基于QCT影像的动物骨结构参数测量方法研究

发布时间：2017-08-12 21:55

  本文关键词：基于QCT影像的动物骨结构参数测量方法研究

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【摘要】：骨质疏松是老年人常见病之一,基于动物临床试验的骨质病变情况分析对研究骨质疏松的成因、早期预防及诊断有重要参考价值。目前对于骨质疏松的判断主要依赖于骨密度的测量,以骨矿含量来反映骨强度,但骨的健康情况也会引起骨微形态结构的变化。通过对骨小梁厚度等微观参数的测量,可以全面细致地掌握骨质疏松的病变规律,更有利于骨质疏松疾病的早期诊断和治疗。目前骨微观参数虽有多种测量方法,但由于骨小梁形态的复杂性和差异性,尚存在数据有效性、测量结果准确性以及执行效率和稳定性问题,因此需要进一步地研究并加以改进。定量CT(Quantitative Computed Tomography,QCT)的方法能够在测量骨密度的同时获得骨的三维结构,并可测量相应的骨小梁结构参数。这些结构参数主要包含骨小梁形态学和拓扑学两个方面。本文在实验室现有小动物CT与高分辨CT平台上,对骨密度和骨结构参数两部分的测量方法进行了研究,并用仿真数据与实际数据进行了实验验证。动物骨密度测量方法基于图像CT值与物质密度呈线性关系的物理原理,本文通过实验对比选择了准确性较高的骨标准模体方法实现,并完成准确性验证。形态学参数选择骨小梁厚度、骨小梁间隙、骨小梁数量和骨结构指数四个参数进行测量方法研究：对骨小梁厚度与间隙的测量,采用一种基于距离变换的三维测量算法,而骨小梁数量的计算通过厚度与间隙求出,在距离变换过程中对算法复杂度进行了优化；对骨结构指数的测量,通过骨体积与基于Marching Cubes的表面积算法,有效提升了测量准确性。通过与BoneJ测量结果对比验证,6组实际猪颌骨数据骨小梁厚度、数量、间隙的相对误差均小于3%,结构指数平均相对误差为3.49%,证明各参数测量方法具有足够准确性和稳定性。拓扑学参数选择连通性和各向异性两个参数进行测量研究：对骨小梁连通性的测量,通过三维去噪的前处理方法提升了算法准确性：对骨的各向异性的测量,通过对平均截断长度迭代的方法提升了测量结果的准确性和稳定性。通过与BoneJ测量结果对比验证,6组实际数据的连通性经过三维去噪后相对误差为零,各向异性相对误差均小于2%,证明各参数测量方法具有足够准确性和稳定性。上述测量方法在VC++平台下进行了实现,并最终封装为一个完整的骨结构参数测量分析软件。通过算法优化,使得本系统软件与其他方法相比,具有操作便捷、三维可视化效果直观、执行时间适中和测量结果准确等优点,对动物骨骼分析具有一定应用价值。
【关键词】：骨密度 骨小梁厚度 显微CT 三维可视化
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R580
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 骨质疏松程度定量分析的目的和意义10-12
• 1.2 国内外骨质疏松定量分析的研究进展12-16
• 1.2.1 用以骨质疏松诊断定量参数的研究进展12-14
• 1.2.2 骨密度测量方法进展14-15
• 1.2.3 骨微观结构参数测量方法进展15-16
• 1.3 以BoneJ为代表的参数测量工具介绍16-17
• 1.4 课题研究内容及难点17-18
• 1.5 论文的研究内容安排18-20
• 第二章 QCT系统介绍与骨密度测量方法研究20-30
• 2.1 CT系统结构20-21
• 2.2 CT扫描成像原理概述21-22
• 2.3 小动物CT平台与高分辨CT平台介绍22-24
• 2.4 有模体的骨密度测量基本原理24-25
• 2.5 骨密度测量实验与验证25-29
• 2.5.1 本文算法测量结果26-28
• 2.5.2 与水模体测量方法对比分析28-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第三章 骨小梁形态学参数测量方法研究30-52
• 3.1 骨小梁厚度及间隙测量方法研究30-41
• 3.1.1 骨小梁厚度计算流程30-33
• 3.1.2 距离变换算法优化33-35
• 3.1.3 骨小梁间隙及平均数量计算方法优化35-37
• 3.1.4 仿真数据实验验证37-38
• 3.1.5 实际数据实验验证38-41
• 3.2 骨结构指数测量方法研究41-51
• 3.2.1 骨结构指数测量流程41-43
• 3.2.2 基于Marching Cubes的表面积算法优化43-46
• 3.2.3 仿真数据实验验证46-48
• 3.2.4 实际数据实验验证48-51
• 3.3 本章小结51-52
• 第四章 骨小梁拓扑学参数测量方法研究52-70
• 4.1 骨小梁连通性测量方法研究52-60
• 4.1.1 连通性测量流程52-54
• 4.1.2 基于连通域判断的连通性测量前处理方法54-56
• 4.1.3 仿真数据实验验证56-58
• 4.1.4 实际数据实验验证58-60
• 4.2 骨小梁各向异性测量方法研究60-69
• 4.2.1 各向异性测量流程60-63
• 4.2.2 椭球参数方程迭代63-65
• 4.2.3 仿真数据实验验证65-66
• 4.2.4 实际数据实验验证66-69
• 4.3 本章小结69-70
• 第五章 测量软件系统开发70-82
• 5.1 软件架构设计70-71
• 5.2 系统交互界面设计71-73
• 5.3 系统三维可视化及交互工具开发73-81
• 5.3.1 基于双向层间轮廓插值的ROI圈定方法74-76
• 5.3.2 基于OpenGL纹理映射的可视化效果实现76-79
• 5.3.3 基于多线程的算法加速方法79-81
• 5.4 本章小结81-82
• 第六章 总结和展望82-85
• 6.1 总结82-83
• 6.2 展望83-85
• 致谢85-86
• 参考文献86-90
• 作者简介90

【参考文献】

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本文编号：663812