图像增强下的ACL三维重建研究

As the cutting edge research field of medicine image processing, anterior cruciate ligament (ACL) provides a new scheme of ACL's patient to use three-dimensional (3D) reconstruction technology. Although it is true that the reconstruction surgery of ACL using arthroscopy has high success probability, there are still some limitation as follows: 1)the accurately locating of bone-tunnel reconstruction with wrong position. 2)ACL reconstruction's results have high failure potential and rate of second surgery. At the same time, the currently algorithms of ACL reconstruction have high complexity. It is very difficult for accurately ACL 3D reconstruction. Based on the thoroughly study of ACL reconstruction's development, we found that the following problems are still need to be solved: 1) how to reconstruct the accurately ACL 3D and ACL location. 2) how to design matching algorithm to establish individual's ACL 3D reconstruction model. In this proposal, we make a feasible plan to solve above problems based on image processing and virtual reality technology. The successful implementation of this project will establish simulation system of computer aid ACL 3D reconstruction. After finishing this project also will further improve the accurately ACL 3D reconstruction and expand its applying field in medicine image processing. As a result, it will make a big contribution for building the high influence of our country in this research field.

作为医学图像处理领域的研究前沿，三维重建技术为前交叉韧带(ACL)手术提供了一种新的治疗机制。尽管基于关节镜下ACL重建手术有很高的成功率，然而仍有以下缺陷：1)前交叉韧带重建隧道位置不精确；2)手术具有较大失败率和翻修率。同时目前的ACL重建算法复杂度高，精确地ACL三维重建困难。项目组在归纳现有研究成果基础上，凝练出一系列函待解决的科学问题：1)如何精确地ACL 三维重建及测量ACL 起止点；2)如何设计匹配算法建立适合于个体化的ACL 三维重建模型。针对上述问题，项目组结合图像处理和虚拟现实技术，拟定了切实可行的研究方案。本项目完成后，可建立计算机辅助ACL 仿真重建手术模拟系统，有望显著改进ACL三维重建精度，进一步的推广ACL三维重建在医学领域的应用，从而有力提升我国在该前沿领域的研究水平。

本项目针对前交叉韧带(ACL)三维模型重建算法复杂度高，精确地ACL三维模型重建困难等问题，主要的研究内容是：(1)如何精确地ACL 三维模型重建及测量ACL 起止点；(2)建立适合于个体化的ACL 三维模型。主要成果包括：(1)前交叉韧带(ACL)损伤检测技术及重建预处理研究。采用种子点选定韧带中心点的方法快速提取ACL，实验结果显示了ACL的分割结果比传统方法好很多；针对ACL三维重建的过程中ACL体积小，很难从MRI中辨认的问题，提出改进区域生长算法和MC算法融合对ACL下MRI图的三维模型重建算法，提出的算法很好的改进了ACL的三维模型重建精度。(2)ACL三维重建技术研究。分析现有的三维重建技术，从重建时间和重建精度两个性能角度，提出适合膝关节CT/MRI扫描的三维模型重建算法，为前交叉韧带(ACL)重建分析建立高可信度的数学模型；提出了ACL三维重建的可视化算法，并反推用户（检测医师）对可视化的满意调查来确定三维模型的绘制方法；提出基于标记点生成三角形的ACL三维模型重建方案，该算法首先对每一个断层进行匹配矫正，确定中心对齐，然后对边缘进行检测并对像素点进行标记，最后对边缘的对应连接点链接形成环状面片，依次链接之后形成完整模型，算法较好的解决了ACL 三维重建的情况。提出基于体素的ACL重建算法，算法针对中心对齐且MRI的像素足够精细，实验结果显示三维模型精度提高较大，但有一定的随机成分。(3)基于图像三维重构的前交叉韧带(ACL)重建分析研究。针对当前的ACL重建技术中有几个公开问题：骨隧道的入口位置选取；单束重建还是双束重建更有利于维持稳定；移植物材质的选取；以及是否保留ACL残迹等问题。提出对建立的膝关节三维模型计算不同角度，弯曲度，以及不同受力情况下ACL的各项数据，分析不同材质，不同股骨止点等因素的影响，从而建立可信的ACL重建。本项目的研究建立了计算机辅助ACL 三维重建手术模拟系统，为显著改进ACL三维重建精度提供了有价值的参考，从而为该领域的研究奠定了更为坚实的理论基础。