基于三维重建的计算机辅助骨科手术系统研究

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1、基于三维重建的计算机辅助骨科手术系统研究-->第一章绪论1.1选题背景及研究意义骨科手术中通常涉及到复杂的几何结构的变化，并需要对骨骼的形态有足够的认识和了解。在传统的骨科手术中，医生通过在大脑中进行术前模拟来确定手术方案，再根据形成的三维印象进行手术，这是手术能够高效准确地进行所必须的准备工作。但要在大脑中清晰的想象出术中骨骼形态的几何和拓扑结构的复杂变化并非易事。这种手术方案质量的高低非常依赖于医生个体的外科临床经验与技能，且在大脑中形成的这种手术方案的构思信息不方便于手术小组成员之间的交流。近年来，借助于计算机图形学等技术

2、的医学体数据重构人体内部三维结构应用日益广泛，医学诊断与治疗的手段也在不断发展，如近年来出现的计算机辅助外科手术系统、虚拟外科手术系统等。通过这些技术，外科医生在手术中可以提高手术定位的精度，减少手术创伤，提高成功率。通过术前在计算机上演示手术的过程，可以方便医生、护士和患者之间的沟通，否则如果仅仅凭医生的描述，其他人往往较难彻底理解其手术意图和要点。除此之外，在医学教学上运用虚拟手术系统可以为缺少临床经验的学生、医生在真正手术操作前获取更多经验。三维重建是计算机辅助骨科手术的前提和基础。医学图像三维可视化是科学可视化的一个重要

3、领域，也是它的一个研究热点。医学图像可视化，是指人们通过CT，MRI等数字成像技术，在计算机上进行三维效果表现，从而提供传统手段无法取得的结构信息。医学图像的三维可视化具有重要的研究和临床应用价值。针对医学图像的三维重建虽然有多种方法，但处理步骤却基本相同，如图1-1所示。即，得到序列断层医学图像(CT、MRI、PET和SPECT)后，将医学图像格式转换为便于计算机处理的格式，通过对图像数据进行如平滑噪声，消除伪影等预处理，再采用一定的插值算法，保证体数据的表达各向同性，然后采用图像分割算法，对体数据的不同组织器官进行感兴趣区域

4、提取，剔除无关组织。在这些预处理步骤完成后，再根据系统的内存容量、计算能力和重建的目标和应用特点，选择合适的三维重建算法进行绘制。基于这种三维重建技术，医生可以由CT图像获得解剖组织丰富的三维信息，从而对图像信息的利用更充分。计算机辅助手术系统最早用于颌面外科手术，现在已经扩展到骨科、整形科及神经外科等涉及骨骼等硬组织的辅助设计中。这种类型的系统仍然是未来的主要发展方向之一，在临床上也积累了丰富的案例及经验。1.2三维可视化技术的分类及国内外研究情况目前医学体图像的三维重建可分为断层绘制、面绘制和体绘制3种不同的绘制方式。其中最

5、简单的绘制方式是断层绘制，它将各断层图像以快速逐层显示、二维序列显示、或漫游等方式来提供灰度或伪彩色位图显示。这类方法绘制速度快，人机交互性好，在观察器官内部结构特性方面现在还常常被用到。面绘制(SurfaceRendering)是由原始的三维医学体数据构造出大量的几何图元（一般是三角面片），由这些几何图元拟合成物体表面的三维结构，再根据光照、明暗模型等计算机图形学算法进行消隐和渲染得到显示图象。体绘制不需要构建几何模型，而是根据光照原理直接将三维效果显示在屏幕上。这两种可视化方法在医学影像可视化领域都得到了泛的应用，下面分别简

6、单进行介绍。第二章二维医学图像预处理2.1引言在骨组织模型三维重建之前，须先经过二维平面上的预处理。医学图像一般是以DI格式存储的，计算机并不能直接显示这种格式的文件，因此要解析DI图像并转换格式。分割是三维重建的基础，分割可以将需要重建的部分提取出来，以便在三维重建前进行定性和定量的观察分析，令重建效果更精确。此外，为了增强重建效果，对图像的滤波也是必不可少的。本章主要介绍二维医学图像的获取及预处理，为下一步的三维重建做准备。2.2CT图像和MRI图像的获取医学图像中，计算机断层扫描(CT)和磁力共振成像(MRI)是最常见的两

7、种用于获取解剖图像信息的技术。CT是用X线束对人体某部位进行一定厚度的扫描，由探测器检测到透过该部位层面的X射线，将此可见光的信号转换成电信号，再用A/D转换器转换成数字信号，输入计算机处理后形成图像。这种技术成像快，在骨骼及软组织成像方面具有独特优势。人体组织处在较强的磁场和射频脉冲环境下组织内进动的氢核(H+)会发生章动，MRI就是利用了这一原理。MRI图像适合于软组织成像。相对而言，CT的空间分辨率高于MRI，而MRI图像的对比分辨率高于CT图像。影像设备产生的数据存储格式不尽相同，常见格式有DI、TIFF、BMP，现在医

8、学图像领域较为通用的是基于DI协议上的标准格式。第三章医学图像三维重建.............163.1引言........163.2轮廓连接法三维重建........163.3传统的移动立方体算法.........173.4MC算法的二义性及消除......