基于CT断层图像重建股骨头缺血性坏死髋关节的三维结构

目的探索通过虚拟现实技术寻求快速准确重建股骨头缺血性坏死髋关节三维结构的方法。方法基于髋关节的64排螺旋CT连续断层二维图像,M im ics软件分别重建髋臼、近端股骨、股骨颈及股骨头病变组织的三维可视化结构。结果 M im ics医学图像处理软件对髋关节CT扫描的D icom格式数据进行三维重建图像结构清晰,可真实再现髋臼和股骨近端的结构,并且能够对病变组织部位予以定位,对病变组织体积进行计算。结论 M im ics软件根据CT扫描所得的D icom原始数据能准确重建股骨头缺血性坏死髋关节的三维立体结构,为股骨头缺血性坏死髋关节骨质的评估及治疗方案的选择提供了客观的依据。     

骨质疏松股骨三维有限元模型的建立

背景:通常的力学实验手法基本上无法直接应用于人体且模型间可比性低,对人体的力学行为进行有限元数值模拟就成为深化对人体认识的一种有效手段。目的:建立骨质疏松股骨三维有限元模型。方法:根据国人股骨平均参数,选择重度骨质疏松老年男性患者1例,年龄86岁,排除髋关节疾患。通过螺旋CT扫描获得骨质疏松股骨图像数据,将图像数据导入图像处理软件Mimics11.1进行图像处理,生成股骨骨皮质内、外表面的轮廓曲线;再将轮廓曲线数据导入建模软件Unigraphic NX4.0进行实体建模,得到具有骨皮质、骨松质、骨髓腔的股骨三维模型;将三维模型数据导入有限元分析软件Ansys11.0进行赋值、网格划分、定义接触等操作建立骨质疏松股骨三维有限元模型。结果与结论:建立了骨质疏松股骨三维有限元模型,为骨质疏松股骨限元模型的建立提供了切实可靠的方法,为研究骨质疏松股骨骨折的固定方法、关节置换等创造了条件。     

儿童股骨颈前倾角的数字化三维重建与解剖测量

目的探讨发育性髋关节脱位患儿股骨颈前倾角的数字化测量方法,为股骨近端截骨手术提供解剖学依据。方法收集单侧发育性髋关节脱位儿20例,其中男10例,女10例,应用Mimics15.0软件,利用数字化三维重建技术重建股骨,标定相关解剖标志测量患侧及健侧股骨颈前倾角,并与在断层CT上测量的股骨颈前倾角相比较。结果重建的股骨数字化虚拟可视模型能够从多角度、多平面进行观察及测量,二维CT测量健侧和患侧股骨颈前倾角分别为(25.54±7.17)°和(42.98±10.36)°,数字化三维重建测量健侧和患侧股骨颈前倾角分别为(24.29±3.46)°和(40.36±5.42)°。数字化三维重建股骨颈前倾角与二维CT测量的数值差异有统计学意义(P0.05)。结论基于三维CT扫描的股骨数字化三维重建图像具有良好的形态和清晰的边界,可精确识别出股骨前倾角的解剖数据,为完成个体化的股骨截骨术提供了新的方法。     

虚拟中国人女性一号松质骨图像数据的配准与三维重建

目的：研究从虚拟人体数据集中松质骨连续切片图像的分割、配准、及三维重建的技术方法。方法：利用现有的虚拟中国人女性一号数据集中腰椎和股骨部分解剖连续切片数据集，用基于外置标记点和分割—计数法两种方法进行参数计算，依参数对图像进行刚体变换完成配准，将配准后的切片图像输入二维图像处理软件进行分割，提取感兴趣区域后输入三维重建软件进行三维重建。结果：重建后的松质骨三维立体图像呈均匀、致密的立体网状结构，骨小梁连接清晰可见。结论：利用现有软件及技术可重建虚拟人体的精细结构。     

基于CT数据的股骨轴线的获取

目的　提出一种利用CT影像数据自动获取股骨轴线的方法,利用该方法可以在计算机上获取精准的股骨三维解剖轴线与机械轴线。方法　对人体下肢进行CT扫描,然后对CT图像进行二维阈值分割、三维数据体重建、骨骼分组、数据平滑填充及三维数据体旋转等预处理,获得三维股骨表面模型;通过对股骨头与股骨远端形态特征的分析,根据股骨头近似球形的特点,对判断断层扫描数据梯度变化来计算股骨头中心位置,另外,逐层搜索膝关节断层图像上闭环区域的方法自动求得股骨远端中心的坐标,从而获得股骨长轴。结果　建立了一种基于CT图像简便快捷的自动获取股骨头中心与膝关节骨中心三维空间坐标的方法。结论　通过此方法可较为精确获得人体下肢的三维股骨机械轴线和股骨解剖轴线。     

膝关节关节软骨的三维构建

目的:构建膝关节关节软骨的三维模型,为开展膝关节数字医学研究进行模型构建的探索。方法:人体成年新鲜膝关节标本1例,行CT、MRI扫描,利用三维重建软件Mimics及逆向工程软件Geomagic对图像进行三维重建及图像配准,构建膝关节骨、关节软骨结构。结果:利用Mimics 10.01软件构建关节软骨的三维模型,并形成骨-关节软骨复合模型,导入Geomagic软件中与CT构建的骨三维模型相配准,再次导入CT影像中进行逐层微修饰,验证关节软骨分割效果。最终建立具有骨、关节软骨的三维膝关节模型。结论:三维图像重建技术与图像配准技术可将CT、MRI图像两者结合起来,发挥其各自优势,构建出形态较好的膝关节三维模型。     

3D膝关节模型的构建

背景:三维图像重建是开展膝关节虚拟研究的基础。关节周围韧带、软骨、半月板等结构分割重建报道较少。目的:在前期大量膝关节标本解剖研究的基础上,利用CT及MRI数据,三维重建包括关节周围韧带、软骨、半月板等结构在内的膝关节模型。方法:采用1例人体成年膝关节标本CT、MRI薄层扫描数据,导入Mimics 10.01分别三维重建膝关节骨、软骨、韧带及半月板等结构,利用逆向工程软件Geomagic 8进行及图像配准处理。结果与结论:三维重建了包括关节周围韧带、软骨、半月板等结构在内的膝关节模型,为建立相应膝关节有限元模型奠定了基础。     

断层图像三维重建与分析技术研究

我们针对序列断层图像，包括光学显微镜通过解卷积、电子显微镜通过电子断层扫描所获得的显微样品的序列断层图像，以及CT扫描所获得的断层图像，进行三维重建、三维显示、三维分析测量、以及三维任意区域分割新技术方法开发应用研究。实现了花粉孢子、分子伴侣、以及头颅、颈椎、胫骨、腕骨的三维重建分析测量与分割。并提出了本技术在生物医学领域的应用。     

HCT图像中骨小梁结构的三维重建

本文研究人体CT图像中腰椎松质骨骨小梁数据集的获取、分割及三维重建的技术方法.利用高速螺旋CT(HCT)技术和图像数码转换技术,获取了人体腰椎松质骨CT连续图像数据集,将切片图像输入二维图像处理软件进行分割,提取感兴趣区域后输入三维重建软件进行三维重建与定性分析.重建后的松质骨三维立体图像呈均匀、致密的立体网状结构,骨小梁连接清晰可见.提示利用现有软件和技术可重建松质骨骨小梁三维立体图像和诊断骨质疏松.     

个体股骨头坏死三维有限元模型的建立与应用

同时基于个体股骨头坏死患者的X-ray、CT和MRI图像,采用图像配准和融合技术对包含坏死股骨头的髋关节进行三维重建,获取具有高度几何相似性的三维有限元网格模型。选择1例中年女性股骨头坏死患者,分别获取X-ray、CT和MRI三套图像,采用Mimics 13.1和Pro/E 5.1软件分别基于这三套数据建立相关三维实体模型,经图像投影转换后,确定图像之间的匹配点,进行二维图像配准,配准后对成功融合的图像进行三维有限元网格模型显示。建立了具有良好几何相似性的髋关节三维有限元网格模型,包括正常皮质骨、松质骨、关节软骨和股骨头坏死区、断裂骨小梁等六部份,较真实地反映了包含坏死股骨头的髋关节的形态特征及毗邻关系,为进一步的生物力学分析和手术模拟提供了较理想的研究平台。     

基于双平面正交投影X线成像系统的血管图像重建技术

基于双平面正交投影X线成像系统的血管图像的重建技术是一个典型而又有重要应用价值的极少数投影重建图像问题。本文在介绍了由双平面正交投影重建出血管图像的基本原理的基础上,重点分析了通过在两个相互正交方向上的投影重建出血管的三维骨架(中轴线)和截面形状的研究方法与进展,并对有待解决的主要问题和今后的发展方向进行了讨论。     

Three-dimensional hip morphology analysis using CT transverse sections to automate diagnoses and surgery managements

This paper describes an image analysis method that evaluates bone morphology of hip structures including the femur stem, trochanter, neck and head, acetabulum, and pelvis to automate hip diagnoses and surgical managements. On every CT transverse section, radial B-spline curves are used to approximate the ellipse-like acetabulum and femur head and stem. The femur neck is approximated as trapezoid-like and the pelvis horizontally symmetrical structure. The centers of the ellipse-like structures from transverse sections are used to determine 3D axes of the femur stem, head, and acetabulum. The centerlines of the neck or the pelvis on the sections are used to determine the neck axis or pelvis centerplane. Boundary changes of these structures are recognized as concave, convex and hole features that are then identified as fractures, tumors, and spurs. Based on the geometric evaluations of these structures and features, hip surgeries including tumor dissect and bone graft, open reduction using plates, screws and nails, and arthroplasty are automatically managed to achieve the normal hip function including dissection of tumors and reduction of dislocations and angular deviations between the hip structures. This prototype system can be used as a qualitative and quantitative tool for the diagnosis of various hip diseases and for the planning of accurate surgical procedures. A series of examples and four case studies illustrate this automated method can be used to accurately diagnose hip diseases and manage hip surgeries, and train operators.     

3D representation of the surface topography of normal and dysplastic trochlea using MRI

The three-dimensional (3D) image of the articular surface topography of the normal and the dysplastic trochlea has not been defined. The aim of this study was to represent both the normal and dysplastic trochlear geometry in 3D using magnetic resonance imaging (MRI). Using the segmentation software program Amira (Mercury Computer Systems, Inc., Chelmsford, USA) we created 3D reconstructions of the distal femur bone and cartilage using MRI scans. Bone and cartilage of the distal femur were traced slice by slice in the acquisitioned dimension while the Amira program reconstructed the 3D model. This model was then transferred to the Rhinoceros 4.0 software (Robert McNeel & Associates, Seattle, USA) for measuring. Using this system a non-invasive 3D representation of the articular cartilage and bone of the normal trochlea and depiction of different types of trochlear dysplasia were possible.Potential advantages of these MRI measurements are assessment of the 3D articular cartilage of the whole trochlea and the bony contours on the same image, no imaging errors from joint malpositioning, no ionizing radiation, precise preoperative planning according to the documented pathomorphology, and comparison between the preoperative and the postoperative shapes. The disadvantages include higher costs compared to radiography or CT scans, and time consuming reconstruction, making them currently a research tool.     

Quantifying intracortical bone microstructure: A critical appraisal of 2D and 3D approaches for assessing vascular canals and osteocyte lacunae

Describing and quantifying vascular canal orientation and volume of osteocyte lacunae in bone is important in studies of bone growth, mechanics, health and disease. It is also an important element in analysing fossil bone in palaeohistology, key to understanding the growth, life and death of extinct animals. Often, bone microstructure is studied using two-dimensional (2D) sections, and three-dimensional (3D) shape and orientation of structures are estimated by modelling the structures using idealised geometries based on information from their cross sections. However, these methods rely on structures meeting strict geometric assumptions. Recently, 3D methods have been proposed which could provide a more accurate and robust approach to bone histology, but these have not been tested in direct comparison with their 2D counterparts in terms of accuracy and sensitivity to deviations from model assumptions. We compared 2D and 3D methodologies for estimating key microstructural traits using a combination of experimental and idealised test data sets. We generated populations of cylinders (canals) and ellipsoids (osteocyte lacunae), varying the cross-sectional aspect ratios of cylinders and orientation of ellipsoids to test sensitivity to deviations from cylindricality and longitudinal orientation, respectively. Using published methods, based on 2D sections and 3D data sets, we estimated cylinder orientation and ellipsoid volume. We applied the same methods to six CT data sets of duck cortical bone, using the full volumes for 3D measurements and single CT slices to represent 2D sections. Using in silico test data sets that did deviate from ideal cylinders and ellipsoids resulted in inaccurate estimates of cylinder or canal orientation, and reduced accuracy in estimates of ellipsoid and lacunar volume. These results highlight the importance of using appropriate 3D imaging and quantitative methods for quantifying volume and orientation of 3D structures and offer approaches to significantly enhance our understanding of bone physiology based on accurate measures for bone microstructures.     

中国人股骨上段几何特征研究

目的研究股骨近端几何形态的统计规律,以改善现有的人工关节设计.方法成人尸体股骨480根,正侧位X光片摄片获得原始成像,用计算机数字图像技术结合测量21个参数,对股骨上段髓腔曲线进行拟合和统计.对股骨髓腔截面形态进行自动提取,并采用圆锥曲线拟合、二次曲线简化、形心曲线拟合等数学方法,将股骨髓腔截面形态简化为长短轴、形心轴线等几个参数.结果获得480例股骨上段参数的统计数据,150例股骨上段髓腔截面的长短轴以及截面形心的曲线拟合方程并对截面的长短轴和形心曲线方程进行了分类.讨论本研究对股骨髓腔21个参数做了大量统计分析,应用模式识别的方法将曲线形状参数以分类定为6种,并选出截面形心的曲线拟合方程,这些都为假体柄部的设计提供了科学的依据,为三维建模提供了基础,使得CAD优化设计成为可能.     

基于二维X线图像骨组织三维重建的研究进展

医学图像的三维重建是当前国内外图像处理技术研究的热点,基于二维X线图像的三维重建这一新的重建方法在骨科疾病诊疗中的实际应用,不仅能够减少患者的检查费用,检查辐射剂量,更克服了传统的三维重建方式对检查体位的限制。本文结合近年来关于应用二维X线图像进行骨组织三维重建的文献报道,对这一重建方法的重建思路变化以及重建依据的分类进行总结,着重介绍了其在长管状骨、髋膝关节以及脊柱侧凸畸形等方面的应用情况,在对困扰其实际应用的旋转角度限制、图像分割识别等问题进行分析后,认为其必将在人体各组织器官的三维重建中得到应用。     

Reconstruction of patient-specific femurs using X-ray and sparse CT images

Three-dimensional patient-specific bone models have been used in computer-aided planning and biomechanical analysis of orthopaedic surgeries. Reconstruction methods using X-ray images have been developed recently. However, these reconstruction methods have limited ability to generate femur models with severe rotational deformities. In this study, a new X-ray-based reconstruction method was proposed using the free form deformation method with two X-ray images and three CT images. The obtained femur model is closer to a CT-based 3D femur model in comparison with the reconstruction method using only X-ray images. This method will have benefits for many clinical and biomechanical applications.     

聚醚醚酮各向异性 3D 打印对股骨替代物力学性能的影响

目的 针对材料挤出成形3D打印聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK)骨替代物制造工艺存在明显各向异性的问题,以下肢股骨为例,研究不同摆放方式下3D打印PEEK股骨替代物的力学性能。方法 在有限元模型中模拟人体步态周期中5种姿态,改变正交各向异性,计算不同打印摆放方式下股骨应力与变形,并通过力学实验研究3D打印PEEK股骨的安全性与稳定性。结果 竖直摆放优于水平摆放方式,此时3D打印PEEK股骨替代物最大应力为46.56 MPa,低于PEEK材料的屈服强度但变形量大于自然股骨,满足服役过程中力学性能需求,而承载稳定性有待提高。结论 使用材料挤出成形制造承重骨时应优先采用竖直摆放的方式,3D打印技术在用于承重部位骨替代物时应谨慎考虑其各向异性对替代物服役性能的影响。     

眼底图像的三维重建

根据简化眼模型和眼底照相机光学系统简化模型建立了眼底图像三维重建的数学模型,分析了正常眼和屈光异常眼眼底图像与真实眼底视网膜形状的关系,导出了眼底二维平面图像到三维曲面图像的映射关系,最后给出了对眼底图像进行三维重建的实例.眼底三维重建图像的最大视场取决于眼底照相机的最大视场角,该最大视场角限制了重建图像的视场大小和三维重建时z轴的取值范围.根据给出的三维重建映射公式对眼底图像的二维数据进行三维映射后,再进行纹理映射,即可绘出重建后的三维眼底图像.该方法利用现有二维成像设备提供患者眼底三维重建图像,可为眼科医生在临床诊断和治疗时提供有益的参考和帮助.     

基于C型臂2D投影的3D模型重建

背景：基于C型臂2D投影的3D模型重建是一种以XRII图像作为基础,经过校正后的运用一定数值函数进行3D模型重建的技术,可在手术过程中提供给手术者丰富的图像信息,方便手术的进行。 目的：探讨基于C型臂2D投影的3D模型重建技术诸多方面的问题。 方法：由第一作者检索1990/2010 PubMed数据库、CNKI系列数据库及万方数据库有关图像引导手术技术、C型臂2D投影图像校正与重建、基于2D图像的3D模型重建以及医学图像配准等方面的文献。 结果与结论：基于C型臂2D投影图像的3D模型重建是指以C型臂获取的2D投影图像为基础,实现骨骼3D模型的术中重建。3D重建模型不仅含有更为丰富的骨骼外部形状等解剖结构信息,而且还可包含骨密度及强度等骨骼内部多元有用信息。该技术可分为两条主线：有限角度锥形束X射线摄影合成方法;基于统计可变模型的非刚性配准方法。未来的研究可将该技术与手术导航相关技术进行结合从而建立手术导航系统。 关键词：数字化医学;C型臂;2D投影;工作原理;关键技术;重建 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2012.13.036