三维数字化建模是人体组织与器官仿生制造的核心步骤,也一直是计算机辅助仿生制造领域研究的热点问题,其可以辅助医生提高医疗诊断的准确性和科学性,目前已广泛应用于整形及假肢、手术模拟仿真、解剖教学等诸多医学领域。随着医疗技术水平和人们生活水平的提高,微创治疗概念逐渐深入人心。为了满足微创治疗研究的解剖学需求,三维数字化建模的内容也进一步细化,逐渐从宏观方向向微观方向发展,整体水平向局部水平发展。三维数字化建模的内容已不仅仅局限于个体及系统水平,而是进一步深入到器官水平,即单器官三维数字化建模。单器官三维数字化建模对于系统、全面地认识单器官的血液供应及分布,深入、形象地认识与该单器官相关疾病的发生及发展具有重要的意义。目前国内外已经完成人体多个单器官模型的构建,如脑、心脏、肺、肝脏、肾脏、骨关节、眼等,但内生殖器官三维数字化建模的研究报道较为少见,相关的研究主要集中于对子宫动脉血管网及子宫静脉血管网的三维数字化建模,并未对内生殖器官、子宫内膜及子宫肌层进行三维数字化建模。而且上述模型主要停留在对组织器官外表面的重现,对其内部结构和信息的提取和表达还不够完善,没有予以充分和准确地显示,因而有必要对内生殖器官三维数字化建模进行研究。然而,高质量数据集的采集是三维数字化建模的基础。因此,研究获取单器官薄层数据集的方法,并在此基础上构建内生殖器官的三维数字化模型是十分必要的。本课题共分为五个章节,第一章：利用磁共振成像技术(Magnetic Resonance Imaging, MRI)、计算机X线断层摄影技术(Computed Tomography, CT)及铣切切片技术,分别采集MRI薄层扫描数据集、CT薄层扫描数据集和铣切切片数据集。第二章：基于MRI薄层扫描数据集,应用Mimics软件,采用三维数字化重建技术构建出人正常离体子宫、输卵管、卵巢及部分阴道的三维数字化模型。第三章：基于CT薄层扫描数据集,应用Mimics软件,采用三维数字化重建技术构建出人正常离体子宫、输卵管、卵巢、部分阴道、子宫动脉血管网及子宫静脉血管网的三维数字化模型。第四章：首先对基于Photoshop软件及Matlab软件的图像配准方法进行改良及优化,并利用该配准方法对铣切切片数据集进行配准；然后基于配准后的人正常离体内生殖器官铣切切片数据集,联合Photoshop软件、ACDSee软件及Mimics软件,采用三维数字化重建技术,成功构建出人正常离体子宫、输卵管、卵巢、部分阴道、子宫动脉血管网、子宫动静脉血管网、子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型；第五章：将基于MRI薄层扫描数据集、CT薄层扫描数据集及铣切切片数据集构建模型的精细度和广度进行对比,研究何种方法更适合于人正常离体内生殖器官薄层数据集的采集及三维数字化建模,以便为临床、科研及教学提供高质量的解剖学数据,同时也为人体其他部位单器官薄层数据集的采集提供新的思路和方法。第一章人正常离体内生殖器官薄层数据集的采集[目的]采集人正常离体内生殖器官MRI薄层扫描数据集、CT薄层扫描数据集及铣切切片数据集,为后续研究提供解剖学数据。[方法]获取人正常成年女性新鲜尸体标本2具,完整切取包括子宫、输卵管、卵巢及部分阴道在内的离体标本2具,分别命名为标本1及标本2；称取适量30%明胶放入不锈钢锅中,向其中加入适量冷水,放在电热炉上加热,并加入适量10%可溶性淀粉、氧化铅及适量蓝黑墨水,搅拌均匀,配置成明胶灌注液,作为血管填充剂；将标本1放在空盘中,分离其双侧子宫动脉主干,插入合适管径玻璃插管,并结扎其近心端。在标本2上分离其双侧子宫静脉主干,插入合适管径玻璃插管,并结扎其近心端；插管后灌注前应用Philips64排螺旋CT和Philips3.0T MRI分别进行扫描,了解内生殖器官情况；用特定的压力测定装置控制灌注压力,经插管分别对两例标本进行灌注适量明胶灌注液；灌注后再次行MRI及CT扫描,获取人正常离体内生殖器官的MRI及CT薄层扫描数据集；将扫描后的标本置于-70℃冰箱内冷冻72h,使标本完全冷冻定型；称取适量30%明胶放入不锈钢锅中,向其中加入适量冷水,放在电热炉上加热,并加入适量蓝黑墨水,搅拌均匀,配置成明胶包埋剂；将冰冻后的标本1放在模具的前方,标本2放在后方,与标本1平行放入专用包埋容器中,分段包埋；切削机床数据采集前参数设置；启动机床,按0.2mm进刀量进行等间距切削,专业相机获取断层图像,获取人正常离体内生殖器官的铣切切片数据集。[结果]1.基于MRI、CT及铣切切片技术,我们成功获取了人正常离体内生殖器官MRI薄层扫描数据集、CT薄层扫描数据集及铣切切片数据集。2.灌注后MRI、CT薄层扫描数据集标本1内生殖器官MRI薄层扫描图像20张,标本2内生殖器官MRI薄层扫描图像20张；标本1内生殖器官CT薄层扫描图像351张,标本2内生殖器官CT薄层扫描图像341张。3.人正常离体内生殖器官铣切切片数据集该数据集共由510张连续断层图片组成,断层间隔为0.2mm。①原始数据集：为最大限度地保留数据原始信息,采用无压缩原始图像数据存储格式(Raw Image Format, RAW),分辨率为5184×3456,总数据量为16.6G。②解码数据集：为适合于大多数图像处理浏览软件的运行,用采集软件附带的解码功能将其解码为510个分辨率为5184×3456像素标签图像文件格式(Tagged Image File, TIF)数据,总数据量为51.0G。③压缩数据集：为适合计算机运行,分别将TIF数据集压缩为510个像素5184×3456的联合图像专家组格式(Joint Photographic Experts Group, JPEG)数据集,总数据量7.4G。[结论]采用MRI、CT及铣切切片技术,可成功获取人正常离体内生殖器官MRI薄层扫描数据集、CT薄层扫描数据集及铣切切片数据集。第二章MRI薄层扫描数据集的后处理[目的]对人正常离体内生殖器官MRI薄层扫描数据集进行三维重建。[方法]使用RadiAnt DICOM Viewer软件,查阅数据集构成；将数据集导入Mimics软件中,经过定位、内插值等处理后,选取合适阈值,通过区域强化构建出人离体内生殖器官及子宫动静脉血管的三维数字化模型,并观察模型特点；将重建结果以"JPEG"格式保存。[结果]1、基于人正常离体内生殖器官MRI薄层扫描数据集,利用Mimics软件,采用三维数字化重建技术,我们成功构建出了人正常离体子宫、输卵管、卵巢、部分阴道的三维数字化模型,但该模型较为粗糙,精细度较差,分辨率较低；2、基于人正常离体内生殖器官MRI薄层扫描数据集,我们无法构建出了人正常离体子宫动脉血管网、子宫静脉血管网三维数字化模型,更无法重建出子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型。[结论]基于MRI薄层扫描数据集可构建出较为粗糙的内生殖器官三维数字化模型,但无法构建出子宫动脉血管网及子宫静脉血管网的三维数字化模型,更无法重建出子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型。第三章CT薄层扫描数据集的后处理[目的]对人正常离体内生殖器官CT薄层扫描数据集进行三维重建。[方法]使用RadiAnt DICOM Viewer软件,查阅数据集构成；将数据集导入Mimics软件中,经过定位、内插值等处理后,选取合适阈值,通过区域强化构建出人离体内生殖器官及子宫动静脉血管的三维数字化模型,并观察模型特点；将重建结果以"JPEG"格式保存。[结果]1、基于人正常离体内生殖器官CT薄层扫描数据集,利用Mimics软件,采用三维数字化重建技术,我们成功构建出了人正常离体子宫、输卵管、卵巢、部分阴道的三维数字化模型,该模型表面较为光滑,精细度及分辨率较高；2、基于人正常离体内生殖器官CT薄层扫描数据集,我们还构建出了人正常离体子宫动脉血管网三维数字化模型,该模型较为精细,清晰显示了子宫动脉上行支、子宫动脉卵巢支、子宫动脉宫底支、卵巢动脉及卵巢动脉输卵管支；3、基于人正常离体内生殖器官CT薄层扫描数据集,我们还构建出了人正常离体子宫静脉血管网三维数字化模型,该模型较为精细,清晰显示了子宫静脉主干、子宫静脉卵巢支、子宫静脉宫底支及卵巢静脉。4、基于人正常离体子宫生殖器官CT薄层扫描数据集,我们并未能构建出人正常离体子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型。[结论]基于CT薄层扫描数据集可构建出精细度及分辨率较高的内生殖器官三维数字化模型,亦可构建出精细度及分辨率较高的子宫动脉血管网及子宫静脉血管网的三维数字化模型,但不能构建出子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型。第四章铣切切片数据集的后处理第一节铣切切片数据集的自动配准[目的]对基于Photoshop软件及Matlab软件的图像配准方法进行改良和优化,并基于该方法实现人正常离体内生殖器官铣切切片数据集的自动配准。[方法]在Photoshop中处理原始断层图像,获取定位杆图像和标本图像(子宫、输卵管、卵巢及部分阴道)；在Matlab中计算定位杆图像中四个定位杆的质心坐标值,将其作为定位杆坐标值,取所有定位杆图像定位杆坐标值的平均值作为基准坐标；每张定位杆图像的定位杆坐标与基准坐标对比,获取每张定位杆图像的投影变换参数并根据该参数对相对应的标本定位杆图像及定位杆图像进行投影变换；将校正后的定位杆图像再在Photoshop中处理,获取只包含第二个定位杆的图像,同样在Matlab中计算其坐标值,并基于其坐标值将配准后的标本定位杆图像裁剪成大小一致图像；选取配准后两张大小相差较大的相邻图片,在Photoshop中将配准前的两张相邻图片及配准后的两张相邻图片分别进行重叠,调节其中一张图片的透明度,将合成的图片保存。[结果]配准前两张相邻图片中的标本大小差距较明显,而配准后两张相邻图片中的标本差距很小。[结论]基于Photoshop软件和Matlab软件的图像配准方法具有配准精度高,运算量小,易于编程实现等优点,通过改良及优化后,可用于人正常离体内生殖器官铣切切片数据集的配准。第二节铣切切片数据集的三维重建[目的]对人正常离体内生殖器官铣切切片数据集进行三维重建。[方法]将配准后的数据集图片导入Photoshop软件中,将其背景切换为白色：应用魔棒工具分别提取子宫动脉血管网及子宫静脉血管网；将分割后图片导入Mimics软件中,分别获取人离体子宫、输卵管、卵巢、部分阴道、子宫内膜、子宫肌层、子宫动脉血管网及子宫静脉血管网的三维数字化模型。[结果]1、基于人正常离体内生殖器官铣切切片数据集,我们成功构建出了人离体子宫、输卵管、卵巢、部分阴道的三维数字化模型,模型精细度及分辨率较高；2、基于人正常离体内生殖器官铣切切片数据集,我们成功构建出了人离体子宫动脉血管网的三维数字化模型,模型精细度及分辨率较高,清晰显示了子宫动脉上行支、子宫动脉卵巢支、子宫动脉宫底支、卵巢动脉及卵巢动脉输卵管支；3、基于人正常离体内生殖器官铣切切片数据集,我们成功构建出了人离体子宫静脉血管网的三维数字化模型,模型精细度及分辨率较高,清晰显示了子宫静脉主干、子宫静脉卵巢支、子宫静脉宫底支；4、基于人正常离体内生殖器官铣切切片数据集,我们成功构建出了人离体子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型。[结论]基于铣切切片数据集不仅可以构建出精细度及分辨率较高的子宫、输卵管、卵巢、部分阴道、子宫动脉血管网及子宫静脉血管网的三维数字化模型,亦可重建出子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型。第五章基于MRI、CT薄层扫描数据集及铣切切片数据集构建模型的精细度和广度对比[目的]对基于人正常离体内生殖器官MRI及CT薄层扫描数据集、铣切切片数据集构建模型的精细度及广度进行比较,用以指导数据采集方法的选择。[方法]将基于MRI薄层扫描数据集、CT薄层扫描数据集及铣切切片数据集构建的三维数字化模型进行对比,比较基于各套数据集重建内容的精细度及广度。[结果]1、基于MRI薄层扫描数据集仅能构建出子宫、输卵管、卵巢、部分阴道的三维数字化模型,无法构建出子宫动脉及子宫静脉血管网的三维数字化模型,更无法构建出子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型；2、基于CT薄层扫描数据集,可构建出子宫、输卵管、卵巢、部分阴道及子宫动静脉血管网的三维数字化模型,但无法构建出子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型；3、基于铣切切片数据集,不仅可以构建出子宫、输卵管、卵巢、部分阴道、子宫静脉血管网及子宫静脉血管网的三维数字化模型,而且可以构建出子宫内膜及子宫肌层的三维数字化模型；4、基于铣切切片数据集构建的内生殖器官的三维数字化模型广度最高,其可构建出子宫、输卵管、卵巢、部分阴道、子宫静脉血管网、子宫静脉血管网、子宫内膜及子宫肌层在内的内生殖器官三维数字化模型；而基于CT薄层扫描数据集构建的子宫静脉血管网及子宫静脉血管网三维数字化模型较为精细,其不仅可以显示子宫动脉分支主干,更可重建出下一级分支。[结论]基于铣切切片数据集构建的人离体内生殖器官三维数字化模型较为精细、全面,而基于CT薄层扫描数据集构建的人人离体内生殖器官三维数字化模型较为精细；铣切切片数据集更适合于人正常离体内生殖器官三维数字化模型的构建。