基于CT序列图像的下颌骨三维模型*

李　辉　张　静

(莱芜市中医医院，山东 莱芜　271100)



基于CT序列图像的下颌骨三维模型*

李辉张静

(莱芜市中医医院，山东 莱芜271100)

摘要：目的建立下颌骨的三维数字化模型,以用于临床诊断、有限元分析、3D打印和手术仿真等研究。方法选取健康成年志愿者,通过CT扫描,得到下颌骨的CT序列图像，应用Mimics16.0软件进行图像分割和三维重建，生成的三维模型导入Geomagic软件进行模型修复和平滑处理，得到最终的下颌三维数字化模型。 结果在高精度的情况下，该方法能实现下颌骨的三维重现，可在多方位、多角度上展现下颌骨各部分，可视化效果好。结论通过上述方法建立下颌骨三维数字化模型可以有效地应用于临床诊断、3D打印和仿真要求。

关键词：下颌骨；三维重建；三维数字化模型；模型处理

现代影像技术的不断发展，CT影像后处理和三维重建技术在临床中得到广泛应用。传统的三维重建技术多适用于可视化需求，对于有限元分析、3D打印模型和仿真等应用多有不足，特别是3D打印技术的出现，对医学图像生成的三维模型提出了更高的要求。在临床医疗中，下颌骨及与其相关的诊断和治疗极为常见，如骨折的诊断和治疗、假体的制作、美容矫形和修补等[1-2]。高精度、高质量的三维模型可有效地满足临床诊治的需求。随着CT技术和三维模型处理方法不断发展，扫描精度越来越高，获得高精度的数据已成为可能，下颌骨三维数字化模型的制作和应用成为研究的热点，如陈全等[3]进行的下颌三维测量，朱赴东等[4]解剖建模，徐昕等[5]应用模型进行治疗等。本研究针对临床上对下颌骨的多种需求，基于CT序列图像数据建立了下颌骨的三维模型，改进了下颌骨三维模型的重构方法，为扩展三维模型的应用提供一种有效途径。

1 材料和方法

1.1材料与设备

根据模型制作的要求，选取相貌正常，面部左右对称的成年男性一名。CT设备Philips Ingenuity Core 128层螺旋CT机。计算机工作站：Dell M2800；CPU：intel i7；内存：16G；硬盘：1TB。医学图像处理软件：Mimics 16.0。三维模型处理软件：Geomagic 12.0。

1.2 步骤和方法

1.2.1CT序列图像采集采用128层CT对选定的研究对象进行螺旋扫描，参数如下：患者采取仰卧位，扫描范围自颅底扫至颈根部(下颌下角下3 cm)，管电压120 KV，管电流30 mA，层厚及层间隔均为1.00 mm，螺距0.49 mm，矩阵512×512。将采集的数据以Dicom格式导出。

1.2.2 图像阈值的界定将采集的CT序列图像导入Mimics，采用阈值方法建立蒙版。在阈值选项中选择Bone(CT)，仔细观察热区边缘，若存在伪影，调整阈值动态范围。选择应用，将骨骼部位的像素放入蒙罩中，形成序列图像中骨骼热区。

图1　图像阈值设定

1.2.3区域生长采用种子区域增长方法，在已经选择的骨骼热区中选择下颌骨的种子点，自动生成下颌骨的蒙罩，形成下颌骨与其他部位分离的热区。 若采集的图像中存在骨折等断裂的情况，可多次设置种子进行区域生长，获得完整的下颌骨的区域。

图2　区域生长结果

1.2.4三维重建确定下颌骨的热区后，在蒙版选项中选择下颌蒙版。通过三维实体菜单中3D Caculate算法进行三维重建。在模型选项中选择高、中、低、优化和自定义来控制模型质量。三维重建的效果如图3所示。将生成的下颌骨三维模型以STL格式导出。

1.2.5模型修补将导出的下颌骨的STL格式文件导入Geomagic软件，进行模型修补，包括孔洞和多余结构删除。对模型中的孔洞,采用Geomagic填充孔功能对其进行修补。孔洞修补可以通过孔洞不同，选择曲率型、切线型、平面型和桥接型，全部和部分填充等六种方式中的一种或多种进行；对模型中存在的散碎多余组织，采用面片删除的方式进行去除。修补前后结果见图4。

1.2.6模型表面光顺三维重建后的模型由多边形构成，在生成过程中并不能很好地还原出光顺的表面。在修补完网格缺失和孔洞后,模型的表面也会存在凹凸不平的情况，属于算法在重构中模型表面质量问题。通过三维模型处理中松弛命令对模型的表面进行模型的光顺处理。

图3　 三维重建结果

图4　修补前后对比图

图5　光顺前后对比图

1.2.7模型网格检测与修复对于填充完孔洞和平滑后的模型，可能会有多余细小组织和面片自相交现象。尤其是面片自相交的存在会影响到模型的应用范围，如曲面造型以及3D打印的模型输出。这两种问题通过Geomagic中网格医生功能进行检测和修复。对细小组织，根据其存在的位置选择细小结构模型，设置大小，自动检测和删除；自相交在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以通过去除特征、松弛/清除、仅选择等方式去选中或去除那些相交的三角面片。

图6　检测与修复前后对比图

2 结果

按照第1部分的处理流程，对采集的数据进行了三维重建、模型修补、光顺和缺陷检测修复，结果如图7所示。

图7　下颌骨三维模型

从三维模型制作结果可以看出，在高精度的情况下，该方法能实现下颌骨的三维重现，可在多方位、多角度上展现下颌骨各部分，可视化效果好；模型结果准确，表面光滑，可为整形、仿真和3D模型制作使用。

3 讨论

3.1 三维模型制作

制作器官三维模型是近几年来的研究热点内容，现已在临床实践大量应用，特别是三维打印技术的出现和发展，促进了对器官三维重建模型的需求[6]。从最初的三维可视化到现在用于诊断和仿真，对器官三维模型生成方法提出了更高要求。本研究利用Mimics和Geomagic软件实现了三维模型的构建和修复，能有效建立符合临床需求的三维模型。与切片法等建模方法比较，建模效率高，模型质量高，同时在活体上采集数据，扩展了模型的制作范围。

3.2 模型制作中的图像处理方法

在采集到的CT序列图像中，包含有多种器官和组织。因为不同组织密度不同，对X线吸收能力不同，反映到图像上表现为不同灰度区域。建立三维模型必先分割出各序列相应组织结构，在Mimics中可以根据各组织不同的灰度范围，设置相应的阈值来区分不同组织[7]。医学图像中普遍存在着模糊和不确定性，固定阈值可能会出现组织丢失或者增加、噪声多等情况，可通过修改蒙罩的方法，添加或删除相应的组织，去除噪声。在本研究中，由于下颌多为一个连通的整体，故可采用种子区域生长的方法，在选出的区域中选取属于下颌骨的区域，剔除不属于下颌骨的部分。在三维重建中，包括面绘制和体绘制两种方法。Mimics软件中实现了这两种重建方法[8-9]。对于本研究提出的下颌骨三维模型，根据有限元分析、假体制作和仿真的要求，三维重建采用面绘制方法。

3.3 三维模型处理

序列图像中各组织存在着不均匀性，经过阈值和区域增长选择后，可能会出现分割不完整和过分割情况，重建后的三维模型往往会出现缺失、孔洞和包含多余部分等问题，影响三维模型的质量。在下颌骨的重建过程中，多为过分割造成的细小组织和表面不平滑，修补过程中多侧重于二者的处理。

本研究中提出的模型建立的方法 ,在高精度基础上,实现了下颌骨的数字化三维模型。在此模型上可进一步进行下颌骨的有限元仿真、假牙制作等[10],扩大了三维模型的应用范围和域。

参考文献：

[1] Singare S, Dichen L, Bingheng L, et al. Design and fabrication of custom mandible titanium tray based on rapid prototyping[J]. Medical engineering & physics, 2004, 26(8): 671-676.

[2]Cohen A, Laviv A, Berman P, et al. Mandibular reconstruction using stereolithographic 3-dimensional printing modeling technology[J]. Oral Surgery, Oral Medicine, Oral Pathology, Oral Radiology, and Endodontology, 2009, 108(5): 661-666.

[3]陈全, 郭传瑸, 高涛. 54例大致正常成年汉族人下颌骨三维 CT 形态学测量[J]. 北京大学学报: 医学版, 2015, 47(1): 113-119.

[4]朱赴东, 石珏, 宋恩, 等. 数字化全牙列下颌骨三维解剖建模[J]. 解剖学报, 2014, 45(4): 536-539.

[5]徐昕, 邓荣欣, 邓思敏, 等. 三维颌骨模型在髁突外脱位治疗中的应用[J]. 浙江大学学报 (医学版), 2014, 43(5):572-576.

[6]Parr W C H, Wroe S, Chamoli U, et al. Toward integration of geometric morphometrics and computational biomechanics: New methods for 3D virtual reconstruction and quantitative analysis of Finite Element Models[J]. Journal of Theoretical Biology, 2012, 301: 1-14.

[7]赵峰, 高勃, 刘震侠, 等. Dicom 标准和 Mimics 软件辅助建立下颌骨三维有限元模型[J]. 西南国防医药, 2006, 15(5): 479-481.

[8]张晶, 王春民, 翟红艺, 等. 基于 Mimics 平台的 CT 图像三维重建算法研究[J]. 吉林大学学报: 信息科学版, 2014 (6): 670-674.

[9]付森, 李莉, 何叶松. Mimics 与医学图像三维重建[J]. 中国现代医学杂志, 2010 (19): 3030-3031.

[10] 刘梦超, 吴信雷, 林崇翔, 等. 颞下颌关节骨骼肌肉系统三维有限元模型的构建[J]. 医用生物力学, 2015, 30(2): 118-124.

* 作者简介：李辉(1972— )，山东莱芜人，主治医师，本科，从事临床影像诊断与技术。

中图分类号：R197.39

文献标识码：A

文章编号：1004-7115(2016)08-0870-03

doi:10.3969/j.issn.1004-7115.2016.08.012

(收稿日期2015-5-14)

3D Mandibles Model based on CT images

LI Hui ZHANG Jing

(TCM Hospital of Laiwu City, Laiwu 271100,China)

Abstract:Objective: To reconstruct 3D Mandibles model for clinical diagnosis, finite element analysis and simulation etc. Methods: A heathy adult male volunteer was selected. Then the data of CT images was obtained by CT scanning. And Mandibles 3D reconstruction was conducted by the software: Mimics 16.0. After imported to the software Geomagic 12.0, the 3D reconstruction model was modified and smoothed. Finally, Mandibles 3D model was built.Results: In the case of high-precision, three-dimensional realization of the method can reproduce the mandible, can be multi-faceted, multi-angle on a good show various parts of the mandible, visualization.Conclusions： 3D Mandibles model built by this method can provide an effective reference for diagnosis, 3D printing and simulation.

Key words:mandibles; 3D reconstruction; 3D digital model; model processing