从医学图像至STL格式文件模型获取的一种新方法的关键技术

贾学武 胡福志 孔庆玲

摘要：通过解析医学影像和传输文件DICOM文件存储格式，对多层DICOM文件的关键核心信息读取，按照实际要求滤波去噪，计算获其测量点的位置，抽取横向剖面和纵向剖面的边界，根据几何逻辑和拓补关系，重建两边界链上的三角形单元，通过两个方向的重建的三角形面片单元集合形成曲面，并拼接优化，重建快速成型需要的STL格式文件过程的解决方案中的核心技术加以讨论。

关键词：医学图像和通信格式 STL 解决方案

反求工程与快速成型技术的高速发展给医学带来了新的机遇，但是从医学影像文件到快速成型设备需要的STL文件，是一个复杂而又边缘的问题，是一个当前很棘手的课题。

1 DICOM文件格式的分析

DICOM（Digitalimaging and Communications in Medicine）标准就是数字影像和通信标准。

按照DICOM的文件格式组成，从DICOM文件读取片层段信息，主要分离文件生成设备信息、图像编号、图像位置、图像片层厚度、图像帧编号、图像大小、图像点位宽、像素点分辨率和图像总体大小等信息，通过对DICOM文件的组成，查询其字典，按照需要信息，其索引编号为4字节二进制索引，其索引值和信息见表1。

2 方法

本文中的方法需要假设前提。

①分辨率达到一定要求，常规分辨率为0.1-1mm之间，一般可以满足；

②每层DICOM图像在一定差度有一定的相似度，如未封闭的环需封闭此环；

③STL模型重建技术中的STL模型，均假定已经进行有效性和封闭性测试，是正确有效的STL模型。

DICOM文件中图像数据大小（SEGAM）、图像行宽（R）、图像列宽（C）、图像点位宽（D）、像素分辨率（RX，RY）、片层厚度（RZ）、帧编号（N）、图像编号（M）、当前图像点P（n，m）之间存在以下关系。

SEGAM=N×R×C×D

P（X，Y，Z）=（n×RX，m×RY，M×RZ）

在图像数据段每次按照R×C×D大小读取文件读取至Stream，便变成纵向剖面，并按照实际需要的阀域滤镜滤出所需要灰度和二值伪彩图像的信息，按照边界算法标定其边界链，并几何逻辑关系分化边界链和曲面集。获取边界链点云数据信息，通过两层之间的响应边界的点云信息和内外侧方向拓补三角形单元顶点单元面片，拼接优化三角形面片，其流程如图1所示。

2.1 边界获取与边界链的标记

通过二值化图像与一阶图像腐蚀结构之差（Binary=Image-Image？苓I），获取轮廓。对于曲面轮廓Sm上的点Pi，横向切片上链Li和纵向边界上的点Lj，必然有Pi∈Li∩Lj→Li∈Sm，Lj∈Sm，所以要进行边界连追踪。对于一阶边界扫描，并标记最外侧的边界链路点后，输出此边界后，并把这些点对应二值置0，扫描边界下一条边界……直到扫描完成所有边界。从所有伪彩图像构成三维图像信息矩阵的同列中追踪同一表面的点，并标记成同一表面，方法与边界链相同，通过表面集点的信息追踪出边界链集合信息。

2.2 分化三角形单元

由于STL模型仅仅记录了物体表面的几何位置信息，没有任何表达几何体之间关系的拓扑信息，所以在重建实体模型中凭借位置信息重建拓扑信息是十分关键的步骤。按照右手定则，按照内外边界序化三角形单元顺序线段长度比例确定点序，重建STL模型的三角形拓扑关系，横向切片和纵向切片的上分化的三角形面片单元拼接来封闭模型，从而重建整个模型。

按照图像上的点的位置序列化点，并按其位置进行排列，使用环面拓补成三角形面片单元。按照领域图像值，通过其巅作为像素坐标并其中心位置乘以各自方向的分辨率为点X，Y实际坐标值，设置为片层帧数与片层层高为Z值，跟踪各个链路的数据点的位置，并按两个片层之间相应链路之间按照当前点所在的累积弧长百分比来划分三角网格单元。

长度可按照邻域加权求和的方式进行求和阵列，算子如式1所示，在求出阵列的前N项元素之和，最后除以2即可得到周长序列。再用最终长度除以长度比率序列，得到拓补坐标，用拓补坐标信息构建三角形单元定点编号信息，得到三角形实际坐标信息，按照边界法向指向外侧，即背离实体方向，点序按照右手定则，

2.3 输出STL文件

STL（STereo Lithography）文件格式是由美国3D SYSTEM公司定的一种接口协议，主要为快速原型制造技术服务的三维图形文件格式。STL 文件由多个三角形面片组成，每个三角形面片包括三角形各个定点的三维坐标及三角形面片的法矢量。STL文件有2 种类型，为ASC域格式和二进制格式ASC域格式。文本比较易懂，ASCII的STL的文件便于储存和携带，但不宜阅读。

为了携带方便选取ASCII的STL格式文件输出，需要经过拼接，优化等方式，输出必要的内容，如文件路径或文件名称不全以0x20填充至文件80字节位置，三角面片个数以4字节整形表示，三角形面片以3个浮点型式表达三角形面片的单位法向量三个坐标分量，以右手定则顺序表达面片的三个顶点，每个顶点以3个浮点型式表达，最后附加三角面片单元的属性用0x0000填充，每个三角单元不分先后。

3 结语

从DICOM文件读取信息，还原三维实际位置与扫描数结果信息，通过扫描值按照实际要求滤波去噪，抽取横向剖面和纵向剖面的边界，根据几何逻辑和拓扑关系，重建两边界链上的三角形单元，通过两个方向的重建的三角形面片单元集合形成曲面，并拼接优化，按照快速成型所需要的STL文件格式输出。通过对DICOM的格式的文件形成三維三角形面片的STL格式文件，对其方法中的关键加以讨论。

参考文献：

[1]陈明等.基于离散点云直接映射STL文件的建模技术[J].机械工程学报，2006（10）.

[2]乔庆昆.三维STL模型的快速成型关键技术研究[J].微型机与应用，2011.03.

[3]戴宁，廖文和等.STL数据快速拓扑重建关键算法.计算机辅助设计与图形学学报，2005.11.

课题项目：

黑龙江省教育厅高职高专院校科学技术研究项目“RE与RP一体化技术在仿生支架制造中的应用”（12525072）。

作者简介：

贾学武（1982-），男，黑龙江农业经济职业学院模具设计与制造专业带头人，讲师，研究方向：模具设计与制造。