逆向工程技術在人體膝關節三維重建中的應用

付彥銘

摘 要：對一名志愿者的膝關節進行CT與MR檢測，所得的影像數據以DICOM格式導入Mimics Research 17.0軟件中。根據影像數據的斷層顯像特點調整灰度閾值，按照不同分割算法骨組織與軟組織進行分離并單獨重建。將重建數據保存為stl格式并導入逆性工程軟件Geomagic Studio 2012中。應用軟件中網格化醫生、簡化、去除特征、網格劃分、松弛和平滑等功能優化處理后，將骨組織和軟組織根據實際情況加以合理裝配，最終建立膝關節三維模型。重建后的模型不僅可以任意視角或單獨觀察，還可得出相關參數。為膝關節生物力學研究、損傷康復研究和有限元分析提供了可靠依據。

關鍵詞：逆向工程 膝關節 三維重建 Mimics Geomagic Studio

中圖分類號：TB21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（b）-0014-02

Abstract：Tested the knee joint of a volunteer by CT and MR， imported the image data in Mimics Research in 17.0 software in DICOM format. According to the characteristics of image data and the different segmentation algorithms， adjusted the gray threshold and separated the bone and the soft tissue， acquire the reconstruction mode separately. Saved the data in STL forma and imported the reverse engineering software named Geomagic Studio 2012.After the operation of network doctors， simplify and remove characteristics， meshing， relaxation and smooth， according to the actual situation assembled the bone and the soft tissue rationally， built the knee 3D model finally. The models of reconstruction not only can be observed alone by arbitrary angle， but also can got the correlation parameter. For the study of the biomechanics of the knee joint， injury rehabilitation research and finite element analysis， the models of reconstruction provides a reliable basis.

Key Words：Reverse Engineering；The Knee Joint；3D Reconstruction；Mimics；Geomagic Studio

膝關節周圍包含脛骨、腓骨、股骨和髕骨等骨組織以及半月板、韌帶和肌肉等軟組織，結構復雜。組織之間存在著相對協調的靜力與動力相互影響和制約并通過神經系統的協調、反饋維持著膝關節的穩定。膝關節不同部位損傷后，在關節內部存在著異常的應力分布和運動軌跡[1-2]。因此能夠全方位剖析膝關節內組織情況以獲得所需數據資料成為醫學、康復、體育工程學等眾多領域的熱點。

上世紀70年代以來，隨著CT、MR等醫學成像技術的飛速發展，醫學診斷和康復治療結束取得了極大的發展。但醫生以及康復技師仍然需要通過很好的空間想象能力將二維圖像在大腦中構建成三維模型。為了有效提高專業人員診治的準確性和科學性，三維重建技術得到了廣泛關注[2-4]。

1 研究方法

1.1 實驗設備及軟件

計算機（Intel i5 2.40GHz，RAM：8G，OS：win7 64位）、醫學影像三維重建軟件Mimics Research 17.0 x64和逆向工程軟件Geomagic Studio 2012（64 bit）。

1.2 實驗方法

該次研究所用的膝關節數據來自男性志愿者的CT和MR檢測結果。其中CT平掃圖片數據377張，MR矢狀面224張，均為DICOM格式。將CT數據導入Mimics Research 17.0 x64軟件中，根據膝關節結構，對各塊骨進行單獨重建。首先將骨組織與軟組織進行分割，然后根據需要手動選取目標區域，如圖1所示。依據此方法分別對脛骨、腓骨、髕骨和半月板進行三維重建。基于CT中提取的骨組織和MR中提取的半月板及軟組織數據進行三維重建。導入同一空間坐標系時需要進行圖像的融合與關鍵點的配準。Mimics軟件中的Merge很好的實現了對半月板及軟組織的融合功能，可以達到預定要求后將骨組織與軟組織進行融合[4-5]。圖2為十字韌帶與半月板模型建立、處理與裝配過程。

2 研究結果

2.1 模型處理

將Mimics軟件中的三維模型用STL+命令輸出為stl格式文件后便可導入Geomagic Studio中。在軟件中可以繼續為模型進行“網格醫生”修復、簡化、網格劃分、松弛和精確曲面等操作，最終生成所需的stl或iges格式文件。圖3為模型優化處理過程，圖4為模型裝配過程。

2.2 研究結果

從圖3膝關節模型的裝配過程可以看出，各部分組織模型都是單獨建立的。各領域針對膝關節的分析時，很少對膝關節站立體位進行研究，更多的是在特殊關節角度下內力、外力的靜力學、動力學分析和有限元分析[6-7]。三維重建模型基本真實的體現了膝關節內部骨組織與軟組織的形態與特點，為醫療工作者或康復技師提供了直觀的參考。在應用方面，三維重建模型可為虛擬手術、生物力學分析、人體工程學分析、體育裝備設計與制造以及3D打印等提供依據。

3 結語與建議

3.1 結語

該文利用Mimics Research 17.0 x64軟件對CT和MR圖像進行三維重建、圖像分割、配準和融合。在針對CT圖像骨組織結構三維重建時過程較快，效率較高。在處理MR圖像軟組織結構時，多圖像分割作憑借手工操作，使得重建過程較長，效率低下。總體而言，膝關節三維重建模型不僅可以獲取現實中無法測量的解剖學數據，而且所建立的模型可以為醫療、康復訓練、科學研究、體育工程和人體工學等研究領域提供直觀、科學的理論依據。

3.2 建議

該研究僅以膝關節為例簡述了膝關節建模的基本方法，其他關節、組織大同小異。使用該方法進行人體關節、組織的三維重建并最終建立的三維模型，為后續的靜力學、動力學和有限元分析等實驗研究提供了相對科學、準確的三維模型。在此基礎上還可以在模型上添加肌肉和其余韌帶等軟組織結構予以完善。為不同關節角度和不同外部環境下進行仿真分析提供了更加便捷的建模途徑，為以后研究不同運動項目、外部環境和個性化關節受力分析提供技術保障。

參考文獻

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