【摘要】 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及信息化在醫(yī)學(xué)上的深入應(yīng)用，計算機(jī)輔助手術(shù)正成為生物醫(yī)學(xué)工程上的一個研究熱點(diǎn)，外科醫(yī)生通過這些技術(shù)手段在術(shù)前、術(shù)中、術(shù)后對手術(shù)進(jìn)行輔助支持，提高手術(shù)定位精度，減少手術(shù)損傷，提高手術(shù)成功率。在計算機(jī)輔助骨科手術(shù)中，骨組織三維模型的建立及在模型上的模擬操作是其他輔助手段的前提和基礎(chǔ)，醫(yī)生術(shù)前在計算機(jī)上對三維模型進(jìn)行測量、切割、定位等交互操作，可以熟悉手術(shù)過程，提高手術(shù)結(jié)果預(yù)測的準(zhǔn)確性，從而在可重復(fù)的手術(shù)計劃過程中達(dá)到修正手術(shù)方案，提高手術(shù)質(zhì)量，降低成本的目的。世界各國有不少研究者致力于相關(guān)的研究，本文在已有理論和應(yīng)用上對計算機(jī)輔助骨科手術(shù)各步驟的方法提出一些改進(jìn)并進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，具體主要有以下方面：1)三維重建方面，在比較了基于輪廓的連接方法和經(jīng)典的MC算法后，用MC算法對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行重建，并針對其存在的二義性、光滑性的問題，分別用漸近線法、向量場平滑方法進(jìn)行改進(jìn)。2)快速成型方面，考慮到機(jī)械領(lǐng)域上用點(diǎn)掃描生成快速文件方法不適合用于醫(yī)學(xué)圖像上，本文提出一種基于MC算法生成STL文件的方法，利用該方法可方便快速的輸出STL文件，用于制造實體模型。3)骨科手術(shù)模擬操作方面，針對在電腦屏幕上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型時無法獲得深度信息的問題，本文提出一種用揀選射線與三角形求交的方法來獲得三維模型點(diǎn)的精確空間坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了模型的測量及標(biāo)注、模擬骨科手術(shù)封閉區(qū)域切割、面切割，模型重定位等操作。揀選射線法求空間點(diǎn)及模型切割都需要對所有三角面遍歷，交互速度往往過慢，為此文章提出一種網(wǎng)格劃分包圍盒的方法來迅速剔除大量無關(guān)三角形，避免了其與射線或切割面的計算，顯著提高了交互速度。4)本文開發(fā)出了一套計算機(jī)輔助骨科手術(shù)的系統(tǒng)，系統(tǒng)具有解析DICOM文件，對二維醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理，冠狀面、矢狀面重構(gòu)，三維重建，快速成型文件生成，骨科手術(shù)模擬操作等功能，能滿足基本的計算機(jī)輔助骨科手術(shù)的要求。 

第一章  緒論 

1.1  選題背景及研究意義 

骨科手術(shù)中通常涉及到復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)的變化，并需要對骨骼的形態(tài)有足夠的認(rèn)識和了解。在傳統(tǒng)的骨科手術(shù)中，醫(yī)生通過在大腦中進(jìn)行術(shù)前模擬來確定手術(shù)方案，再根據(jù)形成的三維印象進(jìn)行手術(shù)，這是手術(shù)能夠高效準(zhǔn)確地進(jìn)行所必須的準(zhǔn)備工作。但要在大腦中清晰的想象出術(shù)中骨骼形態(tài)的幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜變化并非易事。這種手術(shù)方案質(zhì)量的高低非常依賴于醫(yī)生個體的外科臨床經(jīng)驗與技能，且在大腦中形成的這種手術(shù)方案的構(gòu)思信息不方便于手術(shù)小組成員之間的交流。 

近年來，借助于計算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)的醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)重構(gòu)人體內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)應(yīng)用日益廣泛，醫(yī)學(xué)診斷與治療的手段也在不斷發(fā)展，如近年來出現(xiàn)的計算機(jī)輔助外科手術(shù)系統(tǒng)、虛擬外科手術(shù)系統(tǒng)等。通過這些技術(shù)，外科醫(yī)生在手術(shù)中可以提高手術(shù)定位的精度，減少手術(shù)創(chuàng)傷，提高成功率。通過術(shù)前在計算機(jī)上演示手術(shù)的過程，可以方便醫(yī)生、護(hù)士和患者之間的溝通，否則如果僅僅憑醫(yī)生的描述，其他人往往較難徹底理解其手術(shù)意圖和要點(diǎn)。除此之外，在醫(yī)學(xué)教學(xué)上運(yùn)用虛擬手術(shù)系統(tǒng)可以為缺少臨床經(jīng)驗的學(xué)生、醫(yī)生在真正手術(shù)操作前獲取更多經(jīng)驗。 

三維重建是計算機(jī)輔助骨科手術(shù)的前提和基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)圖像三維可視化是科學(xué)可視化的一個重要領(lǐng)域，也是它的一個研究熱點(diǎn)。醫(yī)學(xué)圖像可視化，是指人們通過 CT，MRI等數(shù)字成像技術(shù)，在計算機(jī)上進(jìn)行三維效果表現(xiàn)，從而提供傳統(tǒng)手段無法取得的結(jié)構(gòu)信息。醫(yī)學(xué)圖像的三維可視化具有重要的研究和臨床應(yīng)用價值。 

針對醫(yī)學(xué)圖像的三維重建雖然有多種方法，但處理步驟卻基本相同，如圖 1-1 所示。即，得到序列斷層醫(yī)學(xué)圖像(CT、MRI、PET和 SPECT)后，將醫(yī)學(xué)圖像格式轉(zhuǎn)換為便于計算機(jī)處理的格式，通過對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行如平滑噪聲，消除偽影等預(yù)處理，再采用一定的插值算法，保證體數(shù)據(jù)的表達(dá)各向同性，然后采用圖像分割算法，對體數(shù)據(jù)的不同組織器官進(jìn)行感興趣區(qū)域提取，剔除無關(guān)組織。在這些預(yù)處理步驟完成后，再根據(jù)系統(tǒng)的內(nèi)存容量、計算能力和重建的目標(biāo)和應(yīng)用特點(diǎn)，選擇合適的三維重建算法進(jìn)行繪制。  

基于這種三維重建技術(shù)，醫(yī)生可以由CT圖像獲得解剖組織豐富的三維信息，從而對圖像信息的利用更充分。計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)最早用于頜面外科手術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到骨科、整形科及神經(jīng)外科等涉及骨骼等硬組織的輔助設(shè)計中。這種類型的系統(tǒng)仍然是未來的主要發(fā)展方向之一，在臨床上也積累了豐富的案例及經(jīng)驗。 

1.2  三維可視化技術(shù)的分類及國內(nèi)外研究情況 

目前醫(yī)學(xué)體圖像的三維重建可分為斷層繪制、面繪制和體繪制3種不同的繪制方式。其中最簡單的繪制方式是斷層繪制，它將各斷層圖像以快速逐層顯示、二維序列顯示、或漫游等方式來提供灰度或偽彩色位圖顯示。這類方法繪制速度快，人機(jī)交互性好，在觀察器官內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性方面現(xiàn)在還常常被用到。面繪制(Surface Rendering)是由原始的三維醫(yī)學(xué)體數(shù)據(jù)構(gòu)造出大量的幾何圖元（一般是三角面片），由這些幾何圖元擬合成物體表面的三維結(jié)構(gòu)，再根據(jù)光照、明暗模型等計算機(jī)圖形學(xué)算法進(jìn)行消隱和渲染得到顯示圖象。體繪制不需要構(gòu)建幾何模型，而是根據(jù)光照原理直接將三維效果顯示在屏幕上。這兩種可視化方法在醫(yī)學(xué)影像可視化領(lǐng)域都得到了泛的應(yīng)用，下面分別簡單進(jìn)行介紹。 

第二章 二維醫(yī)學(xué)圖像預(yù)處理

2.1  引言 

在骨組織模型三維重建之前，須先經(jīng)過二維平面上的預(yù)處理。醫(yī)學(xué)圖像一般是以DICOM 格式存儲的，計算機(jī)并不能直接顯示這種格式的文件，因此要解析 DICOM 圖像并轉(zhuǎn)換格式。分割是三維重建的基礎(chǔ)，分割可以將需要重建的部分提取出來，以便在三維重建前進(jìn)行定性和定量的觀察分析，令重建效果更精確。此外，為了增強(qiáng)重建效果，對圖像的濾波也是必不可少的。本章主要介紹二維醫(yī)學(xué)圖像的獲取及預(yù)處理，為下一步的三維重建做準(zhǔn)備。 

2.2 CT 圖像和 MRI 圖像的獲取 

醫(yī)學(xué)圖像中，計算機(jī)斷層掃描(CT)和磁力共振成像(MRI)是最常見的兩種用于獲取解剖圖像信息的技術(shù)。CT是用 X線束對人體某部位進(jìn)行一定厚度的掃描，由探測器檢測到透過該部位層面的 X 射線，將此可見光的信號轉(zhuǎn)換成電信號，再用 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入計算機(jī)處理后形成圖像。這種技術(shù)成像快，在骨骼及軟組織成像方面具有獨(dú)特優(yōu)勢。人體組織處在較強(qiáng)的磁場和射頻脈沖環(huán)境下組織內(nèi)進(jìn)動的氫核(H+)會發(fā)生章動，MRI就是利用了這一原理。MRI圖像適合于軟組織成像。相對而言，CT的空間分辨率高于MRI，而MRI圖像的對比分辨率高于CT圖像。 影像設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲格式不盡相同，常見格式有 DICOM、TIFF、BMP，現(xiàn)在醫(yī)學(xué)圖像領(lǐng)域較為通用的是基于 DICOM協(xié)議上的標(biāo)準(zhǔn)格式。 

第三章 醫(yī)學(xué)圖像三維重建 .............16 

3.1  引言 ........ 16 

3.2  輪廓連接法三維重建 ........ 16 

3.3  傳統(tǒng)的移動立方體算法 ......... 17 

3.4 MC 算法的二義性及消除........... 21 

3.5  等值面的平滑 ...............23 

3.6  實驗結(jié)果及分析 ..............24 

3.6.1  繪制結(jié)果 ........ 24 

3.6.2  結(jié)果分析 ............. 26 

3.7  本章小結(jié) ........ 26 

第四章 快速成型技術(shù) ............. 27 

4.1  引言 ................ 27 

4.2 STL 文件的格式與規(guī)則.............. 27 

4.2.1 STL 文件格式............ 27 

4.2.2 STL 文件規(guī)則................ 28 

4.3  快速成型文件的生成 ............ 29 

4.3.1  快速成型文件生成方法 .... 29 

4.3.2 STL 文件中三角片頂點(diǎn)順序問題..........9 

4.3.3  本方法生成 STL 文件的步驟及偽代碼.......... 30 

4.4  快速成型文件在手術(shù)設(shè)計中的應(yīng)用 ............. 32 

4.5  實驗結(jié)果及分析 ............... 33 

4.6  本章小結(jié) ........ 34 

第五章 醫(yī)學(xué)圖像三維模型的手術(shù)模擬操作 ........36 

5.1  引言 ......... 36 

5.2  三維點(diǎn)的拾取 .............36 

5.2.1  射線拾取法獲取三維點(diǎn)的思想 .......... 36 

5.2.2  空間變換與向量射線的求取 ...............37 

5.2.3  向量射線與三角形交點(diǎn)計算 ................39 

第六章 計算機(jī)骨科手術(shù)輔助系統(tǒng)的實現(xiàn) 

6.1  引言 

在真實的外科手術(shù)中，外科醫(yī)生和助手始終進(jìn)行著兩個重要的活動，一是對物體進(jìn)行目測或借助工具對物體進(jìn)行幾何測量，如選擇范圍內(nèi)某組織的尺寸，截骨的角度等；二是把物體放在準(zhǔn)確的角度和位置。計算機(jī)輔助外科手術(shù)系統(tǒng)可以輔助外科醫(yī)生在術(shù)前獲得手術(shù)部位的準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)行嚴(yán)格的術(shù)前規(guī)劃，這對提高手術(shù)的精確性意義重大。因此這種輔助系統(tǒng)的也越來越受到醫(yī)生的青睞。 

目前，有些機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了計算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)的產(chǎn)品，其中在國內(nèi)被廣泛使用的是比利時 Materialise 公司開發(fā)的 mimics 軟件，它具有人體測量分析，分割、切割、融合、定位等功能，能輔助手術(shù)設(shè)計，快速成型、假體/植入體設(shè)計，并能進(jìn)行有限元分析及流體力學(xué)分析等。但這種軟件價格昂貴，而且實際應(yīng)用中某些醫(yī)療機(jī)構(gòu)只需要其中一部分功能，如外科室只對計算機(jī)輔助骨科手術(shù)功能有需求。 

本文正是基于這樣的背景，研究開發(fā)這樣的系統(tǒng)。在進(jìn)行上文理論研究基礎(chǔ)上，開發(fā)出計算機(jī)輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)，本系統(tǒng)用 Visual Studio 2005 作為開發(fā)工具，并借助了OpenGL 圖形函數(shù)庫。本章主要介紹本系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、功能模塊以及實例分析等。 

6.2  計算機(jī)骨科手術(shù)輔助設(shè)計系統(tǒng)框架 

本系統(tǒng)的框架如圖 6-1 所示。由于醫(yī)學(xué)圖像一般用 DICOM 格式存儲，因此首先要對 DICOM 文件進(jìn)行解碼，轉(zhuǎn)換成 BMP 格式后在計算機(jī)屏幕上顯示。這里，三維重建所需的體數(shù)據(jù)是由CT序列圖像提供的，因此系統(tǒng)要能讀入多張圖像，并按一定的順序顯示。為便于觀察，本系統(tǒng)根據(jù)得到的體數(shù)據(jù)重構(gòu)了冠狀面及矢狀面，提供了更豐富的觀察角度。同時，在二維圖像上可以進(jìn)行包括距離、角度的物理測量。在三維重建前，需要對二維序列圖進(jìn)行濾波、分割等預(yù)處理，以得到更好的重建效果，有利于對感興趣區(qū)域的觀察。在三維重建方面，系統(tǒng)用MC 算法進(jìn)行面繪制，并對算法進(jìn)行了消除二義性、提高平滑度方面的改進(jìn)。在交互操作中，用鼠標(biāo)準(zhǔn)確拾取空間點(diǎn)是其他操作的前提條件，其精確性對后續(xù)的三維模型測量、切割等有決定性的影響，而基于此的切割及重定位是計算機(jī)輔助骨科手術(shù)重要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)還實現(xiàn)了快速成型文件的生成及其導(dǎo)出功能，為輔助人工替代物的植入提供更完善的服務(wù)。 

結(jié)論與展望 

全文工作總結(jié) 

醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)是從一系列二維圖像中重構(gòu)三維結(jié)構(gòu)信息，它能夠為醫(yī)生提供逼真的顯示效果和定量定性分析的工具。三維重建也是計算機(jī)輔助骨科手術(shù)的前提，針對骨科手術(shù)的特點(diǎn)，本文用面繪制方法實現(xiàn)三維重建，在得到三維幾何模型后對模型進(jìn)行模擬手術(shù)操作。醫(yī)學(xué)圖像分割技術(shù)是三維重建的基礎(chǔ)，它在醫(yī)學(xué)影像處理與分析中具有重要的意義。 

本文第一章對研究課題的背景及意義做了簡單說明，并概述了三維重建技術(shù)及計算機(jī)輔助手術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；第二章介紹了二維醫(yī)學(xué)圖像的處理，重點(diǎn)探討了圖像的去噪濾波及感興趣區(qū)域分割的方法及實現(xiàn)；第三章研究了面繪制技術(shù)中輪廓連接法及經(jīng)典的MC 算法，通過在 windows 平臺下用 VC++實現(xiàn)這兩種算法，用實例對比說明 MC 算法的優(yōu)點(diǎn)，同時針對 MC 算法存在的二義性、光滑性問題提出了解決的方法；第四章介紹了快速成型技術(shù)及其在計算機(jī)輔助骨科手術(shù)中的應(yīng)用價值，針對目前采用的點(diǎn)掃描法不適用于醫(yī)學(xué)序列圖像生成STL文件，以及輪廓連接法的諸多缺點(diǎn)，本章提出了一種基于MC 算法生成 STL 文件的方法，并通過實例驗證其可行性；第五章實現(xiàn)了在計算機(jī)上模擬骨科手術(shù)的操作。為了用只能獲取二維信息的鼠標(biāo)點(diǎn)擊來獲取三維模型的空間點(diǎn)坐標(biāo)，本章提出了一種用揀選射線與三角形求交的方法，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了三維模型的測量及標(biāo)注，并模擬現(xiàn)實中的骨科手術(shù)切割，實現(xiàn)了封閉區(qū)域模型切割及面切割，并對切割后的模型進(jìn)行重定位，最后通過模擬脊椎矯正手術(shù)實例來說明本方法的效果；第六章介紹了基于 VC++及 OpenGL的計算機(jī)輔助骨科手術(shù)的系統(tǒng)的開發(fā)。完成的具體工作主要有如下幾個方面： 

(1) 三維面繪制輪廓連接法及 MC 算法的實現(xiàn) 

簡單介紹了輪廓連接法的實現(xiàn)步驟并通過編程實現(xiàn)，說明此方法的缺陷；然后再介紹了MC 算法的原理及其二義性的解決辦法，并提出用一種三角片的法向量場平滑方法改進(jìn)面繪制的顯示效果。 

 (2)  基于 MC 算法的醫(yī)學(xué)圖像快速成型文件生成方法 

對比了目前STL文件生成的點(diǎn)掃描法和輪廓連接法后，針對醫(yī)學(xué)CT序列圖像提出了一種基于MC 算法生成STL文件的方法，重點(diǎn)討論了STL文件需遵循的三角形頂點(diǎn)順序問題，并通過快速成型實體驗證本方法的可行性。 

(3)  計算機(jī)模擬骨科手術(shù)操作的實現(xiàn) 

針對在電腦屏幕上用鼠標(biāo)點(diǎn)擊模型時無法獲得深度信息的問題，本章提出了一種用揀選射線與三角形求交的方法來獲得模型中感興趣點(diǎn)的精確的三維空間世界坐標(biāo)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了三維模型的測量及標(biāo)注。為模擬現(xiàn)實中的骨科手術(shù)切割，提出了一種通過計算切割平面與模型的三角面片位置關(guān)系，將模型沿切割平面分成兩個子模型的方法，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了封閉區(qū)域模型切割及面切割，并對切割后的模型進(jìn)行重定位。上述的揀選射線求空間點(diǎn)及平面切割模型，為了確定射線與三角形的相交點(diǎn)或者切割面與三角形的位置關(guān)系，都需要對所有三角面進(jìn)行遍歷，使得其交互速度過慢，為此本文提出一種網(wǎng)格劃分包圍盒的方法，迅速剔除大量無關(guān)三角形，避免其與射線或切割面的計算，從而顯著提高了交互速度。最后通過模擬脊椎矯正手術(shù)實例來說明本方法的效果。 

(4)  基于 VC++和 OpenGL 的計算機(jī)輔助骨科手術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā) 

以 VC++和 OpenGL 為開發(fā)工具，設(shè)計并實現(xiàn)了一個將醫(yī)學(xué) DICOM 圖像解析，顯示，二維醫(yī)學(xué)圖像處理，冠狀面、軸狀面重構(gòu)，三維重建，快速成型文件生成，骨科手術(shù)模擬操作等功能集為一體的計算機(jī)輔助骨科手術(shù)系統(tǒng)，其界面簡單直觀，易于操作，可以滿足輔助骨科手術(shù)的基本要求，為以后的進(jìn)一步研究打下了基礎(chǔ)。 
 

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