Mimics软件在医学图像三维重建中的应用

王 娇，刘 洋，张晓玲，王 衍，穆建玲，赵 燕

0 引言

医学图像三维重建是指利用科学计算可视化技术，将从医学影像设备获得的二维图像数据转换成三维数据，从而展示人体组织器官的三维形态并进行定性、定量分析的技术[1]。它是一项多学科交叉的研究课题，涵盖数字图像处理、计算机图形学、生物医学工程等技术。医学图像三维重建技术在医学教学、医学诊断、生物力学分析、模拟外科手术、放射治疗等方面具有非常重要的应用价值[2-4]，是当前的一个研究热点。很多研究者致力于将三维重建软件运用到目前普及使用的个人计算机上，重建和显示人体不同结构、组织的三维模型，为临床医师提供方便，提高工作效率。下面就从Mimics（Materiaise′s interactive medical image control system）软件的简介、医学图像三维重建的方法和Mimics在医学图像三维重建中的应用现状3个方面加以综述。

1 Mimics软件

医学影像处理软件Mimics是比利时Materialise公司的数字化三维交互式医学影像控制系统，是一套高度整合、简单易用的三维图像生成、编辑、处理软件[5]。通过输入各种二维的扫描数据（CT、MRI图像），重建精确的三维数字模型，以通用的计算机辅助设计（computer aided design，CAD）、有限元分析（finite element analysis，FEA）、快速成型（rapid prototyping，RP）等数据格式输出，在个人计算机上进行大规模的数据转换处理。Mimics软件包括RP Slice模块、STL+模块、Simulation 模块、MedCAD 模块、FEA模块。RP模块通过Slice格式在Mimics与多数RP机器之间建立接口，自动生成快速成型系统模型所需的支撑结构，针对RP机器进行精确而快速的数据转换，其中支撑的成孔技术不仅能使成型制造过程加快4倍，还能节省更多的材料及便于清理。STL+模块在Mimics和RP快速成型技术间进行三角片文件格式的交互，输出 SCII STL、Binary STL、DXF、VRML 2.0和PointClouds格式的文件，STL格式文件可用于任何RP机器上。Simulation模块可以实现对骨切开手术、分离手术及植入手术的模拟，也可用于示教解释手术植入的过程。MedCAD模块是医学图像与CAD之间的桥梁，通过双向交互模式实现医学扫描数据（CT、MRI）与CAD数据之间的相互转换，即将二维断层扫描数据（CT、MRI）转换成机械领域的CAD软件可以处理的资料格式。MedCAD模块还可以通过对大量测量数据进行统计学分析，为植入体的设计提供参考。FEA模块通过软件的网格重新划分功能对输入的数据进行最大限度的优化，基于灰度值提供了一种高效的材质分配方法，可以为三维模型精确地赋材质。通过不同的软件接口输出不同的有限元软件进行FEA有限元分析。

2 医学图像三维重建的方法

目前，能够产生适合三维重建图像数据的医疗设备大致有CT、MRI、超声波扫描（uhrasonography，US）、正电子发射断层扫描（positron emission tornography，PET）和单光子辐射断层摄影（single-photon emission computed tomography，SPECT）[6]等，这些设备产生的连续的二维断层图像属于有组织的结构化的体数据，而三维重建就是利用这些由医学成像设备获取的二维图像序列构建组织或器官的三维模型[7]，并在计算机屏幕上真实地显示。医学图像的三维重建包括对图像的预处理、组织器官的分割、模型构建、三维后处理等主要研究内容[8]。

2.1 图像预处理

医学图像数据在获取、传输和转换的过程中，图像质量会有所下降，例如灰度值变化、噪声污染、细节损失、几何畸变等，使得图像的信息量减少甚至产生错误。因此，在进行图像分析和处理前，需要对降质的图像进行一定的预处理。图像预处理的常用手段有图像滤波、图像增强、图像插值等[9]。图像滤波的目的是为了抑制噪声、提高信噪比，较常用的滤波方法有中值滤波法、邻域平均法。目前医学图像的质量比较高，一般不需要进行滤波。图像增强可以改善图像的视觉效果，便于计算机分析和处理。图像插值则是在连续的二维图像之间插值，当二维图像的间距比二维图像像素间的距离大得多时，就需要通过图像插值的方法创建一部分中间二维图像。

2.2 图像分割

图像分割是三维重建中关键的一步，目的就是将图像中感兴趣的区域提取出来。目前，医学图像分割的研究多数是针对CT和MRI图像的，具有模糊性和不均匀性的特点[10]，例如CT图像中同一种组织的CT值可能会有较大的差别，像骨组织中牙齿、鼻窦骨、四肢骨之间的密度就有很大的差别；CT值相同的不一定是相同组织，如肝脏和肾脏；同一组织不同位置的CT值也不一定相同，如四肢长骨骨松质和骨密质的密度。另外，人体内部组织的蠕动以及成像技术的噪声也是造成模糊性的原因。因此，医学图像分割的数据量大，分割要求相对较高，现在比较通用的方法是半自动的交互分割方法[11]。分割的医学图像既可以直接用于进一步的测量辅助诊断，还可以用来重建精确的三维模型。

2.3 重建显示

目前常用的重建方法主要有面绘制和体绘制[12]。面绘制是通过对物体表面进行拟合而忽略物体内部信息的重建方法。面绘制用到的是提取后的信息，数据量大大减少，只能提供物体的表面信息，无法刻画曲面内部复杂细微的结构，因此只适用于表面特征明显的组织，如骨骼。体绘制则能较好地显示出物体内部的真实形态，它是直接将三维数据转换成三维图像，具有面绘制没有的优点。体绘制技术大大丰富了可视化技术的理论，是目前研究的热点。

3 Mimics在医学图像三维重建中的应用

目前，CT、MRI等断层扫描技术广泛应用于临床诊断和治疗，但二维断层图像表达的是某一个截面的解剖信息，医生大多凭借经验由多幅二维图像去估计病灶的大小和形状，这就给治疗带来了困难。虽然目前绝大多数的CT、MRI设备都有配套的三维重建软件，但只能在特定设备下使用。影像科室的技术人员只能将重建好的三维图像依照他们的想法选择几个部位、角度拷贝成二维图像提交到临床医生手中。而在普通计算机上利用Mimics软件重建后的三维模型可以动态旋转观察，任意切割显示内部解剖结构，也可以对其进行编辑、修改[13]，临床医生可以更深入细致地对病灶进行定位、定性、定量分析，在此基础上可以进行术前手术方案设计、手术模拟，同时也为生物力学有限元分析提供精确的模型。

3.1 Mimics建模的基本步骤

3.1.1 读取图像

利用图像导入（import images）功能将CT或MRI断层图像导入Mimics软件中，自动定义前（anterior）、后（posterior）、左（left）、右（right）4 个方向，手动定义图像的上（top）和下（bottom）2个方向。软件将根据横断面图像自动生成矢状面和冠状面图像。

3.1.2 提取轮廓

进入三视图可编辑操作界面。利用阈值设定工具（thresholding）提取轮廓，如果阈值左区间设置得太低，将会提取许多噪点；反之，阈值左区间设置太高，则有许多组织丢失。轮廓提取的基本原则为：在保证重建组织被选取的情况下，尽量不使重建组织以外的结构出现轮廓阴影。通过看图观察，将轮廓的清晰度调节到合适的程度，界定阈值在合适的范围，形成蒙面（mask）。

3.1.3 选择热区

利用软件中的区域增长工具（region growing）进行热区选择，如果需重建的结构与周围组织灰度值相近，提取时则需采用人工识别的方法，对每层图像都要进行边缘分割、去除冗余数据、选择性编辑及补洞处理，这一过程要非常仔细地完成。

3.1.4 生成三维模型

基于3D插补法，利用软件的三维计算工具，分割（segmentation）菜单中的Calculate 3D，可将二维图像直接转化成三维模型，重建的模型外形逼真，可平移、缩放、任意平面切割、任意角度旋转，直接清楚地再现组织器官的三维立体形态。将重建好的三维模型以STL格式输出保存，即可得到重建的三维可视化模型。

3.2 Mimics建模的优点

利用Mimics软件对二维图像进行处理、定位，重建三维模型，该方法具有很多优点：（1）Mimics软件可以直接读取DICOM（DigitalImagingandCommunications in Medicine）数据。DICOM是美国国家电气制造商协会制定的医学图像存储与通信的标准格式，CT、MRI扫描产生的断层图像可以DICOM格式进行存储。Mimics软件有自动建模功能，对原始图像进行预处理时无需任何形式图像转换，大大减少了人为处理所造成的各种误差，避免了数据信息的丢失。（2）Mimics软件应用简单。在普通计算机上就可以进行大规模数据的转换处理，实现了快速化，缩短了建模时间。（3）建模速度快。Mimics软件可自动识别、读取DICOM格式的原始图像，短时间内便能读取数百张图片，原始数据的转化非常迅速；建模时无需进行手工确定节点坐标及其他处理，利用软件的自动三维重建功能可自动生成3D模型，大大提高了建模速度。（4）简化轮廓线提取的过程。用Mimics建模不但克服了通过轮廓线建模所遇到的困难，还可以弥补无法完整描述复杂外形的缺点从而直接生成3D模型。（5）模型精确度高。Mimics软件的FEA模块能对原始资料自动赋值，将材质分为10个等级，而不再是简单的区分为皮质骨和松质骨，使模型的材质更加精细，其物理特性更加接近于真实，这样就保证了所建模型的高精度。（6）Mimics软件重建的三维模型进行面网格优化后可直接转换为三维有限元软件可识别的格式，进而生成有限元模型，提高了工作效率。

3.3 Mimics建模的应用领域

3.3.1 医学诊断

在临床和医学研究中，CT扫描、磁共振扫描和超声波扫描都是医疗诊断有力的手段。运用三维重建技术对二维图像进行处理，构建三维数字模型，医生可以对感兴趣部位进行不同方向的观察、剖切，从而对病灶大小、形状和空间位置有定性的认识，同时还可进行定量分析。刘登均等[14]对18例齿状突骨折患者的上颈椎进行了三维重建，为诊断齿状突骨折、脱位及颈髓损伤提供了更为直观、立体的依据。Huhdanpaa等[15]利用Mimics重建肝脏三维模型，并在此基础上研究出一种肝硬化的定量诊断方法。

3.3.2 模拟外科手术

外科医生在三维模型上可以进行手术入路的分析，设计模拟多种手术方案，通过对各方案的比较，研究训练，提高手术的成功率。邵刚等[16]利用Mimics软件重建1名下颌骨前突伴颏部后缩畸形的患者的颅骨及软组织的三维数字化模型，并在此虚拟模型的基础上，模拟了骨组织的切割、平移和旋转等手术操作，预测了相应手术的术后软组织变化，为制定最佳手术方案提供了依据，同时患者也能在术前直观地了解预期的术后面貌外形，便于医患之间的交流。邵刚等[17]还运用Mimics软件进行了颅颌面的三维重建研究与虚拟手术设计，初步建立了数字化可视颅颌面虚拟手术仿真平台，并模拟了颌面外科常见的3种手术方式。Tejszerska D等[18]利用Mimics软件重建狭颅症患儿头颅三维模型，术前进行手术切口的模拟，为患儿提供了安全保障。

3.3.3 植入体模型的设计

将三维重建与RP技术相结合，可以满足个性化假体制造快速性、复杂性、多样性的特点，为个性化植入体的设计与制造提供了一个有效的途径。范芦芳等[19]利用Mimics软件构建颅骨缺损区植入体的模型，提高了颅骨缺损区植入体设计的精确度及去骨瓣减压术中去除颅骨面积的精度。付鑫等[20]利用Mimics软件重建胫骨平台骨折可视模型，并进行了开窗复位的模拟、植骨量估算、三维数据测量。何叶松等[21]创建了病体髋关节模型，并运用Mimics的MedCAD模块设计患者髋骨植入体的大小、形状，并对植入体的位置进行定位。

3.3.4 生物力学分析

谢宏刚等[22]利用Mimics软件重建的人体膝关节面网格化三维模型导入有限元软件，进行了膝关节的运动生物力学分析。通过此方法可以为各类田径运动员制定正确的训练方案，还可以为骨关节外伤患者不同时期功能锻炼的程度及方式提供科学化、规范化指导。尹一恒等[23]应用Mimics软件完成了枕寰枢的三维重建，为后续的相关生物力学分析提供了基础，具有较高的实用性和临床参考价值。

3.3.5 医学教学

重建的人体组织结构三维模型还可应用于医学教学，有助于学生直观地理解并记忆各解剖结构，也能清楚地观察到各结构的毗邻关系，可以作为学习人体组织器官等解剖结构的一种方法。李鉴轶等[24]利用Mimics对人体颈部和胸部组织结构进行三维重建，并将重建模型应用于本科学生的理论教学中。学生们普遍反应重建的三维模型形态逼真，解剖结构显示清楚，对于椎骨形态功能、肋骨走行的理解更加容易。大大降低了解剖学教与学的难度，从而提高了学习效率。

3.3.6 应用前景展望

随着CT、MRI等设备广泛应用于临床，利用CT、MRI设备进行人体组织结构三维重建也已相当普遍，但重建的三维模型只能在特定设备下使用，而Mimics软件可以实现个人计算机上的医学图像三维重建，重建的模型已应用于诊断、教学、生物力学分析、外科手术等多个领域，随着重建技术的日渐成熟，利用人体骨的三维模型进行力学分析研究即人体的力学分析研究将是一个新的方向，其主要目的是建立人体的运动力学模型，这将对人体仿生、运动功能修复等具有深远的意义。

4 结语

本文对mimics软件及其应用进行了概要阐述，从应用来看，利用软件重建的三维图像具有教学、诊断、术前术后、治疗等广阔的应用空间，因此三维模型将会成为临床应用的重点，它将进一步引导临床外科手术的发展。

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