圖像處理技術計算機信息論文

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1人工假體置換領域的現狀和問題

人工假體置換術作為有效的治療方法得到了廣泛的應用。目前，國內所用的人工股骨頭假體只能從固定規格的系列產品中選取，它與股骨腔吻合的效果較差，直接影響人工關節的長期穩定性、活動度及人工關節生物力學性能等。另外，傳統的制造工藝加工零件原型，所需時間長并且費用昂貴，已經不能滿足市場競爭的要求。而在國外，通過將CT掃描數據輸入計算機進行三維實體成型，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，自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為實體零件，從而縮短產品開發周期，降低產品開發成本和生產成本。

2三維實體重建

計算機信息處理技術的發展，特別是人工智能、模式識別、計算機模擬、知識庫和數據庫等技術的發展，使人們能將物理、化學理論與大批雜亂的試驗資料結合起來，用歸納和演繹相結合的方法為新材料的研制做出決策，為材料設計和實施提供了行之有效的技術手段。現代計算機技術和圖像處理技術，特別是快速原型制造技術與CT掃描、MR（I磁共振成像）等技術結合，都已成功地在醫學上得到應用。而通過利用計算機技術，建立相應的數學模型，可以在一定的控制條件下進行仿真研究。

2.1數據的采集

首先要對病人預置換股骨頭處進行CT斷層掃描，分別進行俯視圖掃描、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。然后將清晰的目標圖像按照與實物1∶1的比例進行截圖后掃描至計算機，并將圖像轉換成512×512Bit的數字圖像，像素灰度為0～255，利用圖像處理技術進行消除噪聲、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）依次導入為背景，再利用多線段、剪切、圓等繪圖工具對目標進行輪廓標記與識別。醫學圖像的輪廓識別比較復雜，主要是由于掃描進來的關節圖像的粘連性較大，甚至會出現錯誤識別、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而產生的虛偽輪廓，根據比較兩個封閉曲面內像素點的多少來進行清除，保留大輪廓，舍掉小輪廓，對于不能自動判斷的粘連、不連續等失真現象，使用手工控制方法。刪除底片保留輪廓線，利用軟件將其進行貝塞爾曲線修整，結合CT掃描的尺寸數據按比例調整為建模尺寸。目前，關于三維重建的方法是：通過掃描儀將CT實體照片以高分辨率模式掃描為電子照片格式，然后利用PS對其進行二值化處理，使用Freeman進行鏈碼提取并跟蹤輪廓，再將每個斷層外輪廓數據導入AutoCAD中，組成一個三維體數據，再進行曲面重建，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實體設計中的掃描、投影、放樣和布爾運算功能可以更加快捷地實現建模。首先，將提取并修整后的輪廓放入實體設計環境中，編輯兩個方向的輪廓截面，以輪廓中心點為基準，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行放樣操作。此時，計算機會自動計算處理成型，由原先的3個面，得到1個完成的實體結構。最后，將兩個方向上形成的實體利用三維球同心，進行布爾加法運算，得到組合實體，將組合體的多余部分利用“分割實體表面”功能完成股骨頭的三維建模。

3快速原型制造

快速成型技術應用于人工關節和人造骨制造過程中，不僅可以提高成品的設計質量，還可以縮短產品的設計周期。目前，假體移植手術需求量大，為保證手術的盡快實施和手術的成功率，就必須采用快速成型技術。隨著電子儀器和計算機技術的發展，快速成型機應運而生，快速成型技術是醫學領域與工程領域相結合的敏捷制造系統，主要有：光固化立體模型（SL）、選擇性激光燒結（SLS）、層片疊加成型（LOM）和熔融沉積造型（FDM）。

3.1RPM成型機

傳統的制造成型過程是利用鑄造制造出毛坯，然后對毛坯進行磨光或拋光，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算機的控制下，將材料精確地堆積成型，無需加工即可制造。將設計出的三維實體轉換為快速成型機所能接受的STL格式，輸入機器，該機的基本原理是將實體模型切片成一系列具有一定厚度的薄層，計算機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體。

3.23D打印成型

3D打印技術是根據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，再根據計算機要求向新的粉料床噴射黏結劑，重復此過程，完成后去除未噴射黏結劑的粉料，立刻得到成型的實體。如果噴射的黏結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；增加噴頭數目，則可以得到在不同的區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、金屬陶瓷復合材料及高分子材料的假體中。

3.3快速成型制造技術在骨修復外科中的應用

隨著材料科學和醫學的發展，生物陶瓷在醫學上尤其是矯形外科和骨修復外科中的應用也越來越廣泛。但由于病人個體差異和實際情況的不同，使得骨修復體必須根據病人的實際情況來定制，而且在臨床上為減少病人的痛苦又要盡量縮短定制時間。快速成型技術正好具有這兩個優點，特別適合單件或小批量生產并且能夠實現快速制造。快速成型技術可精確地復制出人工關節，從而使設計出的人工關節可以在由原型翻制成的模型上進行驗證，確定其受力分布、結合面設計是否合理。目前，有關研究人員已經開始研究如何將CT掃描的數據直接傳到快速成型機上，這樣將減少中間環節較為復雜的三維重建過程，并減少因數據轉換造成的誤差，使快速成型產品直接應用于臨床。

4結語

近年來，假體移植手術不斷增多，不同病人骨骼又都不相同，導致固定規格假體的吻合度已不能完全滿足要求，而使用計算機信息處理技術，不僅能夠利用病人的CT掃描數據提高吻合度，還可以通過快速成型技術實現縮短診療時間的目的，為手術的安全性、實時性提供強有力的技術保障。

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