快速成型在組織工程骨骼修復(fù)的應(yīng)用研究.pdf

1、組織工程是綜合利用生命科學(xué)和工程學(xué)的基本原理和技術(shù)，以人工合成或天然生物材料為載體，整合分離的種子細(xì)胞，在體外預(yù)先構(gòu)建有生命的種植體，然后植入體內(nèi)，以修復(fù)組織缺損，替代或重建器官的結(jié)構(gòu)，維持或改善組織器官功能的一門(mén)新興邊緣學(xué)科。組織工程研究主要包括支架材料，細(xì)胞生物學(xué)，生物醫(yī)學(xué)性能與安全性評(píng)價(jià)等方面的內(nèi)容。本文立足于組織工程學(xué)中圖像處理及新型的快速成型技術(shù)的研究。涉及細(xì)胞圖像分割、細(xì)胞組織形態(tài)的分析以及圖像表面重建等，具有客觀(guān)性強(qiáng)、重復(fù)

2、性好、量化指標(biāo)準(zhǔn)確的特點(diǎn)；同時(shí)針對(duì)組織器官的修復(fù)和再生，把CT圖像序列三維重建與快速成型相結(jié)合，提供組織三維形態(tài)模型的構(gòu)建。本文的研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下： 1、組織細(xì)胞的分割方法在常規(guī)醫(yī)學(xué)圖像分割方法的基礎(chǔ)上；針對(duì)不同的應(yīng)用，對(duì)于培養(yǎng)細(xì)胞，分別提出了三種不同的分割方法：提出了基于裁剪技術(shù)的算法，該方法主要采用閾值技術(shù)適用于細(xì)胞顆粒清晰飽滿(mǎn)的情況，具有良好的效果。該方法通過(guò)對(duì)二值圖像進(jìn)行各種邏輯運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像區(qū)域的分割。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，顯

3、示該技術(shù)對(duì)去除附著于細(xì)胞體周?chē)谋尘皡^(qū)域，分離多個(gè)相互粘連的細(xì)胞體是有效的；對(duì)于細(xì)胞邊界較模糊、顆粒不太清晰的情況，采用綜合的分割方法，如CANNY邊緣檢測(cè)和多尺度小波方法相融合，提高了邊緣檢測(cè)的準(zhǔn)確度。該方法首先用基于Mallat小波模極大值的尺度獨(dú)立邊緣檢測(cè)方法，結(jié)合Canny和Marr算子，利用不同的權(quán)值實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分割。該方法對(duì)于邊緣不清晰的細(xì)胞具有良好的分割效果；提出了定點(diǎn)snake活動(dòng)輪廓方法，在半自動(dòng)獲得初始輪廓的基礎(chǔ)上，利用

4、可確定的圖像點(diǎn)，加快輪廓的收斂速度，在速度和準(zhǔn)確度上取得良好的效果。該方法首先利用基于小波的尺度獨(dú)立邊緣檢測(cè)方法；然后采用形態(tài)學(xué)和樣條擬合方法得到的單像素的邊界作為snake算法的初始輪廓，最后通過(guò)迭代和結(jié)合圖像固定點(diǎn)的外部約束力使輪廓收斂至最終的邊界。 2、序列圖像分割方法利用切片圖像近鄰性和相似性，提出了基于活動(dòng)輪廓的圖像序列分割算法；基于Mumfold-Shah模型的C-V方法獲得首張切片精確邊界的基礎(chǔ)上，采用參數(shù)形變sn

5、ake模型進(jìn)行切片序列的自動(dòng)分割，加快輪廓的收斂速度。針對(duì)分割中出現(xiàn)的“泄漏”現(xiàn)象，提出了利用切片圖像的相似性加速活動(dòng)輪廓收斂的方法，并定義一個(gè)輪廓相似度判斷是否重新初始化輪廓。該方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)序列圖像的半自動(dòng)分割，充分利用了活動(dòng)輪廓的參數(shù)形變和幾何形變的優(yōu)點(diǎn)，提高了輪廓的收斂速度。利用幾何形變拓展性強(qiáng)的特點(diǎn)來(lái)保證初始輪廓準(zhǔn)確度，應(yīng)用參數(shù)形變來(lái)加快收斂速度，從而最大程度減少人工參與。 3、基于分割的三維可視化提出了一種基于二

6、維分割的NMC*(NewMarchingCubes)算法，來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集的體視化。利用序列分割時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)保存的與等值面相交的立方體信息進(jìn)行表面跟蹤，減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)檢測(cè)，有效地縮短了算法的運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)對(duì)三角面片之間的公共邊等冗余信息進(jìn)行簡(jiǎn)化共享處理，節(jié)省了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，提高了算法的效率。 4、快速成型技術(shù)研究了快速成型技術(shù)與組織器官再造的關(guān)系，特別是骨組織工程。討論了STL文件的優(yōu)化，利用三維重建技術(shù)構(gòu)造組織工程的缺損器官