浅谈人工骨外形三维建模技术

孙荣创

（陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000）

浅谈人工骨外形三维建模技术

孙荣创

（陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000）

人体缺损骨骼的制造与加工是医疗康复工程中的一个热点问题，制备人工骨的优劣直接影响到医学治疗的质量。为了满足不同患者的个体化需求，以成人股骨为研究对象，在个体患者螺旋CT断层扫描图像的基础上，应用计算机辅助几何设计的理论，结合计算机图型学和计算机图像处理技术，并运用医学图像软件、逆向工程软件及实体建模等计算机辅助软件，实现了缺损人工骨的外形建模。

CT图像;人工骨;图像软件;三维建模

0　引言

医学CT图像的三维表面建模技术主要是指以CT断层图像为基础，综合运用计算机图像处理、计算机图型学和计算机辅助几何设计等理论，构造人骨的CAD三维模型。

1　图像数据处理

先对CT切片图像进行平滑处理来消除噪声，再进行二值化处理；然后进行边缘检测，再经过轮廓跟踪处理，得到单像素链表示的封闭轮廓曲线。

（1）格式转换。先把DICOM图像转化为BMP位图文件。现在大部分软件都可以直接输入DICOM图像。

（2）图像预处理。CT图像的形成当中会引入不同的噪声,需要在对图像进行平滑和噪声去除预处理。采用中值滤波对图片进行平滑处理，可以克服线性滤波器如最小均方滤波、平滑滤波等所带来的图像细节模糊，而且对滤除脉冲干扰及图像扫描噪声最为有效，保护图像边缘的同时又能去除噪声。

（3）图像分割。图像分割也就是阈值变化，将骨组织区域分离出来。进行图像二值化可以采用Otsu的方法选取阈值。它是一种自动选取阈值的方法,它的算法准则是寻找使类内方差最小和类间方差最大的灰度值作为最佳阈值。

（4）轮廓提取。轮廓提取就是要得到骨组织区域边界曲线。先用提取边缘检测得到轮廓信息，再进行取样最终得到边界曲线。1）边缘检测是对图像的边缘进行处理获得闭合平滑的边缘信息。利用边缘检测算子进行图像边缘检测。图像矢量轮廓数据是点阵图型的矢量化，目的是沿着图像的边界进行搜索，并将搜索到的轮廓线上的点坐标记录在点列中存储。2）CT图像的反求技术的主要问题是减少数据量。由表面追踪技术得到的轮廓线存在大量的冗余数据，有必要进行轮廓采样。

2　重建人骨三维模型

断层图像三维重建就是从一系列的平行截面图像中恢复被重建对象原有的三维型貌，其主要步骤是：首先从各个截面图像中分割出感兴趣区的轮廓曲线，然后由这些轮廓曲线通过算法来构造出原有的三维型貌。

（1）曲线重建。轮廓提取得到的轮廓曲线一般都不太平滑，存在冗线和杂点。利用内插法或近似法进行曲线拟合，完成曲线光滑处理。每条轮廓曲线的控制点和起始点必须相同，这样可以保证曲面的质量。

（2）曲面生成。运用表面绘制方法进行三维重建。最具代表性的就是NURBS曲面拟合法。在造型软件中，主要是利用举升或者放样曲面造型(Loft)。经常使用的软件有：Pro/E、UG、Rhinoceros和Solidworks等。

（3）曲面实体化。在实体化以前，必须先对曲面的封闭性，连续度和几何误差等进行检测。曲面进行检验和修改后，使之满足使用要求。在Geomagic反求软件中可以对曲面进行必要的检测和修改。根据资料知各种领域对曲面的要求，将修改好的曲面导入到Pro/E三维软件中进行实体化造型。

3　重建成人股骨三维模型

利用MIMICS软件对成人股骨进行重建CAD三维模型。

3.1 数据来源

本例使用陕西中医学院附属医院提供的德国西门子Sensation-16型螺旋CT机，对成人股骨扫描的CT图片进行三维模型重建，得到200张DICOM图片。为了研究方便(全部重建，数据量大)，只重建前120张图片。

3.2 曲线及曲面建模

利用MIMICS软件逐层提取需要重建的解剖结构的二维轮廓，然后由软件自动生成三维影像，这种模型是表面模型(非实体)。具体过程如下：

将DICOM图片导入MIMICS软件，确定位置（top,bottom,left,right）。利用profleline工具查看所要重建区域的灰度值分布，点击Threshold按钮进行着色。利用calculatepolyline命令生成三维轮廓曲线。利用calculate3D命令进行曲面重建(软件默认：质量high;插补方法：等高线，平滑因子0.5及三角面的有关参数)。输出STL格式文件。想要满足特定要求可以进行参数重定义。

3.3 实体建模

（1）一般曲面模型。将STL文件导入逆向工程软件Geomagic8.0。通过三角面片的修改，利用Shapephase和Autosurface命令对模型进行三角面片到曲面的转化，并用3Dcompare进行模型误差分析，此时曲面为一般曲面（以三角面片转化，没经过改变）。结果显示：误差最大0.00934m,最小-0.00036m,平均0.000097m。

（2）NURBS曲面模型。再利用Fitsurface命令将曲面转化为NURBS曲面，并进行模型误差分析。转化的参数具体为：最大控制点为(MaximumControlPoint)20，容差(Tolerance)0.00001706m,表面张量(SurfaceTension)0.25，偏移百分率(OutlierPercentage)0.5。分析结果：误差最大0.00883m,最小-0.000358m,平均0.000094m。两次分析结果可以看出NURBS曲面误差要比一般曲面要小。

（3）实体模型。为了进行后续工作（微孔人工骨模型或有限元分析），有必要将曲面模型转化为实体模型。主要的方法有两个：（1）利用Geomagic软件（2）利用其它三维软件。

[1]唐泽圣.三维数据场可视化[M].北京:清华大学出版社,1999.

[2]吴峻松.假体工程学基础理论及制造技术临床应用研究[D].上海:上海交通大学,1999.

[3]G.T.Herman[美]著,严洪范等译.由投影重建图像—CT的理论基础[M].科学出版社,1985.

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.214