【摘要】：近年來(lái),腰椎疾病在我國(guó)人口中發(fā)病率越來(lái)越高,而且有向低齡化發(fā)展的趨勢(shì)。由于腰椎本身結(jié)構(gòu)固有的復(fù)雜性,腰椎手術(shù)具有難度大、危險(xiǎn)性高等特點(diǎn),盡管計(jì)算機(jī)醫(yī)學(xué)圖像處理水平在不斷進(jìn)步,腰椎疾病的診斷手段和腰椎外科手術(shù)的技術(shù)也不斷提高,但是現(xiàn)有的手術(shù)仿真模擬和手術(shù)導(dǎo)航水平仍然沒(méi)有達(dá)到臨床診療的要求,為了解決該問(wèn)題,需要將高精度的三維可視化建模技術(shù)引入到脊椎腰骶段的分析研究中,通過(guò)生物力學(xué)建模與幾何形態(tài)模型相結(jié)合,對(duì)模型進(jìn)行準(zhǔn)確定位并仿真模擬實(shí)際的手術(shù)過(guò)程,幫助進(jìn)行手術(shù)預(yù)演及相關(guān)病變的識(shí)別,從而使疾病的診療過(guò)程計(jì)量化,并降低手術(shù)過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn)。本論文圍繞構(gòu)建人體脊椎三維力學(xué)模型,結(jié)合計(jì)算機(jī)三維可視化及數(shù)字圖像處理技術(shù),開(kāi)展了一系列基于人體脊椎腰骶段CT數(shù)據(jù)的三維模型特征識(shí)別及其力學(xué)特性分析研究,并重點(diǎn)從計(jì)算力學(xué)角度出發(fā),對(duì)人體脊椎組織的力學(xué)特性進(jìn)行仿真模擬,從而驗(yàn)證醫(yī)學(xué)三維圖像模型的可靠性,進(jìn)而發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值。本文研究主要包括對(duì)脊椎CT圖像的去噪優(yōu)化、脊椎三維模型特征點(diǎn)的精確識(shí)別、構(gòu)建基于特征點(diǎn)識(shí)別的脊椎三維幾何形態(tài)統(tǒng)計(jì)模型樣本庫(kù)以及構(gòu)建脊椎腰骶段一體化力學(xué)模型及生物力學(xué)特性分析等,并在以下幾個(gè)方面取得了一些研究成果和貢獻(xiàn):1)針對(duì)醫(yī)學(xué)脊椎圖像細(xì)節(jié)輪廓保留不足的問(wèn)題,本文提出了一種基于多尺度雙邊濾波的去噪擴(kuò)散方法。方法首先采用雙邊濾波在多尺度條件下提取醫(yī)學(xué)脊椎圖像的輪廓線;其次以圖像的離散特點(diǎn)為基礎(chǔ),進(jìn)行離散迭代方程的構(gòu)建;并設(shè)計(jì)有效的迭代停止準(zhǔn)則,使去噪平滑后的椎體圖像與噪聲相關(guān)性最小時(shí)停止迭代,最終建立脊椎圖像去噪模型。通過(guò)對(duì)比經(jīng)典的PM方法、Catte等人的方法,可以發(fā)現(xiàn)本文所提出的去噪方法不僅可以達(dá)到良好的去噪效果,也能使醫(yī)學(xué)脊椎圖像的邊緣細(xì)節(jié)特征得以較好地保持,從而為后續(xù)的三維腰椎模型特征點(diǎn)識(shí)別研究提供質(zhì)量更為可靠的CT圖像數(shù)據(jù)。2)針對(duì)人體椎骨現(xiàn)有特征點(diǎn)識(shí)別精度不高的問(wèn)題,本文提出了一種基于法曲率極大值和向量?jī)?nèi)積的人體脊椎特征點(diǎn)識(shí)別方法,該方法可以動(dòng)態(tài)調(diào)整拾取點(diǎn)曲率,從而最大限度的保證特征點(diǎn)拾取的精確性。方法首先以手動(dòng)拾取點(diǎn)為圓心,通過(guò)指定極小半徑r,對(duì)包含在r范圍中的全部模型點(diǎn)的法曲率極大值進(jìn)行計(jì)算,然后對(duì)這些法曲率極大值進(jìn)行降序排序,篩選出法曲率極大值較大的n(n=5)個(gè)候選點(diǎn);候選點(diǎn)依次與手動(dòng)選取點(diǎn)之間做向量?jī)?nèi)積,從而得到向量之間的幾何夾角值。由于向量?jī)?nèi)積之間幾何夾角角度越小,代表兩個(gè)點(diǎn)之間歐幾里德距離越靠近,故以?shī)A角最小的候選頂點(diǎn)來(lái)替換手動(dòng)拾取的點(diǎn),從而可以準(zhǔn)確反映該點(diǎn)的局部特征變化情況,通過(guò)對(duì)改進(jìn)前后方法在特征點(diǎn)標(biāo)注準(zhǔn)確性的比較,可以得出改進(jìn)后的特征點(diǎn)標(biāo)注方法比改進(jìn)前準(zhǔn)確率提高了約35%。3)針對(duì)缺少高精度的脊椎腰骶段一體化模型以及相應(yīng)的高準(zhǔn)確度力學(xué)特性分析比較等問(wèn)題,提出建立脊椎腰骶段的一體化生物力學(xué)模型。首先利用幾何形態(tài)椎體統(tǒng)計(jì)模型樣本庫(kù)中的椎體三維模型,在該模型的基礎(chǔ)上,模擬添加黃韌帶、前縱韌帶、后縱韌帶、纖維環(huán)、核髓等主要脊椎附著軟組織,從而精確構(gòu)建出脊椎腰骶段有限元力學(xué)求解模型;然后在力學(xué)求解模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模型各組件相應(yīng)材料屬性的參數(shù)化設(shè)置;并分別對(duì)青年、病變以及老年人等一體化腰椎力學(xué)求解模型進(jìn)行不同工況條件下的模擬計(jì)算以及有限元力學(xué)特性分析,得出各個(gè)模型不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),即青年腰椎、椎間盤(pán)突出病變腰椎和膨大病變腰椎以及老年人腰椎在施加相同載荷條件下模擬前屈、后伸、左側(cè)彎、右側(cè)彎運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的形變、位移和應(yīng)力大小云圖。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較,分析總結(jié)其生物力學(xué)特性,并進(jìn)一步得出不同椎體模型所能承受的最大運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和不同個(gè)體的脊椎差異性,從而為腰椎的臨床病變識(shí)別研究提供精確地力學(xué)模型參考,這對(duì)研究脊椎的基礎(chǔ)病變和合理治療具有重要的指導(dǎo)意義。
【圖文】：

射：從最終渲染的圖像上的某一個(gè)像素為起點(diǎn)射出一條光線將穿過(guò)的體數(shù)據(jù)場(chǎng)視作包裹在一個(gè)立方體中，以此來(lái)確定光相交的方式。對(duì)光線穿過(guò)體數(shù)據(jù)場(chǎng)的部分進(jìn)行等距采樣。采樣值來(lái)自于對(duì)素進(jìn)行三次線性插值后的結(jié)果。對(duì)每一個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算梯度，以此來(lái)確定數(shù)據(jù)場(chǎng)內(nèi)部的表面方和場(chǎng)景中的光源來(lái)確定采樣點(diǎn)的顏色和光照。在所有的采樣點(diǎn)完成著色后，沿光線對(duì)其進(jìn)行累加，最終得顏色值。累加過(guò)程按由遠(yuǎn)及近的順序參照渲染方程完成。以上過(guò)程，直到最終渲染的目標(biāo)圖像上所有的像素得到填充結(jié)果進(jìn)行顯示。法的優(yōu)點(diǎn)在于渲染精度較高，并且能夠清楚地表現(xiàn)物體的內(nèi)算量和內(nèi)存開(kāi)銷(xiāo)都很大，渲染過(guò)程需要等待較長(zhǎng)的時(shí)間，不定要求的場(chǎng)合。如圖 1-1 是使用光線投射法進(jìn)行渲染的三維骨

第一章 緒論有著專(zhuān)門(mén)的高性能三維圖形加速硬件的存在，面繪制的效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于體繪制。面繪制的核心在于如何利用體數(shù)據(jù)場(chǎng)中的體素拼接出物體表面。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法有四種：輪廓線法、Cuberille 法、移動(dòng)立方體(Marching Cubes,MC)[40]法、剖分立方體法。其中，MC 算法因?yàn)樵砗?jiǎn)單易懂且操作便捷靈活，應(yīng)用最為廣泛。MC算法操作的基本步驟和思想是根據(jù)某種規(guī)則在每一個(gè)體素的周?chē)梢恍K多邊形，然后將小的多邊形拼接成物體的整個(gè)表面。其中多邊形的生成規(guī)則是MC 算法的核心。多邊形的生成基于體素。若將體素視作立方體的頂點(diǎn)，整個(gè)體數(shù)據(jù)場(chǎng)被劃分為無(wú)數(shù)小立方體。根據(jù)立方體的頂點(diǎn)上是否存在目標(biāo)體素可將每個(gè)頂點(diǎn)分為兩種狀態(tài)，，一個(gè)立方體擁有 8 個(gè)頂點(diǎn)，于是共有82 256種組合狀態(tài)。若直接使用 256 種組合狀態(tài)進(jìn)行判斷會(huì)太過(guò)繁瑣，考慮到對(duì)稱(chēng)性，可以將 256 種組合狀態(tài)簡(jiǎn)化到 15種基本狀態(tài)，多變形的生成則相應(yīng)的有 15 種情況。這 15 種情況下多邊形生成的規(guī)則如圖 1-2 所示。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：R681.5;TP391.41

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 梁濤;劉浩;;腰骶段脊柱內(nèi)固定技術(shù)的研究進(jìn)展[J];生物骨科材料與臨床研究;2008年01期

2 何明方;梁興澤;龔洪福;淳之群;賈元光;;腰骶段椎管腫瘤的診治[J];中國(guó)神經(jīng)腫瘤雜志;2003年04期

3 干自強(qiáng),孟小梅,鄭穗生,奚美芳;腰骶段椎間盤(pán)膨出與突出的CT診斷[J];安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào);1988年04期

4 余定庸,黃光富,唐文國(guó),漆建;腰骶段椎管Conray造影的術(shù)前準(zhǔn)備與術(shù)后護(hù)理[J];護(hù)士進(jìn)修雜志;1989年12期

5 王冰;呂國(guó)華;;腰骶段脊柱畸形矯正術(shù)后冠狀面失平衡原因及預(yù)防[J];中國(guó)脊柱脊髓雜志;2018年12期

6 姚建強(qiáng);李晶;馮俊祥;馬捷;劉鵬;李晉;宋文慧;;腰骶段結(jié)核治療進(jìn)展[J];中華臨床醫(yī)師雜志(電子版);2015年09期

7 曹桂華;黃慶玖;;腰骶段選擇性脊神經(jīng)后根切斷術(shù)治療痙攣性腦癱18例圍手術(shù)期護(hù)理方法與效果[J];中國(guó)民康醫(yī)學(xué);2012年14期

8 張士杰,劉培林,王曉輝,李永革,張勇,夏建敏;腰及下肢手術(shù)發(fā)生腰骶段脊髓前動(dòng)脈綜合征的探討[J];邯鄲醫(yī)學(xué)高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào);2003年06期

9 韓華;韓佳栩;項(xiàng)燕;計(jì)勝峰;張峰昌;馬延兵;楊寅;;腰骶段脊柱前方大血管的解剖學(xué)研究[J];局解手術(shù)學(xué)雜志;2019年02期

10 勾景平,杜建平,姜學(xué)智,張代國(guó),張君,代放;腰骶段后縱韌帶的解剖學(xué)與骨化[J];醫(yī)教研究;1994年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 徐華梓;池永龍;林焱;黃其杉;毛方敏;王向陽(yáng);倪文飛;;嚴(yán)重腰骶段結(jié)核的手術(shù)治療[A];全國(guó)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)骨傷科專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十二次學(xué)術(shù)年會(huì)浙江省中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)骨傷科專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第十次學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編[C];2004年

2 曠磊;;腰骶段三維有限元建模及生物力學(xué)特性分析[A];第八屆全國(guó)脊柱脊髓損傷學(xué)術(shù)會(huì)議論文匯編[C];2007年

3 于炎冰;張黎;;腰骶段脊柱脊髓術(shù)后繼發(fā)脊髓栓系綜合癥的顯微外科手術(shù)治療[A];中國(guó)醫(yī)師協(xié)會(huì)神經(jīng)外科醫(yī)師分會(huì)第四屆全國(guó)代表大會(huì)論文匯編[C];2009年

4 王強(qiáng);王增春;王嶸;;幼年腦癱患者腰骶段選擇性后根神經(jīng)切斷術(shù)的麻醉處理[A];中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)會(huì)第四屆會(huì)員代表大會(huì)暨第三屆中國(guó)康復(fù)醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)大會(huì)論文匯編[C];2001年

5 張忠民;金大地;陳建庭;江建明;瞿東濱;;腰骶段-骨盆參數(shù)在重度腰椎滑脫序列重建中的作用[A];第八屆全國(guó)脊柱脊髓損傷學(xué)術(shù)會(huì)議論文匯編[C];2007年

6 孔云蕓;;腰骶段脊神經(jīng)后根選擇性部分切斷術(shù)的護(hù)理[A];第三屆全國(guó)兒童康復(fù)學(xué)術(shù)會(huì)第十屆全國(guó)小兒腦癱學(xué)術(shù)研討會(huì)論文匯編[C];2008年

7 蔣潔;;醫(yī)學(xué)運(yùn)動(dòng)療法對(duì)腰骶段不完全性脊髓損傷的康復(fù)療效分析[A];2015年浙江省骨科學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)論文匯編——脊柱專(zhuān)題[C];2015年

8 賀西京;張廷;李浩鵬;;一期前路腹膜后腰骶段結(jié)核外科治療中髂血管深面釘棒系統(tǒng)的應(yīng)用[A];第25屆全國(guó)脊柱脊髓學(xué)術(shù)會(huì)議暨2013年貴州省骨科年會(huì)論文匯編[C];2013年

9 李元;董偉杰;蘭汀隆;范俊;秦世炳;;106例腰骶段結(jié)核患者經(jīng)后路手術(shù)治療的效果評(píng)價(jià)[A];第五屆骨關(guān)節(jié)結(jié)核臨床診斷與治療進(jìn)展及其規(guī)范化專(zhuān)題研討會(huì)資料匯編[C];2017年

10 王麓山;王文軍;劉利樂(lè);王程;姚女兆;;前路病灶清除、植骨和騎跨鈦板固定治療腰骶段脊柱結(jié)核[A];中國(guó)中西醫(yī)結(jié)合學(xué)會(huì)脊柱醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)第五屆學(xué)術(shù)年會(huì)暨第二屆專(zhuān)業(yè)委員會(huì)換屆選舉會(huì)議論文集[C];2012年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前1條

1 記者　項(xiàng)錚;北京怪病青年獲救[N];科技日?qǐng)?bào);2006年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 惠宇;人體脊椎腰骶段三維模型特征識(shí)別及其力學(xué)特性分析研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2018年

2 李曄;先天性脊柱側(cè)凸冠狀面腰骶段柔韌性三維有限元分析和相關(guān)臨床研究[D];北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院;2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 吳建科;后前路手術(shù)中通過(guò)前路“移動(dòng)窗口”顯露治療腰骶段脊柱結(jié)核的療效觀察[D];寧夏醫(yī)科大學(xué);2019年

2 唐海軍;經(jīng)腹直肌內(nèi)緣腹膜外與側(cè)前方入路聯(lián)合后路治療腰骶段結(jié)核的對(duì)比分析[D];廣西醫(yī)科大學(xué);2019年

3 王江濤;經(jīng)骶2骶髂關(guān)節(jié)螺釘骨盆固定技術(shù)在腰骶段結(jié)核的臨床應(yīng)用及對(duì)比研究分析[D];南昌大學(xué);2018年

4 王成;前路多向自鎖鈦板治療腰骶段結(jié)核的影像解剖及臨床應(yīng)用研究[D];第三軍醫(yī)大學(xué);2017年

5 蘇斌杰;腰骶段脊髓損傷后膀胱功能障礙及相關(guān)尿控機(jī)制的分析與探討[D];第四軍醫(yī)大學(xué);2015年

6 周龍澤;腰骶段前路解剖型釘板內(nèi)固定系統(tǒng)的研制及應(yīng)用解剖學(xué)測(cè)量[D];南華大學(xué);2015年

7 姚建強(qiáng);一期前后路聯(lián)合與單純前路手術(shù)治療腰骶段結(jié)核臨床療效對(duì)比[D];山西醫(yī)科大學(xué);2015年

8 周晨明;老年大鼠脊髓腰骶段ANB表達(dá)及相關(guān)特性[D];河北醫(yī)科大學(xué);2012年

9 李洪波;一期后路內(nèi)固定、前路病灶清除植骨融合術(shù)治療腰骶段脊柱結(jié)核[D];中南大學(xué);2009年

10 鄺磊;脊柱腰骶段的三維有限元建模及生物力學(xué)分析[D];中南大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2670361