基于CT与超声图像配准的准静态膝关节三维运动测量方法的研究

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1、硕士学位论文基于CT与超声图像配准的准静态膝关节三维运动测量方法的研究作者姓名黎蒙学科专业信号与信息处理指导教师黄庆华教授所在学院电子与信息学院论文提交日期2018年4月AStudyontheMeasurementMethodofQuasi-staticThree-dimensionalKneeJointMovementBasedontheImageRegistrationofCTandUltrasoundImagesADissertationSubmittedfortheDegreeofMaster

2、Candidate：LiMengSupervisor：Prof.HuangQinghuaSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China分类号：TP391学校代号：10561学号：201520109307华南理工大学硕士学位论文基于CT与超声图像配准的准静态膝关节三维运动测量方法的研究作者姓名：黎蒙指导教师姓名、职称：黄庆华教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：信号与信息处理研究方向：图像处理与视频信号处理论文提交日期：2018年4月10日论文答辩日期：

3、2018年5月27日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：张煜（教授）委员：宋盟春（高级工程师）、黄庆华（教授）、林春漪（副教授）、宋嵘（教授）摘要膝关节的三维运动测量是研究膝关节损伤机理的重要依据，并且对于建立安全准确的膝关节在体运动评价系统及早期诊断、规范化医学运动康复具有重大的意义。现有的测量方法难以兼顾无侵入性、无电离辐射性、高精确度以及成本低廉等特性。随着医学超声成像技术的发展，超声检测已经在临床上进行了广泛的应用，医学超声成像相对于计算机断层扫描技术和核磁共振

4、成像技术有着成本低廉，无电离辐射等显著优点。因而，本文通过引入超声图像，创新性的提出了一种基于CT图像与超声图像配准的膝关节三维运动测量方法，该方法具有无创、无电离辐射、高精度的特点。本文主要讨论了基于CT图像与超声图像配准的膝关节三维运动测量系统的实现原理，包括系统构成、数据采集、多视角B型超声图像组合结构的选取与构建、配准框架的构建以及膝关节三维模型的重建和其运动的可视化模拟。其中配准框架的构建是整个系统的核心：首先，由于CT图像与超声图像是不同模态下的医学图像，在分辨率、灰度属性等方面差异巨大，

5、直接将二者进行配准的难度较大且精确度较低。有鉴于此，我们需要利用超声成像模拟算法将CT图像模拟为超声图像再进行图像配准；其次，为了获取更加准确的配准结果，本文引入了多视角B型超声图像组合结构（如交叉图，工形图，王字形图）来进行图像配准；最后，在目标函数和优化方案的选择方面，本文采用最大归一化互信息来描述两幅图像的相关性，采用基于GPU加速的并行化粒子群优化算法来进行解空间的搜索。为了验证不同的多视角B型超声图像组合结构在配准算法中作为配准图像结构的可行性，本文利用人体股骨标本分别使用交叉图，工形图，王

6、字形图三种多视角B型超声图像组合结构进行配准精度验证实验，结果表明：考虑到系统耗时和测量精度之间的平衡，最终选用工形图作为整个膝关节三维运动测量系统的图像配准结构。并进一步完成了多组离体实验和在体实验。实验结果表明，本文提出的三维膝关节运动测量系统能够精确测量膝关节的三维运动，满足膝关节三维运动分析的需要。关键词：医学超声图像；CT图像；超声成像模拟；工形图；IAbstractThemeasurementmethodofquasi-staticthree-dimensionalkneejointmov

7、ementisanimportantbasisforstudyingthemechanismofkneejointinjury.Itisofgreatsignificanceforestablishingsafeandaccuratekneejointmotionevaluationsystem,earlydiagnosisandstandardizedmedicalrehabilitation.Theexistingmeasurementmethodshavethedisadvantagesofin

8、vasion,radiation,lowaccuracyandhighcost.Withthedevelopmentofmedicalultrasoundimagingtechnology,ultrasonicdetectionhasbeenwidelyusedinclinical.Comparedwithcomputertomographyandnuclearmagneticresonanceimagingtechnology,ultrasonicim