基于逆向工程的人体颌骨个体化三维实体重建研究

　　利用牙齿颌骨的螺旋CT(Computed Tomography)图像在计算机内建立三维数字牙齿颌骨实体模型，属于三维重建技术领域，是对牙齿进行虚拟研究的基础。随着计算机科学的不断发展.利用计算机进行虚拟医学研究，已成为当今医学研究的一个热点。国内外学者和研究机构对 CT 图像的三维重建进行了大量的研究，已经开发出多套应用于口腔医学的虚拟现实系统，在教学和研究中发挥了重要的作用。这些用于医学研究的系统对三维物体的描述方法总结起来有如下几种:表面重建法、体索重建法和截面重建法。表面重建法采用多边形对物体的表面进行拟合，也称为小平面建模，有计算简单、计算量小、实时性高、结果文件小、以及便于数据远程传输的优点。但该方法忽略了物体内部的信息，不能进行分析处理或者实体制造;体素重建法不需要确立表面的几何显示，直接在体素数据的基础上进行显示。虽然能显示较为薄弱的细节并能达到较好的视觉效果，但其速度慢，设备要求高，结果数据文件比较大，不利于远程传输;截面重建法的重建结果图像只具备深度信息，不具备形状信息。重建显示的结果图像不理想，旋转显示的可视侧面效果差，立体感差，重建时不能任意旋转不同侧面，重建灵活性差。此外，这几种方法大多需要通过软件编程，经过大量数据插值运算来实现，数据处理繁杂。并且最终生成的模型都不是实体模型，可编辑性差。本文介绍一种简单且容易实现的个体化三维重建实体牙齿模型方法。

　　总体流程如图 1 所示。

　　(1)将患者颌骨通过 CT 扫描获得数据;

　　(2)使用 Mimics8.1 读取 CT 图像数据，在Mimics8.1 里通过阈值化(Thresholds)操作，提取其下颌骨的相关结构信息，重建点云数据模型，以stl 文件格式存储;

　　(3)将该 stl 文件导入到 Imageware 逆向工程软件中，重新提取断层点云图像，过滤点云并矢量化拟合断层点云图像的轮廓线，得到对象的线框结构，并对线框结构进行曲面拟合，最终生成对象的片体模型;

　　(4)将该片体导入 UGNX4 中，利用 UG 中的布尔运算最终生成一个可编辑的三维人体颌骨实体模型。

　　1 CT 断层图像的获得

　　采集患者二维 CT 扫描数据，CT 机为 GEMEDICAL SYSTE--MS/LightSpeed-16 型，采用螺旋扫描方式扫描，切片厚度设定为 1.00mm,滤波函数为 STAND,共获取 84 张图像，格式为 DICOM 文件。图 2 为切片图像之一。

    2 Minics 中处理 CT 数据为三维点云模型

    CT 获得的断层图片数据为光栅格式，不能直接运用于逆向构造曲面或者实体，需要将各层 CT 图片依据其相互位置关系组合成一个三维空间上的图像合集。采用 Mimics8.1 读取 CT 断层图像数据，依据软硬组织在 CT 图像中具有的不同灰度值及相关解剖学特征，通过阈值化操作，提取下颌骨的相关结构信息。在 Mimics8.1 中设定边界阈值，进行软硬组织分离，消除噪声数据，校正失真后，获得下领骨骨组织轮廓数据，并以 stl 文件格式储存。由于牙体和颌骨的组织密度远高于其周围组织，将 CT阈值范围设定为牙骨质或牙釉质的 CT 值，保留其图像，低于此密度值的组织作过滤处理，只剩下单纯的牙体和颌骨，即获得牙体和颌骨的 3D 点云模型即点云数据。