Mimics軟件在數(shù)字骨科的應(yīng)用數(shù)字骨科入門(四)

尹慶水,萬 磊

Mimics軟件在數(shù)字骨科的應(yīng)用數(shù)字骨科入門(四)

尹慶水,萬 磊

數(shù)字骨科學(xué)；軟件

1 Mimics軟件概述

Mimics是Materialise公司交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)（Materialise's interactive medical image control system）的縮寫，在英文中Mimics亦有模仿、模擬之義。位于比利時(shí)的Materialise公司成立于1990年，是當(dāng)時(shí)歐洲第一批快速原型（rapid prototyping，RP）技術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)之一，目前已成為全世界RP相關(guān)解決方案的領(lǐng)跑者。目前Materialise在全球各大洲均有自己的分支機(jī)構(gòu)，為各國(guó)研究人員提供母語化服務(wù)。Mimics Innovation Suite（MIS）即為Materialise公司推出的、用于生物醫(yī)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新解決方案，它以Mimics為基本功能模塊，針對(duì)斷層掃描圖像進(jìn)行分析提取、三維重建，并提供后續(xù)的RP模型輸出、手術(shù)規(guī)劃模擬、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided-design，CAD）、有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）前處理單元。

2 MIS在醫(yī)學(xué)圖像可視化中的應(yīng)用

Mimics允許輸入二維斷層圖像數(shù)據(jù)（如各類CT、MRI掃描數(shù)據(jù)），能夠提供用戶自定義的輸入模塊，可支持BMP、JPG、TIF和RAW等多種文件輸入格式。其在基礎(chǔ)圖像處理分割提取及可視化方面有著不可替代的優(yōu)勢(shì)。

自12.0版本起，Mimics增加了圖像濾波器，對(duì)于一些質(zhì)量較差的MRI圖像以及MicroCT、techCT圖像進(jìn)行有效的降噪和光順邊緣處理；其具備的基于灰度值的閾值分割提取功能可使不同的組織從原始二維圖像中獨(dú)立出來；其擁有的區(qū)域增長(zhǎng)工具可去除懸浮的細(xì)小噪聲，動(dòng)態(tài)區(qū)域增長(zhǎng)工具則可用來提取血管、神經(jīng)。強(qiáng)大的手動(dòng)編輯工具更是提取復(fù)雜結(jié)構(gòu)所不可缺少的，多層之間的插值算法符合生物組織漸變的特點(diǎn)，減少了個(gè)體的編輯量；而自動(dòng)識(shí)別灰度變化邊緣的工具flood-fill和livewire使手動(dòng)編輯的主觀因素降至最低。在可視化方面，梯度的透明化選項(xiàng)可以更好地觀察不同對(duì)象之間的關(guān)系；對(duì)個(gè)別觀察對(duì)象的剖切更有利于維持其與斷層圖像在三維空間的相互關(guān)系（圖1，2）；對(duì)于一些包含三維數(shù)位相機(jī)影像的模型，Mimics甚至可以將數(shù)位照片貼至模型表面，從而賦予模型更豐富的表面信息特征。

作者單位：510010廣州軍區(qū)廣州總醫(yī)院骨科醫(yī)院

3 MIS在RP制造中的應(yīng)用

Materialise在處理曲面網(wǎng)格方面有超過20年的經(jīng)驗(yàn)，因此Mimics可以輸出水密性的STL文件，用以保證RP的加工質(zhì)量（圖3）。RP切片模塊允許用戶選擇層的厚度、切片解析度和切片文件的比例因子；切片文件可保存為以下幾種格式：普通層接口文件（*.cli）、三維系統(tǒng)層接口文件（*.stl）和三維系統(tǒng)層輪廓文件（*.slc）。在RP模型的生產(chǎn)中，對(duì)于需要支撐的切片文件（SLI、SLC和CLI），輪廓支撐生成器會(huì)自動(dòng)計(jì)算支撐結(jié)構(gòu)，這是一種準(zhǔn)備文件的快速方法，專利的穿孔支撐技術(shù)較之傳統(tǒng)技術(shù)更易于被清除，材料消耗更少，而制造速度卻提高了4倍之多。

4 MIS在有限元分析及計(jì)算流體力學(xué)中的應(yīng)用

Mimics為FEA、CFD提供基于掃描數(shù)據(jù)建立的模型，然后對(duì)表面數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)一步生成體數(shù)據(jù)，以應(yīng)用于FEA分析中。其網(wǎng)格優(yōu)化功能可提供多達(dá)11種的通用質(zhì)量控制參數(shù)，用戶通過選取最適合的參數(shù)來簡(jiǎn)化三角片質(zhì)量控制。這一參數(shù)化控制過程顯著提高了STL對(duì)象的質(zhì)量和處理速度，方便地將不規(guī)則三角片轉(zhuǎn)化為相對(duì)更等邊的三角形，在進(jìn)一步的自動(dòng)優(yōu)化功能運(yùn)用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)更為專業(yè)的自動(dòng)或手動(dòng)優(yōu)化，從而更好地進(jìn)行FEA分析。系統(tǒng)在優(yōu)化面網(wǎng)格的基礎(chǔ)上自動(dòng)生成體網(wǎng)格，并對(duì)體網(wǎng)格的數(shù)量進(jìn)行控制；建立體網(wǎng)格模型后，再基于掃描數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)單元的灰度值；根據(jù)不同的灰度范圍定義相應(yīng)的材料屬性，將其分配給不同的單元，從而使仿真的結(jié)果更加符合真實(shí)的生理情況（圖4）。整個(gè)過程在離散化的層面進(jìn)行，不需要冗長(zhǎng)復(fù)雜的逆向工程過程，在保證模型精度的條件下完成FEA/CFD前處理可以節(jié)省80%以上的時(shí)間，尤其是對(duì)復(fù)雜的蜂窩狀結(jié)構(gòu)、骨小梁結(jié)構(gòu)以及其他無法用逆向工程獲取幾何模型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，MIS提供了唯一可行的解決方案。

圖1 骨骼與血管的可視化 圖2 手部骨骼與軟組織的可視化 圖3 快速原型修補(bǔ)下頜骨缺損 圖4 足部有限元計(jì)算 圖5 膝關(guān)節(jié)假體個(gè)體化設(shè)計(jì) 圖6 人工股骨頭手術(shù)模擬

5 MIS在個(gè)體化植入體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

Mimics為CAD提供了完整的解決方案，借助MedCAD模塊對(duì)生成模型進(jìn)行輪廓線以及簡(jiǎn)單擬合曲面的提取，并以*.igs的格式輸出；3-matic的CADlink模塊更是提供了自動(dòng)化面片劃分和特征提取的工具，對(duì)復(fù)雜生物模型進(jìn)行一鍵式的IGS及STP文件輸出。目前3-matic支持STL、WRL、OBJ、IGS、STP和UG、CATIA、Pro/E等CAD軟件輸出文件以及 Ansys、Abaqus、Comsol、Nastran、Patran、Fluent等FEA/CFD軟件輸出文件的讀取，且可以直接讀取Magics以及Mimics的工程文件，真正實(shí)現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)來源的融合。3-matic design模塊提供能夠在三角片層面上進(jìn)行的CAD工具，因而無需對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行繁瑣的逆向工程操作便可直接讀取Mimics文件，同時(shí)還可針對(duì)基于模型本身的結(jié)構(gòu)進(jìn)行個(gè)體化植入體的設(shè)計(jì)，從而保證設(shè)計(jì)與人體結(jié)構(gòu)的一致性（圖5）。此外，3-matic提供高級(jí)的測(cè)量分析工具，能夠?qū)δＰ偷谋诤?、曲率以及兩個(gè)模型之間的形態(tài)差別進(jìn)行對(duì)比定量分析；MedCAD模塊還提供針對(duì)血管外科的CAD工具，可通過對(duì)模型中心線的測(cè)量，進(jìn)行一系列關(guān)于血管直徑、曲率以及截面周長(zhǎng)、面積等參數(shù)的測(cè)量，并且可以定義CFD分析所需要的inlet/outlet。

6 MIS在手術(shù)模擬計(jì)劃中的應(yīng)用

Mimics手術(shù)模擬模塊可以針對(duì)提取的三維對(duì)象進(jìn)行切割、分離、重新定位以及鏡像處理、大小縮放、布爾運(yùn)算等操作；模擬植入體放置、定位（圖6），判斷植入體放置后需去除的骨量；提供多種人體學(xué)測(cè)量模板，用戶可對(duì)需要的測(cè)量模式進(jìn)行自定義，測(cè)量的結(jié)果可通過文本格式輸出以便進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

7 MIS在多孔材料分析中的應(yīng)用

Mimics的孔隙結(jié)構(gòu)分析模塊可以測(cè)量復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率、孔連通性、平均孔徑、比表面積、孔囊尺寸分布以及孔喉尺寸分布（圖7），將復(fù)雜的過程簡(jiǎn)化為一步操作。

圖7 多孔材料設(shè)計(jì)與測(cè)量 圖8 MIS在先天性尺橈骨畸形截骨矯形中的應(yīng)用 8A術(shù)前X線 8B術(shù)前CT掃描圖像 8C術(shù)前三維模型 8D畸形骨骼與正常結(jié)構(gòu)對(duì)比觀察結(jié)果 8E模擬截骨延長(zhǎng) 8F模擬矯形旋轉(zhuǎn) 8G正常、畸形骨骼實(shí)物模型 8H術(shù)后X線片

8 MIS的特點(diǎn)

Mimics是快速、便捷、強(qiáng)有力的三維圖像處理和編輯系統(tǒng)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用直觀的用戶界面，使用方便，獨(dú)具特色；（2）分割工具允許用戶選擇感興趣的區(qū)域，只需幾個(gè)單擊操作即可轉(zhuǎn)換成三維模型，并可在此模型上實(shí)時(shí)執(zhí)行旋轉(zhuǎn)、平移放大和改變透明度等操作；（3）數(shù)據(jù)更加簡(jiǎn)單有序，易于尋找相關(guān)工具和功能；（4）可導(dǎo)入任意二維圖像并在此基礎(chǔ)上獲得三維重建模型；（5）除DICOM格式外，還可導(dǎo)入多種圖形格式如CT、Tech CT、MRI以及顯微鏡數(shù)據(jù)等；（6）可根據(jù)用戶具體的技術(shù)要求和應(yīng)用需要進(jìn)行量身定做，每個(gè)模塊都可輸出用戶需要的文件格式；某些模塊還可提供專門的應(yīng)用功能（如用于計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)等），具有較好的拓展性。

Mimics亦存在不足之處，其對(duì)有限元的支持有待加強(qiáng)。運(yùn)用Mimics的FEA模塊基本上只能生成單一的被分割部分的表面網(wǎng)格，且網(wǎng)格質(zhì)量無法保證。病理單元和退化單元的存在使表面網(wǎng)格通常需要進(jìn)行修正才可輸出到第三方軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而為了進(jìn)行基于信號(hào)強(qiáng)度的材料屬性的設(shè)定，這些以有限數(shù)量格式表示的網(wǎng)格化模型需要重新導(dǎo)入至一個(gè)小的應(yīng)用程序進(jìn)行體網(wǎng)格劃分后再導(dǎo)回Mimics中。故對(duì)于模擬內(nèi)固定手術(shù)，采用Mimics進(jìn)行有限元前處理將比較復(fù)雜。

9 MIS應(yīng)用舉例

患者，女性，7歲，因右前臂畸形3年入院。查體：右肘關(guān)節(jié)處可見橈骨小頭突出，右前臂呈弧形向外彎曲，右腕關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)空虛。輔助檢查：X線示右側(cè)近段尺橈關(guān)節(jié)脫位，右尺橈骨畸形（圖8A）。術(shù)前行患肢CT掃描（圖8B），掃描層厚1 mm，獲得病變骨骼的細(xì)間距斷面圖像，以DICOM格式保存，輸入Mimics軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分割及三維數(shù)字化重建，獲得患者患肢的三維模型（圖8C）。將畸形骨骼與正常骨骼疊加對(duì)比觀察（圖8D），研究畸形的角度、長(zhǎng)度及嚴(yán)重程度，模擬截骨延長(zhǎng)（圖8E），進(jìn)而進(jìn)行模擬旋轉(zhuǎn)矯形（圖8F），獲得矯形結(jié)果。將患肢三維仿真模型數(shù)據(jù)輸入RP機(jī)進(jìn)行RP制造，得到骨骼實(shí)物模型（圖8G）。制定手術(shù)方案為“右尺橈骨近端關(guān)節(jié)復(fù)位+右尺骨延長(zhǎng)+右橈骨截骨矯形術(shù)”并實(shí)施手術(shù)。術(shù)后X線片顯示畸形矯治滿意（圖8H）。

R68,R319.1

A

1674-666X(2010)02-0137-03

2010-05-24；

2010-06-10）

（本文編輯 白朝暉）

10.3969/j.issn.1674-666X.2010.02.011

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