颅面复合体数字化几何实体模型建立

毛乐琦 刘 健

（1.乐山职业技术学院 四川 乐山 614000；2.乐山市人民医院 四川 乐山 614000）

随着医学专业学生人数增多，骨骼标本已出现紧缺情况，无法满足学生及教师学习研究之用。而其他材料复制骨骼标本，不仅价格昂贵而且并不精确。随着高精度CT扫描机的普及，以及基于CT扫描图像的三维重建软件的出现。建立一种高精度的数字化骨骼模型成为一种可能。而颅面复合体是人体最复杂的硬组织，表面凸凹不平，而且内部结构更加复杂，除颞下颌关节以铰接形式连接下颌骨与颞骨，其余骨块之间以骨缝结构相连。如能建立颅面复合体之精确模型，其他骨骼则更加容易。

1 建立模型的材料与方法

1.1 样本选择：建模素材选择一名年龄12岁全身发育正常男性的头颅CT扫描资料作为建模素材，该名男子恒牙列，牙列完整无多生牙，缺失牙；颅面骨骼无其他畸形，基本对称，无骨性疾病；无正畸治疗史；无颞下颌关节病及外伤史；全身健康状况良好，无严重全身疾病；

1.2 数据采集：采用Philips MX8000 CT扫描机对被测对象的头颅进行扫描。扫描参数如下：层厚1.3 mm，床进速度1 mm／s，球管电流120 mA，电压120kv，，床架倾斜角度为0。被扫描对象取仰卧位，眶耳平面与水平面垂直，扫描范围自颅顶处开始，至下颌骨下缘中止，连续横断扫描再进行后处理，处理后层厚为1.0。共获得403张二维扫描断层原始图像。层内像素数为512＊512，像素大小为0.5 mm＊0.5 mm。所有扫描数据以DICOM格式保存至光盘。

1.3 获取颅骨3D图像：在电脑上通过Mi mics软件自动读取以DICOM格式存储的CT扫描数据，得到颅骨原始影像。使用Thresholding命令对骨密质及牙体进行自动选择，骨密质CT值为300 Hu-2000 Hu牙釉质为2000 Hu-3072 Hu。使用参数300 Hu-3072 Hu自动生成断层图像.自动选择后生成图像较为粗糙，包含大量不规则边界，空洞以及噪点，无法满足3 D重建要求。按照原始图像以及正常解剖结构对其进行手工修正。对修改后的图像使用Calculate 3D命令，得到整个颅骨3D图像。

使用Cut With Ploy Plane命令对颅骨整体模型进行分割，分割时主要依据CT图像中骨缝位置，同时也依据正常解剖形态对部分变异骨缝进行修正。经多次分割后，最终将完整颅骨分解成上颌骨、鼻骨、颧骨、颞骨、顶骨左右各一块，下颌骨、蝶骨、筛骨、额骨、枕骨各一块，共15块骨骼。

1.4 生成颅面各骨几何实体模型：使用Geo magic软件读入STL文件，进行光滑处理，对处理后的模型进行曲面包裹。生成CAD模型，最终形成几何实体模型。将得到模型输出为IGS文件。IGS文件为标准CAD文件格式，可用各种软件随时调阅查看。

2 模型建立的结果

通过对颅面复合体数字化几何实体模型建立的实验，探索出了一条由CT扫描数据直接处理并辅以手工校正，通过多种软件基本实现全程自动处理，快速有效地建立直接可用于查看研究的颅面复合体实体模型的方法。

建立了完整的包含所有骨缝结构的颅面复合体几何实体模型，该模型包含组成头面部骨骼的所有骨性结构，骨缝及牙齿.共计生成实体模型15个。颅面复合体的几何模型均有满意的几何相似性，形态还原性好，几何精确度高，效果理想。对各骨块既可以单独操作，又可以任选几部分进行处理。可在CAD软件中对所建模型进行CAD操作。

3 对建模的讨论

随着计算机技术的发展，对生物器官进行数字化建模，已逐渐应用于各项研究中。但多局限于动物研究，人体器官数字化建模则进行较少。2007年张彤等使用CT扫描原始数据，建立了颅面复合体模型，但由于CT扫描精度的原因，与实际颅面骨骼还有一定差距。

本研究采用头颅骨发育正常男性头颅螺旋CT扫描图像数据，联合应用Mi mics、Geo magic St udio、MSC.Marc.Mentat软件。最终建立了一个符合生物学形态，有良好几何相似性可自由进行CAD设计，且便于应用和计算的一整套颅面复合体几何模型。它与以往的模型相比较，有较多优点：①原始CT扫描已达到1.0 mm每层，模型建立以CT图像为基础，建模过程中更严格控制每一步骤所产生偏差，因此所建模型几何精度高。②本研究所建颅面复合体三维有限元模型生物形态相似性好，其单元数达到426571。③在建模范围上，包括了颅面部所有骨骼、骨缝，牙齿，没有删减硬组织结构，模型几何完整性好。④所建几何实体模型能导入到任意CAD软件中进行处理。⑥模型由15块包含整体空间坐标系骨骼组成，建模更加合理，使用方便，应用范围广。模型可轻易的提取任意一块、几块骨骼或全部进行各种方式的观测，各种条件下的计算和分析。

本研究以CT扫描数据为资料，通过计算机辅助设计技术，成功建立了包含骨缝结构的颅面复合体几何实体模型。利用此项技术我们可创建出身体任何部位的实体模型，甚至是全身几何实体模型，为我院护理专业的教师、学生提供宝贵教学资料和素材。

本文为院级科研课题《CT数据建立骨骼组织三维模型的应用研究——以颅面为例》（编号KY2013028）所用。

［1］ 侯敏，柳春明，张海钟等.虚拟骨缝在颅面复合体三维有限元模型中的构建及应用［J］.中华整形外科杂志，2006，22（3）：165-168

［2］ 张彤，刘洪臣，董嘉林.颅面复合体三维有限元模型的快速建立.军医进修学院学报［J］.2007，28（6）：418-420