Mimics10.01三維重建分割方法的探究

摘要：目的 對Mimics10.01軟件在三維重建中的3種分割方式進行比較，為該軟件在基礎醫學等醫學領域的開發應用提供新的思路與方法。方法 選取100例無器質性病變的成年男性的肝臟器官，利用64位螺旋CT的薄層掃描技術，基于1.00mm層厚，1026層人體肝臟的連續斷層圖像，將其直接以Dicom格式的原始圖像讀入Mimics軟件中，采用\"直接分割\"、\"加法分割\"和\"減法分割\" 3種模型分割技術，獲得肝臟的輪廓及肝內血管系統的蒙板，將蒙板內相鄰像素連接并重組成圖像后獲得三維立體模型。結果 3種三維重建方法得到的肝臟模型輪廓清楚，可實現旋轉，方便角度、體積測量，并且可以得到任何重建模型的斷面。\"直接分割\"方法能夠較輕易地重建肝臟的血管主干及大的分支；\"加法分割\"方法可以在某個局部主動將幾條血管的2級、3級甚至終末分支實現重建；\"減法分割\"可以將視野內的幾乎所有血管的分支分割出來實現精確重建，三種方法重建出肝動脈、肝門靜脈和肝靜脈的個數之間比較，有顯著性差異（P<0.05）。結論 以上3種方法各有優、缺點，其中，\"減法分割\"方法重建比其他兩種方法信息丟失少，效果更加逼真，是目前可實現的最佳分割方式。

關鍵詞：Mimics；三維重建；重建方法；醫學影像學；肝臟；血管；男性

中圖分類號：R322.12，R445.3

醫學的發展，斷層圖像已不能滿足臨床的需要，面對平面描述人體內部信息不易獲得其精確空間位置關系的缺點，三維重建后的模型通過提供更加立體豐富的機體信息將問題迎刃而解[1，2]，因此三維重建技術在解剖學教學、科研、手術前規劃以及假肢的塑造等領域得到廣泛發展。如何用軟件實現精確的三維重建及測量成為當今醫學工程界研究的重點[3，4]。隨著技術的提高，重建模型的質量將不斷提高，其測量的方法也將被不斷優化。本文現以100例年齡分布在35～45歲的健康成年男性肝臟的CT掃描數據為基礎，探討現階段Mimics10.01軟件在三維重建過程中3種最常用的分割方法。

1資料與方法

1.1樣本獲取 對100例年齡在35～40歲的無肝臟疾病的健康成年男性，先進行血管的強化造影，然后應用64排螺旋CT以層厚1.00mm，掃描腹腔，獲得512×512矩陣的CT圖像1026層（Dicom格式）。掃描時人體處于平躺位[5]。

1.2設備 硬件：DELL INSPIRON（CPU Core i3 1.69GHz，內存 4.0G，WIN7系統）。軟件：Mimics10.01軟件。

1.3方法

1.3.1直接分割 將與肝臟有關的薄層CT掃描數據以Dicom格式導入Mimics軟件，生成肝臟的原始蒙板圖像，通過人工改變CT的窗寬和窗位，將所需要的結構更清楚地顯現。直接觀察相鄰多層CT片中血管的延續與走形，可較容易的識別肝內血管。選擇多層畫筆工具，在每一層CT片中將識別出的血管選中，作為分割對象，得到二維平面內的蒙板圖像。在三維實體菜單欄中導出新建的所有蒙板，在三維區域增長技術的基礎上將所選取區域內的相鄰像素連接并重組成圖像，得到肝臟血管的三維實體模型[6，7]。

1.3.2\"加法法則\"分割 將CT掃描數據導入軟件，生成肝臟的原始蒙板。利用\"profile line\"功能，在圖像中選取兩個點，并保證兩點的連線通過當前需要重建的結構的中心。確定后，軟件自動計算出兩點連線上各像素的灰度值，并以曲線的形式展現。打開閾值工具，移動兩條閾值水平線以調節其下限和上限，先將區間選在曲線的兩個極值處。參照多張CT片，逐步縮小區間的大小，大致估計所重建結構的閾值范圍。然后再在上、下限的數字調整面板內微調標尺所在的區間，使所需結構盡可能選取在被分割區域內，即可得到所需結構的灰度區間。新建蒙板，將剛才獲得所需結構的灰度區間調定為畫筆的閾值范圍，主動在需要重建的結構附近選擇工作區域或范圍，確認后，軟件將標記出工作區域內符合畫筆閾值設定的結構，并生成蒙板。在三維實體菜單欄中導出新建的所有蒙板。三維模型重建的重建過程如上。

1.3.3\"減法法則\"分割 利用上述的\"profile line\"工具或者查閱文獻獲得所重建結構的CT范圍。在建立蒙板時，為了避免遺漏，應盡可能多地將CT片中細小結構顯現出來。經反復測驗，須將預設蒙板的CT值區間適當擴大為原區間的105%～115%。新建蒙板時，選擇整張CT片作為工作區域，再對工作區域以設定的閾值范圍進行分割。所識別的結構中包含血管與非血管結構，通過\"橡皮擦\"工具再將CT片中非血管結構擦除，血管結構補實，即可導出分割后的最終蒙板。再將所有蒙板重建成三維模型。三維模型重建的重建過程如上。

2結果

2.1利用\"直接分割\"法建立肝臟的血管模型，見圖1。

2.2利用\"加法分割\"方法建立肝臟的血管模型，見圖2。

2.3利用\"減法分割\"方法建立肝臟的血管模型，見圖3。

3討論

Mimics10.01軟件在三維重建中的應用，隨著對人體形態學研究的深入和計算機技術在醫學上運用的發展，人體解剖結構的三維可視化已經成為可能。近年來，三維重建在科研和教學等領域得到廣泛發展，在人體可視化研究的基礎上可以建立可供手術和術前制定手術方案的虛擬環境，在外科手術教學等方面，具有不可替代和令人鼓舞的應用前景。三維模型可以通過提供更加立體豐富的機體信息，給予在可視化人體模型上進行解剖結構的多方位的更加直觀的展示。將放射造影后的掃描圖像運用3D 可視化技術進行血管的三維重建的過程較為簡便，所需時間只有十幾分鐘到幾十分鐘不等，但是如今三維重建的發展遇到一些瓶頸，其中最重要的一個瓶頸就是重建后結構模型的質量。當在輔助進行手術方案制定時，如果重建模型變形或部分缺失，必然會導致治療的耽擱或失誤。因此，如何將所需結構進行如實地重建已成為當今醫學界的重中之重，而模型重建的好壞又取決于圖像分割的好壞。目前，各種新型分割方法不斷涌現，現對3種分割方式優缺點進行比較，以尋求最佳分割方式，為三維重建的發展提供方向。

3.1三種分割方式的優點與缺點的比較 直接分割法 優點：直接分割方式可以在造影效果較佳時，迅速地通過肉眼識別建立起三維模型。在進行灰度區別明顯處分割時，直接分割方式省略繁瑣分割過程，大致重建出血管的1級、2級分支，能夠在第一時間對患者組織結構進行初步地了解，為急、重癥患者的診治節省時間。缺點：當造影效果不佳、組織血供不豐富或者血供豐富組織的血管分支達3級以上時，就無法準確識別較細的血管。另外，肉眼對CT片中相鄰像素的細小灰度差的敏感性因人而異，因而識別存在一些人為的誤差，導致血管的走形與管徑與真實情況不符。

\"加法分割\"法優點：\"加法法則\"分割方式是一種在需要重建的區域內手動確定閾值來主動尋找，并依賴程序篩選區域內所需結構的方法。這種方法既保留了個體選擇的靈活性，又保持了客觀性。由于程序識別閾值的精確性，使得小的血管例如3級甚至4級血管分支得以被識別分割[8，9]。此方法在實驗統計中，測得的二級以上血管數量與\"直接分割\"有顯著性差異（P<0.05）\"加法法則\"分割方式可以在時間較充裕的情況下對輕、中癥患者的病情進行分析，提高手術的成功率。缺點：首先，此方法的工作量較繁瑣；其次，此方法要求研究人員需要對所研究的結構有著深刻的認識。只有了解其在CT片中出現的位置，才能夠較準確地在所涂抹的區域找到結構。若對結構復雜、血管神經豐富的組織盲目尋找，勢必會出現紕漏。

\"減法分割\"法優點：\"減法法則\"分割方式在確定閾值范圍后完全依賴電腦程序，將CT片中所有在閾值范圍內的結構識別分割出來，杜絕主動尋找過程中出現遺漏的情況。形成的蒙板中已包含所有重建所需結構，只需將不需要的結構手動擦除即可完成全面的三維重建。此種方法具有極高的客觀性，既可以使極小的血管被識別分割，也解決了\"加法分割\"中產生遺漏的不足。此方法在實驗統計中，測得的二級以上血管分支數量與\"加法分割\"有顯著性差異（P<0.05）。通過\"減法分割\"測量肝臟動脈、肝門靜脈、靜脈的最小血管直徑分別為2.31mm±0.25mm，2.52mm±0.15mm，2.27mm±0.21mm；利用\"減法法則\"分割方式重建的模型具有極高真實性，可為術后康復情況提供比較依據。缺點：程序不論手術需要與否都會將閾值內的結構分割出來，增加了后期處理的復雜程度[10，11]。

3.2目前最佳的重建方法的選擇 通過3種方法的對比，\"減法分割\"方法可以應對較復雜的結構。并在大多數情況下，可以較全面地重建出所需要的結構，較為真實可靠，因此，\"減法分割\"可視為最佳選擇。其余2種分割方法除非在特殊情況下臨時應急使用外，其效果都較差于前者。

3.3三維模型的重組顯示方法 當在一套CT片中無法做出所有需要的結構時，可以選擇多套CT片。在每一套中將能夠分辨的結構分割出來，建立各個局部，并在特定部位做好標記。然后選擇STL+功能，將其導出。將所有導出的模型導入同一個界面內，按照之前所做的標記，通過移動功能將各個局部恢復到正常位置。此種方法使無法在同一界面內全部顯示的結構通過組合的方式顯示在同一界面內，彌補了CT片質量差、無法識別出各個局部的不足。

參考文獻：

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[2]徐亮，范蘆芳，周家鎮，等.對Mimics10.01軟件的三維實體重建方法的研究[J].中國現代藥物應用，2008（6）：32-34.

[3]王東，張挽時，熊明輝，等.螺旋CT 三維重建方法的探討[J].中國醫學影像技術，2000（3）：889-891.

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編輯/申磊