脊柱x线透视图像与ct体积图像的配准-研究

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1、东南大学硕士学位论文价。而现有的技术手段无法完全根据这一定义对脊柱进行评价，原因是：(1)由于现有的普通X线影像手段只能拍摄脊柱静止时的二维影像，无法准确判断旋转的角度，更不能反映出脊柱活动范围中间过程：(2)CT或MRI的三维重建图像虽然是立体的，但也是静态体位的图像，同样无法准确反映出人体脊柱活动的动态变化过程。目前临床上诊断脊柱节段性失稳主要依赖于脊柱屈伸侧位X光片、左右侧位X光片及CT或MⅪ影像上的某些结构改变等征象，而对于脊柱活动的中性区域缺乏有效的表现方法。所以只能依据临床表现、体格检查和影像学检查的综合分析得出“脊柱失稳症”的诊断，至今仍没有诊断脊柱节段性失稳的金标

2、准。通过2D／3D图像配准技术，脊柱结构x线图像，与经CT扫描重建的相应各个椎体三维图形进行位置配准，将二维动态的X线图像转化为三维模型的仿真运动，检测脊柱在体静态及动态稳定性，将全面准确地分析退变性疾病导致的脊柱不稳，使患者能尽早选择正确的治疗方案，得剑长久有益的治疗效果．1．1．2计算机辅助下的脊柱手术导航CT体积图像与X线透视图像的2D／3D配准技术还可应用于“计算机辅助骨科手术导航”系统。计算机辅助下的手术导航⋯是一个正在兴起的全新技术，它是将空间立体导航技术、计算机图像处理及可视化技术与临床手术结合起来，使手术器械的位置在术中通过影像实时显示，从而大大提高手术的成功率，

3、减少了手术并发症的出现。在脊柱外科中，由于脊柱、脊髓的特殊解剖结构，手术的高精度性和安全性是人们首先考虑的问题。自1992年KevinFoley将StealthStation导航系统首次应用于脊柱外科后，随着医学成像技术、计算机技术及光学精确定位技术的进步，通过图像引导脊柱外科手术已成为脊柱外科手术的重要发展方向。目前已有应用导航系统处理脊髓肿瘤等疾病的报告，但椎弓根螺钉的导航应用在脊柱外科仍最为普遍H1。由于颈椎、胸椎与脊髓、血管及神经非常接近，应用椎弓根系统固定技术治疗颈椎、胸椎与腰椎骨手术风险较高。目前常见的图像辅导脊柱外科手术多采用C型臂透视的二维图像导航，通过术中多次成

4、像定位。但由于骨科医生识别二维透视图像中的颈椎和胸椎骨时易受到肋骨投影影响，在较小椎骨和严重畸形的椎弓根部难以确定植入位置和角度。而CT体积图像能给出椎骨的真实三维形状，使医生能较易确定手术位置和方向哺J。基于上述原因，将2D／3D图像配准技术应用于脊柱手术导航系统，利用术前CT数据获取3D模型，术中利用一次X线透视成像来定位，通过对X线透视图像与CT体积图像进行2D／3D配准，建立术前和术中两套坐标系之间的关系，得到可以利用的投影变换矩阵，对手术刀或导航棒的位置进行实时跟踪，并将其位置和术前重建的三维图像共同显示在屏幕上，可大大提高手术的准确性和安全性，同时这种方法也减少了医护

5、人员和患者在术中受到的辐射。1．2国内外研究现状20世纪60年代国外开始在图像配准领域进行研究嘲，到上世纪末，单模图像配准问题已基本解决，但多模图像配准由于涉及模式和领域的复杂性，仍需密切关注。目前，2D／3D配准问题受到越来越多的重视，国内外学者进行了多方研究。LavalleeS等n01采用的方法是首先在3D体数据和2D的X线透视图像中分别分割出相关的解剖结构，然后利用3D数据的平滑表面与x线透视图中多于两条的轮廓线进行配准。BettingF【l¨、GueziccA[脚2第一章绪论和黄永峰u朝所采进行的配准研究与上述方法都是基于特征的配准方法，此类方法利用固定在患者身上的标记物

6、或者人体解剖结构进行定位，通常需要进行分割，但分割步骤难以自动完成且分割步骤误差较大，影响后续的配准工作。Yamazaki等【14】使用2D／3D配准方法时，用每一个变餐的误差特征，由评价曲线加以量化的方法测定代价函数随自由变量的变化，但该方法只能适合人工假体、器械等已知精确尺寸的物体，对骨结构精度不高。张薇【15】、BrownLMGIloJ、HuU¨1和LemieuxLtlsj对基于灰度的2D／3D配准方法进行了各自的研究。脊柱的图像配准也已有了一定的发展。国内有张翼等“训提出两次配准结合的方法来配准脊柱术前CT与其术中X线透视图像，首先使用最近点迭代法进行快速粗配准，然后提取

7、图像的梯度特征，根据投影变换原理，采用寻找具有CT最大投影位置的方法进行精配准。贾富仓等咄w是先从CT体积I到像和脊椎骨上选择三对对应点配准，得到一个初始稳定解，然后通过域值分割得到脊椎骨的表面点云，在初始基础上，从脊椎骨表面上选取更多点进行迭代最近点优化。张惠等IzlJ采用的是一种基于Chamfer3-4距离变换的方法，该方法先从脊柱X线透视图像中分割出目标物体，通过使用投影模型和优化方法得剑投影矩阵。但这三种方法都不是全自动的，且都需要提取特征，而特征提取的准确性又将影响配准