骨骼数据提取及造型研究

第３５卷第５期　河北工业大学学报　２００６年ｌＯ月　、，０１．３５　Ｎｏ．５　Ｊ０ＵＲＮＡＬ　０Ｆ　ＨＥＢＥＩ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　０Ｆ　ＴＥＣＨＮ０Ｌ０ＧＹ　Ｏｃｔｏｂｏｒ　２００６　文章编号：１００７—２３７３（２００６）０５—００７７—０６　骨骼数据提取及造型研究　王　玮，李世杰，高立霞，李慎旺　（河北工业大学机械学院，天津３００１３０）　摘要该研究的目的主要是为辅助外科股骨置换手术而做．以兔股骨为例结合医学ＣＴ图像处理、三维重建以及　加工制造等多方面知识分析重建骨骼三维模型，并初步探索用机加工方法制造，提高临床可靠性．但是，以钛合　金为材料，机床加工得到的股骨对儿童不适用．　关键词股骨；医学；ＣＴ图像；ＣＡＤ／ＣＡＭ；三维重建　中图分类号ＴＨ１２２　文献标识码Ａ　Ｂｏｎｅ　Ｄａｔａ　Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉ，ＬＩ　Ｓｈｉ－ｊｉｅ，ＧＡＯ　Ｌｉ－ｘｉａ，ＬＩ　Ｓｈｅｎ—ｗａｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｐｕｒｐｏｓｅ　ｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｔｈｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｔｏ　ａｉｄ　ａｌｌ　ｏｒｔｈｏｐｅｄｉｃ　ｓｕｒｇｅｏｎ　ｉｎ　ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ　ｆｅｍｏｒａｌ　ｈｅａｄ　ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｓｕｒｇｅｒｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｍｅｄｉｃａｌ　ｉｍａｇｅ　ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｔ　ｉｓ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ａ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈｔａｔ　ｎａａｌｙｚｅｓ　ＣＴ　ｉｍａｇｅｓ　ｓｌｉｃｅｓ　ｎａｄ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ　３Ｄ　ｉｍａｇｅｓ　ｏｆｒａｂｂｉｔ　ｂｏｎｅｓ　ｆｏｒ　ｐｒｅｏｐｅｒａｔｉｖｅ　ｓｕｒｇｅｒｙ　ｐｌａｎ－　ｎｉｎｇ，　ａｎｄ　ｈｔｅｎ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｔｈｅ　ｂｏｎｅ　ｕｓｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｔｏｏｌｓ　ｔｏ　ａｄｖａｎｃｅ　ｈｔｅ　ｄｅｐｅｎｄａｂｉｌｉｔｙ．　Ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｔｈｉｇｈｂｏｎｅ　ｍａｄｅ　ｕｐ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｔｉｔａｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙｓ，ｍａｄｅ　ｂｙ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｉｓ　ｎｏｔ　ａｐｐｌｉｃａｂｌｅ　ｔｏ　ｃｈｉｌｄｒｅｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｆｅｍｏｒａｌ　ｈｅａｄ；ＣＴ　ｉｍａｇｅｓ；ＣＡＤ／ＣＡＭ；ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　０　引言　假体置换手术是一项大手术，如果医生在手术之前就可以看到要植入的病人骨模型，并实行模拟手　术，对于医生来说是非常必要的，可以得到“量身定做”的骨模型，以便周全地确定手术方案和设计假　体．为了使临床使用的人工股骨具有更好的相容性和强度…，除了用高分辨率ＣＴ图像详细描述股骨的　三维空间信息，制造时用现代化的机床加工也使精密度相当高，这两者结合能够仿制接近自然骨的人工　股骨．机床加工所使用的金属材料肯定能够满足应力要求而且加上现代加工方法，可靠性大大提高．在　以上条件环境之下，提出了基于ＣＴ仿制人工股骨设计与制造系统，是一种结合了ＣＴ、图像处理、ＣＡＤ　／ＣＡＭ等多项技术的系统．　基于ＣＴ仿制人工股骨　…Ｈ　设计与制造系统的核心内　容是：ＣＴ获取断层图像后　分离出轮廓并矢量化，拟　提取部位关节　＿軎＿．Ｊ三维数据Ｉ鍪塑竺兰ｌ实体模型　【　ｉ些　Ｉ三维实体　合成曲线，再构建曲面，最　终得到对象的实体模型，最　评价结果　ｌ・　ｌ植入体内ｌ・　Ｉ　制造骨关节　ｌ＿　ｌ确定加工方法及工艺　后确定加工方法．基于ＣＴ　仿制人工股骨制造系统的　图１工作流程　工作流程图如图１所示．　Ｆｉｇ．１　Ｗｏｒｋｐｒｏｃｅｓｓ　收稿日期：２００５．０７．１２　作者简介：王玮（１９８１．），女（汉族），硕士生　维普资讯 http://www.cqvip.com

７８　河北工业大学学报　第３５卷　首先，用高分辨ＣＴ获取股骨的真实三维空间结构信息旺　，然后用股骨的三维结构信息建立模型来　制造人工股骨．　１提取自然骨信息　Ｘ．ＣＴ在工业和医疗上都是一种重要的、先进　的成像工具，能够获取外形和尺寸信息ｂ　，如图　１．相对于传统的测量工具，如三坐标测量机等，　ＣＴ能够获取物体高分辨切片图像和高精度尺寸信　息，特别在复杂曲线的边界和内部结构上，适合　描述具有复杂外形和内部结构的自然骨和人工骨．　而且，ＣＴ测量时不会接触物体，是无损的．　１．１图像的定位　图像的定位是一个比较关键的问题，它关系到　图像边缘轮廓提取的精确程度，并最终影响ＣＴ图　像表面三维重建的准确性．图像定位主要包括两　方面的问题．　图２　ＣＴ断层图像　Ｆｉｇ．２　ＣＴ　ｓｌｉｃｅ　ｉｍａｇｅ　１）在获取一系列ＣＴ图像时，要保证前后坐标的一致性；２）由于ＣＴ图像较大，不利于计算机存储　和运算处理，而我们只对目标区域感兴趣Ｈ　，因此，需要将目标区域从背景区域裁剪出来，与此同时，也　可以在二值化过程中减少背景区域对目标区域的干扰．　２　ＣＴ图像的预处理　从可视化的观点来看，图像预处理是在被用来可视化之前，对图像内容进行处理以提高后续可视化　处理的效率，并改善可视化处理结果图像的效果［５１．ＣＴ数据可能带有噪声点或可能要求图像分割，这　样通过图像的预处理可以使ＣＴ图像在准确性上有所提高，以适用于后续的３Ｄ重构．　２．１图像滤波　在ＣＴ图像的获取过程中，由于设备本身的性能以及使用者操作水平的影响，使图像多少会含有噪　声点和失真，影响了组织的分割和提取．图像滤波处理就是用来抑制噪声，增强图像特征，提高信噪　比．图像的滤波的效果是有限的．因此对滤波处理的要求主要有以下两条．　１）最大限度的保持信号不受损失，不能损害图像的轮廓以及边缘等重要信息；２）尽可能的多滤除　噪声，使图像清晰．　２．２边界提取　我们对轮廓线提取的目的是为了方便进行三维重建，所以图像分割完毕后还应该提取区域的边缘．　经过图像分割后，原来的图像已经根据所给的特征分成了几个封闭连通的区域，每一个区域代表一个对　象，用同一灰度值来表示，但仍然没有得到区域的边界，为此必须进行轮廓的提取操作［６１．我们拟先进　行轮廓跟踪提取不同区域的轮廓边缘，得到组成轮廓边缘的象素点，然后选择一些象素点来反求得到Ｂ　样条控制点，由这些控制点来表示轮廓，这样可以大大减少数据量，也为后续的交互修改提供方便．　２．２．１轮廓跟踪　经过分割处理后，不同的图像用不同的颜色表示，它们之间的边缘轮廓是明显的．轮廓跟踪即是根　据这些分割后的图像得到区域的边缘数据的过程．区域的轮廓都是封闭的，形成一个通路，跟踪的过程　即是从找到的第一个边缘开始，从它的周围点中找出边缘点，一直找下去，直到回到起点结束，这样即　完成轮廓的跟踪提取．　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　王玮，等：骨骼数据提取及造型研究　７９　２．２．２轮廓矢量化　轮廓跟踪后得到的是轮廓上连续的象素点．根据轮廓的大小，每个轮廓所包含的象素点个数是不同　的，而且数量也大，在进行几何变换的时候容易失真，为了解决这些问题，必须对离散的轮廓进行矢量　化　．　轮廓矢量化就是用某种曲线来拟合轮廓，这些曲线用代数式表示，可以用较少的信息来表示整条轮　廓，并且在进行几何变换时能够保持几何不变性．关节轮廓是典型的不规则曲线，难以用常见的代数曲　线表示，需要用自由曲线来拟合．当前多用各种样条曲线来表示自由曲线嘲，样条曲线由控制点决定，　通过轮廓跟踪后，得到的是轮廓线上的型值点，所致首先必须通过型值点反求控制点．轮廓跟踪后得到　的是整个轮廓上所有的型值点，必须从这些型值点中选取部分作为型值点来反求控制点．　２．３图像处理系统的开发　用ｖｉｓｕａｌ　ｃ＋＋编了一个提取ＣＴ图像边缘的简单程序，可以打开３２位ｂｍｐ股骨切片图，并提取边缘　获取边缘数据点．如下图所示．　图３程序示例　Ｆｉｇ．３　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｅｘａｍｐｌｅ　维普资讯 http://www.cqvip.com

８０　河北工业大学学报　第３５卷　３三维模型重建　三维模型的重建就是在以上基础上根据各层边界轮廓几何曲线，采用合适的造型方法，重构出实物　的三维ＣＡＤ模型．以Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ提供的反求功能来完成三维模型的重建为例．　３．１产生数据文件　Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ反求要求以ｉｔ）１格式输入各断层截面轮廓上的点的坐标．对各层轮廓点坐标的要求为：　以ｃＴ扫描的方向为ｚ轴方向，扫描间隔即为提取的备图片轮廓的间距；在坐标系下，选取的各点　、Ｙ　坐标值对应一致．以保证后续工作中将曲线拟合成曲面时不会发生扭曲现象．　下面为３条断层截面轮廓线的前４个轮廓点在　、　Ｏｐｅｎ　ａｒｃｌｅｎｇｔｈ　ｚ　３个方向上的坐标值的ｉｂ１格式表示．　Ｂｅｇｉｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ　１　１　Ｂｅｇｉｎ　Ｃｕｒｖｅ　１　１　１　１４１　２　１４８　３　１５５　４　１６２　．．．．．．．．．．．．２３１　２２４　２２２　２２３　０．０　０．０　０．０　０．０　Ｂｅｇｉｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ　１　２　２２９　２２４　２２２　２２４　２．５　２．５　２．５　２．５　１　１４６　２　１５２　３　１５８　４　１６５　…………Ｂｅｇｉｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ　１　３　２３１　２２４　２２６　２２８　５．０　５．０　５．０　５．０…………　１　１５４　２　１５９　３　１６４　４　１７０　３．２重建实物模型　启动Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ软件之后，进行三维模型重建的关键步骤及主要命令如下：　１）建立新零件，命令：Ｆｉｌｅ／Ｎｅｗ；　２）创建基准面，命令：Ｄａｔｕｍ／Ｏｆｆｓｅｔ　ｐｌａｎｅｓ；　３）读入点数据，以创建曲线，命令：Ｄａｔｕｍ／Ｃｕｒｖｅ—Ｆｒｏｍ　Ｆｉｌｅ／Ｄｏｎｅ；　４）创建曲面，命令：Ｆｅａｔｕｒｅ．Ｃｒｅａｔｅ—Ｓｕｒｆａｃｅ—Ｎｅｗ—Ａｄｖａｎｃｅｄ／Ｄｏｎｅ—　Ｂｏｕｎｄａｒｉｅｓ／Ｄｏｎｅ—Ｂｌｅｎｄｅｄ　Ｓｕｒｆ／Ｄｏｎｅ　５）创建实体，命令：Ｃｒｅａｔｅ—Ｓｏｌｉｄ－Ｐｒｏｔｒｕｓｉｏｎ－Ｕｓｅ　Ｑｕｉｌｔ／Ｓｏｌｉｄ／Ｄｏｎｅ；　保存后退出，命令：Ｆｉｌｅ／Ｓａｖｅ；　维普资讯 http://www.cqvip.com

第５期　王玮，等：骨骼数据提取及造型研究　４确定加工方法　对于像股骨复杂型面的加工现行方法通　常为快速成形“　，这种方法于８Ｏ年代末得　到迅速发展，它是基于材料添加的方式，自　动完成从ＣＡＤ模型到实物模型的转换，快　速的制造出模型的物理原形．但是根据临　床实际，这样所得的股骨强度稍差，故而　植入人体的可靠性不够，由于仿制假体需　要更加可靠的材质，所以提出用传统的加　工方法和现代化的设备．　预采用钛合金为材料制造股骨头．利用　ＣＡＤ软件参数化的特征设计…　，统一的数　据库，和较强的组织管理／生成加工过程及　刀具轨迹的功能，生成刀具路径轨迹，模　拟加工过程，生成满足数控机床的ＮＣ代　码．具体应用如图５所示．　这个过程可分为数控加工轨迹的生成、　刀位数据的生成及加工仿真和后置处理及　数控代码的生成５部分“　．　造型：即ＣＡＤ建模，它是数控加工的　基础．　图５应用过程　制造模型：实体造型基础上，经过工艺　Ｆｉｇ．５　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｐｒｏｃｅｓｓ　处理产生制造模型．　工艺设置：包括定义加工需要的机床、刀具等工艺信息库和加工工艺参数．　动态模拟：在实际加工前，要在计算机屏幕上生成加工零件的仿真模拟，来代替实际试切过程，这　样可以检查刀具轨迹执行情况，发现零件是否过切和干涉，以检查刀位文件的合理性和有效性，一边修　改，避免浪费．　后置处理：后置处理的输入信息是刀具中心走刀路线的实体数据，输出信息是信息数控机床配置的　数控系统使用的数控代码加工程序．后置处理的任务有机床运动变换、非线性运动误差校验、数控加工　程序生成等．经过计算机仿真加工确认ＮＣ程序正确无误后，由ＮＣ程序传输服务器将ＣＡＤ／ＣＡＭ系统　生成的修正后ＮＣ程序下载到数控机床．它可通过机床的接口将ＮＣ程序自动输入到加工中心控制系统，　这样按程序加工出合格的股骨尺寸．　５结语　本文提出面向实体的三维重建方法和加工策略．通过ＣＴ获取断层图像，分离出轮廓并矢量化，拟　合成曲线，再构建曲面，最终得到对象的实体模型．所生成的实体具有可编辑性，并且有较好的显示效　果，还可导入数控机床进行实体制造．　本研究只是对ＣＡＤ／ＣＡＭ个体化假体研究的初步探索，还应增加标本数量，验证此方法的准确性和　软件运行的可靠性，并进一步完善；而且加工制造还处于试验阶段，还将做进一步的研究，为ＣＡＤ／　ＣＡＭ个体化假体的应用提供临床和理论依据．　维普资讯 http://www.cqvip.com

８２　河北工业大学学报　第３５卷　参考文献　［１］　倪卫东，安洪．重组合人工骨的研究进展［Ｊ］．中国修复重建外科杂志，１９９７，１　１（３）：１４２．１４５　【２】　付丽琴，陈树越．基于计算机层析照相的逆向技术［Ｊ］．无损检测，２００３，２５（７）：３３２．３３４．　［３］　Ｓｃｈｉｅｍａｎｎ　Ｔ，Ｆｒｅｕｄｅｎｂｅｒｇ　Ｊ，Ｐｒｅｓｓｅｒ　Ｂ，ｅｔ　ａ１．Ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｉｓｉｂｌｅ　Ｍｅｄｉｃａｌ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ａｎｄ　Ｇｒａｐｈｉｃｓ［Ａ］．Ｓｃｈｉｅｍａｎｎ　２０００［Ｃ］．２０００，２４　ｌ２７．１３２．　［４］ＤｕｊａｒａｉｎＦ，ＣｏｂｌｅｎｔｚＧ，ｅｔａ１．Ｕｓｅｏｆｘ－ｒａｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃｄａｔａｆｏｒｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔｏｆａ　ｃｕｓｔｏｍ－ｍａｄｅｈｉｐｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓ［Ｊ］．Ｅｘｐｌｏｒａｔｏｒｙａｐｐｒｏａｃｈ　Ｉｎ：Ｊ　Ｒａｄｉｏｓ　Ｍａｒ，ｌ９９０，７ｌ（３）：１９１．１９８．　［５］沈海戈，柯有安．医学体数据三维可视化方法的分类与评价［Ｊ］．中国图像图形学报，２０００，５（７）：５４５．５５０．　［６］吴峻松，凌玲，王成焘．定做式人工髋关节设计与加工中股骨轮廓提取方法［Ｊ］．机械设计与研究，１９９８（４）：５３．５４．　［７］王震字，戴克戎．股骨距与股骨上段有效髓腔的几何形态学研究［Ｊ］．中华骨科杂志，１９９４，１４（７）：４３６．　［８］朱心雄．自由曲线曲面造型技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２０００．　【９】ＧａｏＢ，ＱｏｎｇＨ，Ｂａｉ　ＪＪ，ｅｔａ１．Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｍａｎｄｉｂｕｌａｒｒｅｐｌｉｃａｓｗｉｔｈｒａｐｄｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｂｙｌａｍｉｎａｔｅｄｏｂｊｅｃｔｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ－ｐａｎｌ：ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆｈｕｍａｎ　ｍａｎｄｉｂｕｌａｒ［Ｊ］．Ｓｈｉｙｏｎｇ　Ｋｏｕｑｉａｎｇ　Ｚａｚｈｉ（Ｊ　Ｐｒａｃｔ　Ｓｔｏｍａｔｏ１），２０００，１６（２）：１３７．１３９．　［１０］傅仕伟．快速成型技术及其在骨骼三维重构中的应用…．上海交通大学学报，１９９８，３２（５）：１ｌｌ－１１４．　［１　１］任庆华．ＣＡＤ曲面造型技术［Ｊ］．光学机械，１９９２，２（４）：４７．５４．　［１２］ＤｕｊａｒｄｉｎＦＨ，ＭｃｌｌａｒｄＲ，Ｔｏｕｐｉｎ　ＪＭ，ｅｔａ１．Ｍｉｃｒｏｍａｔｉｏｎ，ｆｉｔａｎｄ删ｏｆｃｕｓｔｏｍｍａｄｅｆｅｍｏｒａｌ　ｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈａｎ　ａｕｔｏｍａｔｅｄｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｃｌｉｎ　Ｏｒｈｏｐ，１９９６，３２５：２７６．２８９．