基于CT序列圖像的下頜骨三維模型*

李　輝　張　靜

(萊蕪市中醫(yī)醫(yī)院，山東 萊蕪　271100)

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基于CT序列圖像的下頜骨三維模型*

李輝張靜

(萊蕪市中醫(yī)醫(yī)院，山東 萊蕪271100)

摘要：目的建立下頜骨的三維數(shù)字化模型,以用于臨床診斷、有限元分析、3D打印和手術(shù)仿真等研究。方法選取健康成年志愿者,通過(guò)CT掃描,得到下頜骨的CT序列圖像，應(yīng)用Mimics16.0軟件進(jìn)行圖像分割和三維重建，生成的三維模型導(dǎo)入Geomagic軟件進(jìn)行模型修復(fù)和平滑處理，得到最終的下頜三維數(shù)字化模型。 結(jié)果在高精度的情況下，該方法能實(shí)現(xiàn)下頜骨的三維重現(xiàn)，可在多方位、多角度上展現(xiàn)下頜骨各部分，可視化效果好。結(jié)論通過(guò)上述方法建立下頜骨三維數(shù)字化模型可以有效地應(yīng)用于臨床診斷、3D打印和仿真要求。

關(guān)鍵詞：下頜骨；三維重建；三維數(shù)字化模型；模型處理

現(xiàn)代影像技術(shù)的不斷發(fā)展，CT影像后處理和三維重建技術(shù)在臨床中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的三維重建技術(shù)多適用于可視化需求，對(duì)于有限元分析、3D打印模型和仿真等應(yīng)用多有不足，特別是3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，對(duì)醫(yī)學(xué)圖像生成的三維模型提出了更高的要求。在臨床醫(yī)療中，下頜骨及與其相關(guān)的診斷和治療極為常見(jiàn)，如骨折的診斷和治療、假體的制作、美容矯形和修補(bǔ)等[1-2]。高精度、高質(zhì)量的三維模型可有效地滿足臨床診治的需求。隨著CT技術(shù)和三維模型處理方法不斷發(fā)展，掃描精度越來(lái)越高，獲得高精度的數(shù)據(jù)已成為可能，下頜骨三維數(shù)字化模型的制作和應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)，如陳全等[3]進(jìn)行的下頜三維測(cè)量，朱赴東等[4]解剖建模，徐昕等[5]應(yīng)用模型進(jìn)行治療等。本研究針對(duì)臨床上對(duì)下頜骨的多種需求，基于CT序列圖像數(shù)據(jù)建立了下頜骨的三維模型，改進(jìn)了下頜骨三維模型的重構(gòu)方法，為擴(kuò)展三維模型的應(yīng)用提供一種有效途徑。

1 材料和方法

1.1材料與設(shè)備

根據(jù)模型制作的要求，選取相貌正常，面部左右對(duì)稱(chēng)的成年男性一名。CT設(shè)備Philips Ingenuity Core 128層螺旋CT機(jī)。計(jì)算機(jī)工作站：Dell M2800；CPU：intel i7；內(nèi)存：16G；硬盤(pán)：1TB。醫(yī)學(xué)圖像處理軟件：Mimics 16.0。三維模型處理軟件：Geomagic 12.0。

1.2 步驟和方法

1.2.1CT序列圖像采集采用128層CT對(duì)選定的研究對(duì)象進(jìn)行螺旋掃描，參數(shù)如下：患者采取仰臥位，掃描范圍自顱底掃至頸根部(下頜下角下3 cm)，管電壓120 KV，管電流30 mA，層厚及層間隔均為1.00 mm，螺距0.49 mm，矩陣512×512。將采集的數(shù)據(jù)以Dicom格式導(dǎo)出。

1.2.2 圖像閾值的界定將采集的CT序列圖像導(dǎo)入Mimics，采用閾值方法建立蒙版。在閾值選項(xiàng)中選擇Bone(CT)，仔細(xì)觀察熱區(qū)邊緣，若存在偽影，調(diào)整閾值動(dòng)態(tài)范圍。選擇應(yīng)用，將骨骼部位的像素放入蒙罩中，形成序列圖像中骨骼熱區(qū)。

圖1　圖像閾值設(shè)定

1.2.3區(qū)域生長(zhǎng)采用種子區(qū)域增長(zhǎng)方法，在已經(jīng)選擇的骨骼熱區(qū)中選擇下頜骨的種子點(diǎn)，自動(dòng)生成下頜骨的蒙罩，形成下頜骨與其他部位分離的熱區(qū)。 若采集的圖像中存在骨折等斷裂的情況，可多次設(shè)置種子進(jìn)行區(qū)域生長(zhǎng)，獲得完整的下頜骨的區(qū)域。

圖2　區(qū)域生長(zhǎng)結(jié)果

1.2.4三維重建確定下頜骨的熱區(qū)后，在蒙版選項(xiàng)中選擇下頜蒙版。通過(guò)三維實(shí)體菜單中3D Caculate算法進(jìn)行三維重建。在模型選項(xiàng)中選擇高、中、低、優(yōu)化和自定義來(lái)控制模型質(zhì)量。三維重建的效果如圖3所示。將生成的下頜骨三維模型以STL格式導(dǎo)出。

1.2.5模型修補(bǔ)將導(dǎo)出的下頜骨的STL格式文件導(dǎo)入Geomagic軟件，進(jìn)行模型修補(bǔ)，包括孔洞和多余結(jié)構(gòu)刪除。對(duì)模型中的孔洞,采用Geomagic填充孔功能對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)?？锥葱扪a(bǔ)可以通過(guò)孔洞不同，選擇曲率型、切線型、平面型和橋接型，全部和部分填充等六種方式中的一種或多種進(jìn)行；對(duì)模型中存在的散碎多余組織，采用面片刪除的方式進(jìn)行去除。修補(bǔ)前后結(jié)果見(jiàn)圖4。

1.2.6模型表面光順三維重建后的模型由多邊形構(gòu)成，在生成過(guò)程中并不能很好地還原出光順的表面。在修補(bǔ)完網(wǎng)格缺失和孔洞后,模型的表面也會(huì)存在凹凸不平的情況，屬于算法在重構(gòu)中模型表面質(zhì)量問(wèn)題。通過(guò)三維模型處理中松弛命令對(duì)模型的表面進(jìn)行模型的光順處理。

圖3　 三維重建結(jié)果

圖4　修補(bǔ)前后對(duì)比圖

圖5　光順前后對(duì)比圖

1.2.7模型網(wǎng)格檢測(cè)與修復(fù)對(duì)于填充完孔洞和平滑后的模型，可能會(huì)有多余細(xì)小組織和面片自相交現(xiàn)象。尤其是面片自相交的存在會(huì)影響到模型的應(yīng)用范圍，如曲面造型以及3D打印的模型輸出。這兩種問(wèn)題通過(guò)Geomagic中網(wǎng)格醫(yī)生功能進(jìn)行檢測(cè)和修復(fù)。對(duì)細(xì)小組織，根據(jù)其存在的位置選擇細(xì)小結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置大小，自動(dòng)檢測(cè)和刪除；自相交在在網(wǎng)格醫(yī)生中自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)到存在自相交的面片可以通過(guò)去除特征、松弛/清除、僅選擇等方式去選中或去除那些相交的三角面片。

圖6　檢測(cè)與修復(fù)前后對(duì)比圖

2 結(jié)果

按照第1部分的處理流程，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了三維重建、模型修補(bǔ)、光順和缺陷檢測(cè)修復(fù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7　下頜骨三維模型

從三維模型制作結(jié)果可以看出，在高精度的情況下，該方法能實(shí)現(xiàn)下頜骨的三維重現(xiàn)，可在多方位、多角度上展現(xiàn)下頜骨各部分，可視化效果好；模型結(jié)果準(zhǔn)確，表面光滑，可為整形、仿真和3D模型制作使用。

3 討論

3.1 三維模型制作

制作器官三維模型是近幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)內(nèi)容，現(xiàn)已在臨床實(shí)踐大量應(yīng)用，特別是三維打印技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，促進(jìn)了對(duì)器官三維重建模型的需求[6]。從最初的三維可視化到現(xiàn)在用于診斷和仿真，對(duì)器官三維模型生成方法提出了更高要求。本研究利用Mimics和Geomagic軟件實(shí)現(xiàn)了三維模型的構(gòu)建和修復(fù)，能有效建立符合臨床需求的三維模型。與切片法等建模方法比較，建模效率高，模型質(zhì)量高，同時(shí)在活體上采集數(shù)據(jù)，擴(kuò)展了模型的制作范圍。

3.2 模型制作中的圖像處理方法

在采集到的CT序列圖像中，包含有多種器官和組織。因?yàn)椴煌M織密度不同，對(duì)X線吸收能力不同，反映到圖像上表現(xiàn)為不同灰度區(qū)域。建立三維模型必先分割出各序列相應(yīng)組織結(jié)構(gòu)，在Mimics中可以根據(jù)各組織不同的灰度范圍，設(shè)置相應(yīng)的閾值來(lái)區(qū)分不同組織[7]。醫(yī)學(xué)圖像中普遍存在著模糊和不確定性，固定閾值可能會(huì)出現(xiàn)組織丟失或者增加、噪聲多等情況，可通過(guò)修改蒙罩的方法，添加或刪除相應(yīng)的組織，去除噪聲。在本研究中，由于下頜多為一個(gè)連通的整體，故可采用種子區(qū)域生長(zhǎng)的方法，在選出的區(qū)域中選取屬于下頜骨的區(qū)域，剔除不屬于下頜骨的部分。在三維重建中，包括面繪制和體繪制兩種方法。Mimics軟件中實(shí)現(xiàn)了這兩種重建方法[8-9]。對(duì)于本研究提出的下頜骨三維模型，根據(jù)有限元分析、假體制作和仿真的要求，三維重建采用面繪制方法。

3.3 三維模型處理

序列圖像中各組織存在著不均勻性，經(jīng)過(guò)閾值和區(qū)域增長(zhǎng)選擇后，可能會(huì)出現(xiàn)分割不完整和過(guò)分割情況，重建后的三維模型往往會(huì)出現(xiàn)缺失、孔洞和包含多余部分等問(wèn)題，影響三維模型的質(zhì)量。在下頜骨的重建過(guò)程中，多為過(guò)分割造成的細(xì)小組織和表面不平滑，修補(bǔ)過(guò)程中多側(cè)重于二者的處理。

本研究中提出的模型建立的方法 ,在高精度基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了下頜骨的數(shù)字化三維模型。在此模型上可進(jìn)一步進(jìn)行下頜骨的有限元仿真、假牙制作等[10],擴(kuò)大了三維模型的應(yīng)用范圍和域。

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* 作者簡(jiǎn)介：李輝(1972— )，山東萊蕪人，主治醫(yī)師，本科，從事臨床影像診斷與技術(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào)：R197.39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-7115(2016)08-0870-03

doi:10.3969/j.issn.1004-7115.2016.08.012

(收稿日期2015-5-14)

3D Mandibles Model based on CT images

LI Hui ZHANG Jing

(TCM Hospital of Laiwu City, Laiwu 271100,China)

Abstract:Objective: To reconstruct 3D Mandibles model for clinical diagnosis, finite element analysis and simulation etc. Methods: A heathy adult male volunteer was selected. Then the data of CT images was obtained by CT scanning. And Mandibles 3D reconstruction was conducted by the software: Mimics 16.0. After imported to the software Geomagic 12.0, the 3D reconstruction model was modified and smoothed. Finally, Mandibles 3D model was built.Results: In the case of high-precision, three-dimensional realization of the method can reproduce the mandible, can be multi-faceted, multi-angle on a good show various parts of the mandible, visualization.Conclusions： 3D Mandibles model built by this method can provide an effective reference for diagnosis, 3D printing and simulation.

Key words:mandibles; 3D reconstruction; 3D digital model; model processing