口腔頜面疾病輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、口腔頜面疾病輔助診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)    摘要：為給口腔頜面外科的臨床診斷提供幫助，并對(duì)TMJ進(jìn)行虛擬手術(shù)操作，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)腔頜面疾病醫(yī)學(xué)輔助診斷系統(tǒng)(OMDMADS)。系統(tǒng)采用Addln樹設(shè)計(jì)方法，包括一個(gè)醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)和一個(gè)口腔頜面疾病本體。介紹OMDMADS的功能和設(shè)計(jì)過(guò)程。根據(jù)輸入的CT圖像重建下頜骨的三維模型。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)疾病信息查詢和模型操作，用作醫(yī)患交流平臺(tái)和教學(xué)工具。關(guān)健詞：虛擬手術(shù)；三維重建；Dicom標(biāo)準(zhǔn)；面繪制；體繪制；醫(yī)學(xué)本體1 概述虛擬手術(shù)是在計(jì)算機(jī)中建立一個(gè)虛擬環(huán)境來(lái)模擬醫(yī)生手術(shù)所涉及的各種過(guò)程。醫(yī)生借助虛擬環(huán)境中的

2、信息進(jìn)行手術(shù)演練、手術(shù)教學(xué)、手術(shù)技能訓(xùn)練等工作?。人體的下頜系統(tǒng)主要由下頜骨和顳下頜關(guān)節(jié)(TMJ)組成。許多口腔疾病都與TMJ有關(guān)。本文利用Matlab和Vc+，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)口腔頜面疾病醫(yī)學(xué)輔助診斷系統(tǒng)(Medical Aided DiagnosisSystem of Oral and Maxillofacial Diseases，OMDMADS)，幫助口腔醫(yī)生進(jìn)行口腔疾病的診斷。2 OMD-MADS的功能OMDMADS的主要功能模塊結(jié)構(gòu)如圖所示。OMDMADS主要對(duì)頭部的CT圖像進(jìn)行研究處理，也可以研究其他的醫(yī)學(xué)圖像。醫(yī)學(xué)圖像的格式都符合DICOM30標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)采用Addln樹插件管理

3、平臺(tái)，由醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)及口腔頜面疾病本體構(gòu)成。醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)能對(duì)病人的面部和骨骼進(jìn)行三維重建，可以實(shí)現(xiàn)圖像讀入、預(yù)處理、圖像分割、三維模型重建、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能?？谇活M面疾病本體對(duì)I：1腔頜面外科中常見的疾病進(jìn)行了定義，包括疾病的癥狀、治療方法及相關(guān)病例，可以實(shí)現(xiàn)腔疾病信息的查詢。3 醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)OMDMADS中的三維重建系統(tǒng)利用Matlab和VC實(shí)現(xiàn)。Matlab與許多面向?qū)ο笳Z(yǔ)言都有接口，如c+、Vc+等。因此，用Matlab實(shí)現(xiàn)原型系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有可靠實(shí)用、擴(kuò)展性好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可根據(jù)用戶的需求，對(duì)功能進(jìn)行擴(kuò)充。31 三維重建系統(tǒng)的功能模塊醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)分為不

4、同的功能模塊，每個(gè)模塊完成不同的功能。主要模塊的功能如下：(1)醫(yī)學(xué)圖像的讀入讀入并顯示DICOM 格式的醫(yī)學(xué)圖像，顯示讀取圖像的各種信息，如圖像的產(chǎn)生時(shí)間、病人名稱等，并可對(duì)圖像進(jìn)行放大、縮小和旋轉(zhuǎn)操作。(2)醫(yī)學(xué)圖像的預(yù)處理在CT或MRI圖像的獲取過(guò)程中，由于影像設(shè)備中各電子器件的隨機(jī)擾動(dòng)及周圍環(huán)境的影響，圖像含有噪聲或出現(xiàn)失真。因此需要對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行濾波或消除噪聲操作，增強(qiáng)圖像特征。(3)醫(yī)學(xué)圖像的分割及三維重建本文的主要研究對(duì)象是下頜骨和TMJ，主要采用閾值分割和邊緣檢測(cè)的分割方法。使用閩值分割法對(duì)CT圖像中的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行分割，并用獲得的體素進(jìn)行三維重建。利用邊緣檢測(cè)和輪廓跟蹤獲得目標(biāo)

5、輪廓線，重建三維表面。OMDMADS采用Sobel算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)。根據(jù)給定的等值面值，用Matlab等值面繪制函數(shù)進(jìn)行體繪制，重建相應(yīng)的三維幾何模型。(4)三維模型的顯示與操作三維模型的幾何操作主要包括三維模型的旋轉(zhuǎn)、平移、放大、縮小等，并可改變模型的顯示顏色，呈現(xiàn)不同的顯示效果。(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要是對(duì)用戶操作過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，使用戶在下一次操作中可以繼續(xù)使用，提高信息的使用效率。對(duì)操作結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，可以存為jPg、dicom和bmp3種格式的圖像。32 三堆重建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型主要有：(1)圖像。讀入的圖像直接用矩陣進(jìn)行存儲(chǔ)表示。設(shè)矩陣A

6、表示一張讀入的圖像，A(id)表示圖像中位置為(J)的像素所對(duì)應(yīng)的灰度值。(2)輪廓線。通過(guò)分割獲得的輪廓線用矩陣表示。在矩陣中，輪廓線上像素點(diǎn)的灰度值為1，其他像素點(diǎn)的灰度值為0。在對(duì)輪廓線重采樣時(shí)，用數(shù)組記錄重采樣點(diǎn)的位置和坐標(biāo)。(3)體素。體素的體積很小，其頂點(diǎn)用單個(gè)像素點(diǎn)表示，即用矩陣中的點(diǎn)表示。體素的8個(gè)頂點(diǎn)是緊鄰的像素點(diǎn)。(4)等值面。等值面用等值線表示。通過(guò)對(duì)體素中等值頂點(diǎn)的連接形成等值線，最后由相交的等值線構(gòu)成等值面。33 三維重建系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)模式該三維重建系統(tǒng)采用AddIn樹的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一個(gè)AddIn樹插件管理平臺(tái)，易于擴(kuò)充。系統(tǒng)的各個(gè)模塊都以插件的形式插入到系統(tǒng)中。

7、當(dāng)需要添加某個(gè)功能時(shí)，通過(guò)插入插件的方式增加該功能。當(dāng)需要取消某個(gè)功能時(shí)，直接把相應(yīng)的插件刪除即可。插件的插入和取消操作都比較方便，并且不影響其他的功能插件。(1)Addln樹的基本概念A(yù)ddins(插件)也稱Plugins j。AddIn樹是一個(gè)簡(jiǎn)單的樹形結(jié)構(gòu)，插件插入到樹中。AddIn樹中包含2種不同的對(duì)象：節(jié)點(diǎn)和路徑。插件是Addln樹中的節(jié)點(diǎn)。路徑的作用是構(gòu)造樹，不是真正的節(jié)點(diǎn)。構(gòu)造Addln樹時(shí)，要清楚每個(gè)插件的具體位置和詳細(xì)路徑。與其他設(shè)計(jì)方法相比，Addln樹有自身的優(yōu)點(diǎn)，如插件不必實(shí)現(xiàn)自己的插件結(jié)構(gòu)，插件的復(fù)制和刪除部署變得非常容易。(2)插件定義下面是一個(gè)簡(jiǎn)單插件文件的編碼實(shí)

8、例。<AddIn name=qped Collection Wizardauthor=-Liping Zhengcopyright=GPLurl=unknowndescription=Creates a typed collectionversion=100><Runtime><Import assembly=TypedCollectionWizarddll><Runtime><Extensionpath=OMDMADSTemplatesFileTypedCollection><DialogPanel id=Collection

9、Generatorlabel=Typed Collectionclass=TypedCO1lectiOnGeneratOrTypedCollectionWizardPnel><Extension><Addln>該插件定義用XML 編寫。根結(jié)點(diǎn)包含插件的屬性。<Runtime>節(jié)點(diǎn)包含該插件所需程序集的相關(guān)信息。它包含用于定義文件的類。之后定義了一個(gè)<Extension>節(jié)點(diǎn)，包含1個(gè)path屬性和1個(gè)子節(jié)點(diǎn)。34 OMDMADS的插件平臺(tái)最初構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，所有功能都用Matlab編程實(shí)現(xiàn)，所有的編碼都集成到一個(gè)M文件中，并命名為OMDMADS

10、M。在Matlab中用mccm命令把OMDMADSM 進(jìn)行編譯，生成獨(dú)立可直接執(zhí)行的OMDMADSexe文件。另外也可以將生成的main函數(shù)轉(zhuǎn)換為WinMain函數(shù)，去掉控制臺(tái)窗13，然后用VC對(duì)修改文件進(jìn)行編譯，就可以生成不帶控制臺(tái)的可直接執(zhí)行的exe文件。OMDMADS用Vc+構(gòu)建AddIn樹管理平臺(tái)。每個(gè)功能用一個(gè)M文件實(shí)現(xiàn)。把M文件在Vc+中進(jìn)行編譯和執(zhí)行，即把M 文件轉(zhuǎn)化成能在Vc+中直接調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)。這樣就可以直接進(jìn)行插件的插入和管理，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)充。在執(zhí)行時(shí)，需要對(duì)Vc+的編程環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，把Matlab的包含文件路徑和庫(kù)文件路徑添加到Vc+路徑中。13腔頜面疾

11、病本體是owl格式的文件，可以轉(zhuǎn)換成Vc+直接調(diào)用的文件格式。因此，口腔頜面疾病本體功能都能以插件的方式插入到系統(tǒng)中。整個(gè)系統(tǒng)的插件結(jié)構(gòu)如圖所示。35 三維重建系統(tǒng)的系統(tǒng)界面及菜單功能Matlab提供了圖形用戶界面(GUI)的編程功能，因此，OMDMADS的主要功能和系統(tǒng)界面都用Matlab編程實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的部分主界面如所示。界面中有主菜單、顯示窗IZ1、一些操作按鈕和文本對(duì)話框。左上方窗口用于顯示讀入的醫(yī)學(xué)圖像。放大、縮小和旋轉(zhuǎn)按鈕可實(shí)現(xiàn)圖像的相關(guān)操作。通過(guò)輸入Sobel邊緣檢測(cè)閾值，可對(duì)圖像進(jìn)行指定閾值的Sobel邊緣檢測(cè)。在進(jìn)行閾值分割時(shí)，用戶可以自己輸入閾值的范圍，即輸入閾值的最大值和最

12、小值。系統(tǒng)的主菜單分別是文件、圖像預(yù)處理、圖像分割、三維重建、幾何操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、口腔頜面疾病本體、有限元分析、其他功能和幫助菜單。文件菜單實(shí)現(xiàn)圖像的讀入、清除、保存、打印和退出操作。系統(tǒng)可讀入單張或多張醫(yī)學(xué)圖像。清除操作可去除圖像中頭架等無(wú)用信息。保存操作可把清除后的圖像和圖像信息保存為新的Dicom格式圖像。打印操作可把主界面進(jìn)行打印輸出。退出操作可退出正在使用的OMDMADS。圖像分割菜單包括閾值法、邊緣檢測(cè)和輪廓跟蹤3種分割操作。閾值法分為對(duì)骨骼組織、皮膚組織和肌肉組織的分割。三維重建菜單主要是對(duì)讀入的一組圖像用面繪制方法進(jìn)行表面的三維重建。幾何操作菜單主要是對(duì)圖像進(jìn)行放大、縮小和旋轉(zhuǎn)

13、操作，并顯示圖像的一維灰度直方圖、二維灰度直方圖和灰度均值圖像。另外，還可以對(duì)視圖的顯示角度進(jìn)行改變。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)菜單主要是對(duì)窗口中顯示的圖像和圖形進(jìn)行存儲(chǔ)和打印。通過(guò)窗口打印可以把左下窗I：1和右窗E1中的當(dāng)前內(nèi)容存為JPg或bmp格式的圖像。13腔頜面疾病本體菜單是連接一個(gè)已經(jīng)構(gòu)建好的13腔頜面疾病本體。幫助菜單提供了系統(tǒng)的基本信息和主要功能介紹，給用戶提供基本的幫助信息。4 口腔飯面疾病本體口腔頜面疾病本體對(duì)口腔頷面外科常見的疾病、病癥、治療方法、易發(fā)人群等概念進(jìn)行定義，可提供相關(guān)疾病信息的查詢。41 本體本體最早是哲學(xué)上的一個(gè)概念，后來(lái)引入到計(jì)算機(jī)領(lǐng)域。最近幾年，本體在許多領(lǐng)域都得到了應(yīng)用

14、，如電子工程、遠(yuǎn)程教育、醫(yī)學(xué)等。國(guó)內(nèi)外有關(guān)醫(yī)學(xué)本體的研究項(xiàng)目主要有GOpJ、中醫(yī)藥一體化語(yǔ)言系統(tǒng)UTCMLSL6 等。42 口腔飯面疾病本體的構(gòu)建醫(yī)學(xué)本體可以減少有關(guān)醫(yī)學(xué)概念和術(shù)語(yǔ)的歧義，可增強(qiáng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)專業(yè)知識(shí)的復(fù)用和共享能力。OMDMADS中的I：1腔頜面疾病本體使用Protege31和Graphviz進(jìn)行構(gòu)建。(1)口腔頜面疾病本體中的組件1)公理在口腔頜面疾病本體中給出了6個(gè)與疾病相關(guān)的公理。這些公理有的是類之間的公理，有的是類所對(duì)應(yīng)屬性之間的公理。公理1對(duì)于疾病x，存在癥狀Y，s為臨床表現(xiàn)，s(Yx)表示疾病x的臨床表現(xiàn)是癥狀Y。公理2所有惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移速度是x，所有良性腫瘤的轉(zhuǎn)移速

15、度是Y，s(x，Y)表示惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移速度大于良性腫瘤的轉(zhuǎn)移速度，即：X>Y。公理3所有疾病x復(fù)發(fā)率都大于0，并且小于等于1，即0<X復(fù)發(fā)率l。公理4所有疾病x發(fā)病率都大于0，并且小于等于l，即0<X發(fā)病率1。公理5所有疾病x最大發(fā)病年齡大于x最小發(fā)病年齡，即x最大發(fā)病年齡>x最小發(fā)病年齡。公理6所有疾病x人群死亡率小于等于x發(fā)病率，即x人群死亡率x發(fā)病率。2)基本類在I：1腔頜面疾病本體中定義了5個(gè)基本類，分別是Diseases、Exaneousfactor、M edicalsubstance、Medicaltreatement和Patient。這5個(gè)基本類又包含許多

16、子類。如Diseases包含子類Other diseases和子類DiseasesOralandM axillofacial Region。類DiseasesOralandMaxillofacialRegion 又分為CongenitaldeformityofOralandMaxilOfacial_Region、Periodontaldisease、both disease等8個(gè)子類。個(gè)別子類還可以根據(jù)臨床癥狀近一步地細(xì)分。在El腔頜面疾病本體中共包含119個(gè)類。圖4是5個(gè)基本類的結(jié)構(gòu)層次。3)屬性在定義了類之后，就要定義類的屬性。屬性分為數(shù)據(jù)類型屬性和對(duì)象屬性。數(shù)據(jù)類型屬性可以修飾每個(gè)類。對(duì)

17、象屬性是表示類之間的關(guān)系。在頜面疾病本體中定義了許多屬性和關(guān)系，如表所示。不同的類有不同的屬性，子類可以繼承父類的屬性，并可以包含一些新的屬性。如類Patient的屬性是住址、姓名、就診記錄、年齡、性別、電話號(hào)碼、病歷號(hào)和患病。4)實(shí)例每個(gè)類都有對(duì)應(yīng)的具體實(shí)例。在已構(gòu)建的口腔頜面疾病本體中，包含許多實(shí)例，如類Diseases有93個(gè)實(shí)例，類Exfaneousfactor有9個(gè)實(shí)例。類Patient有10個(gè)實(shí)例，每個(gè)實(shí)例表示一個(gè)病人的情況。類Diseases的每個(gè)實(shí)例都表示一種具體的疾病。(2)VI腔頜面疾病本體的應(yīng)用用戶可以根據(jù)需要對(duì)口腔頜面疾病本體進(jìn)行查詢。用戶可按照具體的類名和屬性進(jìn)行查詢

18、，并把查詢方式進(jìn)行存儲(chǔ)。查詢條件越多，查詢的結(jié)果越準(zhǔn)確。查詢結(jié)果可以保存為文本格式，也可以保存到一個(gè)JDBC數(shù)據(jù)庫(kù)中。在存儲(chǔ)的過(guò)程中，Prot6g6可以自動(dòng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)表格。因此，口腔頜面疾病本體可以滿足用戶的多種需要。5 結(jié)束語(yǔ)本文根據(jù)具體的研究目標(biāo)，基于Matlab、Vc+和Prot6g6，采用Addln樹設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了一個(gè)口腔頜面疾病醫(yī)學(xué)輔助診斷系統(tǒng)(OMDMADS)。本文主要對(duì)TMJ進(jìn)行三維重建，只能獲得TMJ的三維模型。在將來(lái)還需要顯示TMJ的運(yùn)動(dòng)軌跡并進(jìn)行受力分析，以找出疾病的發(fā)病原因。因此，需要對(duì)醫(yī)學(xué)圖像三維重建系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)充，如增加有限元分析模塊，實(shí)現(xiàn)圖像的濾波、插值、圖像平移、等操作。另外文中只構(gòu)建了13腔頜面疾病本體，將來(lái)可以嘗試構(gòu)建其他的醫(yī)學(xué)本體，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同醫(yī)學(xué)系統(tǒng)之間的資源共享和復(fù)用。中國(guó)醫(yī)學(xué)論文網(wǎng)專業(yè)提供醫(yī)學(xué)論文發(fā)表服務(wù)，并提供大量口腔醫(yī)學(xué)論文，如有業(yè)務(wù)需求請(qǐng)咨詢網(wǎng)站客服人員！參考文獻(xiàn)1 趙志球，謝嚦，王丹，等股骨遠(yuǎn)端骨折復(fù)位虛擬手術(shù)的研究系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21(z1)