机械臂超声成像结合超声-CT 配准技术构建胫股关节在体检测系统的可行性及精度分析

汪斐，徐灏，姜江，杨萃，贾蕊，杜冰冉，李鉴轶

1.南方医科大学基础医学院人体解剖学教研室，广东省数字医学与生物力学重点实验室，广州 510515；2.华南理工大学，广州 510641

膝关节是人体最复杂的关节，由胫股关节及髌股关节组成，有重要的支撑作用，存在较高的损伤风险，易使膝部出现相关功能障碍，影响日常生活及工作[1]。因此，探究膝关节损伤机理，早期预防膝关节损伤尤为关键[2]。准确安全的在体运动检测是分析膝关节损伤机制的基础，对膝关节早期诊断及功能评价起重要作用，但传统X 线、CT、MRI 等影像学方法只能提供静态图像，无法检测动态运动。基于运动捕捉分析系统及表面肌电的检测方法可进行在体运动评价，但由于其采集皮肤运动信息，皮肤具有较大的伸缩性，用以评价骨的运动其精度有较大偏差[3～5]。随着医学超声成像技术的发展，超声检测在临床广泛应用，超声-CT 图像配准可以对膝关节进行运动分析[6]。本研究组前期设计了基于机械臂的自动三维超声成像系统，尚未应用于膝关节在体运动检测[7]，本研究应用机械臂超声成像结合超声-CT 配准技术构建胫股关节在体检测系统，并对该系统的测试精度进行评价，为实现膝关节在体运动检测提供基础。

1 材料和方法

1.1 材料与设备

1.1.1 基于机械臂的自动三维超声成像系统 该系统如图1 所示，主件包括：带有获取2D 超声图的线阵（L9-4/38）及凸阵（C7-3/50）超声探头的医学超声设备（Ultrasonix Medical Corporation，加拿大）；一个搭载探头的六自由度机械臂（重复定位精度为0.02 mm）（EPSON C4-A601S，Seiko Epson Corporation，日本）；用于获取人体RGB 图像和深度图像的RGB-D 传感器（Kinect v1，Microsoft Corporation，美国）；一台收集B型超声图及其位置信息以便后续三维重建的工业计算机（IPC）；一台用于完成扫描区域分割和控制机械臂的个人计算机（PC）。配件包括三轴位移平台，旋转微调滑台；自制股骨固定支架；3D 打印股骨旋转支架（图2）。

图1 基于机械臂的自动三维超声成像系统Fig.1 Automatic three-dimensional ultrasonic imaging system based on robotic arm

图2 机械臂自动三维超声成像系统配件（从左至右依次为：三轴位移平台、旋转微调滑台、自制股骨固定支架、3D 打印股骨旋转支架）Fig.2 From left to right: three-axis displacement platform，rotating plate，femoral fixed bracket，3D printed femoral rotation bracket

1.1.2 软件 医学影像处理软件Mimics 21.0（Materialise，比利时）；逆向工程软件Geomagic Wrap 2017（Raindrop Geomagic，美 国）；逆向工程软件Rapidform XOR3（INUS，韩国）。

1.1.3 实验标本 猪胫股关节1 个，猪股骨1 根。

1.2 实验方法

1.2.1 超声-CT 图像配准

（1）标本超声图像获取 通过基于机械臂的自动三维超声成像系统扫描获取标本的超声图像，包括扫描区域自动识别及分割、机械臂扫描路径规划、机械臂搭载超声探头沿规划路径进行扫描、IPC 收集一系列二维B 型超声图像以及相应的机械臂姿态信息。获得的超声影像数据以UVF 自定义格式保存输出[7]。

（2）标本CT 图像获取 于南方医科大学第七附属医院影像科，扫描获取标本螺旋CT 断层图像，扫描层厚0.45 mm，获得的原始CT 影像数据以DICOM 格式保存输出。

（3）超声及CT 图像三维重建 分别将标本原始CT 影像数据及超声影像数据导入Mimics 软件，导入超声影像数据时输入基于机械臂的自动三维超声成像系统计算得出的比例尺，确认扫描影像方位信息无误后，完成导入。新建蒙版，通过阈值分割窗口调节灰度值，以获得最接近实际需求的骨状态。利用软件分割模块中的“区域增长”，“蒙版编辑”等工具，对初始蒙版进一步分割优化，得到标本蒙版。利用三维计算功能对蒙版进行计算生成标本三维模型，保存为立体光刻（STereoLithography，STL）格式。

（4）图像配准 将以STL 格式保存的超声及CT 三维模型导入Geomagic Wrap 软件，进行光顺处理后，利用软件“工具→对象移动器”功能，移动CT 三维模型，对超声三维模型与CT 三维模型进行手动配准（即3D/3D 配准方式）。

1.2.2 CT 三维模型特征建立 将以STL 格式保存的CT三维模型导入Geomagic Wrap软件[8]。

（1）点特征的建立（用于计算平移精度）随机选取股骨模型上三个点创建点特征，分别命名为点1、点2、点3。

（2）直线特征的建立（用于计算旋转精度）直线1 特征的建立（用于X、Y 轴旋转角度计算）：选中整个股骨模型，创建圆柱体特征；选择圆柱体轴心上2 个点创建直线特征，命名为直线1；直线2 特征的建立（用于Z 轴旋转角度计算）：选中双侧股骨后髁，创建平面特征；利用该平面与圆柱体的底部平面相交创建直线特征，命名为直线2。

所建特征如图3 所示。建立特征后的CT 三维模型以WRP 格式导出进行保存。

图3 建立特征的CT 三维模型Fig.3 Three-dimensional models of CT that had established features

1.2.3 精度验证 选用猪股骨标本进行精度验证（图4）。

图4 六自由度精度验证实验Fig.4 Accuracy verification experiments of six degrees of freedom

（1）平移精度验证 标本置于自制股骨固定支架上，支架与三轴位移平台相连，三轴位移平台调零，将股骨分别沿X 轴、Y 轴、Z 轴平移0、5、10、15、20、25、30 mm，利用机械臂超声扫描系统对每一位置股骨进行扫描获取超声图像，进行三维重建后与已建立特征的CT 三维模型进行配准，如图5 所示。计算每一位置对应的CT 三维模型间的位移，并与真实位移进行对比，计算平移精度。CT 三维模型间的位移通过已建立的特征点间距离计算，选择“分析→距离→从特征测量距离”计算点1 之间、点2 之间、点3 之间的距离，取3 者平均值即为CT 三维模型间的位移。

图5 平移精度验证 a：超声-CT 配准图b：三轴平移后与超声配准的CT 三维模型图Fig.5 Translation accuracy verification a: image of ultrasound-CT registration; b: threedimensional models of CT that were registered with ultrasound after three-axis translation

（2）旋转精度验证 绕Y 轴旋转：标本置于自制股骨固定支架上，支架与旋转微调滑台相连，旋转微调滑台调零，将股骨标本旋转0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°；绕X 轴旋转：标本置于3D 打印旋转支架上，初始旋转角度设置为0°，将股骨标本旋转0°、±10°、±20°、±30°；绕Z 轴旋转：标本置于3D 打印旋转支架上，初始旋转角度设置为0°，将股骨标本旋转0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°。利用机械臂超声成像系统对每一位置股骨进行扫描获取超声图像，进行三维重建后与已建立特征CT 三维模型进行配准。如图6 所示。计算每一位置对应的CT 三维模型间的角度变化值，并与真实角度变化值进行对比，计算绕X、Y、Z 轴旋转精度。绕X、Y 轴旋转CT 三维模型间的角度变化值通过已建立的直线1 特征间夹角计算。将不同角度配准的CT 三维模型中的直线1 特征导出为初始图形交换规范（Initial Graphics Exchange Specification，IGES）格式，并导入RapidForm XOR3 中，通过“角度测量”功能，测量直线1 特征间夹角。绕Z 轴旋转CT 三维模型间的角度变化值通过已建立的直线2 特征间夹角计算。将不同角度配准的CT 三维模型中的直线2 特征导出为IGES 格式，并导入RapidForm XOR3 中，测量直线2 特征间夹角。

图6 三轴旋转后与超声配准的CT 三维模型图Fig.6 three-dimensional models of CT that were registered with ultrasound after three-axis rotation

1.3 统计学处理

采用SPSS25.0 软件进行分析。逐一计算六自由度位置变换后测量值与真实的位移或角度变化间的误差，精度测量结果以6 次误差值（）表示，评价系统测量的准确性和稳定性。为验证不同人员对同模型手动配准后精度测量结果的可重复性，配准及精度计算由两名研究人员分别进行，并计算组内相关系数（Intraclass Correlation Coefficient，ICC），ICC＞0.75 可重复性较好。

2 结果

2.1 超声-CT（3D/3D）模型配准可行性

将超声及CT 图像分别三维重建，猪胫股关节超声及CT 三维模型能基本吻合，如图7 所示，利用三维几何信息进行手动配准具有可行性。

图7 超声-CT（3D/3D）模型配准可行性 从左至右依次为：超声三维模型、CT 三维模型、超声-CT 配准Fig.7 From left to right: three-dimensional models of ultrasound,three-dimensional models of CT,image of ultrasound-CT registration

2.2 六自由度精度验证

六自由度精度验证结果如表1 所示，沿三轴平移平均误差值在1 mm 左右，平移运动检测精度结果较一致；绕三轴旋转运动检测精度有一定差距，其中绕X 轴旋转误差最大，平均为（1.50±0.56）°，绕Y 轴旋转误差最小，平均为（0.63±0.63）°。从标准差来看，系统检测结果具有一定的稳定性，平移运动检测结果的稳定性优于旋转运动。

表1 精度验证实验结果（±s）Tab.1 Results of accuracy verification experiment（Mean±SD）

表1 精度验证实验结果（±s）Tab.1 Results of accuracy verification experiment（Mean±SD）

两名研究人员对同模型手动配准后精度测量结果的ICC 值为0.794（F=9.535，P=0.014），表明精度测量结果的可重复性较好，精度验证结果具有可信性。

3 讨论

传统的膝关节检测方式难以兼顾动态评价、无侵入性、高精度以及低成本等特性，2D/3D（X 线和CT）图像配准技术可实现膝关节在体运动检测。Ikuta等[9]应用2D/3D 配准技术精准确定股骨和胫骨的体内位置和方向，对膝关节进行运动学分析。Bingham等[10]利用基于轮廓线的2D/3D 配准算法计算膝关节置换假体在体运动参数，获得较高的精度。本团队前期曾基于2D/3D 图像配准技术开展膝关节及颈椎等的在体检测，计算出骨性结构的三维运动信息，进而准确评价运动功能[11,12]。但2D/3D 图像配准技术需要采集较多的X 线数据，对人体存在一定的危害。超声成像具有实时性高、无辐射等特点，且能与CT 数据配准进行在体运动评价[13,14]。本研究组前期构建了基于机械臂的自动三维超声成像系统，可沿规划路径完成自动扫描，具有较好的稳定性、灵活性、可操作性、位置精度，因而采用该系统获取超声图像并与CT 图像进行配准。

近年来对超声-CT 图像配准方法的研究热度增加。柳俊等[15]通过整合图像灰度信息和几何信息的相似性测度配准从CT 仿真得到的超声和真实的超声图像，探讨肝二维超声与CT 配准技术的临床可行性。胡震隆等[16]通过选取标记点进行单平面融合，证实骶髂关节超声与CT 融合成像的可行性。Huang 等[6]将CT 图像模拟为超声图像后设计配准，实现了膝关节准静态三维运动检测，但其手动扫描获取超声图像，以平面配准为主。本研究采用多轴机械臂代替人工进行超声扫描进行3D/3D 配准，充分利用了骨面三维几何信息。

本研究结果显示在平移方向的检测精度为1 mm 左右，旋转方向的检测精度为0.63°～1.50°，能够满足对于胫股关节动态检测的要求。旋转方向检测精度有所差异，其中以Y 轴精度最高为0.63°，Z 轴旋转精度次之，而绕X 轴旋转精度最低，其原因可能是沿Y 轴旋转测量过程中，骨的运动始终保持在同一水平面上，距离超声探头位置变化较小，所获取的骨面信息较完整全面；绕X 轴旋转，骨的运动不在同一水平面上，而超声探头始终在同一水平面进行扫描（机械臂不能入水，因而无法随骨运动更改平面），骨的两端与探头距离不一致，距离的变化使得超声图像质量有所下降，且距离探头远的骨端获取骨面信息有所损失。在缺乏部分特征性骨面信息的情况下，配准的难度增加，因此绕X 轴旋转检测精度低于其他方向。

本研究具有一定的局限性。首先，由于标本在某些方向的移动过程中，超声所获取的骨面信息不一致，无法获取固定三维特征信息进行自动化配准，因而采用人工配准的方法，具有一定主观性。然而本研究中两名研究人员分别对同模型进行人工配准并测量精度，ICC 系数为0.794，说明人工配准具有一定的可重复性。其此，本研究着眼于膝关节胫骨及股骨运动检测，未对膝关节运动过程中髌骨轨迹进行分析，因而采取去除髌骨的猪胫股关节标本进行超声-CT配准的可行性探索，未来将对髌骨运动分析展开进一步研究。本研究过程中还发现，机械臂与夹持的探头间缺乏旋转自由度，探头长轴不能在胫股关节角度变化中维持与骨长轴垂直扫描，因此应增加机械臂自由度。此外，开发算法实现三维空间的路径规划，从不同平面进行扫描并将所获骨面信息进行拼接，从而获取全方位骨面信息。随着人工智能技术的迅猛发展，利用计算机算法在机械臂辅助下的超声扫描是重要的发展方向。发展智能算法自动完成超声模型三维重建，提取固定特征性骨面后自动与CT 三维模型配准，将有效减轻人工超声检测和配准的误差与负担，进一步提升超声检测智能化，对完善胫股关节在体运动自动化检测具有重要意义。

综上所述，本文提出的超声-CT 配准技术是可行的，其精度能够满足对于胫股关节动态检测的要求，未来需进一步改进机械臂扫描获取超声图像的方法，并利用计算机图像处理技术进行快速配准方面的研究。