圖像處理技術(shù)計(jì)算機(jī)信息論文

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1人工假體置換領(lǐng)域的現(xiàn)狀和問題

人工假體置換術(shù)作為有效的治療方法得到了廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)所用的人工股骨頭假體只能從固定規(guī)格的系列產(chǎn)品中選取，它與股骨腔吻合的效果較差，直接影響人工關(guān)節(jié)的長期穩(wěn)定性、活動度及人工關(guān)節(jié)生物力學(xué)性能等。另外，傳統(tǒng)的制造工藝加工零件原型，所需時間長并且費(fèi)用昂貴，已經(jīng)不能滿足市場競爭的要求。而在國外，通過將CT掃描數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行三維實(shí)體成型，可制造出與病人骨骼完全一致的模型，用于診斷、治療及模擬手術(shù)過程等用途，具備較高的吻合度；同時，通過利用快速成型技術(shù)，自動、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)體零件，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和生產(chǎn)成本。

2三維實(shí)體重建

計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的發(fā)展，特別是人工智能、模式識別、計(jì)算機(jī)模擬、知識庫和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)的發(fā)展，使人們能將物理、化學(xué)理論與大批雜亂的試驗(yàn)資料結(jié)合起來，用歸納和演繹相結(jié)合的方法為新材料的研制做出決策，為材料設(shè)計(jì)和實(shí)施提供了行之有效的技術(shù)手段?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)，特別是快速原型制造技術(shù)與CT掃描、MR（I磁共振成像）等技術(shù)結(jié)合，都已成功地在醫(yī)學(xué)上得到應(yīng)用。而通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，可以在一定的控制條件下進(jìn)行仿真研究。

2.1數(shù)據(jù)的采集

首先要對病人預(yù)置換股骨頭處進(jìn)行CT斷層掃描，分別進(jìn)行俯視圖掃描、主視圖掃描，目的是為了得到清晰的股骨頭球面輪廓，如圖1所示。然后將清晰的目標(biāo)圖像按照與實(shí)物1∶1的比例進(jìn)行截圖后掃描至計(jì)算機(jī)，并將圖像轉(zhuǎn)換成512×512Bit的數(shù)字圖像，像素灰度為0～255，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行消除噪聲、灰度校正等處理。

2.2圖像邊界輪廓提取與修整

通過AutoCAD中的光柵圖像參考功能，將處理后的圖片（1∶1）依次導(dǎo)入為背景，再利用多線段、剪切、圓等繪圖工具對目標(biāo)進(jìn)行輪廓標(biāo)記與識別。醫(yī)學(xué)圖像的輪廓識別比較復(fù)雜，主要是由于掃描進(jìn)來的關(guān)節(jié)圖像的粘連性較大，甚至?xí)霈F(xiàn)錯誤識別、假輪廓。為此，在輪廓跟蹤處理完之后，必須對輪廓進(jìn)行修正，使不符合要求的虛假輪廓得以清除，可采用自動修正或手工修正。對于沒有平滑掉的雜點(diǎn)而產(chǎn)生的虛偽輪廓，根據(jù)比較兩個封閉曲面內(nèi)像素點(diǎn)的多少來進(jìn)行清除，保留大輪廓，舍掉小輪廓，對于不能自動判斷的粘連、不連續(xù)等失真現(xiàn)象，使用手工控制方法。刪除底片保留輪廓線，利用軟件將其進(jìn)行貝塞爾曲線修整，結(jié)合CT掃描的尺寸數(shù)據(jù)按比例調(diào)整為建模尺寸。目前，關(guān)于三維重建的方法是：通過掃描儀將CT實(shí)體照片以高分辨率模式掃描為電子照片格式，然后利用PS對其進(jìn)行二值化處理，使用Freeman進(jìn)行鏈碼提取并跟蹤輪廓，再將每個斷層外輪廓數(shù)據(jù)導(dǎo)入AutoCAD中，組成一個三維體數(shù)據(jù)，再進(jìn)行曲面重建，最終利用蒙皮法得到三維形體。這種方法可以制造出與病人骨形完全一致的假體，關(guān)鍵是要精確地提取股骨頭球面輪廓尺寸和形狀，這樣才能使股骨頭與股骨腔吻合程度較高。

2.3矢量化處理

采用軟件CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)中的掃描、投影、放樣和布爾運(yùn)算功能可以更加快捷地實(shí)現(xiàn)建模。首先，將提取并修整后的輪廓放入實(shí)體設(shè)計(jì)環(huán)境中，編輯兩個方向的輪廓截面，以輪廓中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，按照2∶3∶5的比例縮小輪廓，得到同心3個相同的輪廓截面；然后，按照主視圖和俯視圖輪廓顯示的高度，激活三維球，將輪廓依次放置在底部、中間和頂部，并從上至下依次投影，以頂部底面為起始面、底部上面為終止面進(jìn)行放樣操作。此時，計(jì)算機(jī)會自動計(jì)算處理成型，由原先的3個面，得到1個完成的實(shí)體結(jié)構(gòu)。最后，將兩個方向上形成的實(shí)體利用三維球同心，進(jìn)行布爾加法運(yùn)算，得到組合實(shí)體，將組合體的多余部分利用“分割實(shí)體表面”功能完成股骨頭的三維建模。

3快速原型制造

快速成型技術(shù)應(yīng)用于人工關(guān)節(jié)和人造骨制造過程中，不僅可以提高成品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，還可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。目前，假體移植手術(shù)需求量大，為保證手術(shù)的盡快實(shí)施和手術(shù)的成功率，就必須采用快速成型技術(shù)。隨著電子儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，快速成型機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，快速成型技術(shù)是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域與工程領(lǐng)域相結(jié)合的敏捷制造系統(tǒng)，主要有：光固化立體模型（SL）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、層片疊加成型（LOM）和熔融沉積造型（FDM）。

3.1RPM成型機(jī)

傳統(tǒng)的制造成型過程是利用鑄造制造出毛坯，然后對毛坯進(jìn)行磨光或拋光，形狀和精度是通過從毛坯上去掉多余的材料來保證的，吻合度不高，而快速成型的基本理念則是在計(jì)算機(jī)的控制下，將材料精確地堆積成型，無需加工即可制造。將設(shè)計(jì)出的三維實(shí)體轉(zhuǎn)換為快速成型機(jī)所能接受的STL格式，輸入機(jī)器，該機(jī)的基本原理是將實(shí)體模型切片成一系列具有一定厚度的薄層，計(jì)算機(jī)控制其激光束按薄片截面輪廓形狀將薄層材料切割出該層橫截面的形狀，然后層層堆積并得到實(shí)體。

3.23D打印成型

3D打印技術(shù)是根據(jù)CAXA分層模型所獲得的兩維像素信息，利用噴嘴向待成型體床上噴射黏結(jié)劑，每打印完一層后，粉料床通過底部活塞向下移動一段距離，并在粉料床的底部添加新的粉料，再根據(jù)計(jì)算機(jī)要求向新的粉料床噴射黏結(jié)劑，重復(fù)此過程，完成后去除未噴射黏結(jié)劑的粉料，立刻得到成型的實(shí)體。如果噴射的黏結(jié)劑中含有其他具有某種功能的成分，則可以控制零件中局部成分的變化；增加噴頭數(shù)目，則可以得到在不同的區(qū)域具有不同功能和成分的整體零件。3D打印可以用于成型陶瓷、金屬、金屬陶瓷復(fù)合材料及高分子材料的假體中。

3.3快速成型制造技術(shù)在骨修復(fù)外科中的應(yīng)用

隨著材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)的發(fā)展，生物陶瓷在醫(yī)學(xué)上尤其是矯形外科和骨修復(fù)外科中的應(yīng)用也越來越廣泛。但由于病人個體差異和實(shí)際情況的不同，使得骨修復(fù)體必須根據(jù)病人的實(shí)際情況來定制，而且在臨床上為減少病人的痛苦又要盡量縮短定制時間?？焖俪尚图夹g(shù)正好具有這兩個優(yōu)點(diǎn)，特別適合單件或小批量生產(chǎn)并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速制造。快速成型技術(shù)可精確地復(fù)制出人工關(guān)節(jié)，從而使設(shè)計(jì)出的人工關(guān)節(jié)可以在由原型翻制成的模型上進(jìn)行驗(yàn)證，確定其受力分布、結(jié)合面設(shè)計(jì)是否合理。目前，有關(guān)研究人員已經(jīng)開始研究如何將CT掃描的數(shù)據(jù)直接傳到快速成型機(jī)上，這樣將減少中間環(huán)節(jié)較為復(fù)雜的三維重建過程，并減少因數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換造成的誤差，使快速成型產(chǎn)品直接應(yīng)用于臨床。

4結(jié)語

近年來，假體移植手術(shù)不斷增多，不同病人骨骼又都不相同，導(dǎo)致固定規(guī)格假體的吻合度已不能完全滿足要求，而使用計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)，不僅能夠利用病人的CT掃描數(shù)據(jù)提高吻合度，還可以通過快速成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)縮短診療時間的目的，為手術(shù)的安全性、實(shí)時性提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

作者：徐銳光 楊書程 喬森 郭鈺堅(jiān) 單位：山西省醫(yī)療器械檢測中心 太原市婦幼保健院