miminis軟件中三維實體重建技術(shù)的研究

miminis軟件中三維實體重建技術(shù)的研究

通過多排螺旋ct獲得的斷層圖像得到了三維重復(fù)，已成為國際醫(yī)學成像和醫(yī)學形態(tài)研究的熱點之一。首先,由于多排螺旋CT提供斷層圖像的分辨率的提高,掃描間距的縮小,這為三維重建提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);此外,由于斷層圖像僅僅是人體內(nèi)部信息的一種不完全描述,不易得到各臟器之間的空間相對位置關(guān)系,而三維圖像能提供比二維圖像更加豐富的機體內(nèi)部信息,為醫(yī)生的臨床實踐提供可視化、數(shù)字化信息。這些因素促使三維重建技術(shù)在醫(yī)學診斷及研究領(lǐng)域的應(yīng)用日益增多。本文以多排螺旋CT常規(guī)掃描并經(jīng)后處理工作站運算獲得的薄層重建圖像為基礎(chǔ),進行MimicsV10.0軟件的三維實體重建功能研究。1材料表面1.1兩組大鼠膝關(guān)節(jié)ct掃描對一個無骨腫瘤和頭部外傷的正常頭顱,一個既往無膝關(guān)節(jié)疾患和系統(tǒng)性疾病的正常左膝關(guān)節(jié),以及一個有嚴重骨質(zhì)增生出現(xiàn)關(guān)節(jié)間隙兩側(cè)骨端的骨質(zhì)相接觸的左膝關(guān)節(jié),均應(yīng)用GELightspeed16排螺旋CT以層厚5或10mm,間隔5或10mm進行掃描,獲得512×512矩陣的CT圖像(Dicom格式),隨后在GE后處理工作站進一步獲得薄層后重建圖像。1.2案例1:ph形工作站硬件:GELightspeed16PlusspiralCT,Dell圖形工作站(雙XeonTM2.3g,CPU內(nèi)存2.0G,WindowsXP系統(tǒng))。軟件:GE后處理工作站(GEAdvancedWorkstation/GEAW),MimicsV10.0軟件。2蒙罩的重建l2.1在Mimics軟件中,以左膝關(guān)節(jié)和頭顱的薄層后重建數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行三維實體重建時,首先運用閾值選取技術(shù)(Thresholding),根據(jù)所需重建組織的不同密度范圍,在操作者選定所要重建組織結(jié)構(gòu)后,該軟件自動得出該種組織的閾值范圍,接受這一閾值范圍后,便獲得該種組織的原始蒙罩。當然由于所選取的個體差異,同種組織的閾值范圍會有所不同。2.2其次,運用三維區(qū)域增長技術(shù)(3DRegionGrowing),選取欲重建的單個或多個實體結(jié)構(gòu)區(qū)域,進而得到新的蒙罩。2.3隨后,在三維實體(3DObject)菜單欄導(dǎo)入新生成的蒙罩并加以運算,便獲得所選取的實體結(jié)構(gòu)區(qū)域的三維重建模型。在進行模型重建的過程中可供選擇的參數(shù)設(shè)置與STL模塊中可供選擇的參數(shù)設(shè)置一致。其中在TheCalculate3D界面為了修補圖像,選取更適用于醫(yī)學圖像處理的輪廓內(nèi)插法,通過減少矩陣、表面光滑、邊減少、三角形的減少等方式以提高生成三維實體模型的質(zhì)量。3不同掃描圖像的幾何模型三維實體重建方法得到的左膝關(guān)節(jié)和頭顱的三維實體模型的圖像輪廓清晰,能旋轉(zhuǎn)、方便測量。三維實體模型可從任意角度及平面剖割,得到操作者所需要的切面圖像(見圖1c)。此外,左膝關(guān)節(jié)借關(guān)節(jié)間隙分離的孤立實體結(jié)構(gòu)區(qū)域可被賦予不同的色彩(見圖2a)。3.1以原始掃描圖像的薄層后重建數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),同時在GEAW中進行容積重建和在Mimics軟件中進行三維實體重建,從上面觀發(fā)現(xiàn)Mimics軟件中的三維實體模型的梯狀偽影較GEAW中的容積重建(VR)模型少得多(見圖1a/b)。3.2在Mimics軟件中,對左膝關(guān)節(jié)有重度骨質(zhì)增生出現(xiàn)關(guān)節(jié)間隙兩側(cè)骨端的骨質(zhì)相接觸的情況時,則顯示左股骨下端及脛骨上端連接在一起的三維實體模型(見圖2b/c)。在Mimics軟件自動設(shè)定閾值范圍的情況下,由于脛骨結(jié)節(jié)外上方骨質(zhì)疏松區(qū)的存在,在此模型中呈現(xiàn)骨質(zhì)缺損區(qū)。只有操作者自行調(diào)整閾值范圍,并且采用空洞填充技術(shù),才能得到逼真的左膝關(guān)節(jié)三維實體模型。4骨性結(jié)構(gòu)的三維重建在進行三維實體重建的過程中可供選擇的參數(shù)設(shè)置與STL模塊中可供選擇的參數(shù)設(shè)置一致。這說明3DObject菜單欄中的重建模型也是以面網(wǎng)格化形式為基礎(chǔ)得來,其中最主要是運用了輪廓內(nèi)插法(contourinterpolation)。在螺旋掃描的方式下,梯狀偽影不可能消除,以掃描頭部時最為嚴重。這使得對頭部行螺旋掃描,并獲得薄層后重建圖像的情況下,Mimics軟件與GEAW同時以該后重建圖像為基礎(chǔ)進行三維重建,重建結(jié)果體現(xiàn)出采用了輪廓內(nèi)插法的Mimics軟件對梯狀偽影的優(yōu)化處理能力較強(見圖1a/b)。三維區(qū)域增長技術(shù)的原理是基于空間連接性演算(algorithmforspatialconnectivity),以正常膝關(guān)節(jié)的股骨下端為例,首先確定一個膝關(guān)節(jié)骨質(zhì)的CT閾值范圍后,在某一橫斷面上選擇單側(cè)股骨下端的一個種子點(seedpoint),然后通過自動編碼和演算、尋找鄰近的與之相連接的演算點(candidate)、該點的CT值必須在選定的閾值范圍內(nèi),依此類推,候選點不斷擴大最終將整個閾值范圍內(nèi)的單側(cè)股骨下端骨性結(jié)構(gòu)選取出來,即獲得了單側(cè)股骨下端的新蒙罩(見圖2a)。而對于單側(cè)膝關(guān)節(jié)有重度骨質(zhì)增生或化膿性關(guān)節(jié)炎等出現(xiàn)關(guān)節(jié)間隙兩側(cè)骨端的骨質(zhì)相接觸的情況時,同樣是選擇單側(cè)股骨下端的一個種子點,便得到單側(cè)股骨下端及脛骨上端骨性結(jié)構(gòu)同時選取出來的新蒙罩(見圖2c)。由此,我們便不難理解對于顱骨結(jié)構(gòu),無需采用三維區(qū)域增長技術(shù),可以在三維實體(3DObject)菜單欄中直接導(dǎo)入顱骨的原始蒙罩并加以運算,便獲得了頭顱的三維重建模型。這是由于頭顱的多個腦顱骨及面顱骨借骨逢彼此緊密聯(lián)系,相互接觸的結(jié)果。Mimics軟件的三維實體重建方法是在三維區(qū)域增長技術(shù)的基礎(chǔ)上將所選取的閾值范圍內(nèi)的相鄰像素連接而重組成圖像。三維實體重建技術(shù)等同于CT后處理的表面遮蓋重建技術(shù)(SSD)。表而遮蓋重建需要設(shè)置一個閾值范圍,所有在此閾值范圍內(nèi)的CT數(shù)據(jù)被保留下來進行重建,其余的數(shù)據(jù)全部舍棄(Cline等1991;Magusson等1991),從而有效地降低了計算量即比特值(12降到1),但作為代價,損失了容積數(shù)據(jù)內(nèi)99.97%的信息量。保留的數(shù)據(jù)通過各結(jié)構(gòu)邊界的多邊形小碎片產(chǎn)生等界面(isosurface),應(yīng)用一個或多個假設(shè)光源并計算其反射值,通過表面遮蔽提供深度效果。SSD顯示結(jié)構(gòu)重疊區(qū)域的三維解剖關(guān)系極佳,尤其是顱面部、脊柱、骨盆等部位。但是這種以CT閾值為參數(shù)的圖像處理,喪失了大量與X線衰減有關(guān)的信息,即在該閾值范圍內(nèi)的各種組織結(jié)構(gòu)沒有灰度差別。此外,對設(shè)定閾值以外的像素不能顯示。筆者以骨性結(jié)構(gòu)為例對Mimics軟件的三維實體重建功能進行探討。此外,該軟件還可以分別重建骨松質(zhì)、骨密質(zhì)、牙釉質(zhì),以及軟組織、皮膚、脂肪、肌肉等結(jié)構(gòu)的表面遮蓋模型?？梢?在具有CT原始掃描數(shù)據(jù)后,骨