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j 芦支适天擎博士学位论文 快速成趔在组织工程骨骼修复的应用研究 快速成型在组织工程骨骼修复的应用研究 摘要 组织工程是综合利用生命科学和工程学的基本原理和技术，以人工合成或 天然生物材料为载体，整合分离的种子细胞，在体外预先构建有生命的种植体， 然后植入体内，以修复组织缺损，替代或重建器官的结构，维持或改善组织器 官功能的一门新兴边缘学科。组织工程研究主要包括支架材料，细胞生物学， 生物医学性能与安全性评价等方面的内容。 本文立足于组织工程学中图像处理及新型的快速成型技术的研究。涉及细 胞图像分割、细胞组织形态的分析以及图像表面重建等，具有客观性强、重复 性好、量化指标准确的特点；同时针对组织器官的修复和再生，把c t 图像序 列三维重建与快速成型相结合，提供组织三维形态模型的构建。 基于上述的技术需求，本文的研究工作及创新点如下： 1 、组织细胞的分割方法 在常规医学图像分割方法的基础上；针对不同的应用，对于培养细胞，分 别提出了三种不同的分割方法。 提出了基于裁剪技术的算法，该方法主要采用闽值技术适用于细胞颗粒清 晰饱满的情况，具有良好的效果。该方法通过对二值图像进行各种逻辑运 算柬实现图像区域的分割。通过实验，显示该技术对去除附着于细胞体周 围的背景区域，分离多个相互粘连的细胞体是有效的。 对于细胞边界较模糊、颗粒不太清晰的情况，采用综合的分割方法，如 c a n n y 边缘检测和多尺度小波方法相融合，提高了边缘检测的准确度。该 方法首先用基于m a l l a t 小波模极大值的尺度独立边缘检测方法，结合 c a n n y 和m a r r 算子，利用不同的权值实现细胞分割。该方法对于边缘不清 晰的细胞具有良好的分割效果。 提出了定点s n a k e 活动轮廓方法，在半自动获得初始轮廓的基础上，利用可 确定的图像点，加快轮廓的收敛速度，在速度和准确度上取得良好的效果。 该方法首先利用基于小波的尺度独立边缘检测方法；然后采用形态学和样 摘要土黟支天争博士巡塞 条拟合方法得到的单像素的边界作为s n a k e 算法的初始轮廓，最后通过迭 代和结合图像固定点的外部约束力使轮廓收敛至最终的边界。 2 、序列图像分割方法 利用切片图像近邻性和相似性，提出了基于活动轮廓的图像序列分割算法； 基于m u m f o l d s h a h 模型的c v 方法获得首张切片精确边界的基础上，采用参 数形变s n a k e 模型进行切片序列的自动分割，加快轮廓的收敛速度。 针对分割中出现的“泄漏”现象，提出了利用切片图像的相似性加速活动 轮廓收敛的方法，并定义一个轮廓相似度判断是否重新初始化轮廓。该方法能 够很好地实现序列图像的半自动分割，充分利用了活动轮廓的参数形变和几何 形变的优点，提高了轮廓的收敛速度。利用几何形变拓展性强的特点来保证初 始轮廓准确度，应用参数形变来加快收敛速度，从而最大程度减少人工参与。 3 、基于分割的三维可视化 提出了一种基于二维分割的n m c * ( n e wm a r c h i n gc u b e s ) 算法，来实现数据 集的体视化。 利用序列分割时进行数据检测保存的与等值面相交的立方体信息进行表面 跟踪，减少了数据的重复检测，有效地缩短了算法的运行时间，同时对三角面 片之间的公共边等冗余信息进行简化共享处理，节省了数据的存储空间，提高 了算法的效率。 4 、快速成型技术 研究了快速成型技术与组织器官再造的关系，特别是骨组织工程。讨论了 s t l 文件的优化，利用三维重建技术构造组织工程的缺损器官，为组织器官的 修复提供实体模型。最后展示了一个颅骨修复的实例，在得到修复部位s t l 文 件基础上，利用成型设备构造了一个颅骨缺损的实体。 本文涉及到的图像处理技术对组织工程学起着重要的作用，几乎覆盖组织 工程的多个方面。对计算机辅助组织工程应用前景进行了讨论，具有一定的指 导性和前瞻性。 关键词：组织工程，组织细胞，图像分割，图像序列，可视化，快速成型 土并交道z 乎博士学位论文快速成型拒组织工程骨骼修复的应用研究 r e s e a r c ho fr a p i dp r o t o t y p i n gl nt i s s u e e n g i n e e r i n gb o n er e p a i r a b s t r a c t t i s s u ee n g i n e e r i n gi sa l le d g es u b j e c t ，w h i c hs y n t h e s i z e sf u n d a m e n t a la n dt e c h n o l o g yo fl i f e s c i e n c e sa n de n g i n e e r i n g , w i t hs y n t h e t i co rn a t u r a lb i o l o g i c a lm a t e r i a la sac a r r i e r , i n t e g r a t e s s e p a r a t i n gs e e dc e l l ，c o n s t r u c t sap r e i m p l a n tl i v e si nv i t r o ，t h e ni m p l a n t si nv i v ot or e p a i rt i s s u e a n do r g a nr e p l a c e m e n to rr e c o n s t r u c t i o no ft i l es t r u c t u r et om a i n t a i no ri m p r o v et h ef u n c t i o no f o r g a n s t i s s u ee n g i n e e r i n gr e s e a r c hi n c l u d e st i s s u ee n g i n e e r i n gb r a c k e tm a t e r i a l ，c e l lb i o l o g y , b i o m e d i c a le v a l u a t i o no fp e r f o r m a n c ea n ds a f e t ya s p e c t s i nt h i st h e s i s ，i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft i s s u ee n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n g ， i n v o l v e da n a l y s i so fi m a g ed e t e c t i o n ，i m a g es e g m e n t a t i o na n di m a g es u r f a c er e c o n s t r u c t i o ne t c ， c o m p l e t e da n a l y s i so f t h em o r p h o l o g yo ft h ec e l l s ，w i t ho b j e c t i v i t ya n dr e p r o d u c i b l e ，a c c u r a t e q u a n t i t a t i v ec h a r a c t e r i s t i c s a l s o ，f o r t h er e p a i ra n dr e g e n e r a t i o no ft i s s u e sa n do r g a n s ， t h r e e d i m e n s i o n a lc ti m a g er e c o n s t r u c t i o ns e q u e n c e sc o m b i n e dw i t hr a p i dp r o t o t y p i n gt o p r o d u c e tt h r e e d i m e n s i o n a lo r g a n i z a t i o n a lm o d e l t h er e s e a r c ha n di n n o v a t i o np o i n t sa r ef o l l o w i n g ： 1 s e g m e n t a t i o no f t i s s u ec e l l s t h ec u l t u r e dc e l l sa r es e p a r a t e db yt h et h r e ed i f f e r e n tm e t h o d sf o rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ( 1 ) p r o p o s ea l la l g o r i t h mo fc l i p p i n gt e c h n o l o g y , i n t r o d u c ead i f f e r e n ta p p r o a c hw i t ht h e t r a d i t i o n a li m a g es e g m e n t a t i o no fi m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h et h r e s h o l dt e c h n o l o g yu s e di n c l e a ra n df u l lc e l lg r a n u l e sw i t hg o o dr e s u l t s t h i sm e t h o do fb i n a r yi m a g ea c h i e v e sr e g i o n a l s e g m e n t a t i o ni m a g eb yv a r i o u sl o g i co p e r a t i o n s e x p e r i m e n ts h o w st h a t t h et e c h n o l o g yt o r e m o v eb a c k g r o u n dr e g i o na t t a c h e sa r o u n dt oc e l l sa n di s o l a t ef r o mt h ev a r i o u si n t e r - c e l l a d h e s i o ni sav e r ye f f e c t i v e ( 2 ) p r o p o s eas e g m e n t a t i o na p p r o a c hb a s e do ni n t e g r a t i o nf o rf u z z yb o u n d a r ya n dn o c l e a r p a r t i c l e so fc e l l s c a n n ye d g ed e t e c t i o ni n t e g r a t e dw i t hm u l t i w a v e l e t st oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f t h ee d g ed e t e c t i o n f i r s ta p p l yt h em a l l a tw a v e l e tt r a n s f o r mm o d u l u sm a x i m as c a l ei n d e p e n d e n t e d g ed e t e c t i o nm e t h o dt og e ts i m p l ee d g e s ，t h e nd a t af u s i o nm e t h o dc o m b i n em a r ra n dc a n n y o p e r a t o ra n dt h eu s eo fd i f f e r e n tw e i g h t st ot h ef i n a li m a g eo fc e l ls e g m e n t a t i o n t h em e t h o di s t ot h en o tc l e a re d g eo ft h ec e l ls e g m e n t a t i o nw i t hg o o dr e s u l t s ( 3 ) p r o p o s es n a k ea c t i v ec o n t o u rb a s e do nf i x e dp o i n t s o nt h eb a s i so fs e m i a u t o m a t i c o b t a i ni n i t i a lc o n t o u r , d e t e r m i n ei m a g ep o i n t sc a nb eu s e dt oa c c e l e r a t et h ec o n t o u rc o n v e r g e n c e r a t e ，t h es p e e da n da c c u r a c ya c h i e v e dg o o dr e s u l t s 。f i r s ta p p l ys c a l e i n d e p e n d e n c ee d g e d e t e c t i n gb a s e do nm a l l a tw a v l e tm o d u l a rm a x i u mt og e ts i m p l eb o u n d a r y , t h e na d o p t m o r p h o l o g ya n ds p l i n ef i t t i n gm e t h o dt og e ts i n g l ep i x e lb o u n d a r ya si n i t i a lc o n t o u ro fs n a k e a l g o r i t h m ，f i n a l l y , p e r f o r mi t e r a t i n gw i t he x t e r n a lr e s t r i c tp o w e rw h i c hl i n kt oi m a g ef i x e dp o i n t t om a k ec o n t o u rc o n v e r g e n c et ot h ef i n a lb o r d e r s 2 s e q u e n c ei m a g es e g m e n t a t i o n d i s c u s s et h ec ti m a g es e q u e n c es e g m e n t a t i o nm e t h o d ，i np a r t i c u l a rb o n ec t i m a g es l i c e s p r o p o s ea ni m a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t h mb a s e da c t i v ec o n t o u rw i t hi m a g e so fn e i g h b o r sa n d s i m i l a r i t y o nt h eb a s i so fu s i n gc - vm e t h o db a s e do nm u m f o l d s h a hm o d e lt oo b t a i nf i r s ts l i c e e x a c tb o u n d a r y , p a r a m e t e r ss n a k em o d e ld e f o r m a t i o nu s e di nt h eb i o p s ys e q u e n c ea u t o m a t i c s e g m e n t a t i o na n da c c e l e r a t i n gt h es p e e do fc o n v e r g e n c ec o n t o u r a g a i n s tt h e ”l e a k ”o fs e g m e n t a t i o n ，t h eu s eo fi m a g es l i c e sa c t i v i t yc o n t o u rs i m i l a rt o a c c e l e r a t et h ec o n v e r g e n c e ，d e f i n eac o n t o u rs i m i l a r i t yt od e c i d ew h e t h e ro rn o tt oi n i t i a l i z e r e 。c o n t o u r t h em e t h o dc a na c h i e v eag o o ds e m i a u t o m a t i cs e g m e n t a t i o no ft h ei m a g es e q u e n c e ， m a k ef u l lu s eo ft h ea d v a n t a g eo fg e o m e t r i ca n dp a r a m e t e r sa c t i v ec o n t o u rd e f o r m a t i o nt or a i s e t h ec o n t o u ro ft h ec o n v e r g e n c er a t e u t i l i z eg e o m e t r i cs t r o n ge x p a n df e a t u r e st oe n s u r ei n i t i a l c o n t o u ra c c u r a c y , u s ed e f o r m a t i o np a r a m e t e r st os p e e du pt h ec o n v e r g e n c e ，t h e r e b yr e d u c et h e m a x i m u me x t e n ta r t i f i c i a lp a r t i c i p a t i o n 3 3 dv i s u a l i z a t i o nb a s e do nt h es e g m e n t a t i o n p r o p o s e an m c ( n e w m a r c h i n gc u b e s ) a l g o r i t h m s b a s e do nt w o d i m e n s i o n a l s e g m e n t a t i o nt oa c h i e v ed a t as e t sv o l u m ev i s u a l i z a t i o n t h es t a n d a r dm ca l g o r i t h mc a no n l y l i m i tt ot h r e s h o l d i n gs e g m e n t a t i o n ，s ow h i l ei n t r o d u c eo fav a r i e t yo f s e g m e n t a t i o n ，p a ya t t e n t i o n t ot h ea l g o r i t h mt or e d u c et h er u n n i n gt i m ea n dd a t as t o r a g es p a c e m a k eu s eo ft h e i n t e r s e c t i o nw i t ht h ei s o s u r f a c ec u b ei n f o r m a t i o n , w h i c hp r e s e r v e da td a t a d e t e c t i o ni ns e q u e n c es e g m e n t a t i o n ，f o rs u r f a c et r a c k i n g ，r e d u c ed u p l i c a t i o no ft e s t i n gd a t a , e f f e c t i v e l ys h o r t e n i n gt h er u n n i n gt i m eo ft h ea l g o r i t h m m e a n w h i l e ，s i m p li f ya n ds h a r et h e p u b l i ce d g e sb e t w e e nt r i a n g u l a t e ds u r f a c e s ，s u c ha sr e d u n d a n c y , s a v et h ed a t as t o r a g es p a c e ， i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h m t h ea p p r o a c ht a k e sav e r yg o o dj o bo fc o m b i n i n g s e g m e n t a t i o na n d3 dr e c o n s t r u c t i o n ，r e s e a r c h e sa n di m p r o v e sd e e p l yr e d u n d a n c ya n dt e s t i n g t i m e 4 r a p i dp r o t o t y p in g r e s e a r c hr a p i d p r o t o t y p i n ga n do r g a n sr e c o n s t r u c t i o n ，e s p e c i a l l y f o rb o n et i s s u e e n g i n e e r i n g d i s c u s s es t lf i l e so p t i m i z i n g ，h o wt o u s et h r e e - d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o nt o p r o d u c et h ed e f e c to r g a n ss t r u c t u r eo ft i s s u ee n g i n e e r e d ，p r o v i d ee n t i t ym o d e l f o rt h er e p a i ro f t i s s u e sa n do r g a n s f i n a l l yd i s p l a yo fas k u l lr e p a i re x a m p l e ，b a s e do nr e p a i r e dp a r t so fs t lf i l e ， c o n s t r u c t e das k u l ld e f e c te n t i t i e sb yr a p i de q u i p m e n t i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , w h i c ht h i sa r t i c l er e l a t e dt o ，p l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt i s s u e e n g i n e e r i n g ，c o v e ra l m o s t a l l s t a g e so ft i s s u ee n g i n e e r i n g d i s c u s sc o m p u t e r - a i d e dt i s s u e e n g i n e e r i n gr e s e a r c h a n dt h e p r o s p e c t s f o r f o r w a r d l o o k i n g t h e a p p l i c a t i o n ，w i t h s o m eg u i d a n c ea n d k e y w o r d ：t i s s u ee n g i n e e r i n g ，t i s s u ec e l l ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，i m a g es e q u e n c e ，v i s u a l i z a t i o n ， r a p i dp r o t o t y p i n g v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 日期： - 7 其1 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国 家有关部| j 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上 海交通入学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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 指导教! 月日 ， 盘兰壁盔堑釜登圭芏焦逢塞 堡鎏盛型鱼j 丝墨二矍塑：塑堡望堕些旦型窒 1 1 引言 第一章绪论 组织工程是综合利用生命科学和工程学的基本原理利技术，以人工合成或天然生物材 料为载体，整合分离的种子细胞，在体外预先构建有生命的种植体，然后植入体内，以修 复组织缺损，替代或重建器官的结构，维持或改善组织器官功能的- - f - j 新兴边缘学科。 组织工程研究主要包括支架材料，细胞生物学，生物医学性能与安全性评价等方面的内容。 自2 0 世纪8 0 年代末以来的2 0 多年时间，关于组织工程的研究发展十分迅速，目前已 取得了许多有意义的成果。以美国为例，已经成立了4 个国家级组织工程研究中心，几十 所高校汞i 研究所都开展了研究。并且有许多高科技公司与风险投资家参与，研究成果很快 便转化为商品和效益，a d v a n c e dt i s s u es i e n c e 公司已有商品化人工皮肤d e r m a g r a f t 出售， 用于治疗大面积烧伤。其次，骨组织工程、软骨组织工程、肌胜组织工程、角膜组织工程、 血管组织工程、肝脏组织工程和胰腺组织工程等的研究也正在逐步深入。组织工程是一个 规模宏大的1 = i = 纪项目，其意义不亚于人类基因组计划。它涉及到生命科学、材料科学和工 程技术等诸多学科，需要投入大量的财力、物力。但是由于其潜在的巨大社会、经济效益 和科学价值，很多国家的政府和有远见的企业家都已经涉足这个领域，希望能t 与据该领域 的世界前沿。 本文试图将现代计算机图像处理技术应刚于组织工程学之中。如采川图像检测分析， 图像分割以及图像表面重建等，可完成对细胞组织形态的分析，具有客观性强、重复性好、 量化指标准确的特点；同时针对组织器官的修复和再生，把医学c t 图像序列三维重建与 快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 相结合，提供组织三维形态实体模型。对于组织器官的 修复和体外再造，特别是骨骼的修复定型进行了三维可视化。 1 2 医学图像分割 组织工程与医学有密切的关系，从某种程度上，组织工稃就是医学的延伸。组织工程 中的细胞培养观察、检测，器官修复和重建都需要医学图像处理技术。 医学图像处理的主要研究方向有图像分割、图像配准、结构分析、运动分析等，而其 中医学图像分割的研究具有更重要的意义。结构分析、运动分析、三维可视化等后续操作 第一章绪论囝j 厨交道天訾博士学位论文 都假设已对图像做了准确分割，或者说都是以图像分割为基础的。图像分割的一般理论和 方法请参看文献【2 1 。医学图像分割是正常组织和病变组织的三维重建、定量分析等后续操 作的基础，也是临床医学应j i j 的瓶颈，分割的准确性对医生判断疾病的真实情况并做出正 确的诊断计划至关重要。 由于医学图像具有的极其繁杂的多样性和复杂性，加上目前医学影像设备( c t ，m r i ， p e t 等) 成像技术上的特点，使得医学图像存在一定的噪声，图像中目标物体部分边缘也 有可能局部不清晰，这使得医学图像的分割更加困难。因此，目前在医学图像分割方面仍 然没有可以通用的理论和方法。从指导思想上看，图像分割方法可以分为两种体系：以计 算机为单一执行者的自动分割方法和人机结合的交互式分割方法。自动分割方法的指导思 想是追求完全由计算机自主完成目标的分割任务，而不需要人的参与。但是，目前计算机 自主分割的结果不能令人满意，准确性不能满足医学图像的应用要求；而对人机交互过于 依赖又是实际应用不能接受的。因而，目前对自动分割方法的研究继续关注的同时，对交 互式分割方法的研究也成了医学图像分割的研究重点。 从图像分割的处理对象这一角度来看，可以将这个问题划分为两个基本类型的分割问 题，即面向整体区域的整体分割和面向边缘的部分分割。 根据分割算法适用性的不同，图像分割方法主要分为两大类：一类方法是基于区域的 方法，通常利用同一区域内的均匀性识别图像中的不同区域；另一类方法是边缘分割方法， 通常利用区域间不同性质( 如区域内灰度不连续性) 划分出各个区域之间的分界线，这类 方法通常导致不完全的部分分割结果，比如分割结果中存在间断现象，或者得到错误的边 缘。近年来，随着统计学理论、模糊集理论、神绎网络、形态学理论、小波理论等在图像 分割中的应用日渐广泛；遗传算法、尺度空间、多分辨率方法、非线性扩散方程等近期涌 现的新方法和新思想也不断被用于解决分割问题，国内外学者提出了不少有针对性的图像 分割方法1 3 】【4 1 【5 1 。 1 2 1 基于区域的分割 1 闽值分割 闽值分割是最常见的、并行的直接检测区域的分割方法。如果只选取一个闽值称为单 闽值分割，它将图像分为目标和背景两大类；如果用多个闽值分割称为多闽值方法，图像 将被分割为多个目标区域和背景，为区分目标，还需要对各个区域进行标记。阂值分割方 2 鲤兰壁盔堑生簦遣鲎垡垒塞 丛望垡型堡塑堡三堡量墅堡星竺生旦型窒 法基于对灰度幽像的种假设：目标或背景内的相邻像素间的灰度值是相似的，但不同目 标或千宁景的像素在灰度上有差异，反映在图像直方图上，不同目标和背景则对应不同的峰。 选取的闽值应位于两个峰谷处，从而能将各个峰分开。 2 区域生长和分裂合并 区域生长和分裂合并是两种典型的串行区域分割方法，其特点是，将分割过程分解为 多个顺序的步骤，其中后续步骤要根据前面步骤的结果进行判断而确定。 区域生长方法的基本思想是，将具有相似性质的像素集中起来构成区域，该方法需要 先选取一个种子点，然厉依次将种子像素周围的相似像素合并到种子像素所在的区域中。 区域生长算法的研究重点一是特征度量和区域增长规则的设计，二是算法的高效性和准确 性。区域生长算法的优点是计算简单，特别适用于分荆小的结构，如肿瘤利伤疤 6 1 。与闽 值分割类似，区域生长也很少单独使用，往往与其他分割方法一起使j 丹。 3 聚类分割 分类是模式识别领域中一种基本的统计分析方法。分类的目的是利用已知的训练样本 集在图像的特征空间找到点( 一维) 、曲线( 二维) 、曲面( 三维) 或超曲面( 高维) ，实现对图像 的划分。用分类器进行分割是一种有监督的( s u p e r v i s e d ) 统计方法，它需要手工分割得到的 样本集，作为对新图像进行自动分类的参考。 分类器又分为两种：非参数( n o n p a r a m e t r i c ) 分类器平l l 参数( p a r a m e t r i c ) 分类器。典型的 非参数分类器包括i ( 近邻( k n n ) 及p a r z e n 窗( 一种投票分类器) 。它们对图像数据的统计结 构没有要求。参数分类器的代表是b a y e s 分类器，它假定图像的密度函数符合高斯独立分 布。 分类器算法有两个优点：不需要迭代运算，因此计算量相对较小；能应用于多 通道图像。但是分类器同样没有考虑空间信息，因此对灰度不均匀的图像分割效果不好。 聚类算法与分类器算法极为类似，只是它不需要训练样本，网此聚类魁一种无监督的 ( u n s u p e r v i s e d ) 统计方法。因为没有训练样本集，聚类算法迭代地进行图像分类，并提取各 类的特征值。从某种意义上说，聚类是一种自我训练的分类，其中，k 均值，模糊c 均值 ( f u z z yc m e a n s ) ，e m ( e x p e c t a t i o n m a ) 【i m i z a t i o n ) 和分层聚类方法【7 】【8 1 是常用的聚类算法。 4 基于随机场的方法 基于随机场的方法是一类考虑空间像索点之间空间关联的纯粹统计学方法，如基于马 尔科夫随机场( m r f ) 方法及基于吉布斯随机场( g r f ) 的方法。统计学方法的实质是从 统计学的角度 发对数字图像进行建模，把图像中各个像素点的灰度值看做具有一定概率 3 第一章绪论 j 芦支适天乎博士学位论文 - _ _ _ - - - - _ - - - - _ _ - _ - - _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ - _ _ _ - l - _ - _ - _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ i _ - - - _ - _ _ - - - - _ - 一 分布的随机变量。马尔科夫随机场模型是由s g e m a n 和d g e m a n 在1 9 8 4 年提山来的。 近年来，它被人们用于于被噪声破坏的图像的恢复、图像分割和纹理分析等领域。 1 2 2 结合区域与边界的分割 基于区域的分割方法往往造成过度分割，即将图像分割成过多的区域。如果在基于区 域的框架中没有在决策阶段包括边界的措施，可能导致噪声边界和对象内部出现空洞。人 们往往将基于区域信息的方法与边缘检测的方法结合起来，但是采用什么方式结合，怎样 结合才能充分发挥舞自的优势，获得好的分割结果是研究的重点。 基于形变模型的方法综合利用了区域与边界信息，是目前研究最多、应用最广的分割 方法，可以宣称是过去几年计算机视觉领域的成功关键p 1 。在基于模型的技术中，形变模 型提供一种高效的图像分析方法，它结合了几何学、物理学和近似理论。该类方法通过使 用从图像数据获得的约束信息( 白底向上) a n 目标的位置、人小和形状等先验知识( 自顶向 下) ，可有效地对目标进行分割、匹配和跟踪分析。从物理学角度看，可将形变模型看成一 个在施加外力和内部约束条件下自然反应的弹性物体。2 0 世纪9 0 年代以来，随着医学影 像设备的发展，可以获得更高空间分辨率和软组织分辨率的图像，基于形变模型的方法也 开始大量应用于医学图像，并取得了成功。 形变模型包括二维形变轮廓( d e f o r m a b l ec o n t o u r ) 模型( 又称s n a k e 或a c t i v ec o n t o u r ) 年n 三维形变曲面( d e f o r m a b l es u r f a c e ) 模型，还有一些利用形状先验知识汞l 使用点集合( p o i n t s e t s ) 先验知识的改进模型【1 0 1 】【1 2 1 。形变曲面模型是活动轮廓在三维空问的推广形式。三维 形变曲面模型可以更高效、更快地利用三维数据，而且更少地需要用户交互或指导。形变 模型分为两人类：参数形变模型和几何形变模型。 基于参数形变模型的分割过程就是使模型在外能和内能的作用下向物体边缘靠近，外 力推动轮廓曲线( 曲面) 运动，而内力保持轮廓的光滑性。这些方法基于某种形式的目标函 数的优化，目标函数最基本的形式就是在某种基于图像的能跫项和另一个与内部能量或形 状模型相关项之和。 儿何形变模型方法利用曲线演化理论米实现。轮廓对应于一个更高维曲面的演化函数 的零水平集，演化函数可用某种形式的偏微分方程来表示，利用图像信息( 如边缘) 来控制 曲面演化过程的停止。 形变模型的主要优点是，能够直接产生c j 】合的曲线或曲面，并对噪声利伪边界有很强 4 煎圭壁盔堑墨鉴煎鲎垡迨耋 坠整堕型垄坐堡三塞量坠堡墨堕壁旦婴窒 的鲁棒性；缺点是，它对初始边界位置十分敏感，有时还要求人 二选择合适的参数。 1 3 图像三维可视化及快速成型技术 2 0 世纪7 0 年代，随着c t 技术在临床医学中的成功应用，开创了影像医学的新纪元， 使得对人体进行无创检查及诊断成为现实。2 0 世纪8 0 年代，m r i ，p e t ，s p e c t 等先进 的影像技术在临床医学上的成功应用，更使得影像医学得以迅速发展。在目前的影像医疗 诊断中，主要是通过观察一组c t ，m r i 的二维切片图像去发现病变体，这主要依赖于医 生丰富的读片经验，主要依据的是图像的形态定性分析。利用计算机技术对二维切片图像 进行二维或三维分析及处理，如对人体器官、软组织和病变体的分割提取、三维重建和三 维显示，可以辅助医生对病变体及其他感兴趣的区域进行定性直至准确的定蛙分析，提高 医疗诊断的准确性和正确性。自2 0 世纪9 0 年代起，综合了计算机图像处理与分析、真实 感计算机图形学、虚拟现实等技术的医学影像的三维可视化技术一直是国内外研究与应用 的热点【1 3 l 。二十一世纪功能成缘及分子成象将成为热点。 医学图像的三维可视化技术最关键是三维重建，也就是从二维切片数据到三维几何数 据的处理过程。组织工程中器官的修复和重建就常常依赖于利用三维重建的快速成型技术 ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) ，简称r p 。r p 技术可以利用三维重建得到的实体模型，应用相关的 可溶解的材料构造细胞生氏的模拟三维环境，经过一段时间的体内或体外生长培养，得到 组织工程化的器官1 1 4 】。 1 3 1 三维重建技术的概述 三维重建可视化一般包括体绘制和面绘制两种算法。体绘制算法的优点在于能绘制整 个数据场的整体，包括一些细节，但其计算量大，计算时问长。面绘制算法能够利刚图形 工作站提供的由硬件来实现，计算速度较快。但是不能显示数据场的整体，只能显示感兴 趣的等值面。在实际应用中，有时需要将这两种绘制效果结合起来，即首先绘制数据场的 整体，以求对数据场有一个全局的了解，然后再逐步将绘制重点放在感兴趣的等值面上， 以求得对局部细书的清晰的观察。 1 直接体绘制算法 这里我们主要讨论规则数据场的直接体绘制算法，所谓的“规则数据场”指的是由均 匀网格或规则网格组成的结构化数据。每个网格是结构化数据的一个元素，称为体元或体 s 第一章绪论 j 厣戈适天挚博士学位! 堕 组织工程细胞载体支架结构的制造( 人体器官) 。 前两项对材料的生物相容性要求较低，目前已有一些成功的应川案例。而组织工程细 胞载体支架结构则要求很高的生物相容性和可降解性，目前是国内外学术机构的研究热点， 离实际应用尚有一定的距离。 ( 1 ) 体外模型的制造复杂的矫形和器官修复手术往往要多次进行才能成功，而且矫 形和修复的效果往往不够令人满意，如果有合理的体外器官模型，可以辅助医生进行手术 计划改进，体外假体设计制造，术前模拟，与病患交流手术方案等。这些可以大大减轻患 者的痛苦，提高治疗效果。如复杂骨外科手术，由于骨破碎产生严重位移，如没有目前物 理模型的帮助。外科大夫在手术中会遇到很人的麻烦，根本搞不清楚某块碎骨是从哪个创 伤面而来。 国内外在这方面都有很多成功的案例，有些已经进入了商业应用，如美国的a l i g i n 公 司，它利用s l ( 立体光刻) 进行牙齿矫正，已经完成3 0 0 万个以上的牙颌模魁，成功地在美 国进行实际牙矫形治疗，每年产值达数亿美元。国内清华大学联合北大医院、第四军医大 等医疗单位，已完成十余例复杂骨科手术( 骨盆、颅骨等) 的体外模型，获得了良好的效果。 ( 2 ) 植入体植入体是生物相容性假体，它具备良好的生物相容性，能够植入体内修 复和替代部分人体器官。人工关节、人造心脏瓣膜、颅骨修补等植入体己经广泛应爿 。颅 骨修补、面部整形、入耳再造等使用的植入体因人而异，不同患者需要不同形状的假体， 而这些地方正可以发挥快速成形的优势：高度柔性，无需专用工具，可以制造任意复杂形 状的三维实体，适于单件、小批蓬制造。 快速成型系统使用生物相容性材料制造原型，这些原型就可以直接植入患者体内，由 于这些假体是根据患者的个体数据而制造的，其治疗效果将比传统批量成形制造的假体高 很多。 ( 3 ) 细胞载体支架结构的制造传统的支架制作方法不能很好地控制支架的内部结构 和外形，而快速成型技术可以按预想的方案构建支架。由于可以很好地控制材料的外形和 内部孔隙，该技术是制作组织工程支架的理想工艺。 8 1 4 本文的内容安排 本文的主要内容安排如下： 第一章绪论概述了组织工程学的研究和发展、组织工程中的技术方法与图像处理的 国j