Mimics三維重建模型在人體解剖學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

王 卉，吳 濤

南方醫(yī)科大學(xué):1珠江醫(yī)院;2微創(chuàng)外科解剖學(xué)研究所，廣州 510515

人體解剖學(xué)學(xué)習(xí)的最終目的是了解正?；铙w情況下各器官結(jié)構(gòu)的空間位置和形態(tài)。所以，在學(xué)習(xí)過程中必須完成知識(shí)從平面到立體、從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)變。目前，普遍采用的是教科書、解剖圖譜、實(shí)驗(yàn)室觀察人體標(biāo)本相結(jié)合的學(xué)習(xí)方法，強(qiáng)調(diào)教科書與圖譜的結(jié)合。學(xué)習(xí)過程中需要通過二維平面圖像發(fā)揮空間想象力構(gòu)建人體三維立體結(jié)構(gòu)，從而加強(qiáng)對(duì)人體結(jié)構(gòu)解剖概念及空間形態(tài)的記憶，這對(duì)剛剛接觸醫(yī)學(xué)知識(shí)的醫(yī)學(xué)生來說，其難度可想而知。Mimics圖像三維重建軟件，可以將二維斷層序列圖像轉(zhuǎn)變?yōu)檎宫F(xiàn)人體器官三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)的立體模型。使用這種模型可以使學(xué)生在虛擬三維空間對(duì)人體中感興趣的對(duì)象放大、旋轉(zhuǎn)和平移，近距離地觀察了解人體內(nèi)部復(fù)雜的空間關(guān)系，極大地拓展了“教與學(xué)”的方法和思路，對(duì)傳統(tǒng)人體解剖學(xué)教學(xué)手段和學(xué)習(xí)方法產(chǎn)生了深刻的影響。

1 三維重建軟件Mimics

1.1 概述

目前應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像三維重建的軟件很多，Mimics交互式醫(yī)學(xué)圖像控制系統(tǒng)就是其中之一。Mimics是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)(CT、MRI)建立3D模型進(jìn)行編輯，然后輸出通用的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))、FEA(有限元分析)、RP(快速成型)格式文件，可以在PC機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理。它由RPSlice、STL+、Simn-Lation、MedCAD和FEA五個(gè)模塊組成［1］。其中:①RP Slice模塊為快速成型切片模塊。通過切片文件提供了Mimics和其他快速成型系統(tǒng)之間的接口，并能自動(dòng)生成快速成型系統(tǒng)模型所需的支撐結(jié)構(gòu)。RP Slice模塊能夠利用彩色立體激光快速樣板制造技術(shù)將腫瘤、牙根、腺體、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在RP模型中高品質(zhì)地顯示出來，患者的信息也可以用彩色標(biāo)簽顯示;②Simn-Lation模塊，可以實(shí)現(xiàn)手術(shù)過程的模擬。通過人體測(cè)量分析模板對(duì)細(xì)部的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，完成對(duì)骨切開手術(shù)及植入手術(shù)的模擬，也可以用于示教解釋手術(shù)植入的過程;③MedCAD模塊是醫(yī)學(xué)圖像和CAD之間的橋梁。通過雙向交互模式進(jìn)行溝通實(shí)現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)與CAD數(shù)據(jù)的相互互換。目前CT、MRI等斷層掃描技術(shù)在診斷方面應(yīng)用相當(dāng)廣泛，但是，二維斷層圖像只是表達(dá)某一截面的解剖信息，很難建立起三維空間的立體結(jié)構(gòu)。在放射治療應(yīng)用中，僅由二維斷層圖像上某些解剖部位進(jìn)行簡單的坐標(biāo)疊加，不能給出準(zhǔn)確的三維影像，容易造成病變(靶區(qū))定位的失真與畸變［2］。如果通過Mimics將這些斷層掃描圖片進(jìn)行三維重建，將二維斷層圖像序列轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂兄庇^立體效果的圖像，展現(xiàn)人體器官的三維結(jié)構(gòu)與形態(tài)，可提供若干用傳統(tǒng)手段無法獲得的解剖結(jié)構(gòu)信息，為提高醫(yī)療診斷和治療規(guī)劃的準(zhǔn)確性與科學(xué)性打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 Mimics三維重建的方法

1.2.1 圖片導(dǎo)入 針對(duì)目前標(biāo)準(zhǔn)的DICOM文件格式，Mimics提供了自動(dòng)的導(dǎo)入功能，用戶只需要在導(dǎo)入向?qū)У闹敢戮涂梢詫?dǎo)入整個(gè)目錄下的文件或是部分文件。同時(shí)，還可以通過半自動(dòng)的方式導(dǎo)入BMP和TIFF文件，手動(dòng)的方式導(dǎo)入其他的文件。如:收集雙排螺旋頸胸部的影像CT數(shù)據(jù)，掃描范圍為第1胸椎至第12胸椎，斷層掃描層厚為 l mm，共262層，每一斷面包含512×512個(gè)像素，作為胸廓三維重建的斷層掃描圖片，將圖片依順序排列(編號(hào)為0-261)，放入指定文件夾中備用［3］。

1.2.2 組織的提取及三維重建 導(dǎo)入原始的斷層圖片后，Mimics會(huì)自動(dòng)計(jì)算生成冠狀面圖和矢狀面圖。Mimics用三個(gè)視圖來顯示這三個(gè)位置的圖片，并且這三個(gè)視圖是相互關(guān)聯(lián)的(圖1A)。右上圖是原始的掃描圖像，左上角和下角是由原始橫斷面圖像計(jì)算生成的冠狀面和矢狀面圖像，冠狀面圖像中橫線指示橫斷面圖像的位置，豎線指示矢狀面位置，在矢狀面圖像中，豎線指示冠狀面圖像的位置。斷層圖片中，不同組織的灰度值不同，故此可以通過閾值來提取相應(yīng)的組織(圖1B)。通過準(zhǔn)確的閾值設(shè)置提取組織，并通過看圖，可檢查所提取的組織是否合適。Mimics會(huì)將提取的像素存放在一個(gè)蒙罩(Mask)里，同時(shí)，Mimics提供一系列的工具編輯修改蒙罩，從而提取所需的組織。編輯好的蒙罩可以用來生成3D模型，這樣就實(shí)現(xiàn)了2D斷層掃描圖片到三維實(shí)體的轉(zhuǎn)換(圖1C)。

圖1 A為Mimics用戶界面;B為設(shè)定恰當(dāng)閾值提取組織;C為重建的三維模型

如:將前一步收集到的262張雙排螺旋頸胸部的影像CT數(shù)據(jù)圖片(圖2A)，輸入到Mimics軟件，對(duì)圖像進(jìn)行三維重建。軟件可再現(xiàn)頸胸部水平面、矢狀面及冠狀面的影像。利用軟件自帶的閾值設(shè)定選擇擬重建部分，軟件中以不同顏色顯示各種擬重建結(jié)構(gòu)，利用圖像編輯功能對(duì)圖像邊界進(jìn)行“添加”或“擦除”操作，這樣可使重建圖像更準(zhǔn)確。建立脊柱、胸骨和肋骨的骨性胸廓3D模型，并在軟件的有限元分析(FEA)模塊中對(duì)模型進(jìn)行表面網(wǎng)格劃分。利用軟件自帶的“CT圖像灰度一組織力學(xué)材料性質(zhì)”關(guān)系公式，對(duì)三維胸廓體網(wǎng)格模型的各單元進(jìn)行材質(zhì)分配，材料和組織考慮為各向同性的線彈性材料，至此得出完整的人體胸廓有限元網(wǎng)格模型(圖2B)。通過三維重建軟件Mimics中閾值設(shè)定、圖像編輯、區(qū)域增長、布爾運(yùn)算及三維計(jì)算等功能對(duì)CT斷層數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像分割、重建，既可清楚、直觀地再現(xiàn)胸廓整體的三維結(jié)構(gòu)，也可單獨(dú)顯示肺、頸椎、胸椎、肋骨、胸骨等結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)［4］(圖2C)。

2 Mimics在解剖學(xué)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

圖2 A為人體胸廓螺旋CT掃描斷層影像;B為重建的人體3D模型;C為肺組織胸廓三維模型

三維重建軟件Mimics支持多種格式的數(shù)據(jù)(如CT、MRI等影像學(xué)數(shù)據(jù))，重建圖像清晰，將其應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué)、學(xué)習(xí)中可獲得良好的效果。不足之處主要是:Mimics是單機(jī)注冊(cè)版，且價(jià)格較高(整套Mimics系統(tǒng)報(bào)價(jià)約20萬人民幣)，限制了它的普及應(yīng)用［5］。我們?cè)谙リP(guān)節(jié)的學(xué)習(xí)過程中，通過摸索，將Mimics與虛擬現(xiàn)實(shí)造型語言(VRML)編輯軟件Vrmlpad相結(jié)合，選擇正確的文件輸出格式，建立基于Web的醫(yī)學(xué)三維重建模型瀏覽網(wǎng)頁，可以拓展教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化教學(xué)過程，有效提高優(yōu)質(zhì)資源的共享范圍。

2.1 膝關(guān)節(jié)重建三維模型輸出格式的選擇

圖3 膝關(guān)節(jié)三維解剖圖譜網(wǎng)頁

將膝關(guān)節(jié)的斷層影像數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics，通過Mimics自帶的圖像重建功能，建立膝關(guān)節(jié)各個(gè)部分的三維模型，構(gòu)建模型如圖3所示。在Mimics輸出選項(xiàng)中選擇輸出格式為.wrl。.wrl是基于網(wǎng)絡(luò)的虛擬現(xiàn)實(shí)文件格式，可以用Vrmlpad打開這種文件，將Mimics三維重建模型轉(zhuǎn)換為VRML模型，在IE瀏覽器中安裝Cortona3d插件后，IE即可具有瀏覽VRML三維模型的功能。

2.2 三維電子圖譜網(wǎng)頁的建立

膝關(guān)節(jié)三維解剖圖譜利用Dreamweaver進(jìn)行開發(fā)，內(nèi)嵌VRML模型瀏覽器。為更好地用于解剖學(xué)教學(xué)，該網(wǎng)頁還包括了文字及不同方位的二維圖像。

2.3 應(yīng)用效果

在個(gè)人計(jì)算機(jī)上安裝相應(yīng)的VRML插件，打開三維解剖圖譜的網(wǎng)頁后，即可瀏覽到膝關(guān)節(jié)的三維模型及二維圖像。學(xué)習(xí)過程中三維模型的直觀性得到充分體現(xiàn)，對(duì)照三維模型學(xué)習(xí)如同手持人體標(biāo)本一樣，結(jié)構(gòu)清楚，易于理解，學(xué)生們普遍反映三維重建模型方位感強(qiáng)，解剖結(jié)構(gòu)顯示清楚，對(duì)于理解膝關(guān)節(jié)前、后交叉韌帶的位置關(guān)系、半月板形態(tài)等都有很好的效果，同時(shí)還可以對(duì)照二維解剖學(xué)圖譜及相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，減小了解剖學(xué)的學(xué)習(xí)難度，提高了學(xué)習(xí)效率［6］。

3 幾種醫(yī)學(xué)三維重建方法比較

3.1 使用斷層切片、CT和MRI數(shù)據(jù)通過Mimics軟件進(jìn)行重建

Mimics三維圖像重建軟件可以依據(jù)CT或MRI斷層掃描數(shù)據(jù)，在普通計(jì)算機(jī)上進(jìn)行三維重建。不僅可開展骨結(jié)構(gòu)的三維重建，而且可顯示皮膚等軟組織結(jié)構(gòu)，在安裝了適當(dāng)?shù)南嚓P(guān)軟件后，重建的三維模型可以在普通的個(gè)人計(jì)算機(jī)上使用，從而大大方便了教學(xué)。對(duì)教師而言，首先可以很方便地進(jìn)行解剖理論課的教學(xué)，各解剖結(jié)構(gòu)的位置一目了然，不用再辛苦而且枯燥地描述各解剖結(jié)構(gòu)的空間位置，學(xué)生理解及記憶能力也將明顯提高。對(duì)學(xué)生而言，首先可以在個(gè)人電腦中近距離觀察人體結(jié)構(gòu)的三維形態(tài)和空間毗鄰關(guān)系，不再需要辛苦地冥想各結(jié)構(gòu)的立體位置。其次，基于Web的醫(yī)學(xué)三維人體模型網(wǎng)頁，相當(dāng)于虛擬人體解剖學(xué)標(biāo)本室，學(xué)生們可以隨時(shí)登錄服務(wù)器下載各種人體三維模型，自主地進(jìn)行解剖學(xué)學(xué)習(xí)，滿足個(gè)性化學(xué)習(xí)的需求。因而，Mimics三維圖像重建軟件適合在學(xué)習(xí)過程中廣泛應(yīng)用。

3.2 用三維激光掃描儀進(jìn)行重建

激光三維掃描儀，適合骨形態(tài)的三維重建，其原理為:采用逐行掃描方式，通過偏轉(zhuǎn)掃描激光頭，線狀激光束平行掃描骨結(jié)構(gòu)表面，以一定掃描范圍和間距測(cè)量并記錄表面點(diǎn)空間位置，測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)形成點(diǎn)云以文件形式保存，掃描點(diǎn)云圖形成物體的表面輪廓，通過相應(yīng)的圖像拼接軟件完成骨外形的三維重建。該方法重建的三維模型有很大的局限性，它只能對(duì)骨的外形進(jìn)行重建，無法對(duì)內(nèi)部的骨小梁進(jìn)行重建，也無法重建變形較大的軟組織。由于掃描過程需要進(jìn)行多次、分區(qū)域掃描，每次掃描局部表面，掃描完成后再進(jìn)行點(diǎn)云拼接處理。即根據(jù)兩幅鄰近點(diǎn)云圖中含有的公共表面部分進(jìn)行圖像自動(dòng)匹配處理［7］。利用三維激光掃描技術(shù)獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可快速建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則場(chǎng)景的三維可視化模型，既省時(shí)又省力，這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的，現(xiàn)行此種建模方式主要適用于工程建模。

3.3 多層螺旋CT三維重建

臨床影像中心的多層螺旋CT可對(duì)患者CT和MRI數(shù)據(jù)直接進(jìn)行圖像重建而獲得三維圖像。SGI工作站是其超高速三維重建的基礎(chǔ)，形成的3D圖像可以任意方向旋轉(zhuǎn)和觀察。利用Remove Object軟件可快速去除非感興趣區(qū)，在膽道CT造影、結(jié)腸CT造影、胃CT造影、股骨頭游離、中耳半規(guī)管等特殊的三維重建中有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。多層螺旋CT三維重建需要大型、昂貴的數(shù)字設(shè)備支持，因此只能在影像中心的工作站中完成和使用，適用于臨床診斷治療。

三維模型的應(yīng)用作為眾多多媒體技術(shù)的一種，有著不可替代的作用和優(yōu)勢(shì)。在三維可視化狀態(tài)下研究人體結(jié)構(gòu)及其內(nèi)在的解剖位置、參數(shù)，可克服諸多傳統(tǒng)人體解剖學(xué)教學(xué)過程中的不足，使教學(xué)過程形象生動(dòng)，教學(xué)內(nèi)容易于理解，有利于醫(yī)學(xué)生對(duì)人體解剖結(jié)構(gòu)知識(shí)的理解和把握。

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