人體斷面數字化數據庫的獲取與三維建模

侯發忠+饒利兵+范佳+丁黎明

摘要：文章介紹了一種器官圖像的切片采集、預處理、三維建模的方法。并以成人腦切片為例，敘述了重建的過程、技巧、改進的算法。結果表明：模型的精確性、光滑度、逼真性得到了一定程度的提高。

關鍵詞：器官切片；模板配準；三維重建

中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0094-02

我國于2001年在北京香山召開的主題為“中國數字化虛擬人體科技問題”的第174次香山科學會議后，啟動了中國數字化虛擬人體的研究。主要工作是將人體從頭頂至腳跟橫切成16600片，每個切片經拍照分析后將原始數據輸入計算機整合，在計算機里合成一個三維立體的人體結構，成功獲取了虛擬中國人體。該文將從面向教學應用入手進行人體器官削切及和結構三維建模方面的一系列研究，探索了適合醫學院校實際的人體器官和結構的數字化及三維建模的模式流程、關鍵技術。

1 切片三維建模流程及其方法

人體切片圖像的三維建模主要是指以削切冰凍器官成斷層圖像為基礎，綜合運用各種圖像處理技術，構造成三維可視化模型。其過程關鍵步驟如圖1所示。

1.1 實驗前準備

1.1.1 建立獨立銑切冷凍室

建立獨立的銑切冷凍工作室并澆筑機床基座，控制工作室溫度在0℃～-10℃之間。

1.1.2 鉆銑車床改造

選用了立臥式（ZX5026）鉆銑床[9]，選取的銑切設備間矩高達 0.33mm，極易受震動干擾，如圖1、a所示。鉆銑床原裝100mm直徑刀盤不能一次性、完整地銑削出標本的水平斷面。將刀盤直徑增加至300mm，在刀盤平均裝上定制的3塊80mm×30mm鎢鋼銑刀，如圖2、f所示。

另外，鉆銑床原裝的固定槽過小，不能固定包埋體。通過實驗，安裝2個特制螺絲板于滑動臺用于固定標準，如圖2、d所示。

1.1.3 相機的選取與安裝

（1）相機的選擇：因照片質量要求非常高，要在進行冷凍切片時自動對焦，通過計算機操作空進行拍照。經過比較后，選擇了佳能EOS7D數碼相機配上佳能EF24mm f/1.4 L鏡頭，最高像素1800萬、最高分辨率5 184×3456、高ISO感光度、經改造后支持計算機控制拍照。

（2）相機的固定：采用獨立三腳架固定最大限度的降低削切過程產生的震動影響，最大限度的保證圖像的垂直最大化和平面化。如圖2、b所示。

1.2 實驗標體處理

（1）標本的選擇 遵循我國現行法律、法規，參照“相對標準中國人體”[9]標本納入標準：無器質性病變、無明顯缺損、覆蓋廣代表性強。

（2）顯色灌注 為使切割后的小動脈與小靜脈容易區分，提高虛擬人體血管系統的分辨率，先要對標本快速預處理，選用紅色乳膠填充劑，通過頸靜脈進行了標本動脈灌注，注意無需灌注大量福爾馬林，以減少標本變形。

（3）定位、冷凍與包埋 將標本按照標準解剖學姿勢定位后，置-30℃冷庫冷凍至少3天后取出，裝入專用包埋盒內，用聚氨酯包埋劑將標本取頭部，包埋成250mm×180mm×400mm的立方體，并于四個角與人體平行植入備圖像配準使用的四根彩色定位桿，置-30℃冷庫冷凍，1周后可以使用。

1.3 斷層數據獲取

人橫斷面的銑削。開啟室內冷凍裝置，將室溫降到-10℃，調試機器后將標本固定在滑動臺槽內，并扭緊固定螺絲板。參照解剖學定位方式調整銑削床主軸間隙，開動刀盤同時左右移動滑動盤，最大限度的銑削掉標本表面的包埋劑。待標本顯露后銑削主軸間隙以0.05mm隨銑削次數遞減，同時以0.02，mm等間距向下方向銑削標本斷面，標準橫斷面殘渣及時用解剖刀清理干凈并采集圖像進行儲存。采集獲得圖像像素達1700多萬，分辨率約為5200×3500，圖像大小約為11M左右，圖像質量連續性非常好，獲得位置穩定，可以非常直觀的應用于三維數字重建體系，如圖3。

1.4 切片圖像層間配準處理

與CT圖像不同的是經獨立采集后的切片圖像是一個個單獨獨立的文件，外圍不感興趣區域也很大，需要做截圖處理，無形中對切片圖像采集的總體質量提出了較高的要求。手工勞動是無法達到這個要求的，于是模版匹配法被應用于圖像采集。模版匹配法的定義：預先定義一個小圖像，以截取預埋為標桿，通過模版預先設定圖像與切片源圖像的比較，通過特定的計算機算法對源圖像進修全方位搜索，確認源圖像中與預先設定的模版圖像有無相似及相同區域，標注確定好相似或相同區域，找出中心位置并在左上角起始處規定矩陣坐標位置，再截取并固定圖像的大小。如圖4所示。

1.4.1 標準算法

算法設G（x，y）為M×N的源圖像，T（j，i）為j×i（j

式（1）

由上式展開可得：

令

；

；

1.4.2 實驗截取結果及性能分析

實驗結果表明，特定的計算機算法可以精確的找到了模板圖，且標志圖、模板圖大小完全一致，中心位統一，模板和匹配圖及其歸一性NC值如表1所示。

1.5 圖像的分割處理

圖片的閾值最大化類間方差線如圖5所示，交互式選取分割上下界限后，再經開、閉運算后分割實驗結果如圖6所示。

2 性能分析

經上述方法處理圖像，采matlab程序建模，并進一步對其進行修潔，并構建CAD模型如圖7所示，與之同時，采用同樣的程序對同一部位的CT圖像建模，實驗結果如圖8所示，對比分析可以看到，切片圖片重建后的圖像清晰，曲面圓滑。

3 結語

近年來，隨著醫學斷層三維重建相關研究的發展，不同研究機構的研究過程略有不同。文章從削切冰凍實體標本來采集數據進行建模，詳細論述了過程中各環節的關鍵技術。數據庫采集不同于CT掃描，實現了圖像真顏色采集；在圖片層間配準上采用算法控制、自主程序截取，匹配率高，速度快，歸一性好；另外改進了分割算法，分割界度準確，建立模型的精確性、光滑度、逼真性得到了一定程度的提高；自主編制的程序功能專一、操作簡單，便于非計算機專業的臨床專業人員操作、應用。

參考文獻

[1]王俊，等.基于圖像匹配-點云融合的建筑物立面三維重建[J].計算機學報，2012，35（10）：2072-2079.

[2]楊軍，石傳奎，等.基于序列圖像的魯棒三維重建方法[J].計算機應用，2011，31（6）：1566-1568.

[3]李剛，樊曉平.一種新的輪廓提取方法及其在MR-CT配準中的應用[J]，小型微型計算機系統，2010（3），535-537.

[4]謝正蘭，等.一種數字化斷層數據獲取的方法[J]，解剖學雜志，2011，（1），131-133.

[5] 徐凱.多模態醫學圖像的配準與融合技術研究及應用[D].重慶理工大學，2011.