PC机上基于CT、MRI图像构建的颌面部三维数字模型

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2014.36.009

摘要/Abstract

摘要：

背景：近年来国内外学者对个人PC机上重建颌面部骨组织、皮肤、肌肉三维可视化模型进行了大量研究，但对于建立颌面部骨骼、皮肤、肌肉、血管的整体三维可视化模型尚无报道。
目的：利用螺旋 CT、MRI 数据及三维重建软件，在普通 PC 机建立颌面部整体的三维可视化模型。
方法：选择1名健康成年男性作为建模对象，分别通过螺旋CT、核磁共振扫描，得到样本的DICOM标准图像。将所有CT、MRI图像导入Mimics，建立颌面部骨骼、部分咀嚼肌、三叉神经池、颈内动脉、颈内静脉的三维可视化模型。选择颌面部骨骼三维模型为基准，将由MRI图像建立的肌肉、血管、三叉神经池模型导入，进行三维模型空间配准。最终得到颌面部整体的三维可视化模型。
结果与结论：成功建立了颌面部骨骼、肌肉、皮肤、三叉神经池、血管的整体三维模型，准确反映了颌面部复杂的解剖结构，可为临床诊断提供可靠的解剖资料，并为今后的模拟手术打下良好的基础。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：肾移植；肝移植；移植；心脏移植；组织移植；皮肤移植；皮瓣移植；血管移植；器官移植；组织工程

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关键词: 移植, 组织构建, 修复重建, CT, MRI, MIMICS, 颌面部, 可视化, 三维重建

Abstract:

BACKGROUND: Recently, scholars all over the world have made numerous studies on three-dimensional visualization model of reconstructing maxillofacial bone tissue, skin, and muscle in the ordinary PC. However, few studies concerned the three-dimensional visualization model of constructing maxillofacial bone tissue, skin, muscle and blood vessels.
OBJECTIVE: To establish a three-dimensional visualization model of the complete maxillofacial region using an ordinary PC based on spiral CT, MRI data, and three-dimensional reconstruction software.
METHODS: One healthy male adult was chosen as the object in this study. CT and MRI were performed respectively to acquire the DICOM standardized image of the sample. All CT and MRI images were imported to Mimics to construct three-dimensional visualization models of the bones in the maxillofacial region, some masseter muscles, trigeminal cistern, internal carotid artery and internal jugular vein. Three-dimensional model of the bones in the maxillofacial region was chosen as the reference. Models of muscles, blood vessels and trigeminal cistern established by MRI images were imported, and registration in space of three-dimensional model was performed. At last, three-dimensional visualization model of the complete maxillofacial region was acquired.
RESULTS AND CONCLUSION: The integrated three-dimensional models of the bones, muscles, skin, trigeminal cistern and blood vessels in the maxillofacial region established accurately reflected the complex anatomic structure of maxillofacial region, provided reliable anatomic data for clinical diagnosis and laid a good foundation for sham operations in the future.

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Key words: imaging, three-dimensional, tomography, magnetic resonance imaging, anatomy

中图分类号:

R318

王娇，刘洋，李旭，王衍，刘文芳，任国山. PC机上基于CT、MRI图像构建的颌面部三维数字模型[J]. 中国组织工程研究, 2014, 18(36): 5788-5792.

Wang Jiao, Liu Yang, Li Xu, Wang Yan, Liu Wen-fang, Ren Guo-shan. Three-dimensional visualization models of maxillofacial region based on CT and MRI images using a personal computer[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2014, 18(36): 5788-5792.

图/表（结果） 1

2.1 建立了颌面部骨组织的三维可视化模型 该模型外型逼真，可以清楚的看到颌面部及颅底骨组织的各种形态结构，而且可以随意旋转，以任意角度观看，可清楚的分辨眼眶、鼻骨、鼻中隔、颧骨，颞骨、上下颌骨、牙齿、内外耳门、乳突、茎突、垂体窝、鞍背、视神经管、眶上裂、圆孔、卵圆孔、破裂孔、棘孔、枕骨大孔、枕内隆突、斜坡、横窦沟和乙状窦沟、颈静脉孔等结构，细小的解剖标志点：颏孔，眶下孔，眶上裂亦清晰可见(图1A-C)。

2.2 建立了颌面部皮肤三维可视化模型 通过皮肤3D模型可见，面部大多数表面结构(如鼻、耳郭及面颊唇等)成像非常清晰，但在眼睛的重建上仍存在一定的缺陷(图1D， E)。

2.3 建立了颞肌、咬肌、翼内肌、翼外肌三维可视化模型 重建的肌肉3D模型清楚地显示了颞肌、咬肌、翼内肌、翼外肌的解剖形态及其毗邻关系(图2A-D)。

2.4 建立了颈内动脉、颈内静脉的三维可视化模型 颈内动、静脉的三维立体模型清楚地显示了颈内动静脉的形态结构，以及二者的毗邻关系。

2.5 建立了三叉神经池的三维可视化模型 三叉神经池模型清楚地展现了三叉神经池的解剖形态，将其与颈内动、静脉及颅骨的3D模型进行空间配准，为三叉神经池穿刺手术模拟奠定了基础(图2E，F)。

2.6 建立了颌面部骨骼、肌肉、皮肤、三叉神经池、血管的整体三维模型 颌面部整体三维模型清楚地反映了各组织的解剖形态及其之间的毗邻关系，可任意分割、旋转、局部显示，可编辑性强，为临床疾病的诊断和治疗提供了极大的便利(图3)。

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引言

20世纪70年代以来，CT、MRI等医学成像技术的临床应用，使得医学诊断和治疗技术取得了极大的发展。但是，二维断层图像只能表达某一截面的解剖信息，临床医生凭借这些图像信息进行诊断治疗时需要具有很好的空间想象能力，才能在脑海中构建直观的医学三维模型。为了提高医生诊断和治疗的准确性与科学性，医学图像三维重建技术越来越得到临床医生的广泛研究和应用^[1-4]，通过这一技术，临床医生可以由二维断层图像序列得到具有直观立体效果的图像，展现人体器官的三维结构和形态，从而得到若干用传统手段无法获得的解剖结构信息，并为进一步模拟操作提供平台。因此，医学图像三维重建技术已成为研究的一个热点^[5]。

人体三维数字模型就是通过现代信息技术，通过人体解剖学和现代影像学方法获取人体解剖结构的数据信息，在计算机上重建全数字化的人体结构的三维模型^[6]。而当前利用CT、MRI设备进行人体组织结构三维重建已相当普遍，但重建的三维模型只能在CT、MRI设备下使用，若能将该技术应用于目前普及使用的个人计算机上，将为临床医师带来极大的方便，提高工作效率。人体颌面部解剖结构复杂^[7-8]，功能意义特别重大，是医学生学习的难点，也是临床影像科、颌面外科诊疗工作的重要基础知识。且目前国内外不少学者对个人PC机上颌面部骨组织、皮肤三维可视化模型的构建进行了大量的研究^[9-13]，并已应用于临床^[14-15]。但对颌面部肌肉组织三维重建的报道较少^[16]，特别是建立颌面部骨骼、皮肤、肌肉、血管的整体三维可视化模型，目前尚无报道。

文章的目的是在普通PC机上建立颌面部可视化三维数字模型，准确反映其复杂的解剖结构及空间毗邻关系，改变传统上只能依赖CT机、磁共振进行三维重建的现状，从而对骨折造成的损伤的判断、手术入路的选择等提供更大的帮助。

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材料方法

设计：单一样本重复试验。

时间及地点：于2011年6月至2012年9月在河北医科大学解剖实验室完成。

对象：选择1名31岁健康成年男性志愿者作为建模对象，无头颈部外伤、手术及其他病史，CT扫描前进行X线常规检查排除器质性疾病。志愿者对试验方案知情同意，且得到医院伦理道德委员会批准。

实验设备及应用软件：螺旋CT(GE MEDICAL SYSTEMS/Light Speed 16)，由沧州市中心医院CT科提供。磁共振(GE Discovery MR-750 3.0 T)，由沧州市中心医院磁共振成像科提供。SUN工作站：CPU：2.66 GHz×2，内存：2 GB，显卡： Quadro FX 4400 128 MB，Windows XP操作系统。MIMICS 14.0医用图像与三维重建软件(Materialise公司，比利时)。

方法：

CT图像扫描：采用沧州市中心医院CT科提供的GE MEDICAL SYSTEMS/Light Speed 16型CT机扫描。扫描时，志愿者取仰卧位，将头部平躺于扫描床，眶耳平面与水平面垂直，头部固定。用螺旋CT对志愿者进行连续扫描，参数为：电压120 kV，电流251.40 mA，螺旋层厚0.625 mm，床进速度1 mm/s，窗宽2 100 Hu，窗位400 Hu。扫描标志线与眶耳平面平行，扫描范围自眉弓处始，至下颌下缘止。获得颅骨CT扫描图片共304张，数据输出并刻盘保存成DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine)格式。DICOM格式是美国国家电气制造商协会制定的医学图像存储与通讯的标准格式，其图像比从CT胶片扫描获得的图像清晰，也不会引起因人为处理所造成的坐标误差^[17]。

MRI图像扫描：志愿者取仰卧位，眶耳平面与水平面垂直，头部固定，扫描范围颅顶处始，至下颌下缘止。螺旋扫描参数为：bravo序列，TR 8.2ms，TE 3.2ms，层厚1.0 mm，NEX 1次，矩阵256×256，FOV 25.6。最终得到503幅二维扫描断层图像，数据输出并刻盘保存成DICOM格式。

建立人体颌面部及颅底骨骼三维可视化模型：利用软件的图像导入功能将CT图像以DICOM格式导入，利用软件自带的阈值设定工具提取轮廓。通过看图观察，将轮廓清晰度调节到合适的程度，界定阈值为180-3 071 Hu，形成蒙面。利用区域增长工具选择热区，删除位于其他部位具有和骨骼相同灰度的组织处的标记，并逐层手工补全骨骼中未被标记的空洞部分，经3D计算生成颅底的三维可视化模型，将重建好的三维模型以STL文件格式输出，存于硬盘。

建立肌肉组织、三叉神经池的三维可视化模型：将所有DICOM格式的MRI图像导入Mimics，转换为所指定的格式MCS，确定重建结构的位置通过MedCAD中的画曲线对右侧咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌、三叉神经池等结构逐层进行勾画边界，确定重建区域^[18]。选用自定阈值的办法将所选区域尽可能选上，同时尽可能减少其他组织的影响。通过tool里的profile line工具确定分割的肌肉阈值范围为300-400 Hu，脑池的阈值范围为842-25 174 Hu。通过软件的3D功能对所选区域进行三维重建。采用伪彩色区分右侧三叉神经池、咬肌、颞肌、翼内肌、翼外肌不同解剖结构。将重建好的三维模型以STL格式存于硬盘。

建立颌面部皮肤的三维可视化模型：将CT图像导入Mimics软件中生成头部皮肤的掩膜，借助于Mimics三维计算工具(Calculate 3D)生成颌面部皮肤的三维立体模型。以STL格式存于硬盘。
利用软件Mimics建立颈内动脉、颈内静脉的三维可视化模型：基于CT、MRI扫描数据，分割右侧颈内动脉、颈内静脉，生成颈内动静脉的三维可视化模型，采用伪色彩区分二者结构。

三维数字模型空间配准：基于骨骼组织在图像采集过程中位置相对稳定，变形较小，CT 对骨骼组织成像较清晰，选择颌面部骨骼三维模型为基准，将由MRI图像建立的肌肉、皮肤、血管、三叉神经池模型(以STL格式)导入，用Simulation模块reposition功能，采用基于解剖结构外轮廓特征提取的匹配方法，进行三维模型空间配准。配准主要解决数字模型之间几何位置差别，包括平移、旋转等。

主要观察指标：①颌面部及颅底骨骼、颌面部皮肤解剖结构。②颞肌、咬肌、翼内肌、翼外肌、颈内动脉、颈内静脉、三叉神经池的解剖结构。③颌面部骨骼、肌肉、皮肤、三叉神经池、血管的整体三维模型。

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讨论

3.1 选择CT和MRI扫描图像建模的原因 关于建立三维模型的方法，以往文献报道较多采用三维坐标定位法、切片法磨片法^[19-20]。之后随着CT、MRI技术的日趋完善，其获得图像数据的过程不损伤标本，且二维图象能转化成数据储存在计算机中，通过三维模型重建软件和人机对话可以得到准确、直观的三维模型，目前已成为建立三维模型的主要手段^[21]。然而CT图像不能将肌肉等软组织很好地显示出来，尤其对于颌面部软组织来讲，组织间的灰度值相似，更加不易区分，而MRI能够很好的显示软组织，因此，基于CT和MRI数据建模，并在三维水平上进行图像的融合，既取其互补性，充分发挥CT和MRI图像的优势，又提高了模型的精确度和准确性。

本文采用螺旋CT和MRI扫描图像重建，直接将CT、MRI的扫描数据刻在稳定性较好的光盘上保存和使用，并以此图像数据作为重建三维模型的原始数据，突破了以往采用CT、MRI设备拍摄胶片，再经过照相机，扫描仪等手段对断层图像进行处理和转化的繁琐过程，避免了反复操作过程中主客观因素造成的部分数据和信息的损失。不仅具有薄层CT、MRI准确提供横断面几何形状，数字化迅捷，不损坏模型的优点，而且获得的扫描数据可对其中任何部位进行三维图像重建，且图像处理迅速，存储原始数据丰富，重建模型质量高、几何相似性好。

3.2 利用本方法建立模型的一些特点

数据采集简单、容易实现：利用CT、MRI对颅脑部位进行扫描，无需其他专业设备，与其他颅脑部位结构数据采集方法相比，CT、MRI图像还能够得到颅脑的内部结构信息，且精度高。且CT、MRI扫描较其他的专业设备费用低，并可同时完成整个颅脑部位的采集，进一步降低了数据采集的费用。

建模精度高，速度快：利用薄层CT和薄层MRI扫描技术所采集的图像精度很高，且DICOM格式的医学数字图像通讯标准的原始图像无需进行预处理、无需进行任何形式图像转换便可以直接使用，显著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，减轻了工作量^[22]；此外，利用Mimics软件的自动建模功能，极大地提高了建模的效率^[23-24]。

实验成本低廉：本方法在个人普通计算机上即可实现，所需的设备成本较为低廉，人机交互式图像操作方便，三维模型逼真，存在在各级医院推广应用的可能性。

适用范围广：本方法研究的是一个通用的建模过程，不但在建立颌面复合体三维模型时适用^[25]，而且适用于建立人体其他部位的几何模型^[26-27]。

3.3 建立颌面部三维可视化模型的意义 当前，CT、MRI等影像学设备也具备三维重建功能，重建结果非常清晰，且能指导手术，但重建的三维模型只能在CT、MRI设备的工作站上进行，不能广泛应用于基层医疗单位及临床教学。本试验运用Mimics软件，实现了在普通PC机上对连续的二维图像进行结构识别和分割，并实时地进行三维重建。所建的三维可视化模型可随意放大、缩小，可以沿任意方位旋转，也可以任意分割。本文建立的颌面部整体三维可视化模型，能清晰显示颌面部软硬组织的形态及毗邻关系，提供了二维图像不能提供的信息，为临床诊断提供了可靠的解剖资料，也为今后的手术计划﹑模拟，以及开发虚拟手术系统提供数据模型基础。

本文所建立三维可视化模型的特点：①重建的模型不仅能够提供三维立体形态视觉效果，同时还能够提供透视、纵切图像、横切图像及任意角度视觉效果。②此模型还真实展现了颌面部器官、组织的解剖形态，可以进行形态测量、解剖定位，使形态学的研究从定性向定量发展。③获得的三维模型可在三维空间进行任意角度的旋转，可以显示整体或任意局部的三维结构，并可对局部结构进行自由的放大或缩小的选择，但其最大特点是可编辑性强，模型可进行任意旋转、切割，从任意角度观察并可消隐某些结构，直接观察感兴趣部位^[28]。④重建的三维模型进行面网格化后可以直接转换为三维有限元软件Ansys可识别的格式，进而生成有限元模型，为进一步的生物力学有限元分析提供了精准的模型。

从结果来看，本文内容贴近临床工作实际。首先，建立软组织三维可视化模型的原始数据，来自患者头面部MRI断层扫描二维图像数据。MRI扫描获得的扫描数据可对任何部位进行三维图像重建且图像处理迅速，存储原始数据丰富，重建影像质量高。其次，采用薄层扫描重建，可获得与实体有良好相似性的几何形态。利用螺旋CT 快速扫描技术保证了扫描剂量绝对安全。第三，这种建模方法可直接利用临床患者资料为原始数据，无需数据转换，建模方法快速有效，实用性较强，可实现为所需患者建立个别模型的要求^[29-30]。建立准确、高质量的可视化模型是有限元分析的基础，是全面开展头面复合体生物力学分析的前提，理想的模型为进一步的研究提供了可靠的途径和方法。本文建立的颌面部三维可视化模型，可进行任意分割及重建后处理，还可加上不同的伪彩，最终获得颌面部皮肤、骨骼、肌肉组织的表面、半透明、立体显示等多种三维重构图像融合结果，可为临床教学、病例讨论、手术方案制订等提供直观、可视化、可任意操作化的图像，对临床手术方式和治疗方案的确定具有较重要的指导价值。

本文充分利用专业医学影像三维重建软件的强大功能，简化了以往研究中对二维断层图像处理和转化以提取轮廓线来建模的繁琐过程^[31]，最大程度的减少了主观因素带来的误差，简化了模型的建立过程，而且得到的模型具有很好的几何相似性，这样就为后面进行进一步的研究提供有力的基础。在今后的研究中，可以利用建立的三维可视化模型进行车祸碰撞、爆炸伤、钝器伤等致伤过程的模拟研究，以及治疗修复过程中的方法选择和实施过程中的力学问题分析。