逆向工程技術(shù)在人體膝關(guān)節(jié)三維重建中的應(yīng)用

付彥銘

摘 要：對一名志愿者的膝關(guān)節(jié)進(jìn)行CT與MR檢測，所得的影像數(shù)據(jù)以DICOM格式導(dǎo)入Mimics Research 17.0軟件中。根據(jù)影像數(shù)據(jù)的斷層顯像特點(diǎn)調(diào)整灰度閾值，按照不同分割算法骨組織與軟組織進(jìn)行分離并單獨(dú)重建。將重建數(shù)據(jù)保存為stl格式并導(dǎo)入逆性工程軟件Geomagic Studio 2012中。應(yīng)用軟件中網(wǎng)格化醫(yī)生、簡化、去除特征、網(wǎng)格劃分、松弛和平滑等功能優(yōu)化處理后，將骨組織和軟組織根據(jù)實(shí)際情況加以合理裝配，最終建立膝關(guān)節(jié)三維模型。重建后的模型不僅可以任意視角或單獨(dú)觀察，還可得出相關(guān)參數(shù)。為膝關(guān)節(jié)生物力學(xué)研究、損傷康復(fù)研究和有限元分析提供了可靠依據(jù)。

關(guān)鍵詞：逆向工程 膝關(guān)節(jié) 三維重建 Mimics Geomagic Studio

中圖分類號：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0014-02

Abstract：Tested the knee joint of a volunteer by CT and MR， imported the image data in Mimics Research in 17.0 software in DICOM format. According to the characteristics of image data and the different segmentation algorithms， adjusted the gray threshold and separated the bone and the soft tissue， acquire the reconstruction mode separately. Saved the data in STL forma and imported the reverse engineering software named Geomagic Studio 2012.After the operation of network doctors， simplify and remove characteristics， meshing， relaxation and smooth， according to the actual situation assembled the bone and the soft tissue rationally， built the knee 3D model finally. The models of reconstruction not only can be observed alone by arbitrary angle， but also can got the correlation parameter. For the study of the biomechanics of the knee joint， injury rehabilitation research and finite element analysis， the models of reconstruction provides a reliable basis.

Key Words：Reverse Engineering；The Knee Joint；3D Reconstruction；Mimics；Geomagic Studio

膝關(guān)節(jié)周圍包含脛骨、腓骨、股骨和髕骨等骨組織以及半月板、韌帶和肌肉等軟組織，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。組織之間存在著相對協(xié)調(diào)的靜力與動力相互影響和制約并通過神經(jīng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、反饋維持著膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定。膝關(guān)節(jié)不同部位損傷后，在關(guān)節(jié)內(nèi)部存在著異常的應(yīng)力分布和運(yùn)動軌跡[1-2]。因此能夠全方位剖析膝關(guān)節(jié)內(nèi)組織情況以獲得所需數(shù)據(jù)資料成為醫(yī)學(xué)、康復(fù)、體育工程學(xué)等眾多領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

上世紀(jì)70年代以來，隨著CT、MR等醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的飛速發(fā)展，醫(yī)學(xué)診斷和康復(fù)治療結(jié)束取得了極大的發(fā)展。但醫(yī)生以及康復(fù)技師仍然需要通過很好的空間想象能力將二維圖像在大腦中構(gòu)建成三維模型。為了有效提高專業(yè)人員診治的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，三維重建技術(shù)得到了廣泛關(guān)注[2-4]。

1 研究方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及軟件

計(jì)算機(jī)（Intel i5 2.40GHz，RAM：8G，OS：win7 64位）、醫(yī)學(xué)影像三維重建軟件Mimics Research 17.0 x64和逆向工程軟件Geomagic Studio 2012（64 bit）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

該次研究所用的膝關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)來自男性志愿者的CT和MR檢測結(jié)果。其中CT平掃圖片數(shù)據(jù)377張，MR矢狀面224張，均為DICOM格式。將CT數(shù)據(jù)導(dǎo)入Mimics Research 17.0 x64軟件中，根據(jù)膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，對各塊骨進(jìn)行單獨(dú)重建。首先將骨組織與軟組織進(jìn)行分割，然后根據(jù)需要手動選取目標(biāo)區(qū)域，如圖1所示。依據(jù)此方法分別對脛骨、腓骨、髕骨和半月板進(jìn)行三維重建?；贑T中提取的骨組織和MR中提取的半月板及軟組織數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建。導(dǎo)入同一空間坐標(biāo)系時(shí)需要進(jìn)行圖像的融合與關(guān)鍵點(diǎn)的配準(zhǔn)。Mimics軟件中的Merge很好的實(shí)現(xiàn)了對半月板及軟組織的融合功能，可以達(dá)到預(yù)定要求后將骨組織與軟組織進(jìn)行融合[4-5]。圖2為十字韌帶與半月板模型建立、處理與裝配過程。

2 研究結(jié)果

2.1 模型處理

將Mimics軟件中的三維模型用STL+命令輸出為stl格式文件后便可導(dǎo)入Geomagic Studio中。在軟件中可以繼續(xù)為模型進(jìn)行“網(wǎng)格醫(yī)生”修復(fù)、簡化、網(wǎng)格劃分、松弛和精確曲面等操作，最終生成所需的stl或iges格式文件。圖3為模型優(yōu)化處理過程，圖4為模型裝配過程。

2.2 研究結(jié)果

從圖3膝關(guān)節(jié)模型的裝配過程可以看出，各部分組織模型都是單獨(dú)建立的。各領(lǐng)域針對膝關(guān)節(jié)的分析時(shí)，很少對膝關(guān)節(jié)站立體位進(jìn)行研究，更多的是在特殊關(guān)節(jié)角度下內(nèi)力、外力的靜力學(xué)、動力學(xué)分析和有限元分析[6-7]。三維重建模型基本真實(shí)的體現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)內(nèi)部骨組織與軟組織的形態(tài)與特點(diǎn)，為醫(yī)療工作者或康復(fù)技師提供了直觀的參考。在應(yīng)用方面，三維重建模型可為虛擬手術(shù)、生物力學(xué)分析、人體工程學(xué)分析、體育裝備設(shè)計(jì)與制造以及3D打印等提供依據(jù)。

3 結(jié)語與建議

3.1 結(jié)語

該文利用Mimics Research 17.0 x64軟件對CT和MR圖像進(jìn)行三維重建、圖像分割、配準(zhǔn)和融合。在針對CT圖像骨組織結(jié)構(gòu)三維重建時(shí)過程較快，效率較高。在處理MR圖像軟組織結(jié)構(gòu)時(shí)，多圖像分割作憑借手工操作，使得重建過程較長，效率低下。總體而言，膝關(guān)節(jié)三維重建模型不僅可以獲取現(xiàn)實(shí)中無法測量的解剖學(xué)數(shù)據(jù)，而且所建立的模型可以為醫(yī)療、康復(fù)訓(xùn)練、科學(xué)研究、體育工程和人體工學(xué)等研究領(lǐng)域提供直觀、科學(xué)的理論依據(jù)。

3.2 建議

該研究僅以膝關(guān)節(jié)為例簡述了膝關(guān)節(jié)建模的基本方法，其他關(guān)節(jié)、組織大同小異。使用該方法進(jìn)行人體關(guān)節(jié)、組織的三維重建并最終建立的三維模型，為后續(xù)的靜力學(xué)、動力學(xué)和有限元分析等實(shí)驗(yàn)研究提供了相對科學(xué)、準(zhǔn)確的三維模型。在此基礎(chǔ)上還可以在模型上添加肌肉和其余韌帶等軟組織結(jié)構(gòu)予以完善。為不同關(guān)節(jié)角度和不同外部環(huán)境下進(jìn)行仿真分析提供了更加便捷的建模途徑，為以后研究不同運(yùn)動項(xiàng)目、外部環(huán)境和個(gè)性化關(guān)節(jié)受力分析提供技術(shù)保障。

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