[应用ＶＴＫ技术建立唇腭裂可视化模型]可视化模型

　　[摘要]目的：寻求一种高效率、高精度建立唇腭裂患者颌面部可视化模型的方法。方法：利用薄层cT获取原始数据，运用k一均值聚类算法进行图像分割，结合VTK(Vi Stl8lization Toolkit)技术进行可视化模型的建立。结果：建立了更为精确的唇腭裂患者颌面部的可视化模型，总结出了一种更为方便高效的通用可视化建模方法。结论：应用VTK方法建立可视化模型，软件开发周期更短，精度更高，应用更广泛。
　　[关键词]唇腭裂；VTK；可视化；k-均值聚类
　　[中图分类号]R782．2 [文献标识码]A [文章编号]1008―6455(2007)02一0218―02
　　科学计算可视化(Visualization in cientific Computing，简称为VISC)是1987年由B．H．McCormick等人根据美国国家科学基金会召开的科学计算可视化研讨会的内容撰写的一份报告中正式提出来的。近年来，计算机硬件水平的长足进步和可视化理论方法的不断完善，可视化在许多领域都得剑了广泛的应用。如有限元分析、计算机断层扫描CT及核磁共振MRI数据的可视化等。本研究将VTK技术、c++技术及计算机断层扫描CT相结合，建立唇裂的可视化模型，对临床医生术前面型分析、术后面型预测及口腔颌面外科教学等的应用进行了探讨。
　　
　　1材料和方法
　　
　　1．1数据的获取：选择一左侧先天性唇腭裂III度无其他身体疾患的患儿作为测试对象，应用Toshiba公司16排螺旋cT扫描机Aquilion，测试对象采用仰卧位，眶耳平面平行于水平面，闭口位。扫描时选用骨组织扫描窗，层距O．5mm，范围为全头颅。
　　1．2数据的处理
　　1．2．1数据的预处理：为了更加精确地生成三维可视化模型，我们将cT扫描得到的dicom文件用infran+infran plugs软件将其批处理转化为raw文件，手工筛选后采用我们自行编写的分割软件splitter将其骨组织和软组织分割出来。
　　1．2．2模型的生成：应用的编程环境为Visual C++．net 2003和VTK(Visualization Toolkit)。分割算法采用k一均值聚类算法。在VTK中，我们选择了Marching Cubes算法来建立等值面模型，首先建立vtk Marching Cubes类，Set Input()函数获取预处理数据，生成三角带数据后将其转化为几何数据，vtk Actor()创建要显示的“演员”，最后应用Add Renderer()函数显示。
　　
　　结果
　　
　　
　　3讨论
　　
　　可视化理论自1986年提出以后，广泛应用于医学、流体力学、有限元分析、气象分析当中。尤其在医学领域，可视化有着广阔的发展前途。最著名的项目便是Visible Human Project(VHP)，即可视化人体。该项目由科罗拉多大学实施承担，通过对男、女两组cT及MRI数据进行可视化重建，得到了50GB的数据集。VHP的出现标志着计算机图形学及虚拟现实开始向医学领域渗透，具有划时代的意义。
　　在我国，唇腭裂是口腔颌面部常见的先天性畸形，发病率约为1．8：1000，每年我国都有三到四万唇腭裂患儿出生。在以往的唇裂特征性研究中主要采用解剖学研究，x线头影测量等手工方法进行，大量的手工操作导致较大的误差。奇鞠、田卫东等采用计算机辅助三维重建技术对6例正常胎儿标本及5例唇裂新生儿标本颅面形态结构进行二维重建，得到了唇腭裂患儿的可视化模型，但由于采用死婴且受限于当时可视化理论及计算机硬件水平，只实现了骨组织的重建。同时以往的研究也存在着开发周期长、模型精度一般、交互式操作繁琐等一系列问题，本研究针对上述缺点，进行了以下改进。31应用VTK简化可视化程序的开发：Visualization Toolki t(简称VTK)是一个用于可视化应用程序构造与运行的支撑环境。它是在三维函数库OpenGL的基础上采用面向对象的设计方法发展起来的。它运用C++的思想，将编程中常用的细节进行封装，极大地提高了开发效率叫。同时采用的Pipeline机制，规范化了程序流程，简化了代码结构。应用VTK可以大大缩短开发周期，使研究人员能够将精力重点放在唇腭裂患者面型特点上，构造出适合于当前研究的可视化模型。
　　3．2应用k－均值聚类算法进行图像分割：k－均值聚类法分割是将对象空间中的元素用对应的特征空间表示，按照一定的目标函数将具有相似特征的空间点聚集成团，然后再将它们映射回原图像空间以得到分割结果的一种分割方法。k－均值聚类算法的自身优势使其具有分割运算量小，适用于处理庞大的样本数据，易于发现球状类的特点，与CT的成像原理相似，十分适合CT影像的分割运算。
　　3．3较高的模型精度：可视化模型的精确程度与原始数据、数据的预处理、分割与成像算法的优化程度等因素都有关系。运用cT进行三维重建与传统的x线立体摄影技术相比有着较高的可信度，在以往的研究中早已得到证实。本研究中采用薄层cT，层距为0．5mm，获得了精确的唇腭裂患者畸形的面中部数据；原始数据经过人工筛选，去除了部分我们不感兴趣的层面；最后借助VTK高效率的着色代码，可获得较高精度的可视化模型。可视化模型在临床上主要应用于三维观察、点线角的测量、模拟手术外科等方面，在唇腭裂精细手术模拟过程中，较高的精度保证了结果的准确性，对临床医生进行正确的术前疗效评估及手术过程模拟奠定了基础。
　　3．4建立了软组织与骨组织的复合模型：受限于分割算法，以往的颌面部可视化模型的建立主要集中在骨组织。采用k－均值分割算法，不仅可以有效地分割出骨组织，同时对软组织的分割也十分有效。唇腭裂患者面中部解剖结构较正常人复杂，健壮的分割重建算法保证了重建数据的精度。应用VTK可以灵活的实现软组织与骨组织的复合重建，商业化的代码保证了重建的效率、质量与兼容性。唇腭裂患者的畸形是一种面中部软硬组织的复合畸形，同时重建软组织和骨组织，可以大幅度提高模型的真实性，更加符合虚拟手术系统的要求。
　　3．5开放性的软件设计：我们将代码最终生成ExE文件。该软件具有良好的通用性，只要有合适的CT数据，经过适当的预处理，都可生成高质量的可视化模型，不局限于唇腭裂患者。我们在最终生成的可视化模型预留了标准接口，可以导入其他常用工程软件共享数据，如ansys等，作进一步分析，提高了模型的通用性。生成模型时调整CT等值，可以获得不同层面的可视化模型，例如，经过适当的分割，甚至可以单独显示异常口轮匝肌在口周的分布。最终得到的可视化模型，不仅可以360。观察骨组织、软组织、软硬组织复合体，若在分割时选择感兴趣的范围，也可以单独显示该部位，方便临床医生分析病情，更加准确得预测术后病情改善情况。我们可以将颌面部各个主要解剖结构分别建立可视化模型，部分代替传统的二维解剖图谱，在颌面外科教学工作中也大有用武之地。
　　然而该系统也存在着一些缺点。虽然VTK自身的代码效率已经非常高效，但是我们将全头颅唇裂患者的薄层CT数据进行三维可视化的过程中，在Pemtium 42．6G 512M RAM的Pc机上运行时，建模时间超过5min。要获得良好的运行表现，必须使用专业的图形工作站。另外本研究只是实现了可视化这一步，要得到最终虚拟手术要求的研究对象模型，还需与合适的计算模型(质点弹簧模型或三维有限元模型)相结合，我们预计下一步工作将实现此功能，为实现虚拟手术奠定基础。
　　编辑／张惠娟
　　(注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。)