骨關(guān)節(jié)炎是最常見(jiàn)的風(fēng)濕性疾病,它以極高的致殘率以及給患者帶來(lái)的沉重精神負(fù)擔(dān)和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)等緣由日益受到人們的重視。本文以髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)為研究對(duì)象,先通過(guò)MR圖像測(cè)量關(guān)節(jié)軟骨厚度,然后通過(guò)測(cè)定不同時(shí)間關(guān)節(jié)軟骨微小部位的厚度變化來(lái)達(dá)到監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)炎病情變化、提高骨關(guān)節(jié)炎的診斷和治療水平的目的。此外本文研究成果也可用于評(píng)估骨關(guān)節(jié)炎新藥物的治療效果。通過(guò)測(cè)量服藥前后軟骨厚度的變化,判斷軟骨恢復(fù)情況,從而評(píng)估新藥物的療效。首先研究了髖關(guān)節(jié)的軟骨厚度測(cè)量模型。模擬人體髖關(guān)節(jié)的骨股軟骨和髖臼軟骨,建立了兩個(gè)鄰近薄面體的三維數(shù)學(xué)模型、MR成像模型、關(guān)節(jié)軟骨厚度測(cè)量過(guò)程的數(shù)學(xué)仿真模型;然后通過(guò)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)和實(shí)際MR圖像(丙烯酸模板(acrylic plate phantom)的MR圖像和人體髖關(guān)節(jié)MR圖像)驗(yàn)證了理論模擬的有效性。同時(shí),通過(guò)該模型分析了髖臼軟骨和股骨軟骨對(duì)彼此厚度測(cè)量精度互相影響的原因以及產(chǎn)生的髖關(guān)節(jié)軟骨厚度測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,由于鄰近薄面體的影響,薄面體的厚度測(cè)量值小于真實(shí)值。然后為排除鄰近薄面體的影響以及校正軟骨厚度測(cè)量誤差,給出了一種厚度測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)了精確測(cè)量髖關(guān)節(jié)軟骨厚度。該方法先是在x-y像平面(即在MR圖像的2-D切片)上采用一種基于上述MR成像模型的方法完成軟骨厚度的測(cè)量。然后在3-D空間里校正測(cè)得的軟骨厚度,從而得到真正的3-D軟骨厚度。最后用正常人體髖關(guān)節(jié)標(biāo)本、患者髖關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的有效性。再次在測(cè)定軟骨厚度變化時(shí),需要知道從不同時(shí)間MR圖像提取的兩個(gè)軟骨內(nèi)表面(軟骨-股骨交界面)各點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為此本文將求解兩個(gè)點(diǎn)集中各點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系問(wèn)題轉(zhuǎn)化為任務(wù)分配問(wèn)題。為提高點(diǎn)對(duì)應(yīng)算法的精度,先采用一種代數(shù)方法將點(diǎn)集先大致對(duì)齊,再使用Munkres分配算法來(lái)求解點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后針對(duì)所給點(diǎn)對(duì)應(yīng)算法精度不高的問(wèn)題,本文將測(cè)定軟骨厚度變化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)3-D點(diǎn)集剛性配準(zhǔn)問(wèn)題,提出一種基于全局優(yōu)化的配準(zhǔn)算法。在假定點(diǎn)對(duì)應(yīng)已知的條件下,將原本需要在旋轉(zhuǎn)參數(shù)和平移參數(shù)構(gòu)成的六維空間里搜索最優(yōu)解的問(wèn)題分為兩步求解:先在三維旋轉(zhuǎn)空間進(jìn)行搜索找到最優(yōu)旋轉(zhuǎn)參數(shù),然后通過(guò)一個(gè)變換求得最優(yōu)平移參數(shù)。在搜索的過(guò)程中,使用Munkres分配算法解決點(diǎn)的對(duì)應(yīng)問(wèn)題,采用一種全局優(yōu)化算法MCS搜索最優(yōu)的旋轉(zhuǎn)參數(shù)。該算法在理論上可以保證求得3-D點(diǎn)集配準(zhǔn)問(wèn)題的全局最優(yōu)解,解決了3-D配準(zhǔn)傳統(tǒng)方法的局部收斂問(wèn)題。最后采用合成的MR圖像數(shù)據(jù)和實(shí)際的MR圖像數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的有效性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：R684.3;R445.2;TP391.41
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第1章 緒論
    1.1 課題背景及研究的意義
    1.2 關(guān)節(jié)軟骨厚度研究現(xiàn)狀
        1.2.1 醫(yī)學(xué)圖像分割的研究現(xiàn)狀
        1.2.2 醫(yī)學(xué)圖像配準(zhǔn)的研究現(xiàn)狀
        1.2.3 髖關(guān)節(jié)軟骨厚度研究現(xiàn)狀
        1.2.4 膝關(guān)節(jié)軟骨厚度研究現(xiàn)狀
        1.2.5 研究現(xiàn)狀分析
    1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第2章 基于兩鄰近薄面體模型的關(guān)節(jié)軟骨厚度測(cè)量模擬
    2.1 引言
    2.2 髖關(guān)節(jié)軟骨厚度測(cè)量的理論模擬
        2.2.1 兩個(gè)鄰近薄面體模型的建立
        2.2.2 MR成像模型的建立
        2.2.3 基于零交叉法的厚度測(cè)量模擬
    2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        2.3.1 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)
        2.3.2 丙烯酸模板實(shí)驗(yàn)
        2.3.3 正常人體髖關(guān)節(jié)標(biāo)本實(shí)驗(yàn)
        2.3.4 患者髖關(guān)節(jié)實(shí)驗(yàn)
    2.4 本章小結(jié)
第3章 基于模型和三維空間厚度校正的關(guān)節(jié)軟骨厚度測(cè)量方法
    3.1 引言
    3.2 基于 2-D MR成像模型的軟骨厚度測(cè)量
    3.3 軟骨厚度的 3-D空間校正
    3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        3.4.1 兩種邊界檢測(cè)方法的精度分析
        3.4.2 兩種方法的 3-D軟骨厚度比較
    3.5 本章小結(jié)
第4章 基于點(diǎn)對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)軟骨厚度變化計(jì)測(cè)方法
    4.1 引言
    4.2 點(diǎn)對(duì)應(yīng)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述
    4.3 基于主軸變換的點(diǎn)對(duì)應(yīng)算法
    4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        4.4.1 MR圖像數(shù)據(jù)獲取
        4.4.2 關(guān)節(jié)軟骨的分割
        4.4.3 算法性能的評(píng)估
    4.5 本章小結(jié)
第5章 基于全局優(yōu)化的配準(zhǔn)用于軟骨微小部位厚度變化計(jì)測(cè)
    5.1 引言
    5.2 點(diǎn)集配準(zhǔn)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述
    5.3 基于全局優(yōu)化的點(diǎn)集配準(zhǔn)方法
        5.3.1 空間幾何變換參數(shù)的選擇
        5.3.2 目標(biāo)函數(shù)的建立
        5.3.3 求解最優(yōu)解
        5.3.4 算法的收斂性
    5.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
        5.4.1 利用合成MR圖像數(shù)據(jù)的驗(yàn)證
        5.4.2 利用實(shí)際MR圖像數(shù)據(jù)的驗(yàn)證
    5.5 膝關(guān)節(jié)軟骨厚度及其變化的可視化
    5.6 進(jìn)一步討論和說(shuō)明
    5.7 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

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