作者：裴国献
出版社：人民卫生出版社
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数字骨科学(第2版)试读：
版权页图书在版编目（CIP）数据数字骨科学/裴国献主编．—2版．—北京：人民卫生出版社，2016
ISBN 978-7-117-23048-3
Ⅰ．①数… Ⅱ．①裴… Ⅲ．①数字技术-应用-骨科学 Ⅳ．①R68-39
中国版本图书馆CIP数据核字（2016）第188157号人卫智网 www.ipmph.com 医学教育、学术、考试、健康，购书智慧智能综合服务平台人卫官网 www.pmph.com 人卫官方资讯发布平台版权所有，侵权必究！数字骨科学（第2版）主 编：裴国献出版发行：人民卫生出版社有限公司 人民卫生电子音像出版社有限公司地 址：北京市朝阳区潘家园南里19号邮 编：100021E - mail：ipmph@pmph.com制作单位：人民卫生电子音像出版社有限公司排 版：人民卫生电子音像出版社有限公司制作时间：2019年5月版 本 号：V1.0格 式：mobi标准书号：ISBN 978-7-117-23048-3策划编辑：郝钜为责任编辑：杨帆打击盗版举报电话：010-59787491 E-mail：WQ@pmph.com注：本电子书不包含增值服务内容，如需阅览，可购买正版纸质图书。
编者名单（以姓氏笔画为序）
王 丹 郑州大学第一附属医院
王 豫 北京航空航天大学
王民良 国立勤益科技大学
王成焘 上海交通大学
王军强 北京积水潭医院
付 军 第四军医大学第一附属医院
史蒂史·尼可拉（法国） 远距微创手术中心
毕 龙 第四军医大学第一附属医院
刘 建 第四军医大学第一附属医院
刘亚雄 西安交通大学
许伟华 华中科技大学同济医学院附属协和医院
严亚波 第四军医大学第一附属医院
苏秀云 中国人民解放军第三○七医院
李志军 内蒙古医科大学
李佩渊 秀传医疗社团法人秀传纪念医院
李涤尘 西安交通大学
连 芩 西安交通大学
杨述华 华中科技大学同济医学院附属协和医院
吴子祥 第四军医大学第一附属医院
张 鹤 第三军医大学第二附属医院
张元智 内蒙古医科大学
张少杰 内蒙古医科大学
张美超 南方医科大学
张维杰 西安交通大学
陆 声 成都军区昆明总医院
陈晓军 上海交通大学
陈雁西 同济大学附属东方医院
范新宇 成都军区昆明总医院
林艳萍 上海交通大学
罗马凯特·毕斯特（印度） 劳勃博士公司
周 跃 第三军医大学第二附属医院
孟国林 第四军医大学第一附属医院
贺友林 美国MOST公司
秦 勉 西安交通大学
袁 志 第四军医大学第一附属医院
顾冬云 上海交通大学
徐永清 成都军区昆明总医院
高 洪 上海市第六人民医院
郭 征 第四军医大学第一附属医院
桑宏勋 南方医科大学深圳医院
谢 叻 上海交通大学
赖景义 台湾中央大学
裴国献 第四军医大学第一附属医院主编简介
裴国献 医学博士，主任医师，军队专业技术二级，文职一级教授，博士研究生导师。现任第四军医大学西京骨科医院院长、全军骨科研究所所长、《中华创伤骨科杂志》总编辑。曾先后担任第五届国务院学位委员会学科评议组成员、国家生物材料与组织器官修复主题专家组成员、国家科学技术进步奖评审专家、国家自然科学基金委员会评审专家、中华医学科技奖评审专家、国际首届复合组织异体移植学会秘书长、亚洲创伤骨科学会理事、中华医学会医学工程学分会数字骨科学组组长、中华医学会显微外科学分会第七届委员会主任委员等学术职务。
主编专著16部，以第一作者及通讯作者发表SCI 36篇；主持国家863重大专项、国家973项目、国家自然科学基金重点项目、军队杰出中青年人才基金、军队重点基金等21项。以第一完成人获成果奖15项，其中国家科技进步二等奖1项、省（军队）科技进步一等奖3项、教育部自然科学一等奖1项、全军重大科技成果奖2项，国家发明专利6项。先后被授予“全国首届中青年医学科技之星”、“国家级有突出贡献的中青年科学技术专家”、“全国百千万人才工程首批人选”等称号；2000年获“军队科技金星”；2001年被总后勤部确定为首批“总后院士后备人选”；2002年获“军队专业技术重大贡献奖”；2003年获“军队优秀人才Ⅰ类岗位津贴”；2006年被中央组织部批准为“中央直接掌握联系的高级专家”；2014年领衔骨科团队荣获总后勤部“三星人才创新团队”奖。副主编简介
王丹 医学博士。现任郑州大学第一附属医院副主任医师，副教授。兼任中华医学会医学工程学分会数字骨科学组委员，国际矫形与创伤外科学会（SICOT）中国部青年委员会委员，河南省医学会骨科学分会青年委员、创伤学组和基础研究学组委员，河南省脊柱脊髓损伤学会常委，河南省康复医学会脊柱畸形分会委员，河南省脊柱畸形诊治中心专家组核心成员，河南省股骨头坏死诊治中心专家组核心成员。
一直从事骨科、数字骨科的临床应用和科学研究。主要专业方向：颈椎病、腰椎间盘突出症、腰椎管狭窄症、腰椎滑脱症、胸椎管狭窄症、脊柱骨折、脊柱肿瘤及脊柱畸形等的治疗，对脊柱外科一些高难度手术如脊柱侧弯矫形手术，脊柱后凸畸形的一期后路截骨矫形术等有成功的治疗经验。
目前承担省厅级科研项目2项，以主要成员参加1项国家自然科学基金的研究工作。获省部级科研成果一等奖1项、厅级科研成果一等奖1项，在国内外核心期刊发表专业论文21篇，参编参译《数字骨科学》、《数字化骨折分类》、《坎贝尔骨科手术学》、《洛克伍德-格林成人骨折》等著作5部。
苏秀云 医学博士、博士后。现任解放军第307医院骨科副主任医师。兼任中华医学会医学工程分会数字骨科学组委员兼秘书，基础工作委员会副主任委员；中华医学会数字医学分会青年委员；中华医学会北京骨科分会基础学组委员；SICOT中国部创伤学会委员；世界华人生物医学工程协会会员；国际AO 创伤学会会员。
在临床工作中创造性地将现代计算机技术与传统骨科相结合，进行国内新兴前沿学科—“数字骨科学”研究。承担博士后基金1项，参与省部级课题4项。发表论文16篇，以第一作者发表论文7篇，SCI收录3篇，核心期刊4篇。主编著作1部，参编译著7部。
李佩渊 教授。现任台湾秀传纪念医院院长，外科专科医师、骨科专科医师、外伤科专科医师证照。目前为台湾骨科创伤医学会理事长（TOTA，2014—2016），国际骨折内固定协会亚太创伤分会台湾区主席（Chairperson-Taiwan Council-AOTAP，2015—2018）。学术方面主要致力于数字骨科学的发展及医材的转化研究，同时为台湾骨科器材发展协会（TODDA）及台湾医疗器材创新发展协会（TMDIDA）两医材产业转译组织的理事长（2014—2016）。
张元智 医学博士、博士后，教授、主任医师、硕士生导师。现任内蒙古自治区数字转化医学工程技术研究中心主任，内蒙古医科大学数字医学中心主任。兼任中华医学会医学工程分会数字骨科学组委员，内蒙古数字转化医学学会理事长，《中华创伤骨科杂志》通讯编委，第五批草原英才。
近年来主要从事计算机辅助骨科手术及精准骨科手术计划等研究，在国内率先开展系列骨科个性化导航模板的设计及应用。承担国家自然科学基金3项（主持2项，第二责任人1项）、主持内蒙古自治区自然科学基金2项。在国内外学术期刊上发表论文80余篇，其中SCI收录文章12篇。已有多篇相关研究结果在《Spine》、《The Journal of Arthroplasty》、《European Spine Journal》、《Journal of Shoulder and Elbow Surgery》、《Microsurgery》、《The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery》、《Surgical and Radiologic Anatomy》、《中华骨科杂志》、《中华外科杂志》、《中华创伤杂志》、《中华创伤骨科杂志》及《中华手外科杂志》等期刊上发表。
陆声 医学博士，教授、博士研究生导师。现任成都军区昆明总医院附属骨科医院、全军创伤骨科研究所副主任。兼任中华医学会数字医学分会委员，中华医学会医学工程分会数字骨科学组委员，中华医学会骨科分会青年委员，中华医学会骨科分会关节学组关节炎工作组委员，中国康复医学会骨与关节及风湿病委员会委员，云南省医学会数字医学分会主任委员，云南省医学会骨科分会委员，解放军骨科专业委员会创伤骨科分会委员，《中华创伤杂志英文版》和《实用骨科杂志》编委，《中华创伤骨科杂志》和《中国骨与关节杂志》通讯编委。
第一作者及通信作者发表论文80余篇，其中SCI收录9篇；副主编专著三本，参加编写专著6本（其中国外专著1本）；申请国家发明专利10项，其中5项已授权；第一完成人获比利时Mimics创新一等奖1项、云南省科技进步一等奖1项、云南省科技进步二等奖3项；主要完成人获中华医学科技奖二等奖1项，军队医疗成果二等奖1项，云南省科技进步二等奖1项；云南省中青年学术技术带头人，成都军区卫生杰出人才。主持国家自然科学基金面上项目1项、云南省社会发展基金重点项目1项、云南省社会发展基金面上项目3项，成都军区十二五面上课题1项；主要成员参与、云南省创新团队、全军重点课题各一项。第2版序一“第一个吃螃蟹的人一定是个勇士”。十年前，这部专著的主编人裴国献教授就敢于提出“数字骨科学”的新概念。“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”，他组织了优异的学术团队，身体力行，率先垂范，2008年在人民卫生出版社的支持下编辑出版了《数字骨科学》专著。2011年在中华医学会医学工程学分会领导下，创建了第一个全国性的学术团体“数字骨科学组”，并担任了组长。《数字骨科学》已成为骨科学发展最为迅速、新技术含量最高的亚专科之一，具有巨大的发展前景。“独留巧思传千古”，为推动数字骨科技术的临床应用，他又组织有关专家，编写了这部《数字骨科学》第2版。“博采众长独辟蹊径；陶铸千古自成一家”。本版在第1版的基础上，增加了“计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）”、“增材制造技术”、“逆向工程技术”、“3D打印技术”、“与机器人结合技术”等内容。重点介绍了近年来，数字骨科技术的临床研究与实际应用。阐明了与时俱进，与新技术结合，是骨科学发展的重要方向。“泰山不让土壤，故能成其大；河海不择细流，故能就其深”。这部专著的作者们，来自五湖四海、诸子百家，在学科交叉地带创新发展。由临床骨科医师们提出救死扶伤急需提高的问题；与基础研究有关的医用生物力学、材料科学、计算机技术学者们共同完成宏伟的盛举。“近水楼台先得月”、“春江水暖鸭先知”，我有幸优先看到《数字骨科学》第2版的书稿，可喜可贺，欣为之序！中国工程院资深院士南方医科大学教授2016年元月于广州第2版序二
21世纪以来，计算机辅助设计（computer aided design，CAD）与计算机辅助制造（computer aided manufacturing，CAM）、图像技术、逆向工程、3D 打印、有限元分析、手术导航、虚拟仿真、机器人手术等数字化技术不断地扩大临床应用的广度和深度，从而不断改变现代医学的基本面貌，促进现代医学逐渐迈入数字化时代。数字医学技术与理念的发展在短短几十年中已然渗透到医学的各个领域，推动医学科学的各个基础与临床分支学科的技术、设备与理念，乃至医院建设与管理飞速发展，并促进医学科学朝着以“精确化、个性化、微创化和远程化”为主要特征的现代医学方向高速发展。其中具有代表性的是国内外一大批从事骨科数字医学的基础研究人员、临床专家和工程技术人员之间的交叉合作，将数字医学技术引入骨科领域，并在不断探索下形成了独特的数字化骨科技术与理念。《数字骨科学》一书，以骨科临床需求为基础，依托计算机等先进数字化技术，涉及生物力学、人体解剖学、机械工程学等众多学科，是骨科临床技术与数字技术紧密整合的多学科专家集体智慧的结晶，数字骨科技术的临床应用正在将骨科手术技术和诊断技术提高到一个新的层面上。
国内的数字医学技术，尤其是数字化骨科技术的发展，在短短数十年间，迅速发展和不断完善，在骨科领域的重要地位已不可替代，推动了手术设计、导航、会诊与手术的精准化、远程化进步，提高了难治性创伤、肿瘤、畸形的诊疗效果。3D打印技术的医学应用使骨科诊疗的个性化需求得以满足。生物3D打印在骨科研究领域的应用为骨、软骨、肌肉、韧带等组织损坏的再生与修复开辟了全新的解决途径；数字化手术导板的应用使骨科手术的精确程度大幅提高，也体现了骨科医疗技术个性化的发展方向；手术机器人在骨外科的高难、精细手术中扮演着重要的角色，它不但减轻外科医生们的手术负担，也增强了手术的效率和成功率；还有很多诸如逆向工程技术，骨组织三维图像技术与图像融合技术应用于术前规划、术中操作和术后管理；计算机虚拟手术使虚拟现实技术和生物力学反馈技术逼真地模拟手术过程，不仅能提高手术成功率，而且还能更迅速有效地培养、训练年轻医生的手术技巧，提高了人才培养的效率和质量。
随着国内人民生活水平的提高和温饱问题的逐步改善，人民生活的四个重要元素正在演变为衣、食、住、行、医五项要素，人民对医疗服务的要求日渐提高。这给我们带来了机遇，也带来了严峻的挑战。目前，国内数字骨科医学领域依然存在诸多问题，各级医学和工程学技术人员对于需求互不了解，能够把握医、工两个领域知识和技能的人员仍然匮乏。尽管已经成立了一些医工结合的科研机构，出版了一些医工结合的理论著作，但依然不够成熟，不少方面还处于起步阶段。然而，21世纪又必然是数字医学技术大展宏图的新时代，这就形成了主观能力与客观需求之间的巨大鸿沟。《数字骨科学》第2版的出版，将为介绍与普及数字骨科学领域医工交叉的新成果、新知识和促进医、工之间的沟通、理解作出贡献。感谢辛勤编撰本书的工程学和医学专家们的辛勤劳动！中国工程院院士上海交通大学医学院附属第九人民医院终身教授、名誉院长2016年7月第2版前言
20年来数字骨科技术已有了长足的发展。2006年我们提出了“数字骨科学”的概念，旨在将用于骨科领域种类繁多、内容宽泛的数字化技术属性归类、凝炼提升，以便于数字化技术在骨科领域更高、更快的发展。近10年来“数字骨科学”概念的理论支撑、意义价值，已在骨科临床得到了充分的验证与展示。“数字骨科学”作为骨科学的重要分支与组成，已成为骨科学学科发展最为迅速、新技术含量最高的亚专科之一，具有巨大的发展前景。
2008年我们编撰出版了《数字骨科学》一书，由人民卫生出版社出版。近年来，数字骨科学有了迅猛的发展，新的设备陆续问世，新的技术层出不穷，特别是数字骨科技术全面的临床应用，更为近年来数字骨科学的一大进展。为了及时介绍数字骨科学的最新理论、知识与技术，更有效地推动数字骨科技术的临床应用，对此，我们特组织有关专家编写了这部《数字骨科学》第2版。
本版分为三篇：第一篇数字骨科学基础；第二篇数字骨科学研究；第三篇数字骨科学应用，共计18章。在第1版的基础上，第2版增加了“计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）”、“增材制造技术”、“逆向工程技术”等近几年发展迅速、在临床已得到实际应用的技术。本版另一最大特点就是作为一整篇专题，重点介绍了近几年数字骨科技术在临床的应用研究与实际应用。如数字化皮瓣、肌瓣及骨瓣、穿支皮瓣及周围神经的三维可视化应用研究；3D打印骨科模型的应用；手术导航模板的设计与应用、计算机辅助骨科术前规划与虚拟手术；扩增实境技术在数字骨科中的应用；计算机辅助导航骨科技术在骨折、脊柱外科、髋、膝关节置换术及骨肿瘤手术的中的应用；机器人在创伤骨科、脊柱外科及关节外科手术中的实际应用等，这些都是近几年数字骨科的最新进展。这些新技术的应用，扩大了骨科手术的范围，提升了骨科手术的质量，充分体现了骨科个性化、精准化手术的最新治疗理念与要求，是骨科学发展的重要方向。
本书是系统介绍数字骨科技术的专著，反映了数字骨科技术最近几年来的最新进展，代表了目前国际上该领域的最新技术水平。本书作者由生物力学、材料学、3D打印、基础研究与临床骨科医师组成，是一部系统、新颖、实用的权威性专著，有较强的实际参考价值。在本书付梓之际，特别感谢为本书付出辛勤劳动的各位编者、研究生及人民卫生出版社编辑的悉心指导和全力支持。本书不妥之处，还望同道不吝雅正，以便再版时予以更正和补充。2016年5月于西安第一篇 数字骨科学基础第一章 数字骨科学的建立第一节 数字骨科学建立
20世纪70年代以来，解剖学和临床实践对临床医学领域的研究应用产生了极大的影响，为解决外科的难题提供了许多新的方法，而如何将这些研究用于临床的训练、教学及手术的设计与模拟一直是研究的项目之一。传统的临床教学完全基于二维平面进行，能否直观、三维、动态显示包括毗邻的血管及神经等组织在内的解剖结构是近年提出的课题。“美国可视人计划”（1989）的出现和发展建立和推动了数字人和医学图像研究进程，数字人研究是现代计算机信息技术与医学等学科相互结合的前沿性交叉项目，对科技发展有着深远意义。数字化技术可以利用动态三维图像对传统二维医学图像进行补充，用连续断层图像进行三维重建，可以精确地显示生物组织复杂的三维结构，并可进行任意旋转、剖切等观察和操作，可以对重建的三维结构进行测量，获得长度、面积、体积和角度等大量精确的解剖参数，可以用于临床辅助诊断、辅助手术设计和手术模拟等方面。南方医科大学（原第一军医大学）钟世镇院士继美国、韩国之后在国内率先开展了“虚拟中国人”的人体切片建模研究工作，为“中国数字人”和中国“数字解剖学”的发展奠定了必要的基础，实现了由平面解剖向立体解剖和数字解剖的发展，这些研究使得传统的教学、训练、手术设计等方面得以迅速发展。基于数字人和数字化技术出现的“数字医学”更是为临床医学提供了一个全新的发展空间和拓展平台，使立体地观察解剖结构以及临床的训练与模拟得以实现。
人体虚拟技术与“数字解剖学”同样为数字虚拟技术在骨科学的发展拓展了空间，可以将骨科学的基础与临床同数字化技术紧密而有机地结合起来，萌生一个融汇多学科交叉的骨科学新分支——数字骨科学。
数字骨科学概念的提出建立在数字医学和中国数字人技术、数字医疗设备、计算机网络平台和医疗专业软件的基础上，建立骨科数字化三维解剖图谱，另外对骨科患者的治疗数据进行采集存储、传输和处理，建立数字化骨科数据库，从而实现两个目的，信息共享和资源共享。一方面，骨科医师可以从骨科数字化数据库中获得所需的最新技术信息，共享自己的医疗经验和成果，同时也可不断完善数据库；另一方面，通过计算机网络可以通过建立骨科仿真教室，开展示范教学。第二节 数字骨科学的范围
由于计算机技术、图像处理技术、医学物理的迅猛发展，为医学的诊断和治疗提供了有力支持，已经深入到医学中的各个领域。数字骨科学将现代影像诊断技术、先进的内固定材料和骨科医师有机结合起来，充分利用现代医学手段，使患者接受安全、精确、微创的手术。计算机导航系统是数字医学领域新的飞跃，实现了准确性、灵活性、微创性及快速性的高度统一，从最初在神经外科的应用已逐渐发展为在脊柱外科、骨科、耳鼻喉科以及全身的应用，从而出现了计算机辅助导航外科这一崭新的领域，计算机辅助导航在骨科的成功应用，也充分体现了数字骨科学这一概念的先进性，其应用范围也必将越来越广泛。
近年来，快速成型技术通过与螺旋CT或磁共振等检测手段的三维图像重建功能相结合，在骨科、心血管外科、耳鼻外科、法医学、组织工程学以及在口腔外科学等各个医学分支领域已经得到越来越广泛的应用，并显示出其良好的应用前景。而将快速成型技术与逆向工程相结合并将其应用于骨科学研究拓展了数字骨科学的研究范围与思路。逆向工程涉及机械工程、生物材料科学、医学工程和医学的不同领域，其应用领域和深度也将随着生物材料科学和医学影像技术的发展而发展。目前在逆向工程的医学应用方面的相关软件较多，如Geomagic、Imageware、Rapidform、Surface等，其主要应用于以下几个方面：①植入假体的设计和制作；②手术设计、评估及复杂外科手术教学；③对人体骨的三维模型进行力学分析，建立人体的运动力学模型。通过快速成型技术与逆向工程手段我们可以建立骨科手术计划系统（orthopedic surgical plan system）进行骨科手术的设计与评估，其内容包括建立常用内固定器械库骨折三维分类数据库、骨折部位三维重建及复位模拟、内固定器的选择等。第三节 数字骨科学的现状
2001年，在北京召开的“第174次香山科学会议”，由钟世镇、李华、罗述谦担任执行主席，有不同学科的40多位学者参加，揭开了我国数字人研究的序幕。当年我们国家要不要研究数字人；能否进行研究；该如何研究；均无把握。为此，该次会议研讨的主题定为“中国数字化虚拟人体的科技问题”，带有“摸着石头过河”的性质，其主要目的是开始进行探索。2003年，召开“第208次香山科学会议”时，由于获得国家“863计划”和国家自然科学基金委员会的支持，通过两年多的实践，已经建立了有中华民族特色的人体数据库，并且初步做了一些虚拟仿真的软件，开始结合临床诊治，取得了初步效益，大大鼓舞了士气。为此，第二次的专项研讨会主题已经是“中国数字化虚拟人体研究的应用与发展”，开始在应用和发展上泼上浓墨重彩。2007年，我国数字人的研究重点转入数字医学的高峰，在重庆召开了探索性学术会议——“首届中国数字医学研讨会”后，为了更好地规划、交流和协调全国性学术活动，在全国性学术团体尚未建立前，协商成立了一个民间暂时性“中国数字医学研究联络组”。2008年，中国工程院前沿学术会议——“数字医学研讨会”在北京中国工程院召开。数字医学的学术活动被中国工程院正式列入相关日程。
2011年5月，“中华医学会数字医学分会”在重庆成立。2011年11月，“中华医学会医学工程学分会数字骨科学组”在西安正式成立。第四节 数字骨科学的发展趋势
骨科虚拟仿真系统将图像处理、虚拟现实、电子通讯以及骨科手术等诸多的内容结合起来，通过合理、定量、个体化和计算机交互系统，进行骨科手术的设计、模拟、干预和评估，通过视、听、触觉等感观体验，使骨科医师产生身临其境的交互视景的仿真，它综合了计算机图形、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语言处理与音响技术、网络技术等多门科学，是数字医学的进一步发展和应用。
通过骨科虚拟仿真系统医师可以有效地与患者沟通，使患者和家属的知情权得到保证，同时让患者了解手术实施的基本过程，减少患者的紧张情绪。
数字化技术和数字医学的发展为数字骨科学概念的实现提供了良好的理论基础，目前有许多研究机构利用可视人计划（Visible Human Project，VHP）数据集和数字化技术进行研究开发并已获得了良好的结果，在数字解剖方面有美国仁斯利尔理工学院研制的虚拟仿真用成年男子全身模型（Visible Photographic Man，VIP-Man）、德国汉堡大学研制的Voxel-Man系统；超声波、CT、MRI数据集构建个体化数字人（法国）、英国PA咨询公司与美国菲西奥姆科学公司联合研制计算机化的“虚拟人体”系统、臂丛神经功能定位重建（复旦大学）、人体器官虚拟浏览（中国科技大学）；南方医科大学、第三军医大学、首都医科大学进行了子宫、肝胆、肾脏、骨等局部器官的构建。在手术设计与模拟研究方面已完成基于微机的具有力反馈功能的腹部手术模拟器（CS Tseng）、膝关节手术训练的虚拟环境（AD McCarthy）、虚拟现实和力反馈的内窥手术模拟器（C Baur）、全脑图谱以及外科手术规划（哈佛大学）。我国在虚拟手术设计与实施方面已成功应用于骨科、肝胆和神经外科及其他领域，如椎体骨刺切除虚拟手术操作（南方医科大学）、眼的功能模拟和临床应用（厦门大学）等，而将数字化技术应用于骨科领域并形成体系是一个全新的尝试。
数字骨科学不同于传统骨科学，其本身在骨科可以形成一个体系，骨科仿真教室不是实际的病房，而是以数字可视化形式展示，进行骨科手术的设计、训练、模拟与实施，实现基础与临床、理论与实践的完美结合，“数字骨科学”的发展方兴未艾。“数字骨科学”包括三个基本内容：数字骨科解剖、数字骨科手术、骨科虚拟仿真系统。三维数字骨科解剖的建立是骨科虚拟教学的基础，可以使学生通过人机交互对人体模型进行浏览，数字骨科解剖能让使用者在没有任何外界干扰的情况下自由地观察、移动和生成解剖结构，更快捷地学习和了解解剖信息，充分展示个性化解剖特征（图1-1）。
数字骨科手术通过建立三维骨折（或骨病）数据库模型，直观分析、观察骨折情况、进行骨折类型分类，利用计算机和数字化技术进行手术设计、模拟，并将手术方案应用于实际手术，同时加以验证、完善和充实数据库（图1-2、图1-3）。
数字骨科手术将诊断、先进的治疗设备和外科医师有机结合起来，充分利用信息，使患者接受安全、精确、微创的手术，是一种能人机交互的系统，通过合理、定量地利用多元数据和导航系统，进行外科手术的计划、干预和评价，可促进微创手术的发展。图1-1 上肢动脉及背阔肌肌皮瓣三维重建（数字骨科解剖）图1-2 踝关节骨折手术设计与实施（数字骨科手术）图1-3 脊柱侧弯矫正手术设计与实施（数字骨科手术）
骨科虚拟教学是虚拟现实技术在骨科仿真训练中最重要的应用，运用该技术可以使医师沉浸于虚拟的场景内，通过多种感官了解和学习各种手术实际操作。虽然目前的多层螺旋CT可以进行三维重建并以获得很好的图像显示，但其重建的结果只能在计算机上显示，不能以其他接口的方式导出，而利用三维重建软件重建的结果可以STL和IGS格式将模型导出，然后导入其他CAD及逆向工程软件进行进一步分割、渲染，为虚拟手术设计所用。通过对获取的CT扫描数据的提取，可建立不同种类的数字化手术模型，继而可逼真地赋予手术模型组织一定的弹性、张力、实体感、真实感及血液、声音等。完全可模拟仿真出一种实境的手术环境及手术操作过程，同时可多角度、全方位观察手术的入路、内置入物位置的走行和位置，立体显示手术入路的毗连解剖关系，从而可大大提高手术操作的精确度、有效避免手术的副损伤（图1-4）。
通过对手术的模拟仿真训练，可改善传统的老师带学生、只能在手术台示教的经验式外科手术训练模式，有利于使外科手术训练规范化、程序化、标准化，从而有助于外科医师的规范化培训，有助于提高外科手术的质量与治疗效果。
骨科虚拟仿真环境可为年轻骨科医师的培养提供方便的三维交互工具，对于骨折治疗方案的设计，可以先在虚拟骨折模型上进行全方位的显示，依据其方位和虚拟系统中的数据库资料，制定手术和治疗的方案或模拟手术的定位与操作，模拟治疗的结果，进行评判，所以说骨科虚拟手术仿真训练系统具有低代价、零风险、多重复性、自动指导的优点，具有广阔的发展与应用前景。
数字骨科学的出现为骨科的临床与教学提供了全新的训练途径，改变了老师带学生、内容随机的传统模式，实现了由二维到三维、由平面到立体、由静态到动态的转变，数字骨科学的建立，有望使临床骨科系统化、标准化、实体化、立体化，有利于骨科手术医师以全新的模式和技术平台进行模拟、训练，“数字骨科学”这一骨科新分支的萌生必将极大地推动骨科学的发展。图1-4 模拟椎弓根螺钉置入（骨科虚拟仿真）（裴国献 张元智）参考文献
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我们通常意义上的数字图像，是基于真实世界三维物体表面的反射光成像，可以基于透视原理理解其所包含的三维信息。而X线成像是一种特殊的成像方式，从点光源发出锥形的光束通过人体组织在感光板上成像。X线图像的灰度值反映的是人体不同组织对X线的不同衰减率。由于是锥形光束，所以成像有一定放大率；在图像的边缘由于光束与感光板成角较大，所以图像也有一定程度失真。这就要求如果想精确测量X线图像上组织结构的尺寸，一方面要有参照物，文献报道可以在拍摄时放置一个已知直径的硬币作为比例尺，当然目前临床数字成像均带有比例尺；另一方面应该将所测量的组织置于图像中央。
对于骨组织来讲，与CT和MR相比X线成像的空间分辨率是最高的。空间分辨率指将相邻两个物体分辨开的物体之间最小距离。传统X线胶片空间分辨率为0.08mm，数字X线成像为0.17mm，透视成像为0.125mm。
X线片由于获取容易，价格低廉，广泛应用于临床检查。但由于X线成像本质上是三维物体在平面的投影，要获得三维结构信息，需要多次多角度拍摄，同时也很难转化为计算机三维模型。二、CT
影像学与信息技术的进步推动数字骨科的诞生和蓬勃发展，主要基于CT的进步。CT图像实际上是人体某一部位一定厚度的体层图像，也称为断层图像。早期的CT图像断层之间距离一般为1cm，远远大于断层图像本身的空间分辨率，而目前临床应用的螺旋CT，真正提供了人体三维体数据，在空间分辨率上做到了三维各向同性。
体数据是指在有限空间中，对一种或多种物理属性的一组离散采样，采样点既可以是以等间隔、等层距的规则采样，也可以按照其他方式采样。采样点的采样值可以是单值或多值，单值时称为标量体数据，多值时称为向量体数据。螺旋CT的采样值反映组织对X线的衰减率，所以是标量体数据。
CT成像应用的原理依然是不同组织对X线的衰减率不同，所以在骨骼成像有优势。CT成像因为是对人体离散采样，所以空间分辨率要低于X线成像，为0.4mm。三、MRI
MRI成像原理就是将人体置于磁场中，利用组织的磁共振现实获取电磁信号计算机重组断面图像。MRI每个采样点上有三个采样值，分别代表组织的质子密度，T弛豫时间和T弛豫时间，因而是向量体12数据。MRI的成像是基于组织所含质子的量及其T弛豫时间和T弛豫12时间的差异等参数，涉及参数众多，采用不同的检查序列可以很好地观察骨、肌肉、韧带、软骨以及神经组织等病变，对软组织的分辨率要好于CT。然而由于MR成像目前还做不到各向同性，层与层之间层厚一般为7mm，因而在数字骨科的应用中，通常要与CT图像进行融合应用。
MR在断层上的空间分辨率为1mm，而层厚一般为7mm。第二节 数字图像基础一、视觉和图像的基本概念（一）视觉
光辐射通过眼睛刺激大脑引起的感觉，这个可见的感觉就是视觉。它是人对外界信息最重要的感觉。人体接受的外界信息有80%来自视觉。视觉是一系列物理、分子生物、生物化学、生理和心理过程的综合感应。物体在光照下吸收一部分光又弥射出另一部分光，后者射入眼睛，经屈光媒质聚焦，在视网膜上成像。成像信号到达大脑枕叶皮质，在这里，信号被“解码”而识别，物体即在意识中被“看见”，即位置、形状、大小、颜色、表面质地、是否透明等等。视觉功能可分解为光觉、形觉、色觉、立体觉、远近觉等几个方面。
辨别物体轮廓的功能称之为形觉。形觉的定量标准称为视敏度，即对细小物体的识别能力。当眼球固定看正前方时，其能感受到的形觉范围，被称为视野。眼对颜色的感觉，为其区别不同颜色的能力，视觉对不同波长的光波引起的不同的视觉反应即是色觉。（二）图像
图像就是用各种观测系统观测客观世界获得的且可以直接或间接作用于人眼而产生视觉的实体。视觉是人类从大自然中获取信息的最主要的手段。据统计，在人类获取的信息中，视觉信息约占60%，听觉信息约占20%，其他方式加起来才约占20%。由此可见，视觉信息对人类非常重要。同时，图像又是人类获取视觉信息的主要途径，是人类能体验的最重要、最丰富、信息量最大的信息源。通常，客观事物在空间上都是三维的，但从客观景物获得的图像却是属于二维平面。不过，各种断层切片图像，在空间上也可以认为是二维的。
1.模拟图像
包括光学图像、照相图像、电视图像等。比如人们在显微镜下看到的图像就是一幅光学模拟图像。对模拟图像的处理速度快，但精度和灵活性差，不易查找和判断。
2.数字图像
数字图像是将连续的模拟图像经过离散化处理后得到的计算机能够辨识的点阵图像。在严格意义上讲，数字图像是经过等距离矩形网格采样，对幅度进行等间隔量化的二维函数。因此，数字图像实际上就是被量化的二维采样数组。灰度图像为一维矩阵，彩色图像为三维矩阵。
3.图形
图形是指由外部轮廓线条构成的矢量图。矢量图像，也称为面向对象的图像或绘图图像，在数学上定义为一系列由线连接的点。即由计算机绘制的直线、圆、矩形、曲线、图表等。矢量文件中的图形元素称为对象。每个对象都是一个自成一体的实体，它具有颜色、形状、轮廓、大小和屏幕位置等属性。对象可任意缩放不会失真。常用于几何图形、工程图纸、CAD、3D造型软件等。二、图像处理常用软件
数字图像处理又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。早期的图像处理的目的是改善图像的质量，它以人为对象，以改善人的视觉效果为目的。图像处理中输入的是质量低的图像，输出的是改善质量后的图像，常用的图像处理方法有图像增强、复原、编码、压缩等。有关图像处理的算法及软件很多，便于医学专业人员的理解和掌握，我们介绍两种商业软件，Adobe Photoshop和MATLAB。对医学研究人员来说，两者优劣互补，是进行医学图像处理的一种较好选择。（一）Adobe Photoshop软件
Photoshop是全世界著名的优秀图像处理和设计软件。它的功能可分为图像编辑、图像合成、校色调色以及特效制作4个部分。图像编辑可以进行图像的放大、缩小、旋转、倾斜、镜像、透视等。也可以进行复制、去除斑点、修补、修饰图像残损等。图像合成是将几幅图像通过图层操作工具的应用，合成完整的、传达明确意义的图像。校色调色是对图像的颜色进行明暗、色偏的校正，也可对不同颜色进行切换以满足图像在不同领域的应用。特效制作在Photoshop中主要由滤镜、通道、图层等综合应用完成。包括特效创意和特效字制作。如油画、浮雕、石膏画、素描等传统美术技巧都可以制作出来。
Photoshop的批处理功能、使用变量和基于事件的脚本编程，使其具备处理重复性任务的能力，并且整合了许多成熟的图像处理算法，具有交互性强，运算速度快，容易掌握等优点，被应用于科学和医学图像处理的各个方面，但是因为缺乏精确和灵活的科学计算能力，所以进行图像配准和分割比较困难。（二）MATLAB图像处理
MATLAB是Matrix Laboratory的缩写，是一种以矩阵的形式处理数据的科学计算商业软件，广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，由各个领域专家开发的专业工具箱，可使我们的工作一开始就站在较高的起点，而且MATLAB命令与数学中符号公式非常接近，可读性强，容易掌握。
MATLAB为图像处理工程师、科学家和研究人员提供了直观、可靠的一体化开发工具，这些工具被广泛地应用于航空航天和国防、遥感遥测、生物科技、医药图像和科学图像处理等领域中。
MATLAB的Image Processing工具箱支持多种图像数据格式，包括医学影像的DICOM格式。同时提供了大量用于图像处理的函数，利用这些函数，可以分析图像数据，获取图像细节信息，并且设计相应的滤波算法，滤除图像数据所包含的噪声。众多数学形态学函数，这些函数可以用于处理灰度图像或者二进制图像，可以快速实现边缘检测、图像去噪、骨架抽取和粒度测定等。此外还包括一些专用的数学形态学函数，例如填充处理、峰值检测、分水岭分割等，且所有的数学形态学函数都可以处理多维图像数据。
图像处理工具箱提供了很多高层次的图像处理函数，这些函数包括排列、变换和锐化等操作。同样，利用这些函数能够完成裁减图像和尺寸变换等操作。
MATLAB本身就是功能强大的数据可视化工具，可以通过各种形式显示分析数据，例如灰度直方图、等高线、蒙太奇混合、像素分析、图层变换以及材质贴图等。利用可视化的图形，不仅能够评估图形图像的特性，而且还能够分析图像中的色彩分布等情况。第三节 图像标准一、像素、分辨率和像素尺寸
像素是组成图像的最基本单元。可以把像素看成是一个极小的方形的颜色块，一个图像通常由许多像素组成，这些像素被排列成横形或纵形，每个像素都是方形的。当用户使用缩放工具将图像放到足够大的时候，就可以看到类似马赛克的效果，其中每一个小方块就是一个像素。像素即数字图像矩阵中的单个元素，其位置决定了在图像中的位置，其大小为灰度图像的灰度值或彩色图像的RGB值。
单位面积内的像素越多，分辨率越高，图像的效果就越好。图像分辨率的单位是像素/英寸，即每英寸所包含的像素数量。如果图像分辨率是72像素/英寸，就是在每英寸长度内包含72个像素。图像分辨率越高，意味着每英寸所包含的像素越多，图像就会有越多的细节，颜色过渡得越平滑。
需要注意的是，通常提到的图像分辨率指图像打印后，在相纸上单位面积内的像素个数。而在医学断层图像中，像素尺寸是图像上两点间测的原始距离（单位为像素个数）与实际代表物体的物理距离（单位为厘米）的比例。两者的参照对象不同，前者为打印相纸，后者为实际物体；应用领域也不同，前者为摄影和相片冲洗行业，后者为医学影像专业。二、颜色深度
颜色深度是指一幅图像颜色的数量，即储存数字图像矩阵元素的二进制位数。
1位二进制只能保存0或1两个数值，所以又称二值或逻辑图像，图像分割结果通常为1位图像，同时图像的形态学操作也是基于1位16图像。16位为2=65 536，可保存65 536个灰阶数值，是DICOM格式图像的储存位数。如果这些灰阶在一幅图像中都显示，人眼将无法分辨，因此显示16位的DICOM格式图像只能选定某一位置（即窗位）的某一小范围（即窗宽）内的灰阶来显示，低于窗宽的所有像素显示为黑色，高于窗宽的所有像素显示为白色。三、图像文件的色彩模式
常用的色彩模式是RGB、CMYK和Lab。
RGB模式又称RGB色空间。RGB分别代表着3种颜色：R代表红色，G代表绿色，B代表蓝色。红、绿、蓝被称为光的三原色。自然界中绝大部分的可见光谱可以用红、绿和蓝三色光按不同比例和强度的混合来表示。
CMYK色彩模式是一种减色色彩模式，同时也是与RGB模式的根本不同之处。不但我们看物体的颜色时用到了这种减色模式，而且在纸上印刷时应用的也是这种减色模式。CMYK分别代表4种颜色：C代表青色，M代表品红色，Y代表黄色，K代表黑色。
Lab模式是人类视觉的颜色空间。它依照的是视觉唯一的原则，即在色空间内相同的移动量在眼睛看来造成彩色的改变感觉是一样的，是均匀色度空间。Lab色空间是与设备无关的色空间，能产生与各种设备匹配的颜色，如显示器和打印机等的颜色。Lab模式弥补了RGB和CMYK两种色彩模式的不足。并能作为中间色实现各种设备的颜色转换。Lab模式中L表示亮度，a表示色调从绿到红的变化，b表示色调从黄到蓝的变化。L一定为正值；a为正，表示颜色为红色，a为负，表示颜色为绿色；b为正，表示颜色为黄色，b为负，表示颜色为蓝色。四、图像格式
位图（bitmap），又称光栅图（raster graphics），是使用像素矩阵来表示的图像，每个像素的色彩信息由RGB组合或者灰度值表示。
BMP文件是Microsoft公司所开发的一种交换和存储数据的方法，各个版本的Windows都支持BMP格式的文件。Windows提供了快速、方便的存储和压缩BMP文件的方法。BMP格式的缺点是，要占用较大的存储空间，文件尺寸大。
TIFF（tagged image file format）图像文件是由Aldus和Microsoft公司为桌上出版系统研制开发的一种较为通用的图像文件格式。TIFF是一种非失真的压缩格式（最高2～3倍的压缩比）。这种压缩是文件本身的压缩，即把文件中某些重复的信息采用一种特殊的方式记录，文件可完全还原，能保持原有图颜色和层次，优点是图像质量好，但占用空间大。
JPEG 是 Joint Photographic Experts Group（联合图像专家组）的缩写，是最常用的图像文件格式，由一个软件开发联合会组织制定，是一种有损压缩格式，能够将图像压缩在很小的储存空间，图像中重复或不重要的资料会被丢失，因此容易造成图像数据的损伤。但是JPEG压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得极高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，换句话说，就是可以用最少的磁盘空间得到较好的图像品质。而且JPEG是一种很灵活的格式，具有调节图像质量的功能，允许用不同的压缩比例对文件进行压缩，支持多种压缩级别，压缩比率通常在10∶1～40∶1之间，压缩比越大，品质就越低；相反地，压缩比越小，品质就越好。JPEG格式压缩的主要是高频信息，对色彩的信息保留较好，适合应用于互联网，可减少图像的传输时间，可以支持24位真彩色，也普遍应用于需要连续色调的图像。五、DICOM格式
从20世纪90年代初开始，随着计算机技术、通信技术以及网络技术的飞速发展，图像分析和图像处理以及PACS（picture archiving and communication systems）在临床诊断、远程医疗以及医学教学中发挥着越来越重要的作用。而保证PACS成为全开放式系统的重要网络标准和通信协议则是 DICOM3.0（digital imaging and communications in medicine 3.0）。PACS 要解决的技术问题之一是统一各种数字化影像设备的图像数据格式和数据传输标准，DICOM3.0就是一种新的数字成像和通信的标准，只要遵照这个标准就可以通过PACS沟通不同厂家生产的不同种类的数字成像设备。
DICOM格式图像文件是指按照 DICOM 标准而存储的文件。DICOM文件一般由 DICOM文件头和 DICOM数据集合组成。
DICOM 文件头（DICOM file meta information）包含了标识数据集合的相关信息。文件头可以理解为记录有关一幅DICOM格式图像的所有有用信息。比如，一幅DICOM格式的CT图像，文件头中记录了病人姓名、图像大小、层厚、层距和像素分辨率等丰富的临床及图像相关信息。
对于图像的描述，DICOM采用的是位图的方式，如前所述，通常灰度图像以16位储存。DICOM允许用三个矩阵分别表示三个分量，也允许仅用一个矩阵表示整个图像，前者可以用来储存彩色图像，比如我们从PACS系统中看到的重建的三维彩色图像，后者用来储存16位的灰度图像。第四节 中国数字人图像质量控制一、切削层距与像素的关系
随着切削机械的改进，数码相机分辨率的提高，等间距数字人数据集的层距有了较大幅度的提高，美国早期VHP男性数据集的层距为1mm，后期女性数据集的层距就达到0.33mm；而韩国VKH数据集和中国CDH男女（CDH-M1，CDH-F1）两个数据集的层距改进到0.2mm；中国数字人女婴 l号（Chinese Digital Human Famel-Child No.1，CDH C-F1）的层距更达到0.1mm。但是获取更小间距切片数据集的关键技术主要不是层距，因为专为CDH研制的VCH-FA00型龙门铣床，试验采集层距可以达到0.02mm；也不是分辨率，因为现在的数码相机的分辨率已达到上千万像素甚至2000万像素。构建精细间距数据的关键技术是层距和分辨率的匹配。
中国数字人CDH-M1，CDH-F1两套数据集切削层距为0.2mm，分辨率设置为3024×2016，需要采集的断层截面积是600mm×400mm，可分辨图片的最小单位的边长是0.2（mm）。CDH C-F1数据集切削层距为0.1mm，分辨率设置为4256×2848，需要采集的断层截面积是280mm×280mm，可分辨图片的最小单位的边长是0.1mm。二、色彩管理
物体的颜色既是物体固有的属性，也受周围环境的影响，我们通过数码相机拍摄或者使用扫描仪来得到一张图像时，需要在显示器中显示，并传输到打印机打印出来。不同的颜色模式，所显示的颜色范围也不同；而采用同一颜色模式的不同设备，所显示的颜色范围也并不相同。如何保证拍摄与传输过程中忠实于原色彩，能够准确重现，即为色彩管理。
色彩管理简单点说就是利用计算机技术，对色彩进行系统有序的管理，即从图像信号的导入（比如拍摄、扫描等）到中间环节（利用图像编辑软件进行图像处理）再到输出（打印、冲印、印刷等）成品等各个环节，要始终保持色彩的一致。色彩管理的核心是ICC Profile，即“ICC描述文件”。ICC描述文件就是某一数字设备的色彩描述性文件，它表示这一特定设备的色彩表达方式与CIE Lab标准色彩空间的对应关系。ICC描述文件主要为输入（扫描仪、数码相机）、显示（各种显示器）、输出（打印机或各种彩色输出设备）等三个方面的设备提供描述文件，并要求在它们之间有一个科学合理的匹配，以达到最终正确的图像色彩还原。
标准的色卡，是印有许多标准色彩的卡片。卡片上有很多渐变的色块，每个色块的颜色都有严格的标准，在色卡描述文件（TDF）中对其颜色进行说明。色卡上的色块越多，起到的校正作用越精细。常用的有IT8色卡等。通过同步拍摄断层上IT8色标或CDH专门的色标后，再用色度计和光谱分析仪测试带有色标的图像，建立中国数字人数据集断层数据色彩管理特性文件来完成建立特性文件，从而保证中国数字人断层图像在后继的处理中保持色彩一致。三、数据存储与备份
数据备份，就是将数据以某种特定方式存储于适当的介质，目的就是保证数据在任何情况下不会丢失，能被使用。数据备份的核心就是数据的恢复，一个无法恢复的备份是毫无意义的。CDH的数据备份分为两大类，即数据采集时的实时备份和数据集使用时的拷贝备份，它涉及数据备份介质、数据备份硬件和数据备份软件等。
数据的实时备份也称作数据的同步备份，它是为防止数据采集过程中由于硬件故障或人为误操作而造成数据丢失所采取的一种手段。CDH数据集构建时数据的实时备份，通过专用的实时同步备份软件给备份机提供一个随时访问采集机指定文件夹目录的同步工具，实现通过小局域网同步两台电脑上的目录并对其制作镜像，达到数据备份的目的。
为防止在数据集的实际使用中功亏一篑，避免已构建的数据集因系统崩溃、硬件故障、病毒侵袭、误操作和自然损害而毁于一旦，需要对数据集进行拷贝备份，也就是硬件备份。CDH原始数据集的备份目前采用硬盘作为拷贝备份的存储介质，采用定期进行的完全备份方法实现原始数据集的拷贝备份。当一套CDH原始数据集构建成功后为保安全，及时将原始数据集拷贝两套后与两套原始数据集分四处异地保管。
另外，适时将CDH原始数据集存入合作单位如中国科学院计算研究所、中国科学院上海生物信息中心（中科院网格）和华中科技大学（教育部网格）等网络上，借助网络的备份功能，实现无人值守自动备份、跨平台数据管理、实时子集备份、数据库管理、灾难恢复及错误预警等功能，也是保证整个数据备份的安全性、可靠性和高效性的有效办法。第五节 图像配准一、医学图像配准基础理论
在图像的获取、传输以及记录保存过程中由于各种因素，如大气的湍流效应、摄像设备中光学系统的绕射、传感器特性的非线性、光学系统的像差、成像设备与物体之间的相对运动、感光胶卷的非线性及胶片颗粒噪声以及电视摄像扫描的非线性等所引起的几型失真，都难免会造成图像的畸变和失真。通常，称由于这些因素引起的质量下降为图像退化。
图像退化的典型表现是图像出现模糊、失真，出现附加噪声等。由于图像的退化，在图像接收端显示的图像已不再是传输的原始图像，图像效果明显变差。为此，要较好地显示图像，必须对退化的图像进行处理，恢复出真实的原始图像，这一过程就称为图像恢复。
图像恢复技术是图像处理领域一类非常重要的处理技术，与图像增强等其他基本图像处理技术类似，也是以获取视觉质量某种程度的改善为目的，所不同的是图像恢复过程实际上是一估计过程，需要根据指定的图像退化模型，对退化图像进行恢复，以获取未经过退化的原始图像。简言之，图像恢复的处理过程就是对退化图像品质的提升，并通过图像品质的提升来达到图像在视觉上的改善。
由于引起图像退化的因素众多，且性质各不相同，目前没有统一的恢复方法，众多研究人员根据不同的应用物理环境，采用了不同的退化模型、处理技巧和估计准则，从而得到了不同的恢复方法。图像的退化与恢复实际上是一对互为正反的问题，退化是适定问题，恢复是不适定问题。而对引起退化因素的估计是图像恢复的第一步。
图像变形和图像配准是一种特殊的退化和恢复问题。在做医学图像分析时，经常要将同一患者的几幅图像放在一起分析，从而得到该患者的多方面的综合信息，提高医学诊断和治疗的水平。对几幅不同的图像做定量分析，首先要解决这几幅图像的严格对齐问题，这就是我们所说的图像的配准。
医学图像配准是指对于一幅医学图像寻求一种（或一系列）空间变换，使它与另一幅医学图像上的对应点达到空间上的一致。这种一致是指人体上的同一解剖点在两张匹配图像上有相同的空间位置。配准的结果应使两幅图像上所有的解剖点，或至少是所有具有诊断意义的点及手术感兴趣的点都达到匹配。
对于在不同时间或不同条件下获取的两幅图像 I1（x1，y1，z1）和 I2（x2，y2，z2）配准，就是寻找一个映射关系 P：（x1，y1，z1）（x2，y2，z2），使I1的每一个点在I2上都有唯一的点与之相对应。并且这两点应对应同一解剖位置。映射关系P表现为一组连续的空间变换。常用的空间几何变换有刚体变换（rigid body transformation）、仿射变换（affine transformation）、投影变换（projective transformation）和非线性变换（nonlinear transformation）。二、医学图像配准方法
常用的医学配准方法有一个重要的假设前提：就是同一个物体，同样时间不同成像方式所获得的图像，或者同一物体，不同时间同样成像方式所获得的图像。这里拍摄的物体假定没有变化或者只有部分变化。比如在术前术后患者同一体位下拍摄的X线片，荧光显微镜下不同光谱所成的图像。（一）点法
又分内部点及外部点。内部点是从与病人相关的图像性质中得到的，如解剖标志点。解剖标志点必须是在三维空间定义的，并在两种扫描模式的图像中可见。典型的解剖标志点可以是一个点状的解剖结构。外部点则是在受试者颅骨嵌入的螺钉、在皮肤上做的记号或其他在两幅图像都可检测到的附加标记物。（二）矩和主轴法
借用经典力学中物体质量分布的概念，计算两幅图像像素点的质心和主轴，再通过平移和旋转使两幅图像的质心和主轴对齐，从而达到配准的目的。该方法对数据的缺失较敏感，即要求整个物体必须完整地出现在两幅图像中。此外，该方法还对神经医师感兴趣的某些病案效果不佳。（三）相关法
对于同一物体由于图像获取条件的差异或物体自身发生的小的改变而产生的图像序列，采用使图像间相似性最大化的原理实现图像间的配准，即通过优化两幅图像间相似性准则来估计变换参数，主要是刚体的平移和旋转。对照相序列，考虑到棱镜系统的使用，还要做必要的尺度变换。还需对曝光时间不同引起的强度差异作修正。对核医学图像也要作强度换算来修正因获取时间、注入活性及背景等因素产生的影响。所使用的相似性测度可以是多种多样的，例如相关函数、相关系数、差值的平方和或差的绝对值和等。由于要对每种变换参数可能的取值都要计算一次相似性测度，相关法的计算量十分庞大，一些学者在这方面做出了努力。例如，用相位相关傅立叶法估算平移和旋转参数；用遗传算法和模拟退火技术减少搜索时间和克服局部极值问题，及用傅立叶不变性和对数变换分解变量的互相关技术。相关法主要限于单模图像配准，特别是对一系列图像进行比较，从中发现由疾病引起的微小改变。三、连续断层图像的配准
断层是人们了解三维物体内部信息的一种重要方式。在医学和工业上，许多情况下人们无法通过常规的方法了解一些结构的内部三维信息。作为一种可选择的观察方法，可以对三维结构进行断层切片，通过对断层切片的观察来推断结构的内部信息。比如大家熟悉的人体断层解剖切片、连续病理组织切片、CT和MRI等影像设备获得的断层数据集以及共聚焦显微镜获得的细胞超微断面信息等。
连续断层包含了物体内部结构完整的三维信息。首先，我们可以沿物体假定的Z轴方向，对其进行等间隔（d）的水平横切，获得一系列水平断层切片。我们随机取出某一断层，观察其内部物体的相应断面。假定将断层放在一个三维坐标系中，观察未知物体轮廓上点P的三维坐标。点P在X轴和Y轴的坐标值（x，y），可以由其在水平断面上的位置确定；点P在Z轴的坐标值（z），可以由切割的间距（d）和切片的顺序（n）的乘积确定（z=d×n），因而连续断层切片上的点P包含了准确的三维坐标信息，由点及面，由面及体，很容易可以得出以下结论：从连续断层切面上可以观察到未知物体的三维结构信息。
需要注意的是，连续断层图像配准是一种特殊情况下的图像配准，每一断层图像理论上来源于不同的物体。如果采用常用的医学配准方法，因假设前提不同，就会犯严重的错误。比如，一个倾斜的圆柱体，连续断层图像是相同形状的椭圆，如果按照常用图像配准方法配准后三维重建，会形成一个椭圆柱体。
因而，拍摄、保存断层图像的时候，由于成像设备参数的不同，以及成像设备与拍摄切片相对位置、角度的不同，常使得各层图像之间存在位置偏差。需要在标本包埋和拍摄时，加入定位标志，以便于对原始图像进行配准，以保证每幅断层图像真实保留原始切片的准确二维信息。当然，目前先进和CT及MRI设备获取的图像，由于扫描速度极快，可以不去考虑断层图像之间对齐的问题。四、中国数字人连续断层图像配准
在中国数字人（CDH）图像采集过程中，数码相机的参数设置是不变的。由于人体断层的形状在不同层面本身的变化，所以不能用连续断层图像中器官形状的改变来精确估计图像的退化因素。为了便于对采集到的照片进行位置配准，在标本包埋时加入了四根定位杆。而标本切削中预设的定位杆在每一实际断层平面上的空间位置是恒定的，所以连续断层图像中定位杆位置的改变可以代表每一连续断层图像形状的失真。
相对于人体断层平面，数码相机在三维空间中六个自由度（X、Y、Z轴的旋转和X、Y、Z平面的平移）微小平移和旋转，引起断层图像的平移、旋转和缩放（正方形仍对应正方形），切变（正方形对应平行四边形），倾斜（正方形对应任意四边形，直线仍对应直线），总称为射影失真，因而连续断层图像的配准问题可以简化为一个基于定位杆坐标的射影变换问题。
首先在Photoshop中处理原始断层图像，获取每一层的4个定位杆图像，在Matlab中计算4个定位杆图像的质心坐标值作为定位杆坐标值，取所有断层图像定位杆坐标值的平均值为基准坐标。其次依据每一层定位杆的坐标值确定二维射影变换参数，对断层图像进行射影变换，消除其射影失真。纠正失真后的断层图像再在Photoshop中处理，获取其4个定位杆中第一个定位杆图像，同样在Matlab中计算其坐标值，基于定位杆坐标值将断层图像裁剪成大小一致的断层图像。第六节 图像分割一、医学图像分割概述
数字人研究的先驱者Victor Spitzer曾说过，数字人研究有三个具有挑战性的问题，就是分割，分割，再分割。图像分割是三维重建等后继图像处理的基础及瓶颈，一方面精确的图像分割需要付出大量的时间与精力，另一方面图像分割的精度将影响后继医学基础研究及临床应用的结果，因此如何提高图像分割的效率与精度就显得尤为重要。
所谓图像分割，就是将图像中具有特殊意义的不同区域区分开来。中国数字人数据集和临床连续断层数据集，都是包含三维结构信息的体数据集，体数据的分割与二维图像的分割类似，即将体数据集中具有特殊意义的体素分割出来，比如将一块巨石雕刻成一尊雕像的过程，对体素数据的分割有两种方式，一种是对每张二维切片独立进行分割，另一种是直接对三维体数据集进行分割。因此，图像分割也可以简单地理解为一个选择的过程，对于组成二维图像的每个像素或体数据集的每个体素，选择的结果只有去除和保留两种情况，因此图像分割的结果可以用二值图像来保存。（一）医学图像分割的特点
医学图像分割具有很大的挑战性，其原因之一是不管采取何种成像方式，在获取图像过程中真实信息都会存在不同程度的丢失和畸变，断层图像分割的结果只能逼近而无法完全反映真实的解剖结构边界。
对于医学研究人员或外科医师来说，希望计算机重建的正常或病理解剖结构能够真实地再现人体解剖或外科手术中所见结构层次，甚而再现光学显微镜下所见的细微结构。然而，每种设备成像都有一定噪声，每种成像方式反映真实的解剖层次结构都有一定的局限性。比如，解剖标本冰冻切片的光学照片，反映的是不同组织对可见光的反射性，对色彩相近的脂肪组织与神经组织，相邻很近的肌肉间隔，骨膜、肌腱及关节囊等结缔组织之间分辨不好。CT断层成像反映的是不同组织对X线的衰减率，对密度相近的软组织之间界线分辨不好。MRI断层成像反映的是组织所含氢质子密度以及组织的T和T弛豫时12间，反映的组织病理边界往往较真实的情况范围扩大。
原因之二是不管采取何种计算机分割算法，对特定的正常或病理解剖结构，计算机自动图像分割的准确性都很难达到解剖或医学影像专家读片的水平。或者说计算机算法无法达到视觉思维的水平——我们看天上变幻的白云，一会儿像羊群，一会儿像奔马，这是因为脑海中已有羊群和奔马的形象，所以才能看到，这即是视觉思维的过程，而计算机看到的只可能是白云。医学图像分割中专家的作用体现在两个方面，一是计算机自动分割算法的选择上，二是计算机自动分割结果的修正上。这使得医学图像的分割过程必需医学人员的参与控制，而且分割结果的准确性与操作者的经验密切相关，结果不具有可重复性。
因此，目前任何一种单独类型的断层图像都不能满足所有医学研究和临床需要的精度；任何一种单独的计算机图像分割算法都难以对医学图像进行满意的分割。虽然医学图像分割在计算机图形图像专业是一个研究热点，并且不断取得进步，但是由于以上所述原因，目前对于医学研究者来说尚不能完全让别人代劳。医学图像分割的目的是最大限度地达到医学研究或临床工作所需的精度，为此笔者建议进行医学影像体数据分割时需把握以下几点。
首先，准备高质量的原始数据。“巧妇难为无米之炊”，要充分了解研究项目内容，不同的研究目的对分割精度要求不同，用于解剖教学可能要求尽可能多的分割出毗邻组织，用于脑科虚拟手术计划的重建精度要比骨科虚拟手术计划重建精度高。另外，要充分了解各种影像设备的成像特点，影响成像精度的参数条件，根据研究目的选择适合的成像方式，以便于后继的图像分割。比如对人体标本事先进行血管灌注可以便于血管分割。对组织病理切片进行常规染色或者免疫组化染色，可以便于标定结构的图像分割。CT采用较高的扫描电压，可以提高分割骨骼的精度。还要与相关科室及研究人员充分交流，以节约资源并获取高质量的原始数据。
其次，充分熟悉所要分割的结构。影像读片，要心中有物眼中才能有物。首先对所要分割的解剖结构，要复习所有的相关解剖知识及复习文献，了解所要分割结构的解剖特征与变异，细致观察解剖标本，有条件的话进行实体解剖。另外，利用各种体数据集浏览方法，对所要分割的体数据集进行充分细致的浏览观察，逐层追踪解剖结构的改变，做到在进行实际分割前，心中已经对体数据集进行了大体的分割。需要注意的是，解剖结构的几何形状不同，便于观察的断面也不同，比如条索状的膝关节交叉韧带在矢状断层上比在冠状面和横断面上容易观察与分割。
再有，要选择合适的医学图像分割软件或算法。“工欲善其事，必先利其器”，针对一个特定的分割任务如何选择分割算法或分割软件，是进行医学图像分割时必须考虑的问题。
简单地说，所有的分割算法都是利用所要分割对象的一些特征进行，比如灰度、颜色、纹理和形状等等，因此需要了解每种分割工具的原理，分析所要分割结构的图像特征，选择合适的分割工具进行图像分割。
如果有合适的自动分割算法可以完成分割固然是事半功倍的事，然而很多情况下单纯依赖自动分割方法尚不能满足医学对分割准确性的要求，因此由用户参与的交互式分割方法成为备受关注的发展方向。理想的医学图像交互分割软件应该一方面提供基础分割工具和灵活交互的平台，另一方面有多种高效分割工具可供灵活选择。遗憾的是目前可以提供给缺乏工科背景的医学研究者使用的交互式医学图像分割软件不多，其中Mimics虽然提供的分割算法还不能说详尽，然而软件界面友好，便于上手，交互性好，可以满足一般的医学图像分割要求。
最后对体数据集要注意应用三维分割方法。医学图像分割的对象多为体数据集，对体数据集的分割，一种是逐层对每张二维图像进行分割，另一种是利用层与层之间的关联进行三维分割。充分利用层与层之间关联可以加快分割的速度和提高分割的精度。（二）医学图像分割方法
计算机断层成像，磁共振成像、超声成像等技术已经广泛应用于医疗诊断、术前计划、治疗、术后监测等各个环节，从图像中把感兴趣区分离出来是医学图像分割的重点。由于人体解剖结构的复杂性、组织器官形状的不规则性及不同个体间的差异性，一般的图像分割方法对医学图像分割效果并不理想。
许多作者基于hounsfield值、灰度值和RGB分量值，提出许多分割方法，主要有：阈值分割法、区域生长法，结合特定理论工具的方法，如：模式识别法、人工神经网络法等，基于模糊分割的方法、小波变换法以及基于遗传算法的方法。彩色图像的分割方法是灰度图像分割方法从一维矩阵向三维矩阵的扩张，以下简述灰度图像的分割方法。
阈值分割法是将灰度图像变为二值图像以达到分割目的方法。阈值分割法是一种简单且非常有效的方法，特别是不同物体或结构之间有很大的强度对比时，能够得到很好的效果。此分割法通常是交互式的，一般可以作为一系列图像处理过程的第一步。它的主要局限是，最简单形式的阈值法只能产生二值图像来区分2个不同的类。另外，它只考虑像素本身的值，一般都不考虑图像的空间特性，这样就对噪声很敏感。针对它的不足，有许多经典阈值法的更新算法被提了出来。阈值分割对于CT图像的效果较好，而且算法简单，计算速度快。但在选择阈值时需要用户依据经验判断，或者先做多次尝试性分割后再对阈值进行调整，直至得到用户满意的结果。
区域生长法是根据预先定义的标准，提取图像中相连接区域的方法。这个标准可以是灰度信息，也可以是图像的边界，或者是两者的联合。和阈值法一样，区域生长法一般不单独使用，而是放在一系列处理过程中，特别用它来描绘诸如肿瘤和伤口等小而且简单的结构。它主要的缺陷是，每一个需要提取的区域都必须人工给出一个种子点，这样有多个区域就必须给出相应的种子个数。此法对噪声也很敏感，会造成孔状甚至是根本不连续的区域。相反的，局部且大量的影响还会使本来分开的区域连接起来。为减少这些缺点，产生了诸如模糊分类的区域增长法和其他方法。
模式识别法又可以分为分类器法和聚类法。分类器法是一种统计模式识别的方法，用以区分从已知标记的图像数据衍生而来的特征空间（如灰度直方图），它是有监督的模式识别方法。相对于阈值法，在区分多区域图像时此方法有较高的计算效率。它的缺点是，需要人工交互方式获得训练数据。另外，对于大量的生物图像使用相同的训练样本，会因为没有考虑不同物体的解剖特性和物理特性而导致不准确的结果。聚类法的基本原理和分类器法大体是相同的，不同点在于它不需要训练样本数据。它是无监督的模式识别方法。为了弥补没有训练数据这一点，聚类法反复做两件工作：分割图像和刻画每个类的特征，从而使用已有的数据训练自身以达到分割的目的。和分类器方法一样，聚类法同样不考虑空间建模，所以对噪声和非同质的灰度很敏感。然而，这一缺陷却加快了计算速度。由于医学图像本质上存在模糊性（如CT图像同一组织灰度值的含糊性，容积效应引起的边缘、形状的模糊性及运动伪影造成图像的不确定性等），因而聚类法更适合采用对图像不确定性有较好描述能力的模糊理论。
人工神经网络（artificial neural networks，ANN）是一种大规模并行连续处理系统。ANN具有模拟人类的信号处理能力并且非常擅长解决模式识别领域中的模式分类问题，而医学图像分割问题正是对图像中的各个解剖结构进行分类和标记的问题。ANN的主要特点有：具有通过实例学习的能力，并能利用前馈网络概括所学内容；对于随机噪声具有很强的鲁棒性；具有容错的能力和最优搜索能力。因此，当利用其他方法进行图像分割时，对于噪声、组织不均匀性、生物形态的多变性等问题，利用ANN技术可以得到很好的解决。但是，使用神经网络法的时候，因为网络中有许多相互连接，所以空间信息就能很容易包涵在分类过程中。目前，ANN技术应用的一个显著特点是它与模糊技术的结合，从而形成了模糊神经网络系统。模糊技术是建立在模糊集合理论基础上的，能很好地处理三维医学图像内在的模糊性，而且对噪声不敏感。模糊分割技术主要有模糊阈值、模糊聚类、模糊边沿检测等。近年来模糊聚类技术，特别是模糊C-均值（FCM）聚类技术的应用最为广泛，非常适合于医学图像中存在不确定性和模糊性的特点。
小波变换法。在低频和高频分析时有“变焦”特性的小波变换在医学图像分割中得到广泛应用。用小波进行医学图像阈值分割的思想是利用二进制小波变换将图像直方图分解为不同层次的小波系数，依照给定的分割准则和小波系数选择阈值门限，整个过程由粗到细，由尺度来控制。如果分割不理想，则利用直方图在精细的子空间上的小波系数逐步细化图像分割。
遗传算法（evolutionary algorithms）基本思想是建立在自然选择和群体遗传学机制基础上的随机、迭代、进化，它采用非遍历寻优搜索策略，是一种简单、适于并行处理、具有鲁棒性和广泛适用性的搜索方法。遗传算法擅长于全局搜索，但局部搜索能力不足，所以在医学图像分割中常把遗传算法和其他算法结合起来应用。二、数字人研究中图像分割方法
就图像分割而言，中国数字人彩色断层图像具有毗邻复杂、色彩相近、边缘不连续的特点。在同一断面上，骨、骨膜、韧带、肌、神经、血管等彼此交错毗邻；骨皮质的色彩与骨膜、韧带、肌腱的色彩相近，肌肉与红骨髓的色彩相近，神经与周围纤维组织色彩相近；不同结构之间色彩连通，不存在真正意义上的色彩边缘，常需要根据纤维走向和追寻上下层之间的变化来判断边缘。这些特点使得目前计算机自动分割的结果，无法达到解剖学家结合专业知识，通过眼睛感知的理想边缘，必须要进行后期大量的人工修正。
针对中国数字人数据集，张坤等人提出基于区域的Vector Confidence Connected的低级分割方法和基于边界的Level Set高级分割方法相组合的分割方法，边界的平滑性得到了保持，同时半自动的分割方法既有效地结合了医学专家的医学背景知识，又提高了分割处理的速度。宋涛等人提出了一种以模糊连通性理论为基础的三维分割方法，在组织边缘部位与其他组织的交汇处，分割算法的分割精度较低，分割算法本身是一个迭代的过程，分割速度比较慢。郑磊斌使用改进的色彩结构码彩色分割算法对中国虚拟人（VCH）数据集的彩色
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