文摘
为了提高骨科创伤的临床研究的影响,本文应用计算机三维图像分析技术的临床研究骨科创伤和提出了基于FFT的BOS技术提取阶段。这种技术的背景图像是一个“余弦blob”背景图像。此外,这种技术使用FFT相位提取方法来处理这个背景图像提取像点位移。BOS技术基于FFT相位提取不需要选择一个诊断窗口。最后,本文结合了计算机3 d图像分析技术建立一个智能系统。根据实验研究结果,骨科创伤的临床分析系统基于计算机三维图像分析提出了可以发挥重要作用在骨科创伤的临床诊断和治疗,提高骨科创伤的诊断和治疗效果。
1。介绍
有许多类型的创伤和骨科损伤,和同样的伤病情况下可以区别对待由于不同年龄,不同的住院时间和不同损伤条件下(1]。因此,选择一个合适的时间和标准治疗计划将使病人的预后良好。然而,治疗方案,不符合时间和不规范会导致身体功能障碍从最轻微的到身体功能的丧失和终身残疾,甚至危及病人的生命。由于解剖结构的特殊性和髂和软组织的生理功能,有很强的专业性的抢救和治疗骨折。传统的疾病诊断是使用医生的个人理论知识和实践经验,全面分析和原因。因此,大量的专家和坚实的理论基础和国内外出现了丰富的经验,和他们有自己的专长和特点(2]。然而,年轻医生的水平的提高很大程度上取决于理论知识在书和个人探索,以及丰富的情况下遇到和医学专家的临床教学。因此,存在一定程度的片面性和主观性的诊断。现代骨科医生,尤其是广大初级医务工作者,可以合理地使用这种巨大的专业知识和实践经验来应对不断变化的损伤和疾病在他们繁忙的工作,给每种情况下最合理的治疗方法的最佳时间达到最理想的治疗效果,有效减少临床误诊和虐待的发生,避免医疗事故和临床医疗纠纷是一个目前需要解决的问题(3]。
近年来,由于计算机数据库技术的迅速发展,图像处理技术、网络技术,许多成就已经在军事、石油工程、地质勘探、Kaoji发现,导航和航空和医疗诊断和治疗。临床医学诊断和治疗是医学各领域的一个重要组成部分和健康。其发展将医疗卫生行业快速发展。计算机辅助技术将带来的准确性、安全性、系统和大容量的计算在医疗卫生领域。快速发展的临床数据检索和收集、医疗数据统计,床监测疾病的诊断和治疗,辅助手术定位,等等,复杂的现代临床骨科医生可以快速、准确地诊断四肢创伤没有创伤骨科专家的存在。必须做出相应的基于诊断治疗计划。计算机人工智能系统的引入到骨科领域可以解决这样的问题。我们可以使用电脑来组织人类专家的专业知识和实践经验知识库实现系统化,完整性和生产专家系统软件,不仅可以充分利用这些宝贵的资源,也避免消失的这些知识由于衰老的专家。
创伤学和整形专家系统是人工智能的一个重要分支医疗应用程序。人工智能的理论和方法(如密钥存储知识,推理判断,和输出)主要应用于专家系统的形式。的研究和开发专家系统和人工智能理论的不断丰富和发展。创伤骨科专家系统促进吸收,保存,和应用现代骨科专家的宝贵的专业知识和临床经验,更有效地发挥潜在的临床骨科医生和克服临床骨科专家缺乏的矛盾。整形专家系统作为一种计算机继承了电脑的快速和准确的特点,比人类更加可靠和灵活整形专家在某些方面,可以不受时间的影响,地区,和人为因素。骨科创伤学专家系统可以合成许多骨科专家的知识和经验,包括由专家知识的输入,书籍,和self-summary,学习别人的长处,提供高质量的诊断和治疗方法,并综合利用各种矫形手术。专家的知识从而扩展和扩展人类智能的整形专家。
本文结合了计算机3 d技术分析创伤、骨科的临床图像和随后的临床研究提供了一个参考创伤、骨科。
2。相关工作
医学图像包含丰富的信息,和医生习惯于使用此信息来诊断疾病。然而,当使用这些图像在手术部位,他们不是最好的选择。当前图像由CT、MRI、x光,等只包含二维信息。因此,医生需要依靠经验来恢复这个二维信息和手术器械的相对位置从时间和空间在不同的时间。在传统的手术中,医生使用经验来设计手术计划,记录或描述在一个粗略的方法,然后基于印象(执行操作4]。这种手术计划的质量取决于个人医生的外科临床经验和技能,和手术计划的概念制造商不容易直观地理解别人。此外,图像信息的冗余和畸变影响整个系统的效率。许多图像处理问题在手术导航系统包括图像分割、三维图像重建和登记融合。图像分割是一个过程,识别和重组当地地区具有类似特征,是图像处理的关键步骤。此外,图像分割可以使用统计分类、阈值,边缘检测,区域检测和其他技术(5]。通过图像分割,提取各种组织如骨骼和软组织完成,和不同的组织结构和空间位置,和医生所需的信息以最简洁明了的方式提供。通过三维图像重建、二维信息可以转化为三维信息,从而帮助医生恢复三维形状的各种组织。通过注册和不同模态的医学图像融合,各种诊断图像的优点可以完全表达。例如,CT图像可以清晰地显示骨组织的信息,为软组织MRI图像更富有表现力,功能磁共振成像和宠物可以表达信息组织功能区域。这些信息可以帮助医生制定一个更好的手术途径减少损失(6]。
手术导航的三维定位系统的目标是获取病人实体的三维坐标和手术设备实时测量范围,从而确定病人的空间位置和手术设备。空间定位的准确性直接关系到手术导航系统的准确性,相关操作的成功或失败在导航系统,并且是手术导航系统的关键技术之一(7]。手术导航系统的空间定位技术经历了一个开发过程从框架到无框架。手术导航与框架空间定位的操作繁琐,费时,和准确性是有限的。以神经外科颅内手术为例,需要钻钉骨板外病人的头部,并添加一个固定的框架,这将导致疼痛病人和影响手术操作的实现在一定区域(8]。
无框架空间定位已成为主流。根据不同的原则,无框架空间定位技术可以分为机械臂定位方法,超声波定位法,电磁定位方法,光学定位方法(9]。机器人空间定位方法是一个接触测量法,首次应用于无框架定位装置。空间定位器由一个被动的与6自由度机械臂,和每个关节都有一个编码器由电位器。的位置和姿态的被动臂(或连接工具)可以由机械臂的几何模型和编码器。实时计算输出值(10]。机械臂定位器的空间定位精度高,可达毫米以内,但相对较大,安装麻烦。此外,因为它需要接触病人,有消毒设备的问题。超声波测量是一种非接触测量(11]。基于超声波传播时间的测量,它可以检测多个点的位置或多个刚体不妨碍操作区域。温度、湿度、气流和发射机的大小是影响精度的主要因素。人们普遍认为超声定位方法的准确性(最少12]。磁场电磁定位器包含3发电机。每个发电机线圈磁场定义空间的方向。探测器线圈检测低频磁场通过空气或软组织。发电机的相对位置关系可以确定的空间位置探测器。在目标定位、电磁定位器成本低,而且没有光路屏蔽探测器和发电机之间,适合定位要求当目标点位于病人的身体,如穿刺针和介入导管的位置。然而,手术区域的铁磁材料将干扰定位磁场,导致定位精度下降(13]。InstaTrak手术导航系统的通用电气在美国采用电磁跟踪方法。光学定位方法是目前使用最广泛的定位方法在导航系统中,及其定位精度较高(仅次于机械手臂的方法)14]。光学定位使用相机观察目标,然后使用双目视觉的原则重建目标的空间位置。根据观察到的目标是否主动发光,它可分为两种类型:主动和被动。光学定位器定位系统研究是当前的热点;尤其是被动光学定位器的主流空间定位方法在导航系统15]。
3所示。三维图像分析技术的创伤学和矫形手术
背景纹影技术,与其它传统的纹影技术一样,也决定了折射率变化的流场测量的光偏转量,然后获得流场的密度变化。折射率之间的关系和流体的密度可以表示Lorentz-Lorenz方程:
其中,折射率,是单位体积内的分子数,然后呢是平均极化率。对于气体,Lorenz-Lorenz Gladstonc-Daleequation方程可以简化为: 在哪里折射率,Gladstone-Dale常数,是密度。它使折射率和密度之间的定量关系满意度的气体。因此,只有通过测量液体的折射率的密度。背景纹影技术获得流体密度测量液体的折射率。
图1是一个原理图的背景纹影技术的原理。在最左边是背景板,具有特定pattern-background形象,最右侧的CCD相机拍照。在中间的流场测量。背景板之间的虚线和CCD相机代表当没有光流场,和实线代表了光流场的时候。是CCD相机和流场之间的距离,CCD相机之间的距离,背景板,流场之间的距离,背景板,然后呢图中是光的偏转角度。光的位移方向的感光表面CCD相机 ,和CCD相机镜头的焦距当没有流场和流场如图1和2。
根据几何关系,(像点位移方向)可以得到:
其中,放大倍数
在正常情况下,偏转角度的通过光流场很小,可以认为 。然后,公式(3)可以写成
光的偏转角度通过流场
其中,是外面的空气的折射率测量流场,然后呢流场的折射率。为了获取清晰图像,CCD相机应该集中在背景板。根据对象的距离和距离之间的关系,你可以得到
然后,根据方程(5),(6)和(7),像点位移之间的关系和流场的折射率可以获得:
同样的,我们得到了
像点的位移和折射率的流场满足方程(所示的定量关系8)。因此,我们可以通过实验获得的像点位移,然后获得的折射率分布流场测量。根据折射率和密度之间的关系由Gladstone-Dell方程,给出流场的密度分布测量也可以获得。
从两张图片获得图像的位移矢量非常类似于计算机视觉领域的一个热点问题多年。光流算法是目前移动图像分析的一个重要方法。我们设计了一个新的背景图像的多尺度小波噪声图像。光流算法来处理背景图像获得像点位移。
光流算法具有以下三个前提假设:(1)在相邻帧图像像素的亮度是恒定的(2)像素的相邻帧图像不会产生大的运动(3)相同的子图象的像素在图像以类似的方式移动
我们假设像素的亮度( , )在时间t ,后时间;也就是说,在时间 ,像素的亮度 。当 ,根据假设(1),我们知道
通过方程的一阶泰勒级数展开10),我们可以得到
其中,是一个高阶无穷小的术语。根据假设(2),可以看出,相邻帧图像的像素点很少。因此,高阶无穷小可以忽略;然后,它可以获得
如果我们将和水平方向的速度分量和垂直方向的速度分量的像素,然后
也就是说,
其中, , ,和代表图像灰度值的偏导数 , ,和方向,分别。方程(16)称为光学流场的基本方程,这是写在向量形式:
其中, 代表的梯度图像中像素的灰度值在( ),和 代表了光学流( )。
从光流速度分量的像素是二维的,有两个变量和 ,和只有一个约束条件的方程(16),所以光流不能唯一确定。为了能够唯一确定的光流,必须添加新的约束。研究人员已经提出了几个新的约束。
Lucas-Kanade光流算法增加了光流的局部平滑的假设作为一个新的约束。光流的局部平滑的假设假设所有像素的光流速度矢量在一定大小的窗口在图像是一样的。Lucas-Kanade光流算法假设光学流场不仅满足约束的光流场的基本方程(即方程(16)),但也满足光流的局部平滑度的约束,同时解决了这两个约束。
光流的估计误差被定义为
其中,是窗口加权函数,其功能是使社区的中心区域产生更大的影响比外部区域的约束。公式的解决方案(18)是 在哪里时间点是 。 , ,和 。
Lucas-Kanade光流算法的优点在于它具有较强的抗噪声能力和鲁棒性,算法的精度高,运行速度快。缺点是计算稀疏光流场。在移动目标的边缘和目标本身的均匀区域,如果像素运动很小,这光流算法很难捕捉速度的变化信息。
Lucas-Kanade光流算法的约束更为严格,并不容易满足。如果对象的速度快,不会建立约束条件,以及随后的假设会有很大的偏差,导致一个大的错误在最后的光流。Lucas-Kanade光流算法是基于局部平滑的假设,是一个本地方法。因此,光流算法不能获得光流信息在一个统一的区域形象。
考虑到当物体的运动速度大,Lucas-Kanade光流算法的计算结果会有一个很大的错误。因此,我们希望减少图像中的像素的移动速度。所以我认为一个简单的method-one-reduce图像的大小。假设原始图像的分辨率 物体的速度,然后,当图像的大小减少 ,物体的速度成为[16,16];当图像的大小减少 。物体的移动速度就减少了。我们可以看到,当原始图像的大小减少了很多次,Lucas-Kanade光流算法变得可用。
我们假设 。 代表两个相邻帧图像的灰度值和 ,分别和一定程度的速度图像是 。图像中对应点的速度是 。其中, 是图像的移动速度。是附近的半径(通常要花2 - 7像素)。错误的是
有一个光学流e最小化 。
我们减少图像的高度和宽度的一半原始的每一次,减少了层。这时,第0个层是原始图像。如果我们假设原始图像中的某些点的速度 ,然后的速度th层是
我们假设光流的计算th层;然后,这一层的计算结果传递到上层,也就是说, - - - - - -1日层,作为初始值光流计算的这一层。算法重复这个步骤直到第0个层,即原始图像。对于任何层 ,方程(20.)成为
计算结果每一层传递到上层的光流计算的初始值通过以下方程:
的初始值最高的层通常是0。迭代以这种方式可以获得的光流值第0个层:
当 和 ,公式(20.)成为
当 公式(26)成为
如果我们马克 作为 ,和 作为 ,然后
当这个函数的最小值,光学流可以得到:
L-K金字塔光流算法的主要思想如下。在第一步中,该算法首先构造一个金字塔底部的原始图像层,每一层以上是将采样得到的平滑后下面的层。当图像尺寸减少了几层(一般3到5层),最高的运动速度层图像足够小,使用光流估计的Lucas-Kanade光流算法。算法开始从最高的层的光流估计,及其光学流组件的初始值作为下一层的光流估计。这一层的初始值被添加到这一层的光组件执行投影重建。以这种方式算法迭代直到zero-layer图像的光流场(原始图像)是解决。
4所示。创伤学、骨科基于计算机三维图像分析
非成象导航系统适用于手术解剖结构完全暴露出来,全膝关节置换术一般。系统使用非成象定位和跟踪技术。在操作期间,模拟试样的三维几何图像用于导航,如图3。
以全膝关节置换为例,一个动态的参考系需要安装在病人的股骨和胫骨建立参考坐标系。通过每个参考帧的空间位置和标记点,确定的空间位置关节头,然后,确定股骨的运动力线。外科医生使用的探测点的典型特征点暴露股骨和胫骨,选择相应的假肢,并确定切削方向和数量的减少。在操作期间,空间定位系统是用来跟踪船舶上安装手术器械的引用实现导航。完全开放导航系统不需要术前CT扫描或x射线图像,但只需要使用的医生拿起解剖结构的特征点与探针操作。
CT图像骨科手术导航系统使用术前CT扫描来重建三维图像和使用骨组织的三维模型成像数据为医生制定手术计划和术中导航。如图4参考系是安装在操作中的影响骨骼构造参考坐标系。参考系是跟踪的空间定位系统,和手术的位置机实时显示在导航上的形象。
图5显示了一个骨科导航系统基于二维透视图像。手术前导航系统获得透视图像。但是,与CT图像,透视图像在手术室。此外,定位参考系之间的位置关系和c臂CA必须记录的监控下光学定位系统。然而,在c臂不需要手术。
骨科导航系统基于CT图像和激光扫描登记主要由以下部分组成:(1)手术导航工具:用于传输或反射光线信号来确定手术工具的位置;(2)位置跟踪工具:这是一个光学定位系统,它由接收光电监控手术器械的位置信号;和(3)激光扫描测量仪:扫描暴露骨组织表面;空间登记工作站:它显示虚拟映像并反映了手术器械的位置和病人的图像数据。图6显示了一个骨科导航系统基于CT图像和激光扫描登记。标记帧RO用于统一空间定位系统和三维激光扫描仪,所以和EE参考框架固定在骨和手术器械的影响。
CT图像数据是离散的层析图像序列与一个特定的层间距,像素的分辨率小于1 mm /像素,和层间距大于1毫米。一般来说,2 - 4毫米。从CT序列图像中提取组织表面需要一系列的流程,如图7。首先,通过层间插值算法生成一些中间断层和获得体积数据分辨率相同的四面八方。之后,该算法将感兴趣的组织与体积通过细分数据包含各种组织信息。最后,感兴趣的组织可以显示和提供各种有用的信息通过各种表面重建方法。
后提出创伤、骨科的临床分析系统基于计算机三维图像分析,系统验证。在本文中,一个数据库是由医院诊断和治疗的图像,和多个数据库中的数据集是由创伤骨科通过本文的系统,和骨损伤特性识别及临床诊断和治疗效果。结果如表所示1。
从上面的研究和分析,可以看出,骨科创伤的临床分析系统基于计算机三维图像分析提出了可以发挥重要作用在临床骨科创伤的诊断和治疗,提高骨科创伤的诊断和治疗。
5。结论
随着计算机软件和硬件技术的发展和数字图像技术,医学图像三维重建与可视化技术。与二维图像,三维医学图像更直观和准确。使用计算机图形学的知识,每个组织可以系统地、完美地表达三维重建,和医生可以使用它来更好地定位病变在空间和理解每个详细解剖结构的空间关系。本研究探讨了应用价值的三维重建和快速成型技术在临床骨科手术和制定骨骼数据提取的步骤和方法,三维重建和快速原型。此外,本研究应用技术在骨科临床实践,提高了诊断的骨科疾病,对患者和发展个性化的治疗方案。通过研究和分析,可以知道,骨科创伤的临床分析系统基于计算机三维图像分析提出了可以发挥重要作用在骨科创伤的临床诊断和治疗,提高骨科创伤的诊断和治疗效果。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。