生活水平不断提高的今天，人们对于创伤后修复效果的期望值越来越高，对骨折的治疗也同时提出了更高的要求。一方面，当今社会的生活节奏不断加快，职业竞争日益加剧，骨折患者强烈要求尽快返回工作岗位，及早恢复日常生活，并且对肢体功能恢复的要求也提高了。另一方面，随着手术技术的提高、内固定理论和器械的发展、新材料的出现，骨折患者越来越希望接受微小创伤切口的手术。因此，对骨折的修复性治疗研究具有非常重要的现实意义。治疗骨折的最终目的是使受伤部位又好又快地恢复正常功能。治疗骨折有三项基本内容：复位、固定和功能锻炼。复位是将移位的骨折段恢复正常或接近正常的解剖关系，重建骨骼的支架作用。但骨折愈合需要一定的时间，因此还需用固定的方法将骨折维持于复位后的位置，等待其坚固愈合。功能锻炼的目的是在不影响固定和愈合的前提下，尽快恢复患肢肌肉、肌腱、韧带、关节囊的舒缩活动，以防发生肌肉萎缩、肌腱挛缩、关节僵硬等并发症。合适有效的复位和固定，既可以继续维持骨折复位后的对位对线，又可以防止不利于骨折愈合的剪力旋转力和成角的活动，是骨折愈合的关键所在【5 j 。常用的固定方法是通过手术切开患者表皮和肌肉，在断骨上加装钢板、钢针、髓内针和螺丝钉等固定物，利用这些刚性固定物将断骨保持在满意的位置上，防止断骨发生移位。本项手术当前手工操作水平存在的不足：第一，因为只能依赖肉眼观察进行拼合，手工复位后断骨的拼合状态不一定能够与骨折前的原始状态完全相同，所得到的贴合在断骨表面的钢板形态也就并非准确，所以容易导致术后断骨畸形愈合，甚至导致术后断骨不相连，即骨折钢板内固定失败；第二，在骨折钢板的调整和匹配过程中，医生需反复对钢板进行处理并与复位后的骨骼进行比对，才能使折弯后的钢板能够与骨骼较好贴合，由此可能出现的问题是创伤大、术中出血多、手术时间长，并引发神经血管损伤、感染、股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究骨折不愈合等并发症。因此，如何利用计算机技术和医学影像处理技术对骨折钢板在术前进行准确的预弯，以缩短手术时间、减少出血量，是计算机辅助骨科手术技术中一个新的研究方向。为此，研究所在大连地区多家医院进行了实际考察，并形成了学术交流关系，提出建立计算机辅助骨折钢板预弯术前规划系统的课题，利用患者骨折部位的c t 影像数据建立其断骨模型，在计算机虚拟环境下，在虚拟预弯的钢板模型指导下于术前完成真实钢板的预弯工作，提高患者所需钢板形态参数的准确度，尽可能地减小实际手术操作创伤和手术时间，减少出血量。目前，股骨头坏死和人体骨折是修复性骨科临床中比较普遍且非常棘手的疑难疾病，因此本文以这两种骨科病症作为研究对象，深入探讨其在计算机辅助环境下的术前规划方法。应该说，无论是股骨头坏死的修复性置换手术，还是骨折钢板的术前虚拟预弯，准确性都建立在精确的患骨数字化重建模型支持的基础之上，因此，针对患骨的精确修复建模是确保手术成功的一个非常重要的因素。本文以精确建立人体骨骼模型为基础，研究坏死股骨头的修复重建和骨折钢板术前虚拟预弯等问题，对基于人体髋关节c t 图像的个体化股骨头修复建模和基于断骨部位c t 图像的骨折钢板术前预弯建模的相关理论和方法进行了研究，力求在这两方面都有所突破。1 2 国内外研究概况人类在从爬行进化到直立行走的演变过程中，股骨头是改变最大、受力最复杂、病变最多的关节之一，因此股骨头生物形态的分析与建模一直是国内外学者研究的热点问题。从目前查阅到的文献情况来看，大多从临床医学角度出发来解决股骨头置换手术中的问题，很少有专门针对股骨头坏死的修复性手术中建模方法研究的文献。目前，许多学者认为如保守治疗股骨头坏死无效，只能进行人工股骨头置换( t o t a lh i pa r t h r o p l a s t y ，t h a ) 。但保守治疗方法仅对部分早期病例有效，股骨头坏死研究委员会( a s s o c i a t i o nr e s e a r c hc i r c u l a t i o no s s e o u s ，a r c o ) 分期标准的i i i 期保留股骨头的手术方法较多，诸如截骨术、游离植骨及各种带血运、不带血运骨移植等，这些手术方式的目的都是尽量阻止此病的恶化，为可能的人工关节置换争取时间，若出现广泛的囊性病变或股骨头塌陷，人工股骨头置换则是惟一选择1 6 ，7 j 。人工股骨头已有1 0 0 多年的历史，其许多概念和知识的发展成形，主要集中在7 0 9 0 年代。理想的人工关节应有足够的强度、抗疲劳、抗磨损和抗腐蚀性能，具备良好的生物相容性，无毒副作用，耐体液的化学腐蚀和电化学腐蚀，其弹性模量接近于人体的一4 一大连理工大学博士学位论文皮质骨。随着人工关节的材料、设计的不断改进和手术技术的不断提高，人工关节置换术的疗效亦日益改善，但如何获得假体的长期稳定性仍然困扰着人们。18 2 6 年在美国宾夕法尼亚州进行了人类首例关节置换手术。2 0 世纪6 0 年代，j o h nc h a m l e y 引入了摩擦、扭矩股骨头假体以及聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥，使人工关节置换技术进入了新的纪元【8 ，9 】。直到2 0 世纪7 0 年代，我国研制出了真正意义上的人工股骨头。经过2 0 多年的反复研究和临床应用后，现在的人工股骨头产品已经形成了由股骨柄和球头组成的置换系统以及由股骨柄和半髋活头( 或双动头) 组成的置换系统。目前全世界每年都有超过5 0万例的关节置换手术。人的骨骼结构存在较大差异，统一的假体不能适用于所有病人。目前人工股骨头置换术主要采用标准系列化人工股骨头置换，即先获取病人受损股骨头部位的x 光片，再和各公司提供的模板对比，由医生从标准系列化的人工股骨头假体中选取合适的型号，安装到病人的股骨头部位1 1 0 , 1 1 j 。经验不足的骨科医生，对如何运用模板选取假体并不熟悉，因此，假体的选取主要依靠公司的业务员来进行。但业务员在选取假体时往往只见患者x 光片而无视病人的具体情况，所以选定的假体型号并不总是适合的。同时，目前国内外生产的人工股骨头的规格种类有限，假体在大多数情况下不能与髓腔达到最大程度的匹配，接触面积小，假体与髓腔界面的应力分布极不合理，影响了假体的舒适度和稳定性，术后几年便可能出现假体松动、脱位、股骨头劈裂等各种并发症，导致患者一生中不得不进行一次或多次关节翻修手术，既带来身体上的损伤和痛苦，又要承受巨大的精神压力和经济负担。为了更好发挥假体的作用，提高病人的生存质量，假体在设计上必须更适合于患者本身的骨骼结构和力学要求。鉴于这种情况，人们提出了“定做式人工股骨头的理念，即针对患者本身的个体化人工关节定做股骨头。个体化假体的发展与c t 技术密不可分。通过对c t 影像数据进行分析处理，可设计并制造出更适合于目标患者本身的生物力学和运动功能的假体。但基于c t 数据的人工股骨头设计也存在一些问题，例如造型过程复杂、从二维c t 图像中提取清晰准确的边界信息比较困难等，从而影响到建模的精度。计算机辅助环境下的个体化人工关节是一个涉及到多学科、多领域的复杂、系统工程。不同人员的研究目的和病体需要都不相同，所使用的数据来源也各不相同。常用的造型和建模方法有：线框模型、曲面模型、实体特征参数化模型i l 引。当前，欧美国家的研究成果一直是世界领先的。德国的a l d l n g e r 系统以c a d c a m 为核心技术，将患者股骨头内外轮廓边缘数据间隔叠加，得到三维模型；n e l s o n 开发出运用c t 数据设计股骨髓腔假体的软件包，在此基础上设计出“精确匹配的假体【1 3 】；h a n d e l sh 等利用一个软件系统进行有效的术前准备和模拟髋关节手术的过程【l4 。，其患者的髋关节三维模股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究型也是建立在c t 数据基础上的，医生可以模拟手术过程。国外的相关研究已经开展了2 0 多年，技术日趋成熟，并已经应用于普通人工关节的病人。国内的研究尚处于起步阶段，但也取得了一定的成果，例如上海交通大学生命质量与机械工程研究所经过多年探索，已初步建立了“定做式 人工髋关节假体的c a d c a m 系统【l5 1 。骨折是一种常见的创伤性疾病，其治疗方法己比较成熟。但是，由于传统的二维图像在疾病分析、诊断和手术规划时对立体结构表现不佳，因此，目前准确地诊治复杂的骨折仍然是对广大骨外科医生的一大挑战，在对形态不规则、结构复杂的部位进行手术时，术前精确的测量和手术规划的准确制定仍然是临床治疗过程中的一个难题【l6 1 。目前在创伤骨科中主要由c 臂x 线透视机来完成手术导航和规划，但多用在髓膝关节置换、椎弓根钉置入、颈椎前路手术、髓内钉锁钉置入、股骨颈骨折螺钉固定、骨盆骨折、膝关节交叉韧带重建等方面，而在四肢创伤骨科等其它方面应用较少【1 7 】。其缺点是规划结果不够精确、患者需长时间暴露在x 射线中、无法实现手术的微创化。随着当今计算机技术及其图像分析处理技术的飞速发展，计算机辅助的虚拟现实技术近年来取得了巨大的进步，已逐步开始应用于关节外科、神经外科、整形外科等领域，用来进行三维建模、有限元分析、术中导航以及术后疗效预测和评估等。其快速、准确、逼真的形态分析能力和功能模拟能力，展示了虚拟现实技术在外科领域的广阔前景，促进了外科向精确化、准确化、形象化的方向发展。在国外，s th a s s f e l d 等人开发了一种基于虚拟现实技术用于口腔和正颌外科的三维手术模型和手术规划系统，它利用c t 等数据图像和各种虚拟器械模型，重建软组织和骨络三维图像，在此基础上做手术计划、手术模拟和手术【1 8 j ；瑞典m e n t i c e 公司研制的p r o c e d i c u sm i s t 系统、s u r g i c a ls c i e n c e开发的l a p s i m 系统、德国卡尔斯鲁厄研究中心开发的v e s t 系统( v i r t u a le n d o s c o p i cs u r g e r yt r a i n i n gs y s t e m ) 、r e a c h i na b 技术公司开发的r e a c h i n 系统等在腹腔镜的培训方面已取得了良好的实际效果；神经外科领域主要有瑞士的m i n e r v a 系统和美国的n e u r o m a t e 系统等；英国c a e s a l 研究中心开发的j u l i u s 系统和z i b 实验室开发的a m i r a系统也具有良好的性能表现；英国s h e f f i e l d 研究所研制的膝关节镜培训模拟系统s k a t s和美国c a l i f o m i a 大学b e r k e l e y 分校开发的膝关节镜培训模拟系统更是比较有代表性的旧。但这些软件系统一般都存在对高性能硬件依赖程度较高的缺陷，且必须和硬件绑定使用，价格较高。在国内，众多高校和科研机构也都展开了相关研究，但大多集中于医学图像的三维重建及可视化、人体器官软组织变形建模等基础技术。国防科技大学的王勇军和解放军总医院军医进修学院的谭珂等应用s e n s a b l e 公司的p h a n t o m 力反馈设备开发了用于手术操作训练的鼻腔镜手术系统【1 9 j ；浙江大学c a d & c g 国家重点实验室一6 一大连理工大学博士学位论文的阎丽霞探讨了虚拟手术对象建模、软组织变形计算、实时处理碰撞检测等技术，并提出了相应的解决方案【2 0 j 。长期以来，计算机专家和骨外科专家共同致力于骨折手术规划和模拟系统的开发和研究，希望能够于术前在虚拟环境下得到断骨处精确的解剖参数以及目标贴合钢板的几何参数( 长度、角度等) ，以便在术前就对钢板实施预弯操作，从而实现手术的微创化，减小患者出血量，降低伤口的感染率，使患者能够更快地恢复健康。可是对于计算机辅助钢板术前预弯，国内外的相关文献较少，各位学者的研究思路和方法没有统一的路线，也没有提出清晰合理的处理流程。国外学者e l l i s 等从计算机导航角度提出了2 l 世纪计算机辅助矫正外科的工作展望【2 h ；t s a i 等从骨骼体数据操纵角度模拟了骨关节修复后的形态【2 2 】；国内学者f u 等讨论了计算机辅助骨科治疗的硬件系统模型【2 3 1 ；y a n g 等建立了骨折愈合过程的三维有限元模型【2 4 j 。上述研究工作在一定程度上推动了计算机辅助环境下骨科临床治疗的发展，但就计算机辅助钢板预弯技术而言，仍然没有给出一个合理的解决方案。1 3 计算机辅助骨科治疗的处理流程及相关技术简介计算机辅助环境下骨科术前规划的工作流程如图1 1 所示，处理过程中需使用到多种医学影像处理技术、现代设计模式及制造手段，诸如图像去噪、图像分割、模型三维重建与渲染、三维网格模型简化与分割、反求拟合技术和快速原型制造技术等，各种专门技术的简单介绍如下。( 1 ) c t 图像去噪c t 成像是一种基于x 射线的计算机断层成像技术。其噪声主要是量子噪声和电子噪声两方面，前者的产生主要是由于x 射线光子进入图像增强器的不均匀性造成；而后者与c t 管电流、管电压、层厚等物理因素有着密切的关系【2 5 , 2 6 1 。这些噪声的存在势必回_ 回_ 圉_ 匝熏圃i图1 1计算机辅助骨科术前规划工作流程f i g 1 1t h ef l o wc h a r to fc o m p u t e ra i d e do r t h o p a e d i c ss u r g e r yp r e o p e r a t i v ep l a n n i n g股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究影响医生的诊断以及后续图像处理，需要对其进行去噪处理。另外，为了突出图像中骨骼边缘的细节特征，还需对其进行必要的图像增强处理，为后续的建模、配准和规划等提供更清晰准确的图像数据。( 2 ) c t 图像骨骼分割在实现人体骨骼的三维可视化过程中，首要的一步是将骨骼从二维c t 图像中分割出来，即在图像中检测并勾画出感兴趣物体。图像三维重建和可视化都依赖于图像分割的质量。然而，图像分割一直是计算机图像处理领域中最困难的任务之一。由于骨骼的c t 值比其它组织的c t 值高，一般用阈值法分割骨骼能够取得较好的效果。但该方法对阈值的选取十分敏感，如果阈值选取过小，将会使许多其它组织的像素被误分割为骨骼像素；如果阈值选取过大，虽能保证分割出的像素为骨骼组织，但难以得到骨骼的细节部分。本文将在之后的章节中对c t 图像中骨骼的分割问题进行进一步的研讨。( 3 ) 骨骼三维重建三维重建及可视化是计算机图形学和图像处理在生物医学工程中的重要应用，也是本文中骨骼建模与显示的基础，其任务就是要恢复出蕴藏在三维体数据中骨骼结构的几何信息，从而更加方便地对骨骼结构进行定量分析、处理和显示。( 4 ) 三维网格模型可视化网格分割是指根据一定的几何及拓扑特征约束，将封闭的网格多面体分解为一组数目有限、各自具有简单形状意义、且各自连通的子网格片。它是骨骼三维模型关键数据点集提取的基础，同时也在特征数据点萃取过程中得到良好的应用。( 5 ) 计算机辅助治疗规划现代骨外科手术正向着微创化( 对病人而言) 、接触少( 对医生而言) 的方向发展。基本思路和方式是使用计算机完成对患者原始病灶数据的收集和骨骼的三维重建，在术前利用三维模型来辅助规划医生的手术思路，并提供切实可靠的参数指导，使得医生可以通过对计算机上图像的观察来了解手术的进程并实施手术。( 6 ) 基于c t 图像的反求工程与快速成型制造通过反求工程与快速成型制造技术的结合，设计师就可以根据特定患者的骨骼c t图像数据而不是传统的解剖学几何数据来设计并制造人工骨骼假体，这样极大地减少了人工假体设计的出错空间，并且这种适合每个特定患者解剖结构的人工假体能够保证一个更好的手术结果。在术前就制造出与患者良好配合的人工假体，可以帮助骨外科医生大大缩短手术操作的时间。这不但让患者缩短了麻醉时间，还能提高美观度，减少成本费用，避免术后并发症。因此，反求工程和快速成型制造技术在骨骼临床医学中的应用一8 一大连理工大学博士学位论文已成为学术界研究的一个新热点，研究基于c t 图像的反求建模和快速成型方法有着非常重要的现实意义和应用价值。1 4 三维模型及可视化技术综述人类在虚拟环境中对客观存在的事物进行分析研究时，需要建立相应的模型来描述该事物，这个过程叫做建模。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。模型描述了对象的属性、结构、变化规律以及各个组成部分之间的关系等，抽象的表示了客观事物。1 4 1三维模型表示方法三维几何模型按其描述和存储几何信息的特征，可分为线框几何模型、表面几何模型和实体几何模型三种。线框几何模型也被称为线架模型。线框几何模型是二维绘图系统的深度坐标( z 坐标) 延伸，是用三维物体的轮廓线即其外表面的棱边来表达物体的三维设计模型。因为它只存储物体外轮廓的框架棱边信息，所以内存需求量小，处理速度快。但线框几何模型在实际应用中暴露出来的缺点也是很明显的。首先，线框几何模型只能以线框类型方式显示模型，其所包含的三维几何信息太少，存在表达上的不确定性，在观察和设计模型时容易引起理解上的混淆。其次，像表面特性和体积特性这样的属性，线框几何