基于医学影像的骨组织细观尺度图像重建与力学性能研究

发布时间：2021-07-08 20:30

　　组织学研究证明,骨微结构是骨强度和骨折风险的重要决定因素,临床CT影像由于其分辨率低,无法精细化骨微结构,不适用于骨微结构相关疾病的临床筛选、诊断和治疗。而Micro-CT则具有较高的空间分辨率,并且允许定量表征骨微结构,在临床医学上得到了较广泛的应用。然而,CT扫描分辨率的提高,伴随着扫描尺寸的下降,以及辐射剂量的提升,且需要进行离体扫描,使得更高分辨率的CT扫描不适用于临床诊治。因此,如果能够在更低辐射剂量、更大扫描视野的情况下,获得满足精细结构要求的高分辨率影像,这对于提高相关临床应用和研究的精度及效率都将会是很好的助益。这是本文针对骨微结构生物力学表现研究的一次探索和拓展。为此,本文围绕细观尺度下的医学图像超分辨率重建展开研究。本文首先基于Micro-CT影像研究了骨微结构的力学性能及其与几何特征之间的关系。骨微结构的力学性能反映了骨在材料特性和结构特性下的综合力学性能,本文在前人研究的基础上采用有限元仿真技术进行了载荷测试,并采用传统机器学习的方法对测试结果进行了数据分析,结果发现,骨微结构的几何特征与其力学特性之间存在良好的映射关系,并且几何特征的表征能力更加突出。其次是针... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省

【文章页数】：77 页

【学位级别】：硕士

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各章节关系图

第2章基于Micro-CT的骨组织综合力学性能研究9第2章基于Micro-CT的骨组织综合力学性能研究本章节的主要任务是基于Micro-CT影像研究细观尺度下的骨综合力学性能，包括两个部分的内容：（1）基于有限元仿真的骨强度计算方法研究；（2）骨微结构力学特性与几何特性的映射关系研究。2.1基于Micro-CT影像的骨强度计算方法研究2.1.1实验方案骨强度的相关概念已在引言中重点阐述，本文中结合有限元仿真技术，模拟骨微结构在加压情况下的力学变化，并分析其应力应变曲线，研究骨强度的表征方法。本文中采取的方案如下图2.1所示，操作步骤如下：图2.1骨强度获取工作流程图Figure2.1Workflowchartforobtainingbonestrength（1）通过Micro-CT扫描设备获取股骨近端的影像；（2）使用DCTMK及OpenCV图像处理库，对原始切片进行裁剪，获得体积较小的切片块，称为VOI（VolumeOfInterest）。VOI的尺寸及层厚根据实际需要进行设置；（3）将VOI导入到Mimics软件之中，根据灰度阈值提取骨小梁结构，并通过区域增长法去除不连续部分，然后进行三维数据重建。重建之后的模型，还需要通过3-Matic进行修复、光滑、网格再修复等处理步骤，最后生成可用于有

基于医学影像的骨组织细观尺度图像重建与力学性能研究10限元分析的体网格，并导出为INP格式的文件；（4）将步骤（3）中导出的INP文件导入到有限元分析软件ABAQUS中，经过模型材料赋值（Property）、部件装备（Assembly）、设置分析步（Step）、施加载荷（Load）及作业提交（Job）等步骤之后，进行相应的力学分析。（5）经过以上步骤之后，可以通过ABAQUS的后处理模块，得到有限元仿真的结果，包括动态演示、曲线图以及应力应变分布图等，以此进行相应的分析。2.1.2实验材料实验所用模型数据来自Micro-CT扫描切片，使用Mimics和3-matic进行三维重建及网格划分。扫描设备使用瑞士的SCANCOMEDICALAG。该扫描设备在工作期间所产生的辐射很低，不会对人体产生伤害。扫描设备型号为μCT/100，具体配置有：X射线管电流160μA，管电压30-90kVp/20-50keV；分辨率额定1.25μm，4μm（10%MTF@样品直径10mm），图像矩阵512×512至8192×8192；探测器3702×400，感光单元尺寸48μm；扫描尺寸100×140mm（×L）。本次实验扫描样本为猪股骨端部，扫描分辨率为24.5um，扫描尺寸为3072x3072像素，共扫描4817张。扫描后将原始数据转换为DICOM格式保存。实验中的骨小梁模型像素尺寸为128x128，共107张，来自骨小梁完整切片的其中一小部分区域。如下图2.2所示，从左侧完整切片中截取固定尺寸的区域（红色方框部分），三维重建构成右侧实验用骨小梁模型，并采用ABAQUS中的4节点四面体线性“完全积分”单元为骨小梁模型划分网格。图2.2骨小梁三维模型构建过程Figure2.2Constructionprocessof3Dmodeloftrabecularbone2.1.3实验过程本次实验主要是模拟不同结构骨小梁在相同应变下的力学表现。因为不涉及

【参考文献】：
期刊论文
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硕士论文
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本文编号：3272282