基于可视化技术和几何建模软件的颅面三维复合模型建模

2015-03-04孟庆民

中国医学装备 2015年12期

孟庆民

孟庆民①

目的：针对临床诊断、手术仿真和教学等对三维模型的需求，建立颅面部位的三维复合模型。方法：采集头部CT图像数据；应用三维重建可视化开发包(VTK)中移动立方体(MC)等值面绘制方法建立骨骼和面皮的三维模型；将生成的三维模型导入三维几何建模软件Geomagic中，修复其中的孔洞和缺陷；采用复合显示和模型综合功能完成颅面三维复合模型重建。结果：VTK可快速、自动地实现颅面的三维重建；Geomagic软件可修复自动重建模型中的缺陷和孔洞；生成复合三维模型可全面有效地显示面部和颅骨的复合三维结构。结论：采用VTK和Geomagic软件可实现三维高效建模，复合模型为医学仿真、临床诊断和医学教育等提供了有效的参考。

颅面三维模型；可视化开发包；几何建模软件

[First-author's address]Department of Interventional Radiology, Taian City Central Hospital, Shandong 271000, China.

随着医学影像技术和计算机图像技术的不断发展，人体虚拟器官三维模型在临床诊断、手术仿真、术前规划和生物力学分析等方面得到了广泛的应用[1-2]。在临床医学影像学中应用较多的包括颅面复原中头骨和面貌的形态学分析、生物力学分析中有限元模型、解剖学中三维测量和图谱建立以及虚拟手术中软组织建模等[3-6]。在人体头部三维模型的应用中，由于器官较多且结构复杂，有限元模型建立、三维测量和分析等均需在颅面三维复合模型的基础上进行，如何快速准确地建立颅面的三维复合模型成为这些应用首先要考虑的问题[7-8]。为此，本研究提出了一种采用可视化开发包(visualization tool kit，VTK)结合几何建模软件(Geomagic)的三维建模方法。

1 三维复合模型重建技术

目前，颅面复合三维模型构造多采用MIMICS建模软件[9-12]。重建方法多将采集的CT、MRI等医学图像导入MIMICS软件，选择交互式方法确定分割的二维区域，在处理好的二维区域的基础上重建三维模型。此类方法虽然可较好地实现图像分割重建理想的三维结构，但由于需要人工参与分割和修补，当进行高分辨率图像数据重建时，自动化程度较低，导致工作量大、重建周期长。

由于CT图像各部位对射线吸收不同，骨骼和面皮与其他的部位的值差别较大，其结构组织的分割及三维重建可采用自动方式进行。VTK和医学图像处理软件已实现了自动分割算法和三维重建。同时，由于相同部位的组织存在着不均匀性，自动形成的三维模型通常含有孔洞和存在多余组织等缺陷。近年来，在医学中Geomagic软件三维造型得到广泛应用[13-15]。这类模型处理软件可很好地完成三维模型的修补和删除等操作，能够有效地完成三维模型的修复，生成高质量的医学模型。采用VTK结合Geomagic软件三维建模的方法，根据头部CT图像中骨骼和面皮值与其他部位不同的特点，选择固定阈值，VTK开发包可实现颅骨和面皮的自动三维重建，再将生成的模型导入Geomagic 12软件中进行三维模型缺陷的修复和处理，利用Geomagic 12软件模型操作功能将不同部位三维模型的复合，完成头部CT图像的颅面的复合三维模型重建。复合模型的建模流程如图1所示。

图1 三维复合模型重建流程图

1.1 数据采集

高精度的医学图像是实现精确重建的前提和首要环节。医学图像采集包括CT、MRI等医学成像设备，实现颅面的复合模型采用CT对头部进行薄层扫描，获得重建部位的医学图像。数据采集条件为：①采用飞利浦128层螺旋CT；②扫描范围为颅颈联合扫描；③扫描层厚0.8 mm，管电压120 kV，管电流350 mAs。

1.2 VTK自动三维重建

器官的表面模型称为“面模型”，重建过程称为“面绘制”。其基本思想是采用某种规则，确定物体表面每个小面片(通常为三角片)，再将其连接，重建物体表面。移动立方体(marching cubes，MC)算法是经典的表面重建方法之一，根据CT图像中各器官组织的不同值，按照设定的阈值自动抽取等值三角面片，生成器官的表面模型。由于采用三角面片作为基本元素，生成的模型具有以下优点：①能够较精确地描述复杂的人体器官模型；②刷新、变换和绘制速度快，可方便地多角度观察；③内存占用空间少，可压缩存储和传输，方便在普通计算机上实现。

VTK已广泛应用于医学图像处理及可视化领域。VTK开发包可提供多种三维建模方法，包括MC算法和体绘制方法等，其中MC算法以vtkMarchingCubes类的形式提供给用户。算法的主要过程为：将CT图像按顺序读入内存→扫描相邻两层数据，去相邻两层的8个顶点构成一个体元→将体元的每个顶点的值与给定的阈值比较，根据结果，构造状态表→根据生成的状态确定最终的三角剖分模式，再确定其等值面。

头部CT图像中骨骼和面皮的值与其他部位有明显的差别，可采用阈值方法分割提取出相应的部分。在对头部CT序列图像进行三维重建时，利用VTK提供的Marching Cube方法中vtkMarchingCubes类来实现，其处理流程如图2所示。

图2 VTK三维重建流程图

(1)使用vtkDicomReader类读入待处理的CT图像，设置其路径及图像范围。

(2)使用vtkMarchingCubes类根据骨骼和面皮的值设定的阈值，抽取等值面，实现三维重建。

(3)使用vtkStripper类生成三角面片带；最后使用vtkStlwriter类输出STL文件。

对采集的CT图像使用VTK三维重建的颅骨三维模型效果如图3所示。

图3 VTK颅骨三维重建效果图

对采集的CT图像使用VTK三维重建的面部三维模型效果如图4所示。

图4 VTK面部三维重建效果图

1.3 Geomagic软件编辑

VTK自动三维重建MC算法可取得较理想的三维重建效果，对存在骨折、缺陷等断裂的骨骼能够正确的三维重建。但在生成三角网格的过程中，由于骨骼和面皮组织存在着不均匀性，在阈值高于或低于选定的阈值时无法有效提取这部分组织，周围无关组织的值有时会与选定的阈值相近，尤其是头架同样会被重建出来。因此，重建的三维模型往往存在网格缺失、孔洞和多余部分等问题，不利于三维模型的进一步处理和显示。

生成的模型由于各部位存在不均匀性导致数据缺失会出现许多孔洞，可以利用Geomagic软件填充孔功能对其进行修补。在Geomagic12版本中，有曲率型、切线型、平面型、桥接型以及全部和部分填充6种方式修补孔洞，针对不同的情况可选择一种或多种修复模型中的孔洞。在头部CT图像重建时，由于头部结构既有较大的骨骼，又有较精细的骨骼，在不同的部位出现的孔洞应根据其大小分别进行处理。对较小的孔洞采用曲率型修补方式修补孔洞；若孔洞较大则视其出现位置；在较大骨骼出现时重建表面应保持平滑，采用平面型修补方式；在较小的骨骼出现时先采用桥梁型构造其基本结构，再采用曲率型修补孔洞，其修补效果如图5、图6所示。

图5 颅骨模型孔洞修复前后对比效果图

图6 面部模型孔洞修复前后对比效果图

2 三维复合模型重建实验结果

2.1 复合模型的生成和显示

利用VTK软件开发包可生成单个器官或组织的三维模型，在多模型复合作为基本单元可以进行展示，存在着模型无法同时显示和操作问题，可利用Geomagic软件中模型管理功能实现三维模型的复合。将修补和处理后的模型文件导入Geomagic软件，选择其中一个设置其透明属性，在模型导出中设置了复合输出，形成复合模型。按照VTK自动三维重建的处理流程，对采集的数据进行三维重建、模型修补和复合，其结果如图7所示。

图7 复合三维颅面模型效果图

结果显示，模型可实现颅骨和面皮的复合显示，在模型上能多方位、多角度地观察颅骨和面皮的相对关系，为颅面修复、整形和医学教学提供可视化的依据。

2.2 三维模型的缺陷修复

(1)三维模型的面片的修复和处理需进行孔洞、网格缺失等缺陷进行修补和多余部分删除，主要通过孔填充、光滑处理、细小结构删除和边修补等技术来生成高质量的三角面片模型。头架在图像中与骨骼的CT值接近，在骨骼重建中会被重建出来，在进行模型编辑时应采用选择区域的方法将其去除。

(2)由于在等值面抽取过程中并不能很好地还原出光顺的三角片的质量，在填充完孔洞后模型的表面会出现凹凸不平的情况。其中有些是因器官模型本身的特征，有些是因算法在重构过程中选择等值面时形成的模型表面质量问题。对此，可以通过去除“特征-松弛-砂纸”等命令对模型的表面进行多边形阶段的编辑。在做全局松弛时尽量体现头像本身的细节，使其很好地还原其自身的唯一性。

(3)对于填充完孔洞和平滑后的模型，可能会有多余部分和细小组织被重建出来，根据其存在的位置采用两种方法处理：①使用Geomagic软件中网格医生功能，选择细小结构模型设置大小、自动检测和删除；②手动方式，利用模型旋转、缩放等功能，观察各部位结构，手动选择多余区域，删除多余部位。

(4)模型面片自相交的检测和修复是模型处理不可或缺的重要环节，其结果会影响模型的应用范围，如曲面造型的应用以及三维打印要求的模型输出等。自相交在网格医生中自动进行检测，对检测到存在自相交的面片可通过去除“特征-松弛-清除-仅选择”等方式去除那些相交的三角面片。应用上述缺陷修复的颅骨三维模型处理结果如图8所示。

图8 Geomagic软件模型修复效果图

3 结论

医学图像三维重建是近年来的研究热点内容，已广泛应用到医学临床实践中，尤其是三维打印技术的出现和发展，极大促进了对三维重建模型的需求。从最初的三维可视化到目前的复合模型的显示和处理，对重建方法提出了更高的要求。本研究利用VTK和Geomagic软件实现了三维模型的自动构建、模型修复和复合，有效建立符合临床需求的三维复合模型。三维复合模型可广泛应用于临床诊断、手术仿真、术前规划和生物力学分析等方面，与单一的建模方法相比，既可提高建模的效率、减少工作量，又可提高模型的完整性，为医学图像三维建模提供了一条新思路。参考文献

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Research on VTK and Geomagic-based 3D craniofacial composite modeling/

MENG Qingmin//
China Medical Equipment,2015,12(12):58-61.

Objective:To construct 3D craniofacial composite model for clinical diagnosis, simulation and teaching.Methods:Collect head CT image data, and apply MC isosurface rendering method of VTK to reconstruction the 3D models of bones and the dough, then import 3D model into 3D modeling software Geomagic to repair the holes and defects, and finally complete 3D model reconstruction of craniofacial composite model by the comprehensive function of composite.Results:The experiment shows that VTK can reconstruct the 3D craniofacial model quickly, automatically, Geomagic can repair the automatic reconstruction model of defects and holes, the generated composite 3D model can fully and effectively display the three-dimensional composite structures of facial and skull.Conclusion:Using VTK and Geomagic can achieve efficient 3D modeling, and the composite model provided an effective visual reference for the face of the repair, plastic surgery and medical education.

Craniofacial composite modeling; Visualization tool kit; Geomagic

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.12.018

1672-8270(2015)12-0058-04

R197.324