基于CT图像三维重建全骨盆模型与3D打印.pdf

1、 精密制造与自动化 2016年第4期 59 基于 CT 图像三维重建全骨盆模型与 3D 打印*徐 亮1 杨洋洋1 郝 鹏2 吴晓南1 陈东华1 王鹏举1（1.四川大学 制造科学与工程学院 成都 610065；2.四川省人民医院 成都 610072）摘 要 应用全骨盆 CT 断层扫描图像及计算机辅助设计技术(CAD)，基于图像分割理论和先验知识，三维重建出包含髂血管、肿瘤的全骨盆模型；通过逆向工程技术，准确地进行各项数据的术前测量，精确反应出骨盆、肿瘤及髂血管大小及其相互位置，精确界定肿瘤切除范围；输出拓扑结构完整的 STL 文件，并基于光固化成形方式打印出实体模型；提高术前设计和手术模拟效率，

2、减少术中出血量及手术时间，以达到更佳的修复效果。关键词 CT 图像 图像分割 CAD 逆向工程 3D 打印 骨盆是人体重要组成部分，骨盆肿瘤在发病初期，诊断困难，往往发现时肿瘤侵蚀范围已经很大，而且肿瘤与周围很多重要器官相邻，因此其解剖结构复杂，手术难度大1,2，而传统的二维 CT 图像提供的信息量少，无法确定肿瘤的大小以及其与骨盆、血管的相对位置，因此为了安全精确地切除肿瘤、安装假体，三维重建全骨盆模型必不可少3。1 1 材料和方法材料和方法 （1）计算机硬件：Intel(R)Core(TM)i5-3470 3.20GHz，8G 内存，1TB 硬盘。（2）应用软件：Mimics 15.0 G

3、eomagic studio 2013 Rhinoceros 5.0（3）扫描对象：选取一例在某医院骨科入院的女性病例4，46 岁，患骨盆肿瘤。（4）扫描参数：采用德国 GE Siemens Somatom Definition 双源 CT 对全骨盆断层进行扫描，扫描层厚 1.5mm，层间距 1mm，130kV，99.6mA。（5）扫描结果：共获得断层图像序列 246 张，以 Dicom3.0 标准保存，获得全骨盆 CT 的 Dicom 格式图像数据集。2 MIMICS2 MIMICS 建模建模 2.1 2.1 调整窗位窗宽调整窗位窗宽 将获得的连续断层骨盆 CT 图像以无损压缩的 *国家自然

4、科学基金项目 编号：61540006 方式导入 Mimics 中，CT 图像的灰度值反映的是组织、器官等对 X 射线的衰减系数5,6。健康或病变的组织具有不同的 CT 值，往往波动较大，而肉眼能分辨的范围相对有限，通常在1 000+1 000 Hu之间，论文定义灰度范围为185+433 Hu。2.2 2.2 图像预处理图像预处理 为保证不同区域之间的锐边，利用轮廓滤波器对图像进行滤波，去除图片中的冗余信息，使骨组织与其他组织，如软组织、血管等明显分开，得到纹理清晰、反差适度的图像，如图 1 所示。(a)滤波前 （b）滤波后 图图 1 滤波前后对比滤波前后对比 2 2.3.3 设定图像阈值设定图

5、像阈值 在 CT 的断层图像中，由于各组织密度不同，其对应的灰度值亦不同，因此在进行图像分割时，可以设定较为准确的阈值进行区分，因此阈值范围的精确性成为图像提取的关键，阈值设置过高过低将导致噪点过多或者组织细节丢失。在同一层片上，令位于(x,y)点的像素灰度为f(x,y)，选取灰度阈值范围为m,M，此时分割万方数据 精密制造与自动化 2016年第4期 60 图像为：gx,=1 m fx,M0 其它 其中gx,为逻辑值，灰度值在阈值范围内的像素被划分为物体，其他阈值的像素被划分为背景，即实现了图像二值化处理7。将有一定范围的阈值图像放入蒙板内，通过编辑蒙板提取相对应的组织。骨组织、肿瘤和脊柱主动

6、脉阈值设定分别如图 2、图 3 和图 4 所示。图图 2 骨组织阈值设定骨组织阈值设定 图图 3 肿瘤阈值设定肿瘤阈值设定 图图 4 髂血管阈值设定髂血管阈值设定 2 2.4.4 区域增长区域增长 根据已知蒙版和指定种子点，种子点可以是很小的区域，甚至于单个像素，反复计算种子点邻域内的像素是否符合一定的定量条件，例如，可以将像素与某一邻域的平均灰度值进行比较，即：px,=px,2n1 =2n+12n+1 选中种子点后，检查该种子点周围(2n+1)(2n+1)邻域，计算该邻域的灰度平均值 和标准差，若差值绝对值小于两倍的标准差，则视为可增长点，否则视为边缘像素；当检查完所有邻域内的像素点时，增长过程结束；再令 n=n+1，将种子点邻域扩大，继续检查，如此反复迭代计算，使区域合并与区域增长结束。而骨灰度值都大于附近脏器等软组织灰度值，因此区域增长对骨盆骨组织分割有较好效果。2 2.5.5 编辑蒙板编辑蒙板 此病例肿瘤类型为骨肉瘤，和血管相似，都为软组织，两者灰度值和附近组织灰度值极为接近，无法依靠类似区域增长等工具进行自动提取。根据骨盆的实际情况和解剖结构对每层蒙板进行绘制、擦除和局部阈值