定制型人工股骨柄建模

2015-11-21 05:58:41李媛麗師建文

機械制造 2015年2期

□ 沈浩 □ 李媛麗 □ 李泓 □ 師建文

蘭州理工大學機電工程學院蘭州 730050

定制型人工股骨柄建模

□ 沈浩 □ 李媛麗 □ 李泓 □ 師建文

蘭州理工大學機電工程學院蘭州 730050

為解決傳統股骨頭置換術中標準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圖像數據，利用eFilm、Auto CAD和SolidWorks軟件進行股骨柄三維模型重建，包括圖像預處理、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。經實例驗證，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節股骨柄，還可以推廣至其他關節或組織，為人工關節假體的定制提供有效手段。

人工股骨柄圖像預處理輪廓提取三維模型建立

我國人工髖關節主要是從國外進口的標準件，由于國內病患的關節形狀和尺寸與國外存在個體差異，導致標準件形狀與我國患者的骨髓腔不匹配，造成應力分布的不均勻，為術后的并發癥埋下隱患，甚至會導致置換手術的失敗。此時，最理想的方法是根據病人的實際情況進行定制，即按患者病骨的幾何解剖狀態，專門設計制作假體。

筆者以患者股骨的X光片和CT片為數據來源，研究與患者股骨髓腔相配的定制型股骨柄，包括股骨數據的提取與處理方法，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 人工髖關節概述

髖關節不但是人體最重要的關節之一，而且是人體最大的負重關節，但是，由于老齡化、疾病、運動后造成的創傷等因素，髖關節產生病變，嚴重影響了患者的正常生活，而人工關節置換是治療髖關節晚期疾病的重要手段。應用人工關節置換手術來重建關節功能已經有100多年的歷史，據統計資料表明，目前全球每年人工髖關節的置換數量估計已達到800 000個［1］。我國人工髖關節部件主要從國外進口，由于標準件形狀與我國大部分患者的骨骼不匹配，常導致手術后患者的劇烈疼痛，而且，使用過程中易松動，壽命較短［2］，而國內人工關節廠商受資金的限制，有限規格的關節柄顯然很難與數十萬、上百萬病人的股骨髓腔相匹配［3］。因此，根據病患股骨的實際情況，進行定制型人工股骨柄制作，供臨床手術植入（參見圖1）。由于人工關節材料成本很高，為保證在實際加工中一次成型，減少患者經濟負擔的同時提高加工效率，因此，在工程技術領域需要解決的關鍵技術是：①患者病骨數據的準確測量；②人工置換骨模型的建立及假體制造。

▲圖1 定制型髖關節示意圖

2 數據篩選與處理

在采集數據過程中，采用X正側位光片與CT片結合的方法。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構，利用X線的波長與被照射物質密度的差別，可以將密度不同的骨骼與肌肉、脂肪等軟組織區分開來。CT（Computed Tomography，電子計算機X射線斷層掃描技術）以它的高分辨率、高靈敏度、多層次等優越性，發揮了有別于傳統X線檢查的巨大作用，由于CT采集到的圖像是整個髖關節的斷層掃描圖像，而本文所研究的為股骨柄，為了提高對數據的處理速度，要將無用的數據剔除出去，保留股骨作為研究對象。對研究區域的提取，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分析建模的數據量，提高了工作效率。

由于X射線是投影成像，會將三維空間結構重疊到二維圖像上，造成影像重疊，而且二維影像又會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（包括正面與側面的投影成像）相結合的重建方法。

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關鍵步驟，因此將在醫院獲取的X光和CT數據為*.DICOM格式文件，使用eFilm軟件轉換為*.jpg格式，如圖2、圖3所示。

▲圖2 髖關節CT圖

▲圖3 髖關節X射線圖

2.1 圖像預處理

在醫學影像設備中，各電子器件的隨機擾動必定會產生干擾噪聲，為了保證圖像質量，需要對骨骼圖像進行去噪處理，略去或削弱無用的信息來達到突出骨骼邊緣特征。在去噪處理中，采用中值濾波來實現，其基本原理是把數字圖像或數字序列中的一個點，用該點的一個領域中各點的中值代替。用n點像素y（i，j）（-1≤i≤1，-1≤j≤1）的取樣平均（i， j）來代替點的像素值，從而將原噪聲n（i，j）的均方差變為新噪聲的均方差，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。可以看出，圖像的處理可以對圖像有更好的保護和增強效果。

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行分割。

2.2.1 灰度閾值法

灰度閾值法［5］實質上是對圖像進行二值化，它以一定的準則，在灰度圖像中選定一個灰度值作為標準值，然后將圖像矩陣中每個像素的灰度值與標準閾值比較，在標準閾值上設定為一個固定數值，而在標準閾值下設定為零，即設灰度圖像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

實際的圖像目標和背景之間不一定單純地分布在兩個灰度范圍內，因此采用兩個及以上的閾值來提取，可選擇（S1，S2）作為閾值區間，采用：

2.2.2 邊緣追蹤法

邊緣追蹤法［5］是以圖像中不同區域的分界勾畫出目標物體的輪廓，以識別目標，圖像中那些存在急劇變化的點，也就是圖像結構的邊緣，是圖像信息的重要部分。基本思想是先檢測圖像中三維邊緣點，再按照某種策略將這些點連接起來，形成輪廓。

由于圖像的邊界輪廓是一個灰度變化帶，故采用梯度向量的幅值和方向作為特征值，連續圖像f（x，y），方向導數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

國內外很多高校、醫院等研究機構使用的醫學圖像處理軟件基本相同，采用的方法也類似，國內大部分研究者都采用一系列的醫院圖像處理軟件來實現二維輪廓的提取［6］。但是由于醫學軟件專業性強，操作比較復雜，需要專業的醫學知識，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學圖像處理軟件與非醫學圖像處理軟件相結合，對*.DICOM格式圖像進行處理，生成*.jpg格式，最大限度保證原始數據圖像的真實性。之后，采用Auto CAD計算機繪圖軟件對已優化處理的股骨二維輪廓進行提取，再對所提取的二維輪廓圖像進行樣條插值運算，優化二維輪廓圖像，提高二維圖像的精度。

髖關節股骨圖像經過處理后，去除周圍的肌肉神經組織，可得到髖關節的輪廓區域，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行提取，提取方法如圖6所示。

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