基于DR圖像的股骨個體化姿態(tài)估計關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、股骨干骨折是骨科一種常見的臨床創(chuàng)傷，如果手術(shù)治療不當(dāng)，會造成患者行走功能障礙、肢體變形等后遺癥，嚴(yán)重影響患者的生活質(zhì)量。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)診斷中，常見的臨床三維影像檢查方式主要包括計算機(jī)斷層掃描（CT）和磁共振成像（MRI）。這兩種成像手段雖然能夠直接獲得患肢的三維數(shù)據(jù)，但是在檢查費(fèi)用、操作便利性、成像快捷性等方面都遠(yuǎn)遜于數(shù)字 X線（DR）成像，特別是CT掃描過程的有害輻射劑量遠(yuǎn)高于 DR成像。然而DR圖像是二維投影圖像，缺少三維空間信息進(jìn)行臨

2、床診斷是 DR成像的最大弊端。因此，研究一種僅利用單張或少數(shù)有限張二維DR圖像，在手術(shù)前獲取股骨三維空間姿態(tài)的成像方法，具有極其重要的臨床實(shí)用價值和廣闊的市場應(yīng)用前景。
　　本文旨在利用股骨DR圖像，建立一種能夠快速、有效地重建股骨個體化姿態(tài)的方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)股骨三維空間姿態(tài)可視化。針對姿態(tài)估計過程中存在的DR成像系統(tǒng)標(biāo)定、灰度不均勻圖像特征輪廓提取、基于2D-3D的圖像配準(zhǔn)以及二維點(diǎn)集配準(zhǔn)過程中多極值優(yōu)化等關(guān)鍵問題，研究相應(yīng)的解決

3、方法。并深入研究灰度不均勻圖像分割、多極值優(yōu)化和2D-3D圖像配準(zhǔn)方法，這三項關(guān)鍵技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)術(shù)前股骨個體化姿態(tài)的三維重建，促進(jìn)基于圖像引導(dǎo)的三維可視化技術(shù)的發(fā)展。論文的主要研究內(nèi)容包括：
　　針對普通平面標(biāo)定板在X射線環(huán)境下成像不清晰，無法實(shí)現(xiàn)DR成像系統(tǒng)標(biāo)定的問題，利用覆銅線格 PCB板做為標(biāo)定板，采用基于平面標(biāo)定板標(biāo)定法，獲得DR成像系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)。
　　針對骨折股骨 DR圖像拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、灰度分布不均勻的特點(diǎn)，研究

4、一種結(jié)合灰度波動信息的活動輪廓模型，利用灰度波動概念獲得圖像的灰度波動曲線；依據(jù)對波動曲線單調(diào)區(qū)間的判斷結(jié)果，對圖像進(jìn)行灰度波動變換；將灰度波動變換函數(shù)引入 Chan-Vese（C-V）模型并重新定義能量函數(shù)，獲得新的活動輪廓模型。通過人造圖像與醫(yī)學(xué)圖像的分割實(shí)驗表明，該模型既能繼承 C-V模型抗噪性強(qiáng)、運(yùn)算復(fù)雜度低、對初始輪廓不敏感的優(yōu)點(diǎn)，又可克服 C-V模型不能分割灰度分布不均勻圖像的弊端，并以較高的分割精度提取出 DR圖像中股骨干

5、內(nèi)外腔壁和骨折斷端完整、連續(xù)的特征輪廓。
　　點(diǎn)集配準(zhǔn)問題實(shí)質(zhì)上是一個多極值優(yōu)化問題，常規(guī)的智能優(yōu)化算法存在容易陷入局部極值和搜索效率不高的問題。針對此類問題，將一種全局性優(yōu)化算法——特征統(tǒng)計算法（CSA）應(yīng)用到點(diǎn)集配準(zhǔn)中，研究一種基于高斯混合模型CSA優(yōu)化的點(diǎn)集配準(zhǔn)算法。通過重新組合高斯混合模型中的配準(zhǔn)參數(shù)，確定與目標(biāo)函數(shù)關(guān)系密切的特征統(tǒng)計項目，能夠更好地解決點(diǎn)集配準(zhǔn)中多參數(shù)估計易陷入局部極值的問題，提高算法的搜索效率。測試數(shù)據(jù)

6、配準(zhǔn)實(shí)驗結(jié)果表明，該配準(zhǔn)算法具有良好的抗噪聲、抗缺失點(diǎn)、抗出格點(diǎn)能力，同時具有較高的配準(zhǔn)精度和配準(zhǔn)成功率。
　　針對股骨 DR圖像缺少臨床診斷所需的三維空間信息的問題，研究一種基于雙平面DR圖像2D-3D仿射配準(zhǔn)的姿態(tài)估計方法。在完成股骨特征輪廓提取的基礎(chǔ)上，利用點(diǎn)集配準(zhǔn)算法獲得正、側(cè)位股骨 DR圖像特征輪廓與通用股骨模型投影輪廓之間的二維配準(zhǔn)參數(shù)；利用相機(jī)標(biāo)定法所確定的二維平面與三維空間的變換關(guān)系，獲得三維變換矩陣，并作用到股骨