逆向工程技术在人体膝关节三维重建中的应用

付彦铭

摘 要：对一名志愿者的膝关节进行CT与MR检测，所得的影像数据以DICOM格式导入Mimics Research 17.0软件中。根据影像数据的断层显像特点调整灰度阈值，按照不同分割算法骨组织与软组织进行分离并单独重建。将重建数据保存为stl格式并导入逆性工程软件Geomagic Studio 2012中。应用软件中网格化医生、简化、去除特征、网格划分、松弛和平滑等功能优化处理后，将骨组织和软组织根据实际情况加以合理装配，最终建立膝关节三维模型。重建后的模型不仅可以任意视角或单独观察，还可得出相关参数。为膝关节生物力学研究、损伤康复研究和有限元分析提供了可靠依据。

关键词：逆向工程 膝关节 三维重建 Mimics Geomagic Studio

中图分类号：TB21 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）12（b）-0014-02

Abstract：Tested the knee joint of a volunteer by CT and MR， imported the image data in Mimics Research in 17.0 software in DICOM format. According to the characteristics of image data and the different segmentation algorithms， adjusted the gray threshold and separated the bone and the soft tissue， acquire the reconstruction mode separately. Saved the data in STL forma and imported the reverse engineering software named Geomagic Studio 2012.After the operation of network doctors， simplify and remove characteristics， meshing， relaxation and smooth， according to the actual situation assembled the bone and the soft tissue rationally， built the knee 3D model finally. The models of reconstruction not only can be observed alone by arbitrary angle， but also can got the correlation parameter. For the study of the biomechanics of the knee joint， injury rehabilitation research and finite element analysis， the models of reconstruction provides a reliable basis.

Key Words：Reverse Engineering；The Knee Joint；3D Reconstruction；Mimics；Geomagic Studio

膝关节周围包含胫骨、腓骨、股骨和髌骨等骨组织以及半月板、韧带和肌肉等软组织，结构复杂。组织之间存在着相对协调的静力与动力相互影响和制约并通过神经系统的协调、反馈维持着膝关节的稳定。膝关节不同部位损伤后，在关节内部存在着异常的应力分布和运动轨迹[1-2]。因此能够全方位剖析膝关节内组织情况以获得所需数据资料成为医学、康复、体育工程学等众多领域的热点。

上世纪70年代以来，随着CT、MR等医学成像技术的飞速发展，医学诊断和康复治疗结束取得了极大的发展。但医生以及康复技师仍然需要通过很好的空间想象能力将二维图像在大脑中构建成三维模型。为了有效提高专业人员诊治的准确性和科学性，三维重建技术得到了广泛关注[2-4]。

1 研究方法

1.1 实验设备及软件

计算机（Intel i5 2.40GHz，RAM：8G，OS：win7 64位）、医学影像三维重建软件Mimics Research 17.0 x64和逆向工程软件Geomagic Studio 2012（64 bit）。

1.2 实验方法

该次研究所用的膝关节数据来自男性志愿者的CT和MR检测结果。其中CT平扫图片数据377张，MR矢状面224张，均为DICOM格式。将CT数据导入Mimics Research 17.0 x64软件中，根据膝关节结构，对各块骨进行单独重建。首先将骨组织与软组织进行分割，然后根据需要手动选取目标区域，如图1所示。依据此方法分别对胫骨、腓骨、髌骨和半月板进行三维重建。基于CT中提取的骨组织和MR中提取的半月板及软组织数据进行三维重建。导入同一空间坐标系时需要进行图像的融合与关键点的配准。Mimics软件中的Merge很好的实现了对半月板及软组织的融合功能，可以达到预定要求后将骨组织与软组织进行融合[4-5]。图2为十字韧带与半月板模型建立、处理与装配过程。

2 研究结果

2.1 模型处理

将Mimics软件中的三维模型用STL+命令输出为stl格式文件后便可导入Geomagic Studio中。在软件中可以继续为模型进行“网格医生”修复、简化、网格划分、松弛和精确曲面等操作，最终生成所需的stl或iges格式文件。图3为模型优化处理过程，图4为模型装配过程。

2.2 研究结果

从图3膝关节模型的装配过程可以看出，各部分组织模型都是单独建立的。各领域针对膝关节的分析时，很少对膝关节站立体位进行研究，更多的是在特殊关节角度下内力、外力的静力学、动力学分析和有限元分析[6-7]。三维重建模型基本真实的体现了膝关节内部骨组织与软组织的形态与特点，为医疗工作者或康复技师提供了直观的参考。在应用方面，三维重建模型可为虚拟手术、生物力学分析、人体工程学分析、体育装备设计与制造以及3D打印等提供依据。

3 结语与建议

3.1 结语

该文利用Mimics Research 17.0 x64软件对CT和MR图像进行三维重建、图像分割、配准和融合。在针对CT图像骨组织结构三维重建时过程较快，效率较高。在处理MR图像软组织结构时，多图像分割作凭借手工操作，使得重建过程较长，效率低下。总体而言，膝关节三维重建模型不仅可以获取现实中无法测量的解剖学数据，而且所建立的模型可以为医疗、康复训练、科学研究、体育工程和人体工学等研究领域提供直观、科学的理论依据。

3.2 建议

该研究仅以膝关节为例简述了膝关节建模的基本方法，其他关节、组织大同小异。使用该方法进行人体关节、组织的三维重建并最终建立的三维模型，为后续的静力学、动力学和有限元分析等实验研究提供了相对科学、准确的三维模型。在此基础上还可以在模型上添加肌肉和其余韧带等软组织结构予以完善。为不同关节角度和不同外部环境下进行仿真分析提供了更加便捷的建模途径，为以后研究不同运动项目、外部环境和个性化关节受力分析提供技术保障。

参考文献

[1]王西十，白瑞璞.关于人膝关节生物力学模型的研究现状[J].力学进展，1999，29（2）：244-245.

[2]李鉴轶，赵卫东，余正红，等.膝关节关节软骨的三维构建[J].解剖学杂志，2007，30（6）：695-697.

[3]Nau T， Chevalier Y， Hagemeister N， et al. 3D kinematic In-vitrocomparison ofposterolateral corner reconstruction techniques inacombined injury model[J].Knee Surg Spots TraumatolArthrosc，2005，13（7）：572-580.

[4]吴迪.基于CT、MRI的人体膝关节三维有限元模型的建立及应用[D].大连：大连医科大学，2007.

[5]E Pena， B Calvo， Martinez MA， et al.A three-dimensional finite elementanalysis of the combined behavior of ligaments and menisci inthe healthy human knee joint [J].Journal of Biomchanics，2005，39（9）：1686-1701.

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[7]Kato A， Ohno N.Construction of three-dimensional tooth model bymicro-computed tomography and application for data sharing [J].Clin OralInvest，2009，13（1）：43-46.