什么是3D图像处理, 它是如何工作的?| 新思科技 Simpleware

3D图像处理

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,如由核磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT)获得的数据经过转换、过滤、图像分割和形态学操作。使用这些图像数据就可以通过计算机模拟过程对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,可以构建极其复杂结构的模型,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得到的数字化模型,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,例如患者定制化的植入体设计、具有目标特性的材料设计优化或高价值零部件的无损检测。

三维图像处理如何工作?

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,才能够更好地解释和理解图像。这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,即体素(三维像素)网格。在CT扫描中,特定体素处的灰度强度与受试者在该位置(大致相当于受试者的密度)对X射线的吸收有关,而在MRI仪器中,它与质子在在施加非常强的磁场后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。

 

重建的图像是三维图像处理的典型输入,接下来的目标通常是区分图像中的感兴趣的区域并构建这些结构的数字三维模型——这个过程称之为图像分割,可能涉及多种方法,方法的选择取决于受试者、目的和图像质量的限制。在 Synopsys Simpleware 的 三维图像处理软件中,用户可以: 

  • 通过图像滤波移除或减少图像中不必要的噪声或伪影,对数据进行裁剪或重采样以提高处理的容易程度和效率。
  • 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进程。
  • 对得到的模型进行测量或统计分析,以定量分析结构。
  • 导入CAD组件并与基于图像得到的复杂模型整合。
  • 可导出各种格式用于进一步的模拟和/或设计工作、增材制造。

Synopsys 的三维图像处理

3D成像对数字模型支持问题解决的价值是许多主要行业中日益增长的资产,但必须利用适当的工具来充分利用这项技术所能提供的洞察力。Synopsys的 Simpleware软件将图像数据置于其广泛的3D图像处理解决方案的中心。核心的Simpleware ScanIP软件环境包含上文讨论的图像处理、分割和测量工具,这些工具都通过易于使用的图形界面实现。

三维图像处理的拓展

附加模块提供了特定工作流的补充解决方案。现有工具的灵活性可以说是其最强大的优势,可以从具有挑战性的图像中生成富有价值的模型,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:

  • 导出 STL 数据,为准备好的模型进行增材制造。
  • 为基于物理的模拟(例如有限元或计算流体力学)生成体积网格
  • 为后续的设计工作导出适用于CAD的NURBS文件。
  • 将图像数据与CAD文件相结合,以观察和规划与成像对象的组件交互

采用基于有限元的均质化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3D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可以设计针对患者的膝关节替换方案。与骨外科医生通力合作,设计并告知术前计划,解决个体患者各不相同的挑战性问题。工作流程如下:

  1. 获取CT 扫描图像,包括患者的髋部、腿和脚踝骨骼。
  2. 将数据导入 Simpleware ScanIP 进行解剖结构的三维图像处理,并在患者体内定位 CAD 植入体。
  3. 脚本可以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,后者用于创建模拟的参考。
  4. 最终3D 模型可以在 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体的最佳放置点。
  5. 3D 打印模型也是在 Simpleware文件中创建生成,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。