人體骨骼三維模型重建技術(shù)的研究

石永芳　田軍

【摘 要】針對三維模型重建技術(shù)對醫(yī)學研究及臨床應(yīng)用的重要性及必要性，根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用目的介紹了人體骨骼模型三維重建的不同方法與途徑，并以顱骨和磨牙模型為實例，詳細介紹了三維重建過程，最后用相應(yīng)的重建結(jié)果證明了方法的可行性與正確性。

【關(guān)鍵詞】骨骼；逆向工程；三維重建；醫(yī)學影像

【Abstract】With the necessity and importance of reconstructing medical image model on the medical application and research， a variety of methods reconstructing human body Skeleton were introduced according to different original data and application purposes. The different reconstruction processes of human pelvic tissues， molar and incisor models are detailed. This proves the validity and feasibility of the different means.

【Key words】Human body skeleton； Reverse engineering； 3D reconstruction； Medical image

0 前言

在20世紀80年代以來，以計算機技術(shù)為核心的數(shù)字化技術(shù)飛速發(fā)展，相應(yīng)的促進了醫(yī)學影像工程技術(shù)和逆向工程技術(shù)的發(fā)展，也為逆向工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。90年代以后，逆向工程技術(shù)的醫(yī)學應(yīng)用逐步發(fā)展，得到了人們的普遍關(guān)注并獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

逆向工程技術(shù)（Reverse Engineering，簡稱RE）是指將實物轉(zhuǎn)換為CAD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)以及產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱[1]。在本文中狹義的將其定義為從相關(guān)模型的數(shù)字信息的獲取、數(shù)字信息的處理到CAD模型形成這一過程中涉及的技術(shù)過程。

1 軟件介紹

Mimics是Materialise公司開發(fā)的交互式醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)的簡稱，是對醫(yī)學CT和MRI圖像進行三維重建的專業(yè)軟件。該軟件能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)（CT、MRI），建立3D模型進行編輯，然后輸出通用的CAD（計算機輔助設(shè)計）、FEA（有限元分析），RP（快速成型）格式，是介于醫(yī)學與機械領(lǐng)域之間的一套逆向軟件[2]；Geomagic是美國Raindrop公司的推出的逆向工程軟件，是成熟的逆向工程軟件之一。利用Geomagic可輕易地從掃描所得的點云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。Imageware是著名的逆向工程軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、家具、模具及通用的機械行業(yè)。UG是功能強大的三維設(shè)計軟件，是當前世界上最先進的、緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAD/CAE/CAM高端軟件。

2 人體骨骼模型重建方案

在逆向工程中，實體的三維模型重建是整個過程中最關(guān)鍵、最復雜的環(huán)節(jié)。在實際應(yīng)用中，通常根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用目的，選用不同的方法，本文嘗試提出以下兩種方案來重構(gòu)人體骨骼或標本的三維模型。

2.1 基于CT/ MRI圖像的三維模型重構(gòu)

2.1.1 重構(gòu)方案

該方案是以感興趣的人體骨骼的CT/ MRI圖像為數(shù)據(jù)源的模型重建方案。技術(shù)路線如圖1所示，首先對人體骨骼進行CT/核磁掃描，獲取用于三維模型重建的CT/MRI圖像并以DICOM格式存儲，然后輸入到Mimics軟件中。為了確保圖像質(zhì)量，先要對圖像進行預(yù)處理，然后進行圖像分割和邊緣的提取與處理，將軟組織與骨骼組織進行分離，得到所需組織區(qū)域。再通過區(qū)域生長處理對已經(jīng)確定的某一層面的組織區(qū)域通過區(qū)域生長功能擴展到其他剩余層。最后通過Calculate 3D工具由mask計算所需組織的三維模型。為了得到較好的模型效果，需要對所建好的模型進行后期處理，如光順（Smoothing）、重新網(wǎng)格劃分（Remesh）等。重構(gòu)的三維模型，可以以STL格式輸出文件，然后將文件輸入快速成型機，采用不同的快速成型材料及不同的快速成型方法[3]，得到用于不同目的的快速成形原型件。

因為STL格式是以三角面片來表示模型的，不是傳統(tǒng)意義上的CAD模型，不能對模型進行任意的修改。在將重構(gòu)的組織模型用于假體設(shè)計及有限元分析等方面時，可以將得到的組織模型以圖形數(shù)據(jù)文件交換的一種標準格式，IGES格式，將模型輸出，得到模型的點云數(shù)據(jù)。然后利用逆向工程原理，進行三維重構(gòu)，得到所需組織的CAD模型。

2.1.2 重建案例

使用CT掃描機，采集了人體頭部CT數(shù)據(jù)，如圖2a）所示。得到DIMCOM格式的顱骨掃描后的數(shù)據(jù)，運用Mimics軟件讀入計算機中，得到包括軟組織和骨組織在內(nèi)的各具灰度特性的不同區(qū)域。在Mimics中進行顱骨重建主要通過數(shù)據(jù)預(yù)處理-區(qū)域分割-邊緣提取與處理-區(qū)域增長這樣的過程最終得到顱骨骨骼區(qū)域，最后將選定區(qū)域生成STL模型。

CT圖像是灰度圖像，每一點的灰度值反映了該處的密度[4]。骨骼的CT值因人而異，一般范圍為300-1500。通過人工干預(yù)，選擇合適的分割閾值，將骨骼和軟組織進行分割，如圖2b），然后進行邊緣提取及處理，對不需要的區(qū)域進行刪除。對于已經(jīng)確定某一個層面的骨骼區(qū)域，通過區(qū)域生長功能可以方便的擴展到其他剩余層。最終提取出骨骼部分區(qū)域。通過區(qū)域生長完成的三維輪廓由于影像的誤差和分割的誤差，通常仍舊會包含一些不需要的結(jié)構(gòu)部位，必須通過編輯處理手段把它們刪除。然后可經(jīng)過反復驗證達到完善。在確認無誤的情況下，該三維模型可以以STL 文件格式輸出，生成STL模型，如同2c）所示。導入到快速成型設(shè)備中，用以制作快速成型件；或在輸出模塊中以IGES文件或DXF文件格式導出，用以進一步的計算機輔助設(shè)計或有限元分析，為從力學角度進一步研究做前期準備工作。

2.2 基于人體骨骼標本、模型的三維模型重構(gòu)

2.2.1 重構(gòu)方案

在實際研究中，有些人體組織不適于通過CT/MRI掃描得到，但現(xiàn)實有組織標本或模型，這時可以利用逆向工程的數(shù)字化儀器，對標本或模型進行掃描，得到點云數(shù)據(jù)，然后利用點云數(shù)據(jù)進行逆向重構(gòu)。

重構(gòu)時可以有兩種方法選擇：一是將IGES格式的點云數(shù)據(jù)導入Geomagic軟件中，利用該軟件的相應(yīng)功能來完成從點云數(shù)據(jù)到多邊型模型和網(wǎng)格模型的構(gòu)造，最后自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面模型。生成曲面模型后，仍然以IGES格式將模型導出，然后導入UG軟件，通過曲面縫合、加厚等功能生成實體模型。

另一種方法是將點云數(shù)據(jù)導入Imageware中，通過點云構(gòu)造必要的特征曲線或曲面，然后導入UG中，通過線構(gòu)造面的相關(guān)命令進行曲面建模，再利用構(gòu)造實體的命令完成實體建模，最后得到實體的CAD模型。

在這兩種方法之中，選擇哪一種方法可視要構(gòu)造模型的特點及使用者對軟件的掌握程度來做選擇。這一方案完成的實體模型，可以以IGES格式輸出后，輸入Ansys中進行有限元分析，也可為利用ADAMS動力學軟件進行運動與力學分析，還可在此模型的基礎(chǔ)上進行假體設(shè)計，當然也可以將模型輸出成STL格式，進行快速成型制作，還可以利用其他加工方法（如數(shù)控加工）進行實物模型的制作。

2.2.2 重建案例[5]

針對人體組織標本、模型的三維模型重構(gòu)方案，以人體的下頜第一磨牙模型作為模擬對象，對其進行三維模型重建研究。

使用ATOS光學掃描系統(tǒng)將磨牙的模型進行掃描，獲得原始點云數(shù)據(jù)。通過ATOS掃描軟件對點云進行去除噪聲點、對齊、三角化、補洞、光順等數(shù)據(jù)預(yù)處理，然后以IGES格式導入Geomagic軟件中。在Geomagic中，先對點云進行進一步優(yōu)化處理：如去除雜點、光順、優(yōu)化點云的橫向點距、縱向點距等。然后通過wrap命令得到三角片表示的磨牙，如圖4a）所示。同時進入Polgon階段，進行基于三角片的曲面模型處理，通過對三角片的自相交、重疊、法向錯誤等問題進行處理后獲得比較規(guī)整的曲面模型，然后進入成形階段（Shape Phase），在對曲面分析的基礎(chǔ)上進行曲面片的合理劃分，對劃分好的曲面片進行網(wǎng)格構(gòu)造（Construct Grid），在網(wǎng)格的基礎(chǔ)上擬合成NURBS曲面（Fit Surfaces），如圖4b）所示。在Geomagic中得到NURBS曲面模型后，將文件以IGES格式導出，然后導入UG中，通過曲面縫合，得到三維實體，如圖4c）所示?？梢詫ζ涓鞑课贿M行更進一步的分析研究，為進行牙體的生物力學研究和修復體優(yōu)化設(shè)計提供生物力學基礎(chǔ)，以提供臨床治療與實驗研究的理論依據(jù)和參考。

3 結(jié)束語

根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來源和應(yīng)用目的，本文嘗試提出了兩種不同方案來重構(gòu)人體骨骼或標本的三維模型。完整地回顧了重構(gòu)的整個過程：從CT/ MRI圖像到STL模型，從點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理到三維實體模型的生成。但是在不同的實際情況下，要求不同，需要實現(xiàn)的細節(jié)也不同，因此應(yīng)根據(jù)實際情況的不同要求，采用合適的處理方法。

【參考文獻】

[1]金濤，童水光.逆向工程技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2]羅東禮，等.醫(yī)學圖像三維重建中的關(guān)鍵算法[J].計算機工程與應(yīng)用，2005，19：219-221.

[3]劉偉軍.快速成型技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]姜海波.基于CT圖像的人體股骨逆向工程研究[J].機械設(shè)計與制造，2007（1）：130-131.

[5]楊莉玲.基于反求及快速成型技術(shù)的上下牙列及頜骨的三維重建[D].新疆大學，2007：21-22.

[責任編輯：湯靜]