《Mimics、3-matic计算机辅助外科实列详解》江佩师，陈志伟编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《Mimics、3-matic计算机辅助外科实列详解》

 

【作　者】江佩师，陈志伟编著

【页 数】 279

【出版社】 西安：陕西科学技术出版社 , 2021.05

【ISBN号】978-7-5369-8025-9

【分 类】外科手术-计算机辅助技术-应用软件

【参考文献】 江佩师，陈志伟编著. Mimics、3-matic计算机辅助外科实列详解. 西安：陕西科学技术出版社, 2021.05.

 

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图书目录：

《Mimics、3-matic计算机辅助外科实列详解》内容提要：

 

《Mimics、3-matic计算机辅助外科实列详解》内容试读

1.Mimics简介

1.1计算机辅助外科概述

计算机辅助外科(computer aided surgery,CAS)是一种基于计算机对大量数据信息的高速处理及控制能力，通过虚拟手术环境或设计手术辅助器械为外科医生从技术上提供支援，使手术更安全更准确的学科。虽然计算机辅助外科可以使外科手术更加精确和容易，但是也存在许多制约计算机辅助外科发展的因素。

CAS的基础和临床应用研究领域属于信息科学和医学的交叉学科。虽然科学家早已

描绘了计算机辅助外科的美好未来，但现实中国内的大型三甲医院才有少量的应用，并且应用的质量良莠不齐。主要原因在于以传统模式培养的医务工作者缺乏必要医工结合领域的背景知识，而针对该领域工程人员的培养渠道较少，国内计算机辅助外科工程师往往由机械工程、材料成型及控制工程等传统工科专业毕业人员担任，在校期间没有专门的医学影像三维建模课程，导致毕业后培养周期长，不能满足庞大临床的需求。

当前，我国CAS事业蓬勃发展，第一批3D打印医疗器械团体标准已于2019年6月

28日正式发布，该标准的发布有力地推动了医工结合的进展，让行业从业人员有“法”

可依，做到更好地服务于临床需求，将使CAS行业的未来发展更加的健康化、规范化、

有序化。如何培养规范的CAS从业人员逐渐成为CAS届所关心的问题，因此关于CAS

相关软件及其实际应用的系统指导书是目前所迫切需要的。

1.2计算机辅助外科基础知识

1.2.1STL

STL(STereoLithography,立体光刻)是由3 D Systems软件公司创立的、原本用于立体光刻计算机辅助设计软件的文件格式。许多软件支持这种格式，因此它被广泛用于快速成型、3D打印和计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing,CAM。STL文件仅描述

三维物体的表面几何形状，没有颜色、材质贴图或其他常见三维模型的属性，STL格式

有文字和二进码2种形式。二进码形式因较简洁而较常见。

1

Mimics3-matic计算机辅助外科实例详解

1.2.2DICOM

DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine),即医学数字成像和通信，

是医学图像和相关信息的国际标准(IS012052)。它定义了质量能满足临床需要的、

可用于数据交换的医学图像格式。DICOM被广泛应用于放射医疗、心血管成像以及放

射诊疗诊断设备(X射线、CT、核磁共振、超声等)，并且在眼科和牙科等其他医学

领域也得到了越来越深人广泛的应用。在数以万计的在用医学成像设备中，DICOM是

部署最为广泛的医疗信息标准之一。当前大约有百亿级符合DICOM标准的医学图像用

于临床。

1.2.3NURBS

NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines)指曲面建模，许多三维软件都支持这种建

模方式。NURBS相对于传统的网格建模方式能更好地控制物理表面的曲度，从而创建出

更逼真、生动的造型。Mimics中可以创建“轮廓线”生成NURBS曲线，然后根据“轮廓线”

创建NURBS曲面。

1.2.4多边形建模

多边形建模即Polygon建模，是目前三维软件2大流行建模方法之一（另一个是曲面建模)，用这种方法创建的物体表面由直线组成。在建筑方面应用较多，例如室内设计、环境艺术设计。Polygor建模是一种常见的建模方式，其一般建模过程如下：首先使一个对象转化为可编辑的多边形对象，然后通过对该多边形对象的各种子对象进行编辑和修改来实现建模过程。

1.2.5个性化定制手术导板

个性化定制手术导板(Patient Specific Instrumentation,PSI)是根据术中需要而采用计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)、3D打印制备的一种个性化手术器械，用于术中准确定位点，线的位置、方向和深度，辅助术中精确建立孔道、截面、空间距离、

相互成角关系及其他复杂空间结构等。作为手术实施过程中的辅助手术工具，PSI可以

帮助医务工作者准确实施手术方案，目前，手术导板的类型包括关节类导板、截骨导板、肿瘤放疗导板、脊柱导板、口腔种植导板等。

1.2.6术中导航定位系统

手术导航系统(Surgical Navigation System,SNS)是CAS的一个应用，它将病人术前影

2换

第1章Mimics简介

像数据和术中病人解剖结构准确对应，在术中为医生实时进行导航。系统包括手术器械、光学跟踪系统、图形工作站和显示设备。一般工作流程如下：工程师通过医学三维重建软件（例如Mimics、3 Ddoctor、3DMed等）对手术目标区域或操作路径进行标记，手术医师在术中对患者实体与影像数据重建的病灶进行配准，利用具有跟踪定位的手术器械，可实时显示手术器械相对病灶的位置。

1.2.7混合现实

混合现实(Mixed Reality,MR)是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在虚拟环境中引入现实场景信息，在虚拟世界、现实世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。通过医学混合现实技术，医生能够透过病例的各种立体影像，全面了解和探讨病情，从而精准地诊断和治疗疾病。医疗和保健领域已

经有许多MR技术的应用，精确的医学解剖结构三维重建仍然是医学混合现实实现的

基础。

1.2.8

Hounsfield unit

为了定量衡量组织对于X射线的吸收率，Hounsfield定义了一个标度“CT值”。为了表示对他的敬意，后人将CT值的单位定为亨氏单位(Hounsfield unit,HU)。

Name

Lower threshold (HU)Hgher threshoid (H)

Bone (CT)

226

3071

Soft Tissue (CT)

-700

225

Enamel (CT,Adult)

1553

2350

Enamel (CT,Chid)

2042

3071

Compact Bone(CT.Adult)

652

1983

Compact Bone(CT,Chid)

55

2193

Spongial Bone (CT.Aduit)

148

661

Spongisl Bone (CT,Chld)

1%

585

Musde Tssue (CT,Adult)

5

135

Musde Tssue (CT,Cd间

25

139

Fat Tissue (CT,Adut)

205

Fat Tssue (CT,Chid)

212

72

n Tissue (CT,Ad/的

-718

-177

Sion Tssue(CT,Chid)

766

202

Tooh(c】

1200

3071

Prosthesis(CT刀

800

3071

图1.2.8-1不同组织的CT值分布

1.2.9Volume Rendering

容积再现(Volume Rendering,VR)是使假定的投射线从给定的角度上穿过扫描容积，

3

Mimics3-matic计算机辅助外科实例详解

对容积内的像素信息作综合显示，需结合深度、遮蔽表面显示技术、旋转技术及适当的

信号强度切割技术共同施行。VR可赋予影像不同的伪彩与透明度，给以近似三维结构的

感受。该方式在重建中丢失的数据信息很少，可更佳地显示解剖结构的空间关系、突出显示血管与周围组织的关系，可显示血管三维立体结构，对管腔内病变敏感，目前在心脏与冠脉成像中应用较多。

1.2.10Mask

蒙版“Mask”是Mimics软件中对分割结果的保存，是按照一定规则过滤后得到的像素点的集合。蒙版独立于原始断层图像，不具备原始断层图像的像素点的深度信息，

Mimics软件需基于蒙版创建3D对象。

1.2.11快速成型

快速成型(Rapid Prototyping,RP)是20世纪90年代发展起来的一项先进制造技术，是

由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。目前RP技术

的快速成型工艺方法有l0多种。比较成熟且常用的有：光固化成型(Stereo lithography

Apparatus,SLA)、分层实体制造(Laminated Object Manufacturing,LOM)、选择域激光粉末烧结成型(Selective Laser Sintering,SLS)、熔融沉积成型(Fused Deposition

Modelling,FDM)

1.3Mimics总体介绍

比利时Materialise公司成立于l990年，源于欧洲十大学府之一的鲁汶(Leuven)大学。作为当时第一批欧洲快速成型技术服务机构之一，Materialise长期以来一直致力于RP技术的开发、研究以及推广，处于世界快速成型技术的前沿。Mimics是

Materialise公司创建的交互式的医学影像控制系统，是显示和分割医学断层图像，对图像进行三维重建，渲染的交互式工具。目前Mimics软件的使用越来越普及，不仅在各大专院校、科研院所被广泛应用于科学研究，一些研究生、临床医师在工作学习中也用到了Mimics软件。在医学领域，Mimics常被用于诊断、手术规划、计算机辅助设计，是医学与工程的桥梁。Mimics软件功能强大，可以用CT、MRI、三维彩超

的断层图像进行三维重建，具备一定CAD功能，可输出为通用3D打印STL格式，

故而被广泛应用于临床、生物医学工程、材料工程等领域，可结合正向工程软件进行个性化医疗器械设计，也可用于有限元分析的建模与网格划分。

Mimics具备强大的图像分割工具，在其分割模块整合了常用的分割算法，用户可

4海

第1章Mimics简介

利用自己的医学背景知识对分割结果进行修改，并转换2D图像为3D模型，连接3D

打印机后即可直接、精确地打印患者手术区域解剖结构，医师可在模型上进行手术设计及模拟，为临床疾病的诊断及治疗提供精确化、个性化的新型思路和方法，从而缩短手术时间，提高手术成功率。

手术导板是术前根据患者的手术需求而专门定制的个性化手术辅助工具，是将术前虚拟手术复制到实际手术中的桥梁。Mimics的CAD功能较简单，多与其他正向工程软件(例如3-matic、ProE)联合使用设计导板。导板设计的基础是精确的医学重建，丰富的图像分割模块使Mimics在医学重建上具有较强优势。同样，Mimics可以结合其他正向工程软件设计定制化金属植入物、康复支具。

1.4 Mimics的组成及功能简介

交互式医学图像控制系统(Mimics)是Materialise公司制造的一款用于可视化和

分割医学图像（如CT和MRI)以及绘制3D对象的软件工具。其主要由分割模块、

测量模块、CAD模块、模拟模块、配准模块、导出模块6个模块构成。

分割模块用于将感兴趣结构（如皮肤、软组织、骨骼等）从各二维图像中分割出来，在Mimics中被分割出来的像素集合称为Mask(蒙版)，一旦分割完成后，被分

割的部分就能够以3D的方式显示。需要注意的是，医学图像的质量在一定程度上决

定了医学模型三维重建的准确性，通常建议使用6个月之内获得的图像用于模拟与手术治疗方案评估。

测量模块可以用于2D,3D中的距离、角度、直径、面积的测量，并可以根据

CT灰度测量断层图像局部的CT值。CAD模块允许用户以二维断层图像为参考，创

建基本几何结构（点、线段、平面、圆、球体、圆柱体等），所有的CAD对象都能

以标准的IGES格式输出。模拟模块允许用户对重建医学解剖结构进行简单手术模

拟，例如切割、移动、融合、分离、布尔运算、镜像、缩放等。配准模块用于快速移动3D对象到理想位置，或融合不同影像数据（如CT与MRI)。3-matic模块用于调用3-matic软件。导出模块可以将项目以不同形式导出（例如Dicom、bmp、灰度值、视频等)。其一般使用流程如图1.4-1所示。

5

Mimics3-matic计算机辅助外科实例详解

Mimics使用-投流程

数据准备

根据露求扫描

数据以DCOM

CT悦I

BMP等格式寻出

将致据导入Mimic

数据预处理

图像重组

选择感兴是图显

不同来源数融合

(Reslise project)

(Organize Images)

(Image Registration)

蒙版计算

蒙饭分料与修饰

利用蒙版计算极型

3D模型修伤

Segmentations

(Calculate 30)

(Tool)

数学模型

对解制解制与CAD投型进行准

创建或导入CAD结构

(Registration】

(Medcad)

测量模拟

手术模拟

解制学费量

(Calculate3D】

(Measurement)

结果输出

3D打印模型

有限元网格.材料赋情

通用3D格式

手术导航

(s1)

(,i0s,·sp格式】

(DICOM】

图1.4-1 Mimics使用一般流程

1.4.1

Segmentation(分割)模块

图像分割是三维重建、虚拟手术等后继图像处理的基础，医学重建软件的图像分割算法与用户解剖学知识掌握情况对图像分割的效率与精确性有重要影响，Mimics具备强大的图像分割模块，用户可以根据分割对象的特点选择不同的工具进行图像分割。

1.Thresholding(闲值分割)

“Thresholding”工具可以根据设置的阈值范围进行图像分割，能够较好地分割灰度值相差较大的组织，阈值大小可以通过对话框中的滑块来改变，在视图区有实时的视觉反馈。Mimics中预设了骨、软组织、肌肉、脂肪、牙齿、皮肤、金属假体等的阈值范围，用户可以在“Predefined thresholds sets'”中进行选择（图l.4.l-1)。

6導

···试读结束···