Mimics10.01三維重建分割方法的探究

摘要：目的 對(duì)Mimics10.01軟件在三維重建中的3種分割方式進(jìn)行比較，為該軟件在基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供新的思路與方法。方法 選取100例無(wú)器質(zhì)性病變的成年男性的肝臟器官，利用64位螺旋CT的薄層掃描技術(shù)，基于1.00mm層厚，1026層人體肝臟的連續(xù)斷層圖像，將其直接以Dicom格式的原始圖像讀入Mimics軟件中，采用\"直接分割\"、\"加法分割\"和\"減法分割\" 3種模型分割技術(shù)，獲得肝臟的輪廓及肝內(nèi)血管系統(tǒng)的蒙板，將蒙板內(nèi)相鄰像素連接并重組成圖像后獲得三維立體模型。結(jié)果 3種三維重建方法得到的肝臟模型輪廓清楚，可實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，方便角度、體積測(cè)量，并且可以得到任何重建模型的斷面。\"直接分割\"方法能夠較輕易地重建肝臟的血管主干及大的分支；\"加法分割\"方法可以在某個(gè)局部主動(dòng)將幾條血管的2級(jí)、3級(jí)甚至終末分支實(shí)現(xiàn)重建；\"減法分割\"可以將視野內(nèi)的幾乎所有血管的分支分割出來(lái)實(shí)現(xiàn)精確重建，三種方法重建出肝動(dòng)脈、肝門(mén)靜脈和肝靜脈的個(gè)數(shù)之間比較，有顯著性差異（P<0.05）。結(jié)論 以上3種方法各有優(yōu)、缺點(diǎn)，其中，\"減法分割\"方法重建比其他兩種方法信息丟失少，效果更加逼真，是目前可實(shí)現(xiàn)的最佳分割方式。

關(guān)鍵詞：Mimics；三維重建；重建方法；醫(yī)學(xué)影像學(xué)；肝臟；血管；男性

中圖分類(lèi)號(hào)：R322.12，R445.3

醫(yī)學(xué)的發(fā)展，斷層圖像已不能滿(mǎn)足臨床的需要，面對(duì)平面描述人體內(nèi)部信息不易獲得其精確空間位置關(guān)系的缺點(diǎn)，三維重建后的模型通過(guò)提供更加立體豐富的機(jī)體信息將問(wèn)題迎刃而解[1，2]，因此三維重建技術(shù)在解剖學(xué)教學(xué)、科研、手術(shù)前規(guī)劃以及假肢的塑造等領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展。如何用軟件實(shí)現(xiàn)精確的三維重建及測(cè)量成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)工程界研究的重點(diǎn)[3，4]。隨著技術(shù)的提高，重建模型的質(zhì)量將不斷提高，其測(cè)量的方法也將被不斷優(yōu)化。本文現(xiàn)以100例年齡分布在35～45歲的健康成年男性肝臟的CT掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探討現(xiàn)階段Mimics10.01軟件在三維重建過(guò)程中3種最常用的分割方法。

1資料與方法

1.1樣本獲取 對(duì)100例年齡在35～40歲的無(wú)肝臟疾病的健康成年男性，先進(jìn)行血管的強(qiáng)化造影，然后應(yīng)用64排螺旋CT以層厚1.00mm，掃描腹腔，獲得512×512矩陣的CT圖像1026層（Dicom格式）。掃描時(shí)人體處于平躺位[5]。

1.2設(shè)備 硬件：DELL INSPIRON（CPU Core i3 1.69GHz，內(nèi)存 4.0G，WIN7系統(tǒng)）。軟件：Mimics10.01軟件。

1.3方法

1.3.1直接分割 將與肝臟有關(guān)的薄層CT掃描數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)入Mimics軟件，生成肝臟的原始蒙板圖像，通過(guò)人工改變CT的窗寬和窗位，將所需要的結(jié)構(gòu)更清楚地顯現(xiàn)。直接觀(guān)察相鄰多層CT片中血管的延續(xù)與走形，可較容易的識(shí)別肝內(nèi)血管。選擇多層畫(huà)筆工具，在每一層CT片中將識(shí)別出的血管選中，作為分割對(duì)象，得到二維平面內(nèi)的蒙板圖像。在三維實(shí)體菜單欄中導(dǎo)出新建的所有蒙板，在三維區(qū)域增長(zhǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上將所選取區(qū)域內(nèi)的相鄰像素連接并重組成圖像，得到肝臟血管的三維實(shí)體模型[6，7]。

1.3.2\"加法法則\"分割 將CT掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件，生成肝臟的原始蒙板。利用\"profile line\"功能，在圖像中選取兩個(gè)點(diǎn)，并保證兩點(diǎn)的連線(xiàn)通過(guò)當(dāng)前需要重建的結(jié)構(gòu)的中心。確定后，軟件自動(dòng)計(jì)算出兩點(diǎn)連線(xiàn)上各像素的灰度值，并以曲線(xiàn)的形式展現(xiàn)。打開(kāi)閾值工具，移動(dòng)兩條閾值水平線(xiàn)以調(diào)節(jié)其下限和上限，先將區(qū)間選在曲線(xiàn)的兩個(gè)極值處。參照多張CT片，逐步縮小區(qū)間的大小，大致估計(jì)所重建結(jié)構(gòu)的閾值范圍。然后再在上、下限的數(shù)字調(diào)整面板內(nèi)微調(diào)標(biāo)尺所在的區(qū)間，使所需結(jié)構(gòu)盡可能選取在被分割區(qū)域內(nèi)，即可得到所需結(jié)構(gòu)的灰度區(qū)間。新建蒙板，將剛才獲得所需結(jié)構(gòu)的灰度區(qū)間調(diào)定為畫(huà)筆的閾值范圍，主動(dòng)在需要重建的結(jié)構(gòu)附近選擇工作區(qū)域或范圍，確認(rèn)后，軟件將標(biāo)記出工作區(qū)域內(nèi)符合畫(huà)筆閾值設(shè)定的結(jié)構(gòu)，并生成蒙板。在三維實(shí)體菜單欄中導(dǎo)出新建的所有蒙板。三維模型重建的重建過(guò)程如上。

1.3.3\"減法法則\"分割 利用上述的\"profile line\"工具或者查閱文獻(xiàn)獲得所重建結(jié)構(gòu)的CT范圍。在建立蒙板時(shí)，為了避免遺漏，應(yīng)盡可能多地將CT片中細(xì)小結(jié)構(gòu)顯現(xiàn)出來(lái)。經(jīng)反復(fù)測(cè)驗(yàn)，須將預(yù)設(shè)蒙板的CT值區(qū)間適當(dāng)擴(kuò)大為原區(qū)間的105%～115%。新建蒙板時(shí)，選擇整張CT片作為工作區(qū)域，再對(duì)工作區(qū)域以設(shè)定的閾值范圍進(jìn)行分割。所識(shí)別的結(jié)構(gòu)中包含血管與非血管結(jié)構(gòu)，通過(guò)\"橡皮擦\"工具再將CT片中非血管結(jié)構(gòu)擦除，血管結(jié)構(gòu)補(bǔ)實(shí)，即可導(dǎo)出分割后的最終蒙板。再將所有蒙板重建成三維模型。三維模型重建的重建過(guò)程如上。

2結(jié)果

2.1利用\"直接分割\"法建立肝臟的血管模型，見(jiàn)圖1。

2.2利用\"加法分割\"方法建立肝臟的血管模型，見(jiàn)圖2。

2.3利用\"減法分割\"方法建立肝臟的血管模型，見(jiàn)圖3。

3討論

Mimics10.01軟件在三維重建中的應(yīng)用，隨著對(duì)人體形態(tài)學(xué)研究的深入和計(jì)算機(jī)技術(shù)在醫(yī)學(xué)上運(yùn)用的發(fā)展，人體解剖結(jié)構(gòu)的三維可視化已經(jīng)成為可能。近年來(lái)，三維重建在科研和教學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展，在人體可視化研究的基礎(chǔ)上可以建立可供手術(shù)和術(shù)前制定手術(shù)方案的虛擬環(huán)境，在外科手術(shù)教學(xué)等方面，具有不可替代和令人鼓舞的應(yīng)用前景。三維模型可以通過(guò)提供更加立體豐富的機(jī)體信息，給予在可視化人體模型上進(jìn)行解剖結(jié)構(gòu)的多方位的更加直觀(guān)的展示。將放射造影后的掃描圖像運(yùn)用3D 可視化技術(shù)進(jìn)行血管的三維重建的過(guò)程較為簡(jiǎn)便，所需時(shí)間只有十幾分鐘到幾十分鐘不等，但是如今三維重建的發(fā)展遇到一些瓶頸，其中最重要的一個(gè)瓶頸就是重建后結(jié)構(gòu)模型的質(zhì)量。當(dāng)在輔助進(jìn)行手術(shù)方案制定時(shí)，如果重建模型變形或部分缺失，必然會(huì)導(dǎo)致治療的耽擱或失誤。因此，如何將所需結(jié)構(gòu)進(jìn)行如實(shí)地重建已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)界的重中之重，而模型重建的好壞又取決于圖像分割的好壞。目前，各種新型分割方法不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)對(duì)3種分割方式優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，以尋求最佳分割方式，為三維重建的發(fā)展提供方向。

3.1三種分割方式的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)的比較 直接分割法 優(yōu)點(diǎn)：直接分割方式可以在造影效果較佳時(shí)，迅速地通過(guò)肉眼識(shí)別建立起三維模型。在進(jìn)行灰度區(qū)別明顯處分割時(shí)，直接分割方式省略繁瑣分割過(guò)程，大致重建出血管的1級(jí)、2級(jí)分支，能夠在第一時(shí)間對(duì)患者組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步地了解，為急、重癥患者的診治節(jié)省時(shí)間。缺點(diǎn)：當(dāng)造影效果不佳、組織血供不豐富或者血供豐富組織的血管分支達(dá)3級(jí)以上時(shí)，就無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別較細(xì)的血管。另外，肉眼對(duì)CT片中相鄰像素的細(xì)小灰度差的敏感性因人而異，因而識(shí)別存在一些人為的誤差，導(dǎo)致血管的走形與管徑與真實(shí)情況不符。

\"加法分割\"法優(yōu)點(diǎn)：\"加法法則\"分割方式是一種在需要重建的區(qū)域內(nèi)手動(dòng)確定閾值來(lái)主動(dòng)尋找，并依賴(lài)程序篩選區(qū)域內(nèi)所需結(jié)構(gòu)的方法。這種方法既保留了個(gè)體選擇的靈活性，又保持了客觀(guān)性。由于程序識(shí)別閾值的精確性，使得小的血管例如3級(jí)甚至4級(jí)血管分支得以被識(shí)別分割[8，9]。此方法在實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)中，測(cè)得的二級(jí)以上血管數(shù)量與\"直接分割\"有顯著性差異（P<0.05）\"加法法則\"分割方式可以在時(shí)間較充裕的情況下對(duì)輕、中癥患者的病情進(jìn)行分析，提高手術(shù)的成功率。缺點(diǎn)：首先，此方法的工作量較繁瑣；其次，此方法要求研究人員需要對(duì)所研究的結(jié)構(gòu)有著深刻的認(rèn)識(shí)。只有了解其在CT片中出現(xiàn)的位置，才能夠較準(zhǔn)確地在所涂抹的區(qū)域找到結(jié)構(gòu)。若對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、血管神經(jīng)豐富的組織盲目尋找，勢(shì)必會(huì)出現(xiàn)紕漏。

\"減法分割\"法優(yōu)點(diǎn)：\"減法法則\"分割方式在確定閾值范圍后完全依賴(lài)電腦程序，將CT片中所有在閾值范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)識(shí)別分割出來(lái)，杜絕主動(dòng)尋找過(guò)程中出現(xiàn)遺漏的情況。形成的蒙板中已包含所有重建所需結(jié)構(gòu)，只需將不需要的結(jié)構(gòu)手動(dòng)擦除即可完成全面的三維重建。此種方法具有極高的客觀(guān)性，既可以使極小的血管被識(shí)別分割，也解決了\"加法分割\"中產(chǎn)生遺漏的不足。此方法在實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)中，測(cè)得的二級(jí)以上血管分支數(shù)量與\"加法分割\"有顯著性差異（P<0.05）。通過(guò)\"減法分割\"測(cè)量肝臟動(dòng)脈、肝門(mén)靜脈、靜脈的最小血管直徑分別為2.31mm±0.25mm，2.52mm±0.15mm，2.27mm±0.21mm；利用\"減法法則\"分割方式重建的模型具有極高真實(shí)性，可為術(shù)后康復(fù)情況提供比較依據(jù)。缺點(diǎn)：程序不論手術(shù)需要與否都會(huì)將閾值內(nèi)的結(jié)構(gòu)分割出來(lái)，增加了后期處理的復(fù)雜程度[10，11]。

3.2目前最佳的重建方法的選擇 通過(guò)3種方法的對(duì)比，\"減法分割\"方法可以應(yīng)對(duì)較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。并在大多數(shù)情況下，可以較全面地重建出所需要的結(jié)構(gòu)，較為真實(shí)可靠，因此，\"減法分割\"可視為最佳選擇。其余2種分割方法除非在特殊情況下臨時(shí)應(yīng)急使用外，其效果都較差于前者。

3.3三維模型的重組顯示方法 當(dāng)在一套CT片中無(wú)法做出所有需要的結(jié)構(gòu)時(shí)，可以選擇多套CT片。在每一套中將能夠分辨的結(jié)構(gòu)分割出來(lái)，建立各個(gè)局部，并在特定部位做好標(biāo)記。然后選擇STL+功能，將其導(dǎo)出。將所有導(dǎo)出的模型導(dǎo)入同一個(gè)界面內(nèi)，按照之前所做的標(biāo)記，通過(guò)移動(dòng)功能將各個(gè)局部恢復(fù)到正常位置。此種方法使無(wú)法在同一界面內(nèi)全部顯示的結(jié)構(gòu)通過(guò)組合的方式顯示在同一界面內(nèi)，彌補(bǔ)了CT片質(zhì)量差、無(wú)法識(shí)別出各個(gè)局部的不足。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝宏剛，徐亮，王漢，等.對(duì)Mimics10.01軟件三種三維重建方法的研究[J].西部醫(yī)學(xué)，2008（9）：1089-1091.

[2]徐亮，范蘆芳，周家鎮(zhèn)，等.對(duì)Mimics10.01軟件的三維實(shí)體重建方法的研究[J].中國(guó)現(xiàn)代藥物應(yīng)用，2008（6）：32-34.

[3]王東，張挽時(shí)，熊明輝，等.螺旋CT 三維重建方法的探討[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2000（3）：889-891.

[4]張紹祥，劉正津，譚立文，等.首例中國(guó)數(shù)字化人體完成[J].第三軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24：1231-1232.

[5] 楊文，柳俊波，廖明生，等.下頜骨CT序列圖像的三維重建[J].中國(guó)圖像圖形學(xué)報(bào)，2002，7（9）：912-917.

[6] Jee WH， Chen BY， king HS， et al.Non-ossifying fibroma： Characteristies at MR imging with pathologic correlation. Radiology， 1998，209（11）：197 -202.

[7]Tang M， Yin Z， Morris SF. A pilot study on three-dimensional visualization of perforator flaps by using angiography in cadavers [J]. Plast Reconstr Surg， 2008， 122（2）： 429-437.

[8]Lui KW， Hu S， Ahmad N， et al.Three-dimensional angiography of the superior gluteal artery and lumbar artery perforator flap [J]. Plast Reconstr Surg， 2009，123（1）：79-86.

編輯/申磊