基于连续三维到三维配准的四维CT分析

一种从4D CT数据中重建活动骨相对于固定骨运动的方法，有助于详细描述关节运动学。一旦完成整个骨的表面模型构建并选定参考点后，大部分重建过程将自动完成。在4D CT扫描期间，将受试者的靶关节置于CT扫描仪机架内，要求受试者在10秒的扫描时间内活动该关节，同时获取一系列容积数据。

对于三维CT数据的表面半自动分割，将CT的DICOM数据导入相应软件，点击“编辑”→“新建标签域”以打开标签域。确定用于从原始骨组织中提取皮质骨的合适CT衰减值阈值，并选择CT衰减值高于该阈值的组织。勾选骨皮质选择的标签，并使用适当的编辑工具手动修改边界。

要从标记的骨皮质位置数据生成表面数据，请点击“生成表面”(Generate Surface)，并使用滑块调整平滑程度，然后点击“应用”(Apply)。要以STL格式保存表面数据，请点击“文件”(File)，选择“导出数据为”(Export Data As)，然后选择STL二进制小端格式（STL binary Little Endian）。

为了对4D CT体数据进行自动分割，使用编程软件中的DICOM读取模块，从4D CT数据的全部51帧中提取CT衰减值高于阈值的几何数据。然后，在图像处理软件中使用批处理脚本，重建所有4D CT帧中CT衰减值高于阈值的点云表面数据。为了实现从静态3D CT到4D CT第一帧的表面配准，使用相位选择功能，将静态3D CT中的骨骼裁剪为包含在4D CT动态图像数据所有帧中的部分段数据。

4D CT 表面数据仅为部分片段，将被包含在每个体积图像中，因为表面配准要求一个表面的数据点包含在另一个表面中。使用“选取点”功能，在固定骨和移动骨中选择三个易于从裁剪后的 3D CT 表面以及 4D CT 第一帧的表面数据中识别的解剖标志点。然后根据所选标志点，在 4D CT 表面数据的第一帧上对固定骨和移动骨的部分进行粗略匹配，并在开源软件中使用迭代最近点算法执行表面配准。

为了执行连续表面配准，首先使用开源软件中的迭代最近点模块，将第一个4D CT帧中固定骨的部分表面与第二个帧的表面数据进行匹配。然后，重建相对于固定骨的活动骨运动。当旋转参数测量完成后，定义固定骨和活动骨的坐标系。

膝关节运动学的示例数据显示，随着胫骨伸展，胫骨内翻角逐渐减小。在伸展末期，胫骨外旋增加，这与以往报道中膝关节的“扣锁”运动相对应。平移和旋转误差图显示，当股骨长度超过全长的9%，且胫骨长度超过全长的7%时，误差在可接受范围内，此时CT切片厚度为0.5毫米，大于误差尺寸。

此外，髌骨运动学的计算表明，髌骨的外侧倾斜与膝关节屈曲角度相对应。骨皮质的表面重建应进行视觉检查，并可能需要手动分割。近年来，许多关于自动分割的研究已采用这些技术，利用这些方法可实现自动重建。