基于CT与超声图像配准的准静态膝关节三维运动测量方法的研究

发布时间：2020-07-30 13:35

【摘要】：膝关节的三维运动测量是研究膝关节损伤机理的重要依据,并且对于建立安全准确的膝关节在体运动评价系统及早期诊断、规范化医学运动康复具有重大的意义。现有的测量方法难以兼顾无侵入性、无电离辐射性、高精确度以及成本低廉等特性。随着医学超声成像技术的发展,超声检测已经在临床上进行了广泛的应用,医学超声成像相对于计算机断层扫描技术和核磁共振成像技术有着成本低廉,无电离辐射等显著优点。因而,本文通过引入超声图像,创新性的提出了一种基于CT图像与超声图像配准的膝关节三维运动测量方法,该方法具有无创、无电离辐射、高精度的特点。本文主要讨论了基于CT图像与超声图像配准的膝关节三维运动测量系统的实现原理,包括系统构成、数据采集、多视角B型超声图像组合结构的选取与构建、配准框架的构建以及膝关节三维模型的重建和其运动的可视化模拟。其中配准框架的构建是整个系统的核心:首先,由于CT图像与超声图像是不同模态下的医学图像,在分辨率、灰度属性等方面差异巨大,直接将二者进行配准的难度较大且精确度较低。有鉴于此,我们需要利用超声成像模拟算法将CT图像模拟为超声图像再进行图像配准;其次,为了获取更加准确的配准结果,本文引入了多视角B型超声图像组合结构(如交叉图,工形图,王字形图)来进行图像配准;最后,在目标函数和优化方案的选择方面,本文采用最大归一化互信息来描述两幅图像的相关性,采用基于GPU加速的并行化粒子群优化算法来进行解空间的搜索。为了验证不同的多视角B型超声图像组合结构在配准算法中作为配准图像结构的可行性,本文利用人体股骨标本分别使用交叉图,工形图,王字形图三种多视角B型超声图像组合结构进行配准精度验证实验,结果表明:考虑到系统耗时和测量精度之间的平衡,最终选用工形图作为整个膝关节三维运动测量系统的图像配准结构。并进一步完成了多组离体实验和在体实验。实验结果表明,本文提出的三维膝关节运动测量系统能够精确测量膝关节的三维运动,满足膝关节三维运动分析的需要。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;R684
【图文】：

示意图,胫骨,翼状襞,腔体结构

因而膝关节很容易受到伤害[31]。微如果不加以治疗，会逐步导致关节磨损，最终结构上包括以下部分：关节囊、骨性结构、关及血管[32]。而从膝关节结构上来看包含以下两 2-1 所示，这两个关节结构组成双关节结构共由股骨双侧类球形髁部和胫骨相应的内，外侧髌骨关节是由股骨、髌面和髌骨髁面构成的屈了股骨、胫骨和髌骨三种骨性结构[32]。髌骨关是由股骨构成的。胫骨则主要构成承重平台，作为前方保护结构和稳定结构。三个骨性结构图 2-2 为膝关节的关节结构示意图。

示意图,关节,示意图,内层

华南理工大学硕士学位论文，外层纤维膜相对更加坚韧。与外层滑膜不同，内层构成，贴附在外层纤维膜的内层表面上，富含血管网所有结构。关节滑液则由内层滑膜产生，在腔内形成供了新陈代谢的液态媒介，具有界面润滑效应。翼分滑膜层突向关节腔内形成，襞内含有脂肪组织，具结构则具有如下几个特点：最大，分泌区广；大、绒毛数目最多；关节的功能（运动、产热、负重）。

膝关节,胫骨,垂直轴,水平轴

引起的转动半径差异[33]。胫骨去屈曲变成伸展过程中，，因此胫骨就向外转动。螺旋扣锁机制使膝关节在伸展锁定了膝关节。在此位置上，胫骨相对于股骨的一切运节的最稳定姿态。维运动学股关节和髌骨关节组成的双关节结构，其中包含了三个胫股关节面以及髌骨关节面。如图 2-3 所示，实际中膝三个关节面内围绕水平轴、垂直轴、失状轴的运动。具[34-36]：围绕水平轴的屈伸运动；围绕垂直轴的内旋和外前后滑动。膝关节主动屈伸范围为：0-135°，最大被动屈带软组织结构的限制。

【参考文献】