基于中國數字人數據的心臟三維模型的重建

蔣峻 謝叻 方彬吉 張紹祥 周朝政

基于中國數字人數據的心臟三維模型的重建

蔣峻 謝叻 方彬吉 張紹祥 周朝政

目的建立心臟三維模型，為心臟相關手術術前規劃，以及虛擬現實環境下的手術培訓，提供三維解剖依據。方法采用“中國數字人”數據心臟區域的連續斷層，經過人工數據分割，導入Mimics軟件進行心臟三維重建。結果成功重建心臟三維模型，重建的模型能以多結構、多彩色顯示心臟各結構的空間位置以及毗鄰關系。結論通過中國數字人數據可有效重建心臟三維模型。

中國數字人心臟三維重建

自上世紀70年代，醫學三維成像方法的研究就已開始。隨著計算機技術的發展，醫學三維成像在近10年有了很大的發展，為相關手術規劃及開發介入虛擬手術訓練系統提供了研究平臺[1]。

心臟解剖和生理上的復雜性與特殊性，使心臟的三維重建成為人們研究的熱點和難點。近年來，采用斷面解剖、心臟超聲、CT及MRI等二維圖像來完成心臟的三維重建已有報道，但因受斷層厚度、二維圖像分辨率等因素的限制，重建出的圖像不夠精確完整[2]。

上世紀80年代末，國外相繼出現“數字人”數據集[3-6]，我國張紹祥等也于2002年完成了“中國數字人”數據集[7]。本研究在“中國數字人”圖像數據的基礎上進行心臟模型的重建，旨在為日后心臟相關手術術前規劃，以及虛擬現實環境下的手術培訓，提供三維解剖學依據。

1 方法

1.1 圖像來源

本研究圖像來源為第三軍醫大學提供的數字人男1號的180幅連續png格式心臟橫斷層圖像。所選用標本為男性，35歲，身高170 cm，體重65 Kg，非器質性疾病死亡。原始圖像分辨率為3 072×2 408像素，層厚1 mm，寬512 mm（圖1）。

1.2 圖像分割

“中國數字人”數據為彩色的光學圖像，含有豐富的人體信息。通過對包含心臟結構連續斷層圖像的觀察，除骨、肌等結構在圖像上有較明顯區別外，其余結構與周圍組織之間在色彩、紋理等特性方面區別較小，或沒有區別，另外相鄰斷層圖像之間相同結構邊界過渡也不完全相同，很難通過現有的分割軟件直接將心臟結構區分開來。我們使用photoshop軟件基于魔棒工具和套索工具進行心臟主要結構的人工分割，每個分割結構圖像區域填充一個唯一的RGB（紅綠藍）顏色，建立彩色的分割數據集（圖2）。

1.3 灰度處理

由于心臟分割后的彩色圖像集不能為目前的醫學三維成像軟件，如Mimics等接受，因此有必要將心臟分割圖作進一步的處理。我們將圖像中的每個像素增強對比度，從而對圖像進行調整。增強對比度實際是增強原圖的各部分的反差，可以通過增加原圖中某兩個灰度值之間的動態范圍來實現，即將原來的灰度范圍進行放大或縮小。這一方法還可有效地避免原始圖像心臟周圍組織對心臟結構建模的環境背景噪聲，即可以濾除非心臟區域的結構圖像。第三軍醫大學基于此原理開發了相應的軟件——CVH圖像處理軟件。將心臟分割圖像導入CVH軟件進行灰度處理，由于人工分割后的心臟結構的灰度值與周圍背景結構的灰度值相差較大，因此可以方便地得到較為清晰的心臟結構圖像（圖3）。

1.4 三維重建

將處理完的圖像導入Mimics軟件進行心臟結構的三維重建。由于人工分割時，層與層之間的邊界過渡不能保證完全一致，同時三維重建軟件本身也有一定的計算誤差，因此圖片會有毛刺、褶皺等現象，這與實際心臟的解剖結構有一定的差異，因此有必要對初步構建的心臟模型進行平滑處理。進行平滑處理的難點在于是否能夠保證平滑后的圖像較為真實地反映心臟實際結構。

首先，通過Mimics軟件計算初步得到的心臟三維模型的輪廓線，由于心臟表面本身較為光滑，而輪廓線之間的間隙極小，因此計算得到的輪廓線可以反映心臟結構。將輪廓線與心臟模型擬合，通過Mimics的區域生長和填充功能，根據輪廓線與初步重建的心臟模型間的擬合度，逐層人工填補修剪毛刺、褶皺等缺陷，得到較為平滑且與實際吻合度較高的心臟三維模型（圖4）。

圖1 心臟橫斷層原始圖像Fig.1The images of cross-section series of heart

圖2 圖像分割Fig.2Image segmentation

圖3 灰度處理Fig.3Grey Processing

圖4 心臟三維模型的重建Fig.4The 3D reconstruction of heart

2 結果

通過“中國數字人”數據集，人工分割心臟結構后進行三維重建的方法，得到了與實際較為吻合的心臟三維模型。模型中可以辨認出左右心房、左右心室及主要的血管及其主要分支，并能真實地反映出上述結構的毗鄰關系。

3 討論

本研究證明，靈活運用解剖學知識能分辨出心臟薄層結構及其邊界。采用Photoshop強大的圖像處理功能,及自主開發的圖像處理軟件,可以得到較為可靠的無背景噪聲的分割數據，并可滿足諸如Mimics等醫學圖像處理軟件的數據格式要求。從圖像的清晰度、與實際結構的吻合角度來看，基于“中國數字人”數據得到的組織器官三維模型相較目前已知的數學仿真建模方法而言更為逼真、可信[8]。

但是，該方法工作量較大，尤其體現在三維重建后的平滑處理方面。雖然Mimics具有通過設置平滑因子和迭代次數的方法實現平滑的功能，但因其不易真實反映實際結構而不能成為平滑處理的合適方法。從這個角度看，有必要開發一款軟件，通過輪廓線的法向擬合快速實現平滑，達到省時高效的目的。

本研究得到的心臟三維重建模型，可以按照不同角度，對心臟同一結構或區域進行觀察，并可以通過導出相應三維文件格式來進行二次開發，應用于虛擬介入手術，可以有效地提供術前規劃以及訓練的環境平臺。

[1]游箭,劉濤,譚立文,等.數字可視化人體和介入虛擬手術的研究趨勢[J].西部醫學,2011,23(4):601-603.

[2]郭燕麗,張紹祥,劉正津,等.首例中國可視化人體心臟三維重建及臨床意義[J].第三軍醫大學學報,2003,25(7):569-571.

[3]Spitzer VM,Ackerman MJ,Scherzinger AL,et al.The visible human male:a technical report[J].J Am Med Inform Assoc, 1996,3(2):118-130.

[4]Spitzer VM,Whitlock DG.The visible Human data set:the anatomical plat from human simulation[J].Anat Rec,1998,253 (2):49-57.

[5]Chung MS,Kim SY.Three dimensional image and virtual dissection program of the brain made of Korean cadaver[J].Yousei Med J, 2000,41(3):299-303.

[6]張彥,王惠.數字化虛擬人體的研究進展[J].醫學影像學雜志, 2006,16(4):414-416.

[7]張紹祥.中國數字化可視人體研究進展[J].中國科學基金,2003, 17(1):4-7.

[8]譚立文,張肖莎,宋林,等.數字化喉標本模型的建立與虛擬現實仿真[J].解剖學雜志,2009,32(2):230-233.

ObjectiveTo provide three dimensional anatomic data for the preparation of cardio surgery and surgical training in VR by 3D reconstruction of heart with Chinese digitized visible human.MethodsThe data of the series of heart sections on Chinese digitized visible human were distinguished and imported to Mimics for the 3D reconstruction of heart. ResultsThree dimensional heart were reconstructed.The structures could be displayed by multiple structural and color modes,individually or jointly.ConclusionThrough Chinese digitized visible human,the goal of 3D reconstruction of heart could be achieved.

Chinese digitized visible human;Heart;Three dimensional reconstruction

R319

A

1673－0364（2014）01－0008－03

Three Dimensional Reconstruction of Heart Based on Chinese Digitized Visible Human

JIANG Jun1,XIE Le1,FANG Binji2,ZHANG Shaoxiang2,ZHOU Chaozhen1.

1 The national center for digital manufacturing technology,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China;2 Department of Anatomy,Third Military Medical University of Chinese PLA, Chongqing 400038,China.Corresponding author:LIE Le(E-mail:lexie@sjtu.edu.cn).

2013年12月2日；

2014年1月9日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.003

國家自然科學基金重大項目課題（61190124、61190120）；國家自然科學基金項目（61311140171、60873131）；國家科技支撐計劃重點項目課題（2009BAI71B06）；國家高技術研究發展計劃（863）項目（2006AA01Z310、2009AA01Z313）；上海交通大學“醫工（理）交叉研究基金”項目（YJ2013ZD03、YG2012MS5）。

200030上海市上海交通大學國家數字化制造技術中心（蔣峻，謝叻，周朝政）；400038重慶市中國人民解放軍第三軍醫大學解剖學教研室（方彬吉，張紹祥）。

謝叻（E-mail：lexie@sjtu.edu.cn）。