Mimics三维重建模型在人体解剖学学习中的应用

王 卉，吴 涛

南方医科大学:1珠江医院;2微创外科解剖学研究所，广州 510515

人体解剖学学习的最终目的是了解正常活体情况下各器官结构的空间位置和形态。所以，在学习过程中必须完成知识从平面到立体、从静态到动态的转变。目前，普遍采用的是教科书、解剖图谱、实验室观察人体标本相结合的学习方法，强调教科书与图谱的结合。学习过程中需要通过二维平面图像发挥空间想象力构建人体三维立体结构，从而加强对人体结构解剖概念及空间形态的记忆，这对刚刚接触医学知识的医学生来说，其难度可想而知。Mimics图像三维重建软件，可以将二维断层序列图像转变为展现人体器官三维结构与形态的立体模型。使用这种模型可以使学生在虚拟三维空间对人体中感兴趣的对象放大、旋转和平移，近距离地观察了解人体内部复杂的空间关系，极大地拓展了“教与学”的方法和思路，对传统人体解剖学教学手段和学习方法产生了深刻的影响。

1 三维重建软件Mimics

1.1 概述

目前应用于医学图像三维重建的软件很多，Mimics交互式医学图像控制系统就是其中之一。Mimics是一套高度整合而且易用的3D图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据(CT、MRI)建立3D模型进行编辑，然后输出通用的CAD(计算机辅助设计)、FEA(有限元分析)、RP(快速成型)格式文件，可以在PC机上进行大规模数据的转换处理。它由RPSlice、STL+、Simn-Lation、MedCAD和FEA五个模块组成［1］。其中:①RP Slice模块为快速成型切片模块。通过切片文件提供了Mimics和其他快速成型系统之间的接口，并能自动生成快速成型系统模型所需的支撑结构。RP Slice模块能够利用彩色立体激光快速样板制造技术将肿瘤、牙根、腺体、神经网络在RP模型中高品质地显示出来，患者的信息也可以用彩色标签显示;②Simn-Lation模块，可以实现手术过程的模拟。通过人体测量分析模板对细部的数据进行分析，完成对骨切开手术及植入手术的模拟，也可以用于示教解释手术植入的过程;③MedCAD模块是医学图像和CAD之间的桥梁。通过双向交互模式进行沟通实现扫描数据与CAD数据的相互互换。目前CT、MRI等断层扫描技术在诊断方面应用相当广泛，但是，二维断层图像只是表达某一截面的解剖信息，很难建立起三维空间的立体结构。在放射治疗应用中，仅由二维断层图像上某些解剖部位进行简单的坐标叠加，不能给出准确的三维影像，容易造成病变(靶区)定位的失真与畸变［2］。如果通过Mimics将这些断层扫描图片进行三维重建，将二维断层图像序列转变为具有直观立体效果的图像，展现人体器官的三维结构与形态，可提供若干用传统手段无法获得的解剖结构信息，为提高医疗诊断和治疗规划的准确性与科学性打下坚实的基础。

1.2 Mimics三维重建的方法

1.2.1 图片导入 针对目前标准的DICOM文件格式，Mimics提供了自动的导入功能，用户只需要在导入向导的指引下就可以导入整个目录下的文件或是部分文件。同时，还可以通过半自动的方式导入BMP和TIFF文件，手动的方式导入其他的文件。如:收集双排螺旋颈胸部的影像CT数据，扫描范围为第1胸椎至第12胸椎，断层扫描层厚为 l mm，共262层，每一断面包含512×512个像素，作为胸廓三维重建的断层扫描图片，将图片依顺序排列(编号为0-261)，放入指定文件夹中备用［3］。

1.2.2 组织的提取及三维重建 导入原始的断层图片后，Mimics会自动计算生成冠状面图和矢状面图。Mimics用三个视图来显示这三个位置的图片，并且这三个视图是相互关联的(图1A)。右上图是原始的扫描图像，左上角和下角是由原始横断面图像计算生成的冠状面和矢状面图像，冠状面图像中横线指示横断面图像的位置，竖线指示矢状面位置，在矢状面图像中，竖线指示冠状面图像的位置。断层图片中，不同组织的灰度值不同，故此可以通过阈值来提取相应的组织(图1B)。通过准确的阈值设置提取组织，并通过看图，可检查所提取的组织是否合适。Mimics会将提取的像素存放在一个蒙罩(Mask)里，同时，Mimics提供一系列的工具编辑修改蒙罩，从而提取所需的组织。编辑好的蒙罩可以用来生成3D模型，这样就实现了2D断层扫描图片到三维实体的转换(图1C)。

图1 A为Mimics用户界面;B为设定恰当阈值提取组织;C为重建的三维模型

如:将前一步收集到的262张双排螺旋颈胸部的影像CT数据图片(图2A)，输入到Mimics软件，对图像进行三维重建。软件可再现颈胸部水平面、矢状面及冠状面的影像。利用软件自带的阈值设定选择拟重建部分，软件中以不同颜色显示各种拟重建结构，利用图像编辑功能对图像边界进行“添加”或“擦除”操作，这样可使重建图像更准确。建立脊柱、胸骨和肋骨的骨性胸廓3D模型，并在软件的有限元分析(FEA)模块中对模型进行表面网格划分。利用软件自带的“CT图像灰度一组织力学材料性质”关系公式，对三维胸廓体网格模型的各单元进行材质分配，材料和组织考虑为各向同性的线弹性材料，至此得出完整的人体胸廓有限元网格模型(图2B)。通过三维重建软件Mimics中阈值设定、图像编辑、区域增长、布尔运算及三维计算等功能对CT断层数据进行图像分割、重建，既可清楚、直观地再现胸廓整体的三维结构，也可单独显示肺、颈椎、胸椎、肋骨、胸骨等结构的三维形态［4］(图2C)。

2 Mimics在解剖学学习中的应用

图2 A为人体胸廓螺旋CT扫描断层影像;B为重建的人体3D模型;C为肺组织胸廓三维模型

三维重建软件Mimics支持多种格式的数据(如CT、MRI等影像学数据)，重建图像清晰，将其应用于解剖学教学、学习中可获得良好的效果。不足之处主要是:Mimics是单机注册版，且价格较高(整套Mimics系统报价约20万人民币)，限制了它的普及应用［5］。我们在膝关节的学习过程中，通过摸索，将Mimics与虚拟现实造型语言(VRML)编辑软件Vrmlpad相结合，选择正确的文件输出格式，建立基于Web的医学三维重建模型浏览网页，可以拓展教学内容，优化教学过程，有效提高优质资源的共享范围。

2.1 膝关节重建三维模型输出格式的选择

图3 膝关节三维解剖图谱网页

将膝关节的断层影像数据导入Mimics，通过Mimics自带的图像重建功能，建立膝关节各个部分的三维模型，构建模型如图3所示。在Mimics输出选项中选择输出格式为.wrl。.wrl是基于网络的虚拟现实文件格式，可以用Vrmlpad打开这种文件，将Mimics三维重建模型转换为VRML模型，在IE浏览器中安装Cortona3d插件后，IE即可具有浏览VRML三维模型的功能。

2.2 三维电子图谱网页的建立

膝关节三维解剖图谱利用Dreamweaver进行开发，内嵌VRML模型浏览器。为更好地用于解剖学教学，该网页还包括了文字及不同方位的二维图像。

2.3 应用效果

在个人计算机上安装相应的VRML插件，打开三维解剖图谱的网页后，即可浏览到膝关节的三维模型及二维图像。学习过程中三维模型的直观性得到充分体现，对照三维模型学习如同手持人体标本一样，结构清楚，易于理解，学生们普遍反映三维重建模型方位感强，解剖结构显示清楚，对于理解膝关节前、后交叉韧带的位置关系、半月板形态等都有很好的效果，同时还可以对照二维解剖学图谱及相关知识点，减小了解剖学的学习难度，提高了学习效率［6］。

3 几种医学三维重建方法比较

3.1 使用断层切片、CT和MRI数据通过Mimics软件进行重建

Mimics三维图像重建软件可以依据CT或MRI断层扫描数据，在普通计算机上进行三维重建。不仅可开展骨结构的三维重建，而且可显示皮肤等软组织结构，在安装了适当的相关软件后，重建的三维模型可以在普通的个人计算机上使用，从而大大方便了教学。对教师而言，首先可以很方便地进行解剖理论课的教学，各解剖结构的位置一目了然，不用再辛苦而且枯燥地描述各解剖结构的空间位置，学生理解及记忆能力也将明显提高。对学生而言，首先可以在个人电脑中近距离观察人体结构的三维形态和空间毗邻关系，不再需要辛苦地冥想各结构的立体位置。其次，基于Web的医学三维人体模型网页，相当于虚拟人体解剖学标本室，学生们可以随时登录服务器下载各种人体三维模型，自主地进行解剖学学习，满足个性化学习的需求。因而，Mimics三维图像重建软件适合在学习过程中广泛应用。

3.2 用三维激光扫描仪进行重建

激光三维扫描仪，适合骨形态的三维重建，其原理为:采用逐行扫描方式，通过偏转扫描激光头，线状激光束平行扫描骨结构表面，以一定扫描范围和间距测量并记录表面点空间位置，测量点数据形成点云以文件形式保存，扫描点云图形成物体的表面轮廓，通过相应的图像拼接软件完成骨外形的三维重建。该方法重建的三维模型有很大的局限性，它只能对骨的外形进行重建，无法对内部的骨小梁进行重建，也无法重建变形较大的软组织。由于扫描过程需要进行多次、分区域扫描，每次扫描局部表面，扫描完成后再进行点云拼接处理。即根据两幅邻近点云图中含有的公共表面部分进行图像自动匹配处理［7］。利用三维激光扫描技术获取的空间点云数据，可快速建立结构复杂、不规则场景的三维可视化模型，既省时又省力，这种能力是现行的三维建模软件所不可比拟的，现行此种建模方式主要适用于工程建模。

3.3 多层螺旋CT三维重建

临床影像中心的多层螺旋CT可对患者CT和MRI数据直接进行图像重建而获得三维图像。SGI工作站是其超高速三维重建的基础，形成的3D图像可以任意方向旋转和观察。利用Remove Object软件可快速去除非感兴趣区，在胆道CT造影、结肠CT造影、胃CT造影、股骨头游离、中耳半规管等特殊的三维重建中有独特的技术优势。多层螺旋CT三维重建需要大型、昂贵的数字设备支持，因此只能在影像中心的工作站中完成和使用，适用于临床诊断治疗。

三维模型的应用作为众多多媒体技术的一种，有着不可替代的作用和优势。在三维可视化状态下研究人体结构及其内在的解剖位置、参数，可克服诸多传统人体解剖学教学过程中的不足，使教学过程形象生动，教学内容易于理解，有利于医学生对人体解剖结构知识的理解和把握。

［1］付淼，李莉，何叶松.Mimics与医学图像三维重建［J］.中国现代医学杂志，2010，20(10):3030-3031

［2］洪锋，梅炯，李明禄.医学图像三维重建技术综述［J］.中国图像图形学报，2003，8(A):784-789

［3］李鉴轶，赵卫东，张美超，等.医学影像资料三维重建及在解剖学教学中的应用［J］.解剖学研究，2007，29(2):154-155

［4］胡辉莹，何忠杰，吕丽萍，等.应用Mimics软件辅助重建人体胸廓三维有限元模型的研究［J］.解放军医学杂志，2008，33(3):273-274

［5］方驰华，李晓锋.医学三维可视化仿真系统研究进展［J］.中国数字医学杂志，2009，4(7):25-27

［6］李鉴轶，张少华，焦培峰，等.膝关节三维解剖电子图谱的制作及在解剖学教学中的应用［J］.解剖学杂志，2011，34(1):138-139

［7］王殊轶，钱省三，葛斌，等.基于激光扫描人脸软组织三维重建研究［J］.上海理工大学学报，2008，30(1):64-66