對(duì)MimicsV100軟件三種三維重建方法的研究

隨著醫(yī)學(xué)三維重建軟件在解剖教學(xué)、手術(shù)計(jì)劃、人工造像制造等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，三維重建軟件的功能已成為當(dāng)前醫(yī)學(xué)工程學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。Mimics軟件是國內(nèi)醫(yī)學(xué)界所推崇的應(yīng)用范圍較廣的醫(yī)學(xué)三維重建軟件,尤其它在重建人體骨骼方面有突出表現(xiàn)。本文將以左側(cè)膝關(guān)節(jié)的CT掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),探討MimicsV10.0軟件的3種三維重建方法的成像原理。1材料和方法1.1gerapt圖像對(duì)3個(gè)既往無膝關(guān)節(jié)疾患和系統(tǒng)性疾病的健康成年男性志愿者,應(yīng)用GELightspeed16排螺旋CT以層厚1.25mm,間隔1.25mm,掃描雙膝關(guān)節(jié),獲得512×512矩陣的CT圖像85層(Dicom格式)。掃描時(shí)雙膝關(guān)節(jié)處于中立位,并不負(fù)重。1.2監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)系統(tǒng)硬件:Dell圖形工作站(雙XeonTM2.3G,CPU內(nèi)存2.0G,WindowsXP系統(tǒng))。軟件:MimicsV10.0軟件。1.3方法1.3.1mics軟件生成雙膝關(guān)節(jié)蒙局部圖像將雙膝關(guān)節(jié)薄層CT掃描數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入Mimics軟件,便生成雙膝關(guān)節(jié)的原始蒙罩圖像。接著運(yùn)用閾值選取技術(shù)、三維區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)及空洞填充技術(shù)將左膝關(guān)節(jié)原始蒙罩的表面漏洞及其髓腔填充起來,以獲得新蒙罩。1.3.2左膝關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型在三維實(shí)體菜單欄中導(dǎo)入新蒙罩,隨后在三維區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上將所選取的閾值范圍內(nèi)的相鄰象素連接而重組成圖像,就得到左膝關(guān)節(jié)三維實(shí)體模型(圖1)。1.3.3基于三維模擬及三維實(shí)際模型的三維建模在FEA模塊中,將左膝關(guān)節(jié)的三維實(shí)體模型載入到Magic9.9軟件中,在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過表面光順、減少三角形等運(yùn)算得到經(jīng)過面網(wǎng)格優(yōu)化后的模型(圖1)。1.3.4新蒙罩模型的生成同樣,在MedCAD模塊的Polylines菜單欄中導(dǎo)入新蒙罩,Mimics軟件自行運(yùn)算便生成了由提取的新蒙罩每一層的外輪廓線所重疊起來的左膝關(guān)節(jié)三維模型(圖2)。2結(jié)果2.1維實(shí)體重建模型左膝關(guān)節(jié)的面網(wǎng)格化重建是在三維實(shí)體重建的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。這兩種三維重建方法得到的左膝關(guān)節(jié)模型圖像輪廓清晰,均能旋轉(zhuǎn),方便測(cè)量。其中的三維實(shí)體重建模型可從任意角度及平面剖割,得到操作者所需要的多平面重建曲面。尤其是對(duì)在CT軸位像上不易觀察的膝關(guān)節(jié)脛骨平臺(tái)內(nèi)、外側(cè)髁間脊骨折,可在矢狀面及冠狀面重建圖像上有一個(gè)良好的顯示。經(jīng)面網(wǎng)格優(yōu)化后的重建模型可直接導(dǎo)入有限元軟件,進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析。2.2左膝關(guān)節(jié)ct掃描數(shù)據(jù)左膝關(guān)節(jié)表面輪廓重建模型的層面數(shù)是85層,層厚是1.25mm,層間距為1.25mm,這與左膝關(guān)節(jié)的CT原始掃描數(shù)據(jù)相一致。該表面輪廓重建模型,可以轉(zhuǎn)換成Nurbs的曲線、曲面資料,隨后行脛骨平臺(tái)假體的設(shè)計(jì),為膝關(guān)節(jié)單側(cè)髁關(guān)節(jié)置換術(shù)(UKA)在治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髁骨關(guān)節(jié)炎方面提供依據(jù)。3面網(wǎng)格化重建模型的表面輪廓三維實(shí)體重建技術(shù)等同于CT后處理的表面遮蓋重建技術(shù),表面遮蓋重建需要設(shè)置一個(gè)閾值范圍,所有在此閾值范圍內(nèi)的CT數(shù)據(jù)被保留下來進(jìn)行重建,其余的數(shù)據(jù)全部舍棄。該技術(shù)所得到的三維實(shí)體重建模型可從任意角度及平面剖割,得到操作者所需要的多平面重建曲面。這不僅可用于脛骨平臺(tái)內(nèi)、外側(cè)髁間脊骨折的觀察,而且,利用該技術(shù)可以獲得顱底部任意角度的多平面重建圖像,尤其是對(duì)中、后顱窩通向顱外各骨性管道的良好顯示,對(duì)病灶的定位和空間關(guān)系的判斷有重要意義,進(jìn)而來指導(dǎo)外科手術(shù)的開展。面網(wǎng)格化重建實(shí)際就是對(duì)三維實(shí)體重建模型表面數(shù)據(jù)網(wǎng)格化的過程,即以小三角面片為單位構(gòu)建三維模型的表面輪廓。本研究采用的MimicsV10.0軟件,其面網(wǎng)格的單元為三角形,采用三角形面網(wǎng)格單元生成的文件與后續(xù)行運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的Ansys、Abaqus等有限元分析軟件相兼容。因此,經(jīng)面網(wǎng)格優(yōu)化后的重建模型可直接導(dǎo)入有限元軟件,進(jìn)行膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析。進(jìn)而為各類田徑運(yùn)動(dòng)員制定正確的訓(xùn)練方案,以及為骨關(guān)節(jié)外傷患者在不同時(shí)期功能鍛煉的程度及方式的進(jìn)一步科學(xué)化、規(guī)范化提供指導(dǎo)依據(jù)。在Mimics軟件中自動(dòng)提取每一CT掃描層面的邊界輪廓線后,再將其疊加起來,就得到了表面輪廓重建模型。該重建模型,可以轉(zhuǎn)換成Nurbs的曲線、曲面資料,隨后利用快速原型技術(shù)行脛骨平臺(tái)假體的設(shè)計(jì),為膝關(guān)節(jié)單側(cè)髁關(guān)節(jié)置換術(shù)(UKA)在治療膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)髁骨關(guān)節(jié)炎方面提供依據(jù)。本研究中的左膝關(guān)節(jié)表面輪廓重建模型在Polylines菜單欄可生成Iges格式的文件,其優(yōu)點(diǎn)是只有感興趣區(qū)的輪廓線被導(dǎo)出,缺點(diǎn)是無法使用層間插入法(線性插入或立方插入)。在Export菜單欄,以所選取的蒙罩為基礎(chǔ)導(dǎo)出Iges文件,則可使用層間插入法。該法屬于基于輪廓的形狀插值非線性表面重建方法,使用該法生成斷層間對(duì)象輪廓,這使得Iges文件內(nèi)所包含的模型表面更加光滑。4數(shù)字模型