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股骨头坏死与骨折计算机辅助手术技术研究

刘斌  
【摘要】: 计算机辅助手术技术可以把先进的治疗设备和外科医生的诊断有机地结合起来,能够充分利用获取的信息使患者得到安全、精确、微创的手术治疗。其研究内容涉及到数字图像处理、计算机图形学、计算机视觉以及人体解剖学等多学科多领域。本文主要针对临床上常见的两种修复性骨科手术——人工股骨头置换和复位后骨折钢板固定的计算机辅助术前规划若干关键技术进行了系统的研究,内容主要包括人体骨骼患处CT图像的获取及其去噪增强处理、三维空间网格模型中骨骼患处关键面的分割、髋臼凹面上数据点集的采样方法和提纯处理、基于曲面拟合的股骨头修复建模及其模型匹配分析、预配准机制下的断骨三维空间模型拼接及钢板预弯模拟。 首先,本文对手术关键部位骨骼CT图像的预处理方法进行了研究,在提取图像中感兴趣区域后,提出一种改进机制下的Curvelet变换去噪方法,有效利用不同尺度下变换系数之间的相关性进一步增强了Curvelet变换提取图像边缘细节信息的能力,利用形态学去噪补充抑制了Curvelet降噪图像中的划痕伪影,很好地改善了结果图像的视觉质量,对于后续的图像分析与建模具有非常重要的意义。 其次,对骨骼模型中患处关键面的三维网格分割问题进行了讨论,采用一种基于顶点法矢特征方法对髋臼关节面和断骨截面实施三维网格分割,同时采用二维图像处理中中值滤波的原理方法来消除子网格面中的孤立噪声点,并且对子网格边界进行了平滑处理,该方法的分割效果和时间效率均优于目前的典型算法。 在髋臼凹面上采集空间数据点集的过程中,首先利用一种专门面向股骨头和髋臼的精确自动分割方法,在感兴趣区域中去除髋关节的股骨头部分,提取髋臼边缘;然后提出一种等距栅格采样法与辐条式采样法相结合的混合采样法,在髋臼序列图像上进行空间数据点集的采样:最后对数据点集内的坐标实施进一步的萃取,剔除无效的脏数据。 股骨头的计算机模型建立是计算机辅助修复手术的基础,本文提出基于球面拟合模型和基于椭球面拟合模型两种股骨头修复建模方法。在球面拟合方法中,首先将股骨头凸面看做是一个规则球形,然后利用提纯处理后的髋臼凹面坐标点数据集来拟合求取球心和半径的数值:在椭球面拟合方法中,考虑到椭球面的各向异性特征,首先将股骨头凸面看做是一个不规则的二次曲面,然后利用提纯处理后的髋臼凹面坐标点数据集来拟合求取椭球面的位置和角度等参数。本文对股骨头模型和髋臼模型之间的匹配质量从几何和应力等方面分别进行分析计算,证明本文方法能够实现两模型之间的有效匹配。 最后,本文对计算机辅助三维空间内的断骨模型术前自动拼接进行了较为深入的研究,提出了基于带方向最小包围盒、基于断骨轴线和基于断骨脊线三种预配准方法,可缩小两断骨模型之间的旋转和平移错位,提高后续精确配准过程的效率。本文首先分析了传统ICP算法的特点,然后提出一种基于非迭代估计的断骨模型自动配准算法,与ICP算法相比,该方法的计算复杂度和时间代价均有所降低。在此基础上,本文在拼接后的断骨模型上实现了固定钢板的用户化设计和预弯模拟,首先在模型表面上提取控制点,然后采用直接绘制控制点网格曲面的方法得到钢板的三维模型,从而可以在术前测量得到钢板模型的各种几何参数,缩短手术时间。


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