基于QCT影像的动物骨结构参数测量方法研究

摘要

骨质疏松是老年人常见病之一，基于动物临床试验的骨质病变情况分析对研究骨质疏松的成因、早期预防及诊断有重要参考价值。目前对于骨质疏松的判断主要依赖于骨密度的测量，以骨矿含量来反映骨强度，但骨的健康情况也会引起骨微形态结构的变化。通过对骨小梁厚度等微观参数的测量，可以全面细致地掌握骨质疏松的病变规律，更有利于骨质疏松疾病的早期诊断和治疗。目前骨微观参数虽有多种测量方法，但由于骨小梁形态的复杂性和差异性，尚存在数据有效性、测量结果准确性以及执行效率和稳定性问题，因此需要进一步地研究并加以改进。
　　定量CT(Quantitative Computed Tomography, QCT)的方法能够在测量骨密度的同时获得骨的三维结构，并可测量相应的骨小梁结构参数。这些结构参数主要包含骨小梁形态学和拓扑学两个方面。本文在实验室现有小动物CT与高分辨CT平台上，对骨密度和骨结构参数两部分的测量方法进行了研究，并用仿真数据与实际数据进行了实验验证。
　　动物骨密度测量方法基于图像CT值与物质密度呈线性关系的物理原理，本文通过实验对比选择了准确性较高的骨标准模体方法实现，并完成准确性验证。
　　形态学参数选择骨小梁厚度、骨小梁间隙、骨小梁数量和骨结构指数四个参数进行测量方法研究:对骨小梁厚度与间隙的测量，采用一种基于距离变换的三维测量算法，而骨小梁数量的计算通过厚度与间隙求出，在距离变换过程中对算法复杂度进行了优化;对骨结构指数的测量，通过骨体积与基于Marching Cubes的表面积算法，有效提升了测量准确性。通过与BoneJ测量结果对比验证，6组实际猪颌骨数据骨小梁厚度、数量、间隙的相对误差均小于3％，结构指数平均相对误差为3.49％，证明各参数测量方法具有足够准确性和稳定性。
　　拓扑学参数选择连通性和各向异性两个参数进行测量研究:对骨小梁连通性的测量，通过三维去噪的前处理方法提升了算法准确性;对骨的各向异性的测量，通过对平均截断长度迭代的方法提升了测量结果的准确性和稳定性。通过与BoneJ测量结果对比验证，6组实际数据的连通性经过三维去噪后相对误差为零，各向异性相对误差均小于2％，证明各参数测量方法具有足够准确性和稳定性。
　　上述测量方法在VC++平台下进行了实现，并最终封装为一个完整的骨结构参数测量分析软件。通过算法优化，使得本系统软件与其他方法相比，具有操作便捷、三维可视化效果直观、执行时间适中和测量结果准确等优点，对动物骨骼分析具有一定应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 骨质疏松程度定量分析的目的和意义

1．2 国内外骨质疏松定量分析的研究进展

1．2．1 用以骨质疏松诊断定量参数的研究进展

1．2．2 骨密度测量方法进展

1．2．3 骨微观结构参数测量方法进展

1．3 以BoneJ为代表的参数测量工具介绍

1．4 课题研究内容及难点

1．5 论文的研究内容安排

第二章 QCT系统介绍与骨密度测量方法研究

2．1 CT系统结构

2．2 CT扫描成像原理概述

2．3 小动物CT平台与高分辨CT平台介绍

2．4 有模体的骨密度测量基本原理

2．5 骨密度测量实验与验证

2．5．1 本文算法测量结果

2．5．2 与水模体测量方法对比分析

2．6 本章小结

第三章 骨小梁形态学参数测量方法研究

3．1 骨小梁厚度及间隙测量方法研究

3．1．1 骨小梁厚度计算流程

3．1．2 距离变换算法优化

3．1．3 骨小梁间隙及平均数量计算方法优化

3．1．4 仿真数据实验验证

3．1．5 实际数据实验验证

3．2 骨结构指数测量方法研究

3．2．1 骨结构指数测量流程

3．2．2 基于Marching Cubes的表面积算法优化

3．2．3 仿真数据实验验证

3．2．4 实际数据实验验证

3．3 本章小结

第四章 骨小梁拓扑学参数测量方法研究

4．1 骨小梁连通性测量方法研究

4．1．1 连通性测量流程

4．1．2 基于连通域判断的连通性测量前处理方法

4．1．3 仿真数据实验验证

4．1．4 实际数据实验验证

4．2 骨小梁各向异性测量方法研究

4．2．1 各向异性测量流程

4．2．2 椭球参数方程迭代

4．2．3 仿真数据实验验证

4．2．4 实际数据实验验证

4．3 本章小结

第五章 测量软件系统开发

5．1 软件架构设计

5．2 系统交互界面设计

5．3 系统三维可视化及交互工具开发

5．3．1 基于双向层问轮廓插值的ROI圈定方法

5．3．2 基于OpenGL纹理映射的可视化效果实现

5．3．3 基于多线程的算法加速方法

5．4 本章小结

第六章 总结和展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

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