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计算机硕士毕业论文:基于MR图像的关节软骨厚度变化定量计测方法研究

添加时间:2017-12-01 19:50:25   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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第1章 绪论

 
1.1课题背景及研究的意义
伦琴1895年发现的X射线,不仅为开发医学影像技术铺平了道路,而且对医学诊断也产生了重大影响。随着计算机技术和医学影像技术的飞速发展,MR(磁共振)、CT(电子计算机断层扫描)、US(超声)等医学成像设备的使用不仅使临床诊断的效率提高了,更为重要的是,随着医学图像处理与分析技术的不断进步,从影像中“挖掘”出大量的有用信息越来越多,使医学诊断的正确性和准确性也大为提高。骨关节炎(Osteoarthritis,OA)又称骨关节病(osteoarthrosis)或退化性关节病(degenerative joint disease)[1],是最常见的风湿性疾病,60岁以上的人群中患病率可达50%,75岁以上的人群中则达50%[2]。与较其他疾病相比,骨关节炎更易影响老年患者的行为能力,导致功能受损或致残,业已成为致残率最高的疾病,该病的致残率可高达53%[2]。这不仅影响患者的生活质量,而且还给患者带来沉重的经济负担。随着人口的老龄化,骨关节炎的发病率及其不良影响将会不断增加,进而成为主要的健康问题之一。因此,骨关节炎日益受到人们的重视。2000年1月世界卫生组织(World Health Organization,WHO)在全球范围内启动一项旨在引起各国政府、医疗研究机构、民众以及社会各界对骨骼疾病重视的“骨与关节十年”活动,其中就包括骨关节炎。骨关节炎易发于活动多、负重大的关节,如脊柱(颈椎和腰椎)、髋、膝、踝、手等关节(见图1-1)。2011年6月世界卫生组织在纽约联合国总部和日内瓦世卫总部分别发布的《世界残疾报告》中公布了第二个骨关节10年(2010~2020)的目标和重点问题,其中再次提及了骨关节炎[3]。医学临床上,医生往往通过患者出现的疼痛、关节响声和关节产生畸形等症状,或是依赖影像学资料对患者进行关节炎病情诊断或病情评估,主要包括X射线、MR成像、关节造影、关节镜、超声检查等[4]。其中MR成像可以很好的显示软组织、软骨下骨、韧带以及半月板的变化和某些局部性的关节软骨病变;无创伤性,可重复性好,因而在骨关节炎的影像学检查或诊断中得到了广泛应用。如果能够从MR图像里获取关节软骨厚度分布,则可以准确地判断关节软骨的损伤程度,为骨关节炎的诊断及其治疗提供重要的信息。
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1.2关节软骨厚度研究现状
由于人体关节很多,从而对应的骨关节病(炎)也有很多种,图1-1只是列出了其中常见的七种。而且每种骨关节炎的诊断方式也有多种,如临床诊断、影像学诊断、实验室诊断等,导致关于骨关节炎的文献很多,但本文仅以髋关节及膝关节为研究对象,通过MR图像监测关节软骨厚度及其变化,达到监测关节炎病情发展的目的。因此下面描述的研究现状主要是针对基于MR图像的髋关节和膝关节的软骨厚度研究。近些年来,在国际上对基于MR图像监测骨关节炎病情变化或药物治疗后软骨恢复情况的研究比较活跃,体现了这一研究对骨关节炎的诊断及治疗意义重大。(1)一些研究者对患有原发性骨关节炎的病人膝关节软骨形态变化进行定期跟踪调查[7–10]。文献[7]对257位早期关节炎患者进行15及30个月定期跟踪,总结了骨关节炎发展和软骨厚度变薄的关系。文献[8]对12位早期关节炎患者进行持续追踪,定期进行MR图像检查,时间分别为3、6和12个月。文献[9]对9位中期骨关节炎患者完成了1年和2年的连续追踪。文献[10]对61位中期骨关节炎患者完成了3、6、12和24个月定期跟踪调查,比较了膝关节软骨厚度变化。他们的研究结果显示:从MR图像里测量的软骨厚度变化能够表达实际软骨受损状况,并且得出骨关节炎的治疗关键在于阻止关节软骨厚度变薄的结论。(2)一些研究者对膝关节软骨由于运动或外力受损而接受药物治疗患者进行定期跟踪报告[11–14]。文献[11]对由于运动使膝关节软骨受损,在接受7周药物治疗后软骨恢复状况进行了研究;文献[12, 13]对由于外力受损而接受治疗的患者各阶段软骨恢复状况进行了观察。研究显示了药物对膝关节软骨形态恢复分别在3个月、半年及一年的效果。文献[14]评价了到2006年为止,从MR图像里测量关节软骨形态(厚度等)研究的状况;作者阐述了在膝关节炎方面,基于关节软骨形态变化诊断病症、监测病情发展及药物治疗的研究状况,同时还对关节软骨分割方法、关节软骨所对应的骨头配准方法进行了比较。
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第2章 基于两邻近薄面体模型的关节软骨厚度测量模拟
 
2.1引言
基于磁共振成像的关节软骨厚度测量技术在临床应用和基础研究中越来越重要,这样的研究已经进行了大约二十年,但其中大部分都集中在膝关节,迄今为止,由于缺乏合适的磁共振成像获取协议,人体髋关节的研究相对较少。与膝关节相比,髋关节间隙宽度很窄,两个软骨紧密联结,不容易分开,如图2-1所示。为了在MR图像里能够清楚地分辨出髋臼软骨(acetabular cartilage)和骨股软骨(femoral cartilage),需要使用牵引技术[114],见图2-2。因此,基于MR图像髋关节软骨厚度的测量及其评估比膝关节更具挑战性。基于上述原因,本文关于关节软骨厚度测量的研究主要针对髋关节。前面叙述过,本文的主要研究对象为髋关节和膝关节,是要测量它们的软骨厚度变化,因此也需要先测量膝关节的软骨厚度,对此本文使用已有的方法来测量膝关节的软骨厚度,采用先分割关节软骨再计算软骨厚度的方式,选用的分割方法和厚度计算方法分别在论文的第四章和第五章阐述。在医学领域,利用MR图像测量薄面体(例如:关节软骨、大脑皮层等)的厚度,并对其测量精度进行分析是非常重要的[113, 127–130]。文献[113]的研究成果表明:两个临近薄面体由于互相之间的影响,会影响到其厚度的精确测量。因此,为了分析髋关节的髋臼软骨和股骨软骨对彼此厚度测量的影响,本章根据人体髋关节的特征,模拟髋关节的股骨软骨和髋臼软骨,建立两个邻近薄面体的三维数学模型和三维MR图像摄影过程和厚度测量的后处理过程的数学仿真模型。然后用丙烯酸模板、正常人体髋关节标本、患者髋关节等实验数据验证该模拟方法的有效性。通过该模型不仅可以分析两临近薄面体(不只限于髋臼软骨和股骨软骨)之间对彼此厚度测量的影响,而且还可以通过该模型可以分析各种参数(例如:两临近薄面体之间的间隙宽度、MR成像参数等)对薄面体厚度测量的影响,有助于薄面体厚度的精确测量。
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2.2髋关节软骨厚度测量的理论模拟
如图2-3 a)所示,髋关节的股骨头(近似)球形形状,故为了研究方便,特引入球坐标系(如图2-3 b)所示),股骨头的中心对应于球坐标系的中心。图2-3所对应的是左髋关节。为简化坐标系,右髋关节视为左髋关节相对于身体的正中矢状平面的镜像即可。在这个球坐标系中,髋臼软骨(acetabularcartilage)和股骨软骨(femoral cartilage)的位置可由两个相互独立的角度(经度 φ 和纬度 θ )来表示。本文之所以同时模拟频域和空域的MR成像,主要就是因为在测量3-D薄面体的厚度时,空域内的3-D图象处理问题可以转化为频域内的一维信号处理问题。在频域内,沿着法线方向提取出一维强度信号,然后沿着一维法线方向求出图像的高斯一阶导数和二阶导数,这样可以极大地减少计算量。最后,通过傅立叶反变换到空域求解零交叉点。如果一阶导数的极大值 p 和极小值 q 对应于二阶导数的两个零交叉点,那么,p 和 q 就是薄面体两侧边界。因此,零交叉点 p 和 q 的距离被定义为薄面物体的测量厚度(Measured Thickness)。下面给出具体的描述。
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第3章 基于模型和三维空间厚度校正的关节软骨厚度测量方法.... 50
3.1引言....... 50
3.2基于2-D MR成像模型的软骨厚度测量........... 50
3.3软骨厚度的3-D空间校正......... 51
3.4实验结果与分析........... 54
3.5本章小结........... 60
第4章 基于点对应的关节软骨厚度变化计测方法............ 62
4.1引言....... 62
4.2点对应问题的数学描述............ 62
4.3基于主轴变换的点对应算法..... 67
4.4实验结果与分析........... 70
4.5本章小结........... 76
第5章 基于全局优化的配准用于软骨微小部位厚度变化计测....... 77
5.1引言....... 77
5.2点集配准问题的数学描述........ 78
5.3基于全局优化的点集配准方法............ 79
5.4实验结果与分析........... 90
5.4.1利用合成MR图像数据的验证....... 90
5.4.2利用实际MR图像数据的验证....... 92
5.5膝关节软骨厚度及其变化的可视化..... 98
5.6进一步讨论和说明........ 100
5.7本章小结........... 101
 
第5章 基于全局优化的配准用于软骨微小部位厚度变化计测
 
5.1引言
通过MR图像测定骨关节炎患者关节软骨厚度的变化以及对其进行形态描述,已经成为骨关节炎的诊断和治疗中最广泛使用的生物标志(biomarkers)[5]。研究显示,软骨厚度在一定时期内的变化属于局部范围,即不是整个软骨的厚度发生大的变化[6]。本章试图通过从MR图像里测量关节微小部位的软骨厚度变化来完成监测关节炎患者病情发展的任务。为了完成此任务,首先要取到不同时间扫描的MR图像;然后对目标(关节软骨)进行分割提取得到骨-软骨交界面两个点云(集),并计算出该点的关节软骨厚度;最后计算各点的软骨厚度差,但前提是知道两个点云中各点的对应关系。因此问题变成了需要求解两个点云中各点的对应关系,即问题转化成了一个点对应问题。上一章虽然给出了一种解决方法,但结果不甚理想。本章试图将不同时间扫描得到的骨-软骨交界面数据点云进行旋转和平移,使得软骨的结构点在空间上达到一致,进而得到点之间的对应关系(这个过程可能要循环多次),最后计算在不同时期扫描的关节软骨厚度变化。于是问题又转化成如何旋转和平移两个(骨-软骨交界面)点云,使其软骨的结构点在空间上达到一致的问题,这就是点云(集)的配准问题。事实上,点对应问题和点配准问题是紧密相连的,其中一个问题解决了,另一个问题也就解决了或者说另一个问题就好解决了,在下面的阐述中会明确这一点。本章主要就是提出一个基于全局优化的三维点云配准算法,能够保证找到全局最优值。最后将该算法用于计测膝关节软骨(微小部位)厚度变化,从而达到监测关节炎病情发展的目的。但是,从上面的描述中,可以看到:上一章点对应方法可以视为粗配准(若将本章提出的配准方法视为精确配准),因此,上一章的对应结果可作为该精配准方法的初值。另外,三维点云的配准是一个基本而重要的问题,其方法可应用在医学、逆向工程、虚拟现实、计算机视觉等领域。
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结 论
 
骨关节炎是最常见的风湿性疾病,它以极高的致残率以及给患者带来的沉重精神负担和经济负担等缘由日益受到人们的重视。本文以髋关节及膝关节为研究对象,首先通过建立模型分析影响关节软骨厚度测量的因素及误差大小,然后精确测量关节软骨厚度,最后以软骨-股骨交界面的作为参照基准,先将两次扫描成像提取得到的软骨-股骨交界面的点进行配准,再计算相应的厚度变化,进而达到通过计测不同时间关节软骨微小部位的厚度变化来监测关节炎病情变化、提高骨关节炎的诊断和治疗水平的目的。此外本研究也可用于评估骨关节炎新药物的治疗效果。通过测量不同时期软骨厚度变化,判断经过各个时期受损的软骨厚度恢复情况,从而可以评估新药物的疗效。因此,本研究具有较大的理论意义及应用前景。论文的主要研究工作:
(1)模拟人体髋关节的股骨软骨和髋臼软骨,建立两个邻近薄面体的3-D数学模型,并对3-D MR图像成像过程和基于零交叉方法测量厚度的后处理过程进行数学模拟。并通过数值模拟、丙烯酸模板、正常人体髋关节标本、患者髋关节数据等实验验证了该模拟方法或模型的有效性。在实验过程中,也通过该模型测试了关节间隙厚度(w)、薄面体法线方向(经度角 φ,纬度角 θ)、体素各向异性( z/ xy)等参数对厚度测量精度的影响。
(2)针对零交叉方法在测量两邻近薄面体的厚度存在的误差,在上述模型的基础上给出一种厚度测量方法来校正该测量误差,实现精确地测量髋关节软骨厚度。
(3)在解决测量软骨厚度变化问题时,首先将其转化为一个点对应问题,通过分析又将该问题转化为任务分配问题模型。为了提高点对应算法的精度,先采用一种代数方法将点云先大致对齐,再使用Munkres分配算法来求解点之间的对应关系。
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参考文献(略)

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