孟慶民

基于可視化技術(shù)和幾何建模軟件的顱面三維復(fù)合模型建模

孟慶民①

目的：針對臨床診斷、手術(shù)仿真和教學(xué)等對三維模型的需求，建立顱面部位的三維復(fù)合模型。方法：采集頭部CT圖像數(shù)據(jù)；應(yīng)用三維重建可視化開發(fā)包(VTK)中移動(dòng)立方體(MC)等值面繪制方法建立骨骼和面皮的三維模型；將生成的三維模型導(dǎo)入三維幾何建模軟件Geomagic中，修復(fù)其中的孔洞和缺陷；采用復(fù)合顯示和模型綜合功能完成顱面三維復(fù)合模型重建。結(jié)果：VTK可快速、自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)顱面的三維重建；Geomagic軟件可修復(fù)自動(dòng)重建模型中的缺陷和孔洞；生成復(fù)合三維模型可全面有效地顯示面部和顱骨的復(fù)合三維結(jié)構(gòu)。結(jié)論：采用VTK和Geomagic軟件可實(shí)現(xiàn)三維高效建模，復(fù)合模型為醫(yī)學(xué)仿真、臨床診斷和醫(yī)學(xué)教育等提供了有效的參考。

顱面三維模型；可視化開發(fā)包；幾何建模軟件

[First-author's address]Department of Interventional Radiology, Taian City Central Hospital, Shandong 271000, China.

隨著醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)的不斷發(fā)展，人體虛擬器官三維模型在臨床診斷、手術(shù)仿真、術(shù)前規(guī)劃和生物力學(xué)分析等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。在臨床醫(yī)學(xué)影像學(xué)中應(yīng)用較多的包括顱面復(fù)原中頭骨和面貌的形態(tài)學(xué)分析、生物力學(xué)分析中有限元模型、解剖學(xué)中三維測量和圖譜建立以及虛擬手術(shù)中軟組織建模等[3-6]。在人體頭部三維模型的應(yīng)用中，由于器官較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有限元模型建立、三維測量和分析等均需在顱面三維復(fù)合模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行，如何快速準(zhǔn)確地建立顱面的三維復(fù)合模型成為這些應(yīng)用首先要考慮的問題[7-8]。為此，本研究提出了一種采用可視化開發(fā)包(visualization tool kit，VTK)結(jié)合幾何建模軟件(Geomagic)的三維建模方法。

1 三維復(fù)合模型重建技術(shù)

目前，顱面復(fù)合三維模型構(gòu)造多采用MIMICS建模軟件[9-12]。重建方法多將采集的CT、MRI等醫(yī)學(xué)圖像導(dǎo)入MIMICS軟件，選擇交互式方法確定分割的二維區(qū)域，在處理好的二維區(qū)域的基礎(chǔ)上重建三維模型。此類方法雖然可較好地實(shí)現(xiàn)圖像分割重建理想的三維結(jié)構(gòu)，但由于需要人工參與分割和修補(bǔ)，當(dāng)進(jìn)行高分辨率圖像數(shù)據(jù)重建時(shí)，自動(dòng)化程度較低，導(dǎo)致工作量大、重建周期長。

由于CT圖像各部位對射線吸收不同，骨骼和面皮與其他的部位的值差別較大，其結(jié)構(gòu)組織的分割及三維重建可采用自動(dòng)方式進(jìn)行。VTK和醫(yī)學(xué)圖像處理軟件已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分割算法和三維重建。同時(shí)，由于相同部位的組織存在著不均勻性，自動(dòng)形成的三維模型通常含有孔洞和存在多余組織等缺陷。近年來，在醫(yī)學(xué)中Geomagic軟件三維造型得到廣泛應(yīng)用[13-15]。這類模型處理軟件可很好地完成三維模型的修補(bǔ)和刪除等操作，能夠有效地完成三維模型的修復(fù)，生成高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)模型。采用VTK結(jié)合Geomagic軟件三維建模的方法，根據(jù)頭部CT圖像中骨骼和面皮值與其他部位不同的特點(diǎn)，選擇固定閾值，VTK開發(fā)包可實(shí)現(xiàn)顱骨和面皮的自動(dòng)三維重建，再將生成的模型導(dǎo)入Geomagic 12軟件中進(jìn)行三維模型缺陷的修復(fù)和處理，利用Geomagic 12軟件模型操作功能將不同部位三維模型的復(fù)合，完成頭部CT圖像的顱面的復(fù)合三維模型重建。復(fù)合模型的建模流程如圖1所示。

圖1 三維復(fù)合模型重建流程圖

1.1 數(shù)據(jù)采集

高精度的醫(yī)學(xué)圖像是實(shí)現(xiàn)精確重建的前提和首要環(huán)節(jié)。醫(yī)學(xué)圖像采集包括CT、MRI等醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，實(shí)現(xiàn)顱面的復(fù)合模型采用CT對頭部進(jìn)行薄層掃描，獲得重建部位的醫(yī)學(xué)圖像。數(shù)據(jù)采集條件為：①采用飛利浦128層螺旋CT；②掃描范圍為顱頸聯(lián)合掃描；③掃描層厚0.8 mm，管電壓120 kV，管電流350 mAs。

1.2 VTK自動(dòng)三維重建

器官的表面模型稱為“面模型”，重建過程稱為“面繪制”。其基本思想是采用某種規(guī)則，確定物體表面每個(gè)小面片(通常為三角片)，再將其連接，重建物體表面。移動(dòng)立方體(marching cubes，MC)算法是經(jīng)典的表面重建方法之一，根據(jù)CT圖像中各器官組織的不同值，按照設(shè)定的閾值自動(dòng)抽取等值三角面片，生成器官的表面模型。由于采用三角面片作為基本元素，生成的模型具有以下優(yōu)點(diǎn)：①能夠較精確地描述復(fù)雜的人體器官模型；②刷新、變換和繪制速度快，可方便地多角度觀察；③內(nèi)存占用空間少，可壓縮存儲(chǔ)和傳輸，方便在普通計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。

VTK已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)圖像處理及可視化領(lǐng)域。VTK開發(fā)包可提供多種三維建模方法，包括MC算法和體繪制方法等，其中MC算法以vtkMarchingCubes類的形式提供給用戶。算法的主要過程為：將CT圖像按順序讀入內(nèi)存→掃描相鄰兩層數(shù)據(jù)，去相鄰兩層的8個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)體元→將體元的每個(gè)頂點(diǎn)的值與給定的閾值比較，根據(jù)結(jié)果，構(gòu)造狀態(tài)表→根據(jù)生成的狀態(tài)確定最終的三角剖分模式，再確定其等值面。

頭部CT圖像中骨骼和面皮的值與其他部位有明顯的差別，可采用閾值方法分割提取出相應(yīng)的部分。在對頭部CT序列圖像進(jìn)行三維重建時(shí)，利用VTK提供的Marching Cube方法中vtkMarchingCubes類來實(shí)現(xiàn)，其處理流程如圖2所示。

圖2 VTK三維重建流程圖

(1)使用vtkDicomReader類讀入待處理的CT圖像，設(shè)置其路徑及圖像范圍。

(2)使用vtkMarchingCubes類根據(jù)骨骼和面皮的值設(shè)定的閾值，抽取等值面，實(shí)現(xiàn)三維重建。

(3)使用vtkStripper類生成三角面片帶；最后使用vtkStlwriter類輸出STL文件。

對采集的CT圖像使用VTK三維重建的顱骨三維模型效果如圖3所示。

圖3 VTK顱骨三維重建效果圖

對采集的CT圖像使用VTK三維重建的面部三維模型效果如圖4所示。

圖4 VTK面部三維重建效果圖

1.3 Geomagic軟件編輯

VTK自動(dòng)三維重建MC算法可取得較理想的三維重建效果，對存在骨折、缺陷等斷裂的骨骼能夠正確的三維重建。但在生成三角網(wǎng)格的過程中，由于骨骼和面皮組織存在著不均勻性，在閾值高于或低于選定的閾值時(shí)無法有效提取這部分組織，周圍無關(guān)組織的值有時(shí)會(huì)與選定的閾值相近，尤其是頭架同樣會(huì)被重建出來。因此，重建的三維模型往往存在網(wǎng)格缺失、孔洞和多余部分等問題，不利于三維模型的進(jìn)一步處理和顯示。

生成的模型由于各部位存在不均勻性導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失會(huì)出現(xiàn)許多孔洞，可以利用Geomagic軟件填充孔功能對其進(jìn)行修補(bǔ)。在Geomagic12版本中，有曲率型、切線型、平面型、橋接型以及全部和部分填充6種方式修補(bǔ)孔洞，針對不同的情況可選擇一種或多種修復(fù)模型中的孔洞。在頭部CT圖像重建時(shí)，由于頭部結(jié)構(gòu)既有較大的骨骼，又有較精細(xì)的骨骼，在不同的部位出現(xiàn)的孔洞應(yīng)根據(jù)其大小分別進(jìn)行處理。對較小的孔洞采用曲率型修補(bǔ)方式修補(bǔ)孔洞；若孔洞較大則視其出現(xiàn)位置；在較大骨骼出現(xiàn)時(shí)重建表面應(yīng)保持平滑，采用平面型修補(bǔ)方式；在較小的骨骼出現(xiàn)時(shí)先采用橋梁型構(gòu)造其基本結(jié)構(gòu)，再采用曲率型修補(bǔ)孔洞，其修補(bǔ)效果如圖5、圖6所示。

圖5 顱骨模型孔洞修復(fù)前后對比效果圖

圖6 面部模型孔洞修復(fù)前后對比效果圖

2 三維復(fù)合模型重建實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 復(fù)合模型的生成和顯示

利用VTK軟件開發(fā)包可生成單個(gè)器官或組織的三維模型，在多模型復(fù)合作為基本單元可以進(jìn)行展示，存在著模型無法同時(shí)顯示和操作問題，可利用Geomagic軟件中模型管理功能實(shí)現(xiàn)三維模型的復(fù)合。將修補(bǔ)和處理后的模型文件導(dǎo)入Geomagic軟件，選擇其中一個(gè)設(shè)置其透明屬性，在模型導(dǎo)出中設(shè)置了復(fù)合輸出，形成復(fù)合模型。按照VTK自動(dòng)三維重建的處理流程，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建、模型修補(bǔ)和復(fù)合，其結(jié)果如圖7所示。

圖7 復(fù)合三維顱面模型效果圖

結(jié)果顯示，模型可實(shí)現(xiàn)顱骨和面皮的復(fù)合顯示，在模型上能多方位、多角度地觀察顱骨和面皮的相對關(guān)系，為顱面修復(fù)、整形和醫(yī)學(xué)教學(xué)提供可視化的依據(jù)。

2.2 三維模型的缺陷修復(fù)

(1)三維模型的面片的修復(fù)和處理需進(jìn)行孔洞、網(wǎng)格缺失等缺陷進(jìn)行修補(bǔ)和多余部分刪除，主要通過孔填充、光滑處理、細(xì)小結(jié)構(gòu)刪除和邊修補(bǔ)等技術(shù)來生成高質(zhì)量的三角面片模型。頭架在圖像中與骨骼的CT值接近，在骨骼重建中會(huì)被重建出來，在進(jìn)行模型編輯時(shí)應(yīng)采用選擇區(qū)域的方法將其去除。

(2)由于在等值面抽取過程中并不能很好地還原出光順的三角片的質(zhì)量，在填充完孔洞后模型的表面會(huì)出現(xiàn)凹凸不平的情況。其中有些是因器官模型本身的特征，有些是因算法在重構(gòu)過程中選擇等值面時(shí)形成的模型表面質(zhì)量問題。對此，可以通過去除“特征-松弛-砂紙”等命令對模型的表面進(jìn)行多邊形階段的編輯。在做全局松弛時(shí)盡量體現(xiàn)頭像本身的細(xì)節(jié)，使其很好地還原其自身的唯一性。

(3)對于填充完孔洞和平滑后的模型，可能會(huì)有多余部分和細(xì)小組織被重建出來，根據(jù)其存在的位置采用兩種方法處理：①使用Geomagic軟件中網(wǎng)格醫(yī)生功能，選擇細(xì)小結(jié)構(gòu)模型設(shè)置大小、自動(dòng)檢測和刪除；②手動(dòng)方式，利用模型旋轉(zhuǎn)、縮放等功能，觀察各部位結(jié)構(gòu)，手動(dòng)選擇多余區(qū)域，刪除多余部位。

(4)模型面片自相交的檢測和修復(fù)是模型處理不可或缺的重要環(huán)節(jié)，其結(jié)果會(huì)影響模型的應(yīng)用范圍，如曲面造型的應(yīng)用以及三維打印要求的模型輸出等。自相交在網(wǎng)格醫(yī)生中自動(dòng)進(jìn)行檢測，對檢測到存在自相交的面片可通過去除“特征-松弛-清除-僅選擇”等方式去除那些相交的三角面片。應(yīng)用上述缺陷修復(fù)的顱骨三維模型處理結(jié)果如圖8所示。

圖8 Geomagic軟件模型修復(fù)效果圖

3 結(jié)論

醫(yī)學(xué)圖像三維重建是近年來的研究熱點(diǎn)內(nèi)容，已廣泛應(yīng)用到醫(yī)學(xué)臨床實(shí)踐中，尤其是三維打印技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，極大促進(jìn)了對三維重建模型的需求。從最初的三維可視化到目前的復(fù)合模型的顯示和處理，對重建方法提出了更高的要求。本研究利用VTK和Geomagic軟件實(shí)現(xiàn)了三維模型的自動(dòng)構(gòu)建、模型修復(fù)和復(fù)合，有效建立符合臨床需求的三維復(fù)合模型。三維復(fù)合模型可廣泛應(yīng)用于臨床診斷、手術(shù)仿真、術(shù)前規(guī)劃和生物力學(xué)分析等方面，與單一的建模方法相比，既可提高建模的效率、減少工作量，又可提高模型的完整性，為醫(yī)學(xué)圖像三維建模提供了一條新思路。參考文獻(xiàn)

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Research on VTK and Geomagic-based 3D craniofacial composite modeling/

MENG Qingmin//
China Medical Equipment,2015,12(12):58-61.

Objective:To construct 3D craniofacial composite model for clinical diagnosis, simulation and teaching.Methods:Collect head CT image data, and apply MC isosurface rendering method of VTK to reconstruction the 3D models of bones and the dough, then import 3D model into 3D modeling software Geomagic to repair the holes and defects, and finally complete 3D model reconstruction of craniofacial composite model by the comprehensive function of composite.Results:The experiment shows that VTK can reconstruct the 3D craniofacial model quickly, automatically, Geomagic can repair the automatic reconstruction model of defects and holes, the generated composite 3D model can fully and effectively display the three-dimensional composite structures of facial and skull.Conclusion:Using VTK and Geomagic can achieve efficient 3D modeling, and the composite model provided an effective visual reference for the face of the repair, plastic surgery and medical education.

Craniofacial composite modeling; Visualization tool kit; Geomagic

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.018

1672-8270(2015)12-0058-04

R197.324

A

2015-06-30

①泰安市中心醫(yī)院介入放射科 山東 泰安 217000

孟慶民,男,(1971- ),碩士，副主任技師。泰安市中心醫(yī)院介入放射科，從事放射技術(shù)工作。