本文應用面向對象編程技術開發了一個適用于醫學物理研究的三維虛擬模體的設計軟件。該軟件命名為Magical Phantom(MPhantom),由三維可視化編輯模塊和虛擬CT 掃描模塊構成。用戶使用MPhantom可以快捷的實現復雜3D虛擬模體的可視化設計,并且將虛擬模體輸出為符合DICOM 3.0 協議的CT數據。MPhantom的模體設計功能和CT數據輸出功能通過了實際的應用場景測試,是一個界面友好,功能強大的工具軟件。該軟件將極大的方便放射治療中的蒙特卡羅劑量模擬以及X射線影像重建算法等的研究工作。
引用本文: 鄒煉, 謝朝, 吳琦. 3D虛擬模體設計軟件的開發. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(1): 76-80. doi: 10.7507/1001-5515.20140015 復制
引言
模擬人體不同部位特征的仿真模體在醫學物理領域中廣泛應用,比如放療新設備的臨床應用前的驗證,放療新技術的研究,圖像引導放療設備的圖像重建算法研究等[1-3]。標準的商業模體產品一般來講比較昂貴,應用條件也很局限,在很多應用場合下不能滿足我們的科研需求。醫學物理研究人員研究了各種基于計算機的虛擬模體,并且在醫學成像和放射治療領域發揮著越來越重要的作用[4-9]。
基于計算機的虛擬模體一般可以分為兩大類型:一類是體元化模體;另一類是基于數學公式的模體[10-11]。基于患者數據庫分割得到的體元化模體有很強的逼真特征,但是它的可變性和運動特性不足[10]。基于數學公式的模體,很容易實現模體的運動特性和可變特性,但是因為數學公式的簡化處理,其逼真特性會受到影響[4-5, 11]。本文的目的是建立一套基于模體元件的三維模體設計軟件,并且提供一個友好的圖形界面。本軟件構建的虛擬模體綜合了體元化模體和基于數學公式模體的優勢即同時具備很好的逼真特性和可變特性(運動特性在4D模體中處理)。
1 材料與方法
本軟件命名為Magical Phantom(MPhantom),主要的設計目標是:① 能方便地完成目標虛擬模體的可視化設計;② 模擬CT掃描的過程,產生虛擬模體的CT影像數據;③ 提供一個完整的用戶友好的軟件界面。MPhantom產生的CT 影像數據符合DICOM 3.0標準,可由任何支持DICOM 3.0 CT影像標準的軟件讀入以供完成后續研究工作[12]。
本軟件采用面向對象編程方法,應用Python語言開發[13]。本軟件完成虛擬模體設計的核心思想是:先創建各種基礎模體元件,然后通過元件之間的布爾運算和空間組合最終實現復雜的虛擬模體設計。本軟件根據創建虛擬模體和虛擬CT掃描的功能需求,把軟件劃分為兩個任務模塊:① 3D虛擬模體的可視化設計模塊;② 虛擬CT 掃描模塊。
1.1 虛擬模體設計模塊
3 D可視化模體設計模塊由以下幾個部分構成:模體元件管理、模體元件幾何數據產生、模體元件屬性編輯、3D可視化。
本軟件中通過樹形列表的方式完成對模體元件的管理。組成模體的所有元件的名稱都在樹形列表中顯示。在該列表中可以完成組成模體的元件添加,刪除和保存成文件等操作。
模體元件由幾何數據、物理材料以及可視化屬性三部分構成。本軟件有兩種途徑來產生元件的幾何數據。對于簡單幾何形狀,可以通過應用軟件內部預定義的標準(立方體、圓柱體、球體、錐體等)幾何體,通過三維變換的方式產生。對于非常復雜的幾何形狀,可以讀入由外部3D 模型設計軟件(比如Auto CAD、 Solid Works等)輸出的STL格式文件來生成。元件的物理材料屬性和可視化屬性可以通過元件的屬性編輯界面完成設置。通過屬性編輯界面可以設置對應元件的名稱、物理材料以及三維可視化參數等。為了方便完成多元件的布爾操作,在屬性編輯器中需要對每個元件的優先級進行設置,一個多元件的重疊區域的取值與優先級最高的那個元件一致。
虛擬模體的三維可視化是該設計軟件的一個重要特性,可以通過可視化功能實時的觀察所設計的虛擬模體。用戶能夠自由設置元件的透明度,顏色等可視化屬性,實現友好的用戶控制。在可視化窗口內,可以按需調整觀察角度,并且可以把選定觀察視角下的虛擬模體效果圖保存為常見的圖片格式。
1.2 虛擬CT掃描模塊
仿真模體在實際科研當中,一般都需要通過一臺醫用CT機對模體進行掃描,然后獲得其CT影像。為了應用的方便性和工具的實用性,MPhantom提供了一個虛擬CT掃描的模塊。通過虛擬CT掃描的模塊,用戶設計的虛擬模體可以直接轉換成表示虛擬模體的三維CT圖像。
在放射治療的應用中,我們通常應用一個電子密度校準模體完成臨床定位CT的CT值到電子密度的定標,獲得一個CT值-電子密度映射表[14]。在治療計劃設計系統中,通過該映射表把定位CT掃描的患者三維CT數據轉換為三維的電子密度分布數據,最后完成三維的劑量分布計算[15]。本文將逆向應用CT值-電子密度映射表,用于獲得虛擬模體的三維CT圖像。
為了應用的方便,本文所設置材料的電子密度都是相對于水的相對電子密度(是材料的電子密度與水的電子密度的比值)。圖 1中展示了在我院CT掃描機上刻度得到的相對電子密度與CT值的映射曲線。一種材料對應一個電子密度值,換句話說就是對應一個相對于水的相對電子密度值。通過相對電子密度值與CT值映射曲線的應用,可以獲得更接近于現實情況的CT數據來應用于科學研究。

表 1中列出了部分MPhantom內置材料的相對電子密度值。在虛擬CT掃描時,對于相對電子密度值沒有在映射表中的材料,我們采用線性內差值算法處理,獲得其相應的CT值。對于后續的研究工作來說,通過MPhantom獲得的CT數據與通過CT機對仿真模體進行掃描獲得的CT數據沒有差異性。

為了實現更逼真的虛擬CT掃描,在應用MPhantom之前需要完成一個簡單配置。首先把在臨床定位CT上標定得到的電子密度-CT值映射表按照(相對電子密度值,CT值)的方式編輯在文本文件中,每一個數對占一行。然后把該文件放在MPhantom的虛擬CT機的文件夾下。虛擬CT機的文件夾下的每一個文件對應具體的某一臺CT機,可以支持多臺虛擬CT機運行。
虛擬CT掃描的時候,通過圖形界面來完成虛擬CT機的選擇,虛擬掃描參數(掃描的層厚,圖像的平面分辨率)的設置。虛擬CT機掃描默認是HFS模式。通過這種處理,在虛擬模體中設置好與仿真模體材料一致的元件,通過虛擬CT機掃描得到的圖像CT值將會與仿真模體通過真實醫用CT掃描獲得的圖像CT值一致。
虛擬模體設計的三維坐標系(簡稱模體坐標系)與虛擬CT機的三維坐標系(簡稱CT坐標系)的對應關系是輸出的虛擬CT圖像與虛擬模體一致性的關健。本文通過引入一套患者坐標系來完成模體坐標系與CT坐標系的聯接。CT掃描中默認是HFS模式,各橫切面、冠狀面、矢狀面中的約定與臨床應用的習慣一致。從模體坐標系的負z方向看過去,x正方向朝左邊(對應患者的右邊),y正方向朝上(對應患者的前方),z正方向為模體的頭方向(對應患者的頭方向)。
完成虛擬CT掃描之后,提供方便的圖形界面選擇虛擬CT影像的輸出目標文件夾,同時設定DICOM 頭信息相關的參數,完成符合DICOM3.0 標準的CT 影像的輸出。
2 結果
2.1 標準商業模體
根據IAEA 1583號技術報告中參數,應用MPhantom 完成CIRS 公司的002LFC型號模體以及Modus 醫療儀器公司的Quasar模體的設計[16]。MPhantom中實現模體是上述標準模體的一個近似,精確參數上有所差異,但各部分的基本形態以及相對關系上非常相近。虛擬模體與真實標準模體之間的這種差異性不會影響到后續虛擬模體的應用。
圖 2 中展示了002LFC型號模體的真實CT掃描的影像與MPhantom構建的相似模體的虛擬CT掃描的影像。兩張圖因窗寬窗位不同,在顯示上亮度有些不同。

(a)模體醫用CT掃描得到的斷層圖像;(b)MPhantom輸出的CT斷層圖像
Figure2. 002LFC phantom(a) a transverse slice from real CT scanner; (b) a transverse slice from MPhantom
圖 3 中展示了Quasar模體真實CT掃描的影像與MPhantom構建的相似模體的虛擬CT掃描的影像。MPhantom構建的模體中,特意將圓柱形的插件設置成不同材料,增加對比效果。左右兩圖的窗寬窗位也不同,所以顯示亮度有差異。

(a)模體醫用CT掃描得到的斷層圖像;(b)MPhantom輸出的CT斷層圖像
Figure3. Quasar phantom(a) a transverse slice from real CT scanner; (b) a transverse slice from MPhantom
2.2 自定義的模體Lung 01
Lung 01 模體是由作者自己設計的一個胸部模體:由材料為肺組織的兩橢球體代表左右兩肺。左肺中的一個腫瘤組織密度的小橢球代表肺部腫瘤。一個水組織的橢柱代表胸廓。材料為骨組織的圓柱代表脊柱。
應用MPhantom 完成Lung 01號模體的設計,并把數據導出為CT 影像。利用四川大學奇林科技的放療計劃系統FonicsPlan導入CT數據,完成治療計劃設計。圖 4中展示了Lung 01模體的肺部腫瘤附近的部分CT影像層面,以及導入到放療計劃系統中的結果。

(a) Lung 01 的CT 斷層視圖;(b) Lung 01 CT數據的治療計劃設計視圖
Figure4. Phantom data imported by radiotherapy treatment planning system(a) Lung 01 showed in CT slices view; (b) Lung 01 showed in planning view
3 結論
本文實現了一套基于模體元件的三維虛擬模體的設計軟件。以上結果表明,MPhantom通過組合各種的元件可以完成包括近似標準商業模體的設計以及用戶自定義模體的設計。MPhantom不僅僅擁有強大的模體設計功能,而且還能夠把設計好的虛擬模體方便的轉換成符合DICOM 3.0標準的CT圖像,而且是非常接近真實情況的CT圖像。MPhantom生成的CT數據能夠導入到Xio 4.6.4 版本TPS以及FonicsPlan TPS中。MPhantom通過了實際的應用情景驗證,達到了設計要求。
MPhantom內置有標準STL文件讀入接口,可以讀入由商業三維CAD軟件輸出的標準STL文件作為模體設計的元件。通過該功能可以實現模體元件的高度逼真特性,從而保證設計出的虛擬模體具有高度逼真特性。MPhantom對模體元件的三維變換可以實現對模體元件沿笛卡爾坐標系的各軸方向縮放和與其他相鄰元件的相對位移和旋轉,從而保證設計出來的虛擬模體具有高度可變特性。應用MPhantom設計出的基于模型元件的三維虛擬模體同時具備體元化模體和基于數學公式的模體的優勢特征即同時具備很好的逼真特性和可變特性。
MPhantom不僅僅是一個強大的模體設計工具,而且能夠通過虛擬CT掃描功能把設計出的模體直接輸出為符合DICOM 3.0的CT影像。任何支持DICOM 3.0標準的科研軟件都可以方便的應用MPhantom的輸出結果,極大的方便了醫學物理研究人員。
本文創新性的提出基于模體元件的虛擬模體設計方法,并且開發了MPhantom模體設計工具。該工具能幫助用戶設計出滿足獨特需求的三維虛擬模體,并且直接輸出符合DICOM 3.0 標準的CT影像數據。該工具將在醫學影像算法研究和新的放射治療新技術的前期研究中起到非常重要的作用,比如CT的圖像重建算法的研究,應用4D模體的4D 計劃設計的研究,基于蒙特卡羅方法的劑量模擬研究等。當然,三維虛擬模體并不能完全替代實在的標準模體產品,特別是對于需要實際劑量測量的應用場合。虛擬模體的應用應取決于實際的工作需要。
本軟件目前的版本為1.0 發布版,目前只能支持固定的三維模型的設計。在MPhantom中,對模型元件的屬性編輯添加形變力場編輯和運動軌跡編輯就可以方便的實現可形變模體和4D模體的設計。MPhantom的下一步工作將添加3D可形變模體的設計功能,4D虛擬模體設計和4D虛擬CT掃描的功能。
引言
模擬人體不同部位特征的仿真模體在醫學物理領域中廣泛應用,比如放療新設備的臨床應用前的驗證,放療新技術的研究,圖像引導放療設備的圖像重建算法研究等[1-3]。標準的商業模體產品一般來講比較昂貴,應用條件也很局限,在很多應用場合下不能滿足我們的科研需求。醫學物理研究人員研究了各種基于計算機的虛擬模體,并且在醫學成像和放射治療領域發揮著越來越重要的作用[4-9]。
基于計算機的虛擬模體一般可以分為兩大類型:一類是體元化模體;另一類是基于數學公式的模體[10-11]。基于患者數據庫分割得到的體元化模體有很強的逼真特征,但是它的可變性和運動特性不足[10]。基于數學公式的模體,很容易實現模體的運動特性和可變特性,但是因為數學公式的簡化處理,其逼真特性會受到影響[4-5, 11]。本文的目的是建立一套基于模體元件的三維模體設計軟件,并且提供一個友好的圖形界面。本軟件構建的虛擬模體綜合了體元化模體和基于數學公式模體的優勢即同時具備很好的逼真特性和可變特性(運動特性在4D模體中處理)。
1 材料與方法
本軟件命名為Magical Phantom(MPhantom),主要的設計目標是:① 能方便地完成目標虛擬模體的可視化設計;② 模擬CT掃描的過程,產生虛擬模體的CT影像數據;③ 提供一個完整的用戶友好的軟件界面。MPhantom產生的CT 影像數據符合DICOM 3.0標準,可由任何支持DICOM 3.0 CT影像標準的軟件讀入以供完成后續研究工作[12]。
本軟件采用面向對象編程方法,應用Python語言開發[13]。本軟件完成虛擬模體設計的核心思想是:先創建各種基礎模體元件,然后通過元件之間的布爾運算和空間組合最終實現復雜的虛擬模體設計。本軟件根據創建虛擬模體和虛擬CT掃描的功能需求,把軟件劃分為兩個任務模塊:① 3D虛擬模體的可視化設計模塊;② 虛擬CT 掃描模塊。
1.1 虛擬模體設計模塊
3 D可視化模體設計模塊由以下幾個部分構成:模體元件管理、模體元件幾何數據產生、模體元件屬性編輯、3D可視化。
本軟件中通過樹形列表的方式完成對模體元件的管理。組成模體的所有元件的名稱都在樹形列表中顯示。在該列表中可以完成組成模體的元件添加,刪除和保存成文件等操作。
模體元件由幾何數據、物理材料以及可視化屬性三部分構成。本軟件有兩種途徑來產生元件的幾何數據。對于簡單幾何形狀,可以通過應用軟件內部預定義的標準(立方體、圓柱體、球體、錐體等)幾何體,通過三維變換的方式產生。對于非常復雜的幾何形狀,可以讀入由外部3D 模型設計軟件(比如Auto CAD、 Solid Works等)輸出的STL格式文件來生成。元件的物理材料屬性和可視化屬性可以通過元件的屬性編輯界面完成設置。通過屬性編輯界面可以設置對應元件的名稱、物理材料以及三維可視化參數等。為了方便完成多元件的布爾操作,在屬性編輯器中需要對每個元件的優先級進行設置,一個多元件的重疊區域的取值與優先級最高的那個元件一致。
虛擬模體的三維可視化是該設計軟件的一個重要特性,可以通過可視化功能實時的觀察所設計的虛擬模體。用戶能夠自由設置元件的透明度,顏色等可視化屬性,實現友好的用戶控制。在可視化窗口內,可以按需調整觀察角度,并且可以把選定觀察視角下的虛擬模體效果圖保存為常見的圖片格式。
1.2 虛擬CT掃描模塊
仿真模體在實際科研當中,一般都需要通過一臺醫用CT機對模體進行掃描,然后獲得其CT影像。為了應用的方便性和工具的實用性,MPhantom提供了一個虛擬CT掃描的模塊。通過虛擬CT掃描的模塊,用戶設計的虛擬模體可以直接轉換成表示虛擬模體的三維CT圖像。
在放射治療的應用中,我們通常應用一個電子密度校準模體完成臨床定位CT的CT值到電子密度的定標,獲得一個CT值-電子密度映射表[14]。在治療計劃設計系統中,通過該映射表把定位CT掃描的患者三維CT數據轉換為三維的電子密度分布數據,最后完成三維的劑量分布計算[15]。本文將逆向應用CT值-電子密度映射表,用于獲得虛擬模體的三維CT圖像。
為了應用的方便,本文所設置材料的電子密度都是相對于水的相對電子密度(是材料的電子密度與水的電子密度的比值)。圖 1中展示了在我院CT掃描機上刻度得到的相對電子密度與CT值的映射曲線。一種材料對應一個電子密度值,換句話說就是對應一個相對于水的相對電子密度值。通過相對電子密度值與CT值映射曲線的應用,可以獲得更接近于現實情況的CT數據來應用于科學研究。

表 1中列出了部分MPhantom內置材料的相對電子密度值。在虛擬CT掃描時,對于相對電子密度值沒有在映射表中的材料,我們采用線性內差值算法處理,獲得其相應的CT值。對于后續的研究工作來說,通過MPhantom獲得的CT數據與通過CT機對仿真模體進行掃描獲得的CT數據沒有差異性。

為了實現更逼真的虛擬CT掃描,在應用MPhantom之前需要完成一個簡單配置。首先把在臨床定位CT上標定得到的電子密度-CT值映射表按照(相對電子密度值,CT值)的方式編輯在文本文件中,每一個數對占一行。然后把該文件放在MPhantom的虛擬CT機的文件夾下。虛擬CT機的文件夾下的每一個文件對應具體的某一臺CT機,可以支持多臺虛擬CT機運行。
虛擬CT掃描的時候,通過圖形界面來完成虛擬CT機的選擇,虛擬掃描參數(掃描的層厚,圖像的平面分辨率)的設置。虛擬CT機掃描默認是HFS模式。通過這種處理,在虛擬模體中設置好與仿真模體材料一致的元件,通過虛擬CT機掃描得到的圖像CT值將會與仿真模體通過真實醫用CT掃描獲得的圖像CT值一致。
虛擬模體設計的三維坐標系(簡稱模體坐標系)與虛擬CT機的三維坐標系(簡稱CT坐標系)的對應關系是輸出的虛擬CT圖像與虛擬模體一致性的關健。本文通過引入一套患者坐標系來完成模體坐標系與CT坐標系的聯接。CT掃描中默認是HFS模式,各橫切面、冠狀面、矢狀面中的約定與臨床應用的習慣一致。從模體坐標系的負z方向看過去,x正方向朝左邊(對應患者的右邊),y正方向朝上(對應患者的前方),z正方向為模體的頭方向(對應患者的頭方向)。
完成虛擬CT掃描之后,提供方便的圖形界面選擇虛擬CT影像的輸出目標文件夾,同時設定DICOM 頭信息相關的參數,完成符合DICOM3.0 標準的CT 影像的輸出。
2 結果
2.1 標準商業模體
根據IAEA 1583號技術報告中參數,應用MPhantom 完成CIRS 公司的002LFC型號模體以及Modus 醫療儀器公司的Quasar模體的設計[16]。MPhantom中實現模體是上述標準模體的一個近似,精確參數上有所差異,但各部分的基本形態以及相對關系上非常相近。虛擬模體與真實標準模體之間的這種差異性不會影響到后續虛擬模體的應用。
圖 2 中展示了002LFC型號模體的真實CT掃描的影像與MPhantom構建的相似模體的虛擬CT掃描的影像。兩張圖因窗寬窗位不同,在顯示上亮度有些不同。

(a)模體醫用CT掃描得到的斷層圖像;(b)MPhantom輸出的CT斷層圖像
Figure2. 002LFC phantom(a) a transverse slice from real CT scanner; (b) a transverse slice from MPhantom
圖 3 中展示了Quasar模體真實CT掃描的影像與MPhantom構建的相似模體的虛擬CT掃描的影像。MPhantom構建的模體中,特意將圓柱形的插件設置成不同材料,增加對比效果。左右兩圖的窗寬窗位也不同,所以顯示亮度有差異。

(a)模體醫用CT掃描得到的斷層圖像;(b)MPhantom輸出的CT斷層圖像
Figure3. Quasar phantom(a) a transverse slice from real CT scanner; (b) a transverse slice from MPhantom
2.2 自定義的模體Lung 01
Lung 01 模體是由作者自己設計的一個胸部模體:由材料為肺組織的兩橢球體代表左右兩肺。左肺中的一個腫瘤組織密度的小橢球代表肺部腫瘤。一個水組織的橢柱代表胸廓。材料為骨組織的圓柱代表脊柱。
應用MPhantom 完成Lung 01號模體的設計,并把數據導出為CT 影像。利用四川大學奇林科技的放療計劃系統FonicsPlan導入CT數據,完成治療計劃設計。圖 4中展示了Lung 01模體的肺部腫瘤附近的部分CT影像層面,以及導入到放療計劃系統中的結果。

(a) Lung 01 的CT 斷層視圖;(b) Lung 01 CT數據的治療計劃設計視圖
Figure4. Phantom data imported by radiotherapy treatment planning system(a) Lung 01 showed in CT slices view; (b) Lung 01 showed in planning view
3 結論
本文實現了一套基于模體元件的三維虛擬模體的設計軟件。以上結果表明,MPhantom通過組合各種的元件可以完成包括近似標準商業模體的設計以及用戶自定義模體的設計。MPhantom不僅僅擁有強大的模體設計功能,而且還能夠把設計好的虛擬模體方便的轉換成符合DICOM 3.0標準的CT圖像,而且是非常接近真實情況的CT圖像。MPhantom生成的CT數據能夠導入到Xio 4.6.4 版本TPS以及FonicsPlan TPS中。MPhantom通過了實際的應用情景驗證,達到了設計要求。
MPhantom內置有標準STL文件讀入接口,可以讀入由商業三維CAD軟件輸出的標準STL文件作為模體設計的元件。通過該功能可以實現模體元件的高度逼真特性,從而保證設計出的虛擬模體具有高度逼真特性。MPhantom對模體元件的三維變換可以實現對模體元件沿笛卡爾坐標系的各軸方向縮放和與其他相鄰元件的相對位移和旋轉,從而保證設計出來的虛擬模體具有高度可變特性。應用MPhantom設計出的基于模型元件的三維虛擬模體同時具備體元化模體和基于數學公式的模體的優勢特征即同時具備很好的逼真特性和可變特性。
MPhantom不僅僅是一個強大的模體設計工具,而且能夠通過虛擬CT掃描功能把設計出的模體直接輸出為符合DICOM 3.0的CT影像。任何支持DICOM 3.0標準的科研軟件都可以方便的應用MPhantom的輸出結果,極大的方便了醫學物理研究人員。
本文創新性的提出基于模體元件的虛擬模體設計方法,并且開發了MPhantom模體設計工具。該工具能幫助用戶設計出滿足獨特需求的三維虛擬模體,并且直接輸出符合DICOM 3.0 標準的CT影像數據。該工具將在醫學影像算法研究和新的放射治療新技術的前期研究中起到非常重要的作用,比如CT的圖像重建算法的研究,應用4D模體的4D 計劃設計的研究,基于蒙特卡羅方法的劑量模擬研究等。當然,三維虛擬模體并不能完全替代實在的標準模體產品,特別是對于需要實際劑量測量的應用場合。虛擬模體的應用應取決于實際的工作需要。
本軟件目前的版本為1.0 發布版,目前只能支持固定的三維模型的設計。在MPhantom中,對模型元件的屬性編輯添加形變力場編輯和運動軌跡編輯就可以方便的實現可形變模體和4D模體的設計。MPhantom的下一步工作將添加3D可形變模體的設計功能,4D虛擬模體設計和4D虛擬CT掃描的功能。