基于256CT影像数据的心脏三维实体模型重建

崔文超 张建卿 王庆志 孟祥鹏 刘夏 李华民

解剖与临床

基于256CT影像数据的心脏三维实体模型重建

崔文超 张建卿 王庆志 孟祥鹏 刘夏 李华民

目的 建立心脏实体三维模型，探讨其对复杂心脏疾病诊治的临床意义。方法 采用荷兰飞利浦Brilliance256iCT扫描心脏区域的断层图像，将扫描所得DICOM图像导入比利时Mimics16.0软件，经过图像分割、Mask指令阈值分类标注、模板成像等步骤进行心脏实体三维重建。结果 在计算机上成功重建心脏三维模型。重建模型能多结构、多角度显示心脏内部空间结构及毗邻关系。结论 通过Brilliance256iCT影像数据可有效重建心脏三维实体模型，为复杂心脏疾病的诊断、治疗提供全新视角。

256CT；心脏；三维重建

自20世纪70年代，医学三维成像的方法研究就已经开始。随着计算机技术及图像处理软件的迭代发展，医学三维成像技术在近10年有了很大发展，研究人员开始着手于实体脏器三维重建的数字化研究[1,2]。我国先后完成了中国可视化人体心脏薄层断层解剖学研究和虚拟人数据的心脏表面模型三维重建[3]，以及中国数字人数据的心脏三维模型的重建[4,5]。医生可以在重建三维模型上获取有用数据、观察病变部位、测量病变数据，为相关手术规划、手术模拟提供定量依据，指导手术以期获得满意结果。但是由于心脏生理解剖上的复杂性与特殊性，而且心脏断层扫描数据受到断层厚度、二维图像分辨率等因素的限制，目前重建出来的三维模型不够精确完整，无法为复杂心脏手术提供精确的指导[6,7]。

本研究在Brilliance256iCT断层图像数据的基础上进行心脏三维模型重建，旨在为临床复杂心脏手术提供三维观察及测量，为术前手术方案设计提供全面参考指标及术后效果评估。

1 资料与方法

1.1 图像来源 本研究图像来源于郑州市第七人民医院提供的256CT心脏断层影像，所用设备为荷兰飞利浦Brilliance 256iCT，层厚0.45 mm。选取2例研究对象，其中成年男性1例，30岁，身高175 cm，体重84 kg；成年女性1例，28岁，身高160 cm，体重48 kg。连续扫描两例研究对象心脏断层数据，并将扫描所得DICOM图像保存。

1.2 图像分割 将Brilliance 256iCT扫描获得的DICOM数据导入比利时Mimics16.0软件中，新建蒙面（Mask）。DICOM数据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，除骨骼、肌肉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。

1.3 Mask阈值分类标注 图像导入Mimics软件，由于Brilliance 256iCT工作平台及心脏运动阴影，需要对图像进行调整，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。将填充造影剂、心肌、覆盖脂肪通过Mask阈值分别形成新的模板不同颜色进行标注，便于区别及后续分割。由于人工分割后心脏结构的灰度值与周围背景结构的灰度值相差较大，因此可以清晰地得到心脏复杂结构图像。

1.4 模板成像三维重建 Mimics软件编辑“mask”指令，心腔内结构有肌束、乳头肌、腱索、瓣膜和流出道等复杂解剖结构，会使造影剂分布不均匀、成像不全，导致上述结构边界显示不清，需要利用编辑（Edit）命令功能进行精细分割，根据影像结合实际解剖病变逐层分离内部造影剂，保留正常组织结构及病变部位图像。将填充造影剂、心肌、覆盖脂肪等不同部位、不同颜色Mask，根据心脏解剖结构通过“波尔”运算，将不同标注阈值Mask进行“合并”、“删除”等运算操作，得到需要的包含心肌、脂肪、心脏空腔的心脏实体模板。计算（Calculate）3D命令形成心脏三维重建模型（重建模型包括心脏结构边界脂肪、心肌及心脏腔室内肌柱、乳头肌等）。

1.5 心脏三维重建图像处理 三维图像主要是由无数三角边组成，心脏表面及心脏内部造影剂剔除等人工图像分割时，复杂的计算机操作步骤及三维重建软件本身有一定的图像处理误差，因此三维重建模型会有毛刺、褶皱，与正常心脏形成一定差异，有必要对初步构建的心脏三维模型进行平滑处理。经过Mimics软件本身软件光滑处理，或者Geomagic Qualify或ZBrush软件进行表面或内部光滑处理，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实体三维模型，可以直观观察心脏内部病变解剖学结构。

1.6 心脏三维实体模型的生成 将处理好的心脏三维重建模型转换成STL或Gcode文件（根据3D打印机品牌型号而定），导入3D打印机，快速成型生成心脏三维实体模型，指导临床诊断及手术治疗。

2 结果

将临床Brilliance 256iCT心脏扫描后所得影像数据导入Mimics软件并进行图像优化、分割，形成Mask，并对Mask进行“波尔运算”及“编辑”心脏结构后进行三维重建的方法，得到了与真实心脏相吻合的心脏三维重建模型。

心脏三维重建模型中可显示：心脏结构边界脂肪、左右心房、左右心室、主要的血管主要分支结构；心脏腔室结构包括肌柱、乳头肌等，并能真实反映出上述结构与毗邻组织的解剖关系。

3 讨论

本研究完全脱离工作平台加密限制，从Brilliance 256iCT扫描影像到使用Mimics等医学图像处理软件可以完成心脏三维重建技术研究。根据CT及MRI图像形成原理，通过Mimics阈值范围标示出填充造影剂Mask、心肌Mask、表面脂肪Mask，并灵活运用心脏解剖学知识结合图像成像能分辨出心脏薄层结构及其边界，通过Mask复杂编辑可以完整实体心脏模型。从图像的清晰度、与实际结构的吻合角度来看，得到的心脏三维模型可以完整地显示心脏内部房室结构改变，较目前已知的数学仿真建模方法更为逼真、可信。通过不同角度，对心脏同一结构或区域进行观察及数据测量，为临床医生从三维方向观察心脏病情提供了良好的认知平台。

由于心脏解剖和生理上的复杂性与特殊性，图像处理个体化差异明显，粗略分成表面脂肪组织、中部心肌组织，内部腔室包括肌柱、乳头肌、腱索、瓣膜、流出道、房间隔、室间隔等，各部位、各组织相互之间错综复杂，计算机不易识别各部位改变情况，导致心脏图像不易大范围计算机分割，心脏内部空腔形成需要剔除造影剂Mask，分离出正常组织结构，绝大部分步骤需要专业人员利用编辑（Edit）功能进行精细分割，至清晰显示心血管系统。该方法工作量较大，需要专业的心脏解剖学医学知识。三维成像主要是通过三角边形成的图像需要更优化的图像处理[7]，所以对心脏成像提出更高的要求。主要在以下几个方面改进：①心脏造影剂成像不完整，细小结构成像不全，需要更细化的CT及MRI设备扫描手段；②边界不清楚，扫描图像有干扰，图像显示不均，各部位图像相互干扰[8]；③Mask阈值范围相互重叠，现阶段阈值变化一般为1，设计阈值参数达到0.01～0.10区间间隔；④三维重建后的平滑处理。各步骤都需要专业人员干预，需要设计、开发不同类型的软件完成图像提取及优化[9,10]。

本研究是从实际心脏临床手术需求出发，完成实体心脏模型的三维重建。三维重建心脏模型不仅可以显示心脏表面及内部的结构，并且能真实地反映出上述毗邻结构的解剖关系。可以多视角对心脏结构或区域进行观察、测量，为复杂心脏手术术前诊断、规划手术路径、设计手术方案、术中导航、术后评估病情提供帮助，并可以通过导出三维模型数据进行二次开发，借助3D打印机打印心脏模型，完成从医学影像医学向实际物体转换的关键步骤，革新目前临床复杂心脏手术诊疗方法，切实提高复杂心脏手术治愈率及满意率[11]。

［1］蒋峻，谢叻，方彬吉，等.基于中国数字人数据的心脏三维模型的重建.组织工程与重建外科，2014，10：8-10.

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

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［5］SpitzerVM，WhitlockDG.ThevisibleHumandataset：theanatomical plat from human simulation.Anat Rec，1998，253：49-57.

［6］郭燕丽，张绍祥，刘正津，等.首例中国可视化人体心脏薄层断层解剖学研究.第三军医大学报，2003，25：566-568.

［7］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.第三军医大学报，2003，25：569-571.

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

［10］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.解剖学杂志，2009，32：230-233.

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Three dimensional reconstruction solid model of heart based on the 256CT imaging data

CUI Wen-chao＊，ZHANG Jian-qing，WANG Qing-zhi，et al.＊Graduate Department of Xinxiang Medical College，Xinxiang 453003，China

ZHANG Jian-qing，E-mail：185020009@qq.com

Objective To investigate the clinical significance of complex heart disease diagnosis and treatment by establishing solid three dimensional heart model.Methods Scanning the tomographic image of the heart by using Philips Brilliance 256 CT and importing the scanned DICOM images into Belgian Mimics16.0 software，after the images were divided，using the Mask command of the software to classify various tissues from their different thresholds.Then using the template for cardiac imaging and other steps to real-time three-dimensional physical reconstruction.Results On the computer successfully reconstruct the three-dimensional heart model，model reconstruction can have more structure，multi-angle display space inside the heart structure and adjacent relationship.Conclusion By Brilliance 256 CT image data can effectively reconstruct three-dimensional solid model of the heart，to provide a new perspective for the diagnosis and treatment of complex heart disease.

256CT images；Heart；Three-dimensional reconstruction

453003 河南省新乡市，新乡医学院基础医学院（崔文超、王庆志）；郑州市第七人民医院心外科（崔文超、张建卿、孟祥鹏、刘夏、李华民）

张建卿，E-mail：185020009@qq.com

10.3969/j.issn.1672－5301.2016.08.022

R654.2

B

1672-5301（2016）08-0758-03

2016-03-15）