1、mimics 教程第一单元 什么是 MimicsMimics 是 Materialise 公司的交互式的医学影像控制系统，即为Materiaises interactive medical image control system.它是模块化结构的软件，可以根据用户的不用需求有不同的搭配。下面是这些模块的介绍：MIMICS 软件介绍MIMICS 是一套高度整合而且易用的 3D 图像生成及编辑处理软件，它能输入各种扫描的数据（CT、MRI） ，建立 3D 模型进行编辑，然后输出通用的 CAD（计算机辅助设计） 、FEA（有限元分析） ，RP（快速成型）格式，可以在 PC 机上进行大规模数据的转换
2、处理。MEDCAD 模块：MEDCAD 模块是医学影像数据与 CAD 之间的桥梁，通过双向交互模式进行沟通，实现扫描数据与 CAD 数据的相互转换。在 MIMICS 的项目中建立 CAD 项目的方法有以下两种：1. 轮廓线建模：在分割功能状态下，MIMICS 自动在分离出的掩模上生成轮廓线，MEDCAD 能在给定误差的条件下自动生成一个局部轮廓线模型，进而用于医用几何学 CAD 模型中。创建的 CAD 模型的可能方法：-B 样条曲线及曲面-点，线，圆，曲面，球体，圆柱体等所有这些实体均可以 iges 格式输出到 CAD 软件中制做植入体，另一个典型的运用是用 MEDCAD 模块做统计分析，如测
3、量很多不同股骨头的数据，为建立标准股骨头植入体时作参考。2. 参数化或交互式 CAD 建模 可在 2D 或 3D 视图中直接创建 CAD 对象，或者用参数设置的方式创建（如定义圆心、半径来创建一个圆） ，创建后可用鼠标进行交互式编辑。方便设计验证：为验证 CAD 植入体的设计，MIMICS 输入 STL 文件格式在 2D 视图及标准视图中显示，或在 3D 视图中显示，用透明方式显示解剖关系，使用这一方法可以快速实现医学影像数据在 CAD 设计软件中的调用。RP-SLICE 模块：Rp-slice 模块在 MIMICS 与多数 RP 机器之间建立 SLICE 格式的接口，RP-Slice 模块能
4、自动生成 RP 模型所需的支撑结构。针对 RP 机器的快速而精确的数据转换：用 RP Slice 技术可以进行大文件的处理，并维持很高的解析度，在建立切片文件的时候，RP 模型的解析度，用三次插值算法来提高。支撑的成孔技术materialise 的一项专利技术，不但能使成型制造过程加快四倍，还能节省更多的材料及便于清理。切片：Rp-slice 可在很短时间内进行最佳、最精确的数据转换，输出SLI，SLC 格式 到 3D System，CLI 格式到 EOS。高阶的插值算法能使得扫描数据变成具有完美表面的 3D 实体模型。着色：Rp-slice 支持彩色光敏材料：牙齿，牙根，腺体，神经管等均能在
5、模型中显著标注出来，这是一个新的参考维度，病人信息也可用嵌入或彩色的标签标示。参数：RP-slice 允许对层厚、解析度,缩放比例等参数进行设置，有多种过滤方式可供选择，例如：最小段长度过滤，最小轮廓长度，直线偏差校正。切片数据可以保存为多种格式：*.CLI、*.SLI 、*.SLC。支撑生成：支撑生成功能，自动生成在快速成型中所需的支撑的结构，并以相应的文件格式自动输出（SLI ，SLC，及 CLI 格式）,这不但提供一种更快速的成型前数据准备方法，而且专利的成孔技术能使整个过程缩短四倍以上，而且节省材料，生成的支撑比传统方式生成的更易清理。支撑生成参数选择：可提供几种支撑生成参数供选择，R
6、P-slice 使得在 X，Y 坐标平面内定义支撑成为可能，可定义支撑的长度及成孔角度，无支撑的最大倾角及支撑的起始和结束高度。Mimics STL+模块：Mimics STL+模块通过三角片文件格式在 MIMICS 及 RP 快速成型技术间进行交互，二元及中间面插值算法能保证快速原型件的最终精确度。输出格式：标准的 3D 文件输出格式，如 STL 或 VRML（虚拟现实文件格式） ，STL 文件格式可用在任何 RP 机器上，强大的自适应过滤功能够显著减小文件的大小，可以从掩模、3D 图及 3DD 文件格式输出，输出的文件格式包括：ASCSTL，Binay STL,DXF,VRML2.0,Po
7、intClouds.参数设置：可选择几种参数，STL+模块可减少输出文件的三角片数量，通过对图像进行插补运算可以对 3D 模型进行光顺处理。l 有两种方式降低三角片的数量：矩阵缩减及三角片缩减，矩阵缩减可以对体素（或像点）进行组合来计算三角片，三角片缩减可以在网格划分过程中减少三角片的数量。减少三角片的数量有利于对文件的操作。l 通过对图像的插值来生成 3D 网格也有两种方法：灰度插值及轮廓线插值，轮廓线插值是在图像平面内的 2D 插值，从而使这些图像能在高度方向进行拓展。灰度插值是真正意义上的 3D 插值。当我们需要的图像显示质量优于 3D 重建和 STL 文件精度的时候，可以应用连续算法功
8、能，反之用精确算法。l 光顺算法能使粗糙的表面更光滑。第二单元 MIMICS FEA 模块MIMICS FEA 模块：MIMICS FEA 模块可以将扫描输入的数据进行快速处理，输出相应的文件格式，用于 FEA（有限元分析）及 CFD（计算机模拟流体动力学） ，用户可用扫描数据建立 3D 模型，然后对表面进行网格划分以应用在 FEA 分析中。FEA 模块中的网格重新划分功能对 FEA 的输入数据进行最大限度的优化，基于扫描数据的亨氏单位，可以对体网格进行材质分配。在 MIMICS 中通过点云数据建立一个 3D 模型。在 FEA 模块中，使用 MIMICS 的网格重划功能对 3D 模型网格进行重
9、新划分。在 FEA 模块下输出到 Patran Neutral,Ansys 及 Abaqus surface等 FEA 软件。将表面网格转换成体网格用于前处理（e.g.MSC,Marc,）在 FEA 模块中输入 Patran,Ansys,Abaqus 体网格文件。在 FEA 模块中基于扫描数据对体网格进行材质分配。在 FEA 模块中输出材质分配后的体网格到 Patran,Ansys,或Abaqus 等 FEA 软件中。MIMICS 网格重划功能：MIMICS 的网格重划功能能显著提高 STL 模型的质量和处理速度，能方便地将不规则三角片转化成趋近于等边的三角片。在进一步的自动重划功能里，能进行
10、更加专业的半自动或手动划分，以便更好地进行 FEA 分析。l 更多的质量控制参数：MIMICS 网格重划功能提供多达 14 种通用的质量控制参数，用户可以选取合适的方法来计算三角片的质量。l 简便的自动网格重划功能：网格重划功能可以自动地提高三角片的质量，它搜索所有在预先设置的质量水平之下的不好的三角片，再把它们转化到可接受的形状。l 手动网格重划：在个别情况下，进行自动网格重划后仍有三角片质量低于要求，那么我们可以用手动的方法进行网格重划，网格重划功能提供独特的工具箱来手动修改它们的形状。提高 FE 分析中的可靠性及准确性：MIMICS 网格重划功能为所有 FEA 软件提供了高度自动化的接口
11、，它能显著提高 STL 模型 FEA 分析结果的可靠性和精确性。多数FEA 工具软件不能进行网格重划后的优化工作，这样必将使最终结果的准确性大打折扣，用 MIMICS 网格重划功能将得到最优化的文件，然后将优化的结果输出到 FEA 软件中去。节省运算时间：一般来说，进行优化所需时间会比较长，但 MIMICS 网格重划功能会大大缩短这一时间。材料分配：载入体网格数据后，FEA 功能基于扫描图像数据为网格的每一个单元计算出享氏单位的灰度值，然后可根据不同的灰度范围定义相应的材料，也可以按密度，或 E 模量及泊松系数来定义材料。分配了材料的体网格就会被输出给 Patran neutral, Ansy
12、s 及 Abaqus 文件。l 用均匀方式分配材料：将体网格中的亨氏单位分成相等的区域，每一区域对应不同的物质，用经验公式将亨氏单位转化成密度值，再把密度值分配给相应的体网格，接着为每一种物质定义 E 模量及泊松系数。l 用查表方式分配材料：在一个 XML 文件中为灰度值分配相应的密度值，然后在 FEA 模块中输入这个 XML 文件，按照 XML 文件的定义对每一个体网格分配材料，再对每一种材料定义 E 模量及泊松系数。手术模拟模块：MIMICS 手术模拟模块是手术模拟应用的平台，可用人体测量分析模版进行细部的数据分析，对骨切开术及分离手术以及植入手术进行模拟，或解释植入手术的过程，有很大帮助
13、。人体测量分析：要进行人体测量分析，先选取一个模版，预先设定所需的标记、参照面及测量方式，平面及测量方式所需的标记点被确定之后，平面及测量方式也就被确定下来，如果没有合适的模版，也可以自定义模版。标记列表：能对标记点进行创建、拷贝、编辑、删除等操作，在进行以上操作之前每个标记点都有各自的默认属性，可以编辑的特性包括：标记名称、颜色、描述。平面列表；第二个列表可以方便用户定义一个或更多可供分析的平面，要定义一个分析面必须先定义标记点或基于一个事先生成的模版中的平面。测量列表：有多种方式可供选择以测量角度或距离，对于距离的测量，不论是在两点之间还是一点与一个面之间均可测量，对于角度的测量，可以用三
14、点法及两线法（每条线由两个点决定） ，注意：测量只能在模版中巳定义的点及面中进行。手术过程模拟：MIMICS 手术模拟功能为外科手术模拟提供强大的 3D 工具包，多种模拟骨切开手术及分离手术的工具及 STL 文件的操作可供选择。切割：两种切割工具可供选择：多义线切割及带切割面的多义线切割，在多义线切割中，用户用画线的方法来定义一个切割曲线，切割面垂直于视平面，如果切割深度没有切透，这个切割将是无效的，带切割面的多义线切割法是一个自由的切割工具，可以在 3D 及 2D 中进行拖动切割，切割轨迹将在 2D 及 3D 中实时显示。分割：这一功能可将一个对象分成彼此独立的 3D 模型，然后建立多个不同
15、的局部 3D 模型。融合：融合功能将所选的不同模型变成一个模型。镜像：镜像功能可以将选定的对象沿一个设定的平面或一个巳有平面（从人体数据分析或 MEDCAD 得来）镜像生成新的对象，可以选取多个对象进行镜像操作。放置牵引:经过切割操作后，可从数据库中选取合适的牵引器安放在 3D 模型上进行对比，因为切割操作不可能是自动进行的，所以操作者必须了解所选牵引器的正确使用方法。牵引位的调整：为了模拟牵引器的定位及调整，牵引器移动的分析视图可做参考。定位功能：对象可以移动也可以旋转，任意一种操作方式都可以用以达到用户的目的。有几种对象的修改方式可供选择：沿轴向移动、平面内移动或者沿轴旋转、沿点旋转，当然
16、没有这些限制的操作也是一种选择。注册功能可方便地用标记点调整对象，也可用鼠标移动来调整对象。附加功能：载入的 STL 文件可被添加到项目管理器中，项目管理器中的 STL标签下的按钮可对 STL 文件进行旋转、移动等操作。现有一个神经工具：先在 2D 中画出，然后在项目管理器中添加神经标签应用引言：快速原型技术经过 20 多年的发展，已经发展得相当成熟。目前CT、 MRI 等断层扫描技术在诊断方面应用相当广泛。但是这些断层扫描的图片有其本身的局限性，二维图片往往让外科医生不能很好的对病理进行分析。翻阅大量的序列断层图片，不及将这些图片三维重建，将实体模型拿在手上进行分析得到的信息多。比利时Mat
17、erialise 公司开发的 Mimics 是连接断层扫描图片与快速原型制造的桥梁。图片的导入针对目前标准的 DICOM 文件格式，Mimics 提供了自动的导入功能。用户只需要在导入向导的指引下就可以导入整个目录下的文件或是部分文件。同时，还可以通过半自动的方式导入 BMP 和 TIFF 文件，手动的方式导入其他的文件。组织的提取及三维重建导入原始的断层图片后，MIMICS 会自动计算生成冠状面图和矢状面图。Mimics 用三个视图来显示这三个位置的图片，并且这三个视图是相会关联的，可以通过鼠标和定位工具栏快速定位，如图 1 所示。右上角的图是原始的扫描图像，左上角和下角是由原始横断面图像计
18、算生成的冠状面和矢状面图像。红线指示横断面图像的位置，黄线指示冠状面图像的位置，绿线指示矢状面位置。图 1 Mimics 的用户界面断层图片中，不同组织的灰度值不同，故此可以通过阈值来提取相应的组织，如图 2 所示。图 2 设置恰当的阈值提取组织从图中可以看出，着色的象素其灰度值落在阈值之间，故其被提取。准确的设置阈值是提取组织的关键，阈值提取组织的时候，可以通过看图，检查提取的组织是否合适。图 3-A 的阈值左区间设置得太低，故而提取了许多噪点。图 3-B 的阈值左区间设置得太高，故而有许多骨组织丢失。图 3A 左侧阈值设置太低图 3B 左阈值设置过高Mimics 会将提取的象素存放在一个蒙
19、罩（Mask）里，同时Mimics 提供一系列的工具编辑修改蒙罩，从而提取所需的组织。编辑好的蒙罩可以用来生成 3D 模型，这样就实现了 2D 断层扫描图片到三维实体的转换，如图 4 所示。图 4 重建的三维数字模型从 2D 扫描图片到三维模型的转换，这是 Mimics 处理医学断层扫描图像的第一步。Mimics 与其他影像处理软件最大的不同之处是其提供了一系列模块，通过这些模块，可以将三维用来生产快速原型件、用于 FEA 分析、可以输出相应的 CAD 的信息为后续的假体/植入体设计提供参考数据。同时还可以在 Mimics 里，基于三维模型做手术的模拟，设计一些植入体。快速原型经过 20 多年
20、的发展，这项技术已经发展得相当成熟，其制造精度和速度都有很大的提升。同时，快速原型制造的软件平台Magics 也经过 15 年的发展，可以解决 RP/RT/RM 领域的几乎所有问题。Mimcs 针对不同的需要，提供了不同的模块，解决不同用户的需求。针对快速原型制造，STL+和 RP Slice 模块是其提供的强有力的接口。通过 STL+这个模块，Mimics 就可以输出快速原型制造行业的标准 STL 文件，包括 Binary 和 ASC两种存储方式的 STL 文件。同时还可以输出 DXF、VRML、PLY、Single PLY、Point cloud文件，以满足不同用户的需要。通过 RP Sl
21、ice 模块，Mimics 就可以针对不同 RP 机器用来生产的切层文件格式需要，将三维模型输出为 CLI、SLI 和 SLC 格式的文件。RP 设备读入这些切层文件，可以直接用于生产，图 5 为用快速原型技术生产的实物模型。图 5 快速原型制造的三维实物模型结论快速原型技术在医学的应用将会越来越广泛，现在的三维建模技术也发展的相当成熟。临床医生可以很好的借助三维实体模型的帮助，从而规避更多的手术风险，手术的方案也会更加切合实际的需要。同时医生与患者的沟通也更加的容易、便捷。很多人或许都有这样的误解，认为 Mimics 是有限元分析软件，这是个错误的认识。Mimics 只是提供了断层扫描图片到
22、生物力学分析的桥梁，而不是一个求解器。做生物力学有限元分析，首先要解决是的模型的问题，接下来是赋材质的问题。为什么要解决这两方面的问题呢？要进行生物力学有限元分析首先要解决是模型问题，但是这是个难题。当前的建模软件很多，但是由于解剖结构的复杂性，曲面的任意性，所以当前最高端的 CAD 软件也没有办法设计出符合需要的解剖结构模型。另外一种方法可能是使用传统的逆向工程的方法，就是对真实的解剖结构进行扫描，然后利用逆向软件进行三维重建。但是这样做也不可避免的模型不精确的问题，因为采用这种方法只能得到解剖结构的外部轮廓，而对于内部结构就无能为力了。再者，对于结构复杂的组织也是没有办法使用逆向的方法重建
23、的。由于不能得到有限元的模型，所以很长一段时间，解剖结构的生物力学有限元分析都不能很好的开展下去。但是现在国外已经有很多生物力学有限元的分析案例了，因为 Mimics 可以很好的解决模型问题。Mimics 有强大的基于断层扫描图像的建模功能，这一点是有目共睹的。但是最为重要的是 Mimics 提供了多个有限元软件的接口，通过这些接口可以将重建的三维模型输出。目前 Mimics 提供的接口主要有 patran、nastran、abaqus 、fluent 和 ansys。有人可能有这样的想法，这些有限元软件读入 Mimics 输出的文件，就可以进行有限元分析。这是个错误的想法，首先 Mimics
24、 三维重建后的模型是面网格格式的模型，所以被读入到有限元软件中不能直接进行有限元分析。相反地，Mimics 输出的面模型，被读入到有限元软件主要是做体网格的划分。前面提到地 5 个有限元软件，其相应地前处理软件包都可以高效地对 Mimics 输出的面网格模型进行体网格划分。生物力学有限元的第二个要解决的问题是赋材质问题。前面提到地5 个有限元软件的前处理软件包，在处理生物模型的材质分配的时候，都会有问题。因为生物结构地材质分布不均一，同时各种材质的分布界限是非线性的。所以使用有限元前处理软件包对生物模型赋材质，达不到很好的结果。Mimics 提供了一种高效的材质分配方法，Mimics 使用地方
25、法是利用灰度值的方法。总之，Mimics 通过断层扫描图片，可以为生物力学有限元分析提供精确的模型，可以为模型精准的赋材质。MIMICS 软件在人体骨组织重建方面的应用 发表时间：2007-7-30 作者: 姜海波 来源: e-works 关键字: mimics 建模 划分网格 本文鉴于大家在 mimics 进行建模方面的问题，介绍了一个建模过程。具体的建模步骤如下：第一步，将现有的 ct 数据导入 mimics 是通过以下的步骤：导入 ct 数据得到下图这里的图像以 mimics 自带的图像为例。第二步，进行阈值分析，点下图右下角的按钮在股骨头的部分画一条线，出现下图点弹出对话框上的 sta
26、rt threholding，如下图绿色显示的是根据 ct 图像灰度所生成的阈值，一般不需要调节，但如果你觉得边界不是分割的很清楚的话可以适当调整一下。点 close 后，点上面对话框的 apply,然后切换上面的表单到如图所示状态点这个按钮，然后在图中绿色的股骨头上点一下，记住，是股骨头，如下图第三步，对模型进行处理。点 close，这时生成的股骨中间有很多的空洞，这在后面的 ansys 处理中会有很大的麻烦，所以就要求你仔细的一幅一幅的 ct 图片进行修改，就是把股骨中间有空的地方添满。点下图右下角的按钮，下面的两张图是经过处理和处理之前的差别，股骨头上面的空洞没有了。空洞的产生是由于 c
27、t 阈值的差别造成的，并不是原来就有的，因此这样处理不影响后续计算。上面的工作是细活，要有耐心然后点 建立三位模型点 calculate得到三维图形，这时的图形只是面，而不是体如图点击进入 migics9.9点 smooth进行光滑处理后，exit 并保存，只需要点弹出对话框的 yes系统自动退回到 mimics 点 export 如图，导出 ansys 文件在 ansys 中划分网格后就可以导入 mimics 赋值了。注意：这里必须选 ansys area files 如果选 element 划分网格就困难了。导入 ansys 进行划分网格后保存文件。将模型另存为一个文件名，在这里是 hipout。点击下图按钮弹出对话框如下图，选择 ansys file导入后，点击 materials 按钮弹出对话框，设置数据如下图
