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代写骨科毕业论文:《通过断层图像序列重建病骨模型》

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关键词：快速原型 断层图像 假体设计 三角面精简 上海论文 本科毕业论文

代写骨科毕业论文:《通过断层图像序列重建病骨模型》

Abstract: in this paper, from the image sequence to the target tissue geometry modeling and rapid prototyping manufacturing technique, and in total hip revision operation in actual application the technical applicability and reliability. The tomographic images via linear interpolation structure into 3D data field, a seeded region growing method to detect target tissue, using isosurface extraction to obtain bone triangular geometry model. The triangular surface model for debris removal and triangular surface streamline, application of rapid prototyping manufacturing bone bone model. Physical model for preoperative planning, prosthesis design and operation simulation of critical.
摘要:提出从断层图像序列到目标组织几何建模及快速成形制造的技术路线,并通过在全髋翻修手术中的实际应用检验该技术的适用性和可靠性.将断层图像序列通过线性插值构造成3D数据场,采用种子区域生长方法分割出目标组织后,利用等值面提取获得患骨的三角面几何模型.对获得的三角面模型进行碎片清除和三角面精简后,应用快速原形技术制造患骨模型.患骨实物模型对术前计划、假体设计和手术模拟至关重要.

关键词:快速原型;断层图像;假体设计;三角面精简

断层医学图像的几何建模是医学内植物设计、骨组织力学分析和计算机辅助手术等方面的基础.随着计算机断层扫描和磁共振技术的发展以及医学图像存储和通信的标准化,工程技术人员从序列CT和MRI断层图像中获取目标组织的精确几何模型已成为可能.同时,医学图像中的许多信息也为临床应用技术研究和开发提供了重要依据[1].CT图像的像素值与组织的密度相关,通常每像素以2　byte记录组织的HU值(Hounsfield数,或称为CT数);而MRI图像中的每像素通常也是以2　byte记录具有组织专一性的物理量信号强度[2].断层图像文件中还记录有几何建模必不可少的断层图像空间位置信息和像素间间距等几何参数.上述断层图像像素和几何信息是病骨模型几何形态三维重建的原始资料.
作为一种先进的现代制造技术,快速成形近十年来发展迅速,出现了十多种不同形式的快速成形技术和相应的快速原型机,它们在生物医学领域具有较高的应用价值[3].采用该技术制造的病骨模型有助于医学工作者了解手术部位的形体、方位和解剖结构;有利于假体设计人员进行病骨几何测量;也有利于医生和设计人员讨论假体设计方案和进行术前模拟装配.为此,本文将讨论通过断层图像序列重建病骨模型和快速成形制造的方法.

1.目标组织几何建模
断层医学图像目标组织绘制方法有面绘制法和体绘制法.Marching Cubes等值面提取算法是最有代表性的面绘制方法[4,5].该方法是通过等值面提取获得目标组织的三角面模型,该模型可以充分表达目标组织表面的几何形态和细节.但等值面提取获得的三角面模型不能直接进行快速成形加工,原因是:①快速原型设备对输入文件有文件格式要求,而且面模型不能有拓扑错误;②利用等值面提取的几何模型数据量大,三角面数量有时可达百万级,不可能直接进行快速成形加工.
1.1　几何信息获取
假体设计和快速成形加工需要的是空间位置明确的目标组织几何模型.从断层图像文件中得到相关的几何信息是几何建模的第一步.CT或MRI图像与普通的图像文件不同,以横断面断层图像文件为例,不但可以从断层文件中得到各个横断面相对的切片位置(相当于各个断层的z向坐标),也可以读取断层像素间的间距.如果图像是以DICOM(Digital Imaging and Communication in Medicine)标准格式[6]存储的,那么记录像素间距(mm)的数据元标识是[0028,0030]记录切片位置(mm)的数据元标识是[0020,1041].
1.2　图像分割与三维重建
由于目标组织与周围的其他组织连接在一起,因此需要将其分离出来.读入各个断层的数据之后,可根据断层间的相对位置,将所有断层在3D空间内排列起来,用插值的方法在切片间填充体素,以构造3D图像数据场,如图1所示.其中,图1(a)是断层图像序列,图1(b)是3D数据场重新切片得到的矢状面和冠状面图.进行几何建模的第一步是3D图像分割,将病骨从周围组织中分割出来.利用骨骼密度和骨组织连续性特性,应用阈值设置和种子区域生长方法很容易实现此目的.骨组织的CT数(与组织密度相关)比软组织、水分和脂肪的CT数大得多,选择合适的阈值,根据CT数大小可以对骨组织与周围的组织进行不同标识.标识出骨组织之后,在被标识区域任选一个体素作为种子体素,开始区域生长,最终将病骨组织分割出来.
分割出目标组织之后,通过等值面提取获得患骨的三角面几何模型.Marching Cubes[5]算法是进行等值面提取的标准算法.本文采用该算法从分割后的3D数据场中提取出目标组织的三角面模型,并根据断层图像文件中给出的几何参数,计算出全部三角面顶点的空间坐标,得到实际大小的病骨几何模型.

2.模型精简
2.1　碎块去除
记三角面模型为G=(V,T).其中:V为所有顶点构成的集合;T为三角面集合;对每个顶点v∈V,构造链表L(v),将所有含顶点v的三角面加入L(v).去除碎块的算法思想是:深度优先遍历所有顶点,找出G的所有独立生成树F={STi},对每个生成树st∈F,计算其最小外接长方体的体积.如果计算值小于设定阈值,从G中删除该生成树上的所有顶点V(st)和与被删除顶点相关的所有三角面T(st),阈值设定应满足去掉体积较小的碎片, 本论文由无忧论文网www.51lunwen.com整理提供

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