1 对三维模型进行表面处理

通过Mimics对MRI和CT断层扫描数据进行处理，我们得到了脑实质、头部上半部和脑颅骨的三维模型，但是由于医学扫描源数据噪声过大，导致颅脑结构三个部分体素划分仍然存在问题，模型表面和内部存在大量破洞以及不平滑的部分，同时过多的脑沟和脑回会对计算造成困难，我们需要进一步对三维模型进行表面处理。

在本研究中，将使用由Raindrop公司的逆向工程软件GeomagicStudio对模型进行处理。使用逆向工程技术对构造复杂的生物组织曲面已被广泛应用在临床诊断、预演等领域。接下来将以对脑实质的处理进行具体说明，具体操作流程如下:

首先将之前通过M1IT11CS软件编辑后生成的脑实质的三维模型导入到逆向工程软件GeomagicStudio中，可以发现脑实质模型上存在着许多自相交、高度折射边以及尖状物，如图2.13所示，红色的部分就是需要进行处理的特征。这些特征对之后创建有限元模型以及模型的计算会造成很大的困难，所以我们需要对此进行编辑。

连续多次执行软件的“全部填充”(Filltheholes),删除钉状物，'(Smooth),“松弛，"(Relax)等命令，改善模型的表面特征之后，得到了脑实质的新三维模型，如图2.14所示。尽管丢失了脑实质的脑沟和脑回等的部分表面特征，但仍保留了包括轮廓在内的脑实质的大部分结构信息，确保了之后对模型进行有限元计算结果的精确性。

将之前Mimics软件处理后生成的脑颅骨和头部三维模型导入到Geomagic软件中，执行类似的步骤，可以得到新的脑颅骨和头部上半部，如图2.15所示。

前文已经提到，本研究所采用CT和MRI数据属于同一健康成年男性。其中脑实质模型和头部模型由MRl数据求得，脑颅骨和另一个头部模型由CT数据求得，两种扫描数据都可以获得头部的三维模型。但是由于CT和MRI数据的坐标系统不一致，导致生成后的模型无法直接合并生成完整的颅脑分层结构模型，因此我们需要对两种数据生成的模型进行三维配准。

2 对三维模型进行配准

医学影像配准，指的是对不同坐标系下的医学影像进行比对，使其变换到同一个坐标系上。在医学影像配准方面，已有不少相关的研究，包括通过轮廓比对和力学分解等技术，通过选取几个特征点作为配准点进行配准等。在本文中，将使用Geomagic软件的联合操作对模型进行三维配准，具体操作如下:

（1）由于MRI和CT成像的灰度识别范围不同，MRI扫描对于软组织的识别度更好，而CT扫描对硬组织的识别度更高。同时，由于头皮外为空气，而头皮的灰度与空气有明显差别，因此MRI和CT扫描数据都可以对完整头部的轮廓进行三维复原，而且最终生成的三维模型的形状也大致相同。在这里我们通过将MRI扫描数据得到的头部三维模型和CT重建的头部三维模型进行坐标系配准，得到坐标系偏移量，进而可以得到三维配准后的几组分层模型。如图2.16(a)所示，将两个头部模型同时导入Geomagic软件中，可以发现两个模型的坐标系位置相差较远，同时角度也不尽相同。为了之后处理的方便，这里以CT扫描数据得到的头部模型的坐标为基准，选中MRI扫描数据生成的头部模型，执行“精确移动”命令(Movetoexactposition)，不断调整调整MRI扫描数据生成的头部模型的位置和角度，使其与CT头部模型的坐标相适合，结果如图2.16伪)所示，可以看到两个头部模型大致吻合，可以认为此时两个坐标系完全吻合，记录此时MRI坐标系移动的位置和角度，然后分别将脑颅骨、头部上半部和脑实质模型导入Geomagic，按照刚才得到的移动坐标和角度对脑实质模型执行“精确移动”命令，得到了三维配准后的三个模型。如图2.16(c)所示，头部上半部和脑颅骨将脑实质包裹在内，但是为了确保配准好的模型没有体素粘连，我们需要将模型再次导入Mimics软件进行处理。

（2）在Mimics软件中，执行“导入stl文件”(importstl)命令，将在GeomagicStudio中配准好头上半部、脑颅骨和脑实质的三维模型文件导入Mimics。执行“由实体计算蒙罩”命令(calculatemaskfromobject)，分别计算三个模型的蒙罩。可以发现，脑实质的部分体素仍然与脑颅骨有所重合，为了确保模型的准确性，执行“编辑蒙罩"(editmask)和“多层编辑"(multiplesliceedit)命令，结合“区域增长”命令，对断层数据每一层进行处理，最终获得配准好的脑实质和脑颅骨的蒙罩，结果如图2.17所示。

同时，设定几个测温点，临床上一般选取左额叶作为测温点。这黑选取矢状面左侧额叶下表面为起始，坐标为(239.00,202.12,1227.39)，终止坐标为(239.00,230.68,1163.48)，总长共70mm的测温线上的点作为测温点，如图2.18所示。

3 求出头皮以及脑脊液层

通过之前一系列对MRI和CT数据的处理，我们得到了在同一坐标系下的脑实质、脑颅骨和头部上半部的蒙罩，执行“由蒙罩计算3D模型”命令，再次得到配准后的头部上半部、脑颅骨以及脑实质的三维模型。

由于Mimics通过CT值反映生物组织密度来对数据进行灰度分割，以得到不同灰度阀值范围内的生物组织，而脑脊液无论在CT或MRI扫描中都无法产生较强的信号，在Mimics中被反映为空腔，因而无法通过灰度分割的方法得到脑脊液部分;而头皮与脑颅骨信号较接近，无法做好头皮与脑颅骨蒙罩的分离。

为了求出头皮和脑脊液的三维模型，将采用布尔运算的方法对得到的三个模型进行处理。这里使用三维处理软件UG对数据进行处理。在导入UG软件之前，我们需要再次对模型进行表面处理，生成三维面模型，具体操作如下:

（1）分别将脑实质、脑颅骨和头部上半部的三维模型导入GeomagicStudio，执行“精确曲面”(ExactSurfaces)、“自动造面”(AutoSurfaces)等命令，之后三维面模型的表面会构造出NURBS曲面。

三维模型经过处理之后，脑实质、脑颅骨和头部上半部分别包含1637.896:1091个NURBS曲面片。NURBS曲面片将在之后选择传热区域时有所帮助，而三角片数量过多，但这些只是面三角片，并不是对模型实体进行有限元划分。在对模型进行曲面片划分后，将模型以stp格式导出。同时，为了后期方便之后对传热模型进行有限元分析，这里使用“精确移动”命令将三个模型的原点移动到坐标系的原点。如图2.20所示，进行移动操作前脑实质的原点坐标为((252.92,250.58,1176.03)，将其移动坐标系原点后，脑实质上其余点的坐标随之发生变化，先前设置的测温点的坐标也改为C13.92,-48.46,51.36),(-13.92,-19.90,-12.55)等。

（2）将三个模型分别导入UG软件中，对模型进行“布尔操作求差”命令。

首先，在UG中导入脑实质和脑颅骨的三维模型，之后执行“插入设计特征”命令，以坐标原点为基准点，插入一个半径为200mm的球形。球形把脑颅骨和脑实质完全包裹在内，对球和脑颅骨与脑脊液进行“布尔运算求差”命令，从球形的体素中减去脑颅骨和脑实质的部分，这样就可以求得球形模型中的脑脊液模型。如图2.21所示，通过查看切面，可以看到脑脊液模型被包裹在球模型之中。接着只需要在进行一次“布尔操作求差”就可以将脑脊液模型从球模型中分离出来。

在得到脑脊液模型之后，分别将脑颅骨、脑实质、脑脊液和头部上半部的模型导入UG中，继续执行“布尔操作求差”命令，从头部上半部中减去脑颅骨、脑实质和脑脊液，即可得到头皮的三维模型。图2.22展示了最终得到的颅脑分层传热结构模型的最终形态，其中图(a)为矢状面颅脑分层结构模型示意图，图(b)为横断面颅脑分层结构模型示意图，由外而内分别以绿、蓝、黄、红等颜色加以区分，为头皮、脑颅骨、脑脊液和脑实质;图(c)到图(O分别是四层模型的截面示意图。可以看到，颅脑分层结构模型每一层都紧密贴合，没有明显的空隙，确保了传热的连续性，同时也为之后建立颅脑分层传热模型，并对其进行分析做好了准备。