淺談人工骨外形三維建模技術(shù)

孫榮創(chuàng)

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000）

淺談人工骨外形三維建模技術(shù)

孫榮創(chuàng)

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 咸陽 712000）

人體缺損骨骼的制造與加工是醫(yī)療康復(fù)工程中的一個(gè)熱點(diǎn)問題，制備人工骨的優(yōu)劣直接影響到醫(yī)學(xué)治療的質(zhì)量。為了滿足不同患者的個(gè)體化需求，以成人股骨為研究對(duì)象，在個(gè)體患者螺旋CT斷層掃描圖像的基礎(chǔ)上，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)圖型學(xué)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，并運(yùn)用醫(yī)學(xué)圖像軟件、逆向工程軟件及實(shí)體建模等計(jì)算機(jī)輔助軟件，實(shí)現(xiàn)了缺損人工骨的外形建模。

CT圖像;人工骨;圖像軟件;三維建模

0　引言

醫(yī)學(xué)CT圖像的三維表面建模技術(shù)主要是指以CT斷層圖像為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理、計(jì)算機(jī)圖型學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)等理論，構(gòu)造人骨的CAD三維模型。

1　圖像數(shù)據(jù)處理

先對(duì)CT切片圖像進(jìn)行平滑處理來消除噪聲，再進(jìn)行二值化處理；然后進(jìn)行邊緣檢測(cè)，再經(jīng)過輪廓跟蹤處理，得到單像素鏈表示的封閉輪廓曲線。

（1）格式轉(zhuǎn)換。先把DICOM圖像轉(zhuǎn)化為BMP位圖文件?，F(xiàn)在大部分軟件都可以直接輸入DICOM圖像。

（2）圖像預(yù)處理。CT圖像的形成當(dāng)中會(huì)引入不同的噪聲,需要在對(duì)圖像進(jìn)行平滑和噪聲去除預(yù)處理。采用中值濾波對(duì)圖片進(jìn)行平滑處理，可以克服線性濾波器如最小均方濾波、平滑濾波等所帶來的圖像細(xì)節(jié)模糊，而且對(duì)濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲最為有效，保護(hù)圖像邊緣的同時(shí)又能去除噪聲。

（3）圖像分割。圖像分割也就是閾值變化，將骨組織區(qū)域分離出來。進(jìn)行圖像二值化可以采用Otsu的方法選取閾值。它是一種自動(dòng)選取閾值的方法,它的算法準(zhǔn)則是尋找使類內(nèi)方差最小和類間方差最大的灰度值作為最佳閾值。

（4）輪廓提取。輪廓提取就是要得到骨組織區(qū)域邊界曲線。先用提取邊緣檢測(cè)得到輪廓信息，再進(jìn)行取樣最終得到邊界曲線。1）邊緣檢測(cè)是對(duì)圖像的邊緣進(jìn)行處理獲得閉合平滑的邊緣信息。利用邊緣檢測(cè)算子進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)。圖像矢量輪廓數(shù)據(jù)是點(diǎn)陣圖型的矢量化，目的是沿著圖像的邊界進(jìn)行搜索，并將搜索到的輪廓線上的點(diǎn)坐標(biāo)記錄在點(diǎn)列中存儲(chǔ)。2）CT圖像的反求技術(shù)的主要問題是減少數(shù)據(jù)量。由表面追蹤技術(shù)得到的輪廓線存在大量的冗余數(shù)據(jù)，有必要進(jìn)行輪廓采樣。

2　重建人骨三維模型

斷層圖像三維重建就是從一系列的平行截面圖像中恢復(fù)被重建對(duì)象原有的三維型貌，其主要步驟是：首先從各個(gè)截面圖像中分割出感興趣區(qū)的輪廓曲線，然后由這些輪廓曲線通過算法來構(gòu)造出原有的三維型貌。

（1）曲線重建。輪廓提取得到的輪廓曲線一般都不太平滑，存在冗線和雜點(diǎn)。利用內(nèi)插法或近似法進(jìn)行曲線擬合，完成曲線光滑處理。每條輪廓曲線的控制點(diǎn)和起始點(diǎn)必須相同，這樣可以保證曲面的質(zhì)量。

（2）曲面生成。運(yùn)用表面繪制方法進(jìn)行三維重建。最具代表性的就是NURBS曲面擬合法。在造型軟件中，主要是利用舉升或者放樣曲面造型(Loft)。經(jīng)常使用的軟件有：Pro/E、UG、Rhinoceros和Solidworks等。

（3）曲面實(shí)體化。在實(shí)體化以前，必須先對(duì)曲面的封閉性，連續(xù)度和幾何誤差等進(jìn)行檢測(cè)。曲面進(jìn)行檢驗(yàn)和修改后，使之滿足使用要求。在Geomagic反求軟件中可以對(duì)曲面進(jìn)行必要的檢測(cè)和修改。根據(jù)資料知各種領(lǐng)域?qū)η娴囊?，將修改好的曲面?dǎo)入到Pro/E三維軟件中進(jìn)行實(shí)體化造型。

3　重建成人股骨三維模型

利用MIMICS軟件對(duì)成人股骨進(jìn)行重建CAD三維模型。

3.1 數(shù)據(jù)來源

本例使用陜西中醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院提供的德國西門子Sensation-16型螺旋CT機(jī)，對(duì)成人股骨掃描的CT圖片進(jìn)行三維模型重建，得到200張DICOM圖片。為了研究方便(全部重建，數(shù)據(jù)量大)，只重建前120張圖片。

3.2 曲線及曲面建模

利用MIMICS軟件逐層提取需要重建的解剖結(jié)構(gòu)的二維輪廓，然后由軟件自動(dòng)生成三維影像，這種模型是表面模型(非實(shí)體)。具體過程如下：

將DICOM圖片導(dǎo)入MIMICS軟件，確定位置（top,bottom,left,right）。利用profleline工具查看所要重建區(qū)域的灰度值分布，點(diǎn)擊Threshold按鈕進(jìn)行著色。利用calculatepolyline命令生成三維輪廓曲線。利用calculate3D命令進(jìn)行曲面重建(軟件默認(rèn)：質(zhì)量high;插補(bǔ)方法：等高線，平滑因子0.5及三角面的有關(guān)參數(shù))。輸出STL格式文件。想要滿足特定要求可以進(jìn)行參數(shù)重定義。

3.3 實(shí)體建模

（1）一般曲面模型。將STL文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic8.0。通過三角面片的修改，利用Shapephase和Autosurface命令對(duì)模型進(jìn)行三角面片到曲面的轉(zhuǎn)化，并用3Dcompare進(jìn)行模型誤差分析，此時(shí)曲面為一般曲面（以三角面片轉(zhuǎn)化，沒經(jīng)過改變）。結(jié)果顯示：誤差最大0.00934m,最小-0.00036m,平均0.000097m。

（2）NURBS曲面模型。再利用Fitsurface命令將曲面轉(zhuǎn)化為NURBS曲面，并進(jìn)行模型誤差分析。轉(zhuǎn)化的參數(shù)具體為：最大控制點(diǎn)為(MaximumControlPoint)20，容差(Tolerance)0.00001706m,表面張量(SurfaceTension)0.25，偏移百分率(OutlierPercentage)0.5。分析結(jié)果：誤差最大0.00883m,最小-0.000358m,平均0.000094m。兩次分析結(jié)果可以看出NURBS曲面誤差要比一般曲面要小。

（3）實(shí)體模型。為了進(jìn)行后續(xù)工作（微孔人工骨模型或有限元分析），有必要將曲面模型轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型。主要的方法有兩個(gè)：（1）利用Geomagic軟件（2）利用其它三維軟件。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.214