基于中国数字人数据的心脏三维模型的重建

蒋峻 谢叻 方彬吉 张绍祥 周朝政

基于中国数字人数据的心脏三维模型的重建

蒋峻 谢叻 方彬吉 张绍祥 周朝政

目的建立心脏三维模型，为心脏相关手术术前规划，以及虚拟现实环境下的手术培训，提供三维解剖依据。方法采用“中国数字人”数据心脏区域的连续断层，经过人工数据分割，导入Mimics软件进行心脏三维重建。结果成功重建心脏三维模型，重建的模型能以多结构、多彩色显示心脏各结构的空间位置以及毗邻关系。结论通过中国数字人数据可有效重建心脏三维模型。

中国数字人心脏三维重建

自上世纪70年代，医学三维成像方法的研究就已开始。随着计算机技术的发展，医学三维成像在近10年有了很大的发展，为相关手术规划及开发介入虚拟手术训练系统提供了研究平台[1]。

心脏解剖和生理上的复杂性与特殊性，使心脏的三维重建成为人们研究的热点和难点。近年来，采用断面解剖、心脏超声、CT及MRI等二维图像来完成心脏的三维重建已有报道，但因受断层厚度、二维图像分辨率等因素的限制，重建出的图像不够精确完整[2]。

上世纪80年代末，国外相继出现“数字人”数据集[3-6]，我国张绍祥等也于2002年完成了“中国数字人”数据集[7]。本研究在“中国数字人”图像数据的基础上进行心脏模型的重建，旨在为日后心脏相关手术术前规划，以及虚拟现实环境下的手术培训，提供三维解剖学依据。

1 方法

1.1 图像来源

本研究图像来源为第三军医大学提供的数字人男1号的180幅连续png格式心脏横断层图像。所选用标本为男性，35岁，身高170 cm，体重65 Kg，非器质性疾病死亡。原始图像分辨率为3 072×2 408像素，层厚1 mm，宽512 mm（图1）。

1.2 图像分割

“中国数字人”数据为彩色的光学图像，含有丰富的人体信息。通过对包含心脏结构连续断层图像的观察，除骨、肌等结构在图像上有较明显区别外，其余结构与周围组织之间在色彩、纹理等特性方面区别较小，或没有区别，另外相邻断层图像之间相同结构边界过渡也不完全相同，很难通过现有的分割软件直接将心脏结构区分开来。我们使用photoshop软件基于魔棒工具和套索工具进行心脏主要结构的人工分割，每个分割结构图像区域填充一个唯一的RGB（红绿蓝）颜色，建立彩色的分割数据集（图2）。

1.3 灰度处理

由于心脏分割后的彩色图像集不能为目前的医学三维成像软件，如Mimics等接受，因此有必要将心脏分割图作进一步的处理。我们将图像中的每个像素增强对比度，从而对图像进行调整。增强对比度实际是增强原图的各部分的反差，可以通过增加原图中某两个灰度值之间的动态范围来实现，即将原来的灰度范围进行放大或缩小。这一方法还可有效地避免原始图像心脏周围组织对心脏结构建模的环境背景噪声，即可以滤除非心脏区域的结构图像。第三军医大学基于此原理开发了相应的软件——CVH图像处理软件。将心脏分割图像导入CVH软件进行灰度处理，由于人工分割后的心脏结构的灰度值与周围背景结构的灰度值相差较大，因此可以方便地得到较为清晰的心脏结构图像（图3）。

1.4 三维重建

将处理完的图像导入Mimics软件进行心脏结构的三维重建。由于人工分割时，层与层之间的边界过渡不能保证完全一致，同时三维重建软件本身也有一定的计算误差，因此图片会有毛刺、褶皱等现象，这与实际心脏的解剖结构有一定的差异，因此有必要对初步构建的心脏模型进行平滑处理。进行平滑处理的难点在于是否能够保证平滑后的图像较为真实地反映心脏实际结构。

首先，通过Mimics软件计算初步得到的心脏三维模型的轮廓线，由于心脏表面本身较为光滑，而轮廓线之间的间隙极小，因此计算得到的轮廓线可以反映心脏结构。将轮廓线与心脏模型拟合，通过Mimics的区域生长和填充功能，根据轮廓线与初步重建的心脏模型间的拟合度，逐层人工填补修剪毛刺、褶皱等缺陷，得到较为平滑且与实际吻合度较高的心脏三维模型（图4）。

图1 心脏横断层原始图像Fig.1The images of cross-section series of heart

图2 图像分割Fig.2Image segmentation

图3 灰度处理Fig.3Grey Processing

图4 心脏三维模型的重建Fig.4The 3D reconstruction of heart

2 结果

通过“中国数字人”数据集，人工分割心脏结构后进行三维重建的方法，得到了与实际较为吻合的心脏三维模型。模型中可以辨认出左右心房、左右心室及主要的血管及其主要分支，并能真实地反映出上述结构的毗邻关系。

3 讨论

本研究证明，灵活运用解剖学知识能分辨出心脏薄层结构及其边界。采用Photoshop强大的图像处理功能,及自主开发的图像处理软件,可以得到较为可靠的无背景噪声的分割数据，并可满足诸如Mimics等医学图像处理软件的数据格式要求。从图像的清晰度、与实际结构的吻合角度来看，基于“中国数字人”数据得到的组织器官三维模型相较目前已知的数学仿真建模方法而言更为逼真、可信[8]。

但是，该方法工作量较大，尤其体现在三维重建后的平滑处理方面。虽然Mimics具有通过设置平滑因子和迭代次数的方法实现平滑的功能，但因其不易真实反映实际结构而不能成为平滑处理的合适方法。从这个角度看，有必要开发一款软件，通过轮廓线的法向拟合快速实现平滑，达到省时高效的目的。

本研究得到的心脏三维重建模型，可以按照不同角度，对心脏同一结构或区域进行观察，并可以通过导出相应三维文件格式来进行二次开发，应用于虚拟介入手术，可以有效地提供术前规划以及训练的环境平台。

[1]游箭,刘涛,谭立文,等.数字可视化人体和介入虚拟手术的研究趋势[J].西部医学,2011,23(4):601-603.

[2]郭燕丽,张绍祥,刘正津,等.首例中国可视化人体心脏三维重建及临床意义[J].第三军医大学学报,2003,25(7):569-571.

[3]Spitzer VM,Ackerman MJ,Scherzinger AL,et al.The visible human male:a technical report[J].J Am Med Inform Assoc, 1996,3(2):118-130.

[4]Spitzer VM,Whitlock DG.The visible Human data set:the anatomical plat from human simulation[J].Anat Rec,1998,253 (2):49-57.

[5]Chung MS,Kim SY.Three dimensional image and virtual dissection program of the brain made of Korean cadaver[J].Yousei Med J, 2000,41(3):299-303.

[6]张彦,王惠.数字化虚拟人体的研究进展[J].医学影像学杂志, 2006,16(4):414-416.

[7]张绍祥.中国数字化可视人体研究进展[J].中国科学基金,2003, 17(1):4-7.

[8]谭立文,张肖莎,宋林,等.数字化喉标本模型的建立与虚拟现实仿真[J].解剖学杂志,2009,32(2):230-233.

ObjectiveTo provide three dimensional anatomic data for the preparation of cardio surgery and surgical training in VR by 3D reconstruction of heart with Chinese digitized visible human.MethodsThe data of the series of heart sections on Chinese digitized visible human were distinguished and imported to Mimics for the 3D reconstruction of heart. ResultsThree dimensional heart were reconstructed.The structures could be displayed by multiple structural and color modes,individually or jointly.ConclusionThrough Chinese digitized visible human,the goal of 3D reconstruction of heart could be achieved.

Chinese digitized visible human;Heart;Three dimensional reconstruction

R319

A

1673－0364（2014）01－0008－03

Three Dimensional Reconstruction of Heart Based on Chinese Digitized Visible Human

JIANG Jun1,XIE Le1,FANG Binji2,ZHANG Shaoxiang2,ZHOU Chaozhen1.

1 The national center for digital manufacturing technology,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China;2 Department of Anatomy,Third Military Medical University of Chinese PLA, Chongqing 400038,China.Corresponding author:LIE Le(E-mail:lexie@sjtu.edu.cn).

2013年12月2日；

2014年1月9日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.003

国家自然科学基金重大项目课题（61190124、61190120）；国家自然科学基金项目（61311140171、60873131）；国家科技支撑计划重点项目课题（2009BAI71B06）；国家高技术研究发展计划（863）项目（2006AA01Z310、2009AA01Z313）；上海交通大学“医工（理）交叉研究基金”项目（YJ2013ZD03、YG2012MS5）。

200030上海市上海交通大学国家数字化制造技术中心（蒋峻，谢叻，周朝政）；400038重庆市中国人民解放军第三军医大学解剖学教研室（方彬吉，张绍祥）。

谢叻（E-mail：lexie@sjtu.edu.cn）。