人体骨骼三维模型重建技术的研究

人体骨骼三维模型重建技术的研究 【摘 要】针对三维模型重建技术对医学研究及临床 应用的重要性及必要性,根据不同的数据来源和应用目的介 绍了人体骨骼模型三维重建的不同方法与途径,并以颅骨和 磨牙模型为实例,详细介绍了三维重建过程,最后用相应的 重建结果证明了方法的可行性与正确性 【关键词】骨骼,逆向,三维重建,医学影像 【Abstract】With the necessity and importance of reconstructing medical image model on the medical application and research, a variety of methods reconstructing human body Skeleton were introduced according to different original data and application purposes. The different reconstruction processes of human pelvic tissues, molar and incisor models are detailed. This proves the validity and feasibility of the different means. 【Key words】Human body skeleton, Reverse engineering, 3D reconstruction, Medical image 0 前言 在20世纪80年代以来,以计算机技术为核心的数字化 技术飞速发展,相应的促进了医学影像工程技术和逆向工程技术的发展,也为逆向工程技术应用于医学领域奠定了技术基础。90年代以后,逆向工程技术的医学应用逐步发展,得到了人们的普遍关注并获得了越来越广泛的应用 逆向工程技术,Reverse Engineering,简称RE,是指将实物转换为CAD模型的相关数字化技术、几何模型重建技术以及产品制造技术的总称[1]。在本文中狭义的将其定义为从相关模型的数字信息的获取、数字信息的处理到CAD模型形成这一过程中涉及的技术过程 1 软件介绍 Mimics是Materialise公司开发的交互式医学图像控制系统的简称,是对医学CT和MRI图像进行三维重建的专业软件。该软件能输入各种扫描的数据,CT、MRI,,建立3D模型进行编辑,然后输出通用的CAD,计算机辅助设计,、FEA,有限元分析,,RP,快速成型,,是介于医学与机械领域之间的一套逆向软件[2],Geomagic是美国Raindrop公司的推出的逆向工程软件,是成熟的逆向工程软件之一。利用Geomagic可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格,并可自动转换为NURBS曲面。Imageware是著名的逆向工程软件,广泛应用于汽车、航空、航天、家具、模具及通用的机械行业。UG是功能强大的三维设计软件,是当前世界上最先进的、紧密集成的、 面向制造行业的CAD/CAE/CAM高端软件 2 人体骨骼模型重建 在逆向工程中,实体的三维模型重建是整个过程中最关键、最复杂的环节。在实际应用中,通常根据不同的数据来源和应用目的,选用不同的方法,本文尝试提出以下两种方案来重构人体骨骼或标本的三维模型 2.1 基于CT/ MRI图像的三维模型重构 2.1.1 重构方案 该方案是以感兴趣的人体骨骼的CT/ MRI图像为数据源的模型重建方案。技术路线如图1所示,首先对人体骨骼进行CT/核磁扫描,获取用于三维模型重建的CT/MRI图像并以DICOM格式存储,然后输入到Mimics软件中。为了确保图像质量,先要对图像进行预处理,然后进行图像分割和边缘的提取与处理,将软组织与骨骼组织进行分离,得到所需组织区域。再通过区域生长处理对已经确定的某一层面的组织区域通过区域生长功能扩展到其他剩余层。最后通过Calculate 3D工具由mask计算所需组织的三维模型。为了得到较好的模型效果,需要对所建好的模型进行后期处理,如光顺,Smoothing,、重新网格划分,Remesh,等。重构的三维模型,可以以STL格式输出文件,然后将文件输入快速成型机,采用不同的快速成型材料及不同的快速成型方法[3],得到用于不同目的的快速成形原型件 因为STL格式是以三角面片来表示模型的,不是传统意义上的CAD模型,不能对模型进行任意的修改。在将重构的组织模型用于假体设计及有限元分析等方面时,可以将得到的组织模型以图形数据文件交换的一种格式,IGES格式,将模型输出,得到模型的点云数据。然后利用逆向工程原理,进行三维重构,得到所需组织的CAD模型 2.1.2 重建 使用CT扫描机,采集了人体头部CT数据,如图2a,所示。得到DIMCOM格式的颅骨扫描后的数据,运用Mimics软件读入计算机中,得到包括软组织和骨组织在内的各具灰度特性的不同区域。在Mimics中进行颅骨重建主要通过数据预处理-区域分割-边缘提取与处理-区域增长这样的过程最终得到颅骨骨骼区域,最后将选定区域生成STL模型 CT图像是灰度图像,每一点的灰度值反映了该处的密度[4]。骨骼的CT值因人而异,一般范围为300-1500。通过人工干预,选择合适的分割阈值,将骨骼和软组织进行分割,如图2b,,然后进行边缘提取及处理,对不需要的区域进行删除。对于已经确定某一个层面的骨骼区域,通过区域生长功能可以方便的扩展到其他剩余层。最终提取出骨骼部分区域。通过区域生长完成的三维轮廓由于影像的误差和分割的误差,通常仍旧会包含一些不需要的结构部位,必须通过编辑处理手段把它们删除。然后可经过反复验证达到完善。在 确认无误的情况下,该三维模型可以以STL 文件格式输出,生成STL模型,如同2c,所示。导入到快速成型设备中,用以制作快速成型件,或在输出模块中以IGES文件或DXF文件格式导出,用以进一步的计算机辅助设计或有限元分析,为从力学角度进一步研究做前期准备工作。 2.2 基于人体骨骼标本、模型的三维模型重构 2.2.1 重构方案 在实际研究中,有些人体组织不适于通过CT/MRI扫描得到,但现实有组织标本或模型,这时可以利用逆向工程的数字化仪器,对标本或模型进行扫描,得到点云数据,然后利用点云数据进行逆向重构 重构时可以有两种方法选择,一是将IGES格式的点云数据导入Geomagic软件中,利用该软件的相应功能来完成从点云数据到多边型模型和网格模型的构造,最后自动转换为NURBS曲面模型。生成曲面模型后,仍然以IGES格式将模型导出,然后导入UG软件,通过曲面缝合、加厚等功能生成实体模型 另一种方法是将点云数据导入Imageware中,通过点云构造必要的特征曲线或曲面,然后导入UG中,通过线构造面的相关命令进行曲面建模,再利用构造实体的命令完成实体建模,最后得到实体的CAD模型 在这两种方法之中,选择哪一种方法可视要构造模型的 特点及使用者对软件的掌握程度来做选择。这一方案完成的实体模型,可以以IGES格式输出后,输入Ansys中进行有限元分析,也可为利用ADAMS动力学软件进行运动与力学分析,还可在此模型的基础上进行假体设计,当然也可以将模型输出成STL格式,进行快速成型制作,还可以利用其他加工方法,如数控加工,进行实物模型的制作 2.2.2 重建案例[5] 针对人体组织标本、模型的三维模型重构方案,以人体的下颌第一磨牙模型作为模拟对象,对其进行三维模型重建研究 使用ATOS光学扫描系统将磨牙的模型进行扫描,获得原始点云数据。通过ATOS扫描软件对点云进行去除噪声点、对齐、三角化、补洞、光顺等数据预处理,然后以IGES格式导入Geomagic软件中。在Geomagic中,先对点云进行进一步优化处理,如去除杂点、光顺、优化点云的横向点距、纵向点距等。然后通过wrap命令得到三角片表示的磨牙,如图4a,所示。同时进入Polgon阶段,进行基于三角片的曲面模型处理,通过对三角片的自相交、重叠、法向错误等问题进行处理后获得比较规整的曲面模型,然后进入成形阶段,Shape Phase,,在对曲面分析的基础上进行曲面片的合理划分,对划分好的曲面片进行网格构造,Construct Grid,,在网格的基础上拟合成NURBS曲面,Fit Surfaces,, 如图4b,所示。在Geomagic中得到NURBS曲面模型后,将文件以IGES格式导出,然后导入UG中,通过曲面缝合,得到三维实体,如图4c,所示。可以对其各部位进行更进一步的分析研究,为进行牙体的生物力学研究和修复体优化设计提供生物力学基础,以提供临床治疗与实验研究的理论依据和参考 3 结束语 根据不同的数据来源和应用目的,本文尝试提出了两种不同方案来重构人体骨骼或标本的三维模型。完整地回顾了重构的整个过程,从CT/ MRI图像到STL模型,从点云数据的预处理到三维实体模型的生成。但是在不同的实际情况下,要求不同,需要实现的细节也不同,因此应根据实际情况的不同要求,采用合适的处理方法 【参考文献】 [1]金涛,童水光.逆向工程技术[M].北京,机械工业出版社,2003. [2]罗东礼,等.医学图像三维重建中的关键算法[J].计算机工程与应用,2005,19,219-221. [3]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京,机械工业出版社,2005. [4]姜海波.基于CT图像的人体股骨逆向工程研究[J].机械设计与制造,2007,1,,130-131. [5]杨莉玲.基于反求及快速成型技术的上下牙列及颌骨 的三维重建[D].新疆大学,2007,21-22. [责任编辑,汤静]