了解三维图像处理

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什么是三维图像处理?

三维图像处理包括三维图像数据的可视化、处理和分析,由核磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT)获得的数据经过转换、过滤、图像分割和形态操作之后,通过这些图像数据就可以对工艺过程中的真实结构进行定量评估。

三维图像处理可以解决什么问题?

借助于三维图像处理,可以构建极其复杂的结构模型,如人体解剖结构、材料样品的微观结构或工业部件的内在缺陷。通过创建物体精准的扫描数字化模型,许多充满挑战的难题都可以利用结构分析和模拟的方式解决,例如患者的定制化植入物设计、具有目标特性材料的设计优化或高价值零部件的无损检测。

三维图像处理的原理

为了能够更好地理解图像,从 CT 或 MRI 扫描仪获取的原始数据必须要先通过重建过程转换成断层图像,通常在扫描设备附带的软件中就可以实现。无论是 CT 还是 MRI,输出结果都是灰度强度的三维位图,即三维像素(voxel 或体素)网格。在 CT 扫描中,特定体素处的灰度强度与测试对象在该位置对X射线吸收(大致相当于密度)有关;而在 MRI 仪器中,灰度与在施加非常强的磁场后质子在弛豫过程中发出的信号强度有关,不同的组织会有不同的质子浓度,因此图像中出现不同的灰度强度。

重建图像作为三维图像处理的典型输入,目的通常是区分图像中的关注区域并构建这些结构的数字化三维模型——这个过程称之为图像分割(Image segmentation),有多种方法能够实现图像分割,方法的选择取决于测试对象、目的和图像质量的限制。在 Simpleware 的 三维图像处理软件中,用户可以:

  • 通过图像滤波去除或减少图像中不必要的噪声或部位,对数据进行裁剪或重采样以提高处理的易操作性和效率;
  • 采用一系列高效的方法进行图像分割,包括高度自动化和用户主导的过程;
  • 测量或统计分析得到的模型,对结构进行量化;
  • 导入 CAD 设计组件,与基于图像的复杂模型进行整合;
  • 可导出各种格式用于进一步的模拟、设计工作或增材制造。

Simpleware 三维图像处理工具


三维图像处理的适用场景?

三维成像对数字模型可解决的问题在许多主要行业中都具有日益增长的价值,但必须利用适当的工具来充分发挥这项技术所能提供的洞察力。Simpleware 软件以图像数据为中心构建了广泛的三维图像处理解决方案。核心的 Simpleware Scan IP 软件运行环境通过易于使用的图形界面实现,包含上文讨论的图像处理、分割和测量工具。

三维图像处理的拓展

附加模块提供了更多工作流程的特定的解决方案。现有工具的灵活性是其最强大的价值,使用这些工具可以从具有繁复的图像中生成有价值的模型。从三维图像处理导出合适的模型进入计算机辅助决策的新领域:

  • 准备好的模型可以为增材制造导出 STL 数据;
  • 生成体积网格,用于基于物理的模拟(例如有限元或计算流体动力学);
  • 导出适用于 CAD 的 NURBS 文件,进行后续的设计工作;
  • 将图像数据与 CAD 文件整合,观察和规划设计组件与图像的相互作用;
  • 采用有限元均质化方法计算材料微观结构的有效特性。

三维图像处理的应用

举一个三维图像处理技术在现实世界中发挥作用的案例,Simpleware 软件用户 360 Knee Systems 设计了一个针对患者的膝关节置换方案。与骨科医生通力合作,设计并告知术前计划,解决了个体患者的挑战性问题。工作流程如下:

  1. 获取CT 扫描图像:患者的髋部、腿和脚踝骨骼
  2. 数据导入 Simpleware ScanIP :进行解剖结构的三维图像处理,并在患者体内定位 CAD 植入物
  3. 脚本:用于更轻松地执行可重复的任务,如优化分割、标记扫描的骨骼,后者用于创建轴和模拟的参考
  4. 3D 模型成品:在 Simpleware ScanIP 中生成,为外科医生提供患者的个性化指南,包括需要进行切割的位置以及植入物的最佳放置点
  5. 3D 打印模型:也是在 Simpleware创建生成文件,使外科医生更容易可视化骨骼不同部位和种植体的切割位置。

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