MIMICS论文
CT和MR医学影像基于有限元三维重建后的融合及应用研究
一、立项依据
随着医工合作在国内各大专院校的推广，使得现有许多成熟的工科技术寻找到在医学上的应用前景，如力学分析、快速原型制作等工科上早已成熟应用于数字化制造的技术越来越多地被医学界的同行所接受，并部份已用于临床。现在存在的问题是医学上的数模都较复杂，如何使现在的简单三维数模渐进地向复杂三维数模过渡，三维数模接近生物解剖结构，在此基础上进行的力学分析结果接近实际生物运动力学状态，制作的原型接近实际生物的解剖结构，使之真正能应用于临床是现在医学影像基于有限元三维重建且多种数模融合的研究方向。
医用CT或MR断层扫描系统提供的三维成像不能理想地同时显示软组织与骨组织之间的空间关系，同时上述系统提供的三维数据定义只能可视，不能满足快速原型制作、生物力学分析、假体设计等应用上的要求。利用CT和MR对不同组织成像效果的互补性，将CT、MR扫描采集的信息作为数据源基于有限元三维重建，并通过数模融合技术使两者的三维数模在同一坐标系中融合在一起，骨和软组织可在同一空间以组合或分立的数模来进行表述，使之可用于手术模拟、手术方案讨论和制定、快速原型制作等，更有助于今后的组织工程器官模型建立和复杂数模用于生物力学分析或力学虚拟人、假体设计和虚拟现实等技术中。
CT和MR断层扫描系统对有些组织并不能在视觉上有亮度对比较强的分辩，在二维的片子中也需具有解剖知识的人员方能辩识，这给自动三维重建、复杂三维数模的构建带来困难。在自动三维重建的同时，通过手动三维重建来弥补CT和MR断层扫描系统对有些组织并不能很好分辩的缺陷，实现复杂数模中所要求的血管（自动）、神经（手动）、骨（自动）、软组织（部份手动）、器管（部份手动）等的建模，对于手动建模过程中的经验进行总结、寻找规律，使得经后可以在最短的时间内建出与解剖结构相近的复杂数模，为力学虚拟人、人体器官的组织工程材料加工、快速原型制作、虚拟现实、假体设计尊定基础，以下是我们已进行的部份前期工作。
图1 带有肌腱的膝盖骨三维重建（自动+手动）
图2 基于有限元的CT和MR数据融合后髋骨与肿瘤（自动+手动）
图3 有骨骺的儿童髋骨三维建模（自动）
图4 儿童骨骼发育成熟前还有骨骺的股骨运动模拟。
图5 头部血管三维重建（自动）
图6 部份三叉神经三维重建（手动）
二、特色与创新
- CT和MR医学影像基于有限元三维建模后的融合。
- 将融合后的复杂数模应用于快速原型模型制作、力学分析、虚拟现实、假体设计，拓展医学影像基于有限元三维重建后数模融合技术、快速原型技术、生物力学分析、假体设计、虚拟现实在医学临床上的应用，而上述技术真正大量应用于临床还有许多技术要解决，其中生物体复杂三维数模的建立就是重点和难点。
- 软组织与骨组织数学模型用不同的颜色显示不同的目标组织，同时可以分别做出快速原型或用于力学分析。在可视、可触的模型上再综合力学分析的结果用于术前 进行手术方案个性化设计和模拟手术。
- 融合后的数模制作的快速原型以玉米淀粉为原料，应用快速原型三维彩色打印技术，具有成本低、制模迅速等特点，完全符合临床工作中时间性强以及最大限度降低医疗成本的要求。
三、拟解决的关键技术
- CT和MR基于有限元三维重建后的数模融合配准，尤其是非刚性组织在CT和MR断层扫描设备上的配准方法和规律，以及数模在融合时的基准点选择等。
- 手动三维重建弥补CT和MR断层扫描系统对有些组织并不能有较强亮度对比分辩的缺陷，手动建模时因个人对二维图片的识别不同而使所建数模因人而有一定的差异。结合临床寻找出手动建模时的一般方法和规律，使手动建模快速且结果与解剖结构差异较小的复杂数模。
- 应用于临床的生物力学分析对于数模的要求并不全都是越复杂越好，因为极为复杂的数模虽能更接近实际的解剖结构，但也曾加了建模和力学计算时的时间，不能满足临床上的时间要求。重建的三维复杂数模复杂度如何做到适度，使之满足临床应用的要求，也是本课题要解决的关键问题。
四、预期研究成果
- 结合临床寻找到CT和MR基于有限元三维重建后的数模融合配准的基本方法，尤其是非刚性组织在CT和MR断层扫描设备上的配准方法和规律，以及数模在融合时的基准点选择方法等。
- 结合临床寻找到手动建模时的一般方法和规律。
- 结合临床应用，为重建的三维数模复杂程度如何做到适度建立评价体系。
- 骨和软组织的融合数模制作快速原型。
- 培养研究生1~2名。
- 在核心期刊上发表学术论文2~3篇。
- 申请发明专利１项。
五、工作分配
仁济医院：
病人数据采集，病例分析，临床比较和应用，协助申模建立三维数模，评价体系的建立，提供快速原型制作经费。
上海申模计算机系统集成有限公司：
公司负责在院方协助下进行三维建模，力学分析，快速原型制作（负责三维建模、原型制作过程，制作经费由院方提供）。
