Mimics软件在数字骨科的应用数字骨科入门(四)

尹庆水,万 磊

Mimics软件在数字骨科的应用数字骨科入门(四)

尹庆水,万 磊

数字骨科学；软件

1 Mimics软件概述

Mimics是Materialise公司交互式医学影像控制系统（Materialise's interactive medical image control system）的缩写，在英文中Mimics亦有模仿、模拟之义。位于比利时的Materialise公司成立于1990年，是当时欧洲第一批快速原型（rapid prototyping，RP）技术服务机构之一，目前已成为全世界RP相关解决方案的领跑者。目前Materialise在全球各大洲均有自己的分支机构，为各国研究人员提供母语化服务。Mimics Innovation Suite（MIS）即为Materialise公司推出的、用于生物医学相关领域的创新解决方案，它以Mimics为基本功能模块，针对断层扫描图像进行分析提取、三维重建，并提供后续的RP模型输出、手术规划模拟、计算机辅助设计（computer aided-design，CAD）、有限元分析（finite element analysis，FEA）和计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）前处理单元。

2 MIS在医学图像可视化中的应用

Mimics允许输入二维断层图像数据（如各类CT、MRI扫描数据），能够提供用户自定义的输入模块，可支持BMP、JPG、TIF和RAW等多种文件输入格式。其在基础图像处理分割提取及可视化方面有着不可替代的优势。

自12.0版本起，Mimics增加了图像滤波器，对于一些质量较差的MRI图像以及MicroCT、techCT图像进行有效的降噪和光顺边缘处理；其具备的基于灰度值的阈值分割提取功能可使不同的组织从原始二维图像中独立出来；其拥有的区域增长工具可去除悬浮的细小噪声，动态区域增长工具则可用来提取血管、神经。强大的手动编辑工具更是提取复杂结构所不可缺少的，多层之间的插值算法符合生物组织渐变的特点，减少了个体的编辑量；而自动识别灰度变化边缘的工具flood-fill和livewire使手动编辑的主观因素降至最低。在可视化方面，梯度的透明化选项可以更好地观察不同对象之间的关系；对个别观察对象的剖切更有利于维持其与断层图像在三维空间的相互关系（图1，2）；对于一些包含三维数位相机影像的模型，Mimics甚至可以将数位照片贴至模型表面，从而赋予模型更丰富的表面信息特征。

作者单位：510010广州军区广州总医院骨科医院

3 MIS在RP制造中的应用

Materialise在处理曲面网格方面有超过20年的经验，因此Mimics可以输出水密性的STL文件，用以保证RP的加工质量（图3）。RP切片模块允许用户选择层的厚度、切片解析度和切片文件的比例因子；切片文件可保存为以下几种格式：普通层接口文件（*.cli）、三维系统层接口文件（*.stl）和三维系统层轮廓文件（*.slc）。在RP模型的生产中，对于需要支撑的切片文件（SLI、SLC和CLI），轮廓支撑生成器会自动计算支撑结构，这是一种准备文件的快速方法，专利的穿孔支撑技术较之传统技术更易于被清除，材料消耗更少，而制造速度却提高了4倍之多。

4 MIS在有限元分析及计算流体力学中的应用

Mimics为FEA、CFD提供基于扫描数据建立的模型，然后对表面数据进行优化并进一步生成体数据，以应用于FEA分析中。其网格优化功能可提供多达11种的通用质量控制参数，用户通过选取最适合的参数来简化三角片质量控制。这一参数化控制过程显著提高了STL对象的质量和处理速度，方便地将不规则三角片转化为相对更等边的三角形，在进一步的自动优化功能运用时能够实现更为专业的自动或手动优化，从而更好地进行FEA分析。系统在优化面网格的基础上自动生成体网格，并对体网格的数量进行控制；建立体网格模型后，再基于扫描数据计算出每个单元的灰度值；根据不同的灰度范围定义相应的材料属性，将其分配给不同的单元，从而使仿真的结果更加符合真实的生理情况（图4）。整个过程在离散化的层面进行，不需要冗长复杂的逆向工程过程，在保证模型精度的条件下完成FEA/CFD前处理可以节省80%以上的时间，尤其是对复杂的蜂窝状结构、骨小梁结构以及其他无法用逆向工程获取几何模型的复杂结构，MIS提供了唯一可行的解决方案。

图1 骨骼与血管的可视化 图2 手部骨骼与软组织的可视化 图3 快速原型修补下颌骨缺损 图4 足部有限元计算 图5 膝关节假体个体化设计 图6 人工股骨头手术模拟

5 MIS在个体化植入体设计中的应用

Mimics为CAD提供了完整的解决方案，借助MedCAD模块对生成模型进行轮廓线以及简单拟合曲面的提取，并以*.igs的格式输出；3-matic的CADlink模块更是提供了自动化面片划分和特征提取的工具，对复杂生物模型进行一键式的IGS及STP文件输出。目前3-matic支持STL、WRL、OBJ、IGS、STP和UG、CATIA、Pro/E等CAD软件输出文件以及 Ansys、Abaqus、Comsol、Nastran、Patran、Fluent等FEA/CFD软件输出文件的读取，且可以直接读取Magics以及Mimics的工程文件，真正实现了多种数据来源的融合。3-matic design模块提供能够在三角片层面上进行的CAD工具，因而无需对复杂模型进行繁琐的逆向工程操作便可直接读取Mimics文件，同时还可针对基于模型本身的结构进行个体化植入体的设计，从而保证设计与人体结构的一致性（图5）。此外，3-matic提供高级的测量分析工具，能够对模型的壁厚、曲率以及两个模型之间的形态差别进行对比定量分析；MedCAD模块还提供针对血管外科的CAD工具，可通过对模型中心线的测量，进行一系列关于血管直径、曲率以及截面周长、面积等参数的测量，并且可以定义CFD分析所需要的inlet/outlet。

6 MIS在手术模拟计划中的应用

Mimics手术模拟模块可以针对提取的三维对象进行切割、分离、重新定位以及镜像处理、大小缩放、布尔运算等操作；模拟植入体放置、定位（图6），判断植入体放置后需去除的骨量；提供多种人体学测量模板，用户可对需要的测量模式进行自定义，测量的结果可通过文本格式输出以便进行统计学分析。

7 MIS在多孔材料分析中的应用

Mimics的孔隙结构分析模块可以测量复杂多孔结构的孔隙率、孔连通性、平均孔径、比表面积、孔囊尺寸分布以及孔喉尺寸分布（图7），将复杂的过程简化为一步操作。

图7 多孔材料设计与测量 图8 MIS在先天性尺桡骨畸形截骨矫形中的应用 8A术前X线 8B术前CT扫描图像 8C术前三维模型 8D畸形骨骼与正常结构对比观察结果 8E模拟截骨延长 8F模拟矫形旋转 8G正常、畸形骨骼实物模型 8H术后X线片

8 MIS的特点

Mimics是快速、便捷、强有力的三维图像处理和编辑系统。它具有以下优点：（1）采用直观的用户界面，使用方便，独具特色；（2）分割工具允许用户选择感兴趣的区域，只需几个单击操作即可转换成三维模型，并可在此模型上实时执行旋转、平移放大和改变透明度等操作；（3）数据更加简单有序，易于寻找相关工具和功能；（4）可导入任意二维图像并在此基础上获得三维重建模型；（5）除DICOM格式外，还可导入多种图形格式如CT、Tech CT、MRI以及显微镜数据等；（6）可根据用户具体的技术要求和应用需要进行量身定做，每个模块都可输出用户需要的文件格式；某些模块还可提供专门的应用功能（如用于计算机辅助手术等），具有较好的拓展性。

Mimics亦存在不足之处，其对有限元的支持有待加强。运用Mimics的FEA模块基本上只能生成单一的被分割部分的表面网格，且网格质量无法保证。病理单元和退化单元的存在使表面网格通常需要进行修正才可输出到第三方软件中进行网格划分，而为了进行基于信号强度的材料属性的设定，这些以有限数量格式表示的网格化模型需要重新导入至一个小的应用程序进行体网格划分后再导回Mimics中。故对于模拟内固定手术，采用Mimics进行有限元前处理将比较复杂。

9 MIS应用举例

患者，女性，7岁，因右前臂畸形3年入院。查体：右肘关节处可见桡骨小头突出，右前臂呈弧形向外弯曲，右腕关节内侧空虚。辅助检查：X线示右侧近段尺桡关节脱位，右尺桡骨畸形（图8A）。术前行患肢CT扫描（图8B），扫描层厚1 mm，获得病变骨骼的细间距断面图像，以DICOM格式保存，输入Mimics软件进行数据分割及三维数字化重建，获得患者患肢的三维模型（图8C）。将畸形骨骼与正常骨骼叠加对比观察（图8D），研究畸形的角度、长度及严重程度，模拟截骨延长（图8E），进而进行模拟旋转矫形（图8F），获得矫形结果。将患肢三维仿真模型数据输入RP机进行RP制造，得到骨骼实物模型（图8G）。制定手术方案为“右尺桡骨近端关节复位+右尺骨延长+右桡骨截骨矫形术”并实施手术。术后X线片显示畸形矫治满意（图8H）。

R68,R319.1

A

1674-666X(2010)02-0137-03

2010-05-24；

2010-06-10）

（本文编辑 白朝晖）

10.3969/j.issn.1674-666X.2010.02.011

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