蔣峻 謝叻 方彬吉 張紹祥 周朝政

基于中國數(shù)字人數(shù)據(jù)的心臟三維模型的重建

蔣峻 謝叻 方彬吉 張紹祥 周朝政

目的建立心臟三維模型，為心臟相關(guān)手術(shù)術(shù)前規(guī)劃，以及虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的手術(shù)培訓(xùn)，提供三維解剖依據(jù)。方法采用“中國數(shù)字人”數(shù)據(jù)心臟區(qū)域的連續(xù)斷層，經(jīng)過人工數(shù)據(jù)分割，導(dǎo)入Mimics軟件進行心臟三維重建。結(jié)果成功重建心臟三維模型，重建的模型能以多結(jié)構(gòu)、多彩色顯示心臟各結(jié)構(gòu)的空間位置以及毗鄰關(guān)系。結(jié)論通過中國數(shù)字人數(shù)據(jù)可有效重建心臟三維模型。

中國數(shù)字人心臟三維重建

自上世紀(jì)70年代，醫(yī)學(xué)三維成像方法的研究就已開始。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)學(xué)三維成像在近10年有了很大的發(fā)展，為相關(guān)手術(shù)規(guī)劃及開發(fā)介入虛擬手術(shù)訓(xùn)練系統(tǒng)提供了研究平臺[1]。

心臟解剖和生理上的復(fù)雜性與特殊性，使心臟的三維重建成為人們研究的熱點和難點。近年來，采用斷面解剖、心臟超聲、CT及MRI等二維圖像來完成心臟的三維重建已有報道，但因受斷層厚度、二維圖像分辨率等因素的限制，重建出的圖像不夠精確完整[2]。

上世紀(jì)80年代末，國外相繼出現(xiàn)“數(shù)字人”數(shù)據(jù)集[3-6]，我國張紹祥等也于2002年完成了“中國數(shù)字人”數(shù)據(jù)集[7]。本研究在“中國數(shù)字人”圖像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行心臟模型的重建，旨在為日后心臟相關(guān)手術(shù)術(shù)前規(guī)劃，以及虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的手術(shù)培訓(xùn)，提供三維解剖學(xué)依據(jù)。

1 方法

1.1 圖像來源

本研究圖像來源為第三軍醫(yī)大學(xué)提供的數(shù)字人男1號的180幅連續(xù)png格式心臟橫斷層圖像。所選用標(biāo)本為男性，35歲，身高170 cm，體重65 Kg，非器質(zhì)性疾病死亡。原始圖像分辨率為3 072×2 408像素，層厚1 mm，寬512 mm（圖1）。

1.2 圖像分割

“中國數(shù)字人”數(shù)據(jù)為彩色的光學(xué)圖像，含有豐富的人體信息。通過對包含心臟結(jié)構(gòu)連續(xù)斷層圖像的觀察，除骨、肌等結(jié)構(gòu)在圖像上有較明顯區(qū)別外，其余結(jié)構(gòu)與周圍組織之間在色彩、紋理等特性方面區(qū)別較小，或沒有區(qū)別，另外相鄰斷層圖像之間相同結(jié)構(gòu)邊界過渡也不完全相同，很難通過現(xiàn)有的分割軟件直接將心臟結(jié)構(gòu)區(qū)分開來。我們使用photoshop軟件基于魔棒工具和套索工具進行心臟主要結(jié)構(gòu)的人工分割，每個分割結(jié)構(gòu)圖像區(qū)域填充一個唯一的RGB（紅綠藍(lán)）顏色，建立彩色的分割數(shù)據(jù)集（圖2）。

1.3 灰度處理

由于心臟分割后的彩色圖像集不能為目前的醫(yī)學(xué)三維成像軟件，如Mimics等接受，因此有必要將心臟分割圖作進一步的處理。我們將圖像中的每個像素增強對比度，從而對圖像進行調(diào)整。增強對比度實際是增強原圖的各部分的反差，可以通過增加原圖中某兩個灰度值之間的動態(tài)范圍來實現(xiàn)，即將原來的灰度范圍進行放大或縮小。這一方法還可有效地避免原始圖像心臟周圍組織對心臟結(jié)構(gòu)建模的環(huán)境背景噪聲，即可以濾除非心臟區(qū)域的結(jié)構(gòu)圖像。第三軍醫(yī)大學(xué)基于此原理開發(fā)了相應(yīng)的軟件——CVH圖像處理軟件。將心臟分割圖像導(dǎo)入CVH軟件進行灰度處理，由于人工分割后的心臟結(jié)構(gòu)的灰度值與周圍背景結(jié)構(gòu)的灰度值相差較大，因此可以方便地得到較為清晰的心臟結(jié)構(gòu)圖像（圖3）。

1.4 三維重建

將處理完的圖像導(dǎo)入Mimics軟件進行心臟結(jié)構(gòu)的三維重建。由于人工分割時，層與層之間的邊界過渡不能保證完全一致，同時三維重建軟件本身也有一定的計算誤差，因此圖片會有毛刺、褶皺等現(xiàn)象，這與實際心臟的解剖結(jié)構(gòu)有一定的差異，因此有必要對初步構(gòu)建的心臟模型進行平滑處理。進行平滑處理的難點在于是否能夠保證平滑后的圖像較為真實地反映心臟實際結(jié)構(gòu)。

首先，通過Mimics軟件計算初步得到的心臟三維模型的輪廓線，由于心臟表面本身較為光滑，而輪廓線之間的間隙極小，因此計算得到的輪廓線可以反映心臟結(jié)構(gòu)。將輪廓線與心臟模型擬合，通過Mimics的區(qū)域生長和填充功能，根據(jù)輪廓線與初步重建的心臟模型間的擬合度，逐層人工填補修剪毛刺、褶皺等缺陷，得到較為平滑且與實際吻合度較高的心臟三維模型（圖4）。

圖1 心臟橫斷層原始圖像Fig.1The images of cross-section series of heart

圖2 圖像分割Fig.2Image segmentation

圖3 灰度處理Fig.3Grey Processing

圖4 心臟三維模型的重建Fig.4The 3D reconstruction of heart

2 結(jié)果

通過“中國數(shù)字人”數(shù)據(jù)集，人工分割心臟結(jié)構(gòu)后進行三維重建的方法，得到了與實際較為吻合的心臟三維模型。模型中可以辨認(rèn)出左右心房、左右心室及主要的血管及其主要分支，并能真實地反映出上述結(jié)構(gòu)的毗鄰關(guān)系。

3 討論

本研究證明，靈活運用解剖學(xué)知識能分辨出心臟薄層結(jié)構(gòu)及其邊界。采用Photoshop強大的圖像處理功能,及自主開發(fā)的圖像處理軟件,可以得到較為可靠的無背景噪聲的分割數(shù)據(jù)，并可滿足諸如Mimics等醫(yī)學(xué)圖像處理軟件的數(shù)據(jù)格式要求。從圖像的清晰度、與實際結(jié)構(gòu)的吻合角度來看，基于“中國數(shù)字人”數(shù)據(jù)得到的組織器官三維模型相較目前已知的數(shù)學(xué)仿真建模方法而言更為逼真、可信[8]。

但是，該方法工作量較大，尤其體現(xiàn)在三維重建后的平滑處理方面。雖然Mimics具有通過設(shè)置平滑因子和迭代次數(shù)的方法實現(xiàn)平滑的功能，但因其不易真實反映實際結(jié)構(gòu)而不能成為平滑處理的合適方法。從這個角度看，有必要開發(fā)一款軟件，通過輪廓線的法向擬合快速實現(xiàn)平滑，達到省時高效的目的。

本研究得到的心臟三維重建模型，可以按照不同角度，對心臟同一結(jié)構(gòu)或區(qū)域進行觀察，并可以通過導(dǎo)出相應(yīng)三維文件格式來進行二次開發(fā)，應(yīng)用于虛擬介入手術(shù)，可以有效地提供術(shù)前規(guī)劃以及訓(xùn)練的環(huán)境平臺。

[1]游箭,劉濤,譚立文,等.數(shù)字可視化人體和介入虛擬手術(shù)的研究趨勢[J].西部醫(yī)學(xué),2011,23(4):601-603.

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[4]Spitzer VM,Whitlock DG.The visible Human data set:the anatomical plat from human simulation[J].Anat Rec,1998,253 (2):49-57.

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[7]張紹祥.中國數(shù)字化可視人體研究進展[J].中國科學(xué)基金,2003, 17(1):4-7.

[8]譚立文,張肖莎,宋林,等.數(shù)字化喉標(biāo)本模型的建立與虛擬現(xiàn)實仿真[J].解剖學(xué)雜志,2009,32(2):230-233.

ObjectiveTo provide three dimensional anatomic data for the preparation of cardio surgery and surgical training in VR by 3D reconstruction of heart with Chinese digitized visible human.MethodsThe data of the series of heart sections on Chinese digitized visible human were distinguished and imported to Mimics for the 3D reconstruction of heart. ResultsThree dimensional heart were reconstructed.The structures could be displayed by multiple structural and color modes,individually or jointly.ConclusionThrough Chinese digitized visible human,the goal of 3D reconstruction of heart could be achieved.

Chinese digitized visible human;Heart;Three dimensional reconstruction

R319

A

1673－0364（2014）01－0008－03

Three Dimensional Reconstruction of Heart Based on Chinese Digitized Visible Human

JIANG Jun1,XIE Le1,FANG Binji2,ZHANG Shaoxiang2,ZHOU Chaozhen1.

1 The national center for digital manufacturing technology,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China;2 Department of Anatomy,Third Military Medical University of Chinese PLA, Chongqing 400038,China.Corresponding author:LIE Le(E-mail:lexie@sjtu.edu.cn).

2013年12月2日；

2014年1月9日）

10.3969/j.issn.1673-0364.2014.01.003

國家自然科學(xué)基金重大項目課題（61190124、61190120）；國家自然科學(xué)基金項目（61311140171、60873131）；國家科技支撐計劃重點項目課題（2009BAI71B06）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863）項目（2006AA01Z310、2009AA01Z313）；上海交通大學(xué)“醫(yī)工（理）交叉研究基金”項目（YJ2013ZD03、YG2012MS5）。

200030上海市上海交通大學(xué)國家數(shù)字化制造技術(shù)中心（蔣峻，謝叻，周朝政）；400038重慶市中國人民解放軍第三軍醫(yī)大學(xué)解剖學(xué)教研室（方彬吉，張紹祥）。

謝叻（E-mail：lexie@sjtu.edu.cn）。