（机械设计及理论专业论文）逆向工程技术在膝关节三维造型的研究.pdf

摘要 医学图像的三维重建是医学数据三维可视化研究的主要内容，也是科学 数据可视化研究的一个重要分支。医学图像的三维重建是把医学图像信息以 三维方式显示出来，可以给医护人员提供更直观、更完整的医学信息，在临 床疾病诊断、临床治疗和医学基础研究方面有重要的实用价值。作者在本论 文中通过对逆向工程技术和医学图像三维重建的理论基础进行了深入全面的 分析和讨论，研究了基于c t 片的膝关节三维重建技术。由于膝关节的多样 性以及复杂性，至今仍缺乏有效的办法精确地获取每个患者的膝关节几何参 数及三维造型。本文针对这个问题，提出了自己的一套新的思路和方法。 本文对c t 图象处理技术的应用进行了研究。介绍了c t 设备、成像原 理及其图像的特点，研究了图像处理在c t 图像上的应用。通过图像处理技 术，在计算机上对c t 图像进行轮廓识别和数字化处理，准确地生成膝关节 特征结构轮廓。利用一种移动最小二乘法的拟合思想，利用逆向工程专用软 件i m a g e w a r e ，由断面轮廓线构造膝关节表面的曲面，完成膝关节三维实体 的真实重建，获得了膝关节真实的三维几何参数。在重建过程中，本文很好 地解决了轮廓线定位、样条化光顺、曲面分型等问题，保证了三维模型的精 确度。 本文还对逆向工程及其相关的曲面重构方法进行了阐述。弗着重对一种 基于移动最小二乘( m o v i n gl e a s t s q u a r e s ，m l s ) 法的曲线曲面拟合方法在膝 关节曲面重构的应用进行了研究。这种方法对传统的最小二乘( l s ) 法的作了 比较大的改进，使生成的曲线曲面具有精度高、光滑性好等许多优点。详细 介绍了移动最小二乘法的原理、应用和特点，并且给出了使用移动最小二乘 法进行曲线曲面拟合的设计流程。 通过对c t 图象处理技术和逆向工程及其相关的曲面重构方法的研究， 准确地获得了膝关节三维几何参数及模型。达到了利用膝关节c t 片实现膝 关节三维重建，从而辅助医生对膝关节进行诊断的目的，也为其他医学研究 打下基础。 关键词c t 切片；三维重建：逆向工程；移动最小二乘法；l m a g e w a r e 坠竺堡三些查兰三耋堡：三兰竺篁兰 a b s t r a c t t h e3 dr e c o n s t r u c t i o no fm e d i c a li m a g ei st h em a i na r e ai nm e d i c a ld a d a 3 d v i s u a l i z a t i o n ，a n di sai m p o r t a n tr e s e a r c hb r a n c hi ns c i e n c ed a t av is u a l i z a t i o n t o o t h e 3 dr e c o n s t r u c t i o no fm e d i c a li m a g ei st od i s p l a yt h em e d i c a li n f o r m a t i o n i n3 d s t y l et op r o v i d em o r ec o m p r e h e n s i v e m e d i c a l i n f o r m a t i o nd i r e c t l y ，a n dh a s m o r ep r a c t i c a lv a l u ei nc l i n i c a ld i a g n o s i s t r e a t m e n ta n db a s i cm e d i c a ls t u d y i n t h i st h e s i s ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h et h e o r i e so fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dm e d i c a l i m a g e3 dr e c o n s t r u c t i o na n dt h et e c h n o l o g i e so f k n e ej o i n t 3 dr e c o n s t r u c t i o n b a s e do nc ti m a g e ss e r i a l s d h et o k n e e s i o i n t s t r u c t u r e m u l t i f o r m i t y a n d c o m p l e x i t y ，p e o p l es t i l l l a c ke f f e c t i v em e a n st og e tp r e c i s ed a t aa n dr e c o n s t r u c t t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lf o rc u s t o m m a d ek n e ei o i n tp r o s t h e s i sd e s i g n ，t os o l v e t h ep r o b l e m ，t h i sp a p e rh a sp u tf o r w a r dan e wr e s e a r c hm e t h o d t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o no fc t i m a g e sp r o c e s s i n g o nt h eb a s i c i n t r o d u c t i o no fc td e v i c e s ，i t si m a g i n gt h e o r ya n dt h ef e a t u r e so fc ti m a g e s ，t h e m e t h o d so fi m a g ep r o c e s s i n g a p p l i e d t ot h ec ti m a g eh a v e b e e ns t u d i e d u t i l i z i n gi m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，c ti m a g e s o fk n e ej o i n tw i l lb ep r o c e s s e d t og e n e r a t ek n e ej o i n tf e a t u r e sc o n t o u r st h r o u g hc o n t o u r sr e c o g n i t i o na n dd i g i t a l s i m u l a t i o ni nc ti m a g e so fk n e ej o i n t t h e ni nt e r m so fm o v i n gl e a s t s q u a r e s f i t t i n gt h e o r y ，k n e ej o i n ts u r f a c ew i l lb eb u i l t e da n d c l o s e dt o p o l o g i c a l l yt h r o u g h k n e ej o i n tf e a t u r e sc o n t o u r sb yt h eu s eo fi m a g e w a r er es o f t w a r ea st o r e b u i l t 3 dk n e ej o i n ta n dg e tg e o m e t r i cp a r a m e t e re x a c t l y d u r i n gr e b u i l d i n go fk n e e i o i n tm o d e l ，t h i sp a p e rh a ss o l v e dw e l ls o m ep r o b l e m s ：o r i e n t a t i o no fc o n t o u r s ， s p l i n ea p p r o x i m a t e ，f r a c t a lo f c u r v e ds u r f a c ea st og u a r a n t e ea c c u r a c yo fm o d e l t h i sp a p e ra l s oe x p l a i n st h em e t h o d so f r e v e r s ee n g i n e e r i n ga n di t ss u r f a c e f i t t i n g i te m p h a s i z e st h e i n t r o d u c t i o no fm o v i n gl e a s ts q u a r e sw h i c hc a nb e a p p l i e dt o k n e ej o i n ts u r f a c ef i t t i n g c o m p a r e dt ot r a d i t i o n a ll e a s ts q u a r e s ，t h e c u r v ea n ds u r f a c e f i t t e d b ym l sa r e a c c u r a t e ra n ds m o o t h e r t h et h e o r y 、 a p p l i c a t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sm e t h o da n dt h ed e s i g np r o c e s so f c u r v ea n d s u r f a c ef i t t i n gu s e dm l sa r eg i v e n t h i sp a p e rh a so b t a i n e de x a c t l yg e o m e t r i cp a r a m e t e ra n dm o d e lo fk n e e j o i n tt h r o u g h t h es t u d yo fc t i m a g e sp r o c e s s i n g 、r e v e r s ee n g i n e e r i n g a n di t s 1 i 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 = = ! ! ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! = = ! ! ! = = = = = ! = = = e = = = e | = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = s u r f a c ef i t t i n g i th a sa c h i e v e dt h eg o a l st oh e l pt h ed o c t o rt od i a g n o s ek n e e j o i n t a n do t h e rm e d i c a lo p e r a t i o n k e y w o r d s c t i m a g e ，3 d r e c o n s t r u c t i o n ，r e v e r s ee n g i n e e r ， m o v i n g l e a s ts q u a r e s ，l m a g e w a r e 1 1 1 哈尔滨工业大学工学硎士学位论义 第1 章绪论 1 1 课题背景与研究意义 1 1 。l 课题背景 随着生物医用材料研制和医学的迅速发展，以及生活水平、医疗保健、 康复水平的提高，人们对自身组织、器官及骨骼缺损的修复和置换方面的要 求同益提高，尤其是对人造骨骼和人工关节的需求越来越广泛。由于计算机 断层成像技术c t ( c o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 已经成为显示和研究人体内部 结构非常有用的手段，将计算机辅助设计技术c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 和计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 等相关技术应用于人造 骨骼和内置假体的设计，不仅可以提高产品的设计质量，同时，结合c t 和 计算机三维重建方法，可以由生物组织的c t 断层图像精确重建它们原来 的三维模型，可以根据不同病人骨骼的形状，尺寸特征实现假体的个体优 化定制，从而使假体更适合于病人的骨骼结构和力学要求，更好地发挥假体 的作用，提高病人的生存质量。 人工膝关节置换是在2 0 世纪七八十年代迅速发展的一项新技术，在人 类致力征服关节疾忠征程中己留下深深的足迹。经过近半个世纪的艰辛探索 和实践，人工膝关节置换术在全球范围内已成为一种拯救晚期关节病变患者 的行之有效的方法，被誉为2 0 世纪骨科发展史中重要晕程碑之 。 传统的人工膝关节制作主要是由医师通过观察和测量c t 片，根据其空 间思维和经验，在头脑中形成模型的大概形状，首先制作出一个比较粗糙的 原件，然后在手术中边量尺寸边进行磨削调整，得到最终的模型。这样的制 作过程明显增加了手术的时问和病人的痛苦，并且所制作的人工膝关节精度 不高，而且某些部位如脸部等部位无法满足要求。 据中国初步调查，类风湿关节炎发生率为0 3 ，骨关节炎为3 。按 1 2 亿人口估算，上述两类关节炎病人分别有3 6 0 万和3 6 0 0 万。按比例推 算，中国可有1 0 0 力至1 5 0 万骨关节炎病人需要做人工关节手术。当前我国 临床应用的人工膝关节假体绝大多数需要进口，尚无我国独自开发研制的人 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 工膝关节假体系列。进口假体费用较高，且都是按照欧美白种人膝关节参数 进行设计的，有时会出现与国内病人膝关节不匹配的情况。而我国现有的人 工膝关节产品与国外差距较大，突出的差距主要体现在设计理念、制造水平 上，同时配套的手术器械也不得心应手。要恢复膝关节复杂的运动，尤其对 于解剖型膝头节假体而言，就需要人工膝关节假体关节面在设计上符合解 剖、生理、生物力学及运动学” 。 随着计算机技术的发展，计算机辅助设计( c a d ) 及计算机辅助制造技术 f c a m ) 己被广泛应用于假体设计领域。使假体设计更能接近正常膝关节的形 态。在此基础上，进行有限元分析、优化设计及计算机辅助制造。可使假体 与骨骼的受力状态更加合理，提高假体的初始和远期稳定性，避免不合理的 应力集中，同时出于可以对c a d 重建后的模型进行任意角度的旋转和切 割，因而为膝关节复杂表面几何形态学研究及模拟手术提供一种良好的手 段。为更好地设计出符合国人的膝关节假体，对国人正常膝关节进行骨形态 测量与运动学研究，建立国人f 常膝关节参数的数据库是十分必要的。 1 1 2 课题研究意义 将c a d c a m 技术应用于膝关节的设计和制造，不仅可以提高产品的 设计质量，缩短产品的设计周期，而且可以根据不同病人的形状、尺寸特征 进行产品的设汁和制造，满足各种需求，提高产品一次设计和制造的成功 率。因此，利用c t 图像数据在计算机上重建患者膝关节的三维形体，设计 出能与患者关节腔形状比较吻合的人工膝关节，为膝关节的广泛临床应崩提 供保障，这方面的研究具有巨大的社会效益和经济效益。 骨科l 临床工程中的三维造型是一个重要的研究课题，尤其对于些特殊 的患者，其意义尤为重大，因为标准的系列假体往往难以适应他们的要求， 因此有必要为他们进行定做设计。 目前，设计数据的来源主要是c t 断层片。有些c t 能输出其数字化结 果，有些则只能输出图像结果，但无论哪种方式对于假体的设计与加工人员 来说，对这些轮廓的再处理都是不可避免的。本文着重讨论一种拟合算法对 于骨科三维造型的适应性研究。这也将为进行计算机辅助手术时的定位问题 中所涉及插值算法的研究提供有益帮助。 堕尘堡三些尘兰三兰堡圭兰堡堡兰 膝关节目前主要是成系列的生产。多数情况下，关节柄与骨髓腔不能形 成紧密的解剖匹配，从而使负荷传递、应力分布高于或低于f 常水平，容易 导致手术后的并发症，并降低人工膝关节的使用寿命。这些缺点限制了人l ： 膝关节在临床上的广泛应用。 进入7 0 年代以来，随着计算机断层扫描( c o m p u t e dt o m o g r a p h y , c t ) 核 磁共振成像( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g m r i ) 等医学成像技术的产生和发 展，人们可以得到人体及其内部组织断层的二维图像序列，这些二维图像包 含了组织某一截面的解剖信息。根据断层二维图像序列重构立体效果的兰 维图像称为医学图像三维重建技术，利用这种技术不仅可以展现人体组织的 三维结构与形念，而且可以根据此三维模型进行计算机辅助设计和制造，生 产与病人组织解剖结构最大匹配的人工膝关节，从而实现定制式的虚拟制造 系统。 将计算机断层成像技术( c t ) 和快速原型制造技术( r p m ) 有机地结合起 来，用于人工膝关节的制造，其重要性在于： 可以在手术前，制作一个人工膝关节模型，辅助复杂、重大外科手术 的规划。外科手术是一项精确的具有时间控制的操作过程，重大的手术如能 根据一个三维物理模型事先进行手术规划，对保证手术成功极为重要。 由于c t 技术所提供的数据均为2 d 平面信息，非专业人员无法识 别，而且不能产生直观形象的效果，所以精确制造的人工膝关节模型是患 者、护士、医生交流沟通的最佳参照物，最大限度地减少分歧和失误，使手 术意图得到最佳地贯彻和理解。 可以大幅度减少手术时间，减轻病人的痛苦。采用：述方式制造的人 工膝关节，其形状和位置可以预先倒得更为准确，不必在手术中边量尺寸边 进行磨削调整，从而大大减少术前准备时间，手术时间也可大为减少，极大 地减轻了病人的痛苦，有助于病人的功能恢复。北京大学第一医院骨科的一 则病例，手术时间从9 小时缩短为6 小时，减少了1 1 3 ”1 。 但是，要达到以上的目的，最关键和最核心的一步是基于c i 数掘的 三维模型的建立。本文所讨论研究的从c t 数据到三维模型建立，具有较大 的理论意义和实际应用需要。 坠! ：堡三些查兰三兰竺：! ；兰堡篁兰 因此，本研究利用c t 扫描和计算机辅助设计技术，对国人f 常膝关节 进行三维模型重建的相关研究，探讨此方法对临床工作及假体设计的指导意 义，从而为国产人工膝关节假体设计提供参考，为建立国人正常膝关节数据 库打下基础。 1 。2 国内外研究现状 国内外在很早以前就了1 ：始了医学图像三维重建方面的研究，刘c t 逆向 以及人体骨骼个性化制造的研究起步很早，发展迅速，也取得了丰硕的成 果。 在我国困内，也有若干的高校，如西工大、西交火、大连理工大学等丌 展了三维显示技术的研究。 西北工业大学i 丌发了三维颅骨面貌复原系统，可以生成人脸部面貌及颅 骨的三维实体造型。西安交通大学的刘亚雄等人也提出了一种直接从断层图 像进行快速原型制造人工关节的方法。大连理工大学c a d & c g 研究所自主 开发了一个基于c t ，m r i 的断层图像的人体三维建模及可视化显示系统。 该系统已作为子系统应用于8 6 3 项目多叶光栅适形放疗系统中“1 。 自1 9 8 5 年和1 9 8 9 年，美国卫生研究院( a m e r i c ai n s t i t u t eo fh e a l t h ) 经过 多年酝酿，启动了一个人体可视化研究项目f v i s i b l eh u m a np r o j e c t ) ，并分别 于1 9 9 4 、1 9 9 5 年术对外提供了一名男予和一名女子的完整断层图像数据， 供研究分析建模采用。美国、德国等也有若干高校和医疗巾心从事此方l ：自：i 的 研究。 美国克菜姆森( c l e m s o n ) 大学化学与材料工程学院c a d c a m 研究小 组利用人体解剖分析技术以及x 光片、c t 片等其它图像信息，进行分析处 理并建立数据库，可以根据病人的具体情况进行设计、制造人工关节“5 。 d a y t o n 大学正在进行一个称之为“虚拟现实”研究项目，将医学l 的c t 扫 描技术与r p ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 快速成型技术联系起来，由c t 对病人骨骼 进行逐层扫描后，获得的断层图像传送给快速成型机，可制造出与病人骨骼 一致的模型。9 0 年代初，德国应用快速制造技术制造出个体匹配性能较好 的人工骸关节假肢。1 9 9 7 年，美国应用快速制造技术制造出人工下颌骨替 代病变骨，都取得了较好的效果。 哈尔滨工业大学：【学硕士学位论文 医学图像三维显示技术已经比较成熟，现在可以对ct ，m r l 等医学断 层图像进行三维重建，产生逼真的三维图像。目前这些三维图像主要应用在 医疗辅助治疗系统，帮助医生进行诊断或手术模拟，并且取得了较好的效 果，得到了广泛的应用。 在医学图像三维重建与c a d c a m 相结合的定制式人工关：市虚拟制造系 统方面，上海交大和西安交大等单位做了大量的研究工作，取得了一定的成 就。上海交通大学以c a d c a m 技术为基础的定做式人工骸关节己经应用到 医疗实践中。西交大与第四军医大学合作的髋关节c a d 模型也已投入使用。 当然数字化的结果会方便许多，但最终的假体加工轮廓在符合医学要求 的条件下最好用一些较为简单和方便的曲线和衄面来描述，以降低成本。而 且，目前对国人膝关节详细而全面的骨形态描述及基于c t 图像的三维重建 尚需进一步研究。 1 3 课题研究的内容 本文以膝关节为对象，研究基于膝关节c t 切片数据的膝关节三维曲面 重建逆向工程技术。首先，对c t 切片数据的获取、处理技术进行了深入研 究。其次，在已有的数据基础上，在断层间进行数据加密，为进一步获得光 滑、准确的关节曲面提供最优化的数据。最后，将移动最小二乘法与三维曲 面重构技术相结合完成膝关节的三维曲面重建。 1 首先介绍本文课题背景、实际意义和国内外研究的现状，重点揭示 了研究由c t 切片重构三维曲面的重要性和课题的意义，并概述了本文的主 要研究内容。 2 主要通过介绍医用c t 的工作原理、介绍了c t 成像设备及c t 图像 特点等相关知识。然后说明如何从c t 从数据的采集到原始轮廓线数据的生 成的数据流程。重阐述如何从c t 设备来获取膝关节断层图像和如何对断层 图像进行处理，以得至0 二值化图像和轮廓线。 3 介绍膝关节三维重建的基本步骤，然后论述重建过程中涉及的逆向 工程的知识。重点阐述膝关节轮廓线数据的获敬与优化，如何通过轮廓追踪 的办法获取数据，然后根据曲率和点距原则优化数据点，最后列出部分数据 点，为生成断层夹层提供了数据库。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论立 4 得到膝关节断层数据后，接着论述了如何基于这些数据来获得断层 间的夹层数据，所依的数学理论基础是移动最小二乘法，应用移动最小二乘 法的关键在于基函数与权函数的选取，通过比较，选取四次样条函数作为权 函数，然后，又介绍了曲面重构的三角面片拼接方法。最后，将三角片填 充。 5 工作总结与展望，提出了对论文工作中有待改进的些问题。 哈尔滨工业大学r t 学硕：l 学位论文 第2 章膝关节c t 断层图像处理及轮廓识别 本文使用的膝关节数据主要来源于由于c t 扫面，c t 成像技术在很大 程度上影响获取数据的质量，例如c t 机扫描的最小断面间距和扫描像素直 接影响扫描图像的精度。所以本文对c t 成像原理进行了深入的研究。另 外，不同厂商生产的医疗设备扫面得到的图像格式差别很大，所以由c t 扫 面得到的断面图像不能直接应用于曲面重构。本文采用d i c o m 标准和二值 化图像处理理论对以有的膝关节c t 断面图像进行处理，取得膝关节关节的 轮廓，为曲面重建奠定数据基础。 2 1c t 的成像基本原理与设备 2 1 1 人体c t 成像基本原理 c t 利用人体各利t 组织对x 线的吸收不等这一特性，将人体某一选定层 面分成许多立方体小块( 这些立方体小块称为体素) ，x 线通过人体测得每 一体素的密度或灰度，即为c t 图像上的基本单位，称为像素。它们排列成 行列方阵，形成图像矩阵。当x 线球管从一方向发出x 线束穿过选定层面 时，沿该方向排列的各体索均在一定程度上吸收一部分x 线，使x 线衰 减。当该x 线束穿透组织层面( 包括许多体素) 为对面探测器接收时，x 线量已衰减很多，为该方向所有体素x 线衰减值的总和。然后x 射线球 管转动一定角度，再沿另一方向发出x 线束，则在其对面的探测器可测得 沿第2 次照射方向所有体素x 线衰减值的总和；以同样方法反复多次在 不同方向对组织的选定层面进行x 线扫描，即可得到若干个x 线衰减值 总和。在上述过程中，每扫描一次，即可得一方程。该方程中x 线衰减总 量为已知值，而形成该总量的各体素x 线衰减值是未知值。经过若干次扫 描，即可得一联立方程组，经过计算机运算可解出这一联立方程组，而求出 每一体素的x 线衰减值，再经模数转换，使各体素不同的衰减值形成相应 各像素的不同灰度，各像素所形成的矩阵图像即为该层面不同密度组织的扶 度图像“1 。 c t 本质上是一种利用x 线穿透人体后的衰减特性作为诊断依据的。存 窒查堡：! 。兰查耋三兰堡圭兰堡篁圣 物理学原理方面，c t 与普通x 线检查具有一致性，即都遵从x 线指数衰减 规律。数学表达式为。3 ： l = i o e 一“ 式中，：表示通过物质衰减后的x 线强度 ，：表示入射x 线强度 ”：为物质的吸收系数，它与物质的原子系数即密度有关 d ：表示物体厚度 ( 2 1 ) 2 1 - 2c t 主要设备 c t 设备的精度直接影响到数据采集的精度。如图2 1 所示，c t 的主要 结构包括两大部分：x 线体层扫描装置和计算机系统。前者主要由产生x 线束的发生器和球管，以及接收和检测x 线的探测器组成：后者主要包括 数据采集系统、中央处理系统、磁带机、操作台等。此外，c t 机还应包括 图像显示器、多幅照相机等辅助设备。 如图2 2 所示，x 线球管和探测器分别安装在被扫描组织的两侧，方向 相对。当球管产生的x 线穿过被扫描组织，透过组织的剩余射线为探测器 所接收。探测器对x 线高度敏感，它将接收到的x 线先变成模拟信号，再 变换为数字信号，输入计算机的中央处理系统。处理后的结果送入磁带机储 存，或经数模处理后经显示器显示出来，变成c t 图像，再由多幅照相机 摄片以供诊断。 图2 - 1 医用c t 系统 f i 9 2 1m e d i c a lc ts y s t e m 竺丝鎏三些查兰三兰鎏圭兰堡兰兰 圈2 2 c t 检查示意幽 f i g2 - 2p h y s i c a le x a m i n a t i o nt h o u g hc t c t 检查包括两方面的基本内容：一是x 线管及探测器连续3 6 0 度旋 转；二是患者同时随检查床匀速推进。在扫描时间内，x 线焦点对病人作螺 旋式运动，并同时收集这一范围的全部扫描数据，用线性内插法重建图像。 2 1 3 提高数据精度的途径 通过以上对c t 成像基本原理和设备的了解，我们可以通过以下途径来 提高获取膝关节c t 断层的数据精度的办法：使用高分辨率的c t 设备，增 加像素，减小有效视野直径，降低像素的尺寸来提高清晰度。虽然c t 较普 通x 线摄影有更高的密度分辨率，但很多正常组织问的密度差异很小，需 要利用造影剂使上述密度差异加大，以帮助提高分辨率。减少设备本身及病 人在检查时的不自主运动，避免出现伪影，在c t 中，可以见到在骨与软组 织间出现的纹状伪影，它的出现是由于密度突然下降产生的空间频率分量， 使空间采样频率不足所致。减小扫描层厚，降低噪声，保证分辨率”1 通过以上办法，可以减少获取c t 机数据来源方面本身存在的误差。 2 2c t 数据的处理流程 用于膝关节曲面重构的数据从c t 数据的采集到原始轮廓线数掘的生 成，经历了以下数据流程： 哈尔演工业大学工学硕士学位论文 图2 3c t 重构数据的采集流程 f 啦3d a t ao b t a i np r o c e s s0 f c t 勋瑚s 仇蕊 1 1 由c t 获取膝关节b m p 图像 1 1 1 数据来源 本文数据来源c t 扫描，并以b m p 文件格式存入计算机。 所获得的部分膝关节c t 断层b m p 图像如图2 4 所示： 图2 4 膝关节c t 断层b m p 图像 f i 9 2 - 4b m p p i c t u r eo f k a j o i a tc t $ e c t i o a 哈尔滨工业人学工学硕j ? 学位论文 2 3 2 b m p 格式 本文采用d i c o m 标准和b m p 格式对c t 的图像进行转换和处理。 随着七十年代c t 技术及其之后的其它数字诊断成像模式的引入，以及 临床应用中计算机使用的不断增长，美国放射学会( a c r ) 和围家电子制 造商协会( n e m a ) 认识到了由于不同的制造商制造的设备产生不同的数字图 象格式，需要建立一个在这些设备之间传输图像和相关信息的标准化方法。 于是产生了d i c o m ( d i g i t a li m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si n m e d i c i n e ) 标 准。只要遵照这个标准就可以通过p a c s ( p i c t u r ea r c h i v i n g a n d c o m m u n i a t i o ns y s t e m ) 沟通不同厂家生产的、不同种类的数字成像设备。 d i c o m3 0 已经得到了世界上主要厂商的支持，新一代医学影像设备均以 支持该标准作为基本特征。d i c o m 标准从属于医学信息学领域。在这个领 域内，它负责医学成像设备之间数字信息的交换。d i c o m 标准促进了声明 兼容性的设备的互操作性。特别地，它写明了命令和关联数据的语义学，规 定设备该如何应答命令和相关数据1 ，而不仪仅局限于在设备之间移动的 信息。 b m p 格式是m i c r o s o f t 公司图形文件自身的点位图格式，是最常用的 w i n d o w s 图形格式，通过w i n d o w sa p i 函数可以直接读取并绘制，还可以根 据需要自己控制。 b m p 文件般由4 部分组成：位图文件头、位图信息头、彩色表和位 图数据“。 1 位图文件头 位图文件头包含文件类型、文件大小、存放位置等信息。结构定义如 下： t y p e d e fs l r u c tt a b b i t m a p f i l e h e a d e r i u n i t b f t y p e ： d w o r db f s i z e ： ui n tb f r e s e r v e d l ： i f i n tb f r e s e r v e d 2 ： 堕尘堡三兰垒兰三兰堡圭兰堡篓兰 其中 d w o r dh f o f f b i t s b i t m a p f i l e h e a d e r ： b f t y p e b f s i z e b f r e s e r r e d 说明文件类型， 说明文什大小。 lb f r e s e r v e d 2 说明实际图形数 在w i n d o w s 系统中为b m 。 保留，设置为0 据的偏移量。 2 位图信息头 位图信息头包含位图的大小、压缩类型、和颜色格式，结构定义如 下 其中 t y p e d e fs t r u c tt a g b i t m a p i n f o h e a d e r d w o r d l o n g l o n g w o r d w o r d d w o r d d w o r d l o n g l o n g d w o r d d w o r d b i s i z e ： b i w i d t h ： b j h e i g h t ： b i p l a n e s ： b i b i t c o u n t ： b i c o m p r e s s i o n ： b i s i z e i m a g e ： b i x p e l s p e r m e r e r b i y p e l s p e r m e r e r b i c l r u s e d ： bi c l r i m p o r t a n t ： 1b i t m a p i n f o h e a d e r 1 2 堕尘鋈三些奎兰三耋堡圭兰堡篓兰 b i s i z e 说明b i t m a p i n f o h e a d e r 结构所需字= 常数，在w i n d o w s 系 统中为2 8 h b i w i d t h 说明图像宽度 b i h e i g h t 说明幽像高度 b i p l a n e s 为目标设备说明位面数，其值设为1 b i b i t c o u n t 每个像素的位数，单色位圈为l ，2 5 6 色为8 ，24b i t 为24 。 b i c o m p r e s s i o n 压缩说明，b ir g b ： b ir l e 4 ：4 伉r l e 压缩 b i s i z e l m a g e 说明图像大小，如无压缩 b i x p e l s p e r m e t e r 水平分辨率 b i y p e l s p e r m e t e r 乖直分辨率 b i c i r u s e d 位幽使j _ 1 4 的颜色数 b i l m p o r t a n t 重要颜色数目 3 彩色表 无压缩，b i r l e 8 ：8 位r l e 压缩 可设为0 彩色表包含的元素与位图所具有的颜色数目相同，像素颜色用结构 r g b q u a d 来表示： t y p e d e fs t r u e tt a g r g b 。u a d b y t e r g b b l u e ： b y t e r g b g r e e n ： b y t e r g b r e d ： b y t e r g b r e s e r v e d ： r g b q u a d ： 其中： r g b b l u e指定监色强度 r g b g r e e n指定绿色强度 1 3 一 堕查堡三些奎! 三i 鎏兰耋堡篁兰 r g b r e d 指定红色强厦 r g b r e s e r v e d 保留，设为0 4 位图数据 紧跟在彩色表后的是图像数据震裂，图像每一扫描行有连续的字节组 成，扫描行由底向七存储，阵列中第一字节为左_ 卜角像素，最后一字节为右 上角像素。 在用于c t 数据的膝关节的曲面重构时，b m p 数掘在提取等值线的过程 中，采用了灰度填充算法，以保证提取出的膝关节数据各层内等值线数始终 为一。 2 4 膝关节断层图像处理 2 4 1 二值化处理 由于图像预处理的操作是建立在2 5 6 色灰度图的基础之上，所以需要先 将彩色位图转化为灰度图。这个过程是通过图像二值化完成的，图像二值化 是将骨骼和其他组织分离的过程，分离是通过两者灰度值的不同来实现的。 具体方法是首先选取一个合适灰度值作为闽值，此灰度值应是一小于骨骼狄 度值而大于其他组织的灰度值。超过阈值的像素重新赋以一个新逻辑灰度值 l f 白色) ，低于闽值的像素分配灰度值0 ( 黑色) 。对于所采集的截丽图像，选 择一个灰度值为闽值“”，则分割后的新图像f ( f ，) 为 f 。( i ，j ) t f ( f ，j ) t ( 2 2 ) 这样，就可组成一个新二值黑白图像，把所需物体分割出来。在此，设 定骨骼阈值为2 5 5 ，t 4 d 式( 2 2 ) ，骨骼变白色，软组织变黑色，骨骼就可从 软组织中提取出来，如图2 - 5 所示。 丝竺鎏三竺尘兰三兰型尘兰丝堡兰 剧2 - 5 膝关节c t 断层图像二值化 f i 醇一51 w ov a l u eo f k n e ej o i n tc ts e c t i o n 2 4 2 轮廓线的提取 提取膝关节轮廓是对二值化处理后的膝关节图像进行边界跟踪得到骨骼 的轮廓曲线，为膝关节曲面重构提供必要的数据基础。使用图像处理软件 w i n t o p op r o f e s s i o n a l 对膝关节c t 断层图像进行读取和曲线痕迹刻画得出膝 关节的轮廓。 将一系列膝关节二维的c t 断层图像文件导入程序，利用分割工具把 图像分成各具灰度特性的不同材料区域，将物体与背景，骨和软组织，皮质 骨和松质骨分隔开，并提取出所要的目标区域豹边界“”。 由于原始的图像在质量、图像信息上不能直接用于轮廓提取，因此要对 得到的图像进行后处理，以得到纹理清晰、反差适度的映像。它的目的是去 除图片中的冗余信息，去除c t 图像的形成过程中会引入不同的噪声，使骨 组织与其他组织明显地区分开。 喻尔滨工业大学1 i 学硕j ：学位论义 图像分割后，由于检测出的边缘点太多，膝关节的轮廓边界很不光顺， 呈锯齿状，而且图像中还有很多孤立的由于噪声干扰引起的小岛。必须对轮 廓线上的点进行精简，并利用图像平滑技术将这些小岛过滤掉。这样生成的 轮廓更接近真实形念“。 图2 - 6 为一张膝关节断面二值化图像提取轮廓线后的对照： ( a ) 膝关：社断层二值化图像( b ) 提取图像后得到的轮廓线 圈2 - 6 膝关节断面提取轮廓线前后 f i g2 - 6t h ec o n t r a s to fk n e ej o i n tc ts e c t i o nc o n t o u r s 膝关节c t 断层图像图2 5 提取轮廓线后的结果如图2 ，7 所示。 2 5 本章小结 1 简要研究了c t 的成像基本原理、c t 图像的采集方式和检查技术等 相关知识，通过对c t 成像基本原理和设备的了解，找到提高获取膝关节 c t 断层的数据精度的办法。 2 设计了c t 数据的采集到原始轮廓线数据生成的数据流程。 3 通过分析b m p 图形文件自身的点位图格式，通过w i n d o w sa p i 函 数，在已有经典位图数据结构的基础上进行了改进，加入了新的数据项。提 高膝关节图像的质量和处理速度。 4 着重阐述了如何从c t 设备来获取膝关节断层图像和如何对断层图 像进行处理，以得到二值化的膝关节图像和轮廓线。 堕垒鋈三些查茎三兰堡；：耋堡垒兰 图2 7 膝关节c t 断层幽像轮廓线 f i g2 - 7c o n t o u r so f k n e el o i n tc ts e c t i o np i c t u r e s 1 7 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论义 第3 章膝关节断层数据获取与优化 采用医学c t 或m r i 等断层测量技术，结合现代计算机技术，可准确、 快速地提取患者膝关节特定截面的二维数据“。通过数字图像软件对其进 行处理，获得膝关节二维断层数据或转化为三维点云数据。在后续工艺中， 对获取的数据根据实际需要一般采取2 种处理方法。直接插值法。这种方 法避免了构造n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb - s p l i n e ) 曲面过程中人机 交互的大量工作，具有数据处理时间短和效率高的优点。曲面三维重构 法。该方法的优点在于可方便地对数据进行三维c a d ( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ) 模型的设计和生物力学分析“”。 在c t 设备上得到的最小扫描层间距大于等于1 i t i i t i ，一般大于快速成 型机所要求的最小层间距( 0 1 1m m ) “，如果直接使用图像预处理后的数 据，在加工时会出现层与层间的脱落现象，从而无法进行正常加工。为此， 需要对二维轮廓数据进行线性插补，以获得小的层间距。 3 1 膝关节三维重建基本步骤 膝关节三维重建一般有如下几步： ( 1 ) 图像获取：即从成像设备获取断层数字图像序列，将其传输到计算 机中。文本数据来源由c t 扫描得到，得到b m p 格式的底片，然后将c t 底片化为数字灰度图像，并存入计算机，便于后续处理。 ( 2 ) 轮廓提取：将一系列二值化的膝关节c t 断层图像文件导入一：次丌 发的程序，把图像分成各具灰度特性的不同材料区域，将物体与背景，骨和 软组织，皮质骨和松质骨分隔开，并提取出感兴趣的目标区域的边界。 ( 3 ) 数据获取与优化：就要对膝关节轮廓进行处理，处理过程就是用 系列的点来描述膝关节轮廓，它要求所用的点与真实的膝关节轮廓上的点的 垂直距离必须控制在一个误差范围内。 ( 4 ) 层问插值：由于断层间距一般比较大，难以满足精确重建膝关节三 维表面模型的要求，因此需要在相临断层轮廓线之间进行插值，对插值的结 果要求重建出的三维物体形状逼真，轮廓边界清晰，这样就获得了三维重建 哈尔溟l ：业人学1 _ 学硕士学位论文 所需的三维体数掘。“。 ( 5 ) 三维曲面重现：层间插值后的三维模型必须能在计算机屏幕上进行 立体感显示，所以要选择一种合适的算法，对三维模型图像进行精确的立体 显示3 。 3 2 膝关节轮廓曲线数据的获取与组合 由2 4 节得到膝关节断层图像的轮廓线以后，就要对膝关节轮廓进行处 理，处理过程是用一系列的点来描述膝关节轮廓，它要求所用的点与真实