一种结合ct和mri二维图像建立人体膝关节三维仿真模型的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于医学影像技术领域，具体涉及一种结合CT和MRI二维图像建立完整人 体膝关节几何解剖仿真模型的方法。
【背景技术】
[0002] CT和MRI都是目前临床上常用的影像学技术，二者有着各自的优缺点。CT全称 计算机体层摄影（computed tomography, CT)，通过扫描仪发射X线对人体某一范围进行 逐层的横断扫描，取得信息，经计算机处理后获得人体的横断解剖图。CT扫描方便、迅速， 图象清晰，解剖关系明确，有很高的密度分辨力，可以区分密度仅相差5-6Hu的不同组织。 尤其对于骨组织观察具有明显的优势，能清晰区分出不同骨组织的密度以及骨组织与软 组织界面，但对膝关节软组织分辨效果欠佳。MRI全称核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，MRI)，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonnance，NMR)原理，依 据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出 的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构 图像。MRI采用多参数成像，对软组织分辨率高，可以通过调节成像参数达到对不同部位不 同结构软组织成像的目的，通过调节磁场也可以自由的选择所需剖面，能得到其它成像技 术所不能接近或难以接近部位的图像。但MRI受制于扫描线圈的大小，一次扫描范围有限。
[0003] 本申请的发明人研究后发现，在二维图像建立三维模型的过程中，基于不同的扫 描方式所得到的模型对不同组织的精度会有差异。用CT对膝关节面直接数字化测量建 立的完整有限元模型无法分析软骨应力的变化，尤其不能对半月板等软组织进行满意地建 模。基于MRI二维图像构建的三维有限元模型虽然在构建半月板、韧带、软骨等方面弥补了 CT的不足，但组织边界的灰度差值较小，建立的过程中需要大量的人工修正，大大增加了工 作量，存在着一定误差，对骨皮质的构建效果欠佳，无法准确地建立关节腔结构，且无法完 整的构建出下肢全长的三维模型，对于构建下肢力线及解剖轴线有局限性。
[0004] 因此，我们在大量研究的基础上，对同一志愿者同时行CT及MRI扫描。基于CT数 据准确构建了下肢全长的骨组织三维数字化模型，基于MRI数据准确构建了膝关节解剖结 构的三维数字化模型。在计算机软件中，通过三维图像配准的技术，将两组图像进行配准， 通过拟合股骨、胫骨、腓骨的位置，就得到了包含骨、软骨、半月板、韧带与肌腱等结构的双 下肢全长膝关节三维数字化模型。该模型除了准确反映膝关节的解剖结构外，还可以准确 画出下肢力线、骨髓腔中心线、关节腔轴线、旋转轴线等。找到一种建立完整人体膝关节几 何解剖仿真模型的方法，为膝关节及关节置换术的生物力学研究提供了良好的基础模型， 这是以往研究者通过单独一种扫描方法构建膝关节模型所无法做到的。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，克服单一利用CT或MRI二维图像所建立 膝关节三维模型无法完整模型膝关节解剖结构的缺点，结合二者各自的优点，通过拟合股 骨、胫骨、腓骨等骨组织的位置，结合软组织解剖数据，得到了包含骨、软骨、半月板、韧带与 肌腱等结构的双下肢全长膝关节三维数字化解剖仿真模型。
[0006] 本发明采用的技术方案如下：
[0007] -种结合CT和MRI二维图像建立人体膝关节三维仿真模型的方法，包括如下步 骤：
[0008] 步骤（I)，CT图像采集：
[0009] 采用CT扫描双下肢，扫描体位为膝关节自然伸直并外旋10°~15°固定；扫描范 围为上方至中骨盆平面，下方完全包含足部；
[0010] 步骤⑵，MRI图像采集：
[0011] 采用磁共振机扫描双膝，磁共振机以头线圈作为接收线圈；扫描体位为膝关节 自然伸直并外旋10°~15°度角固定；扫描范围为以膝关节间隙为中心，向上下各扫描 IOcm ；
[0012] 步骤⑶，数据保存：
[0013] 将步骤⑴和步骤（2)所得的扫描图像数据在计算机工作站上以 DIC0M3. 0 (Digital Imaging and Communication in Medicine)格式存储并刻录到 CD-ROM 上；
[0014] 步骤（4)，CT二维图像的导入及三维模型建立：
[0015] 在计算机工作站上，将膝关节CT扫描图像数据以DICOM格式导入Mimics 16.0,定 义上、下、左、右、前、后方向后，Mimics 16. 0中显示出矢状位、冠状位、额状位的二维图像；
[0016] 在"Masks" 中建立一种新的绿色（Green)，选择"Segmentation Menu" 中的 "Thresholding"，通过"Thresholding"调整上下阈值至绿色"Masks"完全覆盖所有层面的 骨组织，骨组织的CT值在226-1542HU之间；
[0017] 选择"Edit Masks"菜单中的"Erase"擦除股骨周围多余的绿色，定义出骨组织边 缘；右键点击Green Masks，在菜单中选择"Region Growing"，点击二维图像中的不同骨组 织，在对话窗口中选择"New Masks"，完成不同骨的划分；
[0018] 选择 "Segmentation Menu" 中的 "Calculate 3D from Masks"，米用 "High Quality"计算方法，运行后建立出膝关节三维数字化模型；
[0019] 以CT二维图像建立的膝关节三维数字化模型仅有骨组织模型，包括股骨、胫骨、 腓骨、髌骨。
[0020] 步骤（5)，MRI二维图像的导入及三维模型建立：
[0021] 第一步，在计算机工作站上，将膝关节MRI扫描图像数据以DICOM格式导入Mimics 16. 0,定义上、下、左、右、前、后方向后，Mimics 16. 0中显示出矢状位、冠状位、额状位的 二维图像；在"Masks"中建立一种新的绿色（Green)，选择"Segmentation Menu"中的 "Thresholding"，首先通过"Thres holding"调整上下阈值至绿色"Masks"完全覆盖所有 层面的骨组织；选择"Edit Masks"菜单中的"Erase"擦除股骨周围多余的绿色，定义出骨 组织边缘；右键点击Green Masks，在菜单中选择"Region Growing"，点击二维图像中的不 同骨组织，在对话窗口中选择"New Masks"，完成不同骨的划分；
[0022] 第二步在"Masks"中建立一种新的蓝色（Blue)，调整"Thresholding"上下阈值 至蓝色"Masks"完全覆盖所有层面的韧带；选择"Edit Masks"菜单中的"Erase"擦除韧带 周围多余的蓝色，定义出所有韧带组织边缘；右键点击Blue Masks，在菜单中选择"Region Growing"，点击二维图像中的不同骨组织，在对话窗口中选择"New Masks"，完成不同韧带 的划分；
[0023] 第三步在"Masks"中建立一种新的红色（Red)，调整"Thresholding"上下阈值至 红色"Masks"完全覆盖所有层面的软骨及半月板；选择"Edit Masks"菜单中的"Erase"擦 除软骨周围多余的红色，定义出所有软骨及半月板组织边缘；在Red Masks中选择"Region Growing"，点击不同的软骨或半月板组织，"New Masks"，完成不同软骨及半月板的划分；右 键点击Red Masks，在菜单中选择"Region Growing"，点击二维图像中的不同骨组织，在对 话窗口中选择"New Masks"，完成不同软骨及半月板的划分；
[0024] 选择 "Segmentation Menu" 菜单栏中的 "Calculate 3D from Masks" 选项，米用 对话框中点击"High Quality"计算方法，运行后建立出膝关节三维数字化模型；
[0025] 以MRI二维图像建立的膝关节三维数字化模型有骨组织模型和软组织模型两部 分，其中骨组织模型包括股骨、胫骨、腓骨、髌骨；软组织模型包括内侧半月板、外侧半月板、 前交叉韧带、后交叉韧带、内侧副韧带、外侧副韧带、股骨软骨、胫骨软骨、腓骨软骨、髌骨软 骨、股四头肌、髌腱。
[0026] MRI图像对软组织分辨率较高，可建立出半月板、软骨及韧带模型，但其灰度差比 CT数据较小，采用计算机自动计算时噪点偏多，需要通过人工删补的方法，填充组织区域内 的空洞，去掉分割边缘的毛刺以及其他位置引入的噪声。尤其需要根据解剖结构，对组织边 缘进行仔细的界定，边缘的界定将对所建立模型的真实程度造成很大的影响。
[0027] 步骤(6)，膝关节解剖仿真模型配准与修饰：
[0028] 将通过CT和MRI扫描图像数据得到的三维数字化模型，即步骤（4)采用CT扫描 图像数据得到的膝关节三维数字化模型和步骤（5)采用MRI扫描图像数据得到的膝关节三