骨肿瘤影像数据三维重建与假体设计
骨肿瘤俗称骨癌，是骨骼发生的病变中最难以解决的病症之一。传统的截肢手术已经越来越被学者与医者抛弃，保肢手术才是现在也是将来研究最为密集的领域。本文中通过MIMICS软件建模，实现对病情的初步评估，初步确定手术方案，最终通过人工假体的方式置换掉病变骨，实现患者保肢的目的。本文着重介绍了CT影像的三维建模过程，以及假体的设计过程，是骨肿瘤保肢术最为重要的环节。关键词 骨肿瘤，三维重建，假体设计，保肢术
目 录
1 引言 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2国内外发展现状 3
2 影像数据的三维重建 3
2.1图像的预处理 3
2.2创建三维演示 10
3 假体设计 11
3.1通用假体与定制假体的利与弊 11
3.2肿瘤切除界限的界定 13
3.3假体尺寸数据的获取 15
3.4假体的建模 17
3.5假体的配合验证 17
3.6假体的材料选用论证与内部结构选择 19
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 引言
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1骨肿瘤简介
骨肿瘤是发生于骨骼及其附属组织的肿瘤，有良性和恶性两种不同的分别。其中良性肿瘤易于根治，预后良好，恶性肿瘤恶化迅速，预后不佳且死亡率高。恶性肿瘤分为原发性和继发性。从体内其他组织或器官的恶性肿瘤经过血液循环、淋巴系统转移至骨骼的为继发恶性肿瘤。
既然骨肿瘤分为良性和恶性两种，故其具有不同的治疗方法与途径。其中良性肿瘤一般采用局部刮除、植骨或切除为主。良性肿瘤若能彻底去除则不易复发，预后良好，病人恢复运动功能期望较大，恢复周期短，是理想的治疗手段。恶性肿瘤则没有那么简单，传统的手术方法是医生直接对病变的区域组织实施截肢手术，是为了病人的存活率实施的最简单也是最广泛的方法。近年来，随着医学影像技术和计算机技术的突飞猛进，众多学者尝试借助计算机辅助软件设计定制性假体置换病变骨以实现保留肢体，是一项被逐步推广的技术，也是本文中将重点讨论的内容。
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图 2骨肿瘤的CT图片 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1.1.2医学影像技术发展简介
在X光被发现之前，医者在诊断病情想要了解患者身体内部结构时，必须采用手术剖开或者触诊。前者的做法不仅对病人伤害较大带来痛苦，而且风险更是增加好多。而后者因其不直观性，导致在诊断的过程中医者不能直观的观察到病变组织的形态，因此此种方法极易发生误诊。因此1895年德国物理学家威廉伦琴X射线的发现，对于需要透视疾病病情的诊断有革命性的影响，极大的推动了现代医学的发展，对影像医学有着不可磨灭的贡献。
影像医学发展到当代，由于其原理不同，分出了几个不同的分支。其中之一就是基于X射线的新技术，例如血管摄影（Angiography）,心血管摄影（Cardiac angiography）,计算机断层扫描（CT，Computerized tomography）,牙影摄影（Dental radiography）,萤光透视镜（Fluoroscopy）,乳房摄影(Mammography),X光片（Radiography）.除了X光的众多应用，另外伽马射线、核磁共振、超声波、光学摄影也是影像医学中的重要组成部分，由于本文重点讨论X射线中计算机断层扫描技术的应用，故上述其他应用不作详细描述。
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图 4东芝的64排螺旋CT机
X射线的应用已经经历了一百多年的发展，CT技术已经发展到多层螺旋采集。对患者诊断时，一次可以采集64~320个层面，每一层都可以薄至0.5mm。如此巨量的信息，可以极大的提高CT图片的解析力，换言之患者的骨骼、肌肉、血管、病变组织都可以以很清晰的辨析度呈现。在后期的计算机处理中，高精度的扫描能极大的提高数据的精确度，对于后期的建模以及假体设计提供了可靠的数据来源以及精度保障。
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图 5通过螺旋扫描得到三个方向的影像数据
1.2国内外发展现状
骨肿瘤的保肢手术在国内起步比较晚，且普遍的水平要低于国外。上个世纪八十年代左右我国引入了相关的技术，也伴随着影像技术的不断成熟，我国的医者渐渐抛弃了基于放疗和化疗的治疗方法。国外在这一领域明显要领先于国内，国外70年代出现了CT技术，80年代出现了MRI技术，MRI技术的出现使得影像医学得到了显著的提高，医师通过更为精细的影像图片观察患者体内的内部结构，是医学界的一大进步。步入二十一世纪，影像器械发展进入了新的纪元，螺旋CT机的发明以及各种基于X光及伽马射线的细分机器的发明使得影像医学的领域逐渐细分。
国内近几年也紧跟国外的脚步，利用国外先进的技术以及理念，在骨肿瘤置换手术上也取得了非常不错的成绩。在国内知名的医院中，一项统计说明，骨肿瘤的手术成功率已经达到了百分之九十以上，且术后的满意度也普遍较高，通过假体置换手术，已经成功的帮助众多患者重新恢复了行动能力，造福了无数人民。
2 影像数据的三维重建
2.1图像的预处理
所需设备 :PC（Personal Computer）一台、软件MIMICS（Materialise’ s Interactive Medical Image Control System）17.0由比利时Materialise公司开发、 现有的CT图像数据。
2.1.1创建工程及操作界面简介
在文件菜单栏中，选择创建工程选项（也可以用快捷键Ctrl+N）,打开对话框中将显示所有的断层图片，选定所有图片所在的文件夹，单击Next,所有的图片将会自动被创建为打包好的格式。选中图片数量最多的那个包，单击Convert将所有的图片转化为Mimic中工程，此过程可能花费较长时间，时间取决于CT的分辨率、帧数以及电脑的CPU性能。完成后单击打开所创建的后缀名为mcs的文件，所有的图片都被打开并且显示在了三个视图中，由于本论文中所涉及的数据并非标准的DICOM格式，故在Open Project时需要手动的调节方向窗口的图像方向，根据观察手动调节方向窗口上的Anterior、Top、Bottom 、Posterior 、Right、 Left 。调节完成之后检查方位是否符合病人身体的方位，如若正确，点击OK按钮则进入了MIMICS中对CT图像的一般视图中。此视图中位于左上角的视图为前视图（xzview或者coronal view）,前视图在本病例中包含的信息最多，也是本文中众多数据的来源。
目 录
1 引言 1
1.1课题研究的背景及意义 1
1.2国内外发展现状 3
2 影像数据的三维重建 3
2.1图像的预处理 3
2.2创建三维演示 10
3 假体设计 11
3.1通用假体与定制假体的利与弊 11
3.2肿瘤切除界限的界定 13
3.3假体尺寸数据的获取 15
3.4假体的建模 17
3.5假体的配合验证 17
3.6假体的材料选用论证与内部结构选择 19
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 引言
1.1课题研究的背景及意义
1.1.1骨肿瘤简介
骨肿瘤是发生于骨骼及其附属组织的肿瘤，有良性和恶性两种不同的分别。其中良性肿瘤易于根治，预后良好，恶性肿瘤恶化迅速，预后不佳且死亡率高。恶性肿瘤分为原发性和继发性。从体内其他组织或器官的恶性肿瘤经过血液循环、淋巴系统转移至骨骼的为继发恶性肿瘤。
既然骨肿瘤分为良性和恶性两种，故其具有不同的治疗方法与途径。其中良性肿瘤一般采用局部刮除、植骨或切除为主。良性肿瘤若能彻底去除则不易复发，预后良好，病人恢复运动功能期望较大，恢复周期短，是理想的治疗手段。恶性肿瘤则没有那么简单，传统的手术方法是医生直接对病变的区域组织实施截肢手术，是为了病人的存活率实施的最简单也是最广泛的方法。近年来，随着医学影像技术和计算机技术的突飞猛进，众多学者尝试借助计算机辅助软件设计定制性假体置换病变骨以实现保留肢体，是一项被逐步推广的技术，也是本文中将重点讨论的内容。
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图 2骨肿瘤的CT图片 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
1.1.2医学影像技术发展简介
在X光被发现之前，医者在诊断病情想要了解患者身体内部结构时，必须采用手术剖开或者触诊。前者的做法不仅对病人伤害较大带来痛苦，而且风险更是增加好多。而后者因其不直观性，导致在诊断的过程中医者不能直观的观察到病变组织的形态，因此此种方法极易发生误诊。因此1895年德国物理学家威廉伦琴X射线的发现，对于需要透视疾病病情的诊断有革命性的影响，极大的推动了现代医学的发展，对影像医学有着不可磨灭的贡献。
影像医学发展到当代，由于其原理不同，分出了几个不同的分支。其中之一就是基于X射线的新技术，例如血管摄影（Angiography）,心血管摄影（Cardiac angiography）,计算机断层扫描（CT，Computerized tomography）,牙影摄影（Dental radiography）,萤光透视镜（Fluoroscopy）,乳房摄影(Mammography),X光片（Radiography）.除了X光的众多应用，另外伽马射线、核磁共振、超声波、光学摄影也是影像医学中的重要组成部分，由于本文重点讨论X射线中计算机断层扫描技术的应用，故上述其他应用不作详细描述。
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图 4东芝的64排螺旋CT机
X射线的应用已经经历了一百多年的发展，CT技术已经发展到多层螺旋采集。对患者诊断时，一次可以采集64~320个层面，每一层都可以薄至0.5mm。如此巨量的信息，可以极大的提高CT图片的解析力，换言之患者的骨骼、肌肉、血管、病变组织都可以以很清晰的辨析度呈现。在后期的计算机处理中，高精度的扫描能极大的提高数据的精确度，对于后期的建模以及假体设计提供了可靠的数据来源以及精度保障。
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图 5通过螺旋扫描得到三个方向的影像数据
1.2国内外发展现状
骨肿瘤的保肢手术在国内起步比较晚，且普遍的水平要低于国外。上个世纪八十年代左右我国引入了相关的技术，也伴随着影像技术的不断成熟，我国的医者渐渐抛弃了基于放疗和化疗的治疗方法。国外在这一领域明显要领先于国内，国外70年代出现了CT技术，80年代出现了MRI技术，MRI技术的出现使得影像医学得到了显著的提高，医师通过更为精细的影像图片观察患者体内的内部结构，是医学界的一大进步。步入二十一世纪，影像器械发展进入了新的纪元，螺旋CT机的发明以及各种基于X光及伽马射线的细分机器的发明使得影像医学的领域逐渐细分。
国内近几年也紧跟国外的脚步，利用国外先进的技术以及理念，在骨肿瘤置换手术上也取得了非常不错的成绩。在国内知名的医院中，一项统计说明，骨肿瘤的手术成功率已经达到了百分之九十以上，且术后的满意度也普遍较高，通过假体置换手术，已经成功的帮助众多患者重新恢复了行动能力，造福了无数人民。
2 影像数据的三维重建
2.1图像的预处理
所需设备 :PC（Personal Computer）一台、软件MIMICS（Materialise’ s Interactive Medical Image Control System）17.0由比利时Materialise公司开发、 现有的CT图像数据。
2.1.1创建工程及操作界面简介
在文件菜单栏中，选择创建工程选项（也可以用快捷键Ctrl+N）,打开对话框中将显示所有的断层图片，选定所有图片所在的文件夹，单击Next,所有的图片将会自动被创建为打包好的格式。选中图片数量最多的那个包，单击Convert将所有的图片转化为Mimic中工程，此过程可能花费较长时间，时间取决于CT的分辨率、帧数以及电脑的CPU性能。完成后单击打开所创建的后缀名为mcs的文件，所有的图片都被打开并且显示在了三个视图中，由于本论文中所涉及的数据并非标准的DICOM格式，故在Open Project时需要手动的调节方向窗口的图像方向，根据观察手动调节方向窗口上的Anterior、Top、Bottom 、Posterior 、Right、 Left 。调节完成之后检查方位是否符合病人身体的方位，如若正确，点击OK按钮则进入了MIMICS中对CT图像的一般视图中。此视图中位于左上角的视图为前视图（xzview或者coronal view）,前视图在本病例中包含的信息最多，也是本文中众多数据的来源。
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