骨關(guān)節(jié)炎是最常見的風(fēng)濕性疾病,它以極高的致殘率以及給患者帶來的沉重精神負(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)為研究對象,先通過MR圖像測量關(guān)節(jié)軟骨厚度,然后通過測定不同時間關(guān)節(jié)軟骨微小部位的厚度變化來達(dá)到監(jiān)測關(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估骨關(guān)節(jié)炎新藥物的治療效果。通過測量服藥前后軟骨厚度的變化,判斷軟骨恢復(fù)情況,從而評估新藥物的療效。首先研究了髖關(guān)節(jié)的軟骨厚度測量模型。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)軟骨厚度測量過程的數(shù)學(xué)仿真模型;然后通過數(shù)值模擬實驗和實際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)驗證了理論模擬的有效性。同時,通過該模型分析了髖臼軟骨和股骨軟骨對彼此厚度測量精度互相影響的原因以及產(chǎn)生的髖關(guān)節(jié)軟骨厚度測量誤差。實驗結(jié)果表明,由于鄰近薄面體的影響,薄面體的厚度測量值小于真實值。然后為排除鄰近薄面體的影響以及校正軟骨厚度測量誤差,給出了一種厚度測量方法,實現(xiàn)了精確測量髖關(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量。然后在3-D空間里校正測得的軟骨厚度,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)等實驗驗證了方法的有效性。再次在測定軟骨厚度變化時,需要知道從不同時間MR圖像提取的兩個軟骨內(nèi)表面(軟骨-股骨交界面)各點之間的對應(yīng)關(guān)系。為此本文將求解兩個點集中各點的對應(yīng)關(guān)系問題轉(zhuǎn)化為任務(wù)分配問題。為提高點對應(yīng)算法的精度,先采用一種代數(shù)方法將點集先大致對齊,再使用Munkres分配算法來求解點之間的對應(yīng)關(guān)系。最后針對所給點對應(yīng)算法精度不高的問題,本文將測定軟骨厚度變化問題轉(zhuǎn)化為一個3-D點集剛性配準(zhǔn)問題,提出一種基于全局優(yōu)化的配準(zhǔn)算法。在假定點對應(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),然后通過一個變換求得最優(yōu)平移參數(shù)。在搜索的過程中,使用Munkres分配算法解決點的對應(yīng)問題,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點集配準(zhǔn)問題的全局最優(yōu)解,解決了3-D配準(zhǔn)傳統(tǒng)方法的局部收斂問題。最后采用合成的MR圖像數(shù)據(jù)和實際的MR圖像數(shù)據(jù)驗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 本文的主要研究內(nèi)容
第2章 基于兩鄰近薄面體模型的關(guān)節(jié)軟骨厚度測量模擬
    2.1 引言
    2.2 髖關(guān)節(jié)軟骨厚度測量的理論模擬
        2.2.1 兩個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量模擬
    2.3 實驗結(jié)果與分析
        2.3.1 數(shù)值模擬實驗
        2.3.2 丙烯酸模板實驗
        2.3.3 正常人體髖關(guān)節(jié)標(biāo)本實驗
        2.3.4 患者髖關(guān)節(jié)實驗
    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)軟骨厚度測量方法
    3.1 引言
    3.2 基于 2-D MR成像模型的軟骨厚度測量
    3.3 軟骨厚度的 3-D空間校正
    3.4 實驗結(jié)果與分析
        3.4.1 兩種邊界檢測方法的精度分析
        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 基于點對應(yīng)的關(guān)節(jié)軟骨厚度變化計測方法
    4.1 引言
    4.2 點對應(yīng)問題的數(shù)學(xué)描述
    4.3 基于主軸變換的點對應(yīng)算法
    4.4 實驗結(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測
    5.1 引言
    5.2 點集配準(zhǔn)問題的數(shù)學(xué)描述
    5.3 基于全局優(yōu)化的點集配準(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 實驗結(jié)果與分析
        5.4.1 利用合成MR圖像數(shù)據(jù)的驗證
        5.4.2 利用實際MR圖像數(shù)據(jù)的驗證
    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
個人簡歷

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本文編號：2884987