王 卉，吳 濤

南方醫(yī)科大學:1珠江醫(yī)院;2微創(chuàng)外科解剖學研究所，廣州 510515

人體解剖學學習的最終目的是了解正?；铙w情況下各器官結構的空間位置和形態(tài)。所以，在學習過程中必須完成知識從平面到立體、從靜態(tài)到動態(tài)的轉變。目前，普遍采用的是教科書、解剖圖譜、實驗室觀察人體標本相結合的學習方法，強調(diào)教科書與圖譜的結合。學習過程中需要通過二維平面圖像發(fā)揮空間想象力構建人體三維立體結構，從而加強對人體結構解剖概念及空間形態(tài)的記憶，這對剛剛接觸醫(yī)學知識的醫(yī)學生來說，其難度可想而知。Mimics圖像三維重建軟件，可以將二維斷層序列圖像轉變?yōu)檎宫F(xiàn)人體器官三維結構與形態(tài)的立體模型。使用這種模型可以使學生在虛擬三維空間對人體中感興趣的對象放大、旋轉和平移，近距離地觀察了解人體內(nèi)部復雜的空間關系，極大地拓展了“教與學”的方法和思路，對傳統(tǒng)人體解剖學教學手段和學習方法產(chǎn)生了深刻的影響。

1 三維重建軟件Mimics

1.1 概述

目前應用于醫(yī)學圖像三維重建的軟件很多，Mimics交互式醫(yī)學圖像控制系統(tǒng)就是其中之一。Mimics是一套高度整合而且易用的3D圖像生成及編輯處理軟件，它能輸入各種掃描的數(shù)據(jù)(CT、MRI)建立3D模型進行編輯，然后輸出通用的CAD(計算機輔助設計)、FEA(有限元分析)、RP(快速成型)格式文件，可以在PC機上進行大規(guī)模數(shù)據(jù)的轉換處理。它由RPSlice、STL+、Simn-Lation、MedCAD和FEA五個模塊組成［1］。其中:①RP Slice模塊為快速成型切片模塊。通過切片文件提供了Mimics和其他快速成型系統(tǒng)之間的接口，并能自動生成快速成型系統(tǒng)模型所需的支撐結構。RP Slice模塊能夠利用彩色立體激光快速樣板制造技術將腫瘤、牙根、腺體、神經(jīng)網(wǎng)絡在RP模型中高品質(zhì)地顯示出來，患者的信息也可以用彩色標簽顯示;②Simn-Lation模塊，可以實現(xiàn)手術過程的模擬。通過人體測量分析模板對細部的數(shù)據(jù)進行分析，完成對骨切開手術及植入手術的模擬，也可以用于示教解釋手術植入的過程;③MedCAD模塊是醫(yī)學圖像和CAD之間的橋梁。通過雙向交互模式進行溝通實現(xiàn)掃描數(shù)據(jù)與CAD數(shù)據(jù)的相互互換。目前CT、MRI等斷層掃描技術在診斷方面應用相當廣泛，但是，二維斷層圖像只是表達某一截面的解剖信息，很難建立起三維空間的立體結構。在放射治療應用中，僅由二維斷層圖像上某些解剖部位進行簡單的坐標疊加，不能給出準確的三維影像，容易造成病變(靶區(qū))定位的失真與畸變［2］。如果通過Mimics將這些斷層掃描圖片進行三維重建，將二維斷層圖像序列轉變?yōu)榫哂兄庇^立體效果的圖像，展現(xiàn)人體器官的三維結構與形態(tài)，可提供若干用傳統(tǒng)手段無法獲得的解剖結構信息，為提高醫(yī)療診斷和治療規(guī)劃的準確性與科學性打下堅實的基礎。

1.2 Mimics三維重建的方法

1.2.1 圖片導入 針對目前標準的DICOM文件格式，Mimics提供了自動的導入功能，用戶只需要在導入向導的指引下就可以導入整個目錄下的文件或是部分文件。同時，還可以通過半自動的方式導入BMP和TIFF文件，手動的方式導入其他的文件。如:收集雙排螺旋頸胸部的影像CT數(shù)據(jù)，掃描范圍為第1胸椎至第12胸椎，斷層掃描層厚為 l mm，共262層，每一斷面包含512×512個像素，作為胸廓三維重建的斷層掃描圖片，將圖片依順序排列(編號為0-261)，放入指定文件夾中備用［3］。

1.2.2 組織的提取及三維重建 導入原始的斷層圖片后，Mimics會自動計算生成冠狀面圖和矢狀面圖。Mimics用三個視圖來顯示這三個位置的圖片，并且這三個視圖是相互關聯(lián)的(圖1A)。右上圖是原始的掃描圖像，左上角和下角是由原始橫斷面圖像計算生成的冠狀面和矢狀面圖像，冠狀面圖像中橫線指示橫斷面圖像的位置，豎線指示矢狀面位置，在矢狀面圖像中，豎線指示冠狀面圖像的位置。斷層圖片中，不同組織的灰度值不同，故此可以通過閾值來提取相應的組織(圖1B)。通過準確的閾值設置提取組織，并通過看圖，可檢查所提取的組織是否合適。Mimics會將提取的像素存放在一個蒙罩(Mask)里，同時，Mimics提供一系列的工具編輯修改蒙罩，從而提取所需的組織。編輯好的蒙罩可以用來生成3D模型，這樣就實現(xiàn)了2D斷層掃描圖片到三維實體的轉換(圖1C)。

圖1 A為Mimics用戶界面;B為設定恰當閾值提取組織;C為重建的三維模型

如:將前一步收集到的262張雙排螺旋頸胸部的影像CT數(shù)據(jù)圖片(圖2A)，輸入到Mimics軟件，對圖像進行三維重建。軟件可再現(xiàn)頸胸部水平面、矢狀面及冠狀面的影像。利用軟件自帶的閾值設定選擇擬重建部分，軟件中以不同顏色顯示各種擬重建結構，利用圖像編輯功能對圖像邊界進行“添加”或“擦除”操作，這樣可使重建圖像更準確。建立脊柱、胸骨和肋骨的骨性胸廓3D模型，并在軟件的有限元分析(FEA)模塊中對模型進行表面網(wǎng)格劃分。利用軟件自帶的“CT圖像灰度一組織力學材料性質(zhì)”關系公式，對三維胸廓體網(wǎng)格模型的各單元進行材質(zhì)分配，材料和組織考慮為各向同性的線彈性材料，至此得出完整的人體胸廓有限元網(wǎng)格模型(圖2B)。通過三維重建軟件Mimics中閾值設定、圖像編輯、區(qū)域增長、布爾運算及三維計算等功能對CT斷層數(shù)據(jù)進行圖像分割、重建，既可清楚、直觀地再現(xiàn)胸廓整體的三維結構，也可單獨顯示肺、頸椎、胸椎、肋骨、胸骨等結構的三維形態(tài)［4］(圖2C)。

2 Mimics在解剖學學習中的應用

圖2 A為人體胸廓螺旋CT掃描斷層影像;B為重建的人體3D模型;C為肺組織胸廓三維模型

三維重建軟件Mimics支持多種格式的數(shù)據(jù)(如CT、MRI等影像學數(shù)據(jù))，重建圖像清晰，將其應用于解剖學教學、學習中可獲得良好的效果。不足之處主要是:Mimics是單機注冊版，且價格較高(整套Mimics系統(tǒng)報價約20萬人民幣)，限制了它的普及應用［5］。我們在膝關節(jié)的學習過程中，通過摸索，將Mimics與虛擬現(xiàn)實造型語言(VRML)編輯軟件Vrmlpad相結合，選擇正確的文件輸出格式，建立基于Web的醫(yī)學三維重建模型瀏覽網(wǎng)頁，可以拓展教學內(nèi)容，優(yōu)化教學過程，有效提高優(yōu)質(zhì)資源的共享范圍。

2.1 膝關節(jié)重建三維模型輸出格式的選擇

圖3 膝關節(jié)三維解剖圖譜網(wǎng)頁

將膝關節(jié)的斷層影像數(shù)據(jù)導入Mimics，通過Mimics自帶的圖像重建功能，建立膝關節(jié)各個部分的三維模型，構建模型如圖3所示。在Mimics輸出選項中選擇輸出格式為.wrl。.wrl是基于網(wǎng)絡的虛擬現(xiàn)實文件格式，可以用Vrmlpad打開這種文件，將Mimics三維重建模型轉換為VRML模型，在IE瀏覽器中安裝Cortona3d插件后，IE即可具有瀏覽VRML三維模型的功能。

2.2 三維電子圖譜網(wǎng)頁的建立

膝關節(jié)三維解剖圖譜利用Dreamweaver進行開發(fā)，內(nèi)嵌VRML模型瀏覽器。為更好地用于解剖學教學，該網(wǎng)頁還包括了文字及不同方位的二維圖像。

2.3 應用效果

在個人計算機上安裝相應的VRML插件，打開三維解剖圖譜的網(wǎng)頁后，即可瀏覽到膝關節(jié)的三維模型及二維圖像。學習過程中三維模型的直觀性得到充分體現(xiàn)，對照三維模型學習如同手持人體標本一樣，結構清楚，易于理解，學生們普遍反映三維重建模型方位感強，解剖結構顯示清楚，對于理解膝關節(jié)前、后交叉韌帶的位置關系、半月板形態(tài)等都有很好的效果，同時還可以對照二維解剖學圖譜及相關知識點，減小了解剖學的學習難度，提高了學習效率［6］。

3 幾種醫(yī)學三維重建方法比較

3.1 使用斷層切片、CT和MRI數(shù)據(jù)通過Mimics軟件進行重建

Mimics三維圖像重建軟件可以依據(jù)CT或MRI斷層掃描數(shù)據(jù)，在普通計算機上進行三維重建。不僅可開展骨結構的三維重建，而且可顯示皮膚等軟組織結構，在安裝了適當?shù)南嚓P軟件后，重建的三維模型可以在普通的個人計算機上使用，從而大大方便了教學。對教師而言，首先可以很方便地進行解剖理論課的教學，各解剖結構的位置一目了然，不用再辛苦而且枯燥地描述各解剖結構的空間位置，學生理解及記憶能力也將明顯提高。對學生而言，首先可以在個人電腦中近距離觀察人體結構的三維形態(tài)和空間毗鄰關系，不再需要辛苦地冥想各結構的立體位置。其次，基于Web的醫(yī)學三維人體模型網(wǎng)頁，相當于虛擬人體解剖學標本室，學生們可以隨時登錄服務器下載各種人體三維模型，自主地進行解剖學學習，滿足個性化學習的需求。因而，Mimics三維圖像重建軟件適合在學習過程中廣泛應用。

3.2 用三維激光掃描儀進行重建

激光三維掃描儀，適合骨形態(tài)的三維重建，其原理為:采用逐行掃描方式，通過偏轉掃描激光頭，線狀激光束平行掃描骨結構表面，以一定掃描范圍和間距測量并記錄表面點空間位置，測量點數(shù)據(jù)形成點云以文件形式保存，掃描點云圖形成物體的表面輪廓，通過相應的圖像拼接軟件完成骨外形的三維重建。該方法重建的三維模型有很大的局限性，它只能對骨的外形進行重建，無法對內(nèi)部的骨小梁進行重建，也無法重建變形較大的軟組織。由于掃描過程需要進行多次、分區(qū)域掃描，每次掃描局部表面，掃描完成后再進行點云拼接處理。即根據(jù)兩幅鄰近點云圖中含有的公共表面部分進行圖像自動匹配處理［7］。利用三維激光掃描技術獲取的空間點云數(shù)據(jù)，可快速建立結構復雜、不規(guī)則場景的三維可視化模型，既省時又省力，這種能力是現(xiàn)行的三維建模軟件所不可比擬的，現(xiàn)行此種建模方式主要適用于工程建模。

3.3 多層螺旋CT三維重建

臨床影像中心的多層螺旋CT可對患者CT和MRI數(shù)據(jù)直接進行圖像重建而獲得三維圖像。SGI工作站是其超高速三維重建的基礎，形成的3D圖像可以任意方向旋轉和觀察。利用Remove Object軟件可快速去除非感興趣區(qū)，在膽道CT造影、結腸CT造影、胃CT造影、股骨頭游離、中耳半規(guī)管等特殊的三維重建中有獨特的技術優(yōu)勢。多層螺旋CT三維重建需要大型、昂貴的數(shù)字設備支持，因此只能在影像中心的工作站中完成和使用，適用于臨床診斷治療。

三維模型的應用作為眾多多媒體技術的一種，有著不可替代的作用和優(yōu)勢。在三維可視化狀態(tài)下研究人體結構及其內(nèi)在的解剖位置、參數(shù)，可克服諸多傳統(tǒng)人體解剖學教學過程中的不足，使教學過程形象生動，教學內(nèi)容易于理解，有利于醫(yī)學生對人體解剖結構知識的理解和把握。

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