股骨3D模型構建在股骨頭置換手術中的應用研究

陳廣新，董 默，宋海南，周鴻鎖，郭金興，周志尊

（牡丹江醫(yī)學院，黑龍江 牡丹江 157011）

股骨3D模型構建在股骨頭置換手術中的應用研究

陳廣新，董 默，宋海南，周鴻鎖，郭金興，周志尊

（牡丹江醫(yī)學院，黑龍江 牡丹江 157011）

醫(yī)學影像三維可視化圖像處理技術將醫(yī)學影像的診斷與分析方法從二維空間拓展到了三維空間，極大地增強了醫(yī)生對影像信息的閱讀能力與水平。通過多維度、多層次觀察和分析病變組織與器官的的形態(tài)及其與周圍組織與器官的空間位置關系，可以更準確地對患者進行診斷并制定有效的治療方案。本研究在系統(tǒng)分析圖像分割算法的基礎上，應用 Mimics醫(yī)學圖像處理專用軟件，通過窗寬窗位調整、閾值分割、蒙板編輯、區(qū)域增長以及形態(tài)學等一系列圖像處理操作，分離出股骨并實施了股骨解剖模型的三維重建。該模型可以任意選擇解剖結構進行組合顯示及多方位觀察，可任意調整透明度和偽彩，為醫(yī)療診斷和治療的手術前科學規(guī)劃及手術過程中的準確導航提供了一種有效的方法。

股骨；Mimics；三維重建

0 引言

在醫(yī)學影像三維重建技術幫助下的手術導航技術是目前醫(yī)學研究的一個熱點問題。醫(yī)學影像的三維重建是對輸入的醫(yī)學影像數(shù)據(jù)經(jīng)圖像分割后提取目標圖像，構建出待建組織的三維空域表達，它的主要研究內容包括影像數(shù)據(jù)的識別與閱讀、醫(yī)學影像的預處理、目標圖像經(jīng)圖像分割后的輪廓提取及3D模型構建等。隨著DR、CT、MR及PET等現(xiàn)代醫(yī)學影像設備的不斷發(fā)展使醫(yī)學診斷水平得到了極大的提升，無創(chuàng)傷、活體及在體診斷逐步得到應用，醫(yī)學圖像以多視角、多方位的三維模式的開展醫(yī)學影像的信息發(fā)掘觀察。作為臨床醫(yī)生診斷與治療的輔助工具醫(yī)學影像的三維重建模型發(fā)揮著越來越重要的作用[1]。

Mimics是Materialise公司研發(fā)的具有全方位圖像處理功能的醫(yī)學圖像處理軟件。該軟件具有快速、實時及高精度的特點，同時使用它可以快速及無損的導入CT、MRI及核醫(yī)學解剖學斷層序列圖像及功能性圖像數(shù)據(jù)，對被研究的圖像可以采用閾值法、形態(tài)學算法以及其他有針對性的方法實施組織分割。其三維重建方法主要以面繪制為主，采用批處理模式有效地解決了醫(yī)學圖像數(shù)據(jù)量大的難題。Mimics的可視化、三維重建及測量模塊可以對圖像數(shù)據(jù)分別在橫斷面、冠狀面及矢狀面處理，Mimics軟件可以嵌入各科醫(yī)生的硬件終端，將影像科傳輸過來的影像數(shù)據(jù)實時、快速及精準的三維成像分析預測量[2]。

長期以來，人們對股骨頭病變與壞死的研究與分析大多都是基于對病變部分的X光片及CT的平掃圖像的分析，有很大的局限性。如果要分析股骨頭的形態(tài)變化及獲取體積等參數(shù)，都要在影像科的大型 CT設備的圖像后處理平臺上完成。然而對股骨頭疾病的治療與手術方案的制定通常都在骨科來完成，因此，在骨科建立圖像處理工作站，通過Mimics 圖像處理軟件對股骨頭疾病的分析與壞死股骨頭的置換手術的設計與引導十分必要。本文將對一患者的股骨CT圖像進行分割、三維重建研究，構建出股骨 3D模型，使用該模型可對股骨頭的形態(tài)、體積及與周邊組織的關系進行詳細而系統(tǒng)的分析，從而為股骨頭壞死的疾病診斷與評估，股骨頭合理置換提供一種有效的精確測量方法。

1 材料和方法

1.1 圖像后處理設備

圖形工作站：戴爾Precision T5810 Xeon E5

軟件：Mimics 19.0；3-matic STL3.0

圖像數(shù)據(jù)：采集牡丹江醫(yī)學院附屬紅旗醫(yī)院一例成人腿部CT平面連續(xù)掃描圖像數(shù)據(jù)。男性患者，57歲。 醫(yī)學成像設備采用東軟NeuVez128排螺旋CT，CT掃描參數(shù)：電壓120 V，電流250 mA，斷層厚度 0.5 mm，圖像矩陣 512×512，共采集 487張圖像。

1.2 圖像導入與轉換

Mimics支持的圖像格式主要是國際通用的醫(yī)學DICOM3.0標準，同時也支持BMP及TIFF等普通圖像格式。本課題所采集的 CT影像數(shù)據(jù)為DICOM標準，圖像無需配準。數(shù)據(jù)被導入 Mimics軟件后，患者的CT圖像的完整信息會被顯示出來，同時斷層間距(slice distance)、像素大小（pixel size）及掃描架傾斜角（gantry tilt）等儀器設備的參數(shù)信息也將被完整的顯示出來。Mimics讀取圖像數(shù)據(jù)之后再將其轉換成Mimics的格式.mcs，導入并完成轉換格式后選擇影像的空間方位。

1.3 股骨圖像分割算法

在股骨 3D模型的構建過程中，圖像分割是圖像處理與分析的關鍵，股骨 3D模型的精度以及它所提供的信息辨識度與圖像分割的計算方法密切相關。 Mimics提供了可供選擇的分割算法，如閾值分割（thresholding）、區(qū)域增長(region growing)、動態(tài)區(qū)域增長(dynamic region grow)、形態(tài)學操作（morphology operations）、空腔填充(cavity fill)、編輯蒙板（editing masks）及多層編輯（multiple- slice edit）等。針對不同形態(tài)、不同的成像部位與不同器官的圖像，合理選擇計算方法對高精度實施圖像分割，直至最后完成組織與器官的三維重建至關重要。在使用Mimics軟件對原始圖像進行分割的過程中，采取了多分割方案，在利用層與層之間的關聯(lián)性分割的基礎上逐層對每張二維圖像進行了精確分割。在本項目的研究過程中，充分利用了Mimics軟件的交互式分割功能，多種分割方法結合使用，首先使用閾值分割使骨骼與周圍組織分離出來，再使用動態(tài)區(qū)域生長使股骨分離出來，然后使用蒙板編輯、多層編輯及蒙板光順等分割編輯工具進一步修補完善，最后對股骨三維重建。

2 圖像分割實驗操作

2.1 股骨CT圖像預處理

導入股骨數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)讀取圖像，顯示影像主方位序列，同時會自動顯示出虛擬的另兩個方位的影像序列。如圖1所示，其中右側的視為原始口橫斷面（xy-view或axial view），左側上面視口為重組冠狀面（xz-view或coronal view）,左側下面的視口為重組矢狀面（yz-view或sagittal view）。不同視口均可看到標尺（tick marks）、十字交叉線（intersection lines）、斷層位置（slice position）和方位字符（orientation strings）等指示信息。

圖1 不同的視口Fig.1 The different views

為了區(qū)分人體組織中密度不同的部分，進而便于分割，對圖像進行窗寬、窗位及方位參數(shù)調整，將圖像的對比度調整到一個合適的數(shù)值。如圖2所示，在項目管理器中的對比度標簽下（Project Management＞Contrast）調整窗寬窗，圖像分割所關注的是清晰的顯示分割結構的邊緣，骨的 CT灰度值在200左右。經(jīng)過預處理后，骨已經(jīng)突出顯示出，如圖3所示。

圖2 資源管理器對比度標簽Fig.2 Project management contrast

圖3 調整完窗位窗寬之后的圖像Fig.3 The adjusted image

2.2 閾值分割

閾值法是基于一維灰度直方圖統(tǒng)計特征的分割方法，一個或幾個閾值將圖像灰度直方圖分成兩段或多段，把圖像中灰度值在同一段內的所有像素歸為同一物體。很明顯，這類分割方法基于對應于特定物體或背景的像素灰度呈現(xiàn)峰狀分布特征并且基本集中于不同的灰度區(qū)間內的前提和假設。設原始圖像為 f(x,y)，閾值法按照一定的規(guī)則在 f(x,y)中確定若干個門限值 H1，H2，H3,…,HN（ 1N≥ ）,利用這些門限值將圖像分割為幾個部分。分割后的結果圖像G(x,y)可表達為[3]：

在本實驗中，閾值參數(shù)設置為300左右，使用閾值分割圖像，如圖4所示。閾值分割后的圖像如圖5。

圖4 閾值分割Fig.4 Thresholding

圖5 經(jīng)閾值分割處理后的圖像Fig.5 The threshold segmentation image

2.3 區(qū)域生長

區(qū)域生長是根據(jù)預先定義的生長準則將像素或子區(qū)域組合為更大區(qū)域的過程?；痉椒ㄊ菑囊唤M“種子點”開始，將與種子性質相似的那些鄰域像素附加到每個種子上來形成這些生長區(qū)域。令R表示整個圖像區(qū)域，P（Ri）是定義在集合 Ri中的點上的一個邏輯屬性，φ是空集?？蓪⒎指钜暈榘?R分為 n個子區(qū)域 R1，R2，R3，…，Rn的處理，即[4]：

在本實驗中，在閾值分割的基礎上，使用Mimics軟件的區(qū)域生長分割算法，使股骨分離出來，生成新的蒙板，如圖6所示。

圖6 區(qū)域生長Fig.6 Region growing

2.4 Mask圖像分割與精準處理方法

Mimics的蒙板（Mask）是由二值蒙板組成的一個三維體數(shù)據(jù)集構成，其體素的值為0和1[5,17]。由于醫(yī)學圖像分割有其特殊性，因此，圖像分割由具體算法與手工分割構成。在本研究采用逐層二維圖像分割與層與層之間的關聯(lián)分割相結合，使用交互式蒙板三維編輯功能實現(xiàn)精準的股骨分割[6]。采用Mimics蒙板編輯（Edit Masks）、裁剪蒙板（Crop Mask）、多層編輯（Multiple Slice Edit)及平滑蒙板（Smooth mask）等分割方法，可以進一步完善分割結果，達到精準分割。

由于 CT掃描圖像層距較小，在這個長度變化數(shù)量級上的解剖結構其輪廓在相鄰幾個層面上變化不顯著，多層編輯的使用加快分了割速度，提高了準確性，同時提高了計算機渲染速度，避免了體素間互相遮擋。圖像分割后蒙板邊緣不齊，利用平滑蒙板（Smooth mask）工具進行平滑處理。在分割過程中，蒙板會出現(xiàn)空洞、邊緣不整、邊緣平滑度不足，空腔填充（Cavity fill）、形態(tài)學操作(morpholoy operations)及布爾操作(Boolean Operations)可實現(xiàn)微處理。

3 股骨的三維重建

股骨三維重建的算法基于移動立方算法（MC算法）。MC算法的基本思想是將二維的切片序列數(shù)據(jù)看成一個三維的數(shù)據(jù)場，逐個處理數(shù)據(jù)場中的體素，將體素各個頂點的值與給定的閾值比較來決定該體素內部等值面的構造形式，并且以某種拓撲形式來連接成三角面片來擬合曲面，最后把各個體素的等值面連接形成整個等值面，從而用來表示物體的表面[7,13]。股骨三維重建主要采用面繪制方式進行[8]。三維重建的實質是對蒙板體素邊界的擬合，輪廓線之間的距離為斷層切片之間的距離[9,12]。股骨三維重建過程就是基于三維模型計算蒙板也即體素化過程。為縮減三角面片，優(yōu)化重建結果，圖7所示，適當選取三維重建的參數(shù)，本研究采用特定的經(jīng)驗數(shù)據(jù)設置實現(xiàn)股骨的三維重建，完成三維重建后的結果如圖8所示。

4 股骨測量分析

4.1 壁厚分析

設置最大壁厚為10.0mm，使用3-matic的壁厚分析工具測試壁厚，得到壁厚直方圖及其對應的閾值區(qū)域分布情況，如圖9所示。股骨壁厚與年齡的大小關系密切，而股骨內后側承擔大部分負荷，股骨壁厚與應力分布情況有直接關系。通過對股骨皮質骨的壁厚的定量分析為股骨的生理狀態(tài)的評估提供了理論支持，同時可對股骨頭疾病的發(fā)生與發(fā)展提出準確的時間預判。因此，股骨皮質骨的壁厚的臨床指導意義明確。

4.2 曲線擬合測量和分析

使用3-matic的曲線分析功能，設置擬合半徑為6mm，對股骨進行曲線分析。分析結果如圖10。此處藍色代表凸出的地方，紅色代表比較凹陷的地方。

圖9 股骨壁厚分析Fig.9 Femur wall thickness analysis

圖10 曲線分析Fig.10 Curvature analysis

對股骨三維模型進行測量，可直接獲得股骨頸干角130.5度、前傾角14度等數(shù)據(jù)。頸干角和前傾角的測量具有一定的臨床解剖意義。Mimics 可以測量股骨的多種參數(shù)，如股骨頭的體積、尺寸及任意選定的兩個特征點之間的距離等[14,15,16]。通過對頸干角和前傾角的測量可以有效地選擇固定物，如鈦鋼板與鈦鋼釘?shù)墓潭ǚ椒胺轿?，為高質量地完成虛擬手術，鋼板與股骨的良好貼合及術后人體腿部力線的回復起著至關重要的作用[18,19]。

5 結束語

本實驗采用活體器官的股骨斷層掃描圖像為原始數(shù)據(jù)，應用Mimic軟件實現(xiàn)骨股三維圖像構建，Mimics的股骨三維重建，對確定組織和病灶的空間位置、大小、幾何性質及其與周圍組織的空間關系并將復雜的三維信息及其相互關系實時、直觀的顯示，可以幫助醫(yī)生進行全面準確地分析、設計精確的治療計劃，提高診治的準確性和有效性，從而提高醫(yī)療診斷水平[10]。因此，基于 Mimics的三維重建技術研究和應用具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義[11]。

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The Study of Femur 3D Model Application to Femoral Head Replacement

Chen Guang-xin, Dong Mo, Song Hai-nan, Zhou Hong-suo, Guo Jin-xing, Zhou Zhi-zun
(Mudanjiang Medical University, Mudanjiang, Heilongjiang, China)

Using image processing technology and visualization techniques, the medical image diagnosis and analysis methods are expanded from two dimensions to three dimensions and greatly enhanced the doctor's image information reading ability. Through the multi-dimensional and multi-level tissues and organs pathological changes observation and its spatial position relationship with surrounding tissues and organs, we can diagnose patients more accurately and develop effective treatments. This study is on the image segmentation algorithm system analysis. by Mimics, the application of medical image processing software, through wide window position adjustment, threshold segmentation, mask editor, a series of image processing operations, such as regional growth and morphology, femur was isolated and anatomic 3D model was reconstructed. Any anatomical structure and multi-dimensional observation can be choose by this model and the transparency and pseudo color can also be arbitrary adjust. The 3D model provides an effective method for preoperative planning of medical diagnosis and treatment and accurate navigation during surgery.

Femur; Mimics; 3D reconstruction

TP319

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.12.014

本文著錄格式：陳廣新，董默，宋海南，等. 股骨3D模型構建在股骨頭置換手術中的應用研究[J]. 軟件，2017，38（12）：75-80

黑龍江省教育廳科技項目(No. 12541846)

陳廣新(1978-)，男，黑龍江人，碩士，講師，研究方向：醫(yī)學圖像處理，牡丹江醫(yī)學院。

周志尊(1962-)，男，黑龍江人，碩士生導師，教授，研究方向：醫(yī)學圖像處理，牡丹江醫(yī)學院。