正常女性骨盆数字化三维重建的研究

发布时间：2018-11-14 11:11

【摘要】：骨盆是人体的重要组成部分,在女性更是与生育分娩关系密切。1895年X线被发现,随后广泛运用于骨盆测量。许多国家和民族包括中国,基本完成了对各地区女性骨盆的大规模详细研究。X线骨盆测量虽然较仪器手法测量先进,但拍摄角度和体位造成的偏差、中骨盆摄片的盲区、二维的图片信息量少以及放射性的问题,临床应用受到一定的限制。随着计算机技术发展和普及,数字化在医学方面的应用在19世纪末进入一个全新的时代,其核心技术是三维重建,它是指应用逆向工程软件,将CT、MRI等二维的医学图像数据集转换成具有立体效果的数字化三维模型的理论与方法。 1982年美国的Federle MP等首次报道了女性CT骨盆测量,2003年,法国学者Balleyguier C等首次报道了运用CT扫描重建出三维骨盆模型,并进行部分径线测量的方法,认为利用CT重建出来的三维骨盆模型不仅能进行任意角度的观察和准确测量,而且更容易被临床医生和助产士所理解。但目前国内外尚未发现关于运用CT骨盆测量技术进行大宗女性骨盆生理常数测量分析的研究报道。1985年美国学者Stark DD等首次报道了利用MRI二维图片进行骨盆测量,认为其不仅具有高准确性和无放射性,而且可以清晰的显示软组织对产道的影响等。但是由于骨盆在MRI呈低信号,与周围组织对比度差等原因,重建难度大,至今相关研究较少,仅有极少利用MRI数据进行三维重建部分骨盆和部分测量的研究,无完整骨盆重建及测量的报道。我们已知不同人种和种族的骨盆在形态及大小上存在着明显的差别,国内外的研究资料表明：同一人种骨盆的形态和大小也随着时间的变化而变化,受营养、饮食、生活环境、教育、劳作习惯及气候等多方面因素的影响。德国和美国的学者发现在20-30年间,欧洲国家女性的骨盆形态和大小发生了明显的变化,而且变化的趋势并不有利于经阴道分娩。我国王淑雯等报道了1955年与1985年天津市育龄经产妇骨盆发生了骨盆的径线和类型明显的变化。1984年至1992年以王淑雯为首的全国协作组,对全国共6835例育龄妇女的骨盆进行了测量和数据采集分析,后近23至26年国内对女性骨盆的研究基本停顿,众所周知,中国大陆近30年无论在经济、文化等多方面发生了天翻地覆的变化,人们的营养、生活工作方式也发生了彻底的改变。在这个大环境下,我国女性骨盆的形态及大小也可能发生了一定的变化,同时,我国近年来的剖宫产率居高不下,除了社会经济等客观因素外,还包括临床医生对相对性头盆不称标准掌握欠准确导致剖宫产指征扩大化等主观原因,原因之一是原有研究或了解骨盆的方法有很大的局限性,临床上普遍采用的外测量方法只能帮助我们间接评估骨盆的情况,真正和分娩相关的骨盆内径的测量和骨盆的形态分析临床上难以做到。虽然分娩过程和产力、软产道、胎头大小都有关,但骨盆是一个重要因素,同时骨盆相对固定,完全可以在产前进行详细的评估。因此,本课题结合数字化三维重建技术设计了从尸体到活体利用CT/MRI数据集对我国正常女性骨盆进行三维模型构建和测量的研究,为进一步深入了解现代中国女性骨盆的情况提供平台。第一部分正常女性尸体骨盆数字化三维重建研究数字化三维重建成功运用于临床需要熟练掌握多项关键技术和步骤,涉及多学科的相关知识,尤其是软件的使用经常晦涩难懂,图像数据集的采集和储存,有别于临床上一般CT或MRI常规检查数据的存储,我们必须对导出的女性盆腔摄片数据进行后期的一系列制作,运用多个软件才能完整构建一个骨盆并进行测量,为掌握后期制作构建三维骨盆的方法和技巧,我们首先选择南方医科大学解剖研究所提供的在2003年制作存储的“女性数字人一号”原始数据集进行数字化女性骨盆构建的初步的探索。“女性数字人一号”标本来源于食物中毒死亡后的家属捐赠遗体,女性,19岁,广西籍人,编号为VCH-F1(virtual Chinese human-female),身高155.00cm,体重46.00kg。原始数据集有三套,包括铣切图片数据集、CT数据集、MRI数据集。第一节：材料与方法一、基于铣切数据的三维重建 1、数据采集铣切数据集采集：中国“女性数字人一号”标本在特设的实验室内进行悬挂式包埋并冷藏,从头部开始进行全身完整切片,共铣切8556个层面,层厚0.22mmm,本研究选取自髂嵴上缘DSCF3100_pl.jpg至小转子缘DSCF4500_pl.jpg连续断层图像(象素大小：1512X1008),每2mm取一张,共141张。 2、图像的配准和分割由于高度像素摄影出来的图片会有很多干扰信息,我们首先要通过photo shop预处理软件和Matlab7.0仿真程序软件通过计算二维射影变换参数配准射影失真等一系列处理完成配准,再人工在整理好的校正图像上标出重建目标的轮廓,即把骨盆的区域在每张图片上分割标示出来以供计算机辨认。 3、三维重建将分割后的图片导入Mimics软件中,经定位图像、组织图片、内插值处理后,设定骨组织重建阈值,应用Mimics软件中蒙罩编辑(Edit masks)功能对图像进行修饰,最后经区域增长、3D计算重建出包含部分腰椎及股骨的女性骨盆数字化三维模型。二、基于CT数据集女性尸体骨盆的三维重建 1、软件和设备数字人女一号CT数据、计算机硬件、双核处理器、计算机系统：Windows XP Professional SP2操作系统,三维重建软件Mimics10.01, Photoshop7.0图像处理软件、DICOM查看器、Somatom Plus4螺旋CT机。 2、数据采集 CT扫描层间距全部为1.0mm,全身共1721层。其中骨盆序列229层,全部数据拆薄并以DICOM格式保存。 3、骨盆三维重建将原始数据导入Mimics10.01软件中,经定位图像、组织图片、内插值处理后,设定骨组织重建阈值,应用Mimics软件对坐骨棘、骶骨等处进行修饰,经区域增长、3D计算重建出包含部分腰椎及股骨的女性骨盆数字化三维模型。三、基于MRI数据集女性尸体骨盆的三维重建 1、软件和设备：同CT数据重建的软件设备相同。MR扫描仪器为Siemens Magnetom Vision1.5T超导型扫描仪 2、MRI数据采集过程 MRI扫描全部层厚为2.0mm,层间距为0,TR/TE800.0ms/14.0ms, FOV430mm×430mm。全部数据以Dicom格式刻碟保存。 3、MRI图像转换与骨组织的分割把MRI获取的骨盆图像用DICOM查看器转换成BMP格式,共采集数据图像104张,用Photoshop7.0图像处理软件进行骨组织的分割,保存图片。 4、骨盆三维重建将图像导入Mimics10.01软件,调节域值,重建出骨盆的三维模型。采用光滑按钮,对重建出的骨盆进行光滑处理,增强骨盆模型的真实感和立体感。第二节：结果利用“数字人女1号”的铣切数据集、CT及MR扫描数据集,均能构建出骨盆的全部或大部分结构,三种模型比对发现,利用铣切数据集及CT扫描数据集构建的数字化三维模型比较完整,两者具有很高的相似度,边缘光滑流畅,立体感强,其中CT数据构建的模型最有真实感,而利用MR数据集构建的三维模型则较为粗糙,有较多细微处的缺损,与铣切数据集构建出的三维模型具有较大的差异。第三节：讨论三种数据集构建的模型有明显的区别,究其原因主要有以下几点：1.铣切数据集是最真实的数据,但重建过程容易受到人为因素的影响,并且不能应用在活体,仅供对照；2.CT扫描对骨组织的显示比较好,分辨率最清晰,因而重建可以全部使用软件,重建效果最好,重建技术比较容易掌握；3.MRI对骨组织显示欠佳,数据采集时没有采用专门针对骨盆成像的扫描方法和序列,图像重建技术以手工分割为主,受主观因素和成像质量影响较大,导致模型形态粗糙,有多处缺损,与活体骨盆存在较大差异,MRI重建骨盆的图像采集技术和重建方法必须改进。第二部分基于CT数据正常在体女性骨盆数字化三维重建研究第一章：基于CT数据的在体女性骨盆的数字化三维重建及测量基于CT数据的三维重建的骨盆完整生动,是提供临床研究骨盆形态和测量径线的理想模型。但参考文献中介绍的常用测量软件Mimics所能测量的骨盆径线有限,入口后矢状径、中骨盆后矢状径等重要径线均无法进行测量,而且耻骨弓角度的测量精度存在问题。我们研究将骨盆切割软件Geomagic软件及测量软件UG软件引入我们的研究中,成功地对所有规定的径线及角度进行了测量。第一节：材料与方法 1、数据来源选取一例盆腔CT扫描数据。患者基本资料：35岁,广东人,身高164cm,体重68kg,孕2产2(均顺产),无骨盆、脊柱及下肢外伤史,无盆腔手术史,临床诊断为宫颈癌Ⅱb期。 2、设备与软件德国西门子公司生产的双源CT3.0、Mimics10.01重建软件、Geomagic软件、UG软件。 3、CT扫描数据采集扫描时患者常规腹部扫描体位。平扫层厚5mm,层间距5mm,扫描范围从第三腰椎上缘至坐骨结节下缘,扫描后将图像进行拆薄至层厚为1.0mm,共406层,刻碟保存。 4、骨盆三维重建将原始断层图像直接导入Mimics10.01中,经定位图像、组织图片、内插值处理后,设定骨组织重建阈值为168Hu～1539Hu。当生成各层面骨组织表面轮廓线后,编辑处理图像,经区域增长、3D计算重建出包含部分腰椎及股骨的女性骨盆三维模型。 5、骨盆分割在Geomagic软件导入全骨盆STL文件,用平面裁剪功能,可以任意选择删除一半骨盆,保留左侧或右侧半骨盆,以供研究。 6、骨盆测量在UG软件中,利用全骨盆和右半骨盆的数字化三维模型测量12条径线及2个角度,包括：骨盆入口横径、入口前后径、入口后矢状径、骶耻内径、坐骨棘间径、中段前后径、中段后矢状径、坐骨结节间径、出口前后径、出口后矢状径、耻骨联合高度、骶骨长度、骶骨弯度、耻骨弓角度,测量数据以mm为单位,保留至小数点后3位。第二节：结果 Mimics不仅可以直接利用CT原始数据重建出完整的全骨盆,而且可以选择性的重建出部分骨盆结构,如左、右半侧骨盆。重建的女性骨盆腰椎椎体及锥弓的形态和关系分明,髋骨形态规则、清晰；骶骨表面光滑,弧度自然,双侧骶孔清晰可见,尾骨形态完整,骶髂关节、骶尾关节和耻骨联合清晰可辨。模型可以进行随意放缩和任意角度的旋转,并可以以图片和动画的形式导出,格式通用,便于对其进行进一步的后处理。 Mimics和UG软件可以对模型进行三维测量,自动生成显示测量径线和角度的结果。结果可以精确到0.001mm和0.001度。在三维空间内,利用全骨盆的数字化三维模型可以测量骨盆入口横径,入口后矢状径,中骨盆横径,中段后矢状径,出口横径,出口后矢状径,耻骨弓角度；利用右半骨盆的数字化三维模型可以对骨盆入口前后径,骶耻内径,中骨盆前后径,出口前后径,耻骨联合高度,骶骨长度,骶骨弯度进行测量,该测量方法可以多次重复使用。第三节：讨论基于CT扫描的计算机骨盆三维重建是直接采用活体数据,重建的三维骨盆模型不仅可以进行随意放缩和任意角度的旋转,而且可以直接对骨盆进行相关径线和角度的精确测量,减少了传统测量中人为因素的影响,没有X线测量和外测量在中骨盆中三维盲区,更真实地反映了骨盆的生理情况。三维重建和测量的所有操作可以在普通电脑上直接进行,方便在临床应用于建立个体化虚拟骨盆,为相关研究提供技术平台。但由于CT扫描存在辐射,在孕产妇中的临床运用受到限制。第二章：289例基于CT骨盆三维测量的数据分析为了解我国正常女性骨盆形态的变化,我们在前期尸体研究和活体女性骨盆数字化三位重建研究的基础上,进一步利用CT三维重建和改良的骨盆测量技术对活体中国南方正常汉族女性的骨盆进行主要经线的测量,并对数据做了对比分析, 第一节：材料与方法 1、研究对象纳入标准：25岁以上中国南方汉族妇女,体态端正,四肢发育正常,排除病理骨盆,并有一次足月胎儿经阴道自然分娩史。2009年12月至2011年12月在南方医院影像中心行盆腔CT检查者中选取符合以上纳入标准病例共289例,并在三维层面上进行了12条径线和2个角度的测量,按年龄分为三组,青年组为25～40岁,中年组为41～50岁,老年组为50岁。 2、软件与设备、三维重建和测量方法：同CT三维重建。 3、统计方法：将获得的骨盆测量数据三组之间比较,统计学分析采用SPSS13.0软件,两组均数比较采用独立两样本的配对t检验,相关系数线性分析,率的比较采用Kruskal-Wallis H秩和检验进行统计分析,P值0.05认为差异有统计学意义。第二节：结果 1、各年龄组各径线值均数的比较结果三组有统计学差异的有：入口横径、入口前后径、入口后矢状径、骶耻内径、耻骨弓角度、耻骨联合高度、骶骨弯度。 2、骨盆径线与年龄相关分析本课题组同时对骨盆径线与年龄进行了相关性分析,发现其存在以下趋势：入口横径、耻骨联合高度随年龄增加而增大,入口后矢状径、入口前后径、骶耻内径、出口横径、耻骨弓角度、骶骨弯度随年龄增加而减小。 3、不同年龄段三种骨盆类型的比例：在289例患者中,女型198例,占68.5%,扁平型38例,占13.1%,类人猿型43例,占14.9%,男型10例,占3.5%。以女型最常见(图2)。其中： 25-40岁组女型占69.7%,扁平型占8.3%,类人猿型占20.2%,男型占1.8% 41-50岁组女型占67.0%,扁平型占13.9%,类人猿型占16.5%,男型占2.6%： 50岁组女型占69.2%,扁平型占20.0%,类人猿型占3.1%,男型占7.7% 可见,在25-40岁组与41-50岁组中,女型最为常见,其次为类人猿型,再次为扁平型,男型最少见；而在50岁组中,女型最为常见,其次为扁平型,再次为男型,类人猿型最少见。Kruskal-Wallis H秩和检验H=61.255,P0.001,3组骨盆类型分布有统计学差异。第三节：讨论我们按年龄分段,50岁以上组基本相当于当年王淑雯等的研究对象,40到50岁组是过渡组,根据人体骨骼发育的规律,25岁后骨盆发育基本停止,现在25岁到40岁的妇女完全是改革开放经济条件等变化后发育成长的一代,所以青年组的数据对现代南方女性来说有代表意义。三组间进行比较,发现骨盆入口平面横径各组比较显示有缩小的趋势,骨盆入口前后径、后矢状径、骶耻内径有增大,说明骨盆入口有由横椭圆形变成了长椭圆形、前部无改变后部变大或前部变窄小,后部相对变大的趋势。在中骨盆和骨盆出口变化不明显,青年组耻骨联合高度明显减少趋势,骶骨长度变小趋势,提示示骨盆变浅,同时,青年组组骶骨明显弯度增大使尾骨变翘。以上的变化趋势说明现代南方女性的骨盆在入口平面和骨盆深浅方面的变化较为明显,骨盆形态分析显示在青年组和中年组类人猿型的比例明显上升,提示骨盆有前部变窄后部变宽的趋势。限于本研究的局限和对照条件的不对等,无法与王淑文的资料作比较,暂时未能得出是否有利于或不利于经阴道分娩的结论。后续如果能把研究对象范围扩大和增加足够的标本量,可能会有更进一步的发现。第三部分：基于MRI的在体女性骨盆数字化三维重建研究第一章：在体女性骨盆MRI成像的序列优化及成像特征由于MRI的优势在于对软组织的分辨率高,而对含氢离子少的骨组织分辨率低,常用的扫描序列和参数对骨组织轮廓的显影差,无法用计算机进行识别,所以MRI重建较为困难,国外研究报道极少,没有完整骨盆的重建报道。因此,本研究从头开始摸索数据采集的条件,对传统盆腔MRI成像序列进行了实验筛选,寻找到适合MRI骨盆重建的理想序列,并进一步对该序列的成像参数进行探讨,对MRI成像序列进行了优化。第一节：材料与方法 1、数据来源从2010年10月至2011年10月因各类妇科疾病在我院行盆腔MRI检查的患者中,选取无骨盆、脊柱及下肢外伤史,无盆腔手术史的20例患者作为研究对象。其中12例用于扫描序列的筛选,余下8例用于扫描参数的优化。 2、扫描序列的筛选由于国际上参考资料缺乏,我们选取3种MRI的常用扫描序列和参数,把12例患者随机分为3组,每组分别用选取的MRI常用序列进行扫描,对扫描效果进行对照研究,找到骨盆显影较好又不影响盆腔其他脏器扫描效果的序列。 3、扫描参数的优化在上述实验找到适合序列的基础上,对5种常用的扫描参数进行优化,包括重复时间(repetition time, TR)、回波时间(echo time, TE)、层厚和间距、视场(Field of View, FOV)、激励次数(NEX)、是否脂肪抑制等,其中对TR/TE设置时选取8例患者分为4组,分别采用4种不同的参数组合进行扫描,从而进行扫描参数优化的对照研究。第二节：结果 1、不同序列下女性骨盆的影像学表现我们对T1WI、T2WI和PDWI三种成像序列进行比较分析后认为：T2WI对骨盆结构及边界显示最为清楚,其中骨松质表现为中等高信号,而骨皮质表现为骨松质外1-2mm左右的低信号带,因而最适合于骨盆的数字化三维重建。 2、T2W1扫描参数的确定经比较确定,进行不压脂的FSE-T2WI轴位薄层扫描的2例图像为理想的数据,得出不压脂的FSE-T2WI轴位薄层扫描是比较理想的扫描方法。扫描参数如下：TR/TE3000/102ms,激励次数为4,翻转角180°, FOV300mm×300mm,矩阵512×512,层厚3.0mm,层间距0mm,体素大小0.59mm×0.59mm×3.0mm。第三节：讨论本研究通过对稳态MRI成像的三种基本序列及参数进行探讨,寻找到最适合骨盆数字化三维重建的MRI成像序列,在国内外首次提出不压脂的FSE-T2WI轴位薄层扫描是获得在体女性骨盆MRI数据的理想方法,为MRI数据在体女性骨盆的数字化三维重建打下了坚实的基础。第二章：基于MRI正常女性骨盆数字化三维模型的构建在对传统盆腔MRI成像序列进行改进的基础上,拟利用薄层高分辨MRI原始数据集和计算机三维重建技术构建在体女性骨盆数字化三维模型,为女性数字骨盆的研究提供一种无创的新方法。第一节：材料与方法 1、数据采集在以上实验已获得2例理想的数据的基础上,选取4例4例无骨盆、脊柱及下肢外伤史,无盆腔手术史的患者作为研究对象,用筛选出的不压脂的FSE-T2WI轴位薄层扫描方法进行扫描,共获得6例理想数据。 2、MRI骨盆数字化三维模型的构建将原始数据直接导入Mimics10.01中对图像进行自动定位、组织及内插值处理后,生成冠状面、矢状面和横断面三类视图界面。调整二维图像的亮度和对比度后,通过阈值分割(thresholding)设定骨组织的重建阈值为1250Hu-4095Hu,软件会自动生成各层面骨组织蒙罩,修正弥补丢失的骨盆信号。最后经区域增长、蒙罩三维重建和光滑处理计算得出包含部分腰椎及股骨在内的女性骨盆数字化三维模型。 3、三维骨盆测量利用Geomagic软件、UG软件,采用CT重建实验中摸索出的测量方法同样在模型上成功测量12条径线和2个角度,数值单位为mm,精确到小数点后3位。第二节：结果成功构建出女性骨盆数字化三维模型。与国外的研究报道相比,该骨盆模型具有立体感强、各个细微结构比较完整清晰、线条流畅、形态自然、可重复测量等优点。该模型和CT构建的模型一样可以进行任意角度的旋转及观察,对其进行任意径线及角度的精确测量。第三节：讨论成功重建基于MRI的三维骨盆,避免了X线辐射对母胎的影响,以BMP和AVI格式所保存的图片和动画格式在普通电脑上通用,方便临床应用,为骨盆测量在产科临床中的运用提供了新的思路和方法。第三章：CT和MRI三维骨盆形态的对照研究选择一例同时行MRI和CT检查的患者,分别对其数据集进行数字化三维重建,并对CT和MRI骨盆形态进行比较,以验证MRI骨盆数字化三维重建技术的可行性。第一节：材料与方法 1、数据采集在以上实验已获得的6例理想的数据的病例中,选取1例有指证的病例,再行CT检查。患者基本资料：40岁,身高151cm,体重40cm,四川人,G1P1,顺产,因“同房后阴道流血3周”入院,临床诊断“宫颈鳞状细胞癌Ⅱa期”,无盆腔手术病史,无盆腔脏器脱垂或尿失禁症状,体内无心脏起搏器、冠脉支架、人工关节等金属植入物。 2、骨盆数字化三维模型的构建分别按上步研究的CT、MRI三维重建的方法进行数字化三维模型的构建。 3、三维骨盆测量利用CT重建实验中摸索出的测量方法分别在模型上成功测量12条径线和2个角度,数值单位为mm,精确到小数点后3位。并对骨盆的形态、测量的数据进行比较。第二节：结果与活体CT构建的骨盆相比,MRI骨盆表面略显粗糙,形态欠自然,但其仍能够较全面的反映CT三维骨盆形态。另一方面骨盆相关测量径线测量结果差距均在在2mm以下,符合骨盆测量精度的要求。第三节：讨论一方面因为CT扫描拆薄后的层厚远低于MRI扫描的层厚,所以CT三维骨盆与真实骨盆形态相差极小,能够较好的反应活体骨盆三维形态。另一方面由于FSE-T2WI能够较好的显示骨盆结构,骨盆的界限显示清楚,因此基于MRI数据的骨盆分割较数字人MRI骨盆重建结果更加可靠。总之,CT、MRI扫描后三维重建各有优缺点,利用改进和优化MRI骨盆扫描序列和参数构建骨盆数字化三维模型是可行的,骨盆相关测量径线测量结果差距均在在2mm以下,符合骨箍测量精度的要求。基于MRI的三维骨盆形态及测量数据均与CT的三维骨盆接近,推断可用MRI数字化骨盆代替CT数字化骨盆,避免了X线辐射对母胎的影响。但是由于目前我们只进行了一例CT和MRI骨盆三维重建比较的研究,继续进行大样本的研究将对MRI三维重建骨盆技术进行更加系统的评价。全文小结 1、利用“中国数字人女1号”的铣切、CT及MR扫描数据集,探讨女性骨盆的数字化三维模型构建的方法,通过比较发现,CT数据构建的模型真实感和完整性最好,重建技术难度最低,适合临床研究,用MR数据集构建的三维模型较为粗糙,有较多细微处的缺损,重建难度大,临床应用需再摸索扫描条件和重建方法。 2、成功进行了活体基于CT扫描数据数字化骨盆模型的构建,成功摸索出运用Mimics、Geomagic和UG软件对骨盆进行相关径线和角度的精确测量的方法,三维重建和测量可以在普通电脑上直接进行,方便在临床应用于建立个体化虚拟骨盆,是研究骨盆的理想模型。但由于CT扫描存在X线辐射,限制了在孕产妇中的运用。 3、收集重建了基于CT数据的289个完整骨盆并进行测量和分组统计分析,发现现代南方女性的骨盆发生入口平面由横椭圆形向纵椭圆形变化、骨盆变浅的趋势该；同时发现,在青年组和中年组,类人猿型的比例明显上升,也提示骨盆有向前部变窄后部变宽发展的趋势。研究为进一步深入研究中国现代女性骨盆的变化情况和与分娩的关系提供研究思路。 4、我们在经过对比筛选并调整参数后确定了适合MRI骨盆数字化三维重建的最优扫描序列和参数,首次提出不压脂的FSE-T2WI轴位薄层扫描是获得在体女性骨盆MRI数据的理想方法。 5、突破性地利用MRI数据集重建出较理想的女性骨盆数字化三维模型,进行径线及角度的精确测量,为骨盆研究在产科临床中的实际运用提供了平台,具有临床应用价值。
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【学位授予单位】：南方医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：R816.91

【参考文献】