simpleware案例醫(yī)學(xué)影像建模gloria

1、中仿科技公司CnTech Co.,Simpleware 醫(yī)學(xué)影像建模現(xiàn)代醫(yī)學(xué)圖像已成為臨床的重要和依據(jù)，基于圖像的建模技術(shù)在醫(yī)療、材料、自然科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。Simpleware具有強(qiáng)大的三維處理和建模功能,內(nèi)容豐富,實用性強(qiáng),為數(shù)字醫(yī)學(xué)實踐提供了理想的平臺。通過 Simpleware可以將圖像生成三維 CAD 模型、快速成型、CFD 模型以及有限元模型等。本以股骨近端為例，演示如何從 CT 掃描的 DICOM 數(shù)據(jù),生成網(wǎng)格模型，以及如何應(yīng)用不同的過濾器和分割工具.1.1學(xué)習(xí)內(nèi)容圖像處理網(wǎng)格劃分DICOM 導(dǎo)入重采樣與裁切圖像分割不同過濾器的應(yīng)用生成有限元網(wǎng)格分配材料屬性和節(jié)點對感組

2、區(qū)域（ROI）創(chuàng)建節(jié)點數(shù)據(jù)1.2本案例的全部 DICOM 數(shù)據(jù)文件可以在路徑 C:Program FilesSimplewareDat a下的 ProximalFemur 文件夾中找到.1.3 ScanIP 圖像處理模塊導(dǎo)入與準(zhǔn)備圖像數(shù)據(jù)1.3.1 輸入數(shù)據(jù)導(dǎo)入 DICOM 數(shù)據(jù)：1、運行 ScanIP 圖像處理模塊.2、導(dǎo)入 DICOM 文件,選擇菜單欄 File Import DICOM images (或者從 Wel come 歡迎界面，選擇 Import DICOM)3. 選擇文件夾 ProximalFemur, 點擊 OK.4. 在導(dǎo)入 DICOM 文件框(圖 1-1), 單擊OK,

3、 將出現(xiàn) Crop 裁切和 resample重采樣框.:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51001中仿科技公司CnTech Co.,1-1 DCIOM5. 在裁切與重采樣（Crop and resample）框(圖1-2):郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51002中仿科技公司CnTech Co.,1-2a. 點擊 Click to compute histogram 預(yù)覽直方圖。b. 有幾個選項可以對 Window and Level 進(jìn)行設(shè)置。我們可以嘗試選擇每一個選項，并在預(yù)覽窗口查看差異。 在本案例中，2000, L: 400.c. 點擊 OK.使用默認(rèn)值 W:

4、1.3.2 可視化圖像數(shù)據(jù)導(dǎo)入 DICOM 數(shù)據(jù)之后，我們注意到數(shù)據(jù)的三維渲染結(jié)果自動出現(xiàn)在3D 視圖中 (圖 1-3)，背景數(shù)據(jù)掃描，使得在分割之前做更直觀的預(yù)覽。默認(rèn)情況下，ScanIP 圖像處理模塊將自動渲染高達(dá) 100Mb 的背景數(shù)據(jù)集?？稍阡秩究蛑行薷倪@一項默認(rèn)設(shè)File Preferences Volume rendering置。:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51003中仿科技公司CnTech Co.,1-3中提供多種設(shè)置選項，能幫助背景數(shù)據(jù)的可視化效果更清晰。對于股骨近端,建議關(guān)閉 3D 視圖背景照明,如圖 1-4 所示,體渲染將獲得更高的對比度.1-4:郵箱:i

5、nfo全一客戶服務(wù)：400 888 51004中仿科技公司CnTech Co.,打開/關(guān)閉背景照明:1. 最大化 3D 視圖,單擊任意位置, 或者單擊 Expand或者在 3D 視圖內(nèi)雙擊view 按鈕.2. 關(guān)閉背景照明,單擊.背景渲染也可以根據(jù)用戶需要進(jìn)行設(shè)置.打開背景渲染框(圖1-5) ,點擊 View 3D background Setup.1-5在背景渲染框,預(yù)設(shè)值可以選為一些材料.渲染參數(shù)也可手動修改，并保存定制的預(yù)設(shè)值。體渲染設(shè)置的關(guān)鍵參數(shù) 預(yù)設(shè)值（Presets）: 提供常用的體渲染預(yù)設(shè)。 不（Opacity）:調(diào)整灰度數(shù)據(jù)的不。鼠標(biāo)左擊在直方圖線中生成新的點，單擊鼠標(biāo)中鍵刪除

6、點。 顏色（Colour）: 對點雙擊進(jìn)行更換顏色，移動這些點進(jìn)行顏色過渡。:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51005中仿科技公司CnTech Co., 自動設(shè)置（Auto set）: 基于當(dāng)前圖像中的取值范圍，提供相匹配的不透明度和顏色設(shè)置。關(guān)于體渲染的詳細(xì)，請參考 Reference Guide 中的章節(jié) 7.8.1“Background volume rendering”。開始數(shù)據(jù)分割1. 返回默認(rèn)視圖，點擊 View View layout Three 2D, 3D.2. 關(guān)閉Render渲染，將 Render 圖標(biāo)取消，點擊 View 3D background .3.

7、 將背景設(shè)置恢復(fù)默認(rèn)值（照明），點擊 View3D displayBackground light.1.3.3 準(zhǔn)備圖像數(shù)據(jù)建議采用下采樣數(shù)據(jù),在保留小特征的同時降低圖像的整體.這步操作由于降低對空間的需求,使圖像分割的過程更加容易進(jìn)行,減少手動分割的像素處理,最終能夠減少有限元網(wǎng)格中的單元數(shù)目.體單元大小和間距在 mm 數(shù)量級,將會最終決定網(wǎng)格的基礎(chǔ)單元大小，從而影響網(wǎng)格生成的密度。如果使用 FE 有限元模塊，基礎(chǔ)單元越小將導(dǎo)致網(wǎng)格密度越大。在這個案例中，我們假設(shè)由網(wǎng)格由 0.7mm 的基本單元組成，這是模型中所需要的最高密度。因此，重采樣能夠以新的體單元進(jìn)行.0.7x0.7x0.7（即間距

8、）圖像數(shù)據(jù)的重采樣:1. 打開重采樣框，點擊 Image processing Transforms Resample.2. 重采樣框中進(jìn)行如圖示的設(shè)置（圖 1-6）:a. 設(shè)置像素間距，將 Units 中的 Pixel spacing (mm) 設(shè)定為數(shù)值0.7x0.7x0.7.b. 將背景圖像插值(Background Image Interpolation method)選為線性(Linear). 在這個階段,與 Mask interpolation method 不相關(guān)。:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51006注釋值得注意的是，面繪制（例如網(wǎng)格）和體繪制能夠同時查看。中

9、仿科技公司CnTech Co.,c. 點擊 OK.1-6同樣地，為了節(jié)約內(nèi)存空間，建議對圖像進(jìn)行裁剪，以保持圖像在所需要的范圍內(nèi)。裁剪圖像:1. 打開裁剪框(圖 1-7) ,點擊 Image processing Transforms Crop.2. 一種簡便的用于確定需要裁剪的,將視圖切換為 XY 視圖, 滑動切片以確定有多少組切片中包含物體.在本案例中,股骨圖像從切片 1 延伸大約至切片287. 我們以此確定在 Z 方向能夠裁剪的量.3. 對 YZ 視圖和 ZX 視圖重復(fù)此過程，確定 X 和 Y 方向需要裁剪的距離。4. 在 Crop圖 1-7 所示):框輸入數(shù)值。在本案例中，我們可以移動

10、滑塊或者輸入數(shù)值 (如:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51007注釋沒有必要裁剪得太靠近物體,事實上物體周圍最好留有一段空間.這樣在網(wǎng)格劃分的時候遇到不光滑的邊界,能夠?qū)⑵渥銎交幚?。注釋設(shè)置間距值時，我們也可以將第一個值設(shè)為 0.7mm，然后單擊 Cubic Resampling，Y 和Z 的值將自動與X 的值相匹配。中仿科技公司CnTech Co.,a. X 47-185b. Y 105-200c. Z 0-287d. 點擊 OK.裁剪的實際范圍通過 2D 視圖的框內(nèi)。表示。 確保整個模型處于內(nèi)或方1-7 Crop現(xiàn)在我們的數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，我們可以保存文件并開始分割圖像。保

11、存項目:1. 打開保存框，點擊 File Save as.2. 保存項目,命名為 ProximalFemur.sip.1.4 運用 ScanIP 圖像處理模塊處理圖像1.4.1 分割感的區(qū)域并應(yīng)用不同的濾波器我們開始做圖像分割,應(yīng)用閾值設(shè)定灰度值的范圍,并添加在分割蒙版中.使用閾值分割:1. 點擊2. 在閾值窗口應(yīng)用以下設(shè)置 (圖 1-8):a. 選擇最小值為 1, 最大值為 255.b. 將 Calibration 設(shè)置為 None.:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51008注釋為了設(shè)置更精確的數(shù)值，可以先用鼠標(biāo)移動滑塊，在使用鍵盤上的方向鍵改變數(shù)值。中仿科技公司CnTech

12、Co.,c. 在 Mask operation 設(shè)置欄, 選擇 Create new mask.d. 在 Perform on 設(shè)置欄,選擇 All slices.e. 點擊Apply.1-83. 點擊關(guān)數(shù)據(jù).,通過我們所做的分割查看相注意骨骼內(nèi)部的細(xì)小特征結(jié)構(gòu)/骨小梁 (例如 XY 視圖中的 slice 0). 在大多數(shù)情況下，我們希望刪除或與其他部分合并， 以簡化曲面. 在骨小梁區(qū)域的骨骼低密度性質(zhì),可以在最終的有限元網(wǎng)格中基于信號強(qiáng)度指定材屬性.形態(tài)學(xué)近似濾波器能夠合并精細(xì)結(jié)構(gòu), 并增加與 mask 的連通, 同時留下的大部分表面保持不變. 容易.這樣一來,物體的形狀有效獲得簡化,使網(wǎng)格

13、剖分的過程更在mask 1 添加形態(tài)學(xué)近似:1. 點擊 Image processing Morphological .2. 在 Morphological -窗口 (圖 1-9):a. 在 Apply 中,選擇 on active mask 選項.:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 51009注釋如果在閾值設(shè)置中勾選 Enable,并在蒙版操作中選擇 Replace with mask 應(yīng)用于 All Slices,然后通過向上或者向下移動滑塊，我們能夠看到限制如何改變蒙版，在 2D slice 視圖中查看。中仿科技公司CnTech Co.,b. 將 X、Y、Z 設(shè)為相同半徑，勾選

14、 Cubic values .在 X radius (pixels)框中輸入數(shù)值 2， 創(chuàng)建 2 x 2 x 2 規(guī)模的Structuring element (ball).c. 點擊Apply 應(yīng)用濾波器.1-9接下來，我們要做的是去除小孔，同時保留股骨內(nèi)部的空腔形式的骨髓。fill filter 空腔填充濾波器能夠自動填充完全封閉的腔體?？涨惶畛錇V波器的應(yīng)用:1. 點擊 Image processing Additional 2. 點擊 Apply.fill.圖 1-10 展示了經(jīng)過形態(tài)學(xué)近似和空腔濾波器之后的圖像變化。1-10:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510010注釋

15、在蒙版上應(yīng)用濾波器的時候，確保蒙版處于活動狀態(tài)。在 Dataset browser 中選擇你想要應(yīng)用濾波器的蒙版。中仿科技公司CnTech Co.,1.4.2 平滑并消除偽影ScanIP 圖像處理模塊中的平滑算法考慮到了部分容積效應(yīng). 這將使得蒙版中保持從背景獲取的灰度, 生成更準(zhǔn)確真實的曲面. 在這個骨骼案例中，因為初始窗口和級別設(shè)置, 將生成蒙版的閾值設(shè)定為 1-255. 這些數(shù)值接近于邊界值0-255，因此僅憑單獨的灰度值不足以做平滑處理.這是由于智能 mask 算法(保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和體積)為保留部分容積效應(yīng)有太多的限制, 如果將蒙版二進(jìn)制化,將更好地實現(xiàn)平滑. 單獨使用或者集成于其他平滑

16、工具內(nèi)的功能都可以使用.使用遞歸濾波器可以有效平滑處理我們的數(shù)據(jù). 圖 1-11 展示了應(yīng)用遞歸濾波器前后的圖像對比. 通常以給定方向上 1-3 像素作為起始.應(yīng)用遞歸濾波器并二進(jìn)制化:1. 點擊 Image processing Smoothing Recursive Gaussian2. 在遞歸濾波器設(shè)置窗口:a. 在 Apply中選擇 on active mask. 確保 Mask 1 處于活躍狀態(tài).b. 在 Mask smoothing operations 勾選 Binarise.c.在 Gaussian sigmad. 應(yīng)用濾波器.參數(shù)的 X, Y, Z 方向鍵入值 2.0.1-1

17、1( ) ()我們注意到股骨中一個空心管,如圖 1-10 的右圖所示.這是骨髓區(qū)域與圖像邊界相接觸,使其成為開放的腔體.由于骨髓有著與骨頭不同的材料性質(zhì),現(xiàn)在我 們需要創(chuàng)建一個新的蒙版,用來定義這個區(qū)域.:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510011注釋二進(jìn)制化濾波器 Binarisation filter 也可以單獨使用. 在Image processing 選項卡的Additional組中, 點擊Advanced filters 旁邊的箭頭,然后選擇 Binarisation filter.中仿科技公司CnTech Co.,創(chuàng)建新蒙版(Mask2)定義骨的內(nèi)部結(jié)構(gòu):1. 點擊

18、Image processing Segmentation FloodFill ,打開漫水填充窗口:a. 在 Apply 中選擇from active mask.b. 在 Mode 選項中選擇 3D.c. 在 Mask operation 中選擇 Create new mask.d. 在 Perform on中選擇 All slices.2. 應(yīng)用漫水填充 FloodFill, 鼠標(biāo)左擊圖像中的骨髓區(qū)域(例如 slice126 在 XY 視圖中的點 90,34,126),如圖 1-12.1-12 Floodfillslice126我們現(xiàn)在完成了圖像分割。整理我們的模型并重新命名。重命名與改變蒙

19、版顏色:1. 重命名 Mask2. 重命名 Mask1 為2 為Femur. (在蒙版名字上右擊鼠標(biāo)，然后選擇 Rename.).Femur_.3. 改變 Femur mask 的顏色,右擊蒙版的名字,然后選擇 Change colour Bone.4. 改變 Femur_mask 的顏色,右擊蒙版名,選擇 Change colour Fat.再次保存我們的項目，有兩種任選，第法在菜單欄中找到 File 按鈕.Save ，第二種在 Quick access 工具欄中點擊 Save:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510012中仿科技公司CnTech Co.,我們現(xiàn)在已經(jīng)創(chuàng)建了肱骨近

20、端的項目文件（ .sip 文件）.關(guān)于在圖像數(shù)據(jù)互定位植入物 CAD 數(shù)據(jù)的,參考(幫助手冊第 8 章“Import andpositioning of CAD implant: proximal femur”). 接下來骨近端圖像的有限元網(wǎng)格.繼續(xù)演示如何創(chuàng)建股7.5 網(wǎng)格劃分 (ScanIP 圖像處理模塊與+FE 有限元模塊)7.5.1 創(chuàng)建模型適應(yīng)網(wǎng)格劃分本節(jié)將演示如何創(chuàng)建不同的有限元網(wǎng)格,以及如何分配材料屬性.建立新的模型:1. 在 Dataset browser 中, 右擊 M2. 使用多選選中兩個蒙版:即按住和 Femur.s 并選擇 Create a new FE m.Shift

21、 或Ctrl 鍵,同時鼠標(biāo)左擊選中 Femur_3. 拖拽兩個蒙版至 M所示.browser 的狀態(tài)將如圖 1-131(FE,active).Dataset1-13配置模型:1.在 Datasetbrowser 中右擊active) ,展開 MM11(FE,(FE,configuration.框.此外,我們也可以雙擊 Mactive) 或使用 Ctrl + M 快捷鍵.2. 在模型設(shè)置框中,保留 FE作為我們的模型類型,選擇 Abaqus volume (solid/shells) 作為輸出類型.3. General tab 保留默認(rèn)設(shè)置.:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 5100

22、13中仿科技公司CnTech Co.,4. 在 Volume meshing tab:a. 改變網(wǎng)格算法為+FE.b. 移動網(wǎng)格粗糙度的滑動條,調(diào)整數(shù)值為-25. 在保持模型細(xì)節(jié)的情況下,減少單元數(shù)量.此滑塊整體的網(wǎng)格粗糙程度.0 代表與體元一致的單元邊長.向左移動(例如負(fù)數(shù))會粗化網(wǎng)格,向右移動會細(xì)化網(wǎng)格.5. 在 Materials mesh 選項卡為每個部分分配不同的材料屬性:a. 選擇 Femur 蒙版,點擊b. 對于 Femur 蒙版,Femur 選項卡.依據(jù)圖像強(qiáng)度分配材料屬性.較高灰度值區(qū)域?qū)⒃O(shè)置較高的材料彈性模量.建立灰度到質(zhì)量密度的函數(shù),楊氏模量和泊松比也通過質(zhì)量密度進(jìn)行關(guān)聯(lián)

23、,從而對圖像分配材料屬性.c. Material type 設(shè)置為 Greyscale based.將自動顯示一系列默認(rèn)值.這些數(shù)據(jù)對應(yīng)于 Rho et al1 公開數(shù)據(jù),自上而下的方向加載于股骨近端.此外,這些常數(shù)已換算為以mm/tonnes/secs作為基本.d.修改 Background to use 的值,從分割數(shù)據(jù) DICOM (CT) W:2000 L:400 改為全體范圍內(nèi)的灰度 DICOM (CT) W:3686 L:819.e. 增加步驟數(shù)到 10，即選擇范圍內(nèi)的生成材料數(shù)量。在此設(shè)置范圍內(nèi)的材料數(shù)量。材料框此時如圖 1-14 所示。如果紅色豎線不在圖的最右邊，則用鼠標(biāo)將其拖

24、拽到最右邊(約 2600 GS).:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510014注釋在DICOM 導(dǎo)入時,用戶定義窗口和水平值都是默認(rèn)依據(jù)灰階計算的。在運用灰度材料映射是，推薦使用全部范圍內(nèi)的背景數(shù)據(jù)，所以需要獲得全部范圍可能灰度值。有兩個背景我們先在小范圍內(nèi)處理分割數(shù)據(jù)，然后在全部范圍內(nèi)做灰度.中仿科技公司CnTech Co.,1-14f. 鼠標(biāo)向右拖拽圖表中的紅色豎線 (初始為-600 GS) ,到警告消失為止.通常處于灰度為 0 的位置.材料設(shè)置如圖 1-15 所示, 我們看到 0 以下的繪圖值,定義最低值為常數(shù).:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510015注釋

25、如圖 1-14 所示，框的底部有一行警告：此頁檢測到無效的材料屬性。這表明函數(shù)在較低灰度范圍內(nèi)生成了負(fù)材料屬性。為避免這種情況，我們需要移動下邊界，創(chuàng)建一組最小值。中仿科技公司CnTech Co.,1-15函數(shù)的設(shè)置完成之后,我們可以保存材料定義,點擊 Saveg. 材料material definition as. 按鈕.這個功能相同的材料定義用在其他的模型中.,或者將材料定義與他人共享.material from library 按鈕將其調(diào)出.先前定義過的材料,我們可以通過 Loadh. 對于蒙版 (在中), 設(shè)置 MaterialFemur_Femur_type 為 Placeholde

26、r. 在此將創(chuàng)建新的空材料屬性定義,適用于有限元前處理可能做改變的幾何體.6. 在 Nodesets 選項卡中,我們首先通過感區(qū)域(ROI)創(chuàng)建自定義節(jié)點集, 兩個節(jié)點集 Femur 和 Femur_點集將在邊界條件的設(shè)置中用到:與 Zmin Boundary 相接觸.在 FE 預(yù)處理中,節(jié)a. 點擊 Add/manage selection volumes. 模型設(shè)置框?qū)簳r關(guān)閉,網(wǎng)格與感區(qū)域選擇窗口將會打開.b. 最大化 3D 視圖,并確?？焖兕A(yù)覽(Fast preview)窗口處于可見狀態(tài).c. 點擊 Ellipsoid ROI 按鈕.d. 在 3D 視圖中，左鍵選中股骨頭部，按住左鍵

27、并移動，然后松開鼠標(biāo)創(chuàng)建橢球體. ROI 此時如圖 1-16 所示. 該區(qū)域可以通過箭頭（平移）、色帶（旋轉(zhuǎn)）和橙色圓圈(調(diào)整大小).:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510016中仿科技公司CnTech Co.,1-16ROI()，點擊 Mesh selection regions of interest 窗口e. 調(diào)整完畢 ROI 區(qū)域之后中的 Done 按鈕，回到 Mconfiguration框.f. 在 From 列表中選中 Femur, 在 To 列表中選擇ROI Ellipsoid1.g. 單擊 Add node set.h. 對 Femur 到 Boundary_Zm

28、in，重復(fù)上述過程.i. 對 Femur_項卡如圖 1-17 所示.到 Boundary_Zmin，重復(fù)上述過程. 此時的節(jié)點集選1-177. 在 Contacts 選項卡中，我們利用已經(jīng)創(chuàng)建橢球 ROI 定義表面集.面集用于施加件.載荷等用途. 也有一些求解器需要表面集也不是點集,來加載邊界條a. 在 From 列表選擇 Femur, To 列表選擇 ROI Ellipsoid1 .:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510017中仿科技公司CnTech Co.,b. 單擊8. 點擊Add surface. 將面集合添加到 Summary 部分.保存全部設(shè)置,并離開 M框.conf

29、iguration7.5.2 生成網(wǎng)格為模型生成網(wǎng)格:1. 生成網(wǎng)格模型,在 FE m選項卡中點擊 Full m按鈕,如圖 1-18. 體網(wǎng)格的剖分將在大約 1 分鐘完成,取決于處理器的速度.1-182. 查看網(wǎng)格統(tǒng)計, 查看 Log 工作區(qū)選項卡,或者通過途徑 HomeToolboxes. 網(wǎng)格統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖 1-19 所示.Log1-19接下來我們進(jìn)行可視化網(wǎng)格,在 3D 視圖中將使用不同的可視化選項.:郵箱:info全一客戶服務(wù)：400 888 510018中仿科技公司CnTech Co.,檢查內(nèi)部單元:1.點擊 View 3D clip1-20). Enable,激活 clip box 并檢查內(nèi)部單元(圖2. 框架的位置和角度可以通過單擊并拖動球形手柄來改變.3. 如果重置 clip4. 如果切換 clip,點擊 View 的可見性,點擊box3D clip Reset.boxView3DclipShowbox.1-20在三維視圖中顯示 2D 切片:1. 在視圖選項卡的 3D display 組中, 點擊小工具 Wid