“数字医学”的若干关键技术研究——医学图像处理、计算机辅助手术规划、个性化医疗辅具CAD/CAM、与手术导航

摘要

随着数字化信息技术的不断进步，人类将医学研究与临床实践推进到一个前所未有的新高度。“数字医学”，作为信息技术与医学科技的多学科交叉新领域，其理论研究、技术发展与应用实践已经形成了一门十分活跃、蓬勃发展的新学科。本文强调和关注“数字医学”中与临床相关的数字医疗技术研究与应用，在中国博士后科学基金、上海市经委产业化项目等课题的资助下，对其中的关键技术--医学图像处理、计算机辅助手术规划、个性化医疗辅具CAD/CAM、与手术导航等领域展开了下列研究： 1、在医学图像处理领域：针对传统分割方法难以对大数据量的，灰度差别不大、界线模糊的软组织断层序列医学图像进行有效分割的难题，提出了创新的联合分割算法：即先采用阈值和区域生长结合的方法进行初次分割，然后以改进的分水岭算法进行精确分割。在此基础上，开发完成了MedIMPro(MedicalIMageProcessing)软件，为特定类型的大数据量断层序列医学图像提供一种较为有效的分割工具，实现图像的自动分割(人工干预程度极少)和三维建模。 2、在计算机辅助手术规划领域：开发完成了口腔种植手术规划软件与颅颌面整形外科手术规划软件，研究并实现了其中的关键算法，包括：Cardinal样条曲线构建算法、多平面重建(MPR)与曲面重建(CPR)算法、切截面生成算法等。该软件是实现计算机辅助定位导向模板(口腔种植外科)、定位牙合板(颅颌面整形外科)、以及基于图像引导的手术导航系统的基础。 3、在个性化医疗辅具CAD/CAM领域：提出了“计算机辅助口腔种植外科定位导向模板”的制作流程并加以实现，即：首先利用口腔种植手术规划软件进行术前方案设计，其次利用图像配准技术将激光扫描牙合面数据与CT数据相融合，然后完成导向模板的计算机辅助设计，最终采用快速原型技术制成导向模板。在此过程中，提出了SVD结合ICP的图像配准算法，并以此为基础，开发完成了LaserCTReg软件，实现了激光扫描数据与CT数据的融合功能。介绍了导向模板针对1例上颌右侧部分牙列缺失患者的临床初步应用情况，验证了模板的有效性与可靠性。 4、在手术导航领域：开发完成了口腔种植手术导航系统、与颅颌面整形外科手术导航系统，包括其中的软、硬件设计与实现，并验证了系统的总体精度。分别介绍了其各自针对一例上颌骨缺损的颧种植手术、一例颧骨复位翻修手术的临床应用情况。 本文的研究意义在于： 1、在医学图像处理领域：有效解决了特定类型的大数据量断层序列医学图像分割困难、繁琐费时、精度难以保障的难题； 2、在计算机辅助手术规划与个性化医疗辅具CAD/CAM领域：不仅在国内首次建立了基于CT图像的计算机辅助口腔种植手术规划软件系统，而且也首次研制出“三维数字化定位导向模板”，打破了长期以来我们只能依赖进口产品和技术的不利局面，填补了国内空白。与国外同类研究相比，我们还通过采用图像配准技术使精度较高的激光扫描牙合面数据与CT图像相融合，从而研制出高精度“骨-邻牙联合支持型”模板，使得模板定位的精确性更高。由于计算机辅助定位导向模板技术有力减小了种植手术的难度，使口腔种植这类复杂手术为广大医学院校毕业生所掌握，因此，有利于提高种植手术的普及率，使我国口腔种植市场取得迅速的发展，具有广阔的产业化应用前景； 3、在手术导航领域：所开发的口腔种植手术导航系统、与颅颌面整形外科手术导航系统在国内均属领先，将有力推进临床治疗的个性化、精确化与微创化。此外，还针对我国医学界提出的各类创新型手术进行了特定的功能设计，扩大了手术导航系统的应用范围，更符合中国临床实际需求。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1.课题来源

1.2.数字医学的概念与本课题研究背景

1.3.医学成像技术

1.4.医学图像处理技术

1.4.1.图像分割

1.4.2.图像配准

1.4.3.三维可视化

1.4.4.医学图像处理算法平台的国内外研究现状

1.5.计算机辅助手术规划简介

1.5.1.国内外研究现状

1.6.个性化医疗辅具CAD/CAM简介

1.7.手术导航技术简介

1.8.论文研究内容与组织结构

第2章医学图像处理软件开发及相关算法的研究

2.1.软件工作流程

2.2.阈值分割与区域增长分割

2.2.1.阈值分割法

2.2.2.区域增长法

2.2.3.阈值和区域增长结合分割算法

2.3.分水岭分割

2.4.MedIMPro软件应用实例与对比实验

2.5.本章小结

第3章计算机辅助手术规划软件的开发及相关算法的研究

3.1.口腔种植术前规划软件的需求分析

3.2.Cardinal样条曲线构建算法

3.2.1.算法应用实例：

3.3.多平面重建算法

3.3.1.算法应用实例

3.4.切截面生成算法

3.4.1.算法应用实例

3.5.口腔种植术前规划软件的开发与实现

3.6.颅颌面整形外科手术规划软件的需求分析与开发

3.7.本章小结

第4章个性化医疗辅具CAD/CAM技术的研究及临床应用

4.1.计算机辅助口腔种植外科定位导向模板概述与制作流程

4.2.激光扫描（牙合）面数据与CT数据的融合

4.2.1.SVD算法

4.2.2.ICP算法

4.3.导板的计算机辅助设计与制造

4.4.临床初步应用实例

4.5.讨论与分析

4.6.本章小结

第5章手术导航系统的开发及临床应用

5.1.手术导航系统构建与实现

5.2.口腔种植外科手术导航系统的临床应用

5.3.颅颌面整形外科手术导航系统的临床应用

5.4.手术导航系统总体精度分析

5.5.本章小结

第6章全文总结与展望

6.1.全文总结

6.2.研究展望

参考文献

致谢

博士后研究工作期间发表论文