计算机辅助骨科手术系统中三维重建技术的应用研究

【摘要】 随着计算机技术的发展及信息化在医学上的深入应用，计算机辅助手术正成为生物医学工程上的一个研究热点，外科医生通过这些技术手段在术前、术中、术后对手术进行辅助支持，提高手术定位精度，减少手术损伤，提高手术成功率。在计算机辅助骨科手术中，骨组织三维模型的建立及在模型上的模拟操作是其他辅助手段的前提和基础，医生术前在计算机上对三维模型进行测量、切割、定位等交互操作，可以熟悉手术过程，提高手术结果预测的准确性，从而在可重复的手术计划过程中达到修正手术方案，提高手术质量，降低成本的目的。世界各国有不少研究者致力于相关的研究，本文在已有理论和应用上对计算机辅助骨科手术各步骤的方法提出一些改进并进行系统开发，具体主要有以下方面：1)三维重建方面，在比较了基于轮廓的连接方法和经典的MC算法后，用MC算法对医学图像进行重建，并针对其存在的二义性、光滑性的问题，分别用渐近线法、向量场平滑方法进行改进。2)快速成型方面，考虑到机械领域上用点扫描生成快速文件方法不适合用于医学图像上，本文提出一种基于MC算法生成STL文件的方法，利用该方法可方便快速的输出STL文件，用于制造实体模型。3)骨科手术模拟操作方面，针对在电脑屏幕上用鼠标点击模型时无法获得深度信息的问题，本文提出一种用拣选射线与三角形求交的方法来获得三维模型点的精确空间坐标，在此基础上实现了模型的测量及标注、模拟骨科手术封闭区域切割、面切割，模型重定位等操作。拣选射线法求空间点及模型切割都需要对所有三角面遍历，交互速度往往过慢，为此文章提出一种网格划分包围盒的方法来迅速剔除大量无关三角形，避免了其与射线或切割面的计算，显著提高了交互速度。4)本文开发出了一套计算机辅助骨科手术的系统，系统具有解析DICOM文件，对二维医学图像预处理，冠状面、矢状面重构，三维重建，快速成型文件生成，骨科手术模拟操作等功能，能满足基本的计算机辅助骨科手术的要求。 

第一章  绪论 

1.1  选题背景及研究意义 

骨科手术中通常涉及到复杂的几何结构的变化，并需要对骨骼的形态有足够的认识和了解。在传统的骨科手术中，医生通过在大脑中进行术前模拟来确定手术方案，再根据形成的三维印象进行手术，这是手术能够高效准确地进行所必须的准备工作。但要在大脑中清晰的想象出术中骨骼形态的几何和拓扑结构的复杂变化并非易事。这种手术方案质量的高低非常依赖于医生个体的外科临床经验与技能，且在大脑中形成的这种手术方案的构思信息不方便于手术小组成员之间的交流。 

近年来，借助于计算机图形学等技术的医学体数据重构人体内部三维结构应用日益广泛，医学诊断与治疗的手段也在不断发展，如近年来出现的计算机辅助外科手术系统、虚拟外科手术系统等。通过这些技术，外科医生在手术中可以提高手术定位的精度，减少手术创伤，提高成功率。通过术前在计算机上演示手术的过程，可以方便医生、护士和患者之间的沟通，否则如果仅仅凭医生的描述，其他人往往较难彻底理解其手术意图和要点。除此之外，在医学教学上运用虚拟手术系统可以为缺少临床经验的学生、医生在真正手术操作前获取更多经验。 

三维重建是计算机辅助骨科手术的前提和基础。医学图像三维可视化是科学可视化的一个重要领域，也是它的一个研究热点。医学图像可视化，是指人们通过 CT，MRI等数字成像技术，在计算机上进行三维效果表现，从而提供传统手段无法取得的结构信息。医学图像的三维可视化具有重要的研究和临床应用价值。 

针对医学图像的三维重建虽然有多种方法，但处理步骤却基本相同，如图 1-1 所示。即，得到序列断层医学图像(CT、MRI、PET和 SPECT)后，将医学图像格式转换为便于计算机处理的格式，通过对图像数据进行如平滑噪声，消除伪影等预处理，再采用一定的插值算法，保证体数据的表达各向同性，然后采用图像分割算法，对体数据的不同组织器官进行感兴趣区域提取，剔除无关组织。在这些预处理步骤完成后，再根据系统的内存容量、计算能力和重建的目标和应用特点，选择合适的三维重建算法进行绘制。  

基于这种三维重建技术，医生可以由CT图像获得解剖组织丰富的三维信息，从而对图像信息的利用更充分。计算机辅助手术系统最早用于颌面外科手术，现在已经扩展到骨科、整形科及神经外科等涉及骨骼等硬组织的辅助设计中。这种类型的系统仍然是未来的主要发展方向之一，在临床上也积累了丰富的案例及经验。 

1.2  三维可视化技术的分类及国内外研究情况 

目前医学体图像的三维重建可分为断层绘制、面绘制和体绘制3种不同的绘制方式。其中最简单的绘制方式是断层绘制，它将各断层图像以快速逐层显示、二维序列显示、或漫游等方式来提供灰度或伪彩色位图显示。这类方法绘制速度快，人机交互性好，在观察器官内部结构特性方面现在还常常被用到。面绘制(Surface Rendering)是由原始的三维医学体数据构造出大量的几何图元（一般是三角面片），由这些几何图元拟合成物体表面的三维结构，再根据光照、明暗模型等计算机图形学算法进行消隐和渲染得到显示图象。体绘制不需要构建几何模型，而是根据光照原理直接将三维效果显示在屏幕上。这两种可视化方法在医学影像可视化领域都得到了泛的应用，下面分别简单进行介绍。 

第二章 二维医学图像预处理

2.1  引言 

在骨组织模型三维重建之前，须先经过二维平面上的预处理。医学图像一般是以DICOM 格式存储的，计算机并不能直接显示这种格式的文件，因此要解析 DICOM 图像并转换格式。分割是三维重建的基础，分割可以将需要重建的部分提取出来，以便在三维重建前进行定性和定量的观察分析，令重建效果更精确。此外，为了增强重建效果，对图像的滤波也是必不可少的。本章主要介绍二维医学图像的获取及预处理，为下一步的三维重建做准备。 

2.2 CT 图像和 MRI 图像的获取 

医学图像中，计算机断层扫描(CT)和磁力共振成像(MRI)是最常见的两种用于获取解剖图像信息的技术。CT是用 X线束对人体某部位进行一定厚度的扫描，由探测器检测到透过该部位层面的 X 射线，将此可见光的信号转换成电信号，再用 A/D 转换器转换成数字信号，输入计算机处理后形成图像。这种技术成像快，在骨骼及软组织成像方面具有独特优势。人体组织处在较强的磁场和射频脉冲环境下组织内进动的氢核(H+)会发生章动，MRI就是利用了这一原理。MRI图像适合于软组织成像。相对而言，CT的空间分辨率高于MRI，而MRI图像的对比分辨率高于CT图像。 影像设备产生的数据存储格式不尽相同，常见格式有 DICOM、TIFF、BMP，现在医学图像领域较为通用的是基于 DICOM协议上的标准格式。 

第三章 医学图像三维重建 .............16 

3.1  引言 ........ 16 

3.2  轮廓连接法三维重建 ........ 16 

3.3  传统的移动立方体算法 ......... 17 

3.4 MC 算法的二义性及消除........... 21 

3.5  等值面的平滑 ...............23 

3.6  实验结果及分析 ..............24 

3.6.1  绘制结果 ........ 24 

3.6.2  结果分析 ............. 26 

3.7  本章小结 ........ 26 

第四章 快速成型技术 ............. 27 

4.1  引言 ................ 27 

4.2 STL 文件的格式与规则.............. 27 

4.2.1 STL 文件格式............ 27 

4.2.2 STL 文件规则................ 28 

4.3  快速成型文件的生成 ............ 29 

4.3.1  快速成型文件生成方法 .... 29 

4.3.2 STL 文件中三角片顶点顺序问题..........9 

4.3.3  本方法生成 STL 文件的步骤及伪代码.......... 30 

4.4  快速成型文件在手术设计中的应用 ............. 32 

4.5  实验结果及分析 ............... 33 

4.6  本章小结 ........ 34 

第五章 医学图像三维模型的手术模拟操作 ........36 

5.1  引言 ......... 36 

5.2  三维点的拾取 .............36 

5.2.1  射线拾取法获取三维点的思想 .......... 36 

5.2.2  空间变换与向量射线的求取 ...............37 

5.2.3  向量射线与三角形交点计算 ................39 

第六章 计算机骨科手术辅助系统的实现 

6.1  引言 

在真实的外科手术中，外科医生和助手始终进行着两个重要的活动，一是对物体进行目测或借助工具对物体进行几何测量，如选择范围内某组织的尺寸，截骨的角度等；二是把物体放在准确的角度和位置。计算机辅助外科手术系统可以辅助外科医生在术前获得手术部位的准确的结构信息，进行严格的术前规划，这对提高手术的精确性意义重大。因此这种辅助系统的也越来越受到医生的青睐。 

目前，有些机构已经开发出了计算机辅助手术系统的产品，其中在国内被广泛使用的是比利时 Materialise 公司开发的 mimics 软件，它具有人体测量分析，分割、切割、融合、定位等功能，能辅助手术设计，快速成型、假体/植入体设计，并能进行有限元分析及流体力学分析等。但这种软件价格昂贵，而且实际应用中某些医疗机构只需要其中一部分功能，如外科室只对计算机辅助骨科手术功能有需求。 

本文正是基于这样的背景，研究开发这样的系统。在进行上文理论研究基础上，开发出计算机辅助骨科手术系统，本系统用 Visual Studio 2005 作为开发工具，并借助了OpenGL 图形函数库。本章主要介绍本系统的系统架构、功能模块以及实例分析等。 

6.2  计算机骨科手术辅助设计系统框架 

本系统的框架如图 6-1 所示。由于医学图像一般用 DICOM 格式存储，因此首先要对 DICOM 文件进行解码，转换成 BMP 格式后在计算机屏幕上显示。这里，三维重建所需的体数据是由CT序列图像提供的，因此系统要能读入多张图像，并按一定的顺序显示。为便于观察，本系统根据得到的体数据重构了冠状面及矢状面，提供了更丰富的观察角度。同时，在二维图像上可以进行包括距离、角度的物理测量。在三维重建前，需要对二维序列图进行滤波、分割等预处理，以得到更好的重建效果，有利于对感兴趣区域的观察。在三维重建方面，系统用MC 算法进行面绘制，并对算法进行了消除二义性、提高平滑度方面的改进。在交互操作中，用鼠标准确拾取空间点是其他操作的前提条件，其精确性对后续的三维模型测量、切割等有决定性的影响，而基于此的切割及重定位是计算机辅助骨科手术重要的环节。系统还实现了快速成型文件的生成及其导出功能，为辅助人工替代物的植入提供更完善的服务。 

结论与展望 

全文工作总结 

医学图像三维重建技术是从一系列二维图像中重构三维结构信息，它能够为医生提供逼真的显示效果和定量定性分析的工具。三维重建也是计算机辅助骨科手术的前提，针对骨科手术的特点，本文用面绘制方法实现三维重建，在得到三维几何模型后对模型进行模拟手术操作。医学图像分割技术是三维重建的基础，它在医学影像处理与分析中具有重要的意义。 

本文第一章对研究课题的背景及意义做了简单说明，并概述了三维重建技术及计算机辅助手术的发展现状；第二章介绍了二维医学图像的处理，重点探讨了图像的去噪滤波及感兴趣区域分割的方法及实现；第三章研究了面绘制技术中轮廓连接法及经典的MC 算法，通过在 windows 平台下用 VC++实现这两种算法，用实例对比说明 MC 算法的优点，同时针对 MC 算法存在的二义性、光滑性问题提出了解决的方法；第四章介绍了快速成型技术及其在计算机辅助骨科手术中的应用价值，针对目前采用的点扫描法不适用于医学序列图像生成STL文件，以及轮廓连接法的诸多缺点，本章提出了一种基于MC 算法生成 STL 文件的方法，并通过实例验证其可行性；第五章实现了在计算机上模拟骨科手术的操作。为了用只能获取二维信息的鼠标点击来获取三维模型的空间点坐标，本章提出了一种用拣选射线与三角形求交的方法，在此基础上实现了三维模型的测量及标注，并模拟现实中的骨科手术切割，实现了封闭区域模型切割及面切割，并对切割后的模型进行重定位，最后通过模拟脊椎矫正手术实例来说明本方法的效果；第六章介绍了基于 VC++及 OpenGL的计算机辅助骨科手术的系统的开发。完成的具体工作主要有如下几个方面： 

(1) 三维面绘制轮廓连接法及 MC 算法的实现 

简单介绍了轮廓连接法的实现步骤并通过编程实现，说明此方法的缺陷；然后再介绍了MC 算法的原理及其二义性的解决办法，并提出用一种三角片的法向量场平滑方法改进面绘制的显示效果。 

 (2)  基于 MC 算法的医学图像快速成型文件生成方法 

对比了目前STL文件生成的点扫描法和轮廓连接法后，针对医学CT序列图像提出了一种基于MC 算法生成STL文件的方法，重点讨论了STL文件需遵循的三角形顶点顺序问题，并通过快速成型实体验证本方法的可行性。 

(3)  计算机模拟骨科手术操作的实现 

针对在电脑屏幕上用鼠标点击模型时无法获得深度信息的问题，本章提出了一种用拣选射线与三角形求交的方法来获得模型中感兴趣点的精确的三维空间世界坐标，在此基础上实现了三维模型的测量及标注。为模拟现实中的骨科手术切割，提出了一种通过计算切割平面与模型的三角面片位置关系，将模型沿切割平面分成两个子模型的方法，在此基础上实现了封闭区域模型切割及面切割，并对切割后的模型进行重定位。上述的拣选射线求空间点及平面切割模型，为了确定射线与三角形的相交点或者切割面与三角形的位置关系，都需要对所有三角面进行遍历，使得其交互速度过慢，为此本文提出一种网格划分包围盒的方法，迅速剔除大量无关三角形，避免其与射线或切割面的计算，从而显著提高了交互速度。最后通过模拟脊椎矫正手术实例来说明本方法的效果。 

(4)  基于 VC++和 OpenGL 的计算机辅助骨科手术设计系统的开发 

以 VC++和 OpenGL 为开发工具，设计并实现了一个将医学 DICOM 图像解析，显示，二维医学图像处理，冠状面、轴状面重构，三维重建，快速成型文件生成，骨科手术模拟操作等功能集为一体的计算机辅助骨科手术系统，其界面简单直观，易于操作，可以满足辅助骨科手术的基本要求，为以后的进一步研究打下了基础。 
 

参考文献：

• [1] 刘少丽,杨向东,陈恳.  基于分割MC算法的超声影像三维重建方法[J]. 清华大学学报(自然科学版). 2010(08)
• [2] 刘尚平,陈骥,刘霞.  基于医学图像的三维模拟手术[J]. 中国医学影像技术. 2010(01)
• [3] 段黎明,林海,吴朝明,刘炉.  工业CT断层图像自动生成STL文件的方法[J]. 计算机科学. 2007(01)
• [4] 何晖光,田捷,常红星,赵明昌.  手术模拟系统中关键技术的研究[J]. 计算机仿真. 2002(01)
• [5] 骆文博,王广志,丁海曙.  计算机辅助手术系统[J]. 国外医学.生物医学工程分册. 2001(06)
• [6] 谢小棉,李树祥,江贵平,周猛.  基于MC的医学三维等值面的平滑与归并[J]. 中国图象图形学报. 2001(08)
• [7] 赵金城,刘士新.  计算机虚拟现实技术在现代医学中的应用[J]. 医疗装备. 2001(04)
• [8] 李燕,谭鸥,段会龙.  三维医学图象可视化技术综述[J]. 中国图象图形学报. 2001(02)
• [9] 洪泉,陈德强,黄文浩.  一种基于图象内部信息的轮廓匹配和切片对齐新方法[J]. 中国图象图形学报. 2001(02)
• [10] 王子罡,唐泽圣,王田苗,刘达,吕洪波,申皓.  基于虚拟现实的计算机辅助立体定向神经外科手术系统[J]. 计算机学报. 2000(09)