顱面復合體數字化幾何實體模型建立

毛樂琦 劉 健

（1.樂山職業技術學院 四川 樂山 614000；2.樂山市人民醫院 四川 樂山 614000）

隨著醫學專業學生人數增多，骨骼標本已出現緊缺情況，無法滿足學生及教師學習研究之用。而其他材料復制骨骼標本，不僅價格昂貴而且并不精確。隨著高精度CT掃描機的普及，以及基于CT掃描圖像的三維重建軟件的出現。建立一種高精度的數字化骨骼模型成為一種可能。而顱面復合體是人體最復雜的硬組織，表面凸凹不平，而且內部結構更加復雜，除顳下頜關節以鉸接形式連接下頜骨與顳骨，其余骨塊之間以骨縫結構相連。如能建立顱面復合體之精確模型，其他骨骼則更加容易。

1 建立模型的材料與方法

1.1 樣本選擇：建模素材選擇一名年齡12歲全身發育正常男性的頭顱CT掃描資料作為建模素材，該名男子恒牙列，牙列完整無多生牙，缺失牙；顱面骨骼無其他畸形，基本對稱，無骨性疾病；無正畸治療史；無顳下頜關節病及外傷史；全身健康狀況良好，無嚴重全身疾病；

1.2 數據采集：采用Philips MX8000 CT掃描機對被測對象的頭顱進行掃描。掃描參數如下：層厚1.3 mm，床進速度1 mm／s，球管電流120 mA，電壓120kv，，床架傾斜角度為0。被掃描對象取仰臥位，眶耳平面與水平面垂直，掃描范圍自顱頂處開始，至下頜骨下緣中止，連續橫斷掃描再進行后處理，處理后層厚為1.0。共獲得403張二維掃描斷層原始圖像。層內像素數為512＊512，像素大小為0.5 mm＊0.5 mm。所有掃描數據以DICOM格式保存至光盤。

1.3 獲取顱骨3D圖像：在電腦上通過Mi mics軟件自動讀取以DICOM格式存儲的CT掃描數據，得到顱骨原始影像。使用Thresholding命令對骨密質及牙體進行自動選擇，骨密質CT值為300 Hu-2000 Hu牙釉質為2000 Hu-3072 Hu。使用參數300 Hu-3072 Hu自動生成斷層圖像.自動選擇后生成圖像較為粗糙，包含大量不規則邊界，空洞以及噪點，無法滿足3 D重建要求。按照原始圖像以及正常解剖結構對其進行手工修正。對修改后的圖像使用Calculate 3D命令，得到整個顱骨3D圖像。

使用Cut With Ploy Plane命令對顱骨整體模型進行分割，分割時主要依據CT圖像中骨縫位置，同時也依據正常解剖形態對部分變異骨縫進行修正。經多次分割后，最終將完整顱骨分解成上頜骨、鼻骨、顴骨、顳骨、頂骨左右各一塊，下頜骨、蝶骨、篩骨、額骨、枕骨各一塊，共15塊骨骼。

1.4 生成顱面各骨幾何實體模型：使用Geo magic軟件讀入STL文件，進行光滑處理，對處理后的模型進行曲面包裹。生成CAD模型，最終形成幾何實體模型。將得到模型輸出為IGS文件。IGS文件為標準CAD文件格式，可用各種軟件隨時調閱查看。

2 模型建立的結果

通過對顱面復合體數字化幾何實體模型建立的實驗，探索出了一條由CT掃描數據直接處理并輔以手工校正，通過多種軟件基本實現全程自動處理，快速有效地建立直接可用于查看研究的顱面復合體實體模型的方法。

建立了完整的包含所有骨縫結構的顱面復合體幾何實體模型，該模型包含組成頭面部骨骼的所有骨性結構，骨縫及牙齒.共計生成實體模型15個。顱面復合體的幾何模型均有滿意的幾何相似性，形態還原性好，幾何精確度高，效果理想。對各骨塊既可以單獨操作，又可以任選幾部分進行處理。可在CAD軟件中對所建模型進行CAD操作。

3 對建模的討論

隨著計算機技術的發展，對生物器官進行數字化建模，已逐漸應用于各項研究中。但多局限于動物研究，人體器官數字化建模則進行較少。2007年張彤等使用CT掃描原始數據，建立了顱面復合體模型，但由于CT掃描精度的原因，與實際顱面骨骼還有一定差距。

本研究采用頭顱骨發育正常男性頭顱螺旋CT掃描圖像數據，聯合應用Mi mics、Geo magic St udio、MSC.Marc.Mentat軟件。最終建立了一個符合生物學形態，有良好幾何相似性可自由進行CAD設計，且便于應用和計算的一整套顱面復合體幾何模型。它與以往的模型相比較，有較多優點：①原始CT掃描已達到1.0 mm每層，模型建立以CT圖像為基礎，建模過程中更嚴格控制每一步驟所產生偏差，因此所建模型幾何精度高。②本研究所建顱面復合體三維有限元模型生物形態相似性好，其單元數達到426571。③在建模范圍上，包括了顱面部所有骨骼、骨縫，牙齒，沒有刪減硬組織結構，模型幾何完整性好。④所建幾何實體模型能導入到任意CAD軟件中進行處理。⑥模型由15塊包含整體空間坐標系骨骼組成，建模更加合理，使用方便，應用范圍廣。模型可輕易的提取任意一塊、幾塊骨骼或全部進行各種方式的觀測，各種條件下的計算和分析。

本研究以CT掃描數據為資料，通過計算機輔助設計技術，成功建立了包含骨縫結構的顱面復合體幾何實體模型。利用此項技術我們可創建出身體任何部位的實體模型，甚至是全身幾何實體模型，為我院護理專業的教師、學生提供寶貴教學資料和素材。

本文為院級科研課題《CT數據建立骨骼組織三維模型的應用研究——以顱面為例》（編號KY2013028）所用。

［1］ 侯敏，柳春明，張海鐘等.虛擬骨縫在顱面復合體三維有限元模型中的構建及應用［J］.中華整形外科雜志，2006，22（3）：165-168

［2］ 張彤，劉洪臣，董嘉林.顱面復合體三維有限元模型的快速建立.軍醫進修學院學報［J］.2007，28（6）：418-420