定制型人工股骨柄建模

□ 沈 浩 □ 李媛麗 □ 李 泓 □ 師建文

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

定制型人工股骨柄建模

□ 沈 浩 □ 李媛麗 □ 李 泓 □ 師建文

蘭州理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 蘭州 730050

為解決傳統(tǒng)股骨頭置換術(shù)中標(biāo)準(zhǔn)型號的股骨柄與病患骨髓腔形狀不貼合的問題，提出了定制型人工股骨柄建模。提取病患股骨的X光片以及CT圖像數(shù)據(jù)，利用eFilm、Auto CAD和SolidWorks軟件進(jìn)行股骨柄三維模型重建，包括圖像預(yù)處理、輪廓提取、曲線插值、曲面放樣，最后生成股骨柄的三維重建模型。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，該方法可以重建與患者骨髓腔高度貼合的股骨柄模型。此方法不僅可以重建髖關(guān)節(jié)股骨柄，還可以推廣至其他關(guān)節(jié)或組織，為人工關(guān)節(jié)假體的定制提供有效手段。

人工股骨柄 圖像預(yù)處理 輪廓提取 三維模型建立

我國人工髖關(guān)節(jié)主要是從國外進(jìn)口的標(biāo)準(zhǔn)件，由于國內(nèi)病患的關(guān)節(jié)形狀和尺寸與國外存在個(gè)體差異，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)件形狀與我國患者的骨髓腔不匹配，造成應(yīng)力分布的不均勻，為術(shù)后的并發(fā)癥埋下隱患，甚至?xí)?dǎo)致置換手術(shù)的失敗。此時(shí)，最理想的方法是根據(jù)病人的實(shí)際情況進(jìn)行定制，即按患者病骨的幾何解剖狀態(tài)，專門設(shè)計(jì)制作假體。

筆者以患者股骨的X光片和CT片為數(shù)據(jù)來源，研究與患者股骨髓腔相配的定制型股骨柄，包括股骨數(shù)據(jù)的提取與處理方法，以及股骨柄幾何模型的建立方法，為股骨快速制造提供理論模型。

1 人工髖關(guān)節(jié)概述

髖關(guān)節(jié)不但是人體最重要的關(guān)節(jié)之一，而且是人體最大的負(fù)重關(guān)節(jié)，但是，由于老齡化、疾病、運(yùn)動(dòng)后造成的創(chuàng)傷等因素，髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生病變，嚴(yán)重影響了患者的正常生活，而人工關(guān)節(jié)置換是治療髖關(guān)節(jié)晚期疾病的重要手段。應(yīng)用人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)來重建關(guān)節(jié)功能已經(jīng)有100多年的歷史，據(jù)統(tǒng)計(jì)資料表明，目前全球每年人工髖關(guān)節(jié)的置換數(shù)量估計(jì)已達(dá)到800 000個(gè)［1］。我國人工髖關(guān)節(jié)部件主要從國外進(jìn)口，由于標(biāo)準(zhǔn)件形狀與我國大部分患者的骨骼不匹配，常導(dǎo)致手術(shù)后患者的劇烈疼痛，而且，使用過程中易松動(dòng)，壽命較短［2］，而國內(nèi)人工關(guān)節(jié)廠商受資金的限制，有限規(guī)格的關(guān)節(jié)柄顯然很難與數(shù)十萬、上百萬病人的股骨髓腔相匹配［3］。因此，根據(jù)病患股骨的實(shí)際情況，進(jìn)行定制型人工股骨柄制作，供臨床手術(shù)植入（參見圖1）。由于人工關(guān)節(jié)材料成本很高，為保證在實(shí)際加工中一次成型，減少患者經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的同時(shí)提高加工效率，因此，在工程技術(shù)領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵技術(shù)是：①患者病骨數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確測量；②人工置換骨模型的建立及假體制造。

▲圖1 定制型髖關(guān)節(jié)示意圖

2 數(shù)據(jù)篩選與處理

在采集數(shù)據(jù)過程中，采用X正側(cè)位光片與CT片結(jié)合的方法。其中X射線（又稱倫琴射線）具有一定的穿透力，能穿透人體的組織結(jié)構(gòu)，利用X線的波長與被照射物質(zhì)密度的差別，可以將密度不同的骨骼與肌肉、脂肪等軟組織區(qū)分開來。CT（Computed Tomography，電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)）以它的高分辨率、高靈敏度、多層次等優(yōu)越性，發(fā)揮了有別于傳統(tǒng)X線檢查的巨大作用，由于CT采集到的圖像是整個(gè)髖關(guān)節(jié)的斷層掃描圖像，而本文所研究的為股骨柄，為了提高對數(shù)據(jù)的處理速度，要將無用的數(shù)據(jù)剔除出去，保留股骨作為研究對象。對研究區(qū)域的提取，采用了在斷層上拉選矩形窗口的方法，該窗口包含股骨，其它的斷層圖像采用同樣的選取過程，這樣就大大減少了后續(xù)分析建模的數(shù)據(jù)量，提高了工作效率。

由于X射線是投影成像，會(huì)將三維空間結(jié)構(gòu)重疊到二維圖像上，造成影像重疊，而且二維影像又會(huì)丟失重要的三維空間信息，因此采用以CT掃描獲得患骨模型與X光片（包括正面與側(cè)面的投影成像）相結(jié)合的重建方法。

在重建過程中，對X光片、CT圖像的獲取以及二維輪廓的處理是一項(xiàng)關(guān)鍵步驟，因此將在醫(yī)院獲取的X光和CT數(shù)據(jù)為*.DICOM格式文件，使用eFilm軟件轉(zhuǎn)換為*.jpg格式，如圖2、圖3所示。

▲圖2 髖關(guān)節(jié)CT圖

▲圖3 髖關(guān)節(jié)X射線圖

2.1 圖像預(yù)處理

在醫(yī)學(xué)影像設(shè)備中，各電子器件的隨機(jī)擾動(dòng)必定會(huì)產(chǎn)生干擾噪聲，為了保證圖像質(zhì)量，需要對骨骼圖像進(jìn)行去噪處理，略去或削弱無用的信息來達(dá)到突出骨骼邊緣特征。在去噪處理中，采用中值濾波來實(shí)現(xiàn)，其基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中的一個(gè)點(diǎn)，用該點(diǎn)的一個(gè)領(lǐng)域中各點(diǎn)的中值代替。用n點(diǎn)像素y（i，j）（-1≤i≤1，-1≤j≤1）的取樣平均（i， j）來代替點(diǎn)的像素值，從而將原噪聲n（i，j）的均方差變?yōu)樾略肼暤木讲?，使噪聲誤差減小為原始誤差的。

中值濾波既能有效地抑制噪聲，又能很好地保留有效信號，適于圖像的平滑和去噪處理［4］。

以CT圖像為例，圖4中的（a）、（b）為圖像處理前后的對比圖?？梢钥闯?，圖像的處理可以對圖像有更好的保護(hù)和增強(qiáng)效果。

2.2 骨骼輪廓的提取

在提取骨骼輪廓之前，需要對CT圖像進(jìn)行骨組織和軟組織的分割，因CT自身特性，這兩者的灰度值相差很大，故采用灰度閾值法加邊緣追蹤法進(jìn)行分割。

2.2.1 灰度閾值法

灰度閾值法［5］實(shí)質(zhì)上是對圖像進(jìn)行二值化，它以一定的準(zhǔn)則，在灰度圖像中選定一個(gè)灰度值作為標(biāo)準(zhǔn)值，然后將圖像矩陣中每個(gè)像素的灰度值與標(biāo)準(zhǔn)閾值比較，在標(biāo)準(zhǔn)閾值上設(shè)定為一個(gè)固定數(shù)值，而在標(biāo)準(zhǔn)閾值下設(shè)定為零，即設(shè)灰度圖像f（x，y），閾值為S，則分割后的二值圖像為：

▲圖4 CT圖像處理對比圖

實(shí)際的圖像目標(biāo)和背景之間不一定單純地分布在兩個(gè)灰度范圍內(nèi)，因此采用兩個(gè)及以上的閾值來提取，可選擇（S1，S2）作為閾值區(qū)間，采用：

2.2.2 邊緣追蹤法

邊緣追蹤法［5］是以圖像中不同區(qū)域的分界勾畫出目標(biāo)物體的輪廓，以識別目標(biāo)，圖像中那些存在急劇變化的點(diǎn)，也就是圖像結(jié)構(gòu)的邊緣，是圖像信息的重要部分?；舅枷胧窍葯z測圖像中三維邊緣點(diǎn)，再按照某種策略將這些點(diǎn)連接起來，形成輪廓。

由于圖像的邊界輪廓是一個(gè)灰度變化帶，故采用梯度向量的幅值和方向作為特征值，連續(xù)圖像f（x，y），方向?qū)?shù)在其邊緣法線上存在局部最大值，邊緣追蹤即求該梯度的局部最大值和方向。

f（x，y）在θ方向沿r的梯度定義為：

3 CAD模型建立

國內(nèi)外很多高校、醫(yī)院等研究機(jī)構(gòu)使用的醫(yī)學(xué)圖像處理軟件基本相同，采用的方法也類似，國內(nèi)大部分研究者都采用一系列的醫(yī)院圖像處理軟件來實(shí)現(xiàn)二維輪廓的提?。?］。但是由于醫(yī)學(xué)軟件專業(yè)性強(qiáng)，操作比較復(fù)雜，需要專業(yè)的醫(yī)學(xué)知識，不具備通用性，而Auto CAD軟件支持多種操作平臺，具有通用性、易用性。

本文在圖像處理過程中采用醫(yī)學(xué)圖像處理軟件與非醫(yī)學(xué)圖像處理軟件相結(jié)合，對*.DICOM格式圖像進(jìn)行處理，生成*.jpg格式，最大限度保證原始數(shù)據(jù)圖像的真實(shí)性。之后，采用Auto CAD計(jì)算機(jī)繪圖軟件對已優(yōu)化處理的股骨二維輪廓進(jìn)行提取，再對所提取的二維輪廓圖像進(jìn)行樣條插值運(yùn)算，優(yōu)化二維輪廓圖像，提高二維圖像的精度。

髖關(guān)節(jié)股骨圖像經(jīng)過處理后，去除周圍的肌肉神經(jīng)組織，可得到髖關(guān)節(jié)的輪廓區(qū)域，如圖5所示。

使用Auto CAD軟件打開此*.jpg格式文件，并對二維輪廓圖像進(jìn)行提取，提取方法如圖6所示。

以一層圖像為例，對其進(jìn)行二維輪廓的提取以及樣條插值。打開Auto CAD軟件，插入任意一層已優(yōu)化的CT掃描圖像文件，界面如圖7所示。

4 對SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模

由于人體股骨內(nèi)腔為空間自由曲面，復(fù)雜且不連續(xù)，不同部位截面形狀也有差別，數(shù)學(xué)函數(shù)式無法準(zhǔn)確表達(dá)。本文在股骨柄模型建立過程中，以CT提取出的股骨輪廓軌跡為掃描路徑，沿著該路徑依次提取X正交光片的輪廓截面，從而生成截面輪廓形狀。

打開SolidWorks軟件，建立前視基準(zhǔn)面進(jìn)入草繪，與CT輪廓提取類似，在SolidWorks繪制假體柄的截面，如圖8所示。

沿著CT輪廓軌跡方向，在不同位置建立多張假體柄截面圖，如圖9所示。

截面草圖生成后，沿著股骨柄輪廓方進(jìn)行放樣，需要注意的是無論截面、或是實(shí)體，均不能有自相交叉情況。從而生成三維曲面，得到髖關(guān)節(jié)股骨柄的模型，如圖10所示。

▲圖5 股骨輪廓區(qū)域

▲圖6 二維輪廓線提取流程

▲圖7 股骨CT圖像二維輪廓

▲圖8 股骨截面輪廓圖

▲圖9 假體柄截面草圖

▲圖10 髖關(guān)節(jié)股骨柄三維模型

5 結(jié)論

筆者針對定制型股骨柄假體設(shè)計(jì)的需要，研究了人體骨骼精確建模的問題，主要的研究成果如下。

（1）在數(shù)據(jù)采集時(shí)，利用患者本身的X光片及CT圖像，與其他利用尸骨作為研究對象建模方法相比，個(gè)體匹配性更高，可靠性更好。同時(shí)將X光片與CT圖像結(jié)合進(jìn)行建模，與僅采用CT或是X光片數(shù)據(jù)建模的方法比較，顯然，重建方法能更加清晰、準(zhǔn)確地反映患者股骨內(nèi)腔結(jié)構(gòu)。

（2）對圖像處理采用中值濾波進(jìn)行預(yù)處理，再進(jìn)一步采用灰度閾值法與邊緣追蹤法相結(jié)合。使得圖像在處理之后能夠達(dá)到良好的去噪和清晰增強(qiáng)效果。

（3）三維建模時(shí)，應(yīng)用Auto CAD、SolidWorks軟件作為技術(shù)支撐，綜合了醫(yī)學(xué)影像技術(shù)、圖像處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，是計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)與醫(yī)學(xué)學(xué)科相交叉的體現(xiàn)。且該建模方法還可推廣至其他關(guān)節(jié)或器官的建模，應(yīng)用范圍廣。

［1］俞學(xué)中，郭乙木，李俊，等.人工髖關(guān)節(jié)假體柄形狀設(shè)計(jì)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007（4）：581-584.

［2］李強(qiáng)，羅先正，王志義，等.人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)后評估方法的研究［J］.中華骨科雜志，2001，21（12）：721-725.

［3］朱云仙，何亞飛，王成燾.個(gè)性化人工髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制造［J］.機(jī)械制造，2003（8）：29-31.

［4］任國成，王廣春.面向RP骨骼CT圖像的輪廓提取與精簡［J］.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004（3）：5-8.

［5］宋衛(wèi)衛(wèi).股骨頭修復(fù)建模關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2008.

［6］張建宏.基于功能的個(gè)性化人工膝關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［7］黃成.SolidWorks2010中文版完全自學(xué)一本通［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2011.

（編輯 小 前）

TH128

A

1000-4998（2015）02-0045-04

2014年8月