对Mimics V100软件三种三维重建方法的研究

对MimicsV100软件三种三维重建方法的研究

随着医学三维重建软件在解剖教学、手术计划、人工造像制造等领域的广泛应用，三维重建软件的功能已成为当前医学工程学术界的研究热点。Mimics软件是国内医学界所推崇的应用范围较广的医学三维重建软件,尤其它在重建人体骨骼方面有突出表现。本文将以左侧膝关节的CT扫描数据为基础,探讨MimicsV10.0软件的3种三维重建方法的成像原理。1材料和方法1.1gerapt图像对3个既往无膝关节疾患和系统性疾病的健康成年男性志愿者,应用GELightspeed16排螺旋CT以层厚1.25mm,间隔1.25mm,扫描双膝关节,获得512×512矩阵的CT图像85层(Dicom格式)。扫描时双膝关节处于中立位,并不负重。1.2监控系统系统系统硬件:Dell图形工作站(双XeonTM2.3G,CPU内存2.0G,WindowsXP系统)。软件:MimicsV10.0软件。1.3方法1.3.1mics软件生成双膝关节蒙局部图像将双膝关节薄层CT扫描数据以Dicom格式导入Mimics软件,便生成双膝关节的原始蒙罩图像。接着运用阈值选取技术、三维区域增长技术及空洞填充技术将左膝关节原始蒙罩的表面漏洞及其髓腔填充起来,以获得新蒙罩。1.3.2左膝关节三维实体模型在三维实体菜单栏中导入新蒙罩,随后在三维区域增长技术的基础上将所选取的阈值范围内的相邻象素连接而重组成图像,就得到左膝关节三维实体模型(图1)。1.3.3基于三维模拟及三维实际模型的三维建模在FEA模块中,将左膝关节的三维实体模型载入到Magic9.9软件中,在三维实体模型的基础上经过表面光顺、减少三角形等运算得到经过面网格优化后的模型(图1)。1.3.4新蒙罩模型的生成同样,在MedCAD模块的Polylines菜单栏中导入新蒙罩,Mimics软件自行运算便生成了由提取的新蒙罩每一层的外轮廓线所重叠起来的左膝关节三维模型(图2)。2结果2.1维实体重建模型左膝关节的面网格化重建是在三维实体重建的基础上进行的。这两种三维重建方法得到的左膝关节模型图像轮廓清晰,均能旋转,方便测量。其中的三维实体重建模型可从任意角度及平面剖割,得到操作者所需要的多平面重建曲面。尤其是对在CT轴位像上不易观察的膝关节胫骨平台内、外侧髁间脊骨折,可在矢状面及冠状面重建图像上有一个良好的显示。经面网格优化后的重建模型可直接导入有限元软件,进行膝关节的运动生物力学分析。2.2左膝关节ct扫描数据左膝关节表面轮廓重建模型的层面数是85层,层厚是1.25mm,层间距为1.25mm,这与左膝关节的CT原始扫描数据相一致。该表面轮廓重建模型,可以转换成Nurbs的曲线、曲面资料,随后行胫骨平台假体的设计,为膝关节单侧髁关节置换术(UKA)在治疗膝关节内侧髁骨关节炎方面提供依据。3面网格化重建模型的表面轮廓三维实体重建技术等同于CT后处理的表面遮盖重建技术,表面遮盖重建需要设置一个阈值范围,所有在此阈值范围内的CT数据被保留下来进行重建,其余的数据全部舍弃。该技术所得到的三维实体重建模型可从任意角度及平面剖割,得到操作者所需要的多平面重建曲面。这不仅可用于胫骨平台内、外侧髁间脊骨折的观察,而且,利用该技术可以获得颅底部任意角度的多平面重建图像,尤其是对中、后颅窝通向颅外各骨性管道的良好显示,对病灶的定位和空间关系的判断有重要意义,进而来指导外科手术的开展。面网格化重建实际就是对三维实体重建模型表面数据网格化的过程,即以小三角面片为单位构建三维模型的表面轮廓。本研究采用的MimicsV10.0软件,其面网格的单元为三角形,采用三角形面网格单元生成的文件与后续行运动生物力学研究的Ansys、Abaqus等有限元分析软件相兼容。因此,经面网格优化后的重建模型可直接导入有限元软件,进行膝关节的运动生物力学分析。进而为各类田径运动员制定正确的训练方案,以及为骨关节外伤患者在不同时期功能锻炼的程度及方式的进一步科学化、规范化提供指导依据。在Mimics软件中自动提取每一CT扫描层面的边界轮廓线后,再将其叠加起来,就得到了表面轮廓重建模型。该重建模型,可以转换成Nurbs的曲线、曲面资料,随后利用快速原型技术行胫骨平台假体的设计,为膝关节单侧髁关节置换术(UKA)在治疗膝关节内侧髁骨关节炎方面提供依据。本研究中的左膝关节表面轮廓重建模型在Polylines菜单栏可生成Iges格式的文件,其优点是只有感兴趣区的轮廓线被导出,缺点是无法使用层间插入法(线性插入或立方插入)。在Export菜单栏,以所选取的蒙罩为基础导出Iges文件,则可使用层间插入法。该法属于基于轮廓的形状插值非线性表面重建方法,使用该法生成断层间对象轮廓,这使得Iges文件内所包含的模型表面更加光滑。4数字模型