基于CT影像的人体踝关节三维重建

孙旭阳，石更强

上海理工大学健康科学与工程学院，上海 200093

前言

踝关节具有很强的平衡人体的作用，在进行步行、奔跑、跨越等动作时，踝关节可以使人体保持一种相对稳定的状态。踝关节由腓骨远端、胫骨远端以及距骨这3 部分组成，又被称为距骨小腿关节［1］。在日常生活中，剧烈跑动引发的扭伤和撞击很容易造成踝关节损伤，而车祸以及高空坠落也是造成踝关节损伤的多发性原因［2］。踝关节损伤患者在医院接受治疗过程中，都会进行电子计算机断层扫描（Computed Tomograhpy,CT），医生通过断层扫描数据对患者病情进行初步诊断，但所得到的CT 图像都是二维图像，不能直观地对患者具体受伤情况进行分析。有研究利用断层扫描得到的一系列二维数据，重建成为三维实体模型，以便于临床医生精确地了解患者的受伤情况，从而制定更详细的治疗方案［3］。

利用CT 数据对人体踝关节进行三维重建，可以直观地看到踝关节外形，了解患者受伤情况，这对于医疗诊断具有重要意义［4］。若三维重建得到的模型与患者本身的关节相比误差较大，则无法对患者的病情进行精确分析，更无法确立相应的治疗方案。本研究通过Mimics软件对螺旋CT数据进行预处理，提取踝关节部分进行三维重建，之后导入3-matic中，对初步建立的三维模型进行网格优化，最后生成踝关节的三维体网格模型。

1 三维重建软件概况

现在常用的医学CT 数据三维重建软件主要有Mimics、3D-DOCTOR、Simpleware、MITK、Amira、3DMED 等，其中，Mimics 软件使用最为广泛［5］。Mimics 软件在使用上相对于其他三维重建软件较为简单，操作也很方便［6］。Mimics 软件与3-matic 软件是关联的，在Mimics 操作界面完成三维图像的初步建模后可以通过Remesh 模块跳转到3-matic 中对三维模型进行网格优化及体网格划分，最后将网格数据导回Mimics 中，并可以对该三维模型进行材质赋予，这样就不需要使用逆向工程软件去生成三维实体模型，后续对于三维模型进行有限元分析时也可以直接导入材料属性［7］。

2 研究对象和数据采集

在上海市杨浦区市东医院选择一名男性志愿者，年龄34 岁，无右踝关节病史，进行踝关节CT 检查，无明显骨骼发育畸形，骨质无明显退变等，排除踝关节异常［8］。志愿者成仰卧姿势，螺旋CT 扫描踝关节的中立位，扫描图像层厚为0.6 mm，图像为512×512 像素，共获得346 张冠状面、矢状面和横截面的断层图像序列，最后将断层扫描数据以DICOM格式导出并保存［9］。

3 踝关节骨性结构建模过程

3.1 CT图像的导入

将存储为DICOM 格式的CT 数据导入Mimics 21.0（图1），共导入346 张CT 图像。导入CT 图像后的Mimics 21.0软件工作界面如图2所示［10］。

图1 CT图像数据的导入Figure 1 Import of CT image data

图2 工作界面Figure 2 Work interface

3.2 阈值分割

在Mimics 软件导航栏选择SEGMENT 模块，点击New Mask，Predefined thresholds sets 选择Bone（CT），显示骨的默认阈值为226～1 955 HU，为了三维建模的精确性，需要手动调节阈值的范围。在提取骨组织时，若阈值的最小值设置过高，则会丢失一部分骨组织图像；若阈值的最小值设置太低，则会有很多噪音被连带提取［11］。选择冠状面视图，调节阈值范围最小值，并观察图像的变化情况。当阈值的最小值设定为60 HU 时，有很多非骨组织被连带提取（图3a）；当阈值的最小值设定为360 HU 时，有部分骨组织图像并没有被提取出来（图3b）。本研究在提取踝关节的骨组织时，边观察图像边调节阈值的最小值，观察到有非骨组织图像即将出现时停止，调节阈值的最终大小为145～1 955 HU（图3c）［12］。

图3 阈值设定Figure 3 Threshold setting

3.3 单层编辑

采用蒙版编辑工具（Edit Mask）填充胫骨、腓骨和距骨内部的孔洞，删除胫骨、腓骨和距骨外部多余的像素点。为了建模的准确度及平滑度，采用单层编辑。先选择冠状面视图，从上到下在每一层图像上对所需骨组织进行手动填充与删除，完成后再通过矢状面和横断面的视图对踝关节模型进行补充编辑，保证填充完成后，矢状面、冠状面和横断面视图中均没有孔洞存在，为后续对三维模型进行网格划分奠定基础［13］。如果图像中仍有部分孔洞未被填充完全，那么在计算生成踝关节三维模型时，模型内部会生成一些小的曲面；进行网格划分时，这些小的曲面会使模型产生很多质量较差的网格，影响踝关节三维模型的精确程度，甚至会导致体网格划分失败［14］。孔洞填充前后图层对比见图4。

图4 孔洞填充前后图层对比Figure 4 Layer comparison before and after hole filling

3.4 区域增长

将CT图像所有层面全部填充完毕后，使用区域增长命令（Region Grow），分别选取胫骨、腓骨及距骨部分，将其从图像中提取出来，并以不同颜色标记，胫骨标记为黄色、腓骨标记为紫色、距骨标记为蓝色（图5）。

图5 蒙板标记Figure 5 Tag mask

3.5 生成三维模型

选择想要生成三维模型的蒙板，将指定颜色像素部分计算生成三维仿真模型。以胫骨为例，右键选择黄色蒙板，点击Calculate Part，Quality选择Optimal，计算生成胫骨三维仿真模型。计算生成的胫骨三维仿真模型较为粗糙，需要对其进行光滑处理［15］。设置平滑系数为0.4，迭代次数分别为1、5、9次后获得的模型如图6所示。可以看出，迭代1次的模型光滑度没有达到预期要求；迭代9次的模型虽然很光滑，但已经失真；而迭代5次得到的模型符合光滑需求并保留了模型。因此最终设置平滑系数为0.4，迭代次数设为5次，完成后得到光滑的胫骨三维模型。

图6 不同光滑参数设置的比较Figure 6 Comparison among different smoothing parameter settings

重复上述步骤，分别建立腓骨和距骨的三维模型，并对其进行光滑处理，最终计算生成的踝关节三维模型如图7所示［16］。

图7 踝关节三维模型Figure 7 Three-dimensional model of the ankle joint

3.6 踝关节三维模型的优化

将进行光滑处理后的踝关节三维模型通过FEA有限元前处理模块导入3-matic 软件中，未经网格优化的踝关节三维模型网格不规则且排列杂乱，明显不符合要求，需要对其进行相应的优化处理，从而得到更精确的体网格模型［17］。

以胫骨为例，选择胫骨模型，在Remesh模块下点击Inspection Page，对胫骨模型进行三角面片的质量检查，Shape measure 选择Height/Base（A），设置Minimum/Maximum 为0.3，低于0.3 的三角面片即为质量不合格的三角面片。分别查看胫骨、腓骨和距骨的网格属性：未经处理前，胫骨、腓骨、距骨质量合格的三角面片数量为18 806（93%）块、11 792（94%）块、20 751（98%）块，如图8所示。

图8 胫骨、腓骨和距骨的网格属性Figure 8 Mesh properties of the tibia,fibula and talus

首先对三维模型进行自适应网格划分，精简网格数量。初步优化后，胫骨、腓骨、距骨质量不合格的三角面片数量为110（1%）块、71（1%）块、71（1%）块，如图9所示。

图9 自适应网格划分后胫骨、腓骨和距骨的网格属性Figure 9 Mesh properties of the tibia,fibula and talus after adaptive meshing

然后对三维模型进行统一网格划分，处理后，胫骨、腓骨、距骨三角面片数量共13162块、6694块、9140块，均为质量合格的三角片，如图10所示。网格优化前后的踝关节三维模型如图11所示。

图10 统一网格后胫骨、腓骨和距骨的网格属性Figure 10 Mesh properties of the tibia,fibula and talus after unified meshing

图11 网格优化前后踝关节三维模型比较Figure 11 Comparison of 3D ankle models of the ankle joint before and after mesh optimization

最后对三维模型进行体网格划分。创建体网格，元素类型选择四面体10 节点，控制边界宽度、最大边界宽度设定为5 mm［18］。体网格划分完成后，踝关节三维模型如图12所示。

图12 体网格划分后的踝关节模型Figure 12 Ankle joint model after body mesh generation

胫骨、腓骨和距骨优化前后各参数对比见表1。由表中数据分析可得，胫骨、腓骨和距骨进行优化前后模型的体积和表面积变化均很小，而优化后三角片数量和节点数量相比于优化前则减少了很多。

表1 优化前后各参数对比Table 1 Comparison of parameters before and after optimization

4 结论

在对踝关节三维模型进行网格优化的过程中，模型的尺寸有略微变动，但是踝关节三维模型整体的形状和几何结构并没有发生改变，经过优化后的踝关节三维模型在结构上与人体真实的踝关节结构并无明显的差异［19］。优化后的踝关节三维模型三角片和节点数量相比于优化前明显减少，有利于后续进行有限元分析，能有效地缩短有限元分析所需时间［20］。本研究所建立的三维模型精确程度满足要求，对于患者病情的分析及治疗方案的确立具有重要的指导意义。