（机械制造及其自动化专业论文）面向仿生支架的医学图像处理技术的研究与应用.pdf

上海大学硕二l 学位论文 摘要 仿生制造技术是2 1 世纪先进制造领域中新的多领域交叉的边缘学科，是组 织工程、快速制造技术、材料工程、生物医学图像技术、计算机技术等相结合的 产：物，它的提出、建立和发展是对医学领域中组织、器官缺损和功能障碍传统治 疗方法和模式的一次革命性的挑战。 本文研究了仿生建模中的医学图像处理技术，其主要内容包括医学图像的读 取、医学图像的预处理、医学图像的分割及目标组织的提取等。 在医学图像数据的获取中，本文以d i c o m 格式作为医学图像的主要输入格 式，研究了不同的医学图像滤波方法和图像插值方法，并改进了中值滤波算法， 提高了计算速度，并对不同方法的效果进行了比较。 分割是重建模型正确表达重建的组织或器官的前提。由于分割的不适定性， 即没有一种通用的分割方法适用于任何图像的分割，因此本文针对医学图像的特 点，提出了相应的分割方法，即首先观察医学图像的直方图，交互选取闽值，将 图像二值化；然后根据目标组织的形态特征选取合适的形态学操作进行区域修 整：最后用区域增长法填充要提取的组织区域。 针对传统轮廓跟踪算法只能跟踪外轮廓的缺点，本文改进了该算法，实现了 多轮廓的跟踪，并对冗余轮廓数据进行简化。 本文提出了缺损骨支架的宏观建模方法，对缺损颅骨二维图像采取镜像布尔 运算后再三维重建。经大量实际案例的运行，验证了本方法的可行性和有效性。 在以上理论基础上，本项目组开发了一套缺损骨支架的三维重建系统，解决 了仿生制造中的瓶颈。该系统实现了医学图像的输入，预处理，分割与插值，缺 损颅骨的修复，三维重建，快速成型加工系统标准输入文件( s t l 格式文件) 的生 成等，并通过了上海软件中心的测试和验收。 关键词：仿生支架，快速成型，医学图像处理，边缘提取，图像分割 上海大学硕十学位论文 a bs t r a c t t h eb i o m a n u f a c t u r i n gi si n t e r d i s c i p l i n a r ys u b j e c ti nt h ea d v a n c e dm a n u f a c t u n g i nt h e2 l5 c e n t u r yi ti st 1 1 ec o m b i n a t i o no ft h et i s s u ee n g i n e e r i n 墨m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e s a n dm a t 舐a l e n g i n e e r i n ge t c ， a n dt h e p r o p o s a l ， f o u n d a t i o na n d d e v e l o p m e n tp r o d u c e sar e v o l u t i o n a r yc h a l l e n g et ot h et r a d i t i o n a ls u r g e t - ym e f h o d s a 1 1 dm o d e so nt i s s u ea 1 1 do r g a nd e f e c ta n dm a l f 血c t i o n t h i sd i s s e r t a t i o n ，m o s t l ys t u d i e s 吐1 et e c h n o l o g yo fm e d i c a li m a g e sp r o c e s s i n gi n b i o m o d e l i n gt h em a i nc o n t e n t si n c l u d ei n p u to fm e d i c a li m a g e ，p r e p r o c e s s i n g ， s e g m e n t i n ga n de x t r a c t i n gt i s s u e so ro r g a n so f b o d y ，r 印a i r i n gd e f 色c t b o n e d i c o m 丘l ei st h em a i nf i l ef 0 n a to fm e d j c a li m a g e ，t h ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h d i f r e r e n t6 1 t e r i n gm e t h o d sa n di n t e r p o l a t i n gm e m o d s ，i m p r o v em e d i u mf i l t e r i n g a l g o r i t h ma n dc o m p a r e sd i 髓r e n te f f e c t e x a c ts e g m e n t a t i o ni sap r e c o n d i t i o nt h a tr e c o n s t r u c t i n gm o d e lc a nr 印r e s e m t i s s u ea n do r g a ne x a c t l yo w i n gt oi n 印p l i c a b i l i t yo fs e g m e n t i n g ，w h i c hl h e r ei sn o u n i v e r s a lm e t h o dw h i c hc a nb ea p p l i e di ne v e r yi m a g es e g m e m i n 蜀ac o r r e s p o n d i n g s e g m e n t a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d m e t l l o di sp r e s e n t e d t h es e g m e n t a t i o np m c e s s c o n s i s t so ff o l l o w i n gs t e p s ：c r e a t i n gt h et h r e s h 0 1 dv a l u e sa f t e ra n a l y z i n gt h e 铲a y 一1 e v e l h i s t o 掣a m s ；c b o o s i n gt h et h r e s h o l dv a l u e si n t e r a c t i v e l y ；b i n a r i z i n gt h ei m a g e su s i n g t h et h r e s h o l d ；p r o c e s s i n gt h ei m a g e su s i n gp r o p e r l ym a m e m a t i c a lm o r p h 0 1 0 9 y o p e r a t i o na c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo ft i s s u e so rr e g i o n st oe x t r a c t ；a 1 1 df i l l i n gm e r e 百o n su s i n gs e e dm 1a l g o r i t i n l p r o v ec o n t o u rt m c i n ga l g o r i t h mt oi m p l e m e n tm u l t c o n t o u rt r a c i n gd i s s e r t a t i o n ， a n da b b r e v i a t er e d u n d a n c yd a t ai nt h i sd i s s e n a t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c eam e t h o do fr e p a i “n gd e f e c tb o n em e d i c a li m a g e sb y m i r r o ra n db 0 0 1 e a n0 p e r a t i o n t h em e t h o di sr e l i a b i l i t ya n df e a s i b i l i t yb yr u nm a n y p r a c t i c ec a s e s a t1 a s t ，t h i sd i s s e r t “o ni m r o d u c e st h ee x p l o i t a “o no ft h ed e f e c tb o n e3 d 上海大学硕士学位沦文 r e c o n s t n i c t i o ns o f h a r es y s t e m t h i ss o r w a r ep r o v i d e st h ef u n c t i o n sf o ri n p u t t i n go f m e d i c a l i m a g e s ，p r o 一矿o c e s s i n 岛s e g m e n t i n g a n d i n t e r p o 】a t i n g ， d e f e c tb o n e r e p a i r i n g ，3 dr e c o n s t r u c t i o na n ds t lf i l ew h i c hl s as t a n d a r di n p u t t i n gf o r m a to fr p s y s t e m ，a n ds oo n i th a sb e e nt e s t e da n dc e n i 矗c a t e db ys h a n g h a js o f t w a r et e s tc e m e r k e y w o r d s ：b i o n 记s c a f 南1 d ，r a p i d p r o t o t y p i n g ，m e d i c a li m a g e sp r o c e s s i n g ，e d g e e x t r a c t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o n 上海大学硕士学位沧文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 她 日 期： 翌妊篁旦 旦 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和查阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签 名：避导师签名： 日期：i ：望：l i l l 剑叁2 上海大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题得到上海市科委基础重点项目：基于快速成型技术的仿生制造方法 ( 项目编号：0 2 j c l 4 0 3 3 ) ，上海市教委重点项目：基于粉末烧结成型技术的骨组 织工程可降解支架( 项目编号：0 3 a z 0 1 ) 和上海市科委专利二次开发项目：基于 c t 图像的仿生支架生成系统( 项目编号：0 3 7 2 5 2 0 0 8 ) 的资助。 1 2 研究背景与意义 我国是一个人口大国，因创伤和疾病造成的组织、器官缺损和功能障碍位居 世界之首。据统计，我国肢体患者有1 5 0 0 万人以上，其中由于缺乏重建手术和 材料，已有3 0 0 万人截肢；全国每年因各类交通事故、骨科疾病等因素，造成骨 缺损的患者有3 0 0 万人，骨骼不健全的人数有上千万，这些人急需得到妥善治疗。 组织或器官的功能障碍或丧失，是人类健康面临的重要危害之一，也是人类疾病 和死亡的最主要原因。目前，在传统的骨科医疗手术中，人体上小段骨的损伤可 以使用手术的方法，通过人体生物组织的再生( 成骨细胞的繁殖和爬行) 来进行 修复，使受损的骨组织自行恢复。但是，一旦超过3 0 m m 以上的大段骨的修复， 仅仅通过骨骼自身的生长是不能自行弥补的。 目前，i 临床上对于大面积骨缺损的治疗，主要采用自体骨嫁接或异种骨移植， 或者广泛采用金属合金、高分子聚合物等各种人工骨替代材料。然而，自体骨供 应来源有限，而异种骨具有抗原性，会因剧烈的免疫排斥反应导致植入失败，而且 还存在感染疾病的风险。而广泛使用的各种骨替代材料，在生物和力学功能上总 是不尽人意。人体骨自身经过亿万年的自然选择，具有无与伦比的强韧性、功能 适应性和对损伤的自愈合能力，无论从形态学还是从力学观点来看，天然骨都具 有人工合成材料所无法比拟的优势。 随着生物医学、材料科学、计算机及先进制造技术的迅速发展以及人们生 活水平、医疗保健、康复技术的提高，人们对人体组织、器官及骨骼缺损的修 上海大学硕士学位论文 复和替换等方面的要求日益迫切。针对这一需求，研究者提出了一种新的解决 方案一仿生制造。仿生制造是先进制造技术的一个分支，是传统制造技术与生 命科学、信息科学、材料科学等领域结合并采用生物形式制造或以制造生物活 体为目标的一种制造方法。仿生建模( b i om o d e l i n g ) 或称为计算机辅助组 织建模( c o m p u t e ra i d e dt i s s u em o d e l i n g ) 主要包括宏观建模与微观建模。 仿生建模的对象包括器官( 如骨、软骨、肌腱等) 内部微观组织的构造和外部 结构的重建，其最终目的是构建既有外部宏观结构又有内部微观多孔结构的仿 生支架( s c a f f o l d ) 模型。通过计算机技术、材料工艺以及快速成形技术等个 性化地制造出能适合种子细胞生长、繁衍并能自我吸收、降解的仿生支架。 仿生支架源于组织工程的要求。组织工程( t i s s u ee n g i n e e r i n g ) 是1 9 8 7 年由美国国家科学基余会提出的，是研究和开发能够修复或复建损伤组织和器 官的结构，维持或改善组织器官功能的人工替代物，是门综合了细胞生物学、 工程学、材料学和临床医学领域知识的新兴学科。1 。因此从组织工程领域的提 出至今，只有1 0 多年的历史，它仍处在发展的萌芽阶段，1 日以预料它在2 1 世 纪能够真正造福于人类。 仿生支架的研究是骨组织工程研究的主要问题之一。仿生支架的作用是它 能够创造一种微环境，以利于细胞的粘附、增殖和功能发挥。它是，一种极其复 杂的非均质多孔结构，是一种充满生机的蛋白和细胞活动、繁衍的环境。它要 求有与人骨在功能梯度上相一致的材料结构、几何结构和生理功能。组织工程 技术是未来解决组织修复和重构的最佳方法。美国从1 9 8 8 年起，就由国家科学 自然基金会( t h en a l i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ) 提供资助建立了一系列组织 工程实验室。紧随美国之后，欧洲、日本等国家与地区也先后开展了组织工程 研究。现阶段，组织工程的研究领域涉及多种哺乳动物的几乎所有器官的不同 组织。 国内组织工程学研究正式起步与1 9 9 4 年，先后由国家自然科学基金、国家 教委、卫生部以及国家“8 6 3 ”重大基础研究基金资助，进行了组织工程相关的 基础性研究。1 9 9 8 年国家“9 7 3 ”重点基础研究计划正式将“组织工程的基本科 学问题”研究课题立项，标志着国家已将组织工程的研究列为高新技术领域的 重点发展项目。在短短几年时问中，国内的组织工程研究已形成覆盖面j 、多 上海大：学硕士学位论文 学科踟作攻关、重点突破的发展格局。而目前对于预制模仿人体具有三维空问 结构的组织工程化的骨组织研究在国内仍处于起步阶段。组织工程产业具有很 大的市场潜力，只有将支架材料、分化的细胞以及生长因子有机地结合起来才 能开发出组织工程产品，以满足临床应用的需要。这将面临许多技术挑战，如 何研究与开发相应的支架与生物材料，以适应各种应用的需要，使组织工程产 品安全目有效是开发新型组织工程产品的关键。 快速成型( r p ：r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术是二十世纪八十年代末发展起来 的一种先进制造技术。r p 技术可以制造任意复杂形状的三维实体，在制造仿生 骨骼外形和微细结构方面有着其它传统工艺不可比拟的优势，能够很好地解决 各种传统工艺在成形多孔细胞载体支架结构方面存在的各种问题，实现个性化 的要求。对医学断层图像的三维重建技术是r p 技术在生物医学领域的应用的前 提技术，而在三维可视化前，必须采用图像处理和分析技术对二维断层医学图 像进行去噪、增强及边缘检测等预处理，在一定程度上弥补成像设各的不足， 改善图像的质量，提高二维断层图像的清晰度，充分挖掘医学图像中的有用信 息，从而尽可能满足三维可视化，尤其是三维体绘制技术的准确性要求。采用 r p 技术制造多孔细胞载体仿生支架，是一个全新的研究领域，它依赖于先进制 造技术、计算机技术、组织工程、医学图像处理与分析技术的进步。由于先天 或后天的原因造成的各种疾患，给患者和家庭造成极火的心理负担和生理痛苦。 总之，骨缺损仿生支架的建模是后续骨缺损仿生支架的制备、组织培养， 以及临床等必须首先要解决的问题，特别是实现产业化必须解决的技术问题之 。骨缺损仿生支架的建模技术的实现，为仿生制造技术、组织工程技术的临 床应用奠定了良好的基础。 1 3 国内外研究概况 医学数据三维重建及可视化技术是采用r p 技术制造多孔细胞载体仿生支架 的前提技术。 7 0 年代，由于受当时计算机断层扫描技术发展水平的限制，切片的厚度和 切片之间的间距都很大，因此早期的研究工作主要集中在轮廓连接的表面重建。 这一时期，三维重建的基本思想已初步建立起来，但由于当时计算机的存储量还 上海大学硕士学位论文 比较小，c p u 的运算速度比较慢，因此处理大容量的多层医学图像显得力不从心， 而且图像显示质量比较低。 8 0 年代，三维可视化技术迅速发展起来。在这十年中，各种影像技术不断 出现，如核磁共振成像、超声、正电子辐射断层摄像( p e t ：p o s i t r o ne m i s s i o n t o m o g r a p h y ) 和单电子辐射断层摄像( s p e c t ：s i n g l ep h o t o ne m is s i o nc o m p u t e d t 。m 。g r a p h y ) 等影像技术逐渐成熟，他们能产生高分辨率低噪声的三维图像。此 外，计算机的性能大幅提高，计算机图形学技术也不断成熟，这些都极大地促进 了体数据三维可视化技术的发展。在这一时期，研究人员提出了大量优秀的算法， 使三维显示的速度和显示质量都取得了巨大提高。 9 0 年代三维重建技术逐渐趋向实用化，相继出现了一些成熟的产品，临床 应用越来越广泛。三维医学图像较之二维图像有着无可比拟的优势，它可以为医 生提供直观、清晰的器官和组织的三维结构信息，辅助医生准确、科学的确定病 变体的空间位置、大小、几何形状以及与周围组织之间的空间关系，这些使得三 维医学图像在医疗诊断、手术规划与模拟、放射治疗、医学教学和研究中发挥重 要作用。 1 3 1国外研究现状 发达国家对医学图像三维重建及其可视化十分重视，投巨资进行研究。三维 医学图像处理软件在国外已经推出了一些商用系统，但绝大部分都需要运行在工 作站上，对硬件配置要求相对较高，或者与医疗设备捆绑销售。有的是一个独立 的系统。例如，加拿大的a 1 1 e g r 。系统，它可以根据用户需要，与不同厂家的 c t 扫描设备或核磁共振仪相连接。有的则是这类医疗设备的一个组成部分。例 如，以色列爱尔新特公司( e 1 s c i n t ) 、美国通用电器公司( g e ) 出产的螺旋c t 扫描 设备均附有基于图形工作站的医学图像可视化系统。在将多层c t 扫插图像和m r i 图像输入计算机以后，该系统可以沿x ，y ，z 三个方向逐帧显示输入的图像，可 以用不同方法构造三维形体，可以对三维图像由外向内按层剥离或作任意位置的 剖切以观看内部结构。也可以随着鼠标器的移动作实时的平移、旋转、放大或缩 小。此外，还有测量距离、计算体积等功能。另外，还有美国s t a r d e n t 计算机 公司推出的a v s 系统，美国俄亥俄超级计算机中心开发的a p e 系统，美国宾州大 上海大学硕士学位论文 学开发的3 d v i e w n i x 系统、美国生物动力学研究中心开发的a n a l y 5 e 系统和德国 汉堡大学开发的v o x e 卜m a n 系统和德国达姆斯达特f h g a g d 研究中心开发的 v i s a v i s 系统等。很显然，具有如此强大功能的三维医学图像系统将给渗断和 治疗提供极大的方便。但是，它需要计算速度很高、存储容量很大的计算机系统， 连同软件在起，其价格是非常昂贵的。这方面的研究正方兴未艾，目的是建立 功能齐全、实时便捷、价廉的三维医学图象数据分析与显示系统。人体组织与器 官的三维成像技术在现代i 临床医学中起着越来越重要的作用。 目前，国外三维重建技术的研究正朝着与临床应用结合，专用三维显示硬件 以及与虚拟现实技术结合等几个方向发展。加速研究中的一个重要工作是美国 s t a n f o r d 大学的p l a c r o u t e 博士1 9 9 4 年在s g ii n d i g o 工作站j 二取得的，他提 出用s h e a r w a r p 算法来对体绘制进行加速，对分辨率为2 5 6 2 5 6 2 5 6 的中等 规模体数据的体绘制速度约1 帧秒，取得了很大的进展。奥地利的v 1 e n n a 大学 的研究小组在三维重建方面作了大量的工作，他们的工作主要是针对微机平台开 发三维重建系统。1 9 9 9 年，该小组成员l m r o z | 尊士在研究最大密度投影算法时， 提出去除对重建结果不产生影响的体素。在p i i 3 3 3 微机上对有7 4 层的分辨率 为2 5 6 2 5 6 的体数据去除了4 6 的体素，需耗时2 0 8 秒，对预处理后的体数据 获得一帧重建结果需2 1 2 毫秒。他也对体绘制模型作了研究，2 0 0 0 年提出采用 两层体绘制模型( t w o l e v e lv o l u m er e n d e r i n g ) ，在对体数据做三维重建时融合 最大密度投影( m l p ) 和直接体绘制( d v r ) 两类绘制模型来进行重建，取得很好的绘 制效果。 在采用硬件加速方面，美国n e wy o r k 大学的h p f i s t e r 博士提出采用并行 处理技术来实现光线追踪的体绘制，1 9 9 7 年提出了专用的硬件结构c u b e 一4 ，1 9 9 9 年开发出了v o l u m e p r o 体绘制加速卡，实现了对中等规模的体数据的实时重建， 速度达到3 0 帧秒。 此外，国际上在医学图像三维重建研究方面的另一个重要项目是1 9 9 1 年开 始进行的虚拟人( v i s i b l eh u m a n ) 研究。计算机断层扫描与核磁共振技术使获取 人体内部数据成为现实，而三维重建技术可以将一组二维c t 图像或m r i 图像重 建成三维人体结构，从而使得对人体的三维建模观察成为可能。对虚拟人的研究 领域在我国也取得了很大的成果，美国的女虚拟人有5 0 0 0 余层切片，切片间距 上海大学硕士学位论文 为o 3 3 m m ，全部数据量多达3 g g b y t e s 。韩匡】虚拟人的切片间距是o2 m m ，而中 国数字虚拟人l 号的切片间距仅为o 1 m m ，共包含1 6 万层切片。虚拟人在基础 医学研究、医务人员培训、医学教育、国防、航天航空、体育、影视、汽车制造 等诸多领域有着广阔的应用前景。通过对虚拟人进行三维重建，可提供丰富的人 体结构和功能数据，大大地促进对三维重建的研究。 在应用快速成型技术建立医学模型方面，无论从项目上数量j 二还是从规模卜 欧洲都是世界领先的。其主要研究项目之一是p h i d i a s 计划，有设在比利时鲁文 天主教大学( c a t h o cu n i v e r s i t yo fl e u v e n ) 科技园内的快速成型服务局的 m a t e r i a l i s e 主持。比利时m a t e r i a l is e 公司是全球最大的快速成型服务商， 也是最大的医疗应用服务商，而且该公司的医学图像三维建模软件m i m i c s 是世 界上最具有影响的软件之一，该软件不仅有质量很高的组织重建效果，而且能对 缺损的颅骨能进行简单的修复构建修复体模型，但是还不能进行修复体的微结构 的建模，目前正在开发c t 核磁共振技术的快速成型接口软件，以及从事医学应 用的快速成型制作。英国z e n e c a 公司为陔项目开发新的光敏树脂材料，现在许 多诊所医院和大学医疗研究部门参加了该项目的研究。 另外，欧洲国家定期就快速原型医学应用举办研究会，如两年一次的国际快 速成型医学应用研讨会和每年一次的p h i d i a s 光敏树脂选择性固化模型制作研 讨会。 据统计，快速成型技术在医学领域的应用已经占整个应用领域的1 2 左右， 美国、澳大利亚、新加坡、日本等过已经在该领域取得了显著的成果。欧洲国家 在快速成型方面的合作组织( e a r p ) 也将医疗领域的应用列为5 个主要方面的工 作之一。 快速成型技术在医学领域主要应用在头颅整形、头颅和颌面部肿瘤、骨盘骨 折、髋关节发育异常、脊柱损伤、鼻修复、畸牙矫正手术、先天性和后天形足畸 变等整形外科和假体工程领域。近几年来，在美国、德国、日本等发达国家的著 名大学、国家实验室及各大公司的研发部门中，计算机可视化理论和方法的研究 f 分活跃，带动图像二维预处理技术了有了较大的发展。自九十年代以来，借助 计算机图像处理与分析、计算机图形学、虚拟现实和计算机网络等技术的医学图 像分析一直是国内外研究与应用的热点。1 9 9 1 年起，美国每年召开的可视化学 上海大学硕士学位论文 术会议并出版论文集；1 9 9 5 年，美国的i e e e 刊物中增加了新刊物“i e e e t r a n s a c t i o no nv i s u a l i z a t i o na n dc o m p u t e rg r a p h i c s ”，其中每年都有大量 的关于医学图像分析处理的论文发表。在发达国家，随着科学计算可视化技术的 发展，对图像二维预处理的要求越来越高，使得医学图像分析处理技术也得到了 较大的进展。目前国外的一些可以显示三维医学图像的商业化系统，如加拿大的 a 1 1 e g r o 系统，美国a b l es o f t w a r e 公司开发的3 d d o c t o r 系统等，对所需要三 维显示的医学切片图像也有着比较完善的二维预处理过程，较好的反映人体组织 器官及感兴趣区域的信息，并基本做到了重建的实时性。 1 3 2 国内研究现状 我国对医学图像三维重建的研究始于9 0 年代，目前尚处于起步阶段。比较 活跃的研究小组有：浙江大学的c a d c g 国家重点实验室，东南大学罗立民带领 的影像科学与技术实验室，中科院自动化所的田捷博士所带领的研究小组，中科 院软件所吴恩华教授的图形学小组和清华大学计算机系唐泽圣教授的图形学小 组等，上海大学快速制造工程中心胡庆夕教授对骨骼的医学断层图像进行三维重 构，然后利用c a d 建模技术和逆向工程技术构建骨骼缺损修复体模型“，虽 然本中心利用三维重建技术结合传统的c a d 建模技术已经可以设计出符合组织 工程的骨缺损修复体的模型，而且申请了专利，但上述方法需要熟悉c a d 建模方 法的专业技术人员，这是实现骨缺损修复的产业化的瓶颈，在此基础上，上海大 学利用软件开发技术将医学图像、三维重建和c a d 建模技术进行集成，研究由骨 骼医学断层图像来构建人体骨骼缺损修复体模型微结构的方法，开发专门的修复 体构建系统。目前，上海大学快速制造工程中心与比利时m a t e r i a l i s e 公司合作， 共同在上海大学建立了 i a t e r i a s e 公司在中国的c e n t e ro fe x c e l l e n c e ，进 行多方面的合作。国内虽然开发了些实验系统，但是到目前为止国内尚无成熟 的商用系统，多数产品还依赖于进口，因此，开展骨缺损三维重建方面的研究和 系统开发，具有重要意义。 在国内，许多大学和公司在快速成型在医学上的应用也做了大量的研究。清 华大学采用喷射方法，将生物材料低温环境中堆积成型，制成多孔大段人工骨的 细胞载体框架，并进行了动物实验，结果表面框架能有效的降解”“。西安交通 上海大学硕士学位论文 大学与第四军医大学合作，研制利用快速成型系统制造人工活性骨，这种使用活 性材料制造的骨骼模拟生物骨微空洞结构，可以植入人体与身体生长在起，取 代人体骨骼”。上海大学和上海组织工程研究与开发中心合作，利用光固化 立体造型( s l a ：s t e r e o l i t h g r a p h ya p p a r a t u s ) 技术、选择性激光烧结( s l s ： s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ) 制造缺损骨支架，其材料是具有生物活性的仿生材 料，其内部结构是宏观和微观的孔结构“”“。 1 4 本文主要工作 1 4 1 主要研究内容 本文主要研究内容为从原始医学c t 数据出发，根据其数据结构( d i c o m 标 准) 的特点，获得了人体不同组织的灰度表达，经过滤波、闽值变换、轮廓跟 踪及提取，轮廓简化等处理后，得到较好的图像数据并提取医学图像的轮廓特 征。利用移动立方体法( m c ：m a r c h i n gc u b e s ) ，对图像进行重建，并能对缺损 部位镜像补缺，最后利用快速成型技术制作出带有微孔结构的缺损部位模型。 研究内容如图1 1 所示。 上海大学硕士学位论文 图11 研究内容 三维可视化技术是整个项目的关键和核心，二维图像处理技术是三维可视化 技术的基础，二维图像处理效果的质量，直接影响三维可视化效果。本文的目的 是为了解决项目中的二维图像处理技术的关键问题，从而保证三维可视化的准确 性要求，并在保证三维重建质量的前提下，对补缺的模型进行快速成型制造。 本文的主要工作包括医学二维图像处理的关键技术及可视化研究，其中关键 技术包括：图像的增强，组织器官及感兴趣域( 病灶等) 的特征提取，以及对缺损 颅骨进行修复等。 上海大学硕二e 学位论文 1 4 2 本文的章节安排 本论文分为六章，安排如下： 第一章：绪论。概述了本课题的来源和意义，以及国内外的研究现状，并给 出了本论文的主要研究内容。 第二章：医学c t 图像描述方法。介绍了c t 成像原理和c t 图像的获取，并 对d i c o m 标准及相应的格式进行了解析。 第三章：医学c t 图像预处理技术。详细介绍了对c t 图像的预处理：灰度变 换、滤波处理。阐述了断层图像之问的插值和三维的规则体数据的封装，以及对 缺损图像的二维处理，并对传统的中值滤波算法进行了改进。 第四章：图像分割及轮廓提取。着重介绍了c t 图像的分割，以及轮廓跟踪 和提取，并对轮廓数据进行简化和输出，改进了传统轮廓跟踪算法。 第五章：缺损骨支架三维重建系统。介绍了重建系统各个功能模块，论述了 重建系统的程序流程，并给出了重建系统的界面，最后将其应用于实践并进行验 证。 第六章：结论与展望。对全文的主要工作进行总结，讨论了本文的研究成果， 分析研究不足并提出今后的研究方向展望。 上海大学硕士学位论文 第二章医学c t 图像描述方法 2 1c t 成像原理简介m 1 2 1 1c t 成像的基本概念 计算机断层摄影( c t ：c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 是近十年来发展迅速的计算机 和x 线相结合的一项新颖的诊断新技术。其主要特点是具有高密度分辨率，比普 通x 线照片高1 0 一2 0 倍，能准确测出某一平面各种不同组织之间的放射衰减特性 的微小差异。以图像或数字将其显示，极其精细地分辨出各种软组织的不同密度， 从而形成对比。如头颅x 线胶片不能区分脑组织及脑脊液，而c t 不仅能显示出 脑室系统、还能分辨出脑实质的灰质与白质：如再引入造影剂以增强对比度，对 其分辨率更为提高，故而加宽了疾病的诊断范畴，还提高了诊断正确率。但c t 也有其限制，如对血管病变，消化道腔内病变以及某些病变的定性等，尚无法呈 现可清晰辨别的诊断特征。 近年来，由于c t 装置、成像软件及扫描技术的不断更新和改进，出现了c t 电影，c t 血管造影，超高速c t ，高分辨率c t ，螺旋c t 等技术，使得c t 技术在 临床的许多领域得到应用，提高了诊断的准确度和可信度。 2 1 2 基本原理 一、x c t 设备的主要结构 x c t 检测设备主要由以下几个部分组成： x 射线源及相应的高压发生器和电气控制器； 准直器，控制x 射线束的张角和厚度； x 射线探测器，其中包括： a ) 小电离室气体受x 线照射发生电离，导电性改变； b ) 固态探测器，由固态闪烁晶体将x 射线转变为可见光； 过滤器，x 射线产生后先经过金属过滤器，去除x 射线中穿透能力差的 上海大学硕士学位论文 低能部分，厚度不均匀的过滤器可以补偿人体的不均匀厚度，从而可以减少对患 者的照射量； 计算机系统，负责对x 射线源及扫描装置的控制，采集投影数据，重建断 层图像。 二、c t 的成像过程 c t 成像大致可以分为以下几个阶段。 1 扫描阶段 c t 图像的产生首先由扫描阶段开始。在此阶段，一束细的扇形x 射线束投 射穿过人体一个预成像的侧断面( 层面) 。穿过此断面的辐射由探测器阵列测量。 这些探测器“看”不到身体断面的完整图像，而只能从某个方向“看”到断面像。 剖面像上的数据就是对从x 射线管发出的、穿过人体延伸到达各个探测器的各x 射线的测定。 为了获得足够的信息以产生完整的图像，x 射线束必须围绕身体断面旋转 ( 扫描) ，以便从各个角度侧视。一般要进行数百次侧视，每次侧视的断面图数据 都存储在计算机的存储器中。每次扫描过程中进行的穿透测量的总次数等于侧视 次数和每次侧视的x 射线数的乘积。每个层面的总扫描时间约卜1 5 s ，这取决于 扫描机械设计和操作者对扫描变量的选择。一般来说，采用较长的扫描时间可以 使图像质量得到改善。 2 图像重建阶段 图像重建是把各次扫描侧视的扫描数据转换为数字图像的数学过程。图像是 由各个图像的像素的矩阵构成的。每个像素是由一个c t 值来表示。每个像素的 具体值是用与每个像素中组织的线性衰减系数有关的数值表示的。从原则上来 说，重建过程首先是计算每个体素的衰减系数，然后将其转换为一个合适的图像 像素值。这种像素值就称为c t 值。 c t 值和相应衰减系数值之间的关系如下： 日，：丝二巫。1 0 0 0( 2 1 ) 一 h2 0 其中，h 。，为图像的像素值，即每一点上的c t 值，“为当前点组织的衰减 系数，。、。是水的衰减系数。 上海大学硕十学位论文 水是用来作为测定c t 值的参考物质。根据式( 21 ) 给出的定义，水的c t 值 为o ，衰减系数值大于水的物质的c t 值为正；衰减系数小于水的物质c t 值为负。 设检测器检测出x 射线源发射出的射线的强度为五，经过物体衰减以后到达 检测器的x 射线强度为。将x 射线源与检测器在观测平面内不断同步改变位置， 得到关于射线强度了的若干组数据。如果数据是均匀的，物体对x 射线的线性衰 减系数卢= 常数。设强度为厶的射线在物体中行进距离x 后衰减至，由b e e r 定理 有 ，= ，o 已叫“( 2 2 ) 或 肛= 1 n ( ，0 ，) ( 23 ) 若物体在待测的叫平面内是不均匀的，则= ( 工，j ，) 。此时x 射线在某一方 向沿某一路线l 的总衰减可以用下面的线积分来表示。 【 刎= l n ( 厶，) ( 2 4 ) 称式( 2 4 ) 为射线投影。若未指明路径，只指明方向则称为投影，投影是一 组射线投影的集合。 根据测得的一系列，和厶来求( x ，y ) 。求得的( x ，y ) 仅是一个离散的二元 函数，通过转换成c t 值，经模数转换器转换成图像信号，由电视屏以不同灰度 等级或色彩显示出来或拍摄下来，这就是投影重建。 将式( 2 4 ) 所得到的值离散化有 i 讲= 1 n ( 厶，) 卫马h = l n ( ，0 ，) ( 2 5 ) 其中：f 表示体素的坐标，j 表示接收器的接收数据。 为了便于理解式( 2 5 ) 的含义，下面我们给出一个简单的c t 成像原理示意图 如图2 1 所示。 上海大学硕士学位论文 方向1 医丽 1 - 。j 一 ：“2 一 j ：4 方向2 l 卢2 3 卢d 图2 1 c t 成像原理示意图 ( b ) 方向2 上的信号发射与接收 假设一个c t 断层面有四个像素，则通过两个方向接收到的射线信号，是若 干个像素值的叠加信号。因此，可以通过下面的方程组来表示。 由上面的方程组求得衰减系数般( f - 1 ，2 ，4 ) 之后，根据式( 2 1 ) ，可以得 到以上四个体素的c t 值。 3 图像视频转换阶段 该阶段是把以c t 值描述的断层像素数据，以适当的窗宽、窗位，转换成目 前显示器所需要的2 5 6 灰度级的数字图像显示，数字图像序列则又可转换为视频 显示，并且可将直接观测到的图像记录在胶片上。此阶段是由具有数模( 视频) 转换器功能的电子部件完成的。在所显示的图像中像素的c t 值和灰度值的映射 关系是由操作者所选用的窗位决定的。通过窗位高低的调节，可调节所显示的图 像的亮度和对比度。窗宽的设定就确定了布满整个图像灰度值的c t 值的范围。 圄囹 牌黑 6o o ) ) ) ) ； 厶 厶厶眦衄眦m = = i i = 3 4 2 4 n “n + + + + “地“地 上海大学硕士学位论文 2 1 3c t 图像的特点 c t 图像是由一定数目由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成。这些像 素反映的是相应体素的x 线吸收系数。不同c t 装置所得图像的像素大小及数目 不同。大小可以是1 o 1 o m m ，o j 0 5 m m 不等；数目可以是2 5 6 2 5 6 ，即6 5 5 3 6 个，或5 1 2 5l 2 ，即2 6 2 1 4 4 个不等。显然，像素越小，数目越多，构成图像越 细致，即空间分辨力高。 厩_l l 0 0 0 图22 人体成分c t 值分布”5 c t 图像的空划分辨力不如x 线图像高。c t 图像是以不同的灰度来表示，反 映器官和组织对x 线的吸收程度。与x 线图像所示的黑自影像一样，黑影表示低 上晦大学硕士学位论文 吸收区，即低密度区，如肺部；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。但是 c t 与x 线图像相比，c t 的密度分辨力高，即有高的密度分辨力。因此，人体软 组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是c t 的突出优点。所以，c t 可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、纵 隔、肺、肝、胆、胰阻及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的 影像。如图2 2 所示为人体成分c t 值分布。 2 2dic o m 标准及相应的文件格式m 删 2 2 1d lc 0 m 标准 d i c o m 是d i g i t a li m a g i n ga n dc 。咖u n i c a t i o no fm e d i c i n e 的缩写，是美 国放射学会( a c r ：a m e r i c a nc o l l e g eo fr a d i o l o g y ) 和美国电器制造商协会 ( n e m a ：n a t i o n a le l e c t r i c a lm a n u f a c t u r e r sa s s o c i a t i o n ) 组织制定的专门用 于医学图像的存储和传输的标准名称。经过十多年的发展，该标准己经被医疗设 备生产商和医疗界广泛接受，在医疗仪器中得到普及和应用，带有d i c o m 接口的 ，算机断层扫描( c t ) 、核磁共振( m r ) ，心血管造影和超声成像设备大量出现，在 医疗信息系统数字网络化中起了重要的作用。 2 2 2d ic 0 m 传输语法及数据类型 一、传输语法 传输语法定义了以下三个方面的内容： 数值表示法的指定； 多字节数存储或传输的字节顺序，这是是低位字节先存储或发送( l i t t l e e n d i a n ) ，还是高位字节先存储或发送( b i ge n d i a n ) ； 封装情况下的压缩格式，是采用j p e g 还是r l e 的压缩算法，是有损方式 还是无损方式等。 例如，对于一个3 2 位无符号整数1 2 3 4 5 6 7 8 h ，在l i t t l ee n d i a n 方式下的 字节顺序为7 8 ，5 6 ，3 4 ，1 2 ，而在b i ge n d i a n 方式下的字节顺序则为1 2 ，3 4 ，5 6 ， 7 8 。如图2 3 所示给出了该示例的传输语法示意图。 上海大学顶十学位论文 l i t t l ee n d j a n b 1 9e n d i a n 双字 低8 位高8 位 低8 位高8 位 高8 位 低8 位 高8 位 低8 位 ( 4 b y t e s ) 低1 6 位 高1 6 位 高1 6 位 低1 6 位 低8 位高8 位高8 位低8 位 ( 2 b y t e