泌尿外科 3D 建模技术​

Creating Standards for 3D Soft-Tissue Modelling

Cite this chapter

Huri, E., Tunç, O., Moon, Y.L., Kim, D.O. (2021). Creating Standards for 3D Soft-Tissue Modelling. In: Huri, E., Veneziano, D. (eds) Anatomy for Urologic Surgeons in the Digital Era. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-59479-4_15

3D 建模技术不同于3D 重建，所有 3D 解剖建模研究都是通过 DICOM 文件将 MRI 和 CT 扫描传输到 Mimics® 软件来实现的。在轴向、冠状和矢状投影中监测放射图像。将 HU（Hounsfield Unite）值分配给 2D 放射影像进行掩蔽。通过检查各种结构的解剖边界来执行分割。不同的MRI序列用于不同结构的分割。所有 MRI 和 CT 扫描叠加在一起，使它们成为一个独特的结构。之后，使用“3-matic”设计模块进行详细建模。然后将 STL 文件传输到 3D 打印机。

为 3D 软组织建模创建标准--

 3D 建模技术

     来自医院的医学图像由二维数据集组成，并以切片的形式提供人体信息。人体在 3D 空间中具有形态结构。要识别真实的人体器官，应使用 2D 切片重建身体以获得其精确的位置和形状。在真实的临床情况下，医生花费大量的时间和精力来学习这个重建过程。借助医学 3D 数据，我们将获得更多关于人体的信息，以及从模拟中获得更客观的数据，这可能有助于制定更成功的治疗和手术计划。尤其是成像和建模的目的是从有限的医学图像信息中通过各种数据处理来精确化高质量的内容。

       标准化试验描述了用于诊断和治疗应用的医学三维 (3D) 建模的生成和实际使用。它包括用于从二维 (2D) 医学图像进行 3D 重建的体积渲染和表面渲染技术，以及用于逼真可视化的 3D 医学数据的纹理化方法。泌尿外科是近期可以使用3D建模软件和3D医疗打印技术的最重要领域之一。

关键词

• 医疗 3D 标准

• 医疗3D格式

• 医学3D分割

• 医疗3D重建

• 医疗 3D 抽取

• 纹理映射

• 材料特性

15.1简介

     来自医院的医学图像由二维 (2D) 数据集组成，并以切片的形式提供人体信息，但人体具有三维 (3D) 形态。如果我们应该模拟这种 3D 形态，我们或许能够获得更多关于身体的信息，并在临床环境中为治疗和手术结果做出贡献。我们的目标是从 2D 图像生成 3D 医学数据。我们知道，二维图像是临床医生在日常临床实践中每天遇到的放射学数据。3D 建模需要良好的人体解剖学知识、良好的技术知识和使用适当软件的能力。确定 3D 建模的临床目的，明确预期对于确定要使用的软件类型至关重要。尽管医生在这个过程中花费了大量的时间和精力，但每个研究所得到的 3D 数据都不同。因此，标准化试验可为临床领域甚至工业市场提供标准、简单且准确的 3D 数据。IEEE 标准文档由 IEEE 协会和 IEEE 标准协会 (IEEE-SA) 标准委员会的标准协调委员会制定。IEEE 通过经美国国家标准协会批准的共识开发流程来制定标准，该流程汇集了代表不同观点和兴趣的志愿者以实现最终产品。本章将提供有关我们在 IEEE-SA 内进行的标准化工作的一般信息，不包括标准。生成的 3D 数据在每个研究所都不同。因此，标准化试验可为临床领域甚至工业市场提供标准、简单且准确的 3D 数据。IEEE 标准文档由 IEEE 协会和 IEEE 标准协会 (IEEE-SA) 标准委员会的标准协调委员会制定。IEEE 通过经美国国家标准协会批准的共识制定流程来制定标准，该流程汇集了代表不同观点和兴趣的志愿者以实现最终产品。本章将提供有关我们在 IEEE-SA 内进行的标准化工作的一般信息，不包括标准。生成的 3D 数据在每个研究所都不同。因此，标准化试验可为临床领域甚至工业市场提供标准、简单且准确的 3D 数据。IEEE 标准文档由 IEEE 协会和 IEEE 标准协会 (IEEE-SA) 标准委员会的标准协调委员会制定。IEEE 通过经美国国家标准协会批准的共识制定流程来制定标准，该流程汇集了代表不同观点和兴趣的志愿者以实现最终产品。本章将提供有关我们在 IEEE-SA 内进行的标准化工作的一般信息，不包括标准。为临床领域甚至工业市场提供准确的 3D 数据。IEEE 标准文档由 IEEE 协会和 IEEE 标准协会 (IEEE-SA) 标准委员会的标准协调委员会制定。IEEE 通过经美国国家标准协会批准的共识开发流程来制定标准，该流程汇集了代表不同观点和兴趣的志愿者以实现最终产品。本章将提供有关我们在 IEEE-SA 内进行的标准化工作的一般信息，不包括标准。为临床领域甚至工业市场提供准确的 3D 数据。IEEE 标准文档由 IEEE 协会和 IEEE 标准协会 (IEEE-SA) 标准委员会的标准协调委员会制定。IEEE 通过经美国国家标准协会批准的共识开发流程来制定标准，该流程汇集了代表不同观点和兴趣的志愿者以实现最终产品。本章将提供有关我们在 IEEE-SA 内进行的标准化工作的一般信息，不包括标准。由美国国家标准协会批准，该协会汇集了代表不同观点和兴趣的志愿者来实现最终产品。本章将提供有关我们在 IEEE-SA 内进行的标准化工作的一般信息，不包括标准。由美国国家标准协会批准，该协会汇集了代表不同观点和兴趣的志愿者来实现最终产品。本章将提供有关我们在 IEEE-SA 内进行的标准化工作的一般信息，不包括标准。

15.2范围

    标准化试验减少了医学图像中软组织和硬组织的 3D 打印输出可变性，并为一致的 3D 打印定义了定义的模型数据文件格式标准。标准化包括通过医学断层扫描图像校准获取具有物理密度和尺寸特征的模型数据，并使用图像分割技术开发数字文件格式数据。在软组织和硬组织的情况下，需要图像处理和分割，但是强度范围没有标准化，因为它是由各种设备和协议（例如 MRI 或 CT，或注射协议）获取的。然而，众所周知，提供薄片（1-5 mm）的放射图像允许在 3D 建模中更准确地执行分割。否则，

在软组织 3D 打印的医学成像和建模程序中，将包括以下功能：

• 图像增强预处理。

• 用于软组织 3D 打印的医学图像分割。

• 用于减少误报的后处理。

15.3软组织 3D 打印的医学成像和建模程序概述

计算方法在医学图像（CT、MRI 等）中的应用使得创建三维 (3D) 目标解剖模型成为可能。此外，众所周知的增材制造或 3D 打印是一种用于创建 3D 患者特定对象的过程。

15.4方法

1. (a) 图像各向同性转换  

2. Image Isotropic Conversion

如果我们只有很少的病人图像切片，当我们重建回 3D 时，图像之间会有很多“空白空间”。各向同性转换是在中间添加更多的切片，这样我们可以获得更多的图像，我们可以有更平滑的可视化（通过对每两个图像的数据点进行采样和计算）（图  15.1  ）。

图 15.1  

各向同性转换生成的 3D 医学数据的重建（肾脏分割——3D 可视化）  

(b)图像增强

    在医学成像断层扫描中，由于成像原理不同，噪声是不可避免的。因此，有必要在分割前去除这些噪声，以确保获得高质量的分割结果。高斯低通滤波器使用正态分布函数从图像中去除噪声，而高斯滤波器的拉普拉斯是一种突出图像边缘的滤波方法。通过这样做，您既可以去除医学图像中的噪声，也可以对强调某些区域的技术进行预处理，以提高最终分割结果的质量。

（C）图像分割

    图像分割是将数字图像分割成多个片段的过程。医学图像分割的目标是简化和/或将图像的表示更改为更有意义且更易于分析的内容（图  15.2  和  15.3  ）。

图 15.2  

软组织分割 ( a ) CT 图像 ( b ) CT 图像肾脏区域  

图 15.3  

软组织分割 ( a ) 3D 可视化 ( b ) CT 图像的分割血管区域  

1. (d)减少假阳性  

提取结果不可避免地包括误报（FP）。移除这些 FP 是必要的，这可能需要不同的方法，具体取决于提取算法。例如，在要显示的图形中，左侧的红色区域是支气管提取的 FP 区域，并且通过各种测试有效地去除了结果。FP去除过程的重要性可以在这个例子中找到。

15.5 MedTrain3DModsim 和标准化经验

      MedTRain3DModsim Erasmus + European Union 项目于 2016 年 10 月开始并于 2018 年 10 月完成，由土耳其安卡拉的 Hacettepe 大学和合作组织韩国朝鲜大学牵头；查尔斯大学，捷克共和国；和罗马 3 大学，意大利和希腊泌尿外科协会，希腊。该项目的全称是“Novel Educational Materials in Medical Training with 3D Modeling Application and Simulation Modalities (Virtual Reality and Augmented Reality)”，这是土耳其国家机构资助的第一个项目。该项目的目的是使用各种软件包从计算机断层扫描 (CT)（医学数字成像和通信，DICOM）图像中提取和重建 3D 逼真的解剖模型，并以 3D 形式打印或模拟它们以用于教育目的。

     其中一项智力成果 (IO) 是“ 3D 医学模型的标准化”，IO的描述是对几个模型的标准化特征的评估。应用方法的总结是对模型的不同规格进行评估和创建标准化，包括可视化 3D 体积图像、增强现实目标识别（受影响的部分 - 标记）的准确性、目标识别（受影响的部分 - 标记）跟踪的准确性，目标识别（患部—标记）与3D对象的实时渲染速度、目标识别（患部—标记）与3D对象的匹配程度、VR模拟的实时3D渲染速度等。与 IEEE-EMBS 标准协会基于 3D 的医疗应用工作组合作，以维护虚拟和 3D 打印医疗模型的标准。

15.6 3D 医学打印泌尿器官模型的逐步 3D 建模技术

     所有 3D 解剖建模研究都是通过 DICOM 文件将 MRI 和 CT 扫描传输到 Mimics® 软件来实现的。在轴向、冠状和矢状投影中监测放射图像。将 HU（Hounsfield Unite）值分配给 2D 放射影像进行掩蔽。通过检查各种结构的解剖边界来执行分割。不同的MRI序列用于不同结构的分割。所有 MRI 和 CT 扫描叠加在一起，使它们成为一个独特的结构。之后，使用“3-matic”设计模块进行详细建模。然后将 STL 文件传输到 3D 打印机。

15.6.1泌尿学模型的制备

需要替代医学培训工具作为目前使用的工具的辅助工具。开发新培训资源的主要驱动因素是传统培训方法的局限性、程序的复杂性、新程序的兴起以及由于年龄和病状导致的人体解剖学差异。在 MedTRain3DModsim 项目中，我们旨在使用可变软件包从 CT/DICOM 图像中提取和重建 3D 逼真的解剖模型，并为教育目的进行三维打印。

15.6.2好处

• 全球首次确定实体器官模型的 3D 医学建模和应用国际标准（IEEE-SA 3D Based Medical Application WG Collaboration）

• 使用基于虚拟的 3D 打印和编辑模型进行手术实施和模拟，学习医学领域的解剖学，特别是泌尿外科和普通外科手术，无需更昂贵的机器和模拟器，从而降低成本

• 使用技术和印刷材料更好地了解 3D 手术解剖结构

• 为干式实验室培训创建 3D 打印医学模型（在腹腔镜/内窥镜/机器人手术中）

• EBU（欧洲泌尿外科委员会）住院医师培训课程将用于在泌尿科创建有用的 3D 打印手术和器官模型

• 医学模型的虚拟培训课程将是项目结束时的目标之一

• 一旦数字定义（STL 文件）得到保护，就可以复制任何数量的样本。

• 可以对独特的病理学进行成像，然后在多个机构之间共享。对于生物模型，一些研究还报告了放大标本以增加难以看到结构的可见度的优势。

• 对于模拟，与体内训练相比，3D 打印的一个关键优势是能够在无风险的环境中完成整个程序。

• 如果没有模拟器，居民将逐步发展程序技能；在进入下一步之前，在一个步骤中获得能力，稍后再对不同的患者进行操作。3D 打印模拟器不受这些限制，因此可以加速住院医师培训。

• 3D 打印模拟器使受训者能够重复执行并掌握作为程序基石的基本动作。

• 不要忘记模拟器是体内训练的辅助工具。仅在模拟器上进行培训不能确保程序的能力，也不能排除对体内培训或监考案例的需要

15.6.3方法论

从标准化的 DICOM 图像重建基于计算机的 3D 解剖模型，首先将使用 MIMICS® 和 Medical IP® 等软件包为模型提取足够的解剖信息。额外的软件将用于体积渲染、纹理处理以创建逼真的人体模型。这些模型将显示为虚拟现实视图。这些虚拟模型将被转换为生产真正的 3D 打印教育材料，还将执行打印的器官/系统模型的处理，以以适当的方式模拟手术模型。3D 打印是为两个目的生产解剖复制品的工具。一：研究和可视化（静态生物模型），二：医疗程序的模拟（物理模拟器）。在项目中，我们都使用“静态生物模型”和“物理模拟器”进行训练。对于静态生物模型，将 3D 打印训练工具与 2D 放射成像（计算机断层扫描 [CT]）、3D 数字模型、巴拉丁模型和尸体标本进行比较。对于物理模拟器，将与尸体解剖、虚拟现实模拟器和手术过程中的体内训练进行比较。我们更喜欢在培训活动中与二维 CT 和尸体模型进行比较。虚拟现实模拟器和手术过程中的体内训练。我们更喜欢在培训活动中与二维 CT 和尸体模型进行比较。虚拟现实模拟器和手术过程中的体内训练。我们更喜欢在培训活动中与二维 CT 和尸体模型进行比较。

15.6.4工作流程

这些过程从患者或尸体的 CT 或磁共振成像 (MRI) 数据开始，这些数据生成医学数字成像和通信 (DICOM) 文件。然后将这些导入到软件程序中，在其中分割解剖结构以创建所需的解剖结构。在需要的地方，这些数据被进一步修改和修复。接下来，为 3D 打印生成多边形网格 (STL) 文件。这些数据可用于虚拟现实模型或打印模型。在 3D 打印之后，解剖复制品按原样使用、涂层、涂漆或染色。对于物理模拟器，我们将使用 3D 打印复制品结合其他材料来模拟组织，例如硅胶、水凝胶等。对于泌尿系统复制品，包括流明在内的所有 3D 打印模型都将适用于内窥镜泌尿外科设备。在这个项目中，我们使用了两种类型的 3D 打印模型；第一个，使用3D打印创建模具，然后用于在更好地模拟人体组织的材料中铸造解剖结构，第二个是不使用模具的3D打印解剖复制品，直接与STL文件一一对应。铸造材料包括硅树脂、聚氨酯、水凝胶、明胶/琼脂混合物和高酰基树胶。生产后的后处理模型如图 1 所示。  15.4   .

图 15.4  

生产后的后处理  

15.7肾脏（基础）

使用 Mimics® 完成了肾脏 3D 规划和建模研究（图  15.5  ）。CT 扫描的 DICOM 文件被导入 Mimics。在轴向、冠状和矢状平面上显示放射图像。掩蔽过程假设使用 2D 放射图像上的 HU（CT 图像的灰度值根据 Hounsfield 表示）值。结构的分割是通过遵循解剖边界来完成的。表面渲染用于生成不同解剖结构的 3D 模型。然后，使用设计模块 3-matic 进行详细建模。然后，将 STL 文件导出到 3D 打印机。

图 15.5  

CT 图像 ( a ) 肾脏分割——3D 可视化 ( b )  

放射学数据要求：对比 CT 扫描，切片厚度：0.5–1.5 mm

15.8肾脏（伴有肾肿瘤）

本研究：首先将增强CT扫描的DICOM文件导入Mimics软件，然后通过该软件对肾脏、肿瘤、血管的3D模型进行分割（图  15.6  ）。在 Mimics 中创建的模型被导出到 3-matic 的设计模块中进行建模。

图 15.6  

CT 图像 ( a ) 肾脏和肿瘤的分割——3D 可视化 ( b )  

放射学数据要求：对比 CT 扫描，切片厚度：0.5–1.5 mm

15.9输尿管

回顾性分析 CT 图像并使用 3D 打印建模，其中通过 Mimics® 将轴向、冠状和矢状平面上的 DICOM 文件转换为 STL 文件（分割图像）。管腔和壁是通过 3-matic 中的手动平滑和空心命令的数据处理创建的（图  15.7  ）。

图 15.7  

CT图像（a）肾脏和输尿管的分割——3D可视化（b）  

放射学数据要求：对比 CT 扫描，切片厚度：0.5–1.5 mm

15.10膀胱（图15.8）

放射学数据要求：对比 CT 扫描，切片厚度：0.5–1.5 mm

图 15.8  

CT 图像 ( a ) 膀胱分割——3D 可视化 ( b )  

15.11前列腺

使用 Mimics 实现了前列腺 3D 解剖模型研究（图  15.9 ）。  mp-MRI 的 DICOM 文件被导入 Mimics。

图 15.9  

MRI 图像 ( a ) 前列腺和膀胱的分割——3D 可视化 ( b )  

放射学数据要求：对比 mp-MR

15.12骶骨（图15.10）

放射学数据要求：CT扫描，切片厚度：0.5–1.5 mm

图 15.10  

CT图像（a）骶骨分割——3D可视化（b）  

模型在图像处理、建模过程、制作和后处理方面的变量如图  15.11  所示。

图 15.11  

模型变量  

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