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膝关节X线透视图像和CT数据的2D/3D配准及其应用研究

焦培峰  
【摘要】: 研究背景 膝关节在体运动和假体稳定性研究是运动医学及临床医学研究中的难点问题。由于组成膝关节的骨骼及植入假体位置深在,因此冀望从体表研究骨骼运动及植入体稳定性的方法都不适当。X射线具有很强穿透性,且医用放射剂量不断减小,因此各种基于X线的成像设备逐渐成为疾病诊断和研究人体内部信息的主要工具,对膝关节的研究也完全可以利用X线图像来进行。 X线透视能够观察人体内部信息,但其图像是体内结构的二维叠加投影图,缺乏三维信息。CT设备利用X线穿透原理成像,其图像数据能够完整记录体内结构的三维信息,但却只是某静止状态下,无法体现实时情况。将这两种数据优势结合起来的2D/3D配准成为近年来医学图像处理领域的热门,其应用范围包括了运动医学、定位放射、手术导航、术后评估等等。 基于图像内容的2D/3D配准是指利用计算机图像技术模拟X射线透视原理,对前期获得的研究对象体数据如CT或MR等进行虚拟放射投影,生成数字影像重建图像(DRR),然后通过变换体数据的空间位置及角度,对新生成的DRR图像及研究对象真实X线图像的相似性测度求极值,确定体数据对应X线图像所处的空间位置。近年来,随着X线摄影技术及CT等大型设备性能的不断提升,以及医学图像处理领域软硬件的高速发展,2D/3D配准的效果也越来越好。 在综合国内外研究方法和成果的基础上,结合自身研究目标,我们采用GPGPU处理器,基于CUDA构架,开发了处理单幅X线图像和螺旋CT体数据的2D/3D配准系统。主要过程为:首先通过张正友标定法计算X线图像的成像条件(即DR拍摄条件),并将其设置为配准程序的参数;然后在硬件GPGPU支持下,基于CUDA构架,利用光线跟踪原理生成DRR图像,以SSD(Sum-of-Squares difference)作为DRR与X线图像的相似性测度对象,求得研究对象的空间定位;通过整合研究对象的空间位置变换,完成对其运动过程的三维描述;最后利用三维激光扫描仪和测量软件Raindrop Geomagic8.0对结果进行验证。结果显示,第一组将标本作为整体移动,进行2D/3D配准后,6个自由度中平移误差分别为(x,y,z轴平均值,单位:mm,下同):0.84,0.33,0.62;旋转误差分别为(x,y,z轴平均值,单位:。,下同):0.32,0.53,0.80;第二组对标本进行模拟弯曲运动,配准分两部分进行。结果显示,配准后股骨部分6自由度中平移误差分别为:1.55,1.25,0.98,旋转误差分别为:0.99,1.08,1.16;胫骨部分6自由度中平移误差为:1.65,1.27,0.89,旋转误差为:0.86,1.30,0.83。我们认为,本研究开发的2D/3D医学图像配准系统达到了预期目标,可为下一步的实验工作提供良好的数据处理平台,本实验中利用膝关节标本模拟运动并进行配准计算的方法可作为膝关节在体运动检测的实验路线。 目的 1.建立基于张正友标定法原理的X线图像拍摄标定系统; 2.建立基于CUDA构架的2D/3D医学图像配准系统; 3.研究以三维激光扫描仪和测量软件相配合验证2D/3D配准结果的方法; 4.以膝关节标本为实验对象,建立应用此配准系统对膝关节在体运动进行分析研究的技术路线。 材料与方法 1.X线拍摄标定系统的建立:硬件设备为平面标定板,其核心是14×14cm印刷电路板,参数如下:PCB板厚度0.4mm,铜线宽度0.254mm、间距10mm,铜线11排11列正交分布。电路板由两块有机玻璃板夹持,保证其始终为一平面。使用时,拍摄多幅不同角度下标定板的X线图像,通过基于张正友标定法原理的程序计算X线拍摄空间条件,即为2D/3D配准程序中虚拟光源及影像接收屏相对位置关系参数。 2.建立基于GPGPU的2D/3D配准系统:基于GPGPU硬件设备及CUDA构架建立2D/3D配准系统,利用光线追踪算法对CT数据进行数字影像重建(DRR),与真实X线图像进行相似性比较,以SSD作为相似性测度,变换CT体数据空间位置及角度,当SSD获得极值时,得到对应X线图像的CT体数据位置参数,完成2D/3D配准。 3.研究以三维激光扫描仪和测量软件相配合验证2D/3D配准结果的方法:硬件设备为三维激光扫描仪,型号3DD RealScan USB 200,点云密度512×1000,测量软件为Raindrop Geomagic8.0。在对研究对象进行X线拍摄的同时,利用三维激光扫描仪记录每种状态下研究对象的三维点云信息。统一坐标系后,在Geomagic8.0中利用3D/3D配准功能对不同位置点云进行配准,得到研究对象空间位置变换参数,以此为金标准验证本研究开发的2D/3D配准系统的计算结果。 4.整体配准实验:冰冻状态下人体膝关节标本进行CT扫描,获得原始DICOM格式数据集,图像参数:层厚0.75mm,像素512×512矩阵,像素大小0.3515625mm×0.3515625mm,共582幅。继续在冰冻状态下(保证其整体可视为刚体状态)拍摄膝关节标本X线图像14幅,图像格式为DICOM,其中前6幅内容为标定板,后8幅为标本透视图像,拍摄时对标本整体进行了随机的位置改变。拍摄每张X线图像的同时进行三维激光扫描,保存对应点云文件。将X线图像、CT数据输入2D/3D配准系统中进行整体配准,最后以激光点云数据配准结果对其进行验证,分析误差大小及产生原因。 5.模拟运动配准实验:CT数据同整体配准组,相同条件X线图像连续拍摄16幅,前8幅为标定板图像,后8幅为解冻后标本透视图像,拍摄时人为弯曲不同角度以模拟膝关节运动,同时进行激光三维扫描,记录对应点云数据。将CT数据分割为两部分:股骨部分和胫骨部分,分别与处理后X线图像进行配准。整合空间变换参数,求得膝关节标本“运动”参数,最后以点云配准结果对其进行验证,分析误差大小及原因,探讨此方法的可行性。 结果与讨论 1.开发了基于GPGPU处理的2D/3D医学图像配准程序,以及X线图像拍摄标定系统,同时建立了利用三维激光扫描仪与测量软件相结合对2D/3D配准结果进行验证的方法。 1.1基于张正友标定法原理,结合X线穿透特性设计制作平面标定板,改进了标定程序,实验结果显示其精度较高,可用来进行X线图像拍摄空间位置的标定。 1.2开发了以激光三维扫描仪为硬件基础,Raindrop Geomagic8.0为软件支持验证配准结果的技术路线。从软硬件设备自身精度入手,分析其作为金标准的误差范围。结果显示,本研究可在20-30cm距离内完成扫描,此距离内三维激光扫描仪精度为0.01mm;Geomagic8.0软件中,三维点云配准误差最大平均值为0.08mm,最小值可达0.02mm。 1.3基于硬件设备GPGPU及CUDA构架,完成了2D/3D医学图像配准系统的编程与调试。与传统算法相比,利用此硬件显卡加速,DRR图像可实时更新,配准速度大大加快。 2.利用人体膝关节标本进行实验,获得一套CT图像数据。第一组将标本整体进行移动,共拍摄X线图像14幅,其中前6幅内容为标定板;第二组对标本进行弯曲模拟运动,共拍摄X线图像16幅,前8幅内容为标定板。两组X图像分别与CT数据搭配进行处理,计算2D/3D配准参数。 2.1整体配准组:将6幅图像分为3组(可复用)对DR拍摄参数进行了标定计算,三次结果取均值设置为2D/3D配准程序的源屏相对位置关系值;导入CT体数据及X线图像进行配准计算,获得8个位置6自由度参数,对应每一幅图像中标本的空间位置。以第一幅图像中标本位置为基准,计算后续图像中标本位置变换参数,以对应的三维点云配准结果对其验证。结果显示,6个自由度中平移误差分别为(x,y,z轴平均值,单位:mm):0.84,0.33,0.62;旋转误差分别为(x,y,z轴平均值,单位:°):0.32,0.53,0.80,误差最大出现在X轴平移及Y轴旋转,分别为1.25mm和1.54°。我们认为主要误差来源在于DRR的产生及其与X线图像的比较。首先,DRR的产生是模拟真实X线成像过程,由于CT体数据与真实物体相差甚多,且光线跟踪算法与X线穿透物体过程也有较大差异,因此DRR图像不可能与真实X线图像完全一致。此外,DRR与X线图像在细节纹理部分相差较大,进行相似性测度计算时,由此产生的误差无法避免;其次,DRR图像与X线图像比较时,“景深”方向的微小数值变化对DRR图像产生的影响很小,造成配准时虽然空间位置有变化,但相似性测度值出现钝化,仅依靠求函数极值难以消除这种误差。 2.2模拟运动配准组:CT数据分为两部分进行分段配准,上半部分以股骨和髌骨为主干(包括软组织),下半部分以胫骨和腓骨为主干(包含软组织)。两部分CT数据分别与X线图像进行了配准,利用三维点云进行精度验证。结果显示,股骨部分6自由度中平移误差为(x,y,z轴平均值,单位:mm,下同):1.55,1.25,0.98,旋转误差为(x,y,z轴平均值,单位:°,下同):0.99,1.08,1.16;胫骨部分6自由度中平移误差为:1.65,1.27,0.89,旋转误差为:0.86,1.30,0.83。对误差进行分析:首先,整体配准实验中的误差因素依然存在;其次,膝关节弯曲角度变化时,关节周围软组织形态发生改变,而CT数据相应部分仍维持原状,导致DRR与X线图像进行相似性测度计算时,软组织部分信息差别增大从而影响了精度。第三,分段配准导致体数据可用信息减少,对配准结果也有一定的影响。 结论 1.本研究开发的2D/3D医学图像配准系统达到了实用的要求,可以用来检测膝关节及内置假体的三维运动情况。 2.以三维激光扫描仪及Raindrop Geomagic8.0软件支持的配准系统精度检验方法不仅能够检测研究对象整体运动情况,还可以对其内部不同刚性部分之间(如骨骼)相对运动的情况做高精度测定,此方法可成为今后此类系统精度检验更理想的选择。 3.本研究中所采用的对膝关节标本模拟运动进行配准的技术方法,可推广到关节在体运动检测应用中。


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