（流体力学专业论文）解剖真实几何模型构建系统开发.pdf

摘要 摘要 有限元方法在生物力学数值仿真中日益广泛的应用不仅深化了对人体生理 和病理行为的认识，而且还可以为手术规划与模拟、精确放化疗、体内植入物的 设计与优化等临床实践服务。要将仿真分析的结果应用在临床实际中。其基础是 建立解剖真实的模拟仿真对象的几何模型，即必须构造反映患者个性化生理差异 的解剖真实的几何模型，同时模型中所用的参数、边界条件等必须尽可能地符合 患者真实的生物特性。目前，构建解剖真实几何模型的研究已经取得了一定的成 果，但是这些成果大多是针对一些具体的组织器官展开的深入研究，并未形成一 个方便、有效的集成化系统来简化几何模型的构建过程并将其用于临床实际中。 本文基于可视化工具v t k 及分割配准工具i t k 开发了套集医学图像处 理、三维重建、有限元网格生成功能于一体的软件系统s l i c e 2 g r i d ( s 2 g ) ，实现 了既能满足数值仿真要求又能满足解剖真实条件的几何模型构建系统，简化了构 建解剖真实几何模型的过程。系统通过读取医学切片图像，在图像预处理、分割、 表面重建、平滑与简化等处理后生成解剖真实的几何模型，并能够以有限元网格 或快速成型与快速制造文件的形式输出最终结果。 在系统的分析与设计过程中，广泛使用了面向对象的分析与设计技术，并在 对可视化工具v t k 及分割与配准工具i t k 进行分析的基础上提出了基于v t k 、 i t k 与m f c 的系统体系结构。基于该结构，实现了解剖真实几何建模系统，并 应用v t k 及a n s y s 的命令流语言等不同方法生成了可供快速成型与快速制造 所用的表面模型以及可供有限元仿真分析所使用的体网格模型，实现了建模系统 的数据后处理功能。本文对人体颈动脉分支及大脑的三维重建与有限元网格划分 进行了实例计算，验证了系统的正确性和可靠性。 本文所开发的建模系统可为基于患者个性化几何信息的仿真计算、基于数值 模拟的外科手术规划及快速成型快速制造服务。利用该系统，研究人员可以进行 符合解剖真实条件的数值仿真，协助医生提高诊断治疗与手术规划的准确性与成 功率：制造人员可以进行符合患者个性化几何条件的快速加工与快速制造，提高 人体内可植入物的设计与制造质量。 关键词：医学图像个性化建模v t k 有限元网格 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ff e mi nb i o m e c h a n i c sn o to n l yi m p r o v e dt h eu n d e r s t a n d i n go n p h y s i o l o g i c a la n dp a t h o l o g i c a lp r o c e d u r eo fh u m a nb o d ys y s t e m ，b u ta l s oc o u l ds e r v e f o rt h ec l i n i c a la p p l i c a t i o ns u c ha ss u r g i c a lp l a n n i n g ，c h e m o t h e r a p e u t i ct r e a t m e n t ，a n d o p t i m i z a t i o nd e s i g no fi m p l a n t i no r d e rt oa p p l yf e ms u c c e s s f u l l yi nc l i n i c a l a p p l i c a t i o n ，t h eg e o m e t r i c a lm o d e l 埘t l la n a t o m i ca c c u r a c yi sr e q u i r e d ，w h i c hm e a n s g e o m e t r i c a lm o d e ls h o u l db ec r e a t e do nt h eb a s i so fp a t i e n ts p e c i f i c a t i o n n o w a d a y s ， t h e r eh a v eb e e ns o m eg o o dg e o m e t r i c a lm o d e l sw i t ha n a t o m i ca c c u r a c yc r e a t e df o r b i o m e c h a n i c ss i m u l a t i o n ，b u tt h eg e n e r a t i o no fa l lt h e s em o d e l sa l m o s th a ss o m e c o m p l e xp r o c e d u r ea n dt h e r eh a sn o tb e e nac o n v e n i e n ta n de f f e c t i v es o f t w a r et o o lt o s i m p l et h ee r e 越o np r o c e d u r eo fg e o m e t r i c a lm o d e la n dt os e v e rf o re l i n i e a lt r e a t m e n t b a s e do nv t k ( v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ) a n di t k ( ( i m a g et o o l k i t ) ，a l li n t e g r a t e d s o f t w a r et o o ls l i c e 2 g r i d ( s 2 g ) i sd e v e l o p e df o rc r e a t i n gg e o m e t r i c a lm o d e lw i t h a n a t o m i ca c c u r a c y t h es o f t w a r et o o lh a sg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ( g u i ) a n dc a l l c o n v e r tc o n v e n i e n t l ya n dr a p i d l yt h e2 dm e d i c a ls l i c ei m a g e st o3 da n a t o m i c a l l y a c c u r a t ef i n i t ee l e m e n tg r i dm o d e l ，t h ec o m p u t e ra i d e dd e s i g n ( c a d ) e n t i t ym o d e l a n dr a p i dp r o t o t y p i n g ( r p ) s u r f a c em o d e l t h es o f t w a r et o o lc o m b i n e si m a g e p r e p r o c e s s i n g ，s e g m e n t a t i o n ，3 dr e c o n s t r u c t i o n ，s m o o t h i n g ，s i m p l i f i c a t i o n ，a n de x p o r t m o d u l e sa n dc a np r o v i d ei n t e g r a t e de n v i r o n m e n tf o rc r e a t i n gg e o m e t r i c a lm o d e lw i t h a n a t o m i ca c c u r a c y t h eo b j e c t - o r i e n t e da n a l y s ea n dd e s i g nt e c h n o l o g yi su s e di nt h ec o u r s eo ft h e d e v e l o p m e n t w i t ha n a l y z i n gt h e a r c h i t e c t u r eo fv t ka n di t k ，t h es o f t w a r e a r c h i t e c t u r eb a s e dv t k ，i t k ，a n dm f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) i sd e s i g n e d a n dw i t ht h eh e l po fc l a s sd i a g r a m ，a c t i v i t yd i a g r a m ，a n ds e q u e n c ed i a g r a m ，t h es 2 g s o f t w a r et o o li si m p l e m e n t e d c a r o t i db i f u r c a t i o nv o l u m e 酣da n db r a i nr p r m m o d e l sa r ec r e a t e da se x a m p l e st ov e i l f yt h ef u n c t i o na n dr e l i a b i l i t yo f t h es 2 g t h ea p p l i c a t i o no ft h es o f t w a r et o o l w i l ln o to n l ys i m p l yt h ep r o c e d u r eo f c r e a t i n ga n a t o m i c a l l ya c c u r a t eg e o m e t r i c a lm o d e l ，b u ta l s ob eb e n e f i c i a lt os u r g i c a l p l a n n i n g ，r a p i dp r o t o t y p i n ga n dr a p i dm a n u f a c t u r e ( r p r m ) ，w h i c hw i l lh e l p a d v a n c es u r g i c a lp l a np r o c e s sa n di m p r o v ed e s i g nq u a l i t yo fi m p l a n t k e yw o r d s ：m e d i c a li m a g e ，p a t i e n ts p e c i f i cm o d e l ，v i s u a l i z a t i o nt o o l k i t ， f e mg r i d s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得i i 宝王业盍堂或其它教育机构 的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：高耗日期：q ! ：! ! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j b 立王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 始高敝翮签名：别哗 日期： 2 0 0 5 5 ，c 1 6 第一章绪论 第一章绪论 1 1 有限元法与生物力学仿真工程 随着计算机技术的发展，基于数值模拟的仿真技术得到了日盏广泛的应用。 目前，在这些技术所用的方法中，有限元法因其在解决复杂问题方面日益显出的 优越性而占据了重要地位。有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f z m ) 是一种在工程 科学技术中广泛应用的数学物理方法，用于模拟并解决各种工程力学、热学、电 磁学等物理场问题。该方法的基本思想是把一个连续体近似地用有限个在节点处 相连接的单元组成的组合体来代替，从而把对连续体的分析转化为单元分析加上 对这些单元组合的分析问题。 自从1 9 5 6 年t u r n e r 等提出有限元素( f i n i t ee l e m e n t ，f e ) i 拘概念以来，有限 元理论与应用获得了迅速地发展。在5 0 年代中期，为了分析飞机结构的问题， 美国和英国的航空工业不约雨同的发展出了有限元方法。这些方法将虎克定律延 伸到复杂结构物中，形成数以千计的模拟方程式，再用计算机来求解这些方程， 从而对力学问题进行近似求解。随后，有限元法在解决复杂工程问题中日益显出 其优越性，获得了从飞机、轮船等大型制造业到电视、冰箱等小型制造业的广泛 应用与推广。 在将有限元法应用到生物力学领域之后，该领域的研究也取得了长足的进步 与发展。由于通常的力学实验手段基本上无法直接应用于人体，因此对人体的力 学行为进行有限元数值模拟也就成了深化对人体认识的一种有效手段从雨形成 了- - j 新的学科生物力学仿真工程。例如，为了更好地了解人体心血管系统 的生理和病理行为，必须深入研究动脉内血液流动的动力学问题，而以往有关动 脉血流的模型试验方法不仅存在昂贵耗时、所得流动参数极其常规、有限等缺点， 而且还存在无法满足血流、血管壁力学性质等根本缺陷；相反，基于有限元方法 的数值模拟不仅可以很方便地得到诸如压力、流速、剪应力、粒子滞留时间等参 数，而且还能很好地适应动脉分岔、弯曲等复杂求解域的几何形状和边界条件， 因此，在血流动力学的数值计算中有限元方法已经占据了统治地位2 。又如， 北京工业大学硕士学位论文 在假肢或体内植入物的制作中，假肢或植入物力学性能的好坏往往决定了其i 临床 应用价值的大小，因此对其力学性能的评价是一项非常重要的工作。除了实验手 段外，利用有限元法进行的模拟实验具有实验时间短、费用少、可模拟复杂条件、 力学性能测试全面及可重复性好等优点。另外，利用有限元软件的优化设计功能 还可以指导假肢或植入物的设计及改进，以获得更好的f 临床力学性能。 1 2 构建解剖真实几何模型的意义 应用有限元方法进行生物力学数值仿真，其过程可以分为：建立几何模型、 建立有限元模型( 划分网格，设定初边值、加载) 、求解、结果可视化、应用等步 骤。其中，建立数值仿真对象的几何模型是应用有限元进行模拟，从物理、生理 角度进行生物力学研究的基础。要描述和模拟人体在不同环境如电离辐射、损伤、 压力、热、射频、微重力等条件下的改变，首先就要从解剖学的角度对人体信息 进行数字化，即先要从大量的人体信息中抽取提炼出符合研究对象几何边界条件 并适合模拟仿真应用的数据。在此基础上，才可以为感兴趣的器官和组织赋予正 确的力学、物理属性，建立模拟对象的有限元模型并进行数值模拟，从而将模拟 结果应用在手术模拟、手术规划、精确放化疗、生物力学模拟、生理系统仿真等 临床治疗和基础研究中。建立仿真对象的几何模型可以有两种方法： ( 1 ) c a d 实体建模 在生物力学数值计算中，c a d 是一种建立几何模型的工具，该工具通过一 些基本图形，如圆、椭圆等，在三维空间中以不同的取向、方位布置，然后蒙皮 生成面，并封闭这些面的两端以生成实体。使用这种方法，可以建立单个或部分 的仿真几何模型，利用多个这样的模型，通过在空间不同的取向定位，相互联接 便可组成一个复杂的系统。为了生成一致性的有限元网格，通过这些联接生成的 模型，必须是相互联系的，因此，还必须进行相应的b o o l e a n 运算。 使用c a d 实体建模方法建立的仿真模型，是一种统计意义上的“理想化” 模型，因为c a d 模型不可能与实际的天体系统解剖结构完全一致，而必须做 一定的简化近似，因此，它无法反映解剖结构的个体差异，而只能是人体解剖值 的统计平均近似。图卜1 为一个人体腹主动脉的c a d 模型【6 1 ，这种“理想化”的 模型可以在系统的级别上加以修改，用以研究解剖结构改变对动脉内血液流动的 第一章绪论 影响，定量分析动脉疾病中血流动力学因素的作用等。但是，如果要考虑解剖结 构的个体差异，分析特定患者的心血管系统的血流动力学参数，则计算模型必须 与实际解剖结构完全一致，这样计算结果才能可信且有实用价值。如果用c a d 方法建立的几何模型达不到解剖意义上的精度，则由此得到的生物力学参数有可 能是错误的。在这种情况下，计算模型就无法通过c a d 实体建模方法来建立， 而必须采用仿真对象的c t 或m r i 断层扫描切片来获取图像，然后通过数字图像 处理来进行三维重建得到解剖真实的几何模型。 图1 1利用c a d 实体建模方法建立的腹主动脉几何模型 f i g 卜ig e o m e t r ym o d e lo f a b d o m i n a la o r t ac r e a t e db yc a dm e t h o d ( 2 ) 基于c t 或m 褂断层图像三维重建的方法 生物力学的数值模拟计算已经成为研究疾病生理、病理情况的有力工具。然 而，将计算力学应用于与疾病外科手术相关的生物力学数值模拟计算，其“瓶颈” 问题就是采用c a d 方法难以建立解剖精确的几何模型。应用基于c t 或m r 的 医学断层扫描图像及数字图像的三维重建技术，可以建立解剖真实的人体组织器 官的几何模型，而无需象c a d 建模那样对仿真对象的几何形状进行简化。图1 - 2 为基于m 断层图像的人体腹主动脉三维重建模型，在几何上它完全忠实于真 实的解剖结构，因而保证了数值模拟的几何近似精度。当将三维重建技术与计算 北京工业大学硕士学位论文 力学技术二者结合时，便可以得到人体真实的力学参数，如压力、速度、壁面剪 应力、血细胞等粒子的运动规律等。目前，这一技术正在蓬勃发展之中，并且已 应用于有关动脉疾病外科手术的术前规划及术后疗效预测等领域 7 , 8 1 。 图l 一2 利用三维重建方法建立的腹主动脉几何模型 f i g1 - 2 g e o m e t r y m o d e lo f a b d o m i n a la o r t ac r c a t e db y3 dc o n s t r t l c t i o n m e t l o d 通过对上述两种几何模型建模方法的比较可以看出，基于三维重建方法建立 的几何模型无论在形态还是适应复杂性方面都远远胜于c a d 实体建模的方法。 这是由于人体解剖结构的复杂性以及人类个体间普遍存在的个体差异性，基于统 计平均或理想化c a d 模型的模拟仿真( 如图1 3 ，人体颈动脉分支的理想化模型) 往往只揭示了统计意义上的规律，而不能反映患者在解剖形态方面的个性化差 异：而且更为重要的是，要将针对生理系统功能的定量分析用于临床实践指导 如血流动力学仿真、手术规划、个性化假体的设计制造等临床实际，必须构造建 立在患者个性化( p a t i e n t s p e c i f i c a t i o n ) 基础上的解剖真实的几何模型，也即模型 中所用的参数、边界条件等必须尽可能地符合患者真实的几何、生理特性。这是 因为上述应用往往是对模型的几何、边界条件敏感的，不能反映解剖结构个体差 4 一 第一章绪论 异或达不到解剖意义精度的模型可能会导致通过仿真分析所获得的生物力学参 数是错误的。例如，在血流动力学的数值模拟中，血管几何形状的个体显著差异 和血流动力学对血管几何形状的强烈依赖9 j ，要求仿真的几何模型必须是解剖 真实的，这样血流动力学的数值仿真结果才有可能应用于血管搭桥术的手术规划 等临床实践( 如图l - 4 ) 。再如。在计算机辅助骨科手术、假肢或体内植入物的安 装中，不能反应患者真实解剖特性的设计往往会增加患者的不适甚至痛苦，只有 在符合患者个性化解剖条件的基础上对仿真模型的改进才具有优化的意义。所 以，从医学图像到手术规划所需要的解剖真实的几何模型乃至数值模拟所需要的 有限元网格，是推进基础医学和临床医学的研究与教学，使医学向数字化、定量 化方向发展，最终走入数字医学时代的重要手段，在现代预测医学、手术规划等 领域有着越来越广泛的需求。 图1 - 3 基于统计平均模型的模拟仿真 f i g i 3s i m u l a t i o nb a s e d0 1 3s t a t i s t i c m o d e l 1 3 解剖真实几何建模的研究现状 舀1 - 4 基于解截真实凡何模型韵模拟仿真 f i g i - 4s i m u l a t i o nb a s e do da n a t o m i ca c c u r a t em o d e l 以往，为了获取符合患者解剖真实条件的各种几何特性参数，往往要采取有 创或侵入性检测的方法，这不仅增加了患者的痛苦或不适感，而且获得的参数与 真实无创状态下的参数在一定程度上还存在着不同：此外，传统检测方法在检测 对象方面还存在着一定的局限性，因为人体内还有很多重要的组织器官如血管、 脊椎管等是不能够或不宜于开创侵入的。因此，无创检测在获取人体解剖学信息 方面起着重要的作用， 现代计算机技术、可视化技术以及医学成像技术的发展为无创获取人体解剖 北京工业大学硕士学位论文 结构信息提供了极大的便利。利用现代医学成像技术，通常可以产生一系列的二 维断层图像，这些平行的二维断层图像序列组合在一起描述了人体解剖结构的三 维信息。目前，f 临床医学上对这些医学数据的利用，往往是通过观察一组胶片或 数字形式的二维图像并依靠医生“在头脑中进行三维重建”来进行诊断，没有形 成直观、具体、真实的几何模型。要通过这种方法准确地确定病灶的生理病理性 质、空间几何特征及其与周围生物组织之间的空间关系往往是极为困难的；不仅 如此，由于难于将重建的过程及构思信息提供给其他医生共享，重建质量的高低 往往取决于医生的临床经验与技能，对重建结果的评价也不容易做到客观、量化。 现有的医学图像三维可视化技术在为医生提供更形象逼真的显示手段方面 取得了较大的进展。通过提供具有真实感的三维图像，医生可以从多角度、多层 次进行观察和分析，并在一定程度上参与数据的处理分析过程。然而，这些可视 化技术提供的三维结构信息往往更适合于显示绘制领域的应用，在有限元仿真分 析方面还存在数据冗余、部分数据不满足离散化要求等缺点。基于这些技术的定 量分析工具多集中在提供长度、角度、面积、体积等一般形态学信息，通过这些 技术所建立的模型虽然可以直接用于快速成型与快速制造( r p i t m ) 过程中，但 通常无法在对所建模型进行模拟仿真的基础上对其进行优化。 在构建满足仿真分析要求的解剖真实几何模型方面，现有研究 1 1 - 1 4 1 利用图像 处理技术并结合轮廓连接的三维重建方法取得了一定的进展。在这些研究中，构 造解剖真实几何模型的方式类似于c a d 实体建模的方法，不同的是这些研究中 的几何建模是根据对平面切片图像的测量、变换来进行的，即根据对平面切片图 像的测量、插值、几何变换结果来确定仿真对象各个断面( 园、椭圆) 的形状参 数( 半径、长短轴) ，以及这些断面在三维空间中的取向、位置等。虽然这种建 模方法利用了医学图像所提供的信息，在一定程度上反应了患者的个性化差异， 但是由于该方法在建立三维模型时使用的是轮廓连接技术，因此不能很好地适应 复杂的如血管分叉等解剖结构。此外，随着医学成像技术的迅速发展，医学图像 的分辨率越来越高，所提供的数据量也越来越大，数据中隐含的人体解剖结构信 息更是变得前所未有的丰富，而这种基于轮廓连接技术的( 表面) 重建方法在利 用这些信息特别是切片与切片之间的信息方面相比其它可视化技术中的表面重 建方法还有一定的欠缺。 第一章绪论 目前，应用非轮廓连接可视化技术对断层图像进行三维重建，并进行仿真分 析的技术在国外己有一些研究与应用，如美国s t a n f o r d 大学应用该技术建成了世 界上第一个虚拟心血管系统实验室，该“实验室”实质上是一个由计算机系统、 数字图像处理系统及数值计算软件组成的数值仿真系统( 如图l 一5 所示) ，包括 了图像处理、三维重建、有限元网格生成等功能，通过该“实验室”，可以开展 心血管系统疾病的病理研究并可将研究成果应用在手术方案制定、疗效预测与评 价等临床实践中；临床中也出现了通过对c t 断层图像进行三维重建、生成有限 元网格及进行数值模拟，从而精确控制前列腺癌化疗中射线的强度与位置的应用 ( 如图1 - 6 ，左图显示了应用图像分割技术对原始切片图像进行处理的结果，中 间图为利用切片图像进行三维重建后的结果，右图为生成有限元网格模型并进行 数值模拟后的结果) ；此外，利用对断层图像三维重建的结果进行计算流体力学 仿真、模拟脑动脉瘤病理状态的研究也为控制该病的发生发展提供了理论依据 ( 如图1 7 ，左图为对c t 切片图像三维重建后所生成的表面模型，中间、右侧 分别为计算流体力学仿真后的流线、压力分布圈) 。这些研究推动了医学与工程 领域现有知识的结合，为医学向数字化、定量化发展起到了重要的作用。 囝1 - 5 虚拟心血管系统实验室 f i g l - 5v i r t u a lv a s c u l a rl a b o r a t o r y 我国国内目前在应用可视化技术生成仿真几何模型并进行有限元计算研究 一7 北京工业大学硕士学位论文 方面还处于零星状态。虽然就某一具体方向而言，已经取得了一定的进展，比如， 在对心血管医学图像的三维成像及血流动力学分析方面，现在已经有人做了大量 的工作并取得了很好的结果，但是在这些研究中，提取切片图像中的感兴趣区域、 重建生成表面模型、对所获表面模型进行提炼并从中进一步抽取出关键结构、拓 扑信息以及生成仿真模型这些步骤多是借助于多种工具或通过手工来完成的，这 些复杂繁琐的步骤限制了解剖真实仿真研究开展，因此需要一种集成完善的工具 来构造满足解剖真实要求的仿真模型，以满足复杂分析模拟应用及优化设计制造 的需求。 图l - 6 基于解剖真实模拟仿真的前列腺癌的放射治疗 f i 9 1 - 6p r o s t a t ec 锄c “a 肚i n o t h e r 印h yb a do ns i m u l a t i o nw i t ha n a t o m i ca c c u r a c y 图l 一7 基于解剖真实的脑动脉瘤血流动力学分析 f i g l - 7h a e m o d y n a m i c ss i m u l a t i o no f i n t m c r a n i a la r l e u l 0 s mw i t ha n a t o m i ca c c u r a c y 1 5 本文主要研究内容 基于以上分析，本文将在现有可视化技术的基础上，对如何开发与实现解剖 真实几何模型构建工具s l i c e 2 g r i d ( 以下简称s 2 g ) 进行研究，并论述在软件系 统开发中应采用的一些思想。最后，本文对后续完善系统所需的工作做了一些研 一8 一 第一章绪论 究并对系统未来的发展提出了一些设想。 开发与实现解剖真实几何模型构建系统s 2 g ，是为了解决现有几何建模过程 中需借助多种软件工具( 图像处理、分割与配准、三维重建、c a d 建模、有限 元分析等) ，步骤复杂烦琐，缺乏集成、完备的应用环境的问题。通过实现与集 成传统几何建模过程中所用软件的功能，用户( 医生或研究人员) 可以方便快捷 地将现有主要成像技术所生成的人体结构信息组织在一起，并实现对人体三维信 息的可视化。在此基础上，用户可以根据需要对所生成的三维可视化模型进行优 化调整，从中进一步提取关键拓扑结构信息，以满足不同仿真应用的需求。最后， 用户还可以根据不同的应用要求，选择合适的形式来输出最终的建模结果。整个 流程如图l 一8 所示。 圈1 - 8 基于= 维切片鼠像生成有限元秘辂的流程 f i g l 8f l o wc h a r tf o rc r e a t i o no f f e mm e s h e sb a s e do i l2 dm e d i c a li m a g e s 按照上面所描述的过程，s 2 g 系统所应满足的需求可以分为以下几种： 读取不同类型的系列切片图像数据，并能够对原始数据、过程数据、结 果数据等进行存储、查询与管理。 对切片图像进行预处理。 应用不同分割方法对切片图像进行分割与标记。 使用不同的重建方法，生成三维表面模型。 一日一 北京工业大学硕士学位论文 对重建表面进行光滑性调整( 表面平滑) 并适度减少重建表面细节( 表 面简化) 。 根据不同需要对简化优化后的表面模型进行参数曲面模型构造、体模型 转化等操作，以供c a d 建模、有限元分析等应用使用。 输出不同格式与类型的数据交换或结果文件。 1 5 本章小结 本章首先介绍了有限元方法在生物力学仿真模拟中的作用，随后说明了应用 有限元方法的过程以及该过程中的首要步骤建立仿真对象几何模型的两种 方法，接着通过对两种方法的比较说明了建立解剖真实的几何模型的意义，指出 在生物力学仿真模拟中，只有建立符合患者个体差异的解剖真实的模型，其仿真 结果才可应用于临床之中，为辅助诊断与辅助治疗服务。最后，本章介绍了解剖 真实几何建模的研究现状并说明了本文的研究内容，对所要开发的建模工具s 2 g 的需求进行了分析与分类。 一1 0 第二章系统分析与系统设计 第二章系统分析与系统设计 软件是对客观世晃中问题空间与解空间的具体描述，是对客观事物的一种反 映。随着软件规模的不断变大，软件复杂性的问题愈发地凸现了出来，正如b r o o k s 所说：“软件的复杂性是软件的一个基本性质，雨非偶然性质f i 轧”。对这种复杂性 不加以限制的后果就是软件危机的产生。为了改变这种不利的状况，人们提出了 各种系统分析设计技术及软件工程方法来应对挑战。在此背景下，面向对象的分 析与设计技术由于缩短了开发时间、提高了开发效率以及增强了软件系统的可靠 性与可重用性并使系统更易维护与扩展等优点而逐渐成为目前公认的主流分析 设计方法。 2 1 面向对象的分析与设计技术 2 。1 1 概念 在面向对象的方法学中，“对象”是现实世界的实体或概念在计算机逻辑中 的抽象表示。具体地，对象是具有唯一对象名和固定对外接口的一组属性和操作 的集合，用来模拟组成或影响现实世界问题的一个或一组因素。对象的最主要特 点是集成了数据及与数据相关的操作，形成了以数据为中心，逻辑上独立、自恰 的单位。 类是面向对象技术中另一个非常重要的概念。简单地说，类是同种对象的集 合与抽象。从表述同种对象的公共属性和特点这个意义上来说，类是一种抽象的 数据类型，是所有具有一定共性的对象的抽象，而属于类的某一个对象则被称为 是类的一个实例，是类的一次实例化的结果。 实质上，面向对象技术的一个关键的设计思想就是要让计算机逻辑来模拟现 实世界的物理存在，即让计算机世界向现实世界靠拢。这一点与传统的程序设计 中把现实世界的问题抽象成计算机可以理鳃和处理的数据结构的思路，即使现实 世界向计算机世界靠拢的思路是完全不同的。面向对象技术提出的这种新的解决 北京工业大学硕士学位论文 问题的思路，使得可以用更接近于人类自然思维模式和更接近于现实问题本来面 目的方法来设计解题模型。这样，无论是当时的设计实现本身，还是目后的维护、 修改和扩充，都可以比较顺利、容易地在已有工作的基础之上完成，避免了用面 向过程方法实现时需要面对的种种困难。 2 1 2 过程 面向对象的分析设计就是从实际问题中抽象出封装了数据和操作的对象，通 过定义属性和操作来表述它们的特征和功能，通过定义接口来描述它们的地位及 与其他对象的关系，最终形成个广泛联系的可理解、可扩充、可维护、更接近 于问题本来面的动态对象模型系统。 图2 - 1 表示了类、对象、实体的相互关系和面向对象的问题求解的思维方式。 在用面向对象的软件方法解决现实世界的问题时，首先将物理存在的实体分解、 抽象成概念世界的抽象数据类型，这个抽象数据类型里面包括了实体中与需要解 决的问题相关的数据和属性；然后再用面向对象的工具，如面向对象语言( c + + ， j a v a 等) ，将这个抽象数据类型用计算机逻辑按照一定的层次( h i e r a r c h y ) 关系 表达出来，即构造计算机能够理解和处理的类体系；最后将各种类实例化得到现 实世界实体的面向对象的映射对象，在程序中对对象进行操作，就可以模拟 现实世界中的实体上的问题并加以解决。 j ，、| ，。一。 计算机世界 j 4 + 现实世界 一 - ，一一 | 、 、概念世界， 圈2 1 对象实体和娄 f i 9 2 * lr e l a t i o n s h i po f o b j e c t , e n t i t ya n dc l a s s 2 1 3 表示方法与u m l 面对对象分析与设计的每一个过程都需要按照某种模型来表现面对对象方 法本身所坚持的分解、抽象和分层的原则m 】，这些被参照的模型贯穿了开发的整 第二章系统分析与系统设计 个过程。为此，面对对象的开发提供了相当丰富的一套模型( 如图2 2 ) 。这些模 型合起来表达了丰富的语意：可以有足够的表达力使开发人员捕捉到在系统分析 和体系结构构造期间必须做出的所有有意义的决策，而且这种语义的完整程度足 以使这些模型在几乎所有的面向对象编程语言中充当实现的设计图。 静态 逻辑模型 物理模型 图2 - 2 面对对象开发的模型 f i 醇2m o d e lo f o b j e c t - o r i e n t e dd e v e l o p m e n t u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e 统一建模语言) 是一种可视化的建模语言， 它可以让系统得构造者用标准的、易于理解的方式建立起能够表达全部构思的系 统蓝图，并提供一种机制以便于不同的人之间有效地共享和交流设计结果。 u m l 通过使用多种不同的图形来作为表达的元素，这些图形包括：用例图 ( u s ec a s ed i a g r a m ) 、顺序图( s e q u e n c e d i a g r a m ) 、协作图( c o l l a b o r a t i o n d i a g r a m ) 、 类图( c l a s sd i a g r a m ) 、对象图( o b j e c td i a g r a m ) 、状态图( s t a t e c h a r td i a g r a m ) 、 活动图( a c t i v i t yd i a g r a m ) 、构件图( c o m p o n e n td i a g r a m ) 和部署图( d e p l o y m e n t d i a g r a m ) 。这些图中用例图是在需求获取阶段要使用的图，活动图、类图、顺序 图是在系统分析阶段要使用的图，状态图、类图、对象图、协作图是设计阶段要 使用的图。 利用这些图形，u m l 从多个角度来展示个系统，这些角度也被称为视图， 包括：用例视图( u s ec a s ev i e w ) 、逻辑视图( 1 0 9 i c a lv i e w ) 、实现视图 ( i m p l e m e n t a t i o nv i e w ) 、进程视图( p r o c e s sv i e w ) 、部署视图( d e p l o y m e n tv i e w ) 等。其中用例视图用于表示系统的功能性需求，逻辑视图用于表示系统得概念设 计和子系统结构等，实现视图用于说明代码的结构，进程视图用于说明系统中并 发执行和同步的情况，部署视图用于定义硬件节点的物理结构。 根据第一章所提出的概念，本文所研究的系统的用例图可以表示为如下形式 ( 图2 3 ) ： 北京工业大学硕士学位论文 ，一、( l n d u d e ) 、一 彳 顸处理 图2 - 3 解剖真实建模用例图 f i 9 2 - 3u s e c a s ed i a g r a mo f c r e a ! n gg e o m e t r i cm o d e lw i t h a n a t o m i ca c c u r a c y 2 2s 2 g 系统分析 从前面的分析可以看出，解剖真实建模系统s 2 g 是在现有可视化技术的基 础上开发的用于构建不同仿真应用几何模型的软件。因此，可以用现有软件开发 方法来指导、控制和管理开发的各个过程，即将面向对象的概念、方法、技术应 用于分析设计的各个过程中。 2 2 1 系统功能分析 根据第一章所描述的概念，系统首先需要对二维原始切片图像所提供的几何 结构进行预处理，这种预处理的结果应当是可靠准确、反映组织器官真实几何特 性的。由于目前医学影像设备( c t 、m r 、p e t 等) 成像技术的特点，医学图像 1 4 一 ； ，文 第二章系统分析与系统设计 通常都会存在一定的噪声，因此在进行预处理操作时必须尽可能地保留原始图像 的灰度、频率特性，避免引入新的噪声或消除原始突变信号。 另外，由于医学图像具有极其繁杂的多样性和复杂性，使得目前还没有通用 的分割理论与分割方法满足所有的区分目标物体的要求，因此系统的分割功能必 须包括常用的多种分割方法以适应不同图像类型的要求。 再有，虽然现在已有许多成熟的算法用于从二维切片数据到三维计算机图像 的重建 1 7 - 2 1j 。但是这些算法生成的结果数据一般都是象素点、表蔼多边形等图形 学绘制元素，在仿真计算时还需要通过更进一步的抽象来提取这些绘制元素中的 几何、拓扑信息，以便获得仿真模型的几何、拓扑信息。不仅如此，由于三维重 建往往生成大量绘制元素，这些绘制元素不仅在数量上超过了一般高速仿真计算 设备的处理能力，而且在形态上也难以全部满足仿真计算时对计算区域的离散化 要求，因此对重建出的模型进行适当简化与优化是几何建模时的一个必不可少的 步骤。 最后，为了生成可供有限元分析、c a d c a m 等应用所使用的几何模型，需 要对简化与优化后的表面模型进行后处理，即参数曲面模型构造和体模型转化。 在当前c a d c a m 系统的参数曲面模型构造中，b 样条_ 曲面已成为核心。 系统需要在重建出的三角形网格的基础上，通过插值或逼近来生成最终的b 样 条曲面模型。 在体模型转化功能中，选择系统实现生成有限元体网格的功能，这是由于人 体的组织器官通常都具有很强的几何复杂性，而有限元法能够更好地适应复杂求 解域的几何形状和边界条件，特别是在对具有解剖真实特性的研究对象进行数值 计算求解时，有限元法的优点可以得到很好地应用。 通过简化与优化所生成的结果往往是以三角面片表示钓表面网格模型，而在 有限元分析时，需要的往往是感兴趣区域的体网格。所以对于上述三维重建的模 型，还需进行网格割分操作，即在对绘制元素进行简化与优化的基础上，进一步 利用表面绘制元素生成规则的几何体单元。 通过上述分析，s 2 g 系统所应具备的功能可以归纳为以下几类； 图像基本操作：包括对原始切片图像进行常用图像处理( 如裁剪、缩 放、滤波等) 功能。 北京工业大学硕士学位论文 分割 表面重建： 结果优化 数据后处理： 数据管理 包括应用阀值化分割、基于边缘区域的分割、模糊聚 类分割、水平集分割、神经网络分类等多种通专用分 割、分类技术对切片图像进行分割与标记的功能。 包括利用系列切片图像，通过m a r c h i n gc u b e s 等不同 表面重建算法生成三维表面模型的功能。 包括利用重新布点、逐步求精、几何元素删除等化简 方法化简、抽象所生成的表面模型。并同时与平滑方 法交互使用以便对表面模型进行般优化的功能。 包括根据不同需要对简化优化后的表面模型进行参数 曲面模型( b 样条曲面模型) 构造、体模型转化( 有 限元体网格生成) 的功能。 包括输入输出不同格式与类型的数据交换或结果文 件，并能够对原始数据、中间过程数据、结果数据、 参数设置数据等进行查询与管理。 2 2 2 系统体系结构分析 软件体系结构是软件系统的高级抽象，体现了软件的设计思想，反映了系统 开发中最早的决策。体系结构明确了系统有那几部分组成，它们之间是如何交互 的，并进一步影响到资源的配置、团队的组织以及产品的质量。良好的软件体系 结构有助于分析和描述复杂系统的高层属性；通过在体系结构中指定软件的功能 和语义特性、相互的交互方式以及实现时的约束条件，可以使软件系统中的每个 子系统独立地开发和维护，从而简化系统整体的复杂性。良好的软件体系结构还 可以使分析人员更清晰地认识和理解系统、并为分析人员提供新的设计思路。通 过使用不同的体系结构描述，可以将系统不同的侧面展示出来，便于不同角色的 人员理解、关注、交流和协商，统一认识并加深对系统结构的准确理解；可以使 开发人员在不同的设计方案中作出理性的决策选择，从而对系统进行管理、决策 和实施并依此确定系统的组织结构，合理配置各项资源，使相关人员迅速地进入 自己的角色，便于进行质量( 各种性，如安全性、可靠性、可适用性等) 控制。各 种体系结构风格的提炼、描述和普遍采用还可以丰富设计人员的“词汇”，便于 在系统设计中互相交流。在开发文档中清楚地记录系统的体系结构，便于在软件 一1 r 一 第二章系统分析与系统设计 维护过程中保持设计的完整性。总之，随着软件系统规模和复杂性的增加，系统 总体结构设计的重要性己远远超过特定算法和数据结构的选择。d i j k s t r a 和 p a m a s 明确指出：获得合适的结构将受益无穷，良好的体系结构对保证系统的成 功至关重要。 当前，存在有多种可视化或建模软件工具的开发平台，对这些平台的选择， 将直接决定本系统所采用的体系结构及开发