Mimics軟件在醫(yī)學(xué)圖像三維重建中的應(yīng)用

王 嬌，劉 洋，張曉玲，王 衍，穆建玲，趙 燕

0 引言

醫(yī)學(xué)圖像三維重建是指利用科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)，將從醫(yī)學(xué)影像設(shè)備獲得的二維圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)，從而展示人體組織器官的三維形態(tài)并進(jìn)行定性、定量分析的技術(shù)[1]。它是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的研究課題，涵蓋數(shù)字圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程等技術(shù)。醫(yī)學(xué)圖像三維重建技術(shù)在醫(yī)學(xué)教學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、生物力學(xué)分析、模擬外科手術(shù)、放射治療等方面具有非常重要的應(yīng)用價值[2-4]，是當(dāng)前的一個研究熱點(diǎn)。很多研究者致力于將三維重建軟件運(yùn)用到目前普及使用的個人計(jì)算機(jī)上，重建和顯示人體不同結(jié)構(gòu)、組織的三維模型，為臨床醫(yī)師提供方便，提高工作效率。下面就從Mimics（Materiaise′s interactive medical image control system）軟件的簡介、醫(yī)學(xué)圖像三維重建的方法和Mimics在醫(yī)學(xué)圖像三維重建中的應(yīng)用現(xiàn)狀3個方面加以綜述。

1 Mimics軟件

醫(yī)學(xué)影像處理軟件Mimics是比利時Materialise公司的數(shù)字化三維交互式醫(yī)學(xué)影像控制系統(tǒng)，是一套高度整合、簡單易用的三維圖像生成、編輯、處理軟件[5]。通過輸入各種二維的掃描數(shù)據(jù)（CT、MRI圖像），重建精確的三維數(shù)字模型，以通用的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design，CAD）、有限元分析（finite element analysis，F(xiàn)EA）、快速成型（rapid prototyping，RP）等數(shù)據(jù)格式輸出，在個人計(jì)算機(jī)上進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理。Mimics軟件包括RP Slice模塊、STL+模塊、Simulation 模塊、MedCAD 模塊、FEA模塊。RP模塊通過Slice格式在Mimics與多數(shù)RP機(jī)器之間建立接口，自動生成快速成型系統(tǒng)模型所需的支撐結(jié)構(gòu)，針對RP機(jī)器進(jìn)行精確而快速的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其中支撐的成孔技術(shù)不僅能使成型制造過程加快4倍，還能節(jié)省更多的材料及便于清理。STL+模塊在Mimics和RP快速成型技術(shù)間進(jìn)行三角片文件格式的交互，輸出 SCII STL、Binary STL、DXF、VRML 2.0和PointClouds格式的文件，STL格式文件可用于任何RP機(jī)器上。Simulation模塊可以實(shí)現(xiàn)對骨切開手術(shù)、分離手術(shù)及植入手術(shù)的模擬，也可用于示教解釋手術(shù)植入的過程。MedCAD模塊是醫(yī)學(xué)圖像與CAD之間的橋梁，通過雙向交互模式實(shí)現(xiàn)醫(yī)學(xué)掃描數(shù)據(jù)（CT、MRI）與CAD數(shù)據(jù)之間的相互轉(zhuǎn)換，即將二維斷層掃描數(shù)據(jù)（CT、MRI）轉(zhuǎn)換成機(jī)械領(lǐng)域的CAD軟件可以處理的資料格式。MedCAD模塊還可以通過對大量測量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，為植入體的設(shè)計(jì)提供參考。FEA模塊通過軟件的網(wǎng)格重新劃分功能對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行最大限度的優(yōu)化，基于灰度值提供了一種高效的材質(zhì)分配方法，可以為三維模型精確地賦材質(zhì)。通過不同的軟件接口輸出不同的有限元軟件進(jìn)行FEA有限元分析。

2 醫(yī)學(xué)圖像三維重建的方法

目前，能夠產(chǎn)生適合三維重建圖像數(shù)據(jù)的醫(yī)療設(shè)備大致有CT、MRI、超聲波掃描（uhrasonography，US）、正電子發(fā)射斷層掃描（positron emission tornography，PET）和單光子輻射斷層攝影（single-photon emission computed tomography，SPECT）[6]等，這些設(shè)備產(chǎn)生的連續(xù)的二維斷層圖像屬于有組織的結(jié)構(gòu)化的體數(shù)據(jù)，而三維重建就是利用這些由醫(yī)學(xué)成像設(shè)備獲取的二維圖像序列構(gòu)建組織或器官的三維模型[7]，并在計(jì)算機(jī)屏幕上真實(shí)地顯示。醫(yī)學(xué)圖像的三維重建包括對圖像的預(yù)處理、組織器官的分割、模型構(gòu)建、三維后處理等主要研究內(nèi)容[8]。

2.1 圖像預(yù)處理

醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)在獲取、傳輸和轉(zhuǎn)換的過程中，圖像質(zhì)量會有所下降，例如灰度值變化、噪聲污染、細(xì)節(jié)損失、幾何畸變等，使得圖像的信息量減少甚至產(chǎn)生錯誤。因此，在進(jìn)行圖像分析和處理前，需要對降質(zhì)的圖像進(jìn)行一定的預(yù)處理。圖像預(yù)處理的常用手段有圖像濾波、圖像增強(qiáng)、圖像插值等[9]。圖像濾波的目的是為了抑制噪聲、提高信噪比，較常用的濾波方法有中值濾波法、鄰域平均法。目前醫(yī)學(xué)圖像的質(zhì)量比較高，一般不需要進(jìn)行濾波。圖像增強(qiáng)可以改善圖像的視覺效果，便于計(jì)算機(jī)分析和處理。圖像插值則是在連續(xù)的二維圖像之間插值，當(dāng)二維圖像的間距比二維圖像像素間的距離大得多時，就需要通過圖像插值的方法創(chuàng)建一部分中間二維圖像。

2.2 圖像分割

圖像分割是三維重建中關(guān)鍵的一步，目的就是將圖像中感興趣的區(qū)域提取出來。目前，醫(yī)學(xué)圖像分割的研究多數(shù)是針對CT和MRI圖像的，具有模糊性和不均勻性的特點(diǎn)[10]，例如CT圖像中同一種組織的CT值可能會有較大的差別，像骨組織中牙齒、鼻竇骨、四肢骨之間的密度就有很大的差別；CT值相同的不一定是相同組織，如肝臟和腎臟；同一組織不同位置的CT值也不一定相同，如四肢長骨骨松質(zhì)和骨密質(zhì)的密度。另外，人體內(nèi)部組織的蠕動以及成像技術(shù)的噪聲也是造成模糊性的原因。因此，醫(yī)學(xué)圖像分割的數(shù)據(jù)量大，分割要求相對較高，現(xiàn)在比較通用的方法是半自動的交互分割方法[11]。分割的醫(yī)學(xué)圖像既可以直接用于進(jìn)一步的測量輔助診斷，還可以用來重建精確的三維模型。

2.3 重建顯示

目前常用的重建方法主要有面繪制和體繪制[12]。面繪制是通過對物體表面進(jìn)行擬合而忽略物體內(nèi)部信息的重建方法。面繪制用到的是提取后的信息，數(shù)據(jù)量大大減少，只能提供物體的表面信息，無法刻畫曲面內(nèi)部復(fù)雜細(xì)微的結(jié)構(gòu)，因此只適用于表面特征明顯的組織，如骨骼。體繪制則能較好地顯示出物體內(nèi)部的真實(shí)形態(tài)，它是直接將三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三維圖像，具有面繪制沒有的優(yōu)點(diǎn)。體繪制技術(shù)大大豐富了可視化技術(shù)的理論，是目前研究的熱點(diǎn)。

3 Mimics在醫(yī)學(xué)圖像三維重建中的應(yīng)用

目前，CT、MRI等斷層掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于臨床診斷和治療，但二維斷層圖像表達(dá)的是某一個截面的解剖信息，醫(yī)生大多憑借經(jīng)驗(yàn)由多幅二維圖像去估計(jì)病灶的大小和形狀，這就給治療帶來了困難。雖然目前絕大多數(shù)的CT、MRI設(shè)備都有配套的三維重建軟件，但只能在特定設(shè)備下使用。影像科室的技術(shù)人員只能將重建好的三維圖像依照他們的想法選擇幾個部位、角度拷貝成二維圖像提交到臨床醫(yī)生手中。而在普通計(jì)算機(jī)上利用Mimics軟件重建后的三維模型可以動態(tài)旋轉(zhuǎn)觀察，任意切割顯示內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)，也可以對其進(jìn)行編輯、修改[13]，臨床醫(yī)生可以更深入細(xì)致地對病灶進(jìn)行定位、定性、定量分析，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)行術(shù)前手術(shù)方案設(shè)計(jì)、手術(shù)模擬，同時也為生物力學(xué)有限元分析提供精確的模型。

3.1 Mimics建模的基本步驟

3.1.1 讀取圖像

利用圖像導(dǎo)入（import images）功能將CT或MRI斷層圖像導(dǎo)入Mimics軟件中，自動定義前（anterior）、后（posterior）、左（left）、右（right）4 個方向，手動定義圖像的上（top）和下（bottom）2個方向。軟件將根據(jù)橫斷面圖像自動生成矢狀面和冠狀面圖像。

3.1.2 提取輪廓

進(jìn)入三視圖可編輯操作界面。利用閾值設(shè)定工具（thresholding）提取輪廓，如果閾值左區(qū)間設(shè)置得太低，將會提取許多噪點(diǎn)；反之，閾值左區(qū)間設(shè)置太高，則有許多組織丟失。輪廓提取的基本原則為：在保證重建組織被選取的情況下，盡量不使重建組織以外的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)輪廓陰影。通過看圖觀察，將輪廓的清晰度調(diào)節(jié)到合適的程度，界定閾值在合適的范圍，形成蒙面（mask）。

3.1.3 選擇熱區(qū)

利用軟件中的區(qū)域增長工具（region growing）進(jìn)行熱區(qū)選擇，如果需重建的結(jié)構(gòu)與周圍組織灰度值相近，提取時則需采用人工識別的方法，對每層圖像都要進(jìn)行邊緣分割、去除冗余數(shù)據(jù)、選擇性編輯及補(bǔ)洞處理，這一過程要非常仔細(xì)地完成。

3.1.4 生成三維模型

基于3D插補(bǔ)法，利用軟件的三維計(jì)算工具，分割（segmentation）菜單中的Calculate 3D，可將二維圖像直接轉(zhuǎn)化成三維模型，重建的模型外形逼真，可平移、縮放、任意平面切割、任意角度旋轉(zhuǎn)，直接清楚地再現(xiàn)組織器官的三維立體形態(tài)。將重建好的三維模型以STL格式輸出保存，即可得到重建的三維可視化模型。

3.2 Mimics建模的優(yōu)點(diǎn)

利用Mimics軟件對二維圖像進(jìn)行處理、定位，重建三維模型，該方法具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）Mimics軟件可以直接讀取DICOM（DigitalImagingandCommunications in Medicine）數(shù)據(jù)。DICOM是美國國家電氣制造商協(xié)會制定的醫(yī)學(xué)圖像存儲與通信的標(biāo)準(zhǔn)格式，CT、MRI掃描產(chǎn)生的斷層圖像可以DICOM格式進(jìn)行存儲。Mimics軟件有自動建模功能，對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理時無需任何形式圖像轉(zhuǎn)換，大大減少了人為處理所造成的各種誤差，避免了數(shù)據(jù)信息的丟失。（2）Mimics軟件應(yīng)用簡單。在普通計(jì)算機(jī)上就可以進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換處理，實(shí)現(xiàn)了快速化，縮短了建模時間。（3）建模速度快。Mimics軟件可自動識別、讀取DICOM格式的原始圖像，短時間內(nèi)便能讀取數(shù)百張圖片，原始數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化非常迅速；建模時無需進(jìn)行手工確定節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)及其他處理，利用軟件的自動三維重建功能可自動生成3D模型，大大提高了建模速度。（4）簡化輪廓線提取的過程。用Mimics建模不但克服了通過輪廓線建模所遇到的困難，還可以彌補(bǔ)無法完整描述復(fù)雜外形的缺點(diǎn)從而直接生成3D模型。（5）模型精確度高。Mimics軟件的FEA模塊能對原始資料自動賦值，將材質(zhì)分為10個等級，而不再是簡單的區(qū)分為皮質(zhì)骨和松質(zhì)骨，使模型的材質(zhì)更加精細(xì)，其物理特性更加接近于真實(shí)，這樣就保證了所建模型的高精度。（6）Mimics軟件重建的三維模型進(jìn)行面網(wǎng)格優(yōu)化后可直接轉(zhuǎn)換為三維有限元軟件可識別的格式，進(jìn)而生成有限元模型，提高了工作效率。

3.3 Mimics建模的應(yīng)用領(lǐng)域

3.3.1 醫(yī)學(xué)診斷

在臨床和醫(yī)學(xué)研究中，CT掃描、磁共振掃描和超聲波掃描都是醫(yī)療診斷有力的手段。運(yùn)用三維重建技術(shù)對二維圖像進(jìn)行處理，構(gòu)建三維數(shù)字模型，醫(yī)生可以對感興趣部位進(jìn)行不同方向的觀察、剖切，從而對病灶大小、形狀和空間位置有定性的認(rèn)識，同時還可進(jìn)行定量分析。劉登均等[14]對18例齒狀突骨折患者的上頸椎進(jìn)行了三維重建，為診斷齒狀突骨折、脫位及頸髓損傷提供了更為直觀、立體的依據(jù)。Huhdanpaa等[15]利用Mimics重建肝臟三維模型，并在此基礎(chǔ)上研究出一種肝硬化的定量診斷方法。

3.3.2 模擬外科手術(shù)

外科醫(yī)生在三維模型上可以進(jìn)行手術(shù)入路的分析，設(shè)計(jì)模擬多種手術(shù)方案，通過對各方案的比較，研究訓(xùn)練，提高手術(shù)的成功率。邵剛等[16]利用Mimics軟件重建1名下頜骨前突伴頦部后縮畸形的患者的顱骨及軟組織的三維數(shù)字化模型，并在此虛擬模型的基礎(chǔ)上，模擬了骨組織的切割、平移和旋轉(zhuǎn)等手術(shù)操作，預(yù)測了相應(yīng)手術(shù)的術(shù)后軟組織變化，為制定最佳手術(shù)方案提供了依據(jù)，同時患者也能在術(shù)前直觀地了解預(yù)期的術(shù)后面貌外形，便于醫(yī)患之間的交流。邵剛等[17]還運(yùn)用Mimics軟件進(jìn)行了顱頜面的三維重建研究與虛擬手術(shù)設(shè)計(jì)，初步建立了數(shù)字化可視顱頜面虛擬手術(shù)仿真平臺，并模擬了頜面外科常見的3種手術(shù)方式。Tejszerska D等[18]利用Mimics軟件重建狹顱癥患兒頭顱三維模型，術(shù)前進(jìn)行手術(shù)切口的模擬，為患兒提供了安全保障。

3.3.3 植入體模型的設(shè)計(jì)

將三維重建與RP技術(shù)相結(jié)合，可以滿足個性化假體制造快速性、復(fù)雜性、多樣性的特點(diǎn)，為個性化植入體的設(shè)計(jì)與制造提供了一個有效的途徑。范蘆芳等[19]利用Mimics軟件構(gòu)建顱骨缺損區(qū)植入體的模型，提高了顱骨缺損區(qū)植入體設(shè)計(jì)的精確度及去骨瓣減壓術(shù)中去除顱骨面積的精度。付鑫等[20]利用Mimics軟件重建脛骨平臺骨折可視模型，并進(jìn)行了開窗復(fù)位的模擬、植骨量估算、三維數(shù)據(jù)測量。何葉松等[21]創(chuàng)建了病體髖關(guān)節(jié)模型，并運(yùn)用Mimics的MedCAD模塊設(shè)計(jì)患者髖骨植入體的大小、形狀，并對植入體的位置進(jìn)行定位。

3.3.4 生物力學(xué)分析

謝宏剛等[22]利用Mimics軟件重建的人體膝關(guān)節(jié)面網(wǎng)格化三維模型導(dǎo)入有限元軟件，進(jìn)行了膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動生物力學(xué)分析。通過此方法可以為各類田徑運(yùn)動員制定正確的訓(xùn)練方案，還可以為骨關(guān)節(jié)外傷患者不同時期功能鍛煉的程度及方式提供科學(xué)化、規(guī)范化指導(dǎo)。尹一恒等[23]應(yīng)用Mimics軟件完成了枕寰樞的三維重建，為后續(xù)的相關(guān)生物力學(xué)分析提供了基礎(chǔ)，具有較高的實(shí)用性和臨床參考價值。

3.3.5 醫(yī)學(xué)教學(xué)

重建的人體組織結(jié)構(gòu)三維模型還可應(yīng)用于醫(yī)學(xué)教學(xué)，有助于學(xué)生直觀地理解并記憶各解剖結(jié)構(gòu)，也能清楚地觀察到各結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系，可以作為學(xué)習(xí)人體組織器官等解剖結(jié)構(gòu)的一種方法。李鑒軼等[24]利用Mimics對人體頸部和胸部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維重建，并將重建模型應(yīng)用于本科學(xué)生的理論教學(xué)中。學(xué)生們普遍反應(yīng)重建的三維模型形態(tài)逼真，解剖結(jié)構(gòu)顯示清楚，對于椎骨形態(tài)功能、肋骨走行的理解更加容易。大大降低了解剖學(xué)教與學(xué)的難度，從而提高了學(xué)習(xí)效率。

3.3.6 應(yīng)用前景展望

隨著CT、MRI等設(shè)備廣泛應(yīng)用于臨床，利用CT、MRI設(shè)備進(jìn)行人體組織結(jié)構(gòu)三維重建也已相當(dāng)普遍，但重建的三維模型只能在特定設(shè)備下使用，而Mimics軟件可以實(shí)現(xiàn)個人計(jì)算機(jī)上的醫(yī)學(xué)圖像三維重建，重建的模型已應(yīng)用于診斷、教學(xué)、生物力學(xué)分析、外科手術(shù)等多個領(lǐng)域，隨著重建技術(shù)的日漸成熟，利用人體骨的三維模型進(jìn)行力學(xué)分析研究即人體的力學(xué)分析研究將是一個新的方向，其主要目的是建立人體的運(yùn)動力學(xué)模型，這將對人體仿生、運(yùn)動功能修復(fù)等具有深遠(yuǎn)的意義。

4 結(jié)語

本文對mimics軟件及其應(yīng)用進(jìn)行了概要闡述，從應(yīng)用來看，利用軟件重建的三維圖像具有教學(xué)、診斷、術(shù)前術(shù)后、治療等廣闊的應(yīng)用空間，因此三維模型將會成為臨床應(yīng)用的重點(diǎn)，它將進(jìn)一步引導(dǎo)臨床外科手術(shù)的發(fā)展。

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