Simpleware軟件功能及其在數(shù)字骨科的應(yīng)用數(shù)字骨科入門(三)

尹慶水,萬磊

Simpleware軟件功能及其在數(shù)字骨科的應(yīng)用數(shù)字骨科入門(三)

尹慶水,萬磊

數(shù)字骨科學(xué)；軟件

Simpleware軟件是醫(yī)學(xué)圖像三維處理軟件，它具有強大的三維處理和建模功能，內(nèi)容豐富，實用性強，為骨科醫(yī)生進行數(shù)字骨科學(xué)實踐提供了理想的平臺。2009年，總部位于英國的Simpleware公司推出了Simpleware 3.2版本，可以對二維平面序列圖像（CT/MRI）進行提取、分割、合并等操作，生成表面重建后的三維圖像，并將其輸出到第三方軟件進行快速成型（rapid prototyping，RP）制造；同時面向三維影像數(shù)據(jù)提供各種可供選擇的模塊來生成有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）或計算機流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模型；并可通過與其他計算機輔助設(shè)計（computer aided design，CAD）軟件的接口直接讀取三維設(shè)計文件，實現(xiàn)手術(shù)過程的三維模擬與設(shè)計。

Simpleware軟件的解決方案以掃描圖像處理（scan image processing，ScanIP）模塊為核心，同時提供用于有限元網(wǎng)格生成的基于掃描圖像的有限元（scan finite element，ScanFE）模塊以及CAD植入的基于掃描圖像的CAD（ScanCAD）模塊。Simpleware軟件涵蓋了三維重建模型生成、有限元網(wǎng)格模型生成、RP制作以及CAD設(shè)計的全過程，從而為數(shù)字骨科的臨床應(yīng)用提供了一體化解決方案。

1 ScanIP模塊

ScanIP是三維重建模塊，其功能是將二維平面序列圖像（圖1）轉(zhuǎn)換為三維重建模型（圖2）。它提供了一系列用于圖像可視化、圖像處理以及圖像分割的工具,可以幫助用戶將CT/MicroCT/MRI數(shù)據(jù)中感興趣的區(qū)域可視化并對相關(guān)區(qū)域進行分割操作。分割后的圖像以STL文件的格式輸出后用于CAD分析或RP生產(chǎn)；也可結(jié)合ScanFE生成體網(wǎng)格，直接輸出到常見的商業(yè)有限元軟件中進行后續(xù)分析。

ScanIP可 支 持 DICOM、Interfile、ACRNEMA 1、ACR-NEMA 2、Analyze、Meta-Image、Raw image data、Stack of 2D image（*.jpg、*.tif）等多種文件輸入格式，提供多個二維/三維可視化模式的用戶平臺，擁有包括水平集方法在內(nèi)的強大的分割工具，提供去除金屬偽影算法，進行體保留/拓撲保留光滑，生成精確的多部分表面網(wǎng)格以及STL文件等。其主要優(yōu)點在于：提供直觀化的用戶界面，具有對復(fù)雜數(shù)據(jù)集的可視化功能，生成封閉的STL模型，保證低扭曲度的高質(zhì)量表面網(wǎng)格的生成，確保生成的多部分STL文件的一致性以便于組裝，可直接輸入到第三方CAD軟件等。

圖1 Simpleware二維界面1A水平面 1B冠狀面 1C矢狀面圖2 Simpleware三維重建圖像

ScanIP提供的圖像處理工具包括圖像重采樣、噪聲過濾器、金屬偽影過濾器、形態(tài)過濾器、繪制/擦除工具、相連區(qū)域、增長、孔洞填充、閾值算法、布爾運算、重疊檢查、網(wǎng)格光滑過濾器以及縮減網(wǎng)格數(shù)目等，這些高質(zhì)量圖像處理工具可對三維圖像進行可視化和分割操作，并可生成多部分具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的CAD模型，從而為逆向工程、非破壞性的工業(yè)制品檢測以及生物結(jié)構(gòu)分析提供新的解決方案。

2 ScanFE模塊

ScanFE模塊是有限元前處理工具模塊，它為已分割好的三維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多部分有限元體模型提供了精確的方法，其獨特的三維網(wǎng)格劃分技術(shù)使得生成的有限元模型具有無可比擬的精確度和復(fù)雜度。

ScanFE網(wǎng)格劃分模塊是基于ScanIP生成的模型而進行的，可生成體網(wǎng)格或表面網(wǎng)格，自動生成接觸面，并可對分割部分進行材料屬性的分配。ScanFE生成的高質(zhì)量網(wǎng)格可直接輸入到一系列商用有限元軟件和CFD軟件中。

ScanFE支持的輸出格式主要包括有Abaqus（*.inp）、Ansys（*.ans）、Comsol（*.mphtxt）、I-Deas（*.unv）、LS-Dyna3D（*.dyn）、MSC.Patran Neutral（*.out）、Fluent（*.msh）以及STL（*.stl）等。ScanFE輸出的參數(shù)包括節(jié)點、體單元（四面體/六面體）、殼單元、線性節(jié)點單元和中間節(jié)點單元、接觸面、基于表面灰度值的材料屬性、節(jié)點/單元集。ScanFE可將任意幾何形狀的復(fù)雜物體的數(shù)據(jù)集生成網(wǎng)格，提供拓撲保留和體保留的光滑算法，對感興趣的多結(jié)構(gòu)/區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，保證接觸表面/界面的一致性，生成用戶可定義的自適應(yīng)網(wǎng)格，根據(jù)圖像信號強度實行材料屬性的分配等。

ScanFE在生成模型時采用簡捷精確的技術(shù)，為一些運用其他數(shù)值分析軟件難以解決的復(fù)雜問題提供了新的解決途徑。除了逆向工程、復(fù)雜零/組件的非破壞性檢測之外，ScanFE還可用于對納米/微米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料和泡沫材料的逆向材料特征的描述，以及基于活體掃描的個體化醫(yī)學(xué)模型等領(lǐng)域的研究。ScanFE能夠快速自動生成精確的模型，從原始數(shù)據(jù)到模型的生成只需要數(shù)十分鐘，可在普通的個人電腦上生成復(fù)雜的網(wǎng)格；它還可對復(fù)雜耦合的流體結(jié)構(gòu)區(qū)域進行網(wǎng)格化，保證低扭曲度的高質(zhì)量表面網(wǎng)格或體網(wǎng)格的實現(xiàn)，使生成的快速成型模型與有限元網(wǎng)格模型的幾何形態(tài)保持精確一致。此外，ScanFE還可將表面網(wǎng)格或者體網(wǎng)格直接輸出到有限元軟件和CFD軟件求解器，操作簡便，兼容性強。

3 ScanCAD模塊

ScanCAD是CAD工具模塊，本身功能比較簡單，提供了常用的CAD軟件接口，可以借助CAD軟件的強大功能進行常規(guī)的醫(yī)學(xué)輔助設(shè)計。但骨科醫(yī)生往往需要在該軟件界面內(nèi)進行個性化的測量與設(shè)計以節(jié)約成本和時間，因此ScanCAD本身的功能亟待加強，需要針對專業(yè)用戶進行二次開發(fā)以增強其功能。

目前ScanCAD可將輸入的CAD模型在圖像數(shù)據(jù)中進行交互式定位，所獲得的組合模型以多部分CAD模型的形式自動輸出，或者利用ScanFE模塊的功能自動轉(zhuǎn)換生成多部分有限元網(wǎng)格或CFD網(wǎng)格。ScanCAD模塊與ScanIP模塊的組合使用可以為CAD模型與三維圖像的融合提供一系列的工具。例如，模塊可基于在術(shù)前掃描中定位不同植入物的CAD模型獲得病人的個性化模型，通過組合模型的運用對術(shù)后性能進行評估，并可直接測量多種組合模型。

ScanCAD支持的文件格式主要包括IGES（*. iges、*igs）、STEP（*.step、*.stp）和STL（*.stl）等。其所提供的工具可用于二值化和多值檢測、CAD模型植入預(yù)覽、同時顯示二維和三維視圖、旋轉(zhuǎn)/移動/用戶自定義、運動約束、帶有透明度功能的表面繪制和體繪制以及三維體和切層視圖模式的組合等。

ScanCAD能夠提供二維或三維視圖的用戶圖形界面，支持多個CAD導(dǎo)入，可將大部分常見的CAD格式直接導(dǎo)入三維圖像中，對非水密的CAD模型進行動態(tài)修復(fù)，利用實時交互式輸入或鍵盤輸入進行定位，并可沿著用戶定義的矢量進行限定性運動定位。

ScanCAD為CAD模型與圖像數(shù)據(jù)的融合提供了一種獨特的方法，同時還能確保掃描圖像的形態(tài)和保真度，較好地解決了醫(yī)學(xué)設(shè)計中出現(xiàn)的三維仿真問題，如利用ScanCAD模塊功能進行人工關(guān)節(jié)型號的術(shù)前三維匹配與選擇等。ScanCAD提供友好的交互式用戶界面環(huán)境，使骨科醫(yī)生可根據(jù)病人的個性化模型預(yù)測骨科手術(shù)結(jié)果、設(shè)計新的骨科手術(shù)方式及開發(fā)新型內(nèi)固定器械等。

圖3 術(shù)前CT示寰樞椎脫位

圖4 應(yīng)用Simpleware設(shè)計樞椎椎弓根置釘CAD安全三維釘?shù)?/p>

圖5 應(yīng)用Simpleware設(shè)計寰樞椎椎弓根CAD導(dǎo)向模板

圖6 Simpleware輸出后進行寰樞椎椎弓根置釘導(dǎo)向模板快速成型

圖7 導(dǎo)向模板輔助寰樞椎后路置釘術(shù)

圖8 術(shù)后X線片示寰樞椎解剖復(fù)位，椎弓根釘棒內(nèi)固定位置良好

4 Simpleware應(yīng)用舉例

患者，女性，3歲，因車禍傷致頸痛、活動受限、左側(cè)肢體肌力下降入院。診斷為可復(fù)性寰樞椎脫位，擬行寰樞椎后路椎弓根內(nèi)固定術(shù)。患者入院即行CT掃描（圖3），運用患者CT原始圖像數(shù)據(jù)資料，在Simpleware（面向我院二次開發(fā)后的版本）工作平臺上進行計算機三維輔助設(shè)計（圖4，5）和快速成型，制作寰樞椎椎弓根內(nèi)固定個體化導(dǎo)向模板（圖6），手術(shù)中在導(dǎo)向模板引導(dǎo)下置釘（圖7）。術(shù)后可見寰樞椎解剖復(fù)位，椎弓根釘棒內(nèi)固定位置良好（圖8）。

R68,R319.1

A

1674-666X(2010)01-0072-03

2009-12-25；

2010-02-01）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2010.01.018

510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院

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