个性化股骨头假体建模系统的设计与实现

摘要

股骨头缺血性坏死（ANFH）是一种世界性疾病，针对这种疾病一种常规的治疗手段是半髋关节人工股骨头置换，而人工股骨头假体与髋臼的匹配程度，直接影响着手术效果。目前临床上使用的股骨头假体均采用标准件的生产和供应模式，然而不同患者之间骨骼形状存在很大差异，普通零件式股骨头假体难以适应不同患者的个性化要求，因此人工股骨头假体的设计必然朝量身定制的方向发展。
　　为了解决这个问题，必须利用患者自身生物特征参数，借助现代计算机技术和现代加工技术制造出与患者髋臼结构相匹配的个性化人工股骨头假体，最大限度恢复患者的生理功能。目前针对股骨头假体模型重构的研究方案大多是利用多病例样本条件下的概率统计优化结果，没有合理使用患者自身的生物特征参数，缺乏科学根据，不能重构吻合匹配状态下目标假体模型的状态，缺乏系统性的重构方案。
　　本文从这些亟待解决的问题入手，对股骨头假体模型个性化重构前的髋臼自动分割过程进行了系统研究，并讨论了目前最新提出的球头模型的两种反求重构方案。最后，基于MFC界面框架和OpenCV、MITK以及VTK等计算机视觉和图像处理库，对整个自动分割部分进行了实现，并整合模型重构程序成为一个完整的系统，获得了股骨头建模的关键技术。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及选题意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要工作

1．4 本文组织结构

2 医学图像处理系统相关的理论和技术

2．1 医学图像处理简介

2．2 医学图像分割

2．3 医学图像的三维可视化

2．4 计算机视觉及图像处理库

2．4．1 OpenCV简介

2．4．2 MITK简介

2．4．3 VTK简介

2．4．4 MFC简介

2．5 本章小结

3 个性化股骨头假体建模系统分析

3．1 系统的设计目标

3．2 系统的功能性需求

3．3 系统其他需求

3．4 系统的可行性分析

3．5 本章小结

4 个性化股骨头假体建模系统设计

4．1 系统总体设计

4．2 CT图像浏览器设计

4．3 髋臼组织分割模块设计

4．3．1 交互式分割

4．3．2 自动分割

4．4 股骨头假体重构模块设计

4．4．1 三维数据点采集

4．4．2 球面拟合方案

4．4．3 椭球面拟合方案

4．5 本章小结

5 髋臼组织的自动分割

5．1 人体髋关节解剖结构及CT图像

5．1．1 解剖结构

5．1．2 髋关节CT图像

5．2 预处理

5．2．1 筛选感兴趣区域(ROI)

5．2．2 除噪

5．3 初始切片股骨头粗轮廓的估计

5．3．1 选择初始切片

5．3．2 骨组织提取

5．3．3 粗轮廓估计

5．4 初始切片股骨头精确轮廓的提取

5．4．1 髋关节间隙对比度增强

5．4．2 粗轮廓更新

5．4．3 误差点剔除

5．5 股骨头的序列分割

5．5．1 计算股骨头空间参数

5．5．2 序列分割

5．6 髋臼的序列分割

5．7 髋臼的三维重建

5．8 本章小结

6 个性化股骨头建模系统的实现

6．1 CT图像浏览器的实现

6．1．1 数据读取

6．1．2 数据显示

6．1．3 三维操作

6．2 髋臼组织分割实现

6．2．1 交互分割

6．2．2 自动分割

6．3 股骨头表面模型重构实现

6．3．1 数据点采集

6．3．2 表面模型拟合

6．3．3 总体显示

6．3．4 假体3D打印

6．4 本章小结

7 系统测试

7．1 测试方案

7．2 测试用例

7．3 测试总结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢