专利名称：构建三维脑模型的方法
技术领域：
本发明涉及一种构建3D数字脑模型的方法，尤其涉及一种将断层扫描图片进行三维重组形成三维脑模型的方法。
背景技术：
神经解剖学是一门内容繁多空间结构复杂的医学形态科学，特别是颅底和脑解剖抽象难懂是教学和临床实践中的突出问题和困难所在，传统的方法是利用粉笔、黑板、教材、挂图、投影等二维手段进行讲解，然后进行标本示教来培养医生。在临床上，大脑皮质和脑深部结构是神经外科展开工作的基本部位，但是大脑皮质及其深部核团空间结构十分复杂，难以清晰准确地把握，因此神经外科医生常常借用头颅二维扫描平面图形信息，根据脑部解剖学知识，抽象重构脑部三维信息，重构一旦出现偏差，就会形成错误和风险。因此，构建仿真度高、误差几率小的三维数字可视化脑模型，有利于神经外科手术选择合理的手术路径，有效指导神经外科临床实践，也有利于医学院校的教学。魏娜等人在《基于Visualization Toolki的脑模型三维重建方法研究》(中国康复理论与实践，2005年第11卷第3期，167^169页)一文中公开了基于CT测量数据，利用可视化工具包Visualization Toolki结合VC实现医学图像三维可视化,重建了头部模型； 在此基础上，张淑丽等在《利用VTK实现医学CT图像三维可视化》(齐齐哈尔医学院学报， 2006期第9期)一文中对利用Visualization Toolki进行CT图像的可视化进行了详细的介绍。但是，大脑和头颅不同，大脑是头颅的一部分结构。用重建头颅的方法建不出大脑。因为大脑从头颅中分离出来是上述方法无法克服的困难。再者对脑部结构而言，头颅 MRI (磁共振成像)相比于头颅CT清晰得多，因此需要基于MRI图像的三维脑模型的构建方法。
发明内容
为了解决利用MRI成像重建三维脑模型的问题，本发明提供了一种构建三维脑模型的方法，基于MRI成像，利用计算机重组构建三维脑模型。因此本发明的目的是提供一种构建三维脑模型的方法，步骤包括
步骤1，选择所要进行三维模型重建的脑部位，磁共振头颅矢状位薄层成像，得到 T1DICOM格式的原始数据和bmp格式的图像；
步骤2，将(脑部)目标图像从bmp格式的头颅图像中分离出来，通过导入模块将所分离的脑目标图像按照顺序依次导入计算机中的空间方位设定模块，设定图片的空间方位，使图片的空间方位与实际空间位置相对应；
步骤3，处理器操作图像分割模块，将设定好方位的成像处理成分割组织蒙板，并通过程序操作运算模块进行交替形态学开运算和闭运算，以消除分割组织蒙板的边缘细小的凹凸不平；步骤4，三维重建模块进行三维运算，对分割组织进行三维重建得到三维粗模，并通过转换器将三维粗模以可视图像的方式导出；
步骤5，将三维粗模导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型；
步骤6，将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片数据(上述的T1DICOM数据) 导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。其中，所示“关联”指的是多面贴图。其中，所述磁共振头颅矢状位薄层成像步骤中，层厚优选为O. Γ1. 0mm，更优选为
O.4 I. Omm,最优选为O. 5mm ;层距优选为O. 90 I. 05mm,更优选为O. 90 I. Omm,最优选为
O.95mm0所述磁共振头颅矢状位薄层成像的层数优选为> 161层，更有选为16f 176层。步骤6中得到的可视化三维脑模型通过显示设备分别在轴位、冠状位和矢状位进行显示，或者在轴位、冠状位和矢状位中的任意一个方位显示。根据本发明上述构建三维脑模型的方法的一种优选实施例,步骤2中通过mimics 软件将成像导入空间方位设定模块，并通过该软件设定空间方位。其中，设定的空间方位位置为虚拟中的方位根据实际方位选择。根据本发明上述构建三维脑模型的方法的另一种优选实施例，步骤5中可以使用 3DS-MaX软件创建低面长方体、并进行布尔运算取交集。但也可以使用具有相同功能的其它软件或程序。步骤6中，也可以使用3DS_MaX软件导入低面目标模型和磁共振图片数据，进行数据关联。但也可以使用具有相同功能的其它软件或程序。本发明上述的构建三维脑模型的方法中，在构建出三维脑模型之后，还可以进行彩绘和渲染，以取得更好的展示效果。本发明构建三维脑模型的方法采用的是将多层二维图像的轮廓线用面片连接，构成物体表面，由平面变为立体，实现二维变为三维，然后进行后处理，通过显示设备将可视化三维脑模型进行显示。通过与原始头颅MRI图片进行对比可以发现，本发明构建的三维脑模型的断面轮廓线与MRI图片十分吻合。综上所述，本发明通过上述方法构建出了具有良好可视性的3-D颅脑解剖的模拟三维图像，大大提高了教学效率和保证了医疗质量。
图I为本发明一种实施例中构建的脑切开的三维脑模型照片；
图2为本发明一种实施例中构建的脑切开的三维脑模型照片；
图3为本发明一种实施例中构建的图I所述脑部位的脑和头颅切开三维脑模型照片； 图4为本发明一种实施例中的侧脑室模型背景；
图5为本发明一种实施例中构建的侧脑室三维脑模型照片；
图6为本发明一种实施例中构建的侧脑切块三维脑模型照片；
图7为本发明一种实施例中构建的图2所述脑部位的脑和头颅切开三维模型照片；
4图8为本发明一种实施例中构建的带部分颅骨的三维全脑模型照片；
图9为本发明实施例8构建的三维全脑模型任意切开的(未予数据关联时的)骨架图。
具体实施例方式本发明提供了一种构建三维脑模型的方法，步骤包括
步骤I，选择头颅磁共振矢状位薄层成像所得T1DICOM格式的数据为原始资料，将原始资料转化为bmp格式的头颅图像；
步骤2，将目标图像(脑)从bmp格式的头颅图像中分离出来，通过导入模块将所述目标图像按照顺序依次导入计算机中的空间方位设定模块，设定图片的空间方位，使图片的空间方位与实际空间位置相对应；
步骤3，处理器操作图像分割模块，将设定好方位的图像处理成分割组织蒙板，并通过程序操作运算模块进行交替形态学开运算和闭运算，以消除分割组织蒙板的边缘细小的凹凸不平；
步骤4，三维重建模块进行三维运算，对分割组织进行三维重建得到三维粗模，并通过转换器将三维粗模以可视图像的方式导出；
步骤5，将三维粗模导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型；
步骤6，将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片数据(上述的T1DICOM数据) 导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。下面通过具体实施例，对本发明构建三维脑模型的方法进行详细的介绍和描述， 以使更好地理解本发明，但是应当理解的是，下述实施例并不限制本发明的范围。实施例I 步骤I
34岁健康男性自愿者，I. 5T磁共振头颅矢状位薄层成像，所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件层厚O. 8mm，层距O. 95mm ；WXH=256X256 ;层数170层。将磁共振图像预处理成为bmp格式。步骤2
图形工作站Core中央处理器、内存、彩色显示器、1024 X768分辨率、存储单元； Windows XP 操作系统，3DS_MaXll. O、mimics8. O 及其相关软件。将脑部目标图像分离出来，选自人部分脑的bmp格式图像，导入mimics软件，将预处理所得的bmp格式图像按照顺序依次导入指定图层，通过空间方位设定模块设定图片的空间方位，使图片中的脑部在空间方位设定模块设定的空间位置与实际空间位置相对应。步骤3
中央处理器操作图像分割模块进行分割图像，背景为黑色，生成分割组织蒙板，然后设定象素参数；通过程序操作运算模块交替进行形态学开运算和闭运算，以消除边缘细小的凸凹不平。步骤4
接着执行三维运算，设定优化的重建质量为高，对分割组织进行三维重建。然后输出STL格式保存在存储单元，分割组织的英文名称命名文件，例如brain, stl。到此完成了三维粗模的构建。步骤5
重建生成的粗模面数太多，运行速度慢不利于渲染，更无法完成贴图。需要对模型进行降面处理。将三维粗模通过3DS_MaX软件导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型。满意后仍以STL格式保存。步骤6
通过3DS-MaX软件将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。图I为本实施例中构建的脑部切开的三维立体模型。实施例2 步骤I
34岁健康男性自愿者，I. 5T磁共振头颅矢状位薄层成像，所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件层厚O. 8mm，层距O. 95mm ；WXH=256X256 ;层数170层。将磁共振图像预处理成为bmp格式。步骤2
图形工作站Core中央处理器、内存、彩色显示器、1024 X768分辨率、存储单元； Windows XP 操作系统，3DS_MaXll. O、mimics8. O 及其相关软件。选自人脑除去实施例I所述部位后的部分的磁共振图像，导入mimics软件，将预处理所得的bmp格式图像按照顺序依次导入指定图层，设定图片的空间方位，使图片中的脑部在空间方位设定模块设定的空间位置与实际空间位置相对应，然后载入设定的空间位置参数。步骤3
进行分割图像，背景为黑色，生成分割组织蒙板，然后设定象素参数；交替进行形态学开运算和闭运算，以消除边缘细小的凸凹不平。步骤4
接着执行三维运算，设定优化的重建质量为高，对分割组织进行三维重建。然后输出 STL格式保存在存储单元，分割组织的英文名称命名文件，例如brain, stl。到此完成了三维粗模的构建。步骤5
重建生成的粗模面数太多，运行速度慢不利于渲染，更无法完成贴图。需要对模型进行降面处理。将三维粗模通过3DS_MaX软件导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型。满意后仍以STL格式保存。步骤6通过3DS-MaX软件将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。图2为本实施例中构建的脑部切开的三维立体模型。实施例3 步骤I
34岁健康男性自愿者，I. 5T磁共振头颅矢状位薄层成像，所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件层厚O. 8mm，层距O. 95mm ；WXH=256X256 ;层数170层。将磁共振图像预处理成为bmp格式。步骤2
图形工作站Core中央处理器、内存、彩色显示器、1024 X768分辨率、存储单元； Windows XP 操作系统，3DS_MaXll. O、mimics8. O 及其相关软件。选自人脑实施例I所述部位以及包括包围该部分的头颅的部分的磁共振图像，导入mimics软件，将预处理所得的bmp格式图像按照顺序依次导入指定图层，通过空间方位设定模块设定图片的空间方位，使图片中的脑部在空间方位设定模块设定的空间位置与实际空间位置相对应，然后载入设定的空间位置参数。步骤3
中央处理器操作图像分割模块进行分割图像，背景为黑色，生成分割组织蒙板，然后设定象素参数；通过程序操作运算模块交替进行形态学开运算和闭运算，以消除边缘细小的凸凹不平。步骤4
接着执行三维运算，设定优化的重建质量为高，对分割组织进行三维重建。然后输出 STL格式保存在存储单元，分割组织的英文名称命名文件，例如brain, stl。到此完成了三维粗模的构建。步骤5
重建生成的粗模面数太多，运行速度慢不利于渲染，更无法完成贴图。需要对模型进行降面处理。将三维粗模通过3DS_MaX软件导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型。满意后仍以STL格式保存。步骤6
通过3DS-MaX软件将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。图3为本实施例中构建的带有头颅的脑部切开的三维立体模型，外边缘白色区域为颅骨和头皮。实施例4 步骤I
34岁健康男性自愿者，I. 5T磁共振头颅矢状位薄层成像，所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件层厚O. 8mm，层距O. 95mm ；WXH=256X256 ;层数170层。将磁共振图像预处理成为bmp格式。步骤2
图形工作站Core中央处理器、内存、彩色显示器、1024 X768分辨率、存储单元； Windows XP 操作系统，3DS_MaXll. O、mimics8. O 及其相关软件。选自人脑侧脑室的磁共振图像,导入mimics软件,将预处理所得的bmp格式图像按照顺序依次导入指定图层，设定图片的空间方位，使图片中的脑部在空间方位设定模块设定的空间位置与实际空间位置相对应，然后载入设定的空间位置参数。步骤3
进行分割图像，背景为黑色，生成分割组织蒙板，然后设定象素参数；交替进行形态学开运算和闭运算，以消除边缘细小的凸凹不平。步骤4
接着执行三维运算，设定优化的重建质量为高，对分割组织进行三维重建。然后输出 STL格式保存在存储单元，分割组织的英文名称命名文件，例如brain, stl。到此完成了三维粗模的构建。步骤5
将三维粗模通过3DS-MaX软件导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型。满意后仍以STL格式保存。步骤6
通过3DS-MaX软件将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。图4为本实施例中构建的未进行数据关联时的侧脑室模型的背景；图5为本实施例中构建的侧脑室三维立体模型。实施例5 步骤I
34岁健康男性自愿者，I. 5T磁共振头颅矢状位薄层成像，所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件层厚O. 8mm，层距O. 95mm ；WXH=256X256 ;层数170层。将磁共振图像预处理成为bmp格式。步骤2
图形工作站Core中央处理器、内存、彩色显示器、1024 X768分辨率、存储单元； Windows XP 操作系统，3DS_MaXll. O、mimics8. O 及其相关软件。选自人脑侧脑室部分切块的磁共振图像，导入mimics软件,将预处理所得的bmp 格式图像按照顺序依次导入指定图层，设定图片的空间方位，使图片中的脑部在空间方位设定模块设定的空间位置与实际空间位置相对应，然后载入设定的空间位置参数。步骤3
进行分割图像，背景为黑色，生成分割组织蒙板，然后设定象素参数；交替进行形态学开运算和闭运算，以消除边缘细小的凸凹不平。步骤4接着执行三维运算，设定优化的重建质量为高，对分割组织进行三维重建。然后输出 STL格式保存在存储单元，分割组织的英文名称命名文件，例如brain, stl。到此完成了三维粗模的构建。步骤5
将三维粗模通过3DS-MaX软件导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型。满意后仍以STL格式保存。步骤6
通过3DS-MaX软件将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。图6为本实施例中构建侧脑室切块三维立体模型。实施例6 步骤I
34岁健康男性自愿者，I. 5T磁共振头颅矢状位薄层成像，所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件层厚O. 8mm，层距O. 95mm ；WXH=256X256 ;层数170层。将磁共振图像预处理成为bmp格式。步骤2
图形工作站Core中央处理器、内存、彩色显示器、1024 X768分辨率、存储单元； Windows XP 操作系统，3DS_MaXll. O、mimics8. O 及其相关软件。选自实施例2所述人脑部分以及包围该部分头颅的磁共振图像，导入mimics软件，将预处理所得的bmp格式图像按照顺序依次导入指定图层，设定图片的空间方位，使图片中的脑部在空间方位设定模块设定的空间位置与实际空间位置相对应，然后载入设定的空间位置参数。步骤3
进行分割图像，背景为黑色，生成分割组织蒙板，然后设定象素参数；交替进行形态学开运算和闭运算，以消除边缘细小的凸凹不平。步骤4
接着执行三维运算，设定优化的重建质量为高，对分割组织进行三维重建。然后输出 STL格式保存在存储单元，分割组织的英文名称命名文件，例如brain, stl。到此完成了三维粗模的构建。步骤5
将三维粗模通过3DS-MaX软件导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型。满意后仍以STL格式保存。步骤6
通过3DS-MaX软件将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。图7为本实施例中构建侧的部分脑和头颅的三维立体模型，图中，外部白色边缘区域为颅骨。
实施例7
步骤I
34岁健康男性自愿者，I. 5T磁共振头颅矢状位薄层成像，所得T1DICOM格式原始数据为本研究的资料。成像条件层厚O. 8mm，层距O. 95mm ；WXH=256X256 ;层数170层。将磁共振图像预处理成为bmp格式。步骤2
图形工作站Core中央处理器、内存、彩色显示器、1024 X768分辨率、存储单元； Windows XP 操作系统，3DS_MaXll. O、mimics8. O 及其相关软件。选自人脑以及部分头颅的磁共振图像，导入mimics软件，将预处理所得的bmp格式图像按照顺序依次导入指定图层，设定图片的空间方位，使图片中的脑部在空间方位设定模块设定的空间位置与实际空间位置相对应，然后载入设定的空间位置参数。步骤3
进行分割图像，背景为黑色，生成分割组织蒙板，然后设定象素参数；交替进行形态学开运算和闭运算，以消除边缘细小的凸凹不平。步骤4
接着执行三维运算，设定优化的重建质量为高，对分割组织进行三维重建。然后输出 STL格式保存在存储单元，分割组织的英文名称命名文件，例如brain, stl。到此完成了三维粗模的构建。步骤5
将三维粗模通过3DS-MaX软件导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型。满意后仍以STL格式保存。步骤6
通过3DS-MaX软件将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。图8为本实施例中构建的带部分颅骨的三维全脑模型照片，其中，2为头颅，I为脑部；图9为本实施例中构建三维全脑模型任意切开的(未予数据关联时的)骨架图。原始头颅MRI目标图片和模型结构进行对比，结果图片和模型十分吻合。说明本发明所述方法是一种理想的构建三维脑立体模型的方法。以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
权利要求
1.一种构建三维脑模型的方法，其特征在于，步骤包括步骤1，选择所要进行三维模型重建的脑部位，磁共振头颅矢状位薄层成像，得到 T1DICOM格式的原始数据和bmp格式的图像；步骤2，将目标图像从bmp格式的头颅图像中分离出来，通过导入模块将目标图像按照顺序依次导入计算机中的空间方位设定模块，设定图片的空间方位，使图片的空间方位与实际空间位置相对应；步骤3，处理器操作图像分割模块，将设定好方位的成像处理成分割组织蒙板，并通过程序操作运算模块进行交替形态学开运算和闭运算，以消除分割组织蒙板的边缘细小的凹凸不平；步骤4，三维重建模块进行三维运算，对分割组织进行三维重建得到三维粗模，并通过转换器将三维粗模以可视图像的方式导出；步骤5，将三维粗模导入第二计算模块，创建体积大于目标模型的低面长方体，然后和目标模型做布尔运算取交集，得到低面目标模型；步骤6，将低面目标模型导入关联模块，同时将磁共振图片T1DICOM原始数据导入关联模块，利用多面贴图的方法进行数据关联，得到可视化三维脑模型，并通过显示设备显示。
2.根据权利要求I所述的构建三维脑模型的方法，其特征在于，所述磁共振头颅矢状位薄层成像步骤中，层厚O. I"!. 0mm,层距O. 9(Tl. 05mm。
3.根据权利要求I所述的构建三维脑模型的方法，其特征在于，步骤6中得到的三维脑模型通过显示设备分别在轴位、冠状位和矢状位进行显示。
4.根据权利要求I所述的构建三维脑模型的方法，其特征在于，步骤2中通过mimics 软件将成像导入空间方位设定模块，并通过该软件设定空间方位。
5.根据权利要求4所述的构建三维脑模型的方法，其特征在于，设定的空间方位位置参数为层距等于磁共振扫描层距。
6.根据权利要求I所述的构建三维脑模型的方法，其特征在于，步骤5中使用3DS-MaX 软件创建低面长方体、并进行布尔运算取交集。
7.根据权利要求I所述的构建三维脑模型的方法，其特征在于，步骤6中，使用 3DS-MaX软件导入低面目标模型和磁共振图片数据，进行数据关联。
全文摘要
本发明公开了一种构建三维脑模型的方法，以磁共振头颅矢状位薄层成像，得到的T1DICOM格式的数据为原始资料，将原始资料转化为bmp格式的图像。从bmp格式的图像中分离出目标图像，所得目标图像导入三维重建软件，并空设定间位置、生产蒙板、构建三维粗模。三维粗模进行降面处理转变为低面目标模型，最后低面目标模型与T1DICOM格式的原始数据进行关联，得到三维立体脑模型。本发明构建的三维脑模型与原始头颅磁共振目标图片进行验证，发现三维脑模型的轮廓线与原始T1DICOM格式图像边缘十分吻合。
文档编号G06T17/00GK102609981SQ201210017228
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者杨治荣, 郭智霖 申请人:上海交通大学医学院附属第九人民医院