顱面復(fù)合體數(shù)字化幾何實(shí)體模型建立

毛樂(lè)琦 劉 健

（1.樂(lè)山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川 樂(lè)山 614000；2.樂(lè)山市人民醫(yī)院 四川 樂(lè)山 614000）

隨著醫(yī)學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生人數(shù)增多，骨骼標(biāo)本已出現(xiàn)緊缺情況，無(wú)法滿(mǎn)足學(xué)生及教師學(xué)習(xí)研究之用。而其他材料復(fù)制骨骼標(biāo)本，不僅價(jià)格昂貴而且并不精確。隨著高精度CT掃描機(jī)的普及，以及基于CT掃描圖像的三維重建軟件的出現(xiàn)。建立一種高精度的數(shù)字化骨骼模型成為一種可能。而顱面復(fù)合體是人體最復(fù)雜的硬組織，表面凸凹不平，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，除顳下頜關(guān)節(jié)以鉸接形式連接下頜骨與顳骨，其余骨塊之間以骨縫結(jié)構(gòu)相連。如能建立顱面復(fù)合體之精確模型，其他骨骼則更加容易。

1 建立模型的材料與方法

1.1 樣本選擇：建模素材選擇一名年齡12歲全身發(fā)育正常男性的頭顱CT掃描資料作為建模素材，該名男子恒牙列，牙列完整無(wú)多生牙，缺失牙；顱面骨骼無(wú)其他畸形，基本對(duì)稱(chēng)，無(wú)骨性疾病；無(wú)正畸治療史；無(wú)顳下頜關(guān)節(jié)病及外傷史；全身健康狀況良好，無(wú)嚴(yán)重全身疾病；

1.2 數(shù)據(jù)采集：采用Philips MX8000 CT掃描機(jī)對(duì)被測(cè)對(duì)象的頭顱進(jìn)行掃描。掃描參數(shù)如下：層厚1.3 mm，床進(jìn)速度1 mm／s，球管電流120 mA，電壓120kv，，床架傾斜角度為0。被掃描對(duì)象取仰臥位，眶耳平面與水平面垂直，掃描范圍自顱頂處開(kāi)始，至下頜骨下緣中止，連續(xù)橫斷掃描再進(jìn)行后處理，處理后層厚為1.0。共獲得403張二維掃描斷層原始圖像。層內(nèi)像素?cái)?shù)為512＊512，像素大小為0.5 mm＊0.5 mm。所有掃描數(shù)據(jù)以DICOM格式保存至光盤(pán)。

1.3 獲取顱骨3D圖像：在電腦上通過(guò)Mi mics軟件自動(dòng)讀取以DICOM格式存儲(chǔ)的CT掃描數(shù)據(jù)，得到顱骨原始影像。使用Thresholding命令對(duì)骨密質(zhì)及牙體進(jìn)行自動(dòng)選擇，骨密質(zhì)CT值為300 Hu-2000 Hu牙釉質(zhì)為2000 Hu-3072 Hu。使用參數(shù)300 Hu-3072 Hu自動(dòng)生成斷層圖像.自動(dòng)選擇后生成圖像較為粗糙，包含大量不規(guī)則邊界，空洞以及噪點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足3 D重建要求。按照原始圖像以及正常解剖結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行手工修正。對(duì)修改后的圖像使用Calculate 3D命令，得到整個(gè)顱骨3D圖像。

使用Cut With Ploy Plane命令對(duì)顱骨整體模型進(jìn)行分割，分割時(shí)主要依據(jù)CT圖像中骨縫位置，同時(shí)也依據(jù)正常解剖形態(tài)對(duì)部分變異骨縫進(jìn)行修正。經(jīng)多次分割后，最終將完整顱骨分解成上頜骨、鼻骨、顴骨、顳骨、頂骨左右各一塊，下頜骨、蝶骨、篩骨、額骨、枕骨各一塊，共15塊骨骼。

1.4 生成顱面各骨幾何實(shí)體模型：使用Geo magic軟件讀入STL文件，進(jìn)行光滑處理，對(duì)處理后的模型進(jìn)行曲面包裹。生成CAD模型，最終形成幾何實(shí)體模型。將得到模型輸出為IGS文件。IGS文件為標(biāo)準(zhǔn)CAD文件格式，可用各種軟件隨時(shí)調(diào)閱查看。

2 模型建立的結(jié)果

通過(guò)對(duì)顱面復(fù)合體數(shù)字化幾何實(shí)體模型建立的實(shí)驗(yàn)，探索出了一條由CT掃描數(shù)據(jù)直接處理并輔以手工校正，通過(guò)多種軟件基本實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)處理，快速有效地建立直接可用于查看研究的顱面復(fù)合體實(shí)體模型的方法。

建立了完整的包含所有骨縫結(jié)構(gòu)的顱面復(fù)合體幾何實(shí)體模型，該模型包含組成頭面部骨骼的所有骨性結(jié)構(gòu)，骨縫及牙齒.共計(jì)生成實(shí)體模型15個(gè)。顱面復(fù)合體的幾何模型均有滿(mǎn)意的幾何相似性，形態(tài)還原性好，幾何精確度高，效果理想。對(duì)各骨塊既可以單獨(dú)操作，又可以任選幾部分進(jìn)行處理?？稍贑AD軟件中對(duì)所建模型進(jìn)行CAD操作。

3 對(duì)建模的討論

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)生物器官進(jìn)行數(shù)字化建模，已逐漸應(yīng)用于各項(xiàng)研究中。但多局限于動(dòng)物研究，人體器官數(shù)字化建模則進(jìn)行較少。2007年張彤等使用CT掃描原始數(shù)據(jù)，建立了顱面復(fù)合體模型，但由于CT掃描精度的原因，與實(shí)際顱面骨骼還有一定差距。

本研究采用頭顱骨發(fā)育正常男性頭顱螺旋CT掃描圖像數(shù)據(jù)，聯(lián)合應(yīng)用Mi mics、Geo magic St udio、MSC.Marc.Mentat軟件。最終建立了一個(gè)符合生物學(xué)形態(tài)，有良好幾何相似性可自由進(jìn)行CAD設(shè)計(jì)，且便于應(yīng)用和計(jì)算的一整套顱面復(fù)合體幾何模型。它與以往的模型相比較，有較多優(yōu)點(diǎn)：①原始CT掃描已達(dá)到1.0 mm每層，模型建立以CT圖像為基礎(chǔ)，建模過(guò)程中更嚴(yán)格控制每一步驟所產(chǎn)生偏差，因此所建模型幾何精度高。②本研究所建顱面復(fù)合體三維有限元模型生物形態(tài)相似性好，其單元數(shù)達(dá)到426571。③在建模范圍上，包括了顱面部所有骨骼、骨縫，牙齒，沒(méi)有刪減硬組織結(jié)構(gòu)，模型幾何完整性好。④所建幾何實(shí)體模型能導(dǎo)入到任意CAD軟件中進(jìn)行處理。⑥模型由15塊包含整體空間坐標(biāo)系骨骼組成，建模更加合理，使用方便，應(yīng)用范圍廣。模型可輕易的提取任意一塊、幾塊骨骼或全部進(jìn)行各種方式的觀測(cè)，各種條件下的計(jì)算和分析。

本研究以CT掃描數(shù)據(jù)為資料，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，成功建立了包含骨縫結(jié)構(gòu)的顱面復(fù)合體幾何實(shí)體模型。利用此項(xiàng)技術(shù)我們可創(chuàng)建出身體任何部位的實(shí)體模型，甚至是全身幾何實(shí)體模型，為我院護(hù)理專(zhuān)業(yè)的教師、學(xué)生提供寶貴教學(xué)資料和素材。

本文為院級(jí)科研課題《CT數(shù)據(jù)建立骨骼組織三維模型的應(yīng)用研究——以顱面為例》（編號(hào)KY2013028）所用。

［1］ 侯敏，柳春明，張海鐘等.虛擬骨縫在顱面復(fù)合體三維有限元模型中的構(gòu)建及應(yīng)用［J］.中華整形外科雜志，2006，22（3）：165-168

［2］ 張彤，劉洪臣，董嘉林.顱面復(fù)合體三維有限元模型的快速建立.軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào)［J］.2007，28（6）：418-420