基于體可視化的計(jì)算機(jī)輔助脊柱矯形系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉建平　田聯(lián)房　李　彬*　陳　鏗　丁煥文

1(華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院　廣東 廣州 510640)

2(中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院　廣東 廣州 510120)

3(廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院　廣東 廣州 510010)

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基于體可視化的計(jì)算機(jī)輔助脊柱矯形系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉建平1田聯(lián)房1李彬1*陳鏗2丁煥文3

1(華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院廣東 廣州 510640)

2(中山大學(xué)孫逸仙紀(jì)念醫(yī)院廣東 廣州 510120)

3(廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院廣東 廣州 510010)

摘要為了實(shí)現(xiàn)脊柱畸形手術(shù)治療計(jì)劃中的精確術(shù)前模擬，開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助脊柱矯形系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合面繪制和體繪制技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維脊柱模型的體切割，采用剛性配準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)楔形截骨后的脊柱模型配準(zhǔn)融合，最后利用配準(zhǔn)前后參數(shù)測(cè)量信息對(duì)術(shù)后效果進(jìn)行評(píng)估。系統(tǒng)仿真結(jié)果表明：針對(duì)脊柱模型，進(jìn)行模擬手術(shù)切割、配準(zhǔn)、測(cè)量，能比較直觀、精確地反映矯形效果，可為手術(shù)方案的制定提供較為科學(xué)的依據(jù)，同時(shí)系統(tǒng)也具有較好的可擴(kuò)展性與工程參考意義。

關(guān)鍵詞脊柱矯形體可視化體切割剛性配準(zhǔn)模型測(cè)量

0引言

脊柱畸形是一種較為常見(jiàn)的骨科疾病。在脊柱畸形的治療中，除規(guī)范的保守治療外，手術(shù)矯形是有效的治療方案。但手術(shù)又存在著較高的難度和風(fēng)險(xiǎn)，需要術(shù)前模擬來(lái)確定手術(shù)方案。在此過(guò)程中，基于體可視化[1]的計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)發(fā)揮著極其重要的作用。為此，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在脊柱畸形計(jì)算機(jī)輔助診斷系統(tǒng)方面開(kāi)展了大量的研究工作[2-4]。系統(tǒng)通常以CT、MRI等醫(yī)學(xué)圖像切片作為數(shù)據(jù)源，通過(guò)提取人體骨等組織信息，在重建出的三維模型上確定切割位置、角度與切割量、配準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)角度與移動(dòng)距離，從而制定出詳細(xì)有效的手術(shù)方案。

基于相同的背景，本文對(duì)矯形手術(shù)模擬中的體可視化技術(shù)、切割技術(shù)、配準(zhǔn)技術(shù)和測(cè)量技術(shù)展開(kāi)了較深入的研究，開(kāi)發(fā)了用于脊柱矯形計(jì)劃的三維可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)借助MC算法[5]和RC算法[6]實(shí)現(xiàn)人體脊柱模型重建，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行矯形手術(shù)操作。根據(jù)體繪制渲染出的體切割前后手術(shù)部位及其毗鄰結(jié)構(gòu)的病理信息，用以指導(dǎo)面繪制渲染與交互下的脊柱模型生成與矯形手術(shù)模擬，對(duì)于用戶選擇最佳手術(shù)計(jì)劃具有重要意義。文中主要介紹該可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)功能模塊及其關(guān)鍵技術(shù)，并以實(shí)際病例試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的效果。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于脊柱矯形應(yīng)用的目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)包括醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)傳輸、二維處理與交互、三維面渲染與交互、三維體渲染與交互等模塊。其中圖像數(shù)據(jù)傳輸模塊主要是進(jìn)行DICOM格式圖像解碼與分析；二維處理與交互模塊主要進(jìn)行二維圖像顯示及相關(guān)輔助測(cè)量；三維面渲染與交互模塊實(shí)現(xiàn)面繪制渲染、模型體切割、測(cè)量及剛性配準(zhǔn)；三維體渲染與交互主要涉及到體繪制渲染、渲染所需傳遞函數(shù)交互調(diào)整以及體切割。各個(gè)模塊相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，其中三維渲染與交互是本系統(tǒng)研究的核心和重點(diǎn)。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2基于面繪制的體切割

2.1三維面繪制

面繪制算法的本質(zhì)是從一個(gè)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中以幾何片元的形式抽取出等值面。MC算法是數(shù)據(jù)場(chǎng)等值面生成的經(jīng)典方法，其算法思想是依次處理三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中相鄰八個(gè)像素點(diǎn)，將其作為立方體素上的頂點(diǎn)，然后根據(jù)所求等值面與體素的位置關(guān)系確定與此體素相關(guān)的多邊形結(jié)構(gòu)，最終將所有多邊形面片按照一定順序連接作為等值面的一個(gè)近似描述。

考慮到骨骼與其他組織在CT值上差異明顯以及病患骨邊緣模糊，出現(xiàn)侵蝕的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)脊柱的精確重建，本系統(tǒng)在面繪制模塊中引入了數(shù)據(jù)預(yù)處理[7]。首先采用雙閾值分割圖像，設(shè)定合適的閾值范圍(Tl,Th)提取出骨組織；然后在此基礎(chǔ)上通過(guò)人工選取初始種子點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)獲取感興趣區(qū)域；最后執(zhí)行MC算法實(shí)現(xiàn)對(duì)該區(qū)域的三維重建。此過(guò)程有效地避免了碎骨等無(wú)關(guān)組織的出現(xiàn)以及等值面表面出現(xiàn)的不光滑現(xiàn)象。

2.2切割的實(shí)現(xiàn)

三維模型的切割是模擬手術(shù)重要環(huán)節(jié)，操作的準(zhǔn)確性與快速性是切割過(guò)程需要考慮的問(wèn)題。采用對(duì)重構(gòu)的表面模型進(jìn)行剖切[8]，需遍歷模型三角面片，根據(jù)其與切割平面幾何位置關(guān)系，判斷是否與切割平面相交，進(jìn)而求取交點(diǎn)獲取新增三角面片以及剖切截面。該計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，伴隨著影像設(shè)備精度的不斷提高，便可考慮進(jìn)行更快速且易于實(shí)現(xiàn)的體素級(jí)的切割處理。雖在某些切割角度下會(huì)有微小鋸齒出現(xiàn)，但不影響切割、矯形動(dòng)作及其效果。

本系統(tǒng)采用體素級(jí)的切割，遍歷的是所有體素的頂點(diǎn)(即三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的像素點(diǎn))而非模型三角面片，根據(jù)頂點(diǎn)與剖切平面的位置關(guān)系，對(duì)該頂點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。標(biāo)記完畢后，結(jié)合前期區(qū)域增長(zhǎng)獲取的感興趣區(qū)域進(jìn)行MC算法重構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)切割，渲染結(jié)果顯示能獲得滿意的效果。該算法額外申請(qǐng)了一塊同體數(shù)據(jù)維數(shù)的內(nèi)存，取為標(biāo)記矩陣Mark，根據(jù)體素頂點(diǎn)是否處于切割區(qū)域?qū)υ摼仃囅鄳?yīng)分量賦予不同的值，如m1表示體素頂點(diǎn)處于切割區(qū)域內(nèi)，m2表示體素頂點(diǎn)處于切割區(qū)域外，Mark各分量初始值取為m2。

算法描述如下：

(2) 遍歷三維數(shù)據(jù)場(chǎng)中的體素頂點(diǎn)(i,j,k)，確定其與切割平面的位置關(guān)系，可知是否會(huì)被剖切掉，進(jìn)行賦值：Mark(i,j,k)=m1或Mark(i,j,k)=m2；

(3) 根據(jù)更新了的標(biāo)記矩陣Mark，結(jié)合區(qū)域增長(zhǎng)結(jié)果對(duì)體數(shù)據(jù)執(zhí)行MC算法，計(jì)算結(jié)果進(jìn)入渲染管線便可獲得切割后的模型繪制圖像。

3基于體繪制的體切割

3.1三維體繪制

RC算法是體繪制技術(shù)中的典型算法，其基本思想是在從虛擬攝像機(jī)射出的光線上累計(jì)體數(shù)據(jù)的光學(xué)屬性以合成圖像，算法流程如圖2所示。

圖2　RC算法流程圖

傳遞函數(shù)與光照模型的選取決定著體繪制的渲染效果。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，傳遞函數(shù)[9,10]常采用幾何圖形作為映射規(guī)則。根據(jù)映射規(guī)則，制定出灰度值與RGB顏色、不透明度的關(guān)系，便可獲得采樣點(diǎn)顏色信息。為了滿足脊柱段體數(shù)據(jù)的渲染要求，本系統(tǒng)分別采用梯形映射規(guī)則和四邊形映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)一維與二維傳遞函數(shù)的設(shè)計(jì)。同時(shí)考慮到傳統(tǒng)Blinn-Phong光照模型中漫反射與鏡面反射算子受到采樣點(diǎn)梯度正負(fù)性的影響，光照效果會(huì)有所減弱，本文對(duì)傳統(tǒng)Blinn-Phong光照模型中漫反射與鏡面反射算子稍加改進(jìn)，如式(1)所示，以增強(qiáng)體數(shù)據(jù)在光照下的視覺(jué)效果。

(1)

式中：Cd、Cs分別代表漫反射光、鏡面反射光，Kd、Ks分別為材質(zhì)的漫反射、鏡面反射顏色，Cl為入射光的顏色，N為規(guī)范化的采樣點(diǎn)法向量，L是規(guī)范化的指向光源的向量，H為采樣點(diǎn)-視點(diǎn)構(gòu)成的向量和L的規(guī)范化中間向量，abs()為取絕對(duì)值函數(shù)。

3.2切割的實(shí)現(xiàn)

體繪制下的體切割，同樣采用體標(biāo)記矩陣。根據(jù)體素頂點(diǎn)是否處于切割區(qū)域內(nèi)，對(duì)標(biāo)記矩陣相應(yīng)分量賦予不同的值。所有頂點(diǎn)處理完畢后，將標(biāo)記矩陣Mark導(dǎo)入GPU顯存，形成標(biāo)記矩陣紋理，在體繪制渲染管線中，根據(jù)切割區(qū)域內(nèi)的采樣點(diǎn)不進(jìn)入光照合成的原則，對(duì)該紋理進(jìn)行采樣，判斷采樣點(diǎn)是否在切割區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而渲染出圖像，最終實(shí)現(xiàn)體繪制切割。

根據(jù)圖形渲染管線中頂點(diǎn)變換過(guò)程，將體素頂點(diǎn)坐標(biāo)從物體空間坐標(biāo)系統(tǒng)變換至窗口空間生成屏幕坐標(biāo)，再判斷該屏幕坐標(biāo)點(diǎn)是否落入用戶自定義的切割區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而對(duì)標(biāo)記矩陣賦值。該算法能夠?qū)崿F(xiàn)任意閉合區(qū)域切割。

算法步驟如下：

(1) 申請(qǐng)一個(gè)與渲染視口大小相同維數(shù)的內(nèi)存S，將其各元素賦予初值0；在屏幕上切割區(qū)域C中選取初始種子點(diǎn)，進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)可將切割區(qū)域內(nèi)部所對(duì)應(yīng)的內(nèi)存區(qū)S中元素設(shè)置為1；

(2) 取出數(shù)據(jù)場(chǎng)中的體素頂點(diǎn)(i,j,k)，其物體空間坐標(biāo)為(iobj,jobj,kobj)，判斷該點(diǎn)是否已標(biāo)記為切割點(diǎn)，如果未標(biāo)記則計(jì)算出對(duì)應(yīng)的剪切坐標(biāo)：(x,y,z,w)=Mproj×Mmv×(iobj,jobj,kobj,1)(Mproj,Mmv分別為為投影矩陣、模型視圖矩陣)；再經(jīng)過(guò)透視除法和視圖深度范圍變換獲得視口空間坐標(biāo)(winX,winY)(winW,winH表示視口寬、高)：

(2)

(3) 判斷(winX,winY)是否超出視口范圍以及是否在切割區(qū)域內(nèi)，即如果0≤winX

(4) 重復(fù)步驟(2)、(3)，直至遍歷整個(gè)三維數(shù)據(jù)場(chǎng)。更新標(biāo)記矩陣紋理，重新繪制即實(shí)現(xiàn)模型切割。

4脊柱配準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

針對(duì)畸形脊柱的特點(diǎn)，矯形操作中需對(duì)脊柱進(jìn)行楔形截骨，然后通過(guò)剛性配準(zhǔn)達(dá)到脊柱上下切口的融合，至此實(shí)現(xiàn)復(fù)位脊柱。剛性配準(zhǔn)的過(guò)程即為空間變換的過(guò)程[11]。根據(jù)剛體變換原理求取旋轉(zhuǎn)矩陣，若剛體繞過(guò)其中心點(diǎn)的某一旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)α角度，且該旋轉(zhuǎn)軸的單位方向向量為e=(x,y,z)，則可得右手坐標(biāo)系下的旋轉(zhuǎn)矩陣R(4×4)，如式(3)所示：

(3)

其中s=cosα，t=sinα。

系統(tǒng)采用角型平面切割實(shí)現(xiàn)楔形截骨，角型切割面由兩個(gè)平面構(gòu)成，分別取為平面OO′A與平面OO′B，其中線段OO′為這兩個(gè)平面的交線，兩平面所夾部分將被剖切掉。制定配準(zhǔn)規(guī)則：以角形平面的第一個(gè)面OO′A作為參考面，將與被切除部分同側(cè)的切割后保留模型作為配準(zhǔn)中的固定模型，用Smod表示，而另一側(cè)的保留模型作為矯形計(jì)劃中需要移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)的部分，用Mmod表示。則可確定模型配準(zhǔn)參數(shù)：旋轉(zhuǎn)軸為線OO′，旋轉(zhuǎn)角度為OO′A與OO′B兩平面的夾角。

模型配準(zhǔn)過(guò)程為：取O點(diǎn)坐標(biāo)為(xt,yt,zt)，首先將Mmod模型以平移向量T1=(-xt,-yt,-zt)進(jìn)行平移使O點(diǎn)移至世界坐標(biāo)系原點(diǎn)，然后對(duì)模型施加矩陣R表示的旋轉(zhuǎn)變換，最后以平移向量T2=(xt,yt,zt)對(duì)變換后的模型平移使得O點(diǎn)移回原處，至此完成脊柱矯形。變換后的模型頂點(diǎn)齊次坐標(biāo)為：Xnew=R(X-T)+T其中T=(xt,yt,zt,0)。

5脊柱矯形效果評(píng)估

醫(yī)學(xué)手術(shù)領(lǐng)域中，手術(shù)線路的確定與術(shù)后效果的評(píng)估往往借助與模型的空間測(cè)量。通過(guò)獲取脊柱在不同階段的畸形程度，醫(yī)生便可確定出手術(shù)中的截骨位置與截骨量，以及對(duì)術(shù)后脊柱矯形效果的評(píng)估。脊柱畸形的程度可通過(guò)如下兩種參數(shù)[12]進(jìn)行衡量。圖3則為這兩種參數(shù)的示意圖及其在實(shí)際病患CT切片的矢狀面MIP圖上測(cè)量效果。

(1) 側(cè)彎曲角度，其中最常采用的是Cobb角度測(cè)量方法。圖3(a)為Cobb角度測(cè)量示意圖，根據(jù)站立位脊柱全長(zhǎng)片確定出向脊柱側(cè)彎凹側(cè)傾斜度最大的上下兩椎體V1、V2，在V1的上緣和V2的下緣分別取一直線，并對(duì)此兩直線各做一垂線。兩垂直線的交角即為Cobb角，如圖3(a)中θ所示。θ在物理上等于椎體所取上下緣直線的夾角值。圖3(b)為實(shí)際病患測(cè)量效果圖。

(2) 水平偏移距離，將頸7椎體中心點(diǎn)與骶1椎體后上角的水平距離作為測(cè)量對(duì)象。如圖3(c)所示，取V1、V2分別為頸7椎體中心點(diǎn)與骶1椎體后上角某點(diǎn)，過(guò)此兩點(diǎn)各取一垂線，兩線之間的水平距離即為脊柱側(cè)彎恢復(fù)平衡所需糾正的程度，如圖3(c)中l(wèi)所示。圖3(d)為實(shí)際病患測(cè)量效果圖。

圖3　畸形程度測(cè)量示意圖

6臨床病例試驗(yàn)

采用廣州某三甲醫(yī)院提供的某脊柱后凸患者的CT掃描圖片作為體數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)原始分辨率為512×512×401。使用本文開(kāi)發(fā)的三維可視化系統(tǒng)進(jìn)行脊柱矯形手術(shù)模擬，以驗(yàn)證系統(tǒng)各模塊的有效性。系統(tǒng)工作平臺(tái)為搭載Windows 7系統(tǒng)的臺(tái)式計(jì)算機(jī)，CPU為Inter Xeon 5620 2.40 Ghz,內(nèi)存為8 GB，顯卡為Nvidia Quador FX 5800。

試驗(yàn)按照體繪制操作為面繪制操作提供指導(dǎo)的原則進(jìn)行，過(guò)程如下所示：

(1) 基于體繪制三維重建

本系統(tǒng)體繪制模塊界面如圖4所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了交互式傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)，通過(guò)傳遞函數(shù)的調(diào)節(jié)可實(shí)時(shí)改變對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的光學(xué)屬性，具有較高交互性能。采用本文所述的改進(jìn)光照模型以及一維傳遞函數(shù)對(duì)脊柱體數(shù)據(jù)進(jìn)行體繪制渲染，實(shí)現(xiàn)圖中所示效果，渲染速度為31幀/秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)體繪制重建可以清楚直觀地顯示出脊柱、肌肉等人體組織的結(jié)構(gòu)及組織間的空間關(guān)系，具有良好的繪制效果，滿足實(shí)時(shí)性要求。

圖4　RC算法重建效果

(2) 基于面繪制三維重建

系統(tǒng)切換至面繪制單元，采用本文所述的MC算法進(jìn)行三維重建。根據(jù)人體骨骼CT值近似范圍[200 Hu，1500 Hu]，閾值分割時(shí)對(duì)此上下限進(jìn)行微調(diào)，分割出骨骼區(qū)域并在此上進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)三維重建。由于涉及到海量三角面片，如本次重建三角面片數(shù)為6 390 864片，為滿足實(shí)時(shí)交互，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了精簡(jiǎn)面片與全面片兩種顯示模式，交互地在這兩種模式之間平滑切換。脊柱數(shù)據(jù)面繪制重建效果如圖5所示，渲染速度為60幀/秒，滿足實(shí)時(shí)性要求。從圖中可以看出：重建出的骨面光滑度高，很好地避免了碎骨等無(wú)關(guān)組織的出現(xiàn)。

圖5　MC算法重建效果(渲染窗口最大化顯示)

(3) 基于體繪制的切割

為了驗(yàn)證體繪制下切割有效性，進(jìn)行如下操作：將體數(shù)據(jù)調(diào)整至合適位置，交互地選定切割閉合區(qū)域進(jìn)行切割。切割效果如圖6所示，圖6(a)(b)分別為切割前后的體數(shù)據(jù)右側(cè)位渲染效果，進(jìn)行交互操作完成對(duì)模型的旋轉(zhuǎn)、縮放，獲得任意位置處的渲染效果，如圖6(c)所示。結(jié)果表明該方法切割效果理想，能清楚地顯示出切割部位毗鄰組織病理信息，可為面繪制下的交互操作提供準(zhǔn)確地指導(dǎo)。

圖6　體切割前后效果圖

(4) 基于面繪制的脊柱矯形手術(shù)模擬

a) 矯形手術(shù)模擬

手術(shù)模擬過(guò)程基于面繪制的脊柱三維重建實(shí)現(xiàn)。采用面繪制方法對(duì)脊柱重建完畢后，結(jié)合基于體繪制切割后的病變部位渲染信息，可進(jìn)行模擬手術(shù)。為方便對(duì)脊柱模型的觀察與操作，首先去除掉兩側(cè)肋骨，再將模型旋轉(zhuǎn)至易觀測(cè)角度，隨后選取合適位置對(duì)脊柱進(jìn)行楔形截骨，切割完畢后進(jìn)行配準(zhǔn)操作，至此完成脊柱矯形流程。圖7是脊柱矯形手術(shù)各階段效果圖，切割位置與角度參考Cobb角位置及值。其中，圖7(a)為站立位脊柱全長(zhǎng)片矢狀面上的Cobb角測(cè)量示意圖，Cobb值為19.12°。圖7(b)、(c)、(d)分別為肋骨切除、脊柱截骨及模型配準(zhǔn)后的效果圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的切割、配準(zhǔn)融合性能，能夠滿足脊柱矯形應(yīng)用要求。

圖7　矯形手術(shù)各階段效果圖

b) 矯形效果評(píng)估指標(biāo)測(cè)量

通過(guò)對(duì)矯形前后的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量獲得術(shù)前術(shù)后信息，可輔助醫(yī)生進(jìn)行術(shù)后效果的評(píng)估。如圖8所示，圖8(a)為矯形手術(shù)后的Cobb角測(cè)量示意圖，圖中箭頭指向的角即為Cobb角，角度值約為3.99°；圖8(b)、(c)分別為矯形前后的頸7椎體中心點(diǎn)與骶1椎體后上角的水平距離測(cè)量示意圖，測(cè)量結(jié)果分別為 84.92、9.51 mm；圖8(d)、(e)分別為矯形前后兩標(biāo)記點(diǎn)距離的測(cè)量，測(cè)量結(jié)果分別為77.98、63.50 mm。

圖8　矯形前后參數(shù)測(cè)量示意圖

7結(jié)語(yǔ)

本文介紹了計(jì)算機(jī)脊柱矯形系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能模塊實(shí)現(xiàn)，并以實(shí)際病例實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該可視化系統(tǒng)的效用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)滿足脊柱矯形計(jì)劃中的可視化及交互性能要求，可輔助醫(yī)師對(duì)脊柱病變進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)手術(shù)效果，提高醫(yī)療診斷的準(zhǔn)確性與成功率。針對(duì)脊柱配準(zhǔn)環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)后續(xù)設(shè)計(jì)中，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)方式的多樣性，如自由選擇配準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)模型配準(zhǔn)融合。本系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)中采用功能模塊化設(shè)計(jì)思想，可針對(duì)其他手術(shù)要求進(jìn)行功能方面的擴(kuò)展，因此系統(tǒng)也具有較好的可擴(kuò)展性與工程參考意義。

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DESIGN OF COMPUTER-AIDED ORTHOPEDIC SPINE SYSTEM BASED ON VOLUME VISUALISATION

Liu Jianping1Tian Lianfang1Li Bin1*Chen Keng2Ding Huanwen3

1(SchoolofAutomationScienceandEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,Guangdong,China)2(Sun-Yat-SenMemorialHospital,Sun-Yat-SenUniversity,Guangzhou510120,Guangdong,China)3(GuangzhouGeneralHospitalofGuangzhouMilitaryCommand,Guangzhou510010,Guangdong,China)

AbstractWe designed a system of computer-aided orthopedic spine in order to implement accurate preoperative simulation for the planned spinal deformity surgery. The system achieves the cutting of three-dimensional spine model in combination with surface rendering and volume rendering techniques, achieves the spinal model registration fusion after wedge-shape cutting by using rigid registration method, and carries out the assessment on surgery effect by the parameter measurements information before and after registration. System simulation results showed that, for the spine model, the simulation of cutting, registration and measurement could more intuitively and accurately reflect the orthopedic effect, thus could provide a more scientific basis for surgical planning, while the system also had better scalability and engineering reference value.

KeywordsOrthopedic SpineVolume visualisationCuttingRigid registrationModel measurement

中圖分類號(hào)TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.01.045

收稿日期：2014-06-03。國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61273249)；廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(S2013010012015，8451064101000631)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012A030400024)；廣東省產(chǎn)學(xué)研科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(20 09B090300057)；粵港關(guān)鍵領(lǐng)域重點(diǎn)突破項(xiàng)目(佛山2010Z11)。劉建平，碩士，主研領(lǐng)域：醫(yī)學(xué)圖像處理。田聯(lián)房，教授。李彬，副教授。陳鏗，博士。丁煥文，博士。