人体断面数字化数据库的获取与三维建模

侯发忠+饶利兵+范佳+丁黎明

摘要：文章介绍了一种器官图像的切片采集、预处理、三维建模的方法。并以成人脑切片为例，叙述了重建的过程、技巧、改进的算法。结果表明：模型的精确性、光滑度、逼真性得到了一定程度的提高。

关键词：器官切片；模板配准；三维重建

中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）10-0094-02

我国于2001年在北京香山召开的主题为“中国数字化虚拟人体科技问题”的第174次香山科学会议后，启动了中国数字化虚拟人体的研究。主要工作是将人体从头顶至脚跟横切成16600片，每个切片经拍照分析后将原始数据输入计算机整合，在计算机里合成一个三维立体的人体结构，成功获取了虚拟中国人体。该文将从面向教学应用入手进行人体器官削切及和结构三维建模方面的一系列研究，探索了适合医学院校实际的人体器官和结构的数字化及三维建模的模式流程、关键技术。

1 切片三维建模流程及其方法

人体切片图像的三维建模主要是指以削切冰冻器官成断层图像为基础，综合运用各种图像处理技术，构造成三维可视化模型。其过程关键步骤如图1所示。

1.1 实验前准备

1.1.1 建立独立铣切冷冻室

建立独立的铣切冷冻工作室并浇筑机床基座，控制工作室温度在0℃～-10℃之间。

1.1.2 钻铣车床改造

选用了立卧式（ZX5026）钻铣床[9]，选取的铣切设备间矩高达 0.33mm，极易受震动干扰，如图1、a所示。钻铣床原装100mm直径刀盘不能一次性、完整地铣削出标本的水平断面。将刀盘直径增加至300mm，在刀盘平均装上定制的3块80mm×30mm钨钢铣刀，如图2、f所示。

另外，钻铣床原装的固定槽过小，不能固定包埋体。通过实验，安装2个特制螺丝板于滑动台用于固定标准，如图2、d所示。

1.1.3 相机的选取与安装

（1）相机的选择：因照片质量要求非常高，要在进行冷冻切片时自动对焦，通过计算机操作空进行拍照。经过比较后，选择了佳能EOS7D数码相机配上佳能EF24mm f/1.4 L镜头，最高像素1800万、最高分辨率5 184×3456、高ISO感光度、经改造后支持计算机控制拍照。

（2）相机的固定：采用独立三脚架固定最大限度的降低削切过程产生的震动影响，最大限度的保证图像的垂直最大化和平面化。如图2、b所示。

1.2 实验标体处理

（1）标本的选择 遵循我国现行法律、法规，参照“相对标准中国人体”[9]标本纳入标准：无器质性病变、无明显缺损、覆盖广代表性强。

（2）显色灌注 为使切割后的小动脉与小静脉容易区分，提高虚拟人体血管系统的分辨率，先要对标本快速预处理，选用红色乳胶填充剂，通过颈静脉进行了标本动脉灌注，注意无需灌注大量福尔马林，以减少标本变形。

（3）定位、冷冻与包埋 将标本按照标准解剖学姿势定位后，置-30℃冷库冷冻至少3天后取出，装入专用包埋盒内，用聚氨酯包埋剂将标本取头部，包埋成250mm×180mm×400mm的立方体，并于四个角与人体平行植入备图像配准使用的四根彩色定位杆，置-30℃冷库冷冻，1周后可以使用。

1.3 断层数据获取

人横断面的铣削。开启室内冷冻装置，将室温降到-10℃，调试机器后将标本固定在滑动台槽内，并扭紧固定螺丝板。参照解剖学定位方式调整铣削床主轴间隙，开动刀盘同时左右移动滑动盘，最大限度的铣削掉标本表面的包埋剂。待标本显露后铣削主轴间隙以0.05mm随铣削次数递减，同时以0.02，mm等间距向下方向铣削标本断面，标准横断面残渣及时用解剖刀清理干净并采集图像进行储存。采集获得图像像素达1700多万，分辨率约为5200×3500，图像大小约为11M左右，图像质量连续性非常好，获得位置稳定，可以非常直观的应用于三维数字重建体系，如图3。

1.4 切片图像层间配准处理

与CT图像不同的是经独立采集后的切片图像是一个个单独独立的文件，外围不感兴趣区域也很大，需要做截图处理，无形中对切片图像采集的总体质量提出了较高的要求。手工劳动是无法達到这个要求的，于是模版匹配法被应用于图像采集。模版匹配法的定义：预先定义一个小图像，以截取预埋为标杆，通过模版预先设定图像与切片源图像的比较，通过特定的计算机算法对源图像进修全方位搜索，确认源图像中与预先设定的模版图像有无相似及相同区域，标注确定好相似或相同区域，找出中心位置并在左上角起始处规定矩阵坐标位置，再截取并固定图像的大小。如图4所示。

1.4.1 标准算法

算法设G（x，y）为M×N的源图像，T（j，i）为j×i（j

式（1）

由上式展开可得：

令

；

；

1.4.2 实验截取结果及性能分析

实验结果表明，特定的计算机算法可以精确的找到了模板图，且标志图、模板图大小完全一致，中心位统一，模板和匹配图及其归一性NC值如表1所示。

1.5 图像的分割处理

图片的阈值最大化类间方差线如图5所示，交互式选取分割上下界限后，再经开、闭运算后分割实验结果如图6所示。

2 性能分析

经上述方法处理图像，采matlab程序建模，并进一步对其进行修洁，并构建CAD模型如图7所示，与之同时，采用同样的程序对同一部位的CT图像建模，实验结果如图8所示，对比分析可以看到，切片图片重建后的图像清晰，曲面圆滑。

3 结语

近年来，随着医学断层三维重建相关研究的发展，不同研究机构的研究过程略有不同。文章从削切冰冻实体标本来采集数据进行建模，详细论述了过程中各环节的关键技术。数据库采集不同于CT扫描，实现了图像真颜色采集；在图片层间配准上采用算法控制、自主程序截取，匹配率高，速度快，归一性好；另外改进了分割算法，分割界度准确，建立模型的精确性、光滑度、逼真性得到了一定程度的提高；自主编制的程序功能专一、操作简单，便于非计算机专业的临床专业人员操作、应用。

参考文献

[1]王俊，等.基于图像匹配-点云融合的建筑物立面三维重建[J].计算机学报，2012，35（10）：2072-2079.

[2]杨军，石传奎，等.基于序列图像的鲁棒三维重建方法[J].计算机应用，2011，31（6）：1566-1568.

[3]李刚，樊晓平.一种新的轮廓提取方法及其在MR-CT配准中的应用[J]，小型微型计算机系统，2010（3），535-537.

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