图像处理技术计算机信息论文

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1人工假体置换领域的现状和问题

人工假体置换术作为有效的治疗方法得到了广泛的应用。目前，国内所用的人工股骨头假体只能从固定规格的系列产品中选取，它与股骨腔吻合的效果较差，直接影响人工关节的长期稳定性、活动度及人工关节生物力学性能等。另外，传统的制造工艺加工零件原型，所需时间长并且费用昂贵，已经不能满足市场竞争的要求。而在国外，通过将CT扫描数据输入计算机进行三维实体成型，可制造出与病人骨骼完全一致的模型，用于诊断、治疗及模拟手术过程等用途，具备较高的吻合度；同时，通过利用快速成型技术，自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为实体零件，从而缩短产品开发周期，降低产品开发成本和生产成本。

2三维实体重建

计算机信息处理技术的发展，特别是人工智能、模式识别、计算机模拟、知识库和数据库等技术的发展，使人们能将物理、化学理论与大批杂乱的试验资料结合起来，用归纳和演绎相结合的方法为新材料的研制做出决策，为材料设计和实施提供了行之有效的技术手段。现代计算机技术和图像处理技术，特别是快速原型制造技术与CT扫描、MR（I磁共振成像）等技术结合，都已成功地在医学上得到应用。而通过利用计算机技术，建立相应的数学模型，可以在一定的控制条件下进行仿真研究。

2.1数据的采集

首先要对病人预置换股骨头处进行CT断层扫描，分别进行俯视图扫描、主视图扫描，目的是为了得到清晰的股骨头球面轮廓，如图1所示。然后将清晰的目标图像按照与实物1∶1的比例进行截图后扫描至计算机，并将图像转换成512×512Bit的数字图像，像素灰度为0～255，利用图像处理技术进行消除噪声、灰度校正等处理。

2.2图像边界轮廓提取与修整

通过AutoCAD中的光栅图像参考功能，将处理后的图片（1∶1）依次导入为背景，再利用多线段、剪切、圆等绘图工具对目标进行轮廓标记与识别。医学图像的轮廓识别比较复杂，主要是由于扫描进来的关节图像的粘连性较大，甚至会出现错误识别、假轮廓。为此，在轮廓跟踪处理完之后，必须对轮廓进行修正，使不符合要求的虚假轮廓得以清除，可采用自动修正或手工修正。对于没有平滑掉的杂点而产生的虚伪轮廓，根据比较两个封闭曲面内像素点的多少来进行清除，保留大轮廓，舍掉小轮廓，对于不能自动判断的粘连、不连续等失真现象，使用手工控制方法。删除底片保留轮廓线，利用软件将其进行贝塞尔曲线修整，结合CT扫描的尺寸数据按比例调整为建模尺寸。目前，关于三维重建的方法是：通过扫描仪将CT实体照片以高分辨率模式扫描为电子照片格式，然后利用PS对其进行二值化处理，使用Freeman进行链码提取并跟踪轮廓，再将每个断层外轮廓数据导入AutoCAD中，组成一个三维体数据，再进行曲面重建，最终利用蒙皮法得到三维形体。这种方法可以制造出与病人骨形完全一致的假体，关键是要精确地提取股骨头球面轮廓尺寸和形状，这样才能使股骨头与股骨腔吻合程度较高。

2.3矢量化处理

采用软件CAXA实体设计中的扫描、投影、放样和布尔运算功能可以更加快捷地实现建模。首先，将提取并修整后的轮廓放入实体设计环境中，编辑两个方向的轮廓截面，以轮廓中心点为基准，按照2∶3∶5的比例缩小轮廓，得到同心3个相同的轮廓截面；然后，按照主视图和俯视图轮廓显示的高度，激活三维球，将轮廓依次放置在底部、中间和顶部，并从上至下依次投影，以顶部底面为起始面、底部上面为终止面进行放样操作。此时，计算机会自动计算处理成型，由原先的3个面，得到1个完成的实体结构。最后，将两个方向上形成的实体利用三维球同心，进行布尔加法运算，得到组合实体，将组合体的多余部分利用“分割实体表面”功能完成股骨头的三维建模。

3快速原型制造

快速成型技术应用于人工关节和人造骨制造过程中，不仅可以提高成品的设计质量，还可以缩短产品的设计周期。目前，假体移植手术需求量大，为保证手术的尽快实施和手术的成功率，就必须采用快速成型技术。随着电子仪器和计算机技术的发展，快速成型机应运而生，快速成型技术是医学领域与工程领域相结合的敏捷制造系统，主要有：光固化立体模型（SL）、选择性激光烧结（SLS）、层片叠加成型（LOM）和熔融沉积造型（FDM）。

3.1RPM成型机

传统的制造成型过程是利用铸造制造出毛坯，然后对毛坯进行磨光或抛光，形状和精度是通过从毛坯上去掉多余的材料来保证的，吻合度不高，而快速成型的基本理念则是在计算机的控制下，将材料精确地堆积成型，无需加工即可制造。将设计出的三维实体转换为快速成型机所能接受的STL格式，输入机器，该机的基本原理是将实体模型切片成一系列具有一定厚度的薄层，计算机控制其激光束按薄片截面轮廓形状将薄层材料切割出该层横截面的形状，然后层层堆积并得到实体。

3.23D打印成型

3D打印技术是根据CAXA分层模型所获得的两维像素信息，利用喷嘴向待成型体床上喷射黏结剂，每打印完一层后，粉料床通过底部活塞向下移动一段距离，并在粉料床的底部添加新的粉料，再根据计算机要求向新的粉料床喷射黏结剂，重复此过程，完成后去除未喷射黏结剂的粉料，立刻得到成型的实体。如果喷射的黏结剂中含有其他具有某种功能的成分，则可以控制零件中局部成分的变化；增加喷头数目，则可以得到在不同的区域具有不同功能和成分的整体零件。3D打印可以用于成型陶瓷、金属、金属陶瓷复合材料及高分子材料的假体中。

3.3快速成型制造技术在骨修复外科中的应用

随着材料科学和医学的发展，生物陶瓷在医学上尤其是矫形外科和骨修复外科中的应用也越来越广泛。但由于病人个体差异和实际情况的不同，使得骨修复体必须根据病人的实际情况来定制，而且在临床上为减少病人的痛苦又要尽量缩短定制时间。快速成型技术正好具有这两个优点，特别适合单件或小批量生产并且能够实现快速制造。快速成型技术可精确地复制出人工关节，从而使设计出的人工关节可以在由原型翻制成的模型上进行验证，确定其受力分布、结合面设计是否合理。目前，有关研究人员已经开始研究如何将CT扫描的数据直接传到快速成型机上，这样将减少中间环节较为复杂的三维重建过程，并减少因数据转换造成的误差，使快速成型产品直接应用于临床。

4结语

近年来，假体移植手术不断增多，不同病人骨骼又都不相同，导致固定规格假体的吻合度已不能完全满足要求，而使用计算机信息处理技术，不仅能够利用病人的CT扫描数据提高吻合度，还可以通过快速成型技术实现缩短诊疗时间的目的，为手术的安全性、实时性提供强有力的技术保障。

作者：徐锐光 杨书程 乔森 郭钰坚 单位：山西省医疗器械检测中心 太原市妇幼保健院