基于MRI的股骨頭軟骨厚度測量方法的研究.pdf

1、作為人體髖關(guān)節(jié)的重要組成部分，股骨頭發(fā)生病變甚至壞死的機率很高，目前這仍然是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域尚未解決的疑難問題之一。股骨頭軟骨破壞受損是股骨頭發(fā)生病變的重要早期表現(xiàn)之一。因此，及時準(zhǔn)確地評價關(guān)節(jié)軟骨對于病情的診斷和治療方法的確定起著非常重要的作用。核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)技術(shù)以其無電離輻射損害、對軟骨組織敏感等優(yōu)點，成為目前測量和評價關(guān)節(jié)軟骨的最佳無創(chuàng)性方法。利用計算機分析和處理 MR圖像，

2、實現(xiàn)對軟骨厚度的測量和評價，已經(jīng)逐漸成為醫(yī)學(xué)圖形處理領(lǐng)域的一個研究熱點。對這項技術(shù)的研究將會大大提高診斷的效率和治療的效果，也符合醫(yī)學(xué)圖像處理的發(fā)展趨勢。本文就是以MR圖像中股骨頭軟骨的圖像分割、厚度測量、三維重建等幾項關(guān)鍵的檢測技術(shù)為主要研究內(nèi)容的。
　　在圖像分割方面，結(jié)合了不同分割方法各自的優(yōu)點，提出了融合多種信息的多步分割算法，實現(xiàn)了對MR圖像中股骨頭軟骨的快速自動分割。針對經(jīng)過預(yù)處理的MR圖像，通過Hough變換計算出股

3、骨頭的圓心位置，結(jié)合股骨頭的解剖學(xué)尺寸約束，提取出圖像中的感興趣區(qū)域，并實現(xiàn)粗分割。利用自適應(yīng)閾值的Canny邊緣檢測算子提取目標(biāo)區(qū)域的邊緣，按照提出的準(zhǔn)則對粗分割區(qū)域內(nèi)的邊緣進行噪聲消除，檢測出精確的股骨頭軟骨內(nèi)外邊緣，進而提取出內(nèi)外邊緣之間的圖像信息，實現(xiàn)對軟骨的準(zhǔn)確分割。
　　在厚度測量方面，在MR成像平面內(nèi)實現(xiàn)對軟骨厚度的測量是目前的主要技術(shù)手段。通過建立平面薄面體的數(shù)學(xué)模型和MR攝影過程的仿真信號，在理論上證明了基于高斯

4、二階微分的零交叉法對于二維MR斷層圖像中目標(biāo)特征厚度測量的有效性，仿真實驗和MR成像實驗進一步驗證了這個結(jié)論的正確性。在此基礎(chǔ)上，針對由軟骨表面形狀和斷層成像引起的軟骨厚度的過測量問題，提出了基于形狀約束的過測量誤差校正算法，對斷層圖像中得到的測量厚度進行校正，準(zhǔn)確地獲得了軟骨的真實厚度信息，實現(xiàn)了在二維MR斷層圖像中股骨頭軟骨的準(zhǔn)確測量。
　　在三維MR圖像中直接測量股骨頭軟骨的空間厚度將是測量技術(shù)的發(fā)展趨勢，因為這種方法無需校

5、正環(huán)節(jié)，在原理上更符合測量的物理意義。由于 MR圖像斷層間的距離遠大于圖像中像素間的距離，因此對斷層圖像層間進行插值是實現(xiàn)空間測量的必要前提。提出了基于灰度區(qū)域分割的線性插值與匹配插值混合的插值算法，將線性插值的高效性和匹配插值的精確性有機結(jié)合，較好地實現(xiàn)了斷層圖像間的快速準(zhǔn)確插值，使空間體素具有各向同性特征。在此基礎(chǔ)上，將基于高斯二階微分的零交叉法拓展到三維空間，用Hessian矩陣簡化了復(fù)雜的高斯函數(shù)三維卷積運算，實現(xiàn)了對軟骨空間厚

6、度的直接測量。實驗表明這是一種有效的測量方法。
　　在三維重建方面，利用經(jīng)典的三角剖分方法實現(xiàn)了股骨頭軟骨的表面重建。針對由密集的量化數(shù)據(jù)點帶來的表面粗糙問題，提出了層間錯位的數(shù)據(jù)點遴選方法，成功地消除了重建表面上的梯田效應(yīng)。針對空間直接剖分產(chǎn)生的耗時問題，提出了改進的Delaunay三角剖分方法，在保證了重建表面質(zhì)量的前提下，有效地減少了計算時間，提高了重建效率，增強了三維重建方法的應(yīng)用性。重建的軟骨三維模型中包含了軟骨的形狀特